陸定超，陳嘉齊，盧 琳，李金鵬，賈淳翔

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院 交通與機(jī)械工程系，遼寧 沈陽 110167）

0 引言

人類的進(jìn)步，都是以能源為基礎(chǔ)的，隨著社會(huì)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)能源枯竭的趨勢日益明顯，太陽能作為一種取之不盡，用之不竭的新興能源，越來越受到重視。以及國內(nèi)對能源利用的轉(zhuǎn)型，使得光伏電站的建設(shè)力度也得到了增加。然而太陽能板常年工作在露天環(huán)境下，容易沾染灰塵，使得太陽能板的發(fā)電效率變低。目前對太陽能板的清洗方式還是人工清洗，由于光伏電站的占地面積巨大，人力組織一次清洗費(fèi)時(shí)費(fèi)力。另外，一些地處山坡等地的光伏電站，人工清洗不方便而且危險(xiǎn)。因此出現(xiàn)清洗太陽能板的機(jī)器人，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分機(jī)器人的尺寸只針對一些特定大小的太陽能板進(jìn)行清洗，無法適應(yīng)不同面積大小的太陽能板。另外一些不受太陽能板尺寸限制的機(jī)器人，工作效率不高。本項(xiàng)目的研究目的便是制作一種機(jī)器人，在做到在適應(yīng)不同規(guī)格太陽能板的同時(shí)還能提高工作效率。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要分成機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)兩個(gè)方向。為了方便制造，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分成兩大部分，一部分為行進(jìn)機(jī)構(gòu)，另一部分為清洗模塊。

1.1 行進(jìn)機(jī)構(gòu)

太陽能板的外形大部分屬于矩形，因此將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式分成互相垂直兩個(gè)方向上的兩軸運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由兩部24V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中一部電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人在太陽能板上的橫向水平運(yùn)動(dòng)，另外一部24V直流電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)在機(jī)器人框架內(nèi)部的縱向移動(dòng)。通過程序控制使得機(jī)器人按照規(guī)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，達(dá)到機(jī)器人在太陽能板上清洗時(shí)運(yùn)動(dòng)的能力。

為了達(dá)到范圍內(nèi)自由伸縮的功能，利用5組導(dǎo)軌和滑塊以及型材組合實(shí)現(xiàn)。

圖1 收縮狀態(tài)Fig.1 The state of contraction

圖2 伸長狀態(tài)Fig.2 The state of elongation

1.2 清洗模塊

在產(chǎn)生相同電量的情況下，光伏電站的占地面積往往比普通的火力發(fā)電站所占的面積更大，因此為了滿足一定的裝機(jī)總量，巨大的占地面積使得光伏電站一般建在沙漠，山地，丘陵等環(huán)境下，而不同的環(huán)境對太陽能板表面的影響也不同。因此將清洗結(jié)構(gòu)做成模塊化，可通過螺絲快速拆裝，以方便清洗不同環(huán)境下太陽能板表面不同的污漬。

在沙漠環(huán)境中，缺少水分，揚(yáng)沙天氣繁多等因素，使得太陽能板表面的污漬大部分屬于沙子等細(xì)小顆粒。只需要輕微的擦拭就可以除去灰塵，因此清洗模塊可以是帶有毛刷輥的裝置。

在山地，丘陵等地，相對充沛的雨水，霧霾天氣以及個(gè)別距離城區(qū)較近的地區(qū)，城市建筑粉塵對太陽能板的共同作用，使得表面的污漬大多是結(jié)塊狀的斑點(diǎn)積灰。單一的毛刷輥結(jié)構(gòu)難以清洗干凈太陽能表面，因此清洗模塊可以是以水為主，毛刷輥為輔的復(fù)合清洗裝置。

另外在經(jīng)費(fèi)，技術(shù)允許的條件下，可以將清洗模塊做成類似吸塵器，靜電除塵機(jī)等裝置。

2 程序設(shè)計(jì)

Arduino作為一種被廣泛被使用的單片機(jī)，其上手簡單，因而以它為基礎(chǔ)，對整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

分析機(jī)器人行走路線，此處所描述的路線即清洗模塊的行進(jìn)軌跡，在太陽能板上建立10×10的XY坐標(biāo)軸，以清洗模塊的中心為準(zhǔn)，清洗模塊走的軌跡如下：

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)順序以及程序的設(shè)計(jì)：

（1）清洗模塊開始工作。

（2）此時(shí)整個(gè)機(jī)器人在太陽能板的左上角開始運(yùn)作，內(nèi)部的清洗模塊向下行進(jìn)，當(dāng)安裝在滑臺(tái)最下側(cè)的光電傳感器接收到一個(gè)信號 （即清洗模塊到達(dá)了太陽能板的最下方），電機(jī)2開始反轉(zhuǎn)，使清洗模塊向之前的反方向運(yùn)動(dòng)回來，直到安裝在滑臺(tái)最上方的光電傳感器接收到不同的信號（即清洗模塊到達(dá)了太陽能板的最上方）。此時(shí)太陽能板的最左側(cè)一條寬度與清洗模塊左右寬度相似的區(qū)域便清洗完成。

（3）完成2中的步驟之后，電機(jī)2停止運(yùn)作，即保持整個(gè)機(jī)器人靠在太陽能板的左側(cè)。此時(shí)電機(jī)1開始正轉(zhuǎn)，使得整個(gè)機(jī)器人向右行進(jìn)，通過設(shè)置延遲子程序使得電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間。當(dāng)走過的距離和清洗模塊的左右寬度相同時(shí)，電機(jī)1停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

（4）將步驟2與步驟3寫成一個(gè)循環(huán)程序，循環(huán)執(zhí)行。

（5）當(dāng)整個(gè)機(jī)器人走到太陽能板的最右側(cè)的時(shí)候，安裝在機(jī)器人最右側(cè)的光電傳感器接收到信號，電機(jī)1停止轉(zhuǎn)動(dòng)。再執(zhí)行一次步驟3，清洗模塊對整個(gè)太陽能板的清洗結(jié)束，清洗模塊返回初始點(diǎn)并停止工作。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

3 材料的選用

太陽能板的表面材質(zhì)為玻璃，機(jī)器人的重量不能太重。行進(jìn)機(jī)構(gòu)的是基于兩個(gè)互相垂直的兩軸運(yùn)動(dòng)來設(shè)計(jì)的，所以大體的框架多為矩形?？紤]以上兩點(diǎn)因素，采用2020型材是個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。型材的強(qiáng)度能夠保證承受住裝置上的重量而不變形，另外型材可以通過角件很方便的搭建想要的結(jié)構(gòu)。

清洗模塊想要在機(jī)器人內(nèi)部運(yùn)作就需要借助移動(dòng)平臺(tái)，而平臺(tái)的移動(dòng)就要用到滑塊與導(dǎo)軌?？紤]到框架搭建選用的是2020型材，為了組合安裝方便因此選擇寬度為28mm的直線導(dǎo)軌?；瑝K則選擇與導(dǎo)軌相配套的內(nèi)置雙軸心滾輪滑塊，該滑塊上的滑輪并不固定在一條直線上，相互偏置的滾輪方便滑塊進(jìn)出導(dǎo)軌，并且使滑塊在導(dǎo)軌內(nèi)運(yùn)行更加平穩(wěn)。另外滑塊上帶有緊鎖裝置，能在一些位置對滑塊進(jìn)行固定。

傳動(dòng)帶尺寸大小的選擇也盡量的和型材、導(dǎo)軌等相近。選擇單面齒10mm寬的XL型同步帶，另外選擇與之相匹配的各種直徑的同步輪。

4 結(jié)論

經(jīng)過理論的計(jì)算和設(shè)計(jì)，制作了一個(gè)機(jī)器人。通過試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)方案可行，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)在范圍內(nèi)自由伸縮的功能。經(jīng)過程序的控制，機(jī)器人能按設(shè)計(jì)的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。