江興宇，孟凡召，劉浩然，葉紅艷

(山東華宇工學(xué)院 機械工程學(xué)院，山東 德州 253000)

高層住戶窗戶雙層玻璃清洗難度大，危險程度高。為解決此問題，發(fā)明了雙層玻璃清洗工具。

市場上現(xiàn)有的擦玻璃工具主要分為機械式擦玻璃工具和永磁鐵式磁力玻璃工具兩大類。機械式擦玻璃工具主要研究安全伸出窗外、能夠伸縮，以擴大擦洗范圍；磁力擦玻璃工具主要研究磁鐵的移動控制、磁力控制和磁性保護、清潔條、刮水條等固定設(shè)計等方面。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，磁力擦玻璃工具有一個顯著的缺點，室外工具在磁力作用下隨室內(nèi)工具移動，經(jīng)常由于操作者擦洗移動速度不穩(wěn)或突然加快導(dǎo)致室外工具吸力不足而墜落。雖然大部分室外工具都用安全繩與操作者聯(lián)系，但仍有一定的安全隱患。

研究開發(fā)了全自動安全擦玻璃機械人，可以有效保障磁力擦玻璃機械人的安全功能、吸附功能、行走功能、擦洗功能。

1 存在的問題

機械人在家庭中不斷普及，但實用性有待提高，一些技術(shù)性問題有待解決。其主要存在以下問題：一是性價比低。有95%的城市高樓玻璃外壁采用的是人工清洗完成，因用戶不滿足現(xiàn)有擦玻璃機械人的擦拭效果，且價格偏高，一般在2 000～5 000元，無法真正服務(wù)于人們。二是清潔效率低，路徑規(guī)劃復(fù)雜。擦玻璃機械人一次只能進行一個面的擦拭，擦拭效率低。路徑規(guī)劃上，機械人在碰撞邊框后要進行復(fù)雜的掉頭與拐彎，掉頭與拐彎過程中會產(chǎn)生對已擦拭部位的二次污染，擦拭效率低且擦拭效果差。三是清潔效果不佳。擦玻璃機械人能夠?qū)⒉ＡП砻娌潦酶蓛?，但是窗戶邊框與直角部位很難擦拭到，擦拭效果不好。采用圓盤式清潔模塊的機械人難以擦拭邊框和窗戶直角區(qū)域。四是擦玻璃機械人存在技術(shù)問題。每種吸附方式和行走方式均有優(yōu)缺點，很難同時滿足靈活的行走性和穩(wěn)定的吸附性要求。擦洗移動速度不穩(wěn)或突然加快，對室內(nèi)工具影響不大，但對室外工具來講會因為吸力不足導(dǎo)致墜落。

2 安全式全自動擦玻璃機械人的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置主要包括室內(nèi)工具和室外工具，室內(nèi)工具主要由殼體、移動機構(gòu)、定位與掃描機構(gòu)、防磁化機構(gòu)、可調(diào)永磁機構(gòu)、清潔條、刮水條等部分組成，室外工具主要由殼體、永磁鐵、清潔條、刮水條、安全繩等部分組成。

圖1 安全式全自動擦玻璃機械人設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of the design structure of the safe fully automatic glass wiping robot

圖2 安全式全自動擦玻璃機械人設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of the design structure of the safe fully automatic glass wiping robot

1.室內(nèi)工具；2.室外工具；3.內(nèi)殼體；4.麥克納姆輪；5.第一清潔條；6.第一刮水條；7.滑動的磁鐵塊；8.外殼體；9.第二清潔條；10.第二刮水條；11.安全繩；12.螺紋桿；13.矩形塊；14.滑動塊；15.T型塊；16.調(diào)整旋鈕；17.傳感器圖3 可調(diào)節(jié)磁鐵設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of adjustable magnet design structure

該裝置分為室內(nèi)工具和室外工具兩部分。將室外工具靠在窗戶雙層玻璃外側(cè)，同時室內(nèi)工具靠在窗戶雙側(cè)玻璃內(nèi)側(cè)，兩者在磁力作用下隔著玻璃吸在一起，使得磁鐵塊滑動，磁力達到適當(dāng)?shù)闹怠２捎名溈思{姆輪實現(xiàn)機械人的靈活轉(zhuǎn)彎與運動，設(shè)有傳感器，主要作用是掃描定位。在內(nèi)殼體后端面設(shè)有控制裝置，包括電源模塊、穩(wěn)壓模塊、控制單元、傳感器、電機電調(diào)、無刷減速電機、麥克納姆輪?？刂茊卧妮斎攵伺c穩(wěn)壓模塊電連接，穩(wěn)壓模塊與電源模塊電連接，控制單元與傳感器電連接。傳感器有多個，其中一個為陀螺儀，控制單元與電機電調(diào)電連接，電機電調(diào)與無刷減速電機電連接，從而驅(qū)動麥克納姆輪。

安全繩的設(shè)置應(yīng)避免室外工具墜落，將安全繩的另一端固定在室內(nèi)。

內(nèi)殼體內(nèi)可轉(zhuǎn)動設(shè)有螺紋桿，螺紋桿螺紋連接有前后滑動的矩形塊，矩形塊前端固定連接有滑動塊，與磁鐵塊固定連接。

內(nèi)殼體內(nèi)前后方向的T型槽內(nèi)設(shè)有可滑動的T型塊，T型塊內(nèi)端貫穿T型槽，與滑動塊固定連接。

螺紋桿后端貫穿內(nèi)殼體且固定有調(diào)整旋鈕。通過旋擰調(diào)整旋鈕使螺紋桿轉(zhuǎn)動，從而完成磁鐵塊滑動，調(diào)節(jié)內(nèi)殼體內(nèi)磁力的大小。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制單元采用STM32F40，陀螺儀采用MPU6050，CAN通信模塊為TJA1050。

由電源模塊進行供電，經(jīng)過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓后給控制單元供電，控制單元接收傳感器的信息并進行分析，通過CAN通信給電機電調(diào)發(fā)送移動指令，使無刷減速電機驅(qū)動麥克納姆輪執(zhí)行相關(guān)的靈活移動，但是由于麥克納姆輪移動的靈活性，需要引入陀螺儀對校對角度進行測量并對方向進行實時矯正。

技術(shù)路線設(shè)計如圖4。

圖4 安全式全自動擦玻璃機械人控制總體硬件方案結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of overall hardware scheme of safety fully automatic glass wiping robot control

2.3 吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計

安全式全自動擦玻璃機械人的主要工作壞境是居民住宅(樓)、商場等，目前主要的吸附方式有真空吸附、磁力吸附、推力吸附。3種吸附方式對比如表1所示。

表1 擦玻璃機器人行走方式比較Tab.1 Comparison of walking style of the glass wiping robot

對3種吸附方式進行比較，結(jié)合玻璃厚度，該擦玻璃機械人選用永磁鐵吸附方式。設(shè)置調(diào)節(jié)磁力大小裝置，使其適用于不同厚度的玻璃。

2.4 行走方式設(shè)計

行走方式主要包括車輪式、履帶式、框架式、腳步式。由于框架式與腳步式只能采用真空式吸附方式，選用永磁鐵吸附，所以只能采用車輪式或履帶式。比較4種行走方式，如表2所示。

表2 擦玻璃機器人吸附方式比較Tab.2 Comparison of adsorption mode of glass wiping robot

安全式擦玻璃機械人要考慮速度、穩(wěn)定、轉(zhuǎn)彎能力，因此選擇車輪式行走方式。為了提高轉(zhuǎn)彎能力，輪子選取麥克納姆輪(該輪采用全向驅(qū)動技術(shù)，可以實現(xiàn)任意方向的平移與原地旋轉(zhuǎn))。

2.5 工作運行設(shè)計

擦玻璃時，用洗滌液浸潤第一清潔條和第二清潔條，固定安全繩于室內(nèi)，將室外工具靠在窗戶雙層玻璃外側(cè)，同時室內(nèi)工具靠在雙側(cè)玻璃內(nèi)側(cè)，兩者在磁力作用下隔著玻璃吸在一起，選擇磁力調(diào)整旋鈕，使磁力達到適當(dāng)?shù)闹?，隨后打開控制裝置IDE開關(guān)，本裝置可在移動的同時將玻璃清理干凈，正常行進路徑根據(jù)傳感器識別的窗戶數(shù)據(jù)自動規(guī)劃。如果本裝置行進至窗框邊緣，受到阻力時，麥克納姆輪可自動轉(zhuǎn)向保證本工具自動正常運行，不會導(dǎo)致工具脫離窗戶玻璃而墜落。當(dāng)玻璃表面完全擦洗干凈時，使用者關(guān)閉控制裝置IDE開關(guān)，錯開室內(nèi)工具與室外工作一定角度，使其磁力減弱以脫開，分離本裝置的室內(nèi)外工具恢復(fù)原狀，繼續(xù)上述步驟繼續(xù)擦洗玻璃直至完成全部玻璃的擦洗。

3 安全式全自動擦玻璃機械人的特點

安全式全自動擦玻璃機械人有以下特點：一是采用傳感器與控制單元，可以實現(xiàn)玻璃表面清洗時的自動路徑規(guī)劃。二是采用麥克納姆輪可以避免工具沖出窗框范圍，且移動速度均勻緩慢，不會因人力拖動磁力清洗工具的速度不均而使室外工具脫離磁力，發(fā)生墜落事故。三是設(shè)有防磁化機構(gòu)，磁化機構(gòu)護住無刷減速電機，防止無刷減速電機受到磁鐵塊影響。四是采用先“之”字來回清潔，再沿邊一圈進行收尾，清潔效果較好。五是強力吸附使得清潔盤緊貼在玻璃表面，清潔效果顯著。六是采用永磁鐵吸附式結(jié)構(gòu)，不消耗電能，結(jié)構(gòu)緊湊，室內(nèi)機內(nèi)部設(shè)有磁鐵升降裝置和磁力測量模塊來調(diào)節(jié)磁力大小。

4 結(jié)語

擦玻璃機械人是家用智能機器人技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)行業(yè)的一個代表性產(chǎn)品，其能夠代替人們進行高空擦玻璃作業(yè)，避免了擦玻璃過程中的危險，大大節(jié)省了擦玻璃時間，減少了勞動強度。擦玻璃機械人有巨大的發(fā)展?jié)摿?，?yīng)注重安全問題，本設(shè)計具有廣闊的發(fā)展前景。