高空玻璃清洗机器人的设计与研究

张栋楠　李华光

【摘 要】随着国家新型城镇化建设进程的不断推进，各类城市高层建筑不断挺拔而出。随之而来的是一系列的问题，如外窗清洁维护。采用人工方式，由于清洁行业起步较晚，“蜘蛛人”多是外来务工人员，流动性大，没有细致的行业细分且存在安全隐患。为了保障人员安全以及提高服务效率，高空玻璃清洁机器人将广泛投入城市使用。本设计是一个将装置驱动部分放置于屋顶、51单片机控制，通过红外线传感器附加臂，一种多吸盘组交替吸附工作、工作部框架式移动紧贴下放于窗外进行清洗的智能化、自动化的外窗清洗机器人，具有制造相对容易、性价比高、放置于建筑顶层方便安全的优点，能够更好地深入人民大众的生活场所，给人们的日常生活帶来极大的便利。

【关键词】高空玻璃清洁机器人；51单片机；红外线传感器；智能化

中图分类号： TP242 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）17-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.007

【Abstract】With the continuous development of new urbanization in China， high-rise buildings of all kinds of cities are constantly coming out. Then comes a series of problems， such as cleaning and maintenance of external windows. Using the artificial way， because of the late start of the cleaning industry， “spiders” are mostly migrant workers， the mobility is large， there is no detailed industry subdivision and there is a security risk. To protect personnel safety and improve service efficiency， high-altitude glass cleaning robots will be widely used in cities. The design is a device driven part on the roof， 51 single chip control， through the infrared sensor additional arm， a multi sucker group alternately adsorbed work， the work department frame type moving closely attached to the window for cleaning the intelligent， automatic window cleaning machine people， with relatively easy manufacturing and cost-effective. The advantages of being placed on the top floor of the building are convenient and safe， which can further deepen peoples living space and bring great convenience to peoples daily life.

【Key words】High altitude glass cleaning robot；51 single chip microcomputer；Infrared sensor；Intellectualization

0 引言

随着城镇化建设的不断加快，高层建筑外窗清洁维护工作等问题日益凸显，这就为高空玻璃清洁机器人提供了较大的发展空间。由于高空玻璃清洁机器人设计复杂，编程困难，工作量大。目前，传统的设计方法往往效率低，精度低。现代高性能高空玻璃清洗机器人的设计要求很难满足，将产生一系列智能产品投入市场。

高空玻璃清洁机器人，比起普通擦窗机与人工作业，它不仅安全系数有了很大的提高，而且工作效率也有了很大的提升。对此，团队在设计基础上进行了创新和理论性方面研究。高空玻璃清洗机器人的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命。

1 机体总体方案设计

为设计高空玻璃清洗机器人，机器人必须要具有在壁面上吸附和移动功能，以保障他人安全以及设备自身安全；此外还应该具有相应的清洗工作部、控制模块以及高压气体、水等的供应功能。所以玻璃清洗机器人系统应包括机器人本体框架、控制系统、清洗系统、供应保障系统四大部分。

（1）机器人本体主要包括清洗和移动两大部分。清洗部分，清洗部分的工作是清洗壁面。主要实现过程是喷淋壁面、滚刷清洗、雨刷维护，从而达到清洗玻璃的目的；移动部分，通过空压机产生高压气体，由真空发生器产生真空负压，使机器人本体安全可靠地吸附在工作壁面上实现纵向的移动，通过两条绳索的伸缩分提供额外安全保障。

（2）控制系统负责的功能是通过51单片机控制机器人在壁面上进行清洗作业。它主要由电源、单片机和继电器组成。控制系统的设计遵循安全、可靠、小型化、轻量化、易于维护和更新的原则，并直接安装在机器人机体的框架上。

（3）供应保障主要实现水、空气、玻璃水等的供应。主要由导管、储水罐、空压机、水泵等部件组成。水、空气等由专门的管路送至清洗部分，以保障机器人正常作业。在总结和参考大量壁面移动设备、安全保障机构以及清洗装置的前提下，我们设计了一种51单片机控制，通过红外线传感器附加臂，一种多吸盘组交替吸附工作、工作部框架式移动紧贴下放于窗外进行清洗的智能化、自动化的外窗清洗机器人，并制作了实物。

2 高空玻璃清洗机器人基本结构

2.1 高空玻璃清洗机器人本体部分的工作原理

高空玻璃清洗机器人移动部分的工作原理是利用两个电机驱动的，呈十字交叉型的四个吸盘组产生的吸紧玻璃，从而实现机器人在玻璃墙壁上的自由行走。清洗部分则是固定在四个吸盘组中间，清洗装置由喷水装置、马达驱动的滚刷和维护收尾用的雨刷组成，通过舵机来操纵滚刷的上下移动，来保证清洗效果。

2.2 高空玻璃清洗机器人的控制系统

高空玻璃清洗机器人的控制系统是利用51单片机预先设定机器人的行动方式和运动轨迹，使高空玻璃清洗机器人可以在预先设定的轨迹上自动运行，实现清洗作业。为了防止意外，预先设定的安全保障系统可以在意外发生时通过驱动电机实现装置的回收。高空玻璃清洗机器人的尾部安装了一个红外线传感器，在触底后可发送信号，使电机倒转，利用安全绳索收回装置并进行下一轮清理。

3 实验结论及前景分析

根据最初的高空玻璃清洗机器人的设计思路，我们首先制作了擦窗机模型，分析两者的不同和理论上的差异，通过多次拆分组装，一点一滴将设计完善，实现了预期的设计效果，最后在实验室进行了最后的组装完善。在制作完成后，对高空玻璃清洗机器人进行了实验调试，对控制系统、编写的程序進行了检验，同时对高空玻璃清洗机器人的移动适应情况和玻璃清洗维护效果进行了研究与验证。通过多次对运动速度、吸附力、清洗效果与清洗效率等数据的对比与检验，实验结果表明，该高空玻璃清洗机器人在正常的情况下，运行状况正常，清洗效果良好，具有一定的冗余效果，对壁面有较强的适应能力。在社会文明高度发展的今天，对生命的关爱达到了前所未有的高度，要求停止聘请蜘蛛人的呼声不绝于耳，因此人们期待新的具有人性化的清洗方式出现。高空玻璃清洗机器人比起人工作业更重视安全，结合安全设计及原理让高空玻璃清洗机器人能紧紧吸附并自由行走在垂直玻璃，高空玻璃清洗机器人附加的安全保障系统，遇到意外的情况，如突然停电不会掉下来，使用时更放心。相信随着高空清洗研究的深入和机器人空中作业技术的不断发展，高空玻璃清洗机器人作为高空人工清洗的替代品，将具有广阔的市场前景和巨大的实用价值。

【参考文献】

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