高空玻璃擦洗機(jī)器人

1、2015年重慶地區(qū)第八屆合泰杯”大學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品創(chuàng)意書新型內(nèi)置高空清洗機(jī)器人西南大學(xué)電子信息工程公元2014年12月15日作品創(chuàng)意書一、 摘要隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快以及土地資源的日益稀缺， 各類城市高樓如寫 字樓和住宅樓等也如雨后春筍般不斷挺拔而出。于是隨之出現(xiàn)了一系列如同外 窗擦洗的問(wèn)題，而解決這一問(wèn)題，有人工和高空清潔機(jī)器人兩種方法， 他們都 具有一定的缺點(diǎn)和局限。就目前國(guó)內(nèi)外的研究情況來(lái)看，這種機(jī)器人主要是以 清潔玻璃幕墻為主要功能的商用機(jī)器人。目前市面上存在的這種玻璃清潔機(jī)器 人存在生產(chǎn)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、容易產(chǎn)生高空墜落等安全隱患的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是 一個(gè)裝置本身放置于室內(nèi)的、

2、僅通過(guò)清洗臂伸至窗外進(jìn)行清洗的智能化、 自動(dòng) 化的外窗清洗機(jī)器人，具有制造相對(duì)容易、性價(jià)比高、放置于室內(nèi)方便安全的 優(yōu)點(diǎn)，恰好克服了以上所述的缺點(diǎn)，能夠很好地深入家庭，學(xué)校等大眾的生活 場(chǎng)所。二、作品介紹在我們的日常生活中，樓房外窗的擦洗一直是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。 中小 學(xué)生在進(jìn)行大掃除時(shí)，不得不站在桌子甚至窗子上進(jìn)行外窗玻璃的擦洗， 這使得他們冒著很大的危險(xiǎn)；在家庭生活中，也沒(méi)有一種能夠清洗外窗玻璃的得力的工具，請(qǐng)專業(yè)人士來(lái)擦洗又會(huì)帶來(lái)很大的花費(fèi)， 導(dǎo)致大部分住在比較高的樓層的家庭對(duì)外窗玻璃的清洗無(wú)能為力，只能靠著老天來(lái)“清洗”，久而久之， 外窗的玻璃留下了很多污漬，很不美觀。高空清潔機(jī)器人

3、是一種實(shí)現(xiàn)高空清洗作業(yè)的裝置。 就目前國(guó)內(nèi)外的研究情 況來(lái)看，這種機(jī)器人主要分為三類。第一類是高空壁面軌道式，通常在建樓時(shí) 就將高空壁面軌道安裝到外墻高空壁面上， 當(dāng)進(jìn)行外高空壁面清洗作業(yè)時(shí)，通 過(guò)固定在樓頂?shù)膽冶鄣踯囇b置拖動(dòng)使清洗機(jī)器人沿著高空壁面導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng) 來(lái)完成清洗工作，然而安裝在外墻高空壁面的軌道卻限制了高樓的結(jié)構(gòu)并大大 地影響了整體建筑的外觀，同時(shí)也限制了清洗機(jī)器人的應(yīng)用范圍； 第二類是真 空吸附高空清潔機(jī)器人，依靠真空吸盤將機(jī)器人吸附到外墻高空壁面上， 通過(guò) 自身的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在高空壁面上運(yùn)動(dòng)來(lái)完成清洗工作， 這種機(jī)器人又可分為單吸 盤和多吸盤兩種吸附移動(dòng)方式然而由于采用真空泵抽真空

4、的方法，使得對(duì)真空吸盤的密封性要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，而且工作的可靠性和對(duì)高空壁 面的適應(yīng)性也較差，存在掉落的危險(xiǎn)，對(duì)弧形玻璃的適應(yīng)性不好。第三類是磁 吸附高空清潔機(jī)器人，這種清洗機(jī)器人是依靠磁吸附材料吸附到高空壁面上， 通常具有較強(qiáng)的吸附力，通過(guò)磁性履帶、輪子、吸盤或足式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在高 空壁面上的吸附移動(dòng)，并完成清洗作業(yè)，但這種機(jī)器人只能在特定材料的高空 壁面上工作，因而應(yīng)用范圍受到了極大的限制。以上提到的這三種高空清洗機(jī)器，或多或少存在缺點(diǎn)，導(dǎo)致其推廣能力受到限制。另外，這三種機(jī)器人主要是針對(duì)商業(yè)用途，一方面造價(jià)比較高，也注 定價(jià)格比較貴；另一方面用起來(lái)麻煩，適合在大范圍內(nèi)一起用，

5、對(duì)家用或者學(xué) 校來(lái)說(shuō)顯得不是特別的合適。于是，吸取已有產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避它們的缺點(diǎn)，加上自己的創(chuàng)意，我們制 作了這款家用的外窗玻璃清洗機(jī)器。首先，該外窗清洗機(jī)器人突破性地采用了室內(nèi)放置的方式 （之前的都是放 置在窗戶外面），通過(guò)伸出一只“清潔臂”進(jìn)行外窗玻璃的擦洗。它主要的功 能就是外窗玻璃的清洗、擦拭。機(jī)器人的功能模塊主要有單片機(jī)主控模塊、步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、壓力傳感器模塊、紅外傳感器模塊、數(shù)碼管顯示模塊。本設(shè) 計(jì)采用ht66fu50為主控單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)其定時(shí)及自動(dòng)控制功能；通過(guò)壓力傳 感器檢測(cè)清潔臂和玻璃之間的壓力，以實(shí)現(xiàn)清潔臂與玻璃之間足夠接觸才能保 證擦拭效果，同時(shí)可以控制力度避免清潔臂

6、緊貼玻璃造成玻璃的損壞或者使得 擦拭更困難；步進(jìn)電機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)清潔臂的上下?lián)u動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)擦洗的功能；紅外傳 感模塊用來(lái)接收遙控器發(fā)出的紅外線， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；數(shù)碼管主要用來(lái)顯示設(shè) 定的時(shí)間。本作品是我們小組成員通過(guò)觀察生活以及相互的討論得出的， 未有過(guò)已成 品，也沒(méi)有申請(qǐng)過(guò)專利。目前我們只是對(duì)本作品做出了一些構(gòu)想， 還需要在各 方面深度討論和構(gòu)思進(jìn)行產(chǎn)品的完成和完善。三、工作原理本外窗玻璃清洗機(jī)器人采用盛群半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 ht66fu50作為主控單 片機(jī)。ht66fu50是一款A(yù)/D型具有8位高性能精簡(jiǎn)指令集的Flash單片機(jī), 包含一個(gè)多通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和雙比較器功能，帶有多個(gè)使用靈活的

7、定 時(shí)器模塊，可提供定時(shí)功能、脈沖產(chǎn)生功能及 PWMT生功能，能夠滿足我們的 需求。系統(tǒng)可分為幾個(gè)模塊，如圖1所示：紅專感器壓力傳感器在紅外線傳感器模塊，我們?cè)谶b控器上安裝了一個(gè)紅外線發(fā)射模塊，在機(jī) 器上安裝了一個(gè)紅外線接收模塊。當(dāng)接收模塊接收到紅外線信號(hào)時(shí)，單片機(jī)做 出相應(yīng)的反應(yīng)，完成相應(yīng)的功能。例如，當(dāng)按下遙控器的電源按鈕時(shí)，單片機(jī) 產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，啟動(dòng)機(jī)器的電源；當(dāng)設(shè)定好定時(shí)時(shí)間并按下定時(shí)的按鈕時(shí)單片機(jī)會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)，并將計(jì)時(shí)顯示在數(shù)碼管上；在步進(jìn)電機(jī)模塊， 通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使機(jī)械臂伸縮和上下移動(dòng)，用機(jī)械臂上 的海綿對(duì)玻璃進(jìn)行擦洗；數(shù)碼管部分，當(dāng)機(jī)器開始工作以后

8、，數(shù)碼管上會(huì)以倒 計(jì)時(shí)的方式顯示設(shè)定的時(shí)間，當(dāng)定時(shí)的時(shí)間達(dá)到時(shí)，會(huì)提醒單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)中 斷，停止工作；壓力傳感器的模塊，我們?cè)谇鍧嵄鄣暮＞d底下放置了一個(gè)壓力 傳感器，當(dāng)壓力傳感器與玻璃接觸時(shí)，會(huì)將壓力值傳送給單片機(jī)，當(dāng)壓力達(dá)到 我們?cè)O(shè)定的值時(shí)，機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)，這樣就避免了因?yàn)閴毫μ〔敛桓蓛艋蛘?是壓力太大損壞機(jī)器或者玻璃。設(shè)計(jì)清潔臂的過(guò)程是最復(fù)雜的過(guò)程，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們?cè)谟行┑胤疆a(chǎn) 生了幾個(gè)不同的方案。例如：剛開始清潔臂想使用毛刷清潔臂，可是考慮到清 潔的效果問(wèn)題，改用了海綿；打算把清潔臂設(shè)計(jì)成像汽車的雨刷一樣， 繞著一 個(gè)點(diǎn)移動(dòng)，可是考慮到清潔的范圍，采用了上下平行移動(dòng)的方案；還想過(guò)把

9、清 潔臂做成圓形，可以旋轉(zhuǎn)，就像現(xiàn)在流行的地板磚清潔器一樣， 可是考慮到那 種設(shè)計(jì)方案不容易清除死角，于是采用了矩形的清潔臂。四、作品功能、特色該機(jī)器人的主要功能有以下幾個(gè)方面：1、機(jī)器人的清潔臂上安裝了海綿，海綿與從清潔臂中伸過(guò)來(lái)的水管相通。可 以對(duì)玻璃進(jìn)行潤(rùn)濕，使擦洗效果更加好;2、清潔臂可以上下擺動(dòng)，增加了擦洗的幅度；使用遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，輕松方便。3、該機(jī)器將主機(jī)部分放在室內(nèi)，避免了已有機(jī)器人（例如高空面壁式機(jī)器人、 真空吸附式機(jī)器人、磁吸附式機(jī)器人）高空墜落的危險(xiǎn)。這幾種機(jī)器人都是為 了商業(yè)用途而設(shè)計(jì)的，使用起來(lái)都很不方便，需要專業(yè)的技術(shù)以人員來(lái)完成， 只能適用于商業(yè)用途，不適合家

10、用。機(jī)器的一個(gè)工作周期大概包括噴水、擦拭、再噴水幾個(gè)過(guò)程，可以人為對(duì)時(shí)間進(jìn)行控制。例如，可以通過(guò)遙控器設(shè)置單片機(jī)的定時(shí)器， 使機(jī)器處于以下 工作周期中：前5秒，對(duì)玻璃噴上適量的水，將玻璃打濕，方便用清潔臂進(jìn)行清洗。接下來(lái)的20秒，使用清潔臂對(duì)玻璃進(jìn)行擦拭。最后5秒，再對(duì)玻璃噴上適量的水。當(dāng)然，工作周期和時(shí)間都是可以調(diào)節(jié)的，如果覺(jué)得清潔的時(shí)間過(guò)短，可以 設(shè)置的長(zhǎng)一點(diǎn)；如果覺(jué)得擦拭完之后沒(méi)有再噴水的必要，就可以不再進(jìn)行噴水。具體工作流程圖如圖2所示：目前為止,主要特色有：圖2還并未有這樣放置于室內(nèi)的家用外窗清潔機(jī)器人。我們作品的1、放置于室內(nèi)，不存在滑落的危險(xiǎn)性;2、操作靈活簡(jiǎn)單，用起來(lái)方便;3、

11、可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，十分人性化；4、產(chǎn)品在構(gòu)件上相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜，成品的價(jià)格會(huì)相對(duì)與貼窗式的機(jī)器人便宜很多；5、專門為家庭日常生活設(shè)計(jì)，市場(chǎng)廣大，有很大的發(fā)展?jié)摿?。五、作品結(jié)構(gòu)（一）硬件部分該機(jī)器人的硬件部分如圖3所示:側(cè)視圖清潔臂俯視窗圖3主體箱呈矩形狀，內(nèi)部含有單片機(jī)最小系統(tǒng)電路板,用作整個(gè)系統(tǒng)的控制。支撐臂的中間可以伸由主體右側(cè)伸出一個(gè)支撐臂，該支撐臂由步進(jìn)電機(jī)控制,縮，從而能夠調(diào)節(jié)清潔臂和玻璃之間的貼合程度，避免壓力過(guò)小擦不干凈或者 壓力太大損壞機(jī)器或者玻璃；支撐臂上連接了一個(gè)清潔臂，清潔臂上放置了一層海綿。支撐臂和清潔臂都是中空的，在里面放置了一條水管和部分電路連線，水管通到海綿上，可以對(duì)窗戶進(jìn)行噴水操作，潤(rùn)濕玻璃，可以更加流暢地進(jìn)行擦拭，同時(shí)，也擦洗的更加干凈。機(jī)器的噴水動(dòng)力由小電機(jī)來(lái)提供，小電機(jī)的開關(guān)由單片機(jī)控制。支撐臂可以上下移動(dòng)，帶動(dòng)清潔臂完成對(duì)玻璃進(jìn)行 擦洗。（二）軟件部分軟件部分主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、 數(shù)碼管顯示程序、定時(shí)器程序、壓力傳感器控制程序、紅外線傳感器控制程序、水泵開關(guān)控制程序組成。如圖 4所示：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序：通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)經(jīng)行 不同方向的旋轉(zhuǎn)，從而控制支撐臂伸縮和上下移動(dòng)。數(shù)碼管顯示程序：用數(shù)碼館將定時(shí)器的數(shù)值顯示出來(lái)。定時(shí)器