歐智鈞 李鶴遠(yuǎn) 楊晨 孫旭陽 錢煒

摘 ?要：一種無死角雙向自動(dòng)擦窗機(jī)，通過使用單片機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制，并配合傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器主體在玻璃墻面上移動(dòng)，及其清潔機(jī)構(gòu)的左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無死角的自動(dòng)擦窗工作。同時(shí)設(shè)計(jì)成雙向模式來提高機(jī)器自動(dòng)運(yùn)行工作的效率。并且使用紅外傳感器來檢測(cè)玻璃墻面的邊緣或障礙物，從而實(shí)現(xiàn)避障、轉(zhuǎn)向等功能。該文所提出的一種無死角雙向自動(dòng)擦窗機(jī)能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有產(chǎn)品清理死角較多、清潔機(jī)構(gòu)只能單向工作等缺陷。

關(guān)鍵詞：雙向自動(dòng)擦窗機(jī) ?無死角 ? 實(shí)時(shí)反饋控制

中圖分類號(hào)：TU976 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）03（b）-0001-02

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為解決高層建筑玻璃幕墻的清洗問題提供了一個(gè)新的思路。真空吸附裝置具有輕量化、體積小、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等諸多特點(diǎn)，是壁面清洗機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一，并在多種氣動(dòng)機(jī)器人中得到了廣泛應(yīng)用。其中真空吸附式自動(dòng)擦窗機(jī)器人在智能家居中占據(jù)較大一部分市場(chǎng)。

針對(duì)現(xiàn)有擦窗機(jī)器人在工作時(shí)由于設(shè)計(jì)原理上的不足，其在邊緣以及角落等較難清理的區(qū)域死角較大。同時(shí)現(xiàn)有的擦窗機(jī)器人僅能單向進(jìn)行清潔工作，工作效率比較低下。因此，針對(duì)這些缺陷，該文提出了一種無死角雙向自動(dòng)擦窗機(jī)器，通過依靠吸盤吸附原理以及與一些常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，同時(shí)配合各種傳感器對(duì)外界參數(shù)如邊緣距離等進(jìn)行測(cè)量，并使用單片機(jī)進(jìn)行控制。

1 ?機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 吸附機(jī)構(gòu)

選用轉(zhuǎn)動(dòng)式吸盤（通過順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)吸盤邊緣來實(shí)現(xiàn)吸盤的吸附和脫離），通過使用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)慢速驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)吸盤轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到吸附或脫離的效果。

1.2 移動(dòng)裝置

使用蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過使用單片機(jī)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及停止，調(diào)節(jié)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)和吸盤的吸附狀態(tài)，使得機(jī)構(gòu)繞著某一旋轉(zhuǎn)吸盤的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)一定角度后使用另一吸盤吸附，再繞著該吸盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到控制機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.3 清洗裝置

參考車床上的絲杠導(dǎo)桿進(jìn)給機(jī)構(gòu)，使用單片機(jī)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠螺母的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使用一根光桿進(jìn)行平衡，并帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)清潔機(jī)構(gòu)能夠以固定在機(jī)架上面的滑槽進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到擦窗時(shí)的死角往復(fù)清潔工作。

使用小型電磁鐵開關(guān)或者小型絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的方式，將固定在絲杠以及光桿上方的移動(dòng)塊左右兩端的清潔刷繞著其旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使其達(dá)到某一個(gè)特定的位置，并保持其為工作狀態(tài)，然后驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)工作的條件。

1.4 伸縮機(jī)構(gòu)

使用小型電磁鐵開關(guān)或者小型絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊進(jìn)行收縮，將清潔刷繞著其旋轉(zhuǎn)軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到將其收縮到機(jī)器的兩端，減小其在非工作狀態(tài)下，或者是在運(yùn)輸過程中的包裝過大，或者是占地空間過大的缺陷，保證產(chǎn)品具有實(shí)際的發(fā)展前景以及客戶使用時(shí)的用戶體驗(yàn)。

2 ?路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃要求機(jī)器人能夠自動(dòng)感知障礙物，并同時(shí)自主實(shí)現(xiàn)避障功能，并通過某些性能自動(dòng)計(jì)算出機(jī)器人在不受到障礙物碰撞的前提下能完成預(yù)定目標(biāo)的最優(yōu)路徑。

該文所設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙控制模塊下的無死角雙向自動(dòng)擦窗機(jī)，通過使用紅外傳感器、陀螺儀等傳感器來檢測(cè)機(jī)器與窗戶玻璃面的邊緣的距離和機(jī)器運(yùn)行時(shí)所處在的工作位置，通過單片機(jī)控制的方式來自動(dòng)調(diào)整各個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)，使用蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及停止，調(diào)節(jié)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)和吸盤的吸附狀態(tài)，使得機(jī)構(gòu)繞著某一旋轉(zhuǎn)吸盤的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)一定角度后使用另一吸盤吸附，再繞著該吸盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使機(jī)器交叉前進(jìn)。同時(shí)使用傳感器探測(cè)出障礙物并控制機(jī)器的避障、轉(zhuǎn)向等功能，并觀測(cè)到窗戶玻璃的邊緣，同時(shí)進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣以及死角位置的清潔工作。

3 ?分析計(jì)算

3.1 電機(jī)功率計(jì)算及選型

機(jī)構(gòu)整體的尺寸大致為15cm×8cm×5cm，質(zhì)量約為300g，選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速n為300r/min，機(jī)構(gòu)整體所需扭矩為0.2N·m，并取傳遞總效率最小為80%，根據(jù)電機(jī)功率計(jì)算公式可得機(jī)器所需功率為8W，使用4個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器動(dòng)作，因此，每個(gè)電機(jī)的功率約為2W。

根據(jù)電機(jī)選型原則，選用電機(jī)型號(hào)為GA12-N20，其額定輸出功率為3.6W，滿足使用要求。該電機(jī)能夠通過調(diào)節(jié)單片機(jī)管腳輸出來間接控制其實(shí)際轉(zhuǎn)速，因此能夠滿足實(shí)際應(yīng)用過程中智能調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的要求，從而實(shí)現(xiàn)智能適配某一工作環(huán)境下的最佳轉(zhuǎn)速。

3.2 零件強(qiáng)度分析

由于機(jī)械零件可能會(huì)因?yàn)槠趶?qiáng)度等原因產(chǎn)生失效，而這種失效通常會(huì)造成機(jī)器的永久性損傷，并且極有可能造成產(chǎn)品損壞而引發(fā)安全事故等。因此，需要對(duì)機(jī)器內(nèi)部部分主要受力零件進(jìn)行有限元的強(qiáng)度、屈曲分析等，并同時(shí)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化等工作。因此，該文利用專業(yè)有限元分析軟件ANSYS來對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器中的主要受力部件進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，來校核設(shè)計(jì)是否滿足實(shí)際工程應(yīng)用以及生產(chǎn)制造加工要求。

因此對(duì)機(jī)器的重要機(jī)構(gòu)部分（如機(jī)架、絲桿支撐板等）進(jìn)行了一定的強(qiáng)度分析，在比較材料許用應(yīng)力之后，對(duì)部分應(yīng)力集中處進(jìn)行圓角或者加強(qiáng)筋處理，從而消除內(nèi)應(yīng)力，增加機(jī)器使用壽命。再次進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算之后，其強(qiáng)度剛度完全滿足使用要求。

4 ?控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在該設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于機(jī)器本身運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的控制來自于從用戶手機(jī)或者其他控制器發(fā)出的藍(lán)牙信號(hào)。用戶能夠自主控制機(jī)器的正反轉(zhuǎn)等狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操控、監(jiān)視等功能。此外，該文所設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)還將配備“傻瓜式”一鍵操作按鈕，能夠方便、快速地下達(dá)指令。

5 ?結(jié)語

該文所提出的無死角雙向自動(dòng)擦窗機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)識(shí)別出窗戶的邊界，并同時(shí)進(jìn)行智能的路徑規(guī)劃，將其工作效率以及清理程度達(dá)到最理想的狀態(tài)。并且通過傳感器與傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)合，同時(shí)加入智能控制算法的設(shè)計(jì)，不斷優(yōu)化，將所設(shè)計(jì)出的擦窗機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在多數(shù)情況下都能達(dá)到預(yù)期要求。此外，在設(shè)計(jì)過程中，考慮到包裝、運(yùn)輸以及存放等因素，將機(jī)器的清潔刷設(shè)計(jì)成能夠折疊，減小其在非工作狀態(tài)時(shí)所占用的空間，增大其便利性，提升產(chǎn)品的有效競(jìng)爭(zhēng)力。并且考慮到用戶體驗(yàn)感等，特意將機(jī)器人的動(dòng)力機(jī)構(gòu)使用到僅電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)于市場(chǎng)上基本上所有類似產(chǎn)品中的空氣泵而言，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有噪音小、安全可靠、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠在雨天等惡劣天氣進(jìn)行自動(dòng)工作，具有適應(yīng)性強(qiáng)、抵抗外界干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

綜上，該設(shè)計(jì)中所提出的無死角雙向自動(dòng)擦窗機(jī)能夠達(dá)到預(yù)期所設(shè)定的要求，并同時(shí)相對(duì)于市場(chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品具有一定的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較大，因此該產(chǎn)品的市場(chǎng)前景仍然比較廣闊。

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