摘 要： 為了實現(xiàn)對玻璃窗戶全方位自動、高效地清潔，設(shè)計了一種新型玻窗清潔機器人。介紹了機器人的總體設(shè)計思路，重點闡述了機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動模塊以及控制算法。測試表明，該玻窗清潔機器人操作簡單、控制靈活、實用性強，且具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，可實現(xiàn)豎直方向全方位自由移動，清潔效果良好。
關(guān)鍵詞： 玻窗清潔；清潔機器人；驅(qū)動控制
目前，市場上雖然出現(xiàn)了一些爬壁機器人，但至今還沒有一種專門針對玻窗清潔的機器人。本文介紹了一種基于負壓吸附的輪式玻窗清潔機器人，將其用于高層住宅的的玻璃清洗工作。使用該機器人可以避免玻窗清潔帶來的高空作業(yè)危險，而且其操作簡單、使用方便，應(yīng)用價值高，市場前景廣闊。
1 玻窗清潔機器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
該玻窗清潔機器人系統(tǒng)由手勢識別和清潔機身兩個部分組成，如圖1所示。手勢識別部分利用MXC6202二軸加速度傳感器測量人手控制過程中的加速度值，將采集到的加速度值送入單片機中處理，經(jīng)過一定的算法得到控制信號，并通過無線發(fā)射模塊發(fā)送到清潔機器人部分。清潔機身部分將接收到的手勢識別控制信號傳送給主控單片機[1]，經(jīng)過運算處理后，產(chǎn)生兩路直流減速電機的控制信號和一路微型真空泵的控制信號，經(jīng)各驅(qū)動器放大后，實現(xiàn)對直流減速電機和微型真空泵的驅(qū)動和控制。
2 玻窗清潔機器人結(jié)構(gòu)
玻窗清潔機器人采用負壓吸附、輪式驅(qū)動結(jié)構(gòu)[2-3]。工作時，機器人吸附在玻璃面上，通過全方位移動，實現(xiàn)對玻璃的清潔。清潔機器人結(jié)構(gòu)的三維實體模型如圖2所示，由車輪、過濾器、微型真空泵、同步齒形帶、直流減速電機、底盤、吸盤七部分構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡單、可靠、操作方便，可以滿足壁面移動機器人在負載能力、速度以及可靠性方面的要求。
該機器工作原理：通過微型真空泵抽氣，在吸盤內(nèi)形成負壓，從而將機器人吸附在玻璃面上；由兩個直流減速電機控制兩排輪胎的同向同速、同向差速、異向同速、異向差速等運動狀態(tài)，從而實現(xiàn)機器人上、下、左、右等運動。
3 玻窗清潔機器人驅(qū)動模塊
機器人驅(qū)動模塊是玻窗清潔機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因此，本文重點介紹了驅(qū)動電機的選擇、電機的參數(shù)優(yōu)化及驅(qū)動電路的設(shè)計。
3.1 驅(qū)動電機的選擇
驅(qū)動電機作為驅(qū)動機器人自由移動的主要部件，決定了機器人在豎直玻璃壁面上的移動性能。常用的驅(qū)動電機主要包括步進電機和直流電機。
爬壁機器人要實現(xiàn)在豎直玻璃壁面上的移動，對電機的扭矩要求很高，但一般步進電機的扭矩都較小。為使扭矩達到要求，電機的體積和質(zhì)量都會非常大，不能滿足本文扭矩大，而體積小、重量輕的要求。
直流電機能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘栕兂赊D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，用途很廣泛。主要有如下優(yōu)點[4]：
(1)寬廣的調(diào)速范圍。直流電機的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。
(2)線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性。直流電機在控制電壓一定時，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化。轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線性調(diào)節(jié)。線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動態(tài)精度。
(3)快速響應(yīng)。電機的機電時間常數(shù)要小，相應(yīng)地要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量。電機的轉(zhuǎn)速能隨著控制電壓的改變而迅速改變。
因此，本文采用直流電機中的直流減速電機，即齒輪減速電機。該電機是在直流電機的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。相對于步進電機，直流減速電機可以提供更大的扭矩，同時質(zhì)量也大大減輕。由于爬壁機器人對電機扭矩要求很高、而轉(zhuǎn)速要求不高，因此可以采用大的減速比，靠犧牲電機的轉(zhuǎn)速來獲得較大的扭矩。
3.2 電機的參數(shù)優(yōu)化
機器人在豎直玻璃壁面上朝各個方向的移動中，豎直向上移動對驅(qū)動力的要求最高，此時驅(qū)動力不但要完全克服重力，還要克服吸盤與壁面的滑動摩擦力。設(shè)機器人的重力為20 N，吸盤與玻璃壁面的摩擦力也為20 N(以最大值計算，實際上達不到)，則：
其中，f1為輪胎與玻璃壁面的靜摩擦力即機器人的驅(qū)動力，f2為吸盤與玻璃壁面的滑動摩擦力，Lk為驅(qū)動電機的扭矩，l為輪胎的半徑?，F(xiàn)在市面上應(yīng)用較普遍的輪胎的直徑為65 mm，由此可計算出Lk至少為1.3 N·m。
本文的直流減速電機能達到的最大扭矩為2 N·m，負載轉(zhuǎn)速為17 r/min，計算可得機器人的移動速度約為7 cm/s，滿足了設(shè)計要求。
3.3 驅(qū)動電路設(shè)計
由于微型真空泵是由直流電機驅(qū)動的，本質(zhì)上同直流減速電機的控制原理相同，因此可以采用相同的控制驅(qū)動電路。
考慮到驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓為12 V、電流為0.3 A及尺寸等因素，本文采用L298構(gòu)成驅(qū)動電路。L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片的主要特點是工作電壓高，輸出電流大，瞬間峰值電流可達3 A，持續(xù)工作電流為2 A；內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機等感性負載[5]，滿足直流減速電機對驅(qū)動電壓和電流的具體要求。
L298的4個輸出管腳OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分別與左右輪驅(qū)動直流電機的兩端相連。由Atmega16L單片機輸出PWM波來控制L298的輸出?？刂齐姍C的輸出情況如表1所示，其中，ENA為芯片的使能信號，A、B分別為直流電機的兩個接線端，H、L分別為控制信號的高低電平。使能端高電平有效，通過對A、B端高低電平的控制，實現(xiàn)對電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的控制。微型真空泵的控制原理與直流減速電機控制原理相同。
圖3為直流減速電機及微型真空泵控制驅(qū)動模塊電路，主要包括L298驅(qū)動芯片及其相關(guān)電路。
4 玻窗清潔機器人控制算法
控制系統(tǒng)中由應(yīng)用程序來實現(xiàn)控制任務(wù)，因此，應(yīng)用程序設(shè)計的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的控制質(zhì)量和控制效率。圖4為控制算法流程圖。首先對控制系統(tǒng)的系統(tǒng)變量初始化、I/O口初始化、中斷系統(tǒng)初始化、外圍初始化等操作；然后通過無線接收模塊nRF24L01接收來自手勢識別系統(tǒng)發(fā)送來的控制信號，依靠SPI與單片機進行通信；最后，單片機將無線接收模塊接收到的控制信號進行運算處理，產(chǎn)生控制左右電機的信號，并傳送給驅(qū)動放大器，經(jīng)放大后的控制信號直接驅(qū)動兩個電機，實現(xiàn)機器人的全方位移動控制。
5 玻窗清潔機器人測試
在實驗室豎直玻璃上進行測試，玻璃面上涂有少許深色污漬。如圖5所示，玻窗清潔機器人能很好地吸附在玻窗上，并能實現(xiàn)在豎直方向全方位自由移動。向上移動速度為7 cm/s，向下移動速度為14 cm/s，左右移動速度為10 cm/s，其他方向移動速度介于7~14 cm/s之間。實驗表明，該機器人能很好地去除玻璃上的污漬，清潔效果良好。
針對目前高層住宅清洗玻璃時面臨的操作繁瑣、難度較大、危險較高等問題，本文介紹了一種新型玻窗清潔機器人，給出了玻窗清潔機器人的總體設(shè)計思路，重點闡述了玻窗清潔機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動模塊以及控制算法。實驗表明，該玻窗清潔機器人可在豎直玻璃壁面全方位自由移動，避免了玻窗清潔帶來的高空作業(yè)危險，而且操作簡單、使用方便，有較高的可行性和準(zhǔn)確性，具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。
參考文獻
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