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題，而解決這一問題，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。就目前國內(nèi)外的研究情況來看，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)是一個裝置本身放置于室內(nèi)的、僅通過清洗臂伸至窗

2、外進(jìn)行清洗的智能化、自動化的外窗清洗機(jī)器人，具有制造相對容易、性價比高、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令人頭疼的問題。中小學(xué)生在進(jìn)行大掃除時，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；在家庭生活中，也沒有一種能夠清洗外窗玻璃的得力的工具，請專業(yè)人士來擦洗又會帶來很大的花費(fèi)，導(dǎo)致大部分住在比較高的樓層的家庭對外窗玻璃的清洗無能為力，只能靠著老天來“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)器人是一種實(shí)現(xiàn)高空清洗作業(yè)的裝置。就目前

3、國內(nèi)外的研究情況來看，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，通過固定在樓頂?shù)膽冶鄣踯囇b置拖動使清洗機(jī)器人沿著高空壁面導(dǎo)軌上下運(yùn)動來完成清洗工作，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，通過自身的移動機(jī)構(gòu)在高空壁面上運(yùn)動來完成清洗工作，這種機(jī)器人又可分為單吸盤和多吸盤兩種吸附移動方式然而由于采用真空泵抽真空的方法，使得對真空吸盤的密封性要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，而

4、且工作的可靠性和對高空壁面的適應(yīng)性也較差，存在掉落的危險，對弧形玻璃的適應(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，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)器人主要是針對商業(yè)用途，一方面造價比較高，也注定價格比較貴；另一方面用起來麻煩，適合在大范圍內(nèi)一起用，對家用或者學(xué)校來說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

5、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)其定時及自動控制功能；通過壓力傳感器檢測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，同時可以控制力度避免清潔臂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)用來驅(qū)動清潔臂的上下?lián)u動，實(shí)現(xiàn)擦洗的功能；

6、紅外傳感模塊用來接收遙控器發(fā)出的紅外線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；數(shù)碼管主要用來顯示設(shè)定的時間。本作品是我們小組成員通過觀察生活以及相互的討論得出的，未有過已成品，也沒有申請過專利。目前我們只是對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位高性能精簡指令集的Flash單片機(jī),包含一個多通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和雙比較器功能，帶有多個使用靈活的定時器模塊，可提供定時功能、脈沖產(chǎn)生功能及PWMT生功能，能夠滿足我們的需求。系統(tǒng)可分為幾個模塊，如圖1所示：紅專感

7、器壓力傳感器在紅外線傳感器模塊，我們在遙控器上安裝了一個紅外線發(fā)射模塊，在機(jī)器上安裝了一個紅外線接收模塊。當(dāng)接收模塊接收到紅外線信號時，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，單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，啟動機(jī)器的電源；當(dāng)設(shè)定好定時時間并按下定時的按鈕時單片機(jī)會啟動定時器，開始計(jì)時，并將計(jì)時顯示在數(shù)碼管上；在步進(jìn)電機(jī)模塊，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，使機(jī)械臂伸縮和上下移動，用機(jī)械臂上的海綿對玻璃進(jìn)行擦洗；數(shù)碼管部分，當(dāng)機(jī)器開始工作以后，數(shù)碼管上會以倒計(jì)時的方式顯示設(shè)定的時間，當(dāng)定時的時間達(dá)到時，會提醒單片機(jī)產(chǎn)生一個中斷，停止工作；壓力傳感器的模塊，我們在清潔臂的海

8、綿底下放置了一個壓力傳感器，當(dāng)壓力傳感器與玻璃接觸時，會將壓力值傳送給單片機(jī)，當(dāng)壓力達(dá)到我們設(shè)定的值時，機(jī)械臂停止運(yùn)動，這樣就避免了因?yàn)閴毫μ〔敛桓蓛艋蛘呤菈毫μ髶p壞機(jī)器或者玻璃。設(shè)計(jì)清潔臂的過程是最復(fù)雜的過程，在設(shè)計(jì)的過程中，我們在有些地方產(chǎn)生了幾個不同的方案。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，繞著一個點(diǎn)移動，可是考慮到清潔的范圍，采用了上下平行移動的方案；還想過把清潔臂做成圓形，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

9、要功能有以下幾個方面：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來的水管相通?？梢詫ΣＡнM(jìn)行潤濕，使擦洗效果更加好;2、清潔臂可以上下擺動，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。這幾種機(jī)器人都是為了商業(yè)用途而設(shè)計(jì)的，使用起來都很不方便，需要專業(yè)的技術(shù)以人員來完成，只能適用于商業(yè)用途，不適合家用。機(jī)器的一個工作周期大概包括噴水、擦拭、再噴水幾個過程，可以人為對時間進(jìn)行控制。例如，可以通過遙控器設(shè)置單片機(jī)的定時器，使機(jī)器處于以下工作周期中：前5秒，對玻璃噴

10、上適量的水，將玻璃打濕，方便用清潔臂進(jìn)行清洗。接下來的20秒，使用清潔臂對玻璃進(jìn)行擦拭。最后5秒，再對玻璃噴上適量的水。當(dāng)然，工作周期和時間都是可以調(diào)節(jié)的，如果覺得清潔的時間過短，可以設(shè)置的長一點(diǎn)；如果覺得擦拭完之后沒有再噴水的必要，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)，不存在滑落的危險性;2、操作靈活簡單，用起來方便;3、可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，十分人性化；4、產(chǎn)品在構(gòu)件上相對簡單和便宜，成品的價格會相對與貼窗式的機(jī)器人便宜很多；5、專門為家庭日常生活設(shè)計(jì)，市場廣大，有很大的發(fā)展?jié)摿?。五、作品結(jié)

11、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，可以對窗戶進(jìn)行噴水操作，潤濕玻璃，可以更加流暢地進(jìn)行擦拭，同時，也擦洗的更加干凈。機(jī)器的噴水動力由小電機(jī)來提供，小電機(jī)的開關(guān)由單片機(jī)控制。支撐臂可以上下移動，帶動清潔臂完成對玻璃進(jìn)行擦洗。（二）軟件部分軟件部分主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序、數(shù)碼管顯示程序、定時器程序、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)動程序：通過單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號，驅(qū)動步進(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。數(shù)碼管顯示程序：用數(shù)碼館將定時器的數(shù)值顯示出來。定時器程序