一种新型玻窗清洁机器人的设计与实现

目前，市场上虽然出现了一些爬壁机器人，但至今还没有一种专门针对玻窗清洁的机器人。本文介绍了一种基于负压吸附的轮式玻窗清洁机器人，将其用于高层住宅的的玻璃清洗工作。使用该机器人可以避免玻窗清洁带来的高空作业危险，而且其操作简单、使用方便，应用价值高，市场前景广阔。

1 玻窗清洁机器人系统总体结构

该玻窗清洁机器人系统由手势识别和清洁机身两个部分组成，如图1所示。手势识别部分利用MXC6202二轴加速度传感器测量人手控制过程中的加速度值，将采集到的加速度值送入单片机中处理，经过一定的算法得到控制信号，并通过无线发射模块发送到清洁机器人部分。清洁机身部分将接收到的手势识别控制信号传送给主控单片机[1]，经过运算处理后，产生两路直流减速电机的控制信号和一路微型真空泵的控制信号，经各驱动器放大后，实现对直流减速电机和微型真空泵的驱动和控制。

2 玻窗清洁机器人结构

玻窗清洁机器人采用负压吸附、轮式驱动结构[2-3]。工作时，机器人吸附在玻璃面上，通过全方位移动，实现对玻璃的清洁。清洁机器人结构的三维实体模型如图2所示，由车轮、过滤器、微型真空泵、同步齿形带、直流减速电机、底盘、吸盘七部分构成。该结构系统简单、可靠、操作方便，可以满足壁面移动机器人在负载能力、速度以及可靠性方面的要求。

该机器工作原理：通过微型真空泵抽气，在吸盘内形成负压，从而将机器人吸附在玻璃面上；由两个直流减速电机控制两排轮胎的同向同速、同向差速、异向同速、异向差速等运动状态，从而实现机器人上、下、左、右等运动。

3 玻窗清洁机器人驱动模块

机器人驱动模块是玻窗清洁机器人系统的关键部分，因此，本文重点介绍了驱动电机的选择、电机的参数优化及驱动电路的设计。

3.1 驱动电机的选择

驱动电机作为驱动机器人自由移动的主要部件，决定了机器人在竖直玻璃壁面上的移动性能。常用的驱动电机主要包括步进电机和直流电机。

爬壁机器人要实现在竖直玻璃壁面上的移动，对电机的扭矩要求很高，但一般步进电机的扭矩都较小。为使扭矩达到要求，电机的体积和质量都会非常大，不能满足本文扭矩大，而体积小、重量轻的要求。

直流电机能够将输入的电压信号变成转轴的角位移或角速度输出，改变控制电压即可改变电机转速和转向，用途很广泛。主要有如下优点[4]：

(1)宽广的调速范围。直流电机的转速能够随着控制电压的改变在宽广的范围内连续调节。

(2)线性的机械特性和调节特性。直流电机在控制电压一定时，转速随着转矩的变化而变化。转矩一定时，转速则随电压的变化而线性调节。线性的机械特性和调节特性有利于提高自控系统的动态精度。

(3)快速响应。电机的机电时间常数要小，相应地要有较大的堵转转矩和较小的转动惯量。电机的转速能随着控制电压的改变而迅速改变。

因此，本文采用直流电机中的直流减速电机，即齿轮减速电机。该电机是在直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。相对于步进电机，直流减速电机可以提供更大的扭矩，同时质量也大大减轻。由于爬壁机器人对电机扭矩要求很高、而转速要求不高，因此可以采用大的减速比，靠牺牲电机的转速来获得较大的扭矩。

3.2 电机的参数优化

机器人在竖直玻璃壁面上朝各个方向的移动中，竖直向上移动对驱动力的要求最高，此时驱动力不但要完全克服重力，还要克服吸盘与壁面的滑动摩擦力。设机器人的重力为20 N，吸盘与玻璃壁面的摩擦力也为20 N(以最大值计算，实际上达不到)，则：
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其中，f1为轮胎与玻璃壁面的静摩擦力即机器人的驱动力，f2为吸盘与玻璃壁面的滑动摩擦力，Lk为驱动电机的扭矩，l为轮胎的半径。现在市面上应用较普遍的轮胎的直径为65 mm，由此可计算出Lk至少为1.3 N·m。

本文的直流减速电机能达到的最大扭矩为2 N·m，负载转速为17 r/min，计算可得机器人的移动速度约为7 cm/s，满足了设计要求。

3.3 驱动电路设计

由于微型真空泵是由直流电机驱动的，本质上同直流减速电机的控制原理相同，因此可以采用相同的控制驱动电路。

考虑到驱动电路的驱动电压为12 V、电流为0.3 A及尺寸等因素，本文采用L298构成驱动电路。L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是工作电压高，输出电流大，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流为2 A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机等感性负载[5]，满足直流减速电机对驱动电压和电流的具体要求。

L298的4个输出管脚OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别与左右轮驱动直流电机的两端相连。由Atmega16L单片机输出PWM波来控制L298的输出。控制电机的输出情况如表1所示，其中，ENA为芯片的使能信号，A、B分别为直流电机的两个接线端，H、L分别为控制信号的高低电平。使能端高电平有效，通过对A、B端高低电平的控制，实现对电机正转、反转、停止的控制。微型真空泵的控制原理与直流减速电机控制原理相同。

图3为直流减速电机及微型真空泵控制驱动模块电路，主要包括L298驱动芯片及其相关电路。

4 玻窗清洁机器人控制算法

控制系统中由应用程序来实现控制任务，因此，应用程序设计的好坏直接决定了整个系统的控制质量和控制效率。图4为控制算法流程图。首先对控制系统的系统变量初始化、I/O口初始化、中断系统初始化、外围初始化等操作；然后通过无线接收模块nRF24L01接收来自手势识别系统发送来的控制信号，依靠SPI与单片机进行通信；最后，单片机将无线接收模块接收到的控制信号进行运算处理，产生控制左右电机的信号，并传送给驱动放大器，经放大后的控制信号直接驱动两个电机，实现机器人的全方位移动控制。

5 玻窗清洁机器人测试

在实验室竖直玻璃上进行测试，玻璃面上涂有少许深色污渍。如图5所示，玻窗清洁机器人能很好地吸附在玻窗上，并能实现在竖直方向全方位自由移动。向上移动速度为7 cm/s，向下移动速度为14 cm/s，左右移动速度为10 cm/s，其他方向移动速度介于7~14 cm/s之间。实验表明，该机器人能很好地去除玻璃上的污渍，清洁效果良好。

针对目前高层住宅清洗玻璃时面临的操作繁琐、难度较大、危险较高等问题，本文介绍了一种新型玻窗清洁机器人，给出了玻窗清洁机器人的总体设计思路，重点阐述了玻窗清洁机器人的结构设计、驱动模块以及控制算法。实验表明，该玻窗清洁机器人可在竖直玻璃壁面全方位自由移动，避免了玻窗清洁带来的高空作业危险，而且操作简单、使用方便，有较高的可行性和准确性，具有重要的应用价值和广阔的市场前景。