一种新型跨障碍擦窗机器人

2019-11-16王亚男刘智峰刘宸宇胡任宇王江汇

电子技术与软件工程 2019年20期

文/王亚男刘智峰刘宸宇胡任宇王江汇

跨障碍擦窗机器人，以自动化的工作特点，解决了窗户清理工作中的安全问题，以简单的操作，使本机器人在工作的过程中，方法简单，实用，且以机器人跨障碍擦窗，让机器人在替代人工工作的同时，有着明确的方向性。

1 擦窗机器人设计背景

玻璃窗是现代房屋中离不开的建筑材料，玻璃的清理工作，是人们生活中常见的问题，高楼的建立，使玻璃窗的清洗工作，变得越来越不方便，而玻璃窗的洁净，不仅为我们提供良好的生活环境，也使我们的保持良好的心情。这种生活，使人们需要一种安全而又实用的设备，清理玻璃窗户上的灰尘和脏物，擦窗机器人的设计就是在这种背景下产生，给窗户的清理工作，带来方便、安全的办法，给人们的生活带来方便。

2 擦窗机器人设计方案

2.1 设计要求

窗户因有窗框，使擦窗机器人在工作时，需要跨越障碍，也使机器人在设计中，有着跨障碍、擦窗、自动化的功能要求。因此，擦窗机器人的设计，需要以不同的机构，实现不同的功能，使机器人能很好的完成所设定的工作，并在设计中，要考虑机器人擦窗时，移动过程中的稳定性和有效性。本文在设计中，为实现机器人的跨障碍擦窗工作，将机器的分为不同的机构，以真空吸附真空盘，使机器人在移动中，进行窗户的清理工作。

2.2 研究步骤

新型跨障碍擦窗机器人的研究，分为以下几个上步骤：

（1）机器人跨障碍擦窗的工作形式；

（2）机器人完成跨障碍擦窗工作需要的材料；

（3）完成设计工作。

擦窗机器人整体上分为螺母和支架机构，清洁机构，滑动机构，底板内带动装置，驱动轮、密封区等几个部分，研究的过程中，根据擦窗机器人行动的需要，对不同机构部分，从自动化、清理窗户，跨越障碍等角度进行功能设计，以完成擦窗机器人的设计。

3 擦窗机器人和选择

3.1 真空吸盘设计

在机器人的吸盘设计中，选用真空吸盘，是以真空吸盘中产生的负压，让机器人吸附在玻璃上。同时，真空吸盘具有造价便宜，品种众多的特点，运用在擦窗机器人的设计中，能使擦窗机器人很好的吸附在玻璃上。

真空吸盘的设计，在擦窗机器人的整体设计中，是比较重要的环节，它涉及到机器人工作的过程中，能很好的吸附能力，又不影响机器人的移动。真空吸盘，在材料上，有橡胶和硅胶，两种不同材料的品种，本文设计中，选用橡胶和硅胶材料的混合吸盘，使机器人以硅胶的特点，能在粗糙的平面上移动，能很好的跨障碍，又能保持橡胶耐高温的特点。

擦窗机器人有着体积小，重量轻的特点，在擦窗机器人的吸盘机构中，由气咀盖、连接管、抽气泵部分组成，并将真空吸盘的气咀盖，通过连接管与抽气泵连接在一起，通过抽气泵的工作，使真空吸盘产生负压，起到吸盘的作用。

3.2 真空泵选择

真空泵的工作原理有两种，一种是通过机械的方法，进行空气抽出，第二种方法是通过物理和化学的方法，进行真空泵的抽气，以形成吸盘的真空状态。真空泵根据抽气形式不同，有气体传输泵和气体捕集泵。在本文阐述的擦窗机器人的吸附机构的设计中，真空机构是由十个吸盘和十个真空泵组成，为使吸附机构简单，在真空泵的选择上，选用气体捕集泵，将真空泵中真空发生器的出气筒，与吸盘连接管连接，使机器人在移动的过程中，通过真空泵完成气缸中的气体捕集，让吸盘形成真空，使吸盘在移动后，以真空状态，吸附在玻璃上，以此反复，形成机器人的运动状态。

4 移动机构设计和选择

4.1 履带设计

擦窗机器人的吸盘，在进行越障移动中，都会遇到一些凹凸不平的障碍，这些障碍影响着吸盘的吸附能力，在这种情况下，为不影响机器人的运动，在运动机构设计的过程中，以履带设计的形式，将每个吸盘连接在一起。机器人在擦窗的工作中，是以垂直的形式吸附在玻璃上，为考虑机器人整体的重量，履带设计中，要考虑履带的轻便，并在设计中，使履带在主动轮的带动下，以柔性链环的托带，在诱导轮的作用下，以履带将每个吸盘连接起来，使机器人以平稳状态，沿着履带移动的方向，进行越障移动。

4.2 驱动电机选择

机器人的驱动电机，在驱动的形式上，有液压驱动、气压驱动，电压驱动三种。本文设计中，选择普通直流气压电机，为减轻机器人的重量，以小型减速电机和气压驱动元件，使滚动导轨的驱动，带到机器人，并以滚动导轨循环形式，以电机的直接驱动形式，带动连接吸盘的连轴和履带，完成机器人工作过程的移动。

气压驱动电机，在空气压缩中，利用了空气黏度小的特点，以通过驱动电机，使真空泵在工作中，完成真空操作。气压驱动电机的常用压力为0.4-0.6MPa，能满足机器人工作的需要，但气压电机，在工作时，其稳定性比较差，对机器人的速度无法很好的控制，因气压驱动电机的不稳定时，使机器人的移动位置的准确性不太好。而对于重量轻，体积小的擦窗机器人，气压驱动电机有着安全、环保特点，机器人的擦窗工作，对于速度和位置的稳定性，没有一定的要求，适合气压电机的工作特点。

5 系统设计

5.1 清洁液喷洒装置

机器人的清洁装置，包括机器人底板里的微型水泵、微型水箱，以及清洁工作中的水槽、刮带和用于清洁窗户的清洁布，以及清洁液喷洒装置。清洁液喷洒装置的工作方式，是在机器人工作时，在电机的驱动下，利用空气压力，以间断的方式，随着机器人的移动，使清洁液喷洒装置向玻璃进行清洁液的喷洒，并利用机器人移动中产生的摩擦力，使清洁在刮条的作用下，通过清洁布和刮条与玻璃的摩擦，进行清理工作。

5.2 清洁布设计

清洁布是擦窗机器人工作时的重要工具，在清理窗户的玻璃时，以清洁布与玻璃的紧贴，以机器人的移动，带动清洁布的移动，利用清洁布与玻璃之间产生的摩擦力，进行清理工作。清洁布的设计，与机器人其他部位的设计有着密切的联系，首先是利用机器人的轮足，以轮式的模式，以真空泵使吸盘吸附在玻璃上，使机器人移动的节奏与清洁布工作的节奏一致。

6 路径规划及控制系统

擦窗机器人在驱动形式上，是以轮式运动的模式，通过机器人底板上的滚轮，进行移动，也形成了擦窗机器人的路径特点。机器人的路径规划，可以将擦窗机器人设置于三维座标中去描述，在描述中，以窗户的水平线为座标的X轴，以水平的垂直方向为Y轴，以同时垂直于X、Y轴的方向为Z轴，根据机器人清洁工作的特点，机器人在移动时，停止工作，在停止移动时，进行工作，因此，在机器人的路径设计中，将机器人设置为工作状态和不工作状态两种形式，使这两形式，在三维座标中，形成黑白不同的点，并以黑点表示工作，白点表示不工作，以黑白点相连的轨迹线，成为机器人的路径规划。

机器人在控制系统中，通过对机器人的车轮进行制动，以控制机器人的先去，从机器人运动时的静力学分析，取机器人工作时某一点为分析点，以机器人不滑落和斜倒时的那一点为临界点，根据力学的原理，机器人在临界点上的受力情况，在三难座标中，每个方向的合力矩都应为零。