楊鵬 嚴(yán)冬 楊光陸 陳曉梅 趙麗

摘要：隨著人類(lèi)社會(huì)的飛速發(fā)展，城市化率越來(lái)越高，各類(lèi)現(xiàn)代化高樓大廈拔地而起，如何在確保高空作業(yè)人員人身安全的前提下解決高樓大廈的清潔問(wèn)題一直都是智能機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文章設(shè)計(jì)一種基于 Arduino的高空智能清潔機(jī)械手臂，主要通過(guò)Arduino 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，并結(jié)合攝像頭、吸附底盤(pán)、HC—06藍(lán)牙等傳感器模塊完成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)智能控制的機(jī)械手臂來(lái)完成高層建筑的清潔，解決高空作業(yè)純?nèi)斯げ僮鞯陌踩詥?wèn)題。

關(guān)鍵詞：Arduino;智能清潔;機(jī)械手臂

中圖法分類(lèi)號(hào)：TP241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and research of high-altitude intelligent cleaning roboticarm based on Arduino

YANG Peng，YANDong，YANGGuanglu，CEHNXiaomei，ZHAO Li

（School of Information Technology，Xingyi Normal University for Nationalities，Xingyi，Guizhou 562400，China）

Abstract：With the rapid development of human society， the urbanization rate is getting higher and higher， and various modern high-rise buildings are rising. How to solve the cleaning problem of high- rise buildings under the premise of ensuring the personal safety of high-altitude workers has always been a research hatspots in the field of intelligent robots. This article designs a high-altitude intelligent cleaning robot arm based on Arduino， which is mainly realized by Arduino microcontroller，and is designed with sensor modules such as camera， adsorption chassis，HC-06 Bluetooth， etc.， and realizes the cleaning of high-rise buildings through intelligently controlled robot arms， to solve the safety problem of pure manual operation of aerial work.

Key words： Arduino， intelligent cleaning， robotic arm

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，高樓大廈拔地而起，高空智能清潔手臂目前在國(guó)外的應(yīng)用比較廣泛，現(xiàn)今其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用大體上主要是人工高空作業(yè)清潔，因此，為了減少危險(xiǎn)事故的發(fā)生，在有效降低清洗玻璃的“難度系數(shù)”的同時(shí)降低高空作業(yè)的危險(xiǎn)性，設(shè)計(jì)出一款用于高空清潔行業(yè)的清潔機(jī)械手臂是一個(gè)剛需研究方向。當(dāng)前，為了解決高層建筑物外墻清潔問(wèn)題，部分人找到了家政服務(wù)公司，聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)的“高海拔清潔工”來(lái)完成清潔作業(yè)，也有部分人會(huì)選擇自己動(dòng)手。然而，無(wú)論是國(guó)內(nèi)公司的高空清潔工，還是居民自己工作，都不能忽視高層戶(hù)外玻璃清潔的危險(xiǎn)。據(jù)有關(guān)報(bào)道，因室外擦窗不幸從高處跌落導(dǎo)致重傷甚至死亡的案例不在少數(shù)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)并研發(fā)了基于 Arduino 的高空智能清潔機(jī)械手臂系統(tǒng)。

1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件主要基于 Arduino UNO 單片機(jī)、 SG?90舵機(jī)、HC?06藍(lán)牙和 OV7670攝像頭四個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中攝像功能和遠(yuǎn)程控制功能為硬件設(shè)備的附帶功能。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)通電運(yùn)行后，單片機(jī)會(huì)根據(jù)設(shè)定好的程序完成機(jī)械臂的初始化功能，如電路無(wú)故障，機(jī)械手臂各組成模塊處于初始化狀態(tài)，并等待工作指令，接著用戶(hù)可通過(guò)藍(lán)牙將機(jī)械手臂和 APP 綁定，最后通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的功能按鈕操作機(jī)械臂工作，完成對(duì)污垢的清潔工作。其工作流程如圖1所示。

1.2系統(tǒng)架構(gòu)

Arduino 支持下的高空智能清潔機(jī)械手臂設(shè)計(jì)研究基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]。其中，感知層的模塊以 OV7670攝像頭為主要設(shè)備;網(wǎng)絡(luò)層由 HC?06藍(lán)牙模塊搭建，作為數(shù)據(jù)傳輸通道;應(yīng)用層由 APP 和 SG?90舵機(jī)構(gòu)建。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Arduino 單片機(jī)

眾所周知，Arduino 開(kāi)發(fā)板作為上手簡(jiǎn)單的開(kāi)源電子硬件平臺(tái)，軟件代碼編程也極易上手[2]。并且，其中的接口和串口通信支持多種通信方式，如 IIC 通信、UART 通信以及 SPI 通信等，再加上開(kāi)源，可應(yīng)用多種傳感器模塊（如土壤濕度傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、溫濕度傳感器模塊、光敏傳感器模塊等），以感知環(huán)境的具體數(shù)據(jù)，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄所需要的科研數(shù)據(jù)。通過(guò)感知捕捉獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析與生活、工作環(huán)境結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，達(dá)到智能化管理的最佳目標(biāo)。相對(duì)于其他類(lèi)別的單片機(jī)而言，Arduino 并無(wú)煩瑣的底層代碼以及操作流程和代碼編寫(xiě)算法，而是具備簡(jiǎn)單、易懂、易上手的匯編語(yǔ)言，即簡(jiǎn)單實(shí)用的函數(shù)算法。這主要是因?yàn)樗褂玫沫h(huán)境為 IDE ，開(kāi)發(fā)人員在其中構(gòu)建并添加了代碼庫(kù)，自由匯編開(kāi)源并且拓展性很高[3]。因此，本項(xiàng)目基于Arduino 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2.2控制裝置

該系統(tǒng)的控制裝置采用伺服驅(qū)動(dòng)器 SG?90舵機(jī)（圖3）。與電機(jī)不同的是，電機(jī)需要提供旋轉(zhuǎn)、控制速度和方向，轉(zhuǎn)向器不需要一整圈的旋轉(zhuǎn)，而是需要旋轉(zhuǎn)角度和保養(yǎng)，轉(zhuǎn)角范圍一般為0～180°，屬于正常值。舵機(jī)引線為3線，分別用棕色、紅色、橙色三種顏色進(jìn)行區(qū)分，舵機(jī)品牌和生產(chǎn)廠家不同，會(huì)有些許差異，使用之前需查看資料。使用最常見(jiàn)的方向舵，棕色、紅色、橙色對(duì)應(yīng)功率負(fù)、功率正、控制信號(hào)。轉(zhuǎn)向器的參考旌旗燈號(hào)周期一般為20ms[4]。理論上，脈沖寬度分布應(yīng)該在1ms～2ms ，但實(shí)際上，脈沖寬度可以達(dá)0.5ms ～2.5ms ，當(dāng)需要不同的最大脈沖值和最脈沖小值的時(shí)候，就需要把脈沖寬帶和轉(zhuǎn)向器之間的角度調(diào)整到0～180°，即最小脈沖值為1ms ，最大脈沖值為2ms。

2.3圖像獲取裝置

為了獲取圖像，該系統(tǒng)采用了 Omni Vision 公司的 OV7670攝像頭模塊作為“眼睛”[5]。該模塊所需電壓低、體積小，還能提供 VGA 攝像頭和影像處置器的全部功能。當(dāng)需要求出整幀、子采樣、取窗口和圖像處置功效進(jìn)程（包括白平衡、伽馬曲線、色度、飽和度等）時(shí)，都可以經(jīng)由過(guò)程 SCCB 接口編程，其中各類(lèi)分辨率8位影像數(shù)據(jù)到達(dá)30幀每秒，而且可以徹底節(jié)制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式等[6]。若要削減或消弭光學(xué)或電子缺點(diǎn)，如牢固圖案噪聲、拖尾、浮散等，進(jìn)一步提升圖像質(zhì)量，獲得清楚的、不變的彩色圖像，只能經(jīng)由過(guò)程 OV 圖像實(shí)現(xiàn)。

2.4信息傳輸裝置

HC?06藍(lán)牙模塊作為信息傳輸裝置，在整個(gè)系統(tǒng)中起到了十分重要的作用，藍(lán)牙技術(shù)及藍(lán)牙產(chǎn)品的特點(diǎn)主要有：藍(lán)牙技術(shù)的適用設(shè)備多，無(wú)須電纜，無(wú)線通信[7]。藍(lán)牙模塊的工作模式如下。

（1）主機(jī)：用于向從機(jī)下發(fā)指令，能夠搜索從機(jī)并主動(dòng)建立連接的一方。

（2）從機(jī)：用于接收主機(jī)發(fā)出的指令，雖然不能主動(dòng)連接主機(jī)，但是卻能長(zhǎng)時(shí)間等待連接，不會(huì)擾亂整個(gè)應(yīng)用進(jìn)程。

（3）主從一體：該藍(lán)牙模塊可以切換主機(jī)模式與從機(jī)模式。

此系統(tǒng)采用的 HC?06模塊為主從機(jī)一體模塊，工作波特率為9600，在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，要保證藍(lán)牙模塊與單片機(jī)的波特率一致，否則無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)[8]。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)是基于 Arduino UNO 單片機(jī)開(kāi)發(fā)的一套清潔機(jī)械手臂。通過(guò) APP 向 HC?06藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，可控制機(jī)械手臂各個(gè)部位的舵機(jī)，以操控整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，并通過(guò)基于攝像裝置的畫(huà)面控制系統(tǒng)對(duì)污垢進(jìn)行清洗。

3.2 APP Inventor 設(shè)計(jì)

本系統(tǒng) APP 應(yīng)用 APP Inventor 圖形化編程平臺(tái)完成設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是操作較為簡(jiǎn)單。APP lnventor是一個(gè)可視化的 Android 應(yīng)用制作平臺(tái)，App Inventor 簡(jiǎn)稱(chēng) ai ，為了和人工智能（ Artificial Intelligence）進(jìn)行區(qū)分，簡(jiǎn)稱(chēng)用小寫(xiě)英文字母[9]。APP 整體邏輯設(shè)計(jì)如圖5所示，當(dāng)開(kāi)始運(yùn)行 APP 時(shí)，通過(guò)連接藍(lán)牙獲得 off反應(yīng)，與機(jī)械臂進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)連接之后，可在 APP 界面選擇“自動(dòng)模式”或“手動(dòng)模式”。其中。自動(dòng)模式指的是機(jī)械臂根據(jù)設(shè)計(jì)好的函數(shù)代碼進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行;手動(dòng)模式則是通過(guò) APP 來(lái)操作機(jī)械臂。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于 Arduino 的高空智能清潔手臂系統(tǒng)，可以通過(guò) APP 進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控以及實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手臂的遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制，避免了高空人工攀爬作業(yè)，能夠大大提升高空作業(yè)的安全性，同時(shí)手機(jī)監(jiān)控操作也在很大程度提高了高空清潔作業(yè)的操作性。該系統(tǒng)不僅能夠應(yīng)用于家庭，針對(duì)特殊場(chǎng)景更換對(duì)應(yīng)的硬件即可應(yīng)用于餐館、學(xué)校教室、工廠廠房等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了在多種環(huán)境、多種因素下更加安全快捷的工作，同時(shí)通過(guò)機(jī)械化、智能化和自動(dòng)化，更能夠避免不必要的人員傷亡。將科技力量應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，可以最大化降低高空作業(yè)的危險(xiǎn)性。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，結(jié)合藍(lán)牙互聯(lián)、Arduino 函數(shù)模塊和 APP ，達(dá)到人為操作機(jī)械臂的目標(biāo)，并且 APP 操作起來(lái)十分容易;高空作業(yè)人員通過(guò)手機(jī)操作，即可完成具有危險(xiǎn)性的高空作業(yè)，節(jié)省財(cái)力物力的同時(shí)，也保障了人員的安全。

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作者簡(jiǎn)介：

楊鵬（2000—），本科，研究方向：科技創(chuàng)新。