基于爬壁式清潔機器人的設計

摘 要：介紹基于爬壁式清潔機器人的系統設計。該系統包括機械底板、水壓驅動裝置、清潔裝置和控制裝置等四大模塊，實現對高樓壁面有效地清潔。

關鍵詞：清潔機器人；清潔裝置；無線模塊

1 引言

隨著近幾年來城市化進程的不斷加快，城市大規模基礎項目改造的不斷開展，在現代都市中，高層建筑越來越多，這些高樓的壁面多采用瓷磚和玻璃幕墻作為裝飾，有的還要敷設鋁塑板等，而長期以來，對高層建筑的清洗工作主要是由人工完成的，這種作業方式不僅效率低，而且存在著很大的安全隱患。爬壁式清潔機器人將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環境，提高生產效率，也必將極大地推動清洗業的發展，具有極其重要的社會經濟效益。

2 系統整體設計方案

本系統主要由機械底板、水壓驅動裝置、清潔裝置和控制裝置組成。其中機械底板主要功能為固定和連接其它裝置，是機器人的機械結構主體部分。而水壓驅動裝置的水流將會被分為兩部分，一部分驅動活塞作往復運動，為機器人的爬行提供動力，另一部分則分別流經真空吸盤的水流抽氣裝置，為真空吸盤抽氣。此后這兩部分水流將合二為一，流入超聲波清潔裝置，為清潔裝置供水。而控制裝置則以Freescale MC9S128單片機為核心，實現對每個真空吸盤的電子閥門、超聲波清潔裝置的控制，其中還包含了ZigBee無線通信模塊，以實現工作人員對機器人的遠程操控。整個系統僅用水流即可實現機器人的驅動、真空吸盤的抽氣以及壁面的清潔。

圖1 爬壁式清潔機器人系統結構框圖

3 系統硬件的設計

3.1 機械底板

機械底板主要功能為固定和連接其它裝置，是機器人的機械結構主體部分，其大小決定了機器人的整體結構尺寸。因此，機械底板采用緊湊型底盤結構設計，能夠有足夠的剛度，節約能源，提高運動靈活性。

3.2 水壓驅動裝置

水壓驅動裝置分為兩大部分，一部分由機械結構將所有真空吸盤相連結，并由一至兩個活塞推動該機械結構進行運動。另一部分則是每個真空吸盤的水流抽氣裝置。該裝置由水流抽氣原件和電子閥門構成，以實現對每個真空吸盤是否進行吸附的靈活控制。水壓驅動裝置的這兩大部分相結合，則可實現爬壁式清潔機器人的直線爬行和轉彎。

3.3 清潔裝置

在清潔裝置的設計上，由于超聲波清洗必須在水中進行， 故清洗頭的清洗平面與玻璃平行緊貼， 由于水的張力在玻璃和清洗頭之間形成一層“水膜”， 避免了清洗頭與玻璃的直接接觸。清洗頭材料為鋁， 把超聲換能器產生的超聲傳導到水膜上， 利用超聲換能器激發清洗液產生高頻振動， 對浸泡在液體玻璃表面進行去污清洗， 從而對壁面進行清洗。

3.4 控制系統

運用遙控板實現對機器人的控制，當操作者按上、下時，發射電路發出信號，由接收機接收，用來控制后輪的驅動電機。當操作者按左、右時，發射電路發出信號，控制前輪的換向電機，使前輪轉向，從而實現機器人的遙控。而越障時清潔盤和吸盤的提起則通過電路設計自動實現。爬壁清潔機器人要實現在壁面上的移動，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，故選擇使用直流電機。為了提高清洗效率，采用“S”形路線（即從樓底直線運動到樓頂，側移一個工作位置，然后再直線運動到樓底）。這樣，機器人在清洗作業過程中，只需要上行、下行及側移三種運動，決定采用兩后輪驅動來實現機器人的前進、后退運動，通過樓頂小車的側向運動來實現機器人的側移。

4 軟件設計

軟件通過無線遙控實現，無線遙控是指爬壁式機器人在進行清潔作業時，各種動作通過操作無線電遙控設備完成。通信系統框圖如圖2所示，無線電遙控設備由發射機、接收機及執行機構三部分組成，用不同頻率的信號代替不同的控制指令。在爬壁機器人控制系統中，由于控制量較多，過程比較復雜，程序較長。為了便于軟件的編制和閱讀修改，控制系統軟件采用模塊化的結構。各個程序模塊就是一個單獨的子程序，運行時各負其責，主程序只要調用各個子程序，使整個系統易讀、易改、易調試。

圖2 無線遙控電路工作原理框架圖

5 結束語

文章設計了一種基于爬壁式清潔機器人，經過實際制作后相關實驗證明：它能夠在高樓表面靈活移動，并且能達到清潔效果。

參考文獻

[1]于今，閏軍濤，饒冀.一種新型多吸盤壁面清洗機器人模型研究[J].液壓與氣動，2007（3）：10-13.

[2]錢志源，劉仁強，趙言正，等.一種壁面牽引移動式玻璃幕墻清洗機器人[J].上海交通大學報，2006（11）：1818-1821.

[3]周旋.超聲波技術在工業清洗中的應用[J].機電工程技術，2012（7）：157-159.

作者簡介：卿婷婷（1993-），女，漢族，湖南人，現就讀于西南大學自動化專業。主要研究方向：控制理論。

摘 要：介紹基于爬壁式清潔機器人的系統設計。該系統包括機械底板、水壓驅動裝置、清潔裝置和控制裝置等四大模塊，實現對高樓壁面有效地清潔。

關鍵詞：清潔機器人；清潔裝置；無線模塊

1 引言

隨著近幾年來城市化進程的不斷加快，城市大規模基礎項目改造的不斷開展，在現代都市中，高層建筑越來越多，這些高樓的壁面多采用瓷磚和玻璃幕墻作為裝飾，有的還要敷設鋁塑板等，而長期以來，對高層建筑的清洗工作主要是由人工完成的，這種作業方式不僅效率低，而且存在著很大的安全隱患。爬壁式清潔機器人將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環境，提高生產效率，也必將極大地推動清洗業的發展，具有極其重要的社會經濟效益。

2 系統整體設計方案

本系統主要由機械底板、水壓驅動裝置、清潔裝置和控制裝置組成。其中機械底板主要功能為固定和連接其它裝置，是機器人的機械結構主體部分。而水壓驅動裝置的水流將會被分為兩部分，一部分驅動活塞作往復運動，為機器人的爬行提供動力，另一部分則分別流經真空吸盤的水流抽氣裝置，為真空吸盤抽氣。此后這兩部分水流將合二為一，流入超聲波清潔裝置，為清潔裝置供水。而控制裝置則以Freescale MC9S128單片機為核心，實現對每個真空吸盤的電子閥門、超聲波清潔裝置的控制，其中還包含了ZigBee無線通信模塊，以實現工作人員對機器人的遠程操控。整個系統僅用水流即可實現機器人的驅動、真空吸盤的抽氣以及壁面的清潔。

圖1 爬壁式清潔機器人系統結構框圖

3 系統硬件的設計

3.1 機械底板

機械底板主要功能為固定和連接其它裝置，是機器人的機械結構主體部分，其大小決定了機器人的整體結構尺寸。因此，機械底板采用緊湊型底盤結構設計，能夠有足夠的剛度，節約能源，提高運動靈活性。

3.2 水壓驅動裝置

水壓驅動裝置分為兩大部分，一部分由機械結構將所有真空吸盤相連結，并由一至兩個活塞推動該機械結構進行運動。另一部分則是每個真空吸盤的水流抽氣裝置。該裝置由水流抽氣原件和電子閥門構成，以實現對每個真空吸盤是否進行吸附的靈活控制。水壓驅動裝置的這兩大部分相結合，則可實現爬壁式清潔機器人的直線爬行和轉彎。

3.3 清潔裝置

在清潔裝置的設計上，由于超聲波清洗必須在水中進行， 故清洗頭的清洗平面與玻璃平行緊貼， 由于水的張力在玻璃和清洗頭之間形成一層“水膜”， 避免了清洗頭與玻璃的直接接觸。清洗頭材料為鋁， 把超聲換能器產生的超聲傳導到水膜上， 利用超聲換能器激發清洗液產生高頻振動， 對浸泡在液體玻璃表面進行去污清洗， 從而對壁面進行清洗。

3.4 控制系統

運用遙控板實現對機器人的控制，當操作者按上、下時，發射電路發出信號，由接收機接收，用來控制后輪的驅動電機。當操作者按左、右時，發射電路發出信號，控制前輪的換向電機，使前輪轉向，從而實現機器人的遙控。而越障時清潔盤和吸盤的提起則通過電路設計自動實現。爬壁清潔機器人要實現在壁面上的移動，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，故選擇使用直流電機。為了提高清洗效率，采用“S”形路線（即從樓底直線運動到樓頂，側移一個工作位置，然后再直線運動到樓底）。這樣，機器人在清洗作業過程中，只需要上行、下行及側移三種運動，決定采用兩后輪驅動來實現機器人的前進、后退運動，通過樓頂小車的側向運動來實現機器人的側移。

4 軟件設計

軟件通過無線遙控實現，無線遙控是指爬壁式機器人在進行清潔作業時，各種動作通過操作無線電遙控設備完成。通信系統框圖如圖2所示，無線電遙控設備由發射機、接收機及執行機構三部分組成，用不同頻率的信號代替不同的控制指令。在爬壁機器人控制系統中，由于控制量較多，過程比較復雜，程序較長。為了便于軟件的編制和閱讀修改，控制系統軟件采用模塊化的結構。各個程序模塊就是一個單獨的子程序，運行時各負其責，主程序只要調用各個子程序，使整個系統易讀、易改、易調試。

圖2 無線遙控電路工作原理框架圖

5 結束語

文章設計了一種基于爬壁式清潔機器人，經過實際制作后相關實驗證明：它能夠在高樓表面靈活移動，并且能達到清潔效果。

參考文獻

[1]于今，閏軍濤，饒冀.一種新型多吸盤壁面清洗機器人模型研究[J].液壓與氣動，2007（3）：10-13.

[2]錢志源，劉仁強，趙言正，等.一種壁面牽引移動式玻璃幕墻清洗機器人[J].上海交通大學報，2006（11）：1818-1821.

[3]周旋.超聲波技術在工業清洗中的應用[J].機電工程技術，2012（7）：157-159.

作者簡介：卿婷婷（1993-），女，漢族，湖南人，現就讀于西南大學自動化專業。主要研究方向：控制理論。

摘 要：介紹基于爬壁式清潔機器人的系統設計。該系統包括機械底板、水壓驅動裝置、清潔裝置和控制裝置等四大模塊，實現對高樓壁面有效地清潔。

關鍵詞：清潔機器人；清潔裝置；無線模塊

1 引言

隨著近幾年來城市化進程的不斷加快，城市大規模基礎項目改造的不斷開展，在現代都市中，高層建筑越來越多，這些高樓的壁面多采用瓷磚和玻璃幕墻作為裝飾，有的還要敷設鋁塑板等，而長期以來，對高層建筑的清洗工作主要是由人工完成的，這種作業方式不僅效率低，而且存在著很大的安全隱患。爬壁式清潔機器人將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環境，提高生產效率，也必將極大地推動清洗業的發展，具有極其重要的社會經濟效益。

2 系統整體設計方案

本系統主要由機械底板、水壓驅動裝置、清潔裝置和控制裝置組成。其中機械底板主要功能為固定和連接其它裝置，是機器人的機械結構主體部分。而水壓驅動裝置的水流將會被分為兩部分，一部分驅動活塞作往復運動，為機器人的爬行提供動力，另一部分則分別流經真空吸盤的水流抽氣裝置，為真空吸盤抽氣。此后這兩部分水流將合二為一，流入超聲波清潔裝置，為清潔裝置供水。而控制裝置則以Freescale MC9S128單片機為核心，實現對每個真空吸盤的電子閥門、超聲波清潔裝置的控制，其中還包含了ZigBee無線通信模塊，以實現工作人員對機器人的遠程操控。整個系統僅用水流即可實現機器人的驅動、真空吸盤的抽氣以及壁面的清潔。

圖1 爬壁式清潔機器人系統結構框圖

3 系統硬件的設計

3.1 機械底板

機械底板主要功能為固定和連接其它裝置，是機器人的機械結構主體部分，其大小決定了機器人的整體結構尺寸。因此，機械底板采用緊湊型底盤結構設計，能夠有足夠的剛度，節約能源，提高運動靈活性。

3.2 水壓驅動裝置

水壓驅動裝置分為兩大部分，一部分由機械結構將所有真空吸盤相連結，并由一至兩個活塞推動該機械結構進行運動。另一部分則是每個真空吸盤的水流抽氣裝置。該裝置由水流抽氣原件和電子閥門構成，以實現對每個真空吸盤是否進行吸附的靈活控制。水壓驅動裝置的這兩大部分相結合，則可實現爬壁式清潔機器人的直線爬行和轉彎。

3.3 清潔裝置

在清潔裝置的設計上，由于超聲波清洗必須在水中進行， 故清洗頭的清洗平面與玻璃平行緊貼， 由于水的張力在玻璃和清洗頭之間形成一層“水膜”， 避免了清洗頭與玻璃的直接接觸。清洗頭材料為鋁， 把超聲換能器產生的超聲傳導到水膜上， 利用超聲換能器激發清洗液產生高頻振動， 對浸泡在液體玻璃表面進行去污清洗， 從而對壁面進行清洗。

3.4 控制系統

運用遙控板實現對機器人的控制，當操作者按上、下時，發射電路發出信號，由接收機接收，用來控制后輪的驅動電機。當操作者按左、右時，發射電路發出信號，控制前輪的換向電機，使前輪轉向，從而實現機器人的遙控。而越障時清潔盤和吸盤的提起則通過電路設計自動實現。爬壁清潔機器人要實現在壁面上的移動，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，故選擇使用直流電機。為了提高清洗效率，采用“S”形路線（即從樓底直線運動到樓頂，側移一個工作位置，然后再直線運動到樓底）。這樣，機器人在清洗作業過程中，只需要上行、下行及側移三種運動，決定采用兩后輪驅動來實現機器人的前進、后退運動，通過樓頂小車的側向運動來實現機器人的側移。

4 軟件設計

軟件通過無線遙控實現，無線遙控是指爬壁式機器人在進行清潔作業時，各種動作通過操作無線電遙控設備完成。通信系統框圖如圖2所示，無線電遙控設備由發射機、接收機及執行機構三部分組成，用不同頻率的信號代替不同的控制指令。在爬壁機器人控制系統中，由于控制量較多，過程比較復雜，程序較長。為了便于軟件的編制和閱讀修改，控制系統軟件采用模塊化的結構。各個程序模塊就是一個單獨的子程序，運行時各負其責，主程序只要調用各個子程序，使整個系統易讀、易改、易調試。

圖2 無線遙控電路工作原理框架圖

5 結束語

文章設計了一種基于爬壁式清潔機器人，經過實際制作后相關實驗證明：它能夠在高樓表面靈活移動，并且能達到清潔效果。

參考文獻

[1]于今，閏軍濤，饒冀.一種新型多吸盤壁面清洗機器人模型研究[J].液壓與氣動，2007（3）：10-13.

[2]錢志源，劉仁強，趙言正，等.一種壁面牽引移動式玻璃幕墻清洗機器人[J].上海交通大學報，2006（11）：1818-1821.

[3]周旋.超聲波技術在工業清洗中的應用[J].機電工程技術，2012（7）：157-159.

作者簡介：卿婷婷（1993-），女，漢族，湖南人，現就讀于西南大學自動化專業。主要研究方向：控制理論。