歐智鈞 李鶴遠 楊晨 孫旭陽 錢煒

摘 ?要：一種無死角雙向自動擦窗機，通過使用單片機對電機進行實時反饋控制，并配合傳統(tǒng)機械傳動機構，實現(xiàn)機器主體在玻璃墻面上移動，及其清潔機構的左右往復運動，實現(xiàn)無死角的自動擦窗工作。同時設計成雙向模式來提高機器自動運行工作的效率。并且使用紅外傳感器來檢測玻璃墻面的邊緣或障礙物，從而實現(xiàn)避障、轉向等功能。該文所提出的一種無死角雙向自動擦窗機能夠彌補現(xiàn)有產(chǎn)品清理死角較多、清潔機構只能單向工作等缺陷。

關鍵詞：雙向自動擦窗機 ?無死角 ? 實時反饋控制

中圖分類號：TU976 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）03（b）-0001-02

機器人技術的發(fā)展，為解決高層建筑玻璃幕墻的清洗問題提供了一個新的思路。真空吸附裝置具有輕量化、體積小、噪音低、結構緊湊、可靠性高等諸多特點，是壁面清洗機器人關鍵技術之一，并在多種氣動機器人中得到了廣泛應用。其中真空吸附式自動擦窗機器人在智能家居中占據(jù)較大一部分市場。

針對現(xiàn)有擦窗機器人在工作時由于設計原理上的不足，其在邊緣以及角落等較難清理的區(qū)域死角較大。同時現(xiàn)有的擦窗機器人僅能單向進行清潔工作，工作效率比較低下。因此，針對這些缺陷，該文提出了一種無死角雙向自動擦窗機器，通過依靠吸盤吸附原理以及與一些常用的機械結構進行組合，同時配合各種傳感器對外界參數(shù)如邊緣距離等進行測量，并使用單片機進行控制。

1 ?機械系統(tǒng)設計

1.1 吸附機構

選用轉動式吸盤（通過順時針或逆時針轉動吸盤邊緣來實現(xiàn)吸盤的吸附和脫離），通過使用電機轉動帶動蝸輪蝸桿機構實現(xiàn)慢速驅動旋轉吸盤轉動件的轉動，達到吸附或脫離的效果。

1.2 移動裝置

使用蝸桿傳動機構通過使用單片機控制電機正反轉以及停止，調節(jié)蝸輪轉動狀態(tài)和吸盤的吸附狀態(tài)，使得機構繞著某一旋轉吸盤的軸線進行旋轉一定角度后使用另一吸盤吸附，再繞著該吸盤進行旋轉，從而達到控制機器人直線運動或轉彎等運動軌跡。

1.3 清洗裝置

參考車床上的絲杠導桿進給機構，使用單片機控制電機正反轉驅動絲杠螺母傳動機構，將電機的旋轉運動轉化為絲杠螺母的往復直線運動，同時使用一根光桿進行平衡，并帶動連桿機構驅動清潔機構能夠以固定在機架上面的滑槽進行直線運動從而達到擦窗時的死角往復清潔工作。

使用小型電磁鐵開關或者小型絲杠電機驅動滑塊進行直線運動的方式，將固定在絲杠以及光桿上方的移動塊左右兩端的清潔刷繞著其旋轉中心轉動一定角度，使其達到某一個特定的位置，并保持其為工作狀態(tài)，然后驅動整個機構進行往復工作的條件。

1.4 伸縮機構

使用小型電磁鐵開關或者小型絲杠電機驅動滑塊進行收縮，將清潔刷繞著其旋轉軸線進行旋轉，從而達到將其收縮到機器的兩端，減小其在非工作狀態(tài)下，或者是在運輸過程中的包裝過大，或者是占地空間過大的缺陷，保證產(chǎn)品具有實際的發(fā)展前景以及客戶使用時的用戶體驗。

2 ?路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃要求機器人能夠自動感知障礙物，并同時自主實現(xiàn)避障功能，并通過某些性能自動計算出機器人在不受到障礙物碰撞的前提下能完成預定目標的最優(yōu)路徑。

該文所設計的基于藍牙控制模塊下的無死角雙向自動擦窗機，通過使用紅外傳感器、陀螺儀等傳感器來檢測機器與窗戶玻璃面的邊緣的距離和機器運行時所處在的工作位置，通過單片機控制的方式來自動調整各個電機的工作狀態(tài)，使用蝸桿傳動機構通過控制電機正反轉以及停止，調節(jié)蝸輪轉動狀態(tài)和吸盤的吸附狀態(tài)，使得機構繞著某一旋轉吸盤的軸線進行旋轉一定角度后使用另一吸盤吸附，再繞著該吸盤進行旋轉，使機器交叉前進。同時使用傳感器探測出障礙物并控制機器的避障、轉向等功能，并觀測到窗戶玻璃的邊緣，同時進行智能控制，實現(xiàn)對邊緣以及死角位置的清潔工作。

3 ?分析計算

3.1 電機功率計算及選型

機構整體的尺寸大致為15cm×8cm×5cm，質量約為300g，選擇電機轉速n為300r/min，機構整體所需扭矩為0.2N·m，并取傳遞總效率最小為80%，根據(jù)電機功率計算公式可得機器所需功率為8W，使用4個電機來實現(xiàn)機器動作，因此，每個電機的功率約為2W。

根據(jù)電機選型原則，選用電機型號為GA12-N20，其額定輸出功率為3.6W，滿足使用要求。該電機能夠通過調節(jié)單片機管腳輸出來間接控制其實際轉速，因此能夠滿足實際應用過程中智能調節(jié)電機轉速的要求，從而實現(xiàn)智能適配某一工作環(huán)境下的最佳轉速。

3.2 零件強度分析

由于機械零件可能會因為疲勞強度等原因產(chǎn)生失效，而這種失效通常會造成機器的永久性損傷，并且極有可能造成產(chǎn)品損壞而引發(fā)安全事故等。因此，需要對機器內部部分主要受力零件進行有限元的強度、屈曲分析等，并同時進行拓撲優(yōu)化等工作。因此，該文利用專業(yè)有限元分析軟件ANSYS來對所設計的機器中的主要受力部件進行有限元強度分析，來校核設計是否滿足實際工程應用以及生產(chǎn)制造加工要求。

因此對機器的重要機構部分（如機架、絲桿支撐板等）進行了一定的強度分析，在比較材料許用應力之后，對部分應力集中處進行圓角或者加強筋處理，從而消除內應力，增加機器使用壽命。再次進行強度計算之后，其強度剛度完全滿足使用要求。

4 ?控制系統(tǒng)設計

在該設計過程中，對于機器本身運動動作的控制來自于從用戶手機或者其他控制器發(fā)出的藍牙信號。用戶能夠自主控制機器的正反轉等狀態(tài)，實現(xiàn)實時操控、監(jiān)視等功能。此外，該文所設計的智能控制系統(tǒng)還將配備“傻瓜式”一鍵操作按鈕，能夠方便、快速地下達指令。

5 ?結語

該文所提出的無死角雙向自動擦窗機能夠實現(xiàn)自動識別出窗戶的邊界，并同時進行智能的路徑規(guī)劃，將其工作效率以及清理程度達到最理想的狀態(tài)。并且通過傳感器與傳統(tǒng)機械結構的結合，同時加入智能控制算法的設計，不斷優(yōu)化，將所設計出的擦窗機器人能夠實現(xiàn)在多數(shù)情況下都能達到預期要求。此外，在設計過程中，考慮到包裝、運輸以及存放等因素，將機器的清潔刷設計成能夠折疊，減小其在非工作狀態(tài)時所占用的空間，增大其便利性，提升產(chǎn)品的有效競爭力。并且考慮到用戶體驗感等，特意將機器人的動力機構使用到僅電機進行驅動，對于市場上基本上所有類似產(chǎn)品中的空氣泵而言，該產(chǎn)品設計具有噪音小、安全可靠、實用性強等優(yōu)勢，同時能夠在雨天等惡劣天氣進行自動工作，具有適應性強、抵抗外界干擾能力強的優(yōu)點。

綜上，該設計中所提出的無死角雙向自動擦窗機能夠達到預期所設定的要求，并同時相對于市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品具有一定的優(yōu)勢，市場競爭力較大，因此該產(chǎn)品的市場前景仍然比較廣闊。

參考文獻

[1] 王新華.機械設計基礎[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[2] 王超，徐浚洲，劉東陽.基于無人機飛行控制技術的智能擦窗機器人[J].神州，2017（23）：192.

[3] 杜微，孫雅萍，孟艷萍.擦窗機器人越障問題的研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（34）：79.

[4] 呂汝金，黃嘉良，戚旺，等.機電一體化家用擦窗機的設計[J].機械，2014，41（12）：54-58.

[5] 佚名.擦窗機器人面世[J].機電工程技術，2011，40（11）：20.