一种自动清洗玻璃窗的机器人

王 硕，陶学恒，李玉光

(1.大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连 116034;2.大连大学机械工程学院，辽宁大连 116021)

一种自动清洗玻璃窗的机器人

王 硕1，陶学恒1，李玉光2

(1.大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连 116034;2.大连大学机械工程学院，辽宁大连 116021)

基于51单片机的控制原理，研制了一种自动清洗玻璃窗的机器人及其控制系统，包括清洗机器人的结构设计、控制系统设计、样品的工作过程简介。实验表明，该清洗机器人结构简单、控制可靠、清洗效果较好，可以推广到家居和楼宇的清洗领域。

玻璃窗自动清洗;单片机;无线通信;光电传感器

0 引言

随着科学技术的发展和自动化技术的广泛应用，对智能家居清洗系统的很多指标，如生产成本、清洁度、清洗速度、操作过程的自动化程度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求，其中生产成本、操作过程的自动化程度为智能家居清洗系统的最重要技术指标。操作过程自动化程度的高低是智能家居清洗系统是否走向成熟的标志，降低生产成本是将智能家居清洗设备大众化的必经之路。在许多应用场合，需要这种清洗系统来代替危险的、繁琐的人工操作［1-4］。

近年来，都市中的高层建筑越来越多，虽然目前对高层建筑的玻璃窗清洗工作主要还是由清洗工人搭乘吊篮或腰系绳索完成的，但目前已经有好多的机构、研究所等设计并制造出一些可以代替人工完成高层建筑清洗任务的玻璃擦拭机等，推动了清洗业的发展，带来相当的经济效益。但对于一些相对低矮的建筑物的外表面，如北京市城铁站，虽然距离地面不是太高，但是也非人工擦洗所能轻易完成。

传统的人工清洗方式既危险，效率又低且成本高。国内外已经研究了一些用于高楼玻璃幕墙清洗的爬壁机器人模型，但目前都还没有实用化。究其原因，机器人的体积和质量、实用性、清洗工艺和效率等关键问题制约了清洗机器人的发展［5-8］。

目前国内外已研制出的用于玻璃窗清洗的机器人有以下的特点:

(1)机器人本体体积庞大。

(2)机器人整体系统复杂。

(3)机器人附加辅助装置较多，增加了机器人的重量。

由此可知，人们不愿意采用清洗机构来完成清洗作业，加上清洗作业的危险度不是太高，所以人们宁愿采用人工擦洗代替清洗机器人擦洗。据此，本文作者设计出了一种采用永磁铁将清洗装置吸附在玻璃窗两侧，通过单片机控制系统驱动该装置来完成清洗工作的轻型机器人。

由于大连恒瑞公司基于“玻璃窗自动清洗装置的研制”项目已经立项，本系统预期完成其相关设计要求，并达到实际中的生产与应用。

1 清洗机器人的总体方案设计

国内外智能家居中的自动清洗装置大多比较昂贵、沉重、结构复杂、性价比低，针对此现状设计一个高性价比的机器人，并且在降低成本的同时还需考虑清洗机器人的质量和稳定性的优化。

清洗机器人的设计标准:

(1)不添加任何化学品，无污染，不会对玻璃造成腐蚀，只需要清水即可完成对玻璃窗的清洗。

(2)适用于大多数民用的玻璃窗的清洗，而且很多零部件具有互换性，适用于不同尺寸的玻璃窗。

(3)智能家居中的清洗装置价格大多比较昂贵，需要大幅度降低成本，提高机器人的性价比。

(4)使用遥控器进行无线控制，控制过程简单易学，使用方便。

(5)机器人的安全性好，直接用夹子固定在玻璃窗上，不易脱落。

图1 清洗机器人工作过程简图

内部清洗装置带动外部的清洗装置在玻璃窗上完成上下、左右方向上的移动，外部装置又是从动清洗装置，随内部驱动装置的移动而在玻璃窗外部相对移动，以完成清洗。此装置需要用两个直流减速电机来驱动，用遥控器控制两个电机的上下、左右的运行状态。通过控制大电机的正反转完成清洗装置的上下移动，通过控制小电机的正反转完成清洗装置的左右移动，机器人上下左右的移动都是通过齿轮与齿条的啮合运动而移动的。清洗装置的下方设有海绵擦作为清洗工具，上边和右边设置两个刮板将脏水刮掉，清洗时用小水泵和吸水管先将外部玻璃喷上水(也可以将吸水管的一端固定在清洗装置上，一边清洗，一边喷水)，人工控制让该装置从玻璃底部上行至顶部，之后左右反复、自上而下的清洗，清洗时，通过光电传感器的识别功能可使清洗装置自动的左右移动清洗，上下移动的套筒也安装了光电传感器，机器人可自行识别上下移动的距离，不会因为人为操作原因而造成机器人出现故障。建议客户用此装置清洗玻璃时，需要清洗两次，以保证清洗效果，见图1。

清洗机器人的研制步骤:

(1)对此机器人进行整体结构的设计，各个零部件材料的选择，以及尺寸的最优化。

(2)运用51单片机来完成对该装置的控制，并实现遥控器的无线控制。

(3)通过大量的实验，选择大、小两个电机、传感器以及其他零部件的型号、规格。

(4)制作样品，观察机器人控制的稳定性、安全性以及清洗效果，并且针对出现的问题进行装置的改善。

2 清洗机器人的结构设计

图2所示清洗前用上下两个夹子将清洗机器人固定在玻璃窗上，利用永磁铁的磁力将机器人的内部、外部的清洗装置吸附在玻璃窗的两侧，通过大、小两个电机控制清洗机器人上下、左右两个方向的运动。控制部分(51单片机控制器)通电后，可通过遥控器控制两个电机的运动方向和速度;外部清洗装置可以安装喷水管，通过小水泵(普兰迪水泵，功率:12V·2A，外型尺寸:160*100*60mm，最大吸程2m)引水向玻璃表面喷射，可以一边清洗、一边喷水;纵向移动的套筒外端设有轴承，用轴承的滑动摩擦代替套筒的静摩擦，大大增强了清洗机器人的使用寿命;考虑到该机器人行走到玻璃窗的边缘时，人工控制其停止或是反向运动比较麻烦，所以在清洗机器人运动套筒上安装了光电传感器E18(U:5VDC，I:100mA，Sn:3-80CM)以及两个支撑杆上的四个传感器标志器进行清洗装置的位置检测，来完成机器人不需人工控制，而接近玻璃窗边缘时自行进行运动清洗，E18传感器探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便，通过大量的实验最终选择了此传感器。

图2 清洗机器人结构简图

清洗机器人的强度和质量的最优化是本设计的难题，民用的玻璃窗清洗装置要求质量小，价格低，效果好，而质量小了装置的强度也就相对变小，只有通过大量的实验选择各个零部件的材料以及合适的尺寸。

清洗机器人的两个支撑杆材料为聚乙烯，密度为0.9g/cm3，强度较好，不易弯曲变形，材料中空，震动较小;该机器人需要用上下两个夹子固定在玻璃窗上，所以夹子的强度必须达到要求，否则容易使清洗机器人从玻璃窗上脱落，而造成危险，本设计用3mm厚的碳素工具钢板制作夹子，强度可靠;横向与纵向的两个移动套筒的强度要求也很高，但是要减小机器人的整体质量，需要用聚乙烯来加工;考虑到齿轮与齿条的强度、质量以及使用寿命，本设计采用45#钢齿轮(17齿，外径19mm，模数1)，以及尼龙材料的齿条(模数1，截面为10*10mm);清洗装置的主体材料为聚乙烯，下方放置海绵擦，左右两侧放置磁铁;清洗装置靠永磁铁吸附在玻璃窗的两侧，所以对永磁铁的选择过程很复杂，磁铁的力量过大使得电机堵转、甚至夹坏玻璃，但是磁铁的力量小会影响该装置的行走，也有可能使得外部清洗装置从玻璃上脱落，通过大量的实验，选择钕铁硼磁铁，牌号:N35，镀层:镍铜镍，尺寸参数150*20*7mm，剩磁:11700～12200Gauss，最大磁能积:33 ～36 MGOe，其质地坚硬，性能稳定，磁铁吸力得当;清洗装置的对大小两个电机的要求也很苛刻，电机的质量不能过大，但是质量小的电机力量又不够，只能通过大量实验选取合适的电机，本设计选择小电机型号为37GB3329，空载转速:80r/min，负载转速:61r/min，输出扭矩:7kg.cm，额定功率24V·0.6A，转速稳定，抗干扰能力强，而且强度符合设计要求，大电机型号:60GAFM，电压:DC24V，空载转速:60r/min，负载转速:46r/min，输出扭矩:20kg.cm，经测试电机的速度以及输出扭矩达到要求。

清洗机器人整体尺寸的设计:将清洗机器人的尺寸做到最优化是结构设计的一个难题。如果机器人尺寸过大，虽然清洗面积广、效率高，但使得装置行走不便(在玻璃窗四角进行转弯时会受阻);机器人的尺寸也不能过小，会影响清洗效率。通过大量的实验来选择清洗机器人的清洗主体尺寸为200*200*20mm，而清洗机器人的两个支撑杆可已生产多种尺寸，可根据客户提供的尺寸来选择两个支撑杆的尺寸。

3 清洗机器人的控制设计

由于清洗机器人工作环境的特殊性，要求控制系统具有可靠性高，抗干扰能力强，易于功能扩展等特点。控制系统由51单片机，遥控器两部分组成。

本设计考虑简化电路的设计、降低控制部分的成本，决定采用单片机的控制技术为基础，实行对清洗装置的单机控制，并用C语言编写程序。

3.1 硬件电路的设计

本设计用单片机控制系统(51单片机，主芯片STC89C54RD+)实现对该装置的无线(遥控器)控制，控制芯片选择L298电机驱动芯片，最大电流可达到2A;使用IR1308红外解码芯片以及TC9012红外发射芯片完成对清洗机器人的无线控制，测试过程中，按键控制清洗装置行走时非常灵敏，不受其他遥控器的干扰，性能很稳定。考虑到节省电源，电路设计采用LM7805稳压芯片，将24V的电压转为5V，并为51单片机供电，电压转换过程中存在一定的误差，转换后的电压一般在4.8V-5.1V之间，不影响单片机控制电路的正常工作。采用8个1N4007二极管蓄流，使PWM控制电机转速的电流更加平滑，电机运行更加稳定。光电传感器在遇到范围内的障碍物时，输出的电位会被拉低，本设计用四个单片机的引脚控制四个光电传感器，见图3。

图3 51单片机控制系统

3.2 软件编程

如图4所示软件编程部分:①红外接收与解码;②大、小电机驱动控制;③传感器的检测。

图4 KEIL编译环境

以Keil uVision2作为软件编程的环境，以STCISP V38A作为程序烧写的工具，用C语言进行程序的编写，将在Keil uVision2里面编译好的程序(生成的.HEX文件)烧写到51单片机中，见图5。

图5 51单片机烧写工具

4 样品测试

本文研制的玻璃窗清洗机器人在大批量生产之前已经在大连的机械加工企业加工了样品，用来测试本装置控制系统的稳定性以及清洗效果。

4.1 样品的加工

样品的结构与图2所示的玻璃窗清洗机器人的简图相似，尺寸大小、电机、磁铁的选择均与其相同，为降低成本，电机、齿轮、齿条、支撑杆、刮板、海绵擦、轴承与传感器均在淘宝网店购买，机器人的清洗主体需要用加工中心加工，尺寸均按成品的尺寸加工，然后将磁铁与刮板用螺钉固定在清洗主体上。考虑到质量的优化，支撑杆加工成中空，两个套筒均用铝板来做，也需加工成中空。

4.2 实验与测试

样品加工完成后，需要对其控制系统以及清洗效果进行实验与测试。

(1)控制系统的测试:清洗机器人用遥控器进行无线控制，控制最远距离为10m，通过调节用户码，使得遥控器与其他红外接收设备(如空调)互不干扰;控制系统非常稳定，目前的实验，从未出现过断电现象;传感器的检测距离有一定的误差，一般在mm以内，几乎不影响玻璃窗边缘的清洗;横向的支撑杆有少许的下偏趋势，但是不明显，用轴承的滑动摩擦代替套筒的静摩擦，大大增强了清洗机器人的使用寿命。

(2)清洗效果的测试:通过大量的清洗玻璃窗的实验，证明了样品清洗玻璃窗的效果较好。清洗完成后，玻璃窗在雨后留下的污迹以及正常脱落到玻璃窗上的灰尘均会被清洗干净，但是本装置有一定的缺陷，清洗玻璃窗后，会因为清洗主体最后要停留到玻璃窗的一个角落，而留下一个痕迹，所以需清洗两次以上，并且需要替换海绵擦，最后留下的痕迹不是很明显。

5 结论与讨论

本文研制了一种应用于居民楼玻璃清洗作业的擦窗机器人，此机器人重量轻、结构简单、小巧灵活，详细介绍了清洗机器人的结构与控制部分的设计过程，并在样品试验中证明了该装置清洗效果较好、使用方便，比较实用。通过实验测试证明该设计方案符合智能家居中对玻璃窗进行清洁作业的性能要求，且机器人结构简单，自动化程度相对较高，适用于大多数民用的玻璃窗，成本相当于吸盘式玻璃清洗机器人的十分之一，达到了预期的设计效果。

该清洗机器人还不是很成熟，需要继续完善结构与控制的设计，争取做到按照客户的要求实现新的功能，并且要作进一步的开发。

设计的研究特色和创新之处:

(1)结构简单、使用方便、成本低廉、危险性小，操作过程简单、直观，用户只需经简单指导即可操作。

(2)应用单片机控制系统，采用无线控制的方式:单片机系统的红外接收装置。可根据应用客户要求开发新功能，适用于大多数居民区家庭的环境保洁。

(3)无需添加化学剂，通过海绵擦使用清水清洗即可，最后用刮板除水。

(4)无需断电保护，用钢制的夹子将清洗机器人固定在玻璃窗上，用永磁铁代替电控的真空发送器进行吸附，保证断电后设备保持原状态不变，使得结构、管理简单化。

(5)应用了光电传感器，机器人自动化程度较高，清洗效率很大程度上得到了提高。

［1］黎连业.智能大厦和智能小区［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［2］刘淑霞.壁面清洗爬壁机器人控制技术的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2000.

［3］王茁，张波，裴荣国，等.壁面爬行机器人本体的设计［J］. 吉林化工学院学报，2004，21(4):78-80.

［4］周延武，宗光华.CleanbotI擦窗机器人的智能化技术［J］. 机器人，2002，24(1):6-11.

［5］李朝青.单片机原理及接口技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

［6］刘淑霞，王炎.爬壁机器人技术的应用［J］.机器人，1999，21(2):193-199.

［7］张兴悟，章永华，杨杰高.机动性小型清洁帕比机器人的研究［J］. 机械研究与应用，2007，20(2):28-30.

［8］Nishigami M，Mizushima T.Glass roof cleaning robot system'Canadian Crab'［J］.Journal of the Robotics Society of Japan，1992，10(5):40-42.

A Window-Automatic-Cleaning Robot

WANG Shuo1，TAO Xue-heng1，LI Yu-guang2
(1.School of Mechanical Engineering and Automation，Dalian Polytechnic University，Dalian of Liaoning province，Dalian Liaoning 116034，China;2.School of Mechanical Engineering，Dalian University，Dalian of Liaoning province，Dalian Liaoning 116021，China)

Based on the control theory of the 51 single-chip，in this thesis，a Window-Automatic-Cleaning robot and the control system has been developed，include the structural design of the robot，the control system design and the introduction of the prototype's working process.The experiments demonstrated that the robot can be extended to the field of home and building cleaning due to the simple structure，robust control and good clearning performance.

Window-Automatic-Cleaning;single-chip;wireless communication;photoelectric-sensor

TH16;TM925.3

A

1001-2265(2012)01-0103-04

2011-07-26;

2011-08-22

王硕(1988—)，男，辽宁铁岭人，大连工业大学机械制造及其自动化硕士研究生，研究方向为机电产品设计与控制，(E-mail)wangshuo_ok@163.com;通讯作者:陶学恒(1963—)，男，北京人，大连工业大学机械工程与自动化学院工学博士，研究方向为轻工机械设计与制造、机电一体化应用技术。

(编辑 李秀敏)