王一飛 盧承領(lǐng) 程軍輝 陳曉飛 王豪杰 王成龍

摘 要：本文闡述了我國大樓外墻人工清潔工作的現(xiàn)狀、人工清潔工作所包含的內(nèi)容、如何采用清潔機(jī)器人以及智能外墻清潔機(jī)器人的構(gòu)成和目前所存在問題的解決方案，并對智能外墻清潔機(jī)器人的未來進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 arduino 智能 外墻

0研究背景

[1]隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，特別是高層建筑的興起，以玻璃幕墻為代表的壁面結(jié)構(gòu)逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，從而衍生出繁重的大樓幕墻清洗任務(wù)，不少國家已對建筑壁面的清洗要求做出了明確規(guī)定。另一方面，越來越奇特的建筑結(jié)構(gòu)使清洗的難度成倍增加，甚至采用傳統(tǒng)的清洗方法已無能為力。然而，在社會文明高度發(fā)展的今天，對生命的關(guān)愛達(dá)到了前所未有的高度，要求停止使用“蜘蛛人”的呼聲不絕于耳，因此人們期待新的具有人性化的清洗方式。

如此，將外墻清潔機(jī)器人應(yīng)用于高樓玻璃壁面清洗的問題就成為熱點(diǎn)研究課題。外墻清潔機(jī)器人也屬于移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人的一種，可在垂直壁而及屋頂移動(dòng)進(jìn)行表面的清洗作業(yè)。外墻清潔機(jī)器人的使用將大大降低高層建筑的清洗成木，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)產(chǎn)生產(chǎn)率，具有相當(dāng)?shù)纳鐣?、?jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景。而目前針對此類機(jī)器人的研究還沒有比較成熟、可靠的方案。

目前高空擦玻璃或清洗外墻的工作主要是由人工來做，人工操作因雙臂伸展范圍有限，人在工作中可能會因?yàn)轱L(fēng)力太大等而無法工作。效率不高不說，人工費(fèi)用也很高，最重要的是這項(xiàng)工作風(fēng)險(xiǎn)性極大。針對我國目前現(xiàn)代化高樓玻璃幕墻清洗業(yè)的現(xiàn)狀，我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)并設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎、安全可靠、效率高的智能外墻清潔機(jī)器人。用它來代替人工，就沒有之前所提到的風(fēng)險(xiǎn)，此外，它適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，構(gòu)造簡單，價(jià)格合理，有利于大面積推廣

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“智能外墻清潔機(jī)器人”采用仿生結(jié)構(gòu)、可以對大樓外墻以及玻璃幕墻進(jìn)行24小時(shí)高效復(fù)合清潔，有效地解決了人工工作時(shí)間長、效率低的問題；針對現(xiàn)在的大樓外墻的各種造型，本產(chǎn)品采用履帶行走可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)越障完成清掃；針對人工工作受天氣影響，本產(chǎn)品中控器采用“黑匣子”，有效避免灰塵、雨水等破壞控制器，同時(shí)提供了24小時(shí)工作的條件；針對極端惡劣天氣（如臺風(fēng)），本產(chǎn)品單獨(dú)開發(fā)了一套控制系統(tǒng)，保證其不會出現(xiàn)意外情況，同時(shí)采用復(fù)合線纜懸掛設(shè)計(jì)，避免了高空作業(yè)的安全問題；同時(shí)，本產(chǎn)品也可在緊急情況下進(jìn)行高空救援工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）工作原理及流程介紹

①平衡原理

復(fù)合線纜懸吊機(jī)器人。模型機(jī)懸吊線纜采用8毫米7芯傘繩加TRVV機(jī)器人專用高柔性電纜絞制，這樣的做法在保證線纜具有一定的機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，也保證了電纜通信的絕對可靠性。豎直方向平衡原理是根據(jù)F=Mg得來。

懸掛時(shí)水平方向平衡原理是根據(jù)四軸無人機(jī)平衡得來，傾斜傳感器感知，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)四個(gè)外置副風(fēng)機(jī)使得懸掛而搖擺幅度在可控范圍內(nèi)。

緊貼墻壁并靜止在墻壁時(shí)，外置主風(fēng)機(jī)壓縮空氣并向背對墻面的方向排出，高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)葉壓縮空氣，對空氣作用，而空氣反作用于風(fēng)葉。用動(dòng)量定理來解釋：Ft=mv，單位時(shí)間內(nèi)通過風(fēng)葉的空氣的質(zhì)量，速度越大，產(chǎn)生的力也就越大，所以說只要風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)的速度夠快，就能扇動(dòng)足夠多的空氣，產(chǎn)生足夠大的力，使機(jī)器人貼緊墻體。

②運(yùn)動(dòng)原理

本機(jī)器人移動(dòng)采用履帶。履帶成熟簡單，天然接觸面積大，能很好地分散壓力。更大的優(yōu)點(diǎn)是履帶式機(jī)器人的行走重心更平穩(wěn)，重心能最大限度的貼近墻面，從而降低高空吸附行走墜落的風(fēng)險(xiǎn)。（圖2，圖3）為機(jī)器人的履帶。

（2）整體受力分析

為研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其動(dòng)力性能，必須首先研究外部環(huán)境對機(jī)器人的影響。這些影響主要表現(xiàn)為空氣、安裝設(shè)備對其的影響。機(jī)器人行駛過程中受到的外力：重力、空氣阻力、墻面法向反力，墻面變形阻力及牽引力。

重力W：假設(shè)機(jī)器人左右兩部分完全對稱，所以機(jī)器人的重心在其縱向?qū)ΨQ面上。

空氣阻力：由于機(jī)器人的體型較小，而且速度不快，故空氣阻力可以忽略不計(jì)。

①橫向行走原理

當(dāng)機(jī)器人清掃完一個(gè)進(jìn)程后，連接絞盤的滑臺在電機(jī)的牽引下沿軌道橫向移動(dòng)至設(shè)定的距離后，機(jī)器將繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)進(jìn)程。

②豎直移動(dòng)原理

在靜止于墻面的基礎(chǔ)上，減速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓力將機(jī)器人壓在墻上，因此履帶在平面墻體上行走就像在平地上行走一樣。

機(jī)器人前進(jìn)由于履帶的特殊性，使得對其分析比較復(fù)雜，為了簡化起見，假定機(jī)器人的履帶為不可拉伸的而且十分柔軟的帶子，帶子上的所有點(diǎn)都位于同一個(gè)平面內(nèi)。

設(shè)履帶相對于機(jī)器人的卷繞速度為Vx，履帶隨機(jī)體一起前進(jìn)的牽連速度為Vq，履帶上的某一點(diǎn)的絕對速度Vj應(yīng)為相對速度和牽連速度的向量和，如下圖4所示所示。

2系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

（1）單片機(jī)的選擇

單片機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的控制、與單片機(jī)的通訊及完成各種信號的處理。從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性考慮，我們選擇AVR單片機(jī)，它執(zhí)行速度快，有良好的性價(jià)比，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用。AVR單片機(jī)的機(jī)構(gòu)引腳圖如圖5。

（2）履帶式移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

履帶式移動(dòng)機(jī)器人的兩條履帶都用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在此選用的是555直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路則是以L298N為主的兩路H橋。兩履帶在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)兩直流電機(jī)由相同直流方波驅(qū)動(dòng)時(shí)，履帶車直線前進(jìn)或后退，改變方波頻率改變行進(jìn)速度。當(dāng)用不同方波頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)，履帶車轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)或后退，當(dāng)以相同頻率但相序相反的方波驅(qū)動(dòng)時(shí)，兩履帶向相反方向運(yùn)動(dòng)，履帶車在原地旋轉(zhuǎn)。

（3）機(jī)器人的超聲波感知模塊和紅外傳感模塊設(shè)計(jì)

考慮到履帶式移動(dòng)機(jī)器人的使用環(huán)境，要求超聲波傳感器適應(yīng)一般的惡劣環(huán)境，并便于多個(gè)超聲波傳感器的靈活使用。

超聲波傳感器系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收電路等模塊組成，整個(gè)系統(tǒng)主要是由主單片機(jī)來控制，從而完成超聲波信號的發(fā)射與接收。另外本系統(tǒng)設(shè)有紅外模塊，紅外模塊的觸發(fā)響應(yīng)及發(fā)出移動(dòng)機(jī)器人緊急停車信號、控制通訊等功能也都是通過主單片機(jī)來完成。為了對環(huán)境有充分的了解，獲取足夠的環(huán)境信息，建立有效的環(huán)境模型，采用4種傳感器組成機(jī)器人的感知系統(tǒng)。4個(gè)超聲波分別安裝在正前方、正左方、正右方及正后方，可以用來探測墻面有無障礙或凹槽，判斷是否脫離墻面。

超聲波的接收與發(fā)射必須協(xié)調(diào)一致工作，才能保證信號準(zhǔn)確靈敏地接收。該部分主要由接收換能器、放大濾波、多路模擬開關(guān)、整形觸發(fā)輸出等環(huán)節(jié)組成。

在有效測距范圍內(nèi)有被測障礙的話，則應(yīng)該在后一路超聲波束發(fā)出之前接收到前一路發(fā)出的反射波，否則認(rèn)為前一路無障礙。因此按照有效測距范圍可以估算出最短的方波發(fā)送間隔時(shí)間。我們的系統(tǒng)最大測距范圍為4m，方波時(shí)間間隔為，實(shí)際我們?nèi)　輙ms25。

（4）紅外模塊的電路設(shè)計(jì)

用四個(gè)紅外模塊（1～4）安裝在移動(dòng)機(jī)器人的四周，以克服超聲波探測時(shí)的“盲區(qū)”及應(yīng)付突發(fā)的物體。當(dāng)有不明物體碰撞到移動(dòng)機(jī)器人時(shí)，離其最近的紅外模塊動(dòng)作，觸發(fā)單片機(jī)的中斷，移動(dòng)機(jī)器人就停止運(yùn)行，哪個(gè)紅外模塊，調(diào)用中斷程序做出相應(yīng)的處理。圖6 所示為紅外模塊的電路圖。

（5）藍(lán)牙通信：整機(jī)采用3個(gè)HC-05藍(lán)牙模塊，絞盤模塊裝有2個(gè)（A、B），清潔機(jī)器人機(jī)身裝有1個(gè)（B），藍(lán)牙模塊B負(fù)責(zé)絞盤主控和機(jī)身主控相互通信，藍(lán)牙模塊A負(fù)責(zé)和移動(dòng)終端通信，反饋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（6）清潔原理：旋轉(zhuǎn)的軟布刷外加霧狀水，使清潔面上的灰塵瞬間消失。采用多個(gè)旋轉(zhuǎn)刷頭，擦灰更干凈，霧狀水噴灑面積廣，相當(dāng)于先潤濕了待擦區(qū)域，縮短了時(shí)間，提高了效率。風(fēng)機(jī)在對外吹風(fēng)的同時(shí)，加快了水分的蒸發(fā)，讓清潔區(qū)表面不再有水漬。

（7）主風(fēng)機(jī)原理：產(chǎn)品采用直流無刷電機(jī)，動(dòng)力足，易調(diào)控。機(jī)身控制器根據(jù)傳感器組發(fā)出的信號，自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

（8）副風(fēng)機(jī)原理：產(chǎn)品采用四個(gè)直流電機(jī)，易改變方向。機(jī)身控制器根據(jù)傾斜傳感器感測機(jī)身向哪一邊傾斜，控制相應(yīng)角度的風(fēng)機(jī)對應(yīng)啟動(dòng)。

3測試結(jié)果

系統(tǒng)控制界面如圖7所示。電源接通后，將機(jī)器人放到指定或合適位置（即繩索豎直朝下）。通過手機(jī)打開APP。確保樓下無行人時(shí)，按下“自動(dòng)模式”，此時(shí)副風(fēng)機(jī)先啟動(dòng)，此時(shí)會聽到提示音，待一秒后主風(fēng)機(jī)以80%速度運(yùn)轉(zhuǎn)，刷頭和水泵同時(shí)啟動(dòng)，機(jī)器開始自動(dòng)工作。

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