高空玻璃擦洗机器人.docx

新型内置高空清洗机器人

2015年重庆地区第八届“合泰杯”大学生单片机应用设计竞赛

作品创意书

新型内置高空清洗机器人

西南大学
电子信息工程

公元 2014 年 12 月 15 日

作 品 创 意 书
一、 摘要
随着城镇化进程的不断加快以及土地资源的日益稀缺，各类城市高楼如写字楼和住宅楼等也如雨后春笋般不断挺拔而出。于是随之出现了一系列如同外窗擦洗的问题，而解决这一问题，有人工和高空清洁机器人两种方法，他们都具有一定的缺点和局限。就目前国内外的研究情况来看，这种机器人主要是以清洁玻璃幕墙为主要功能的商用机器人。目前市面上存在的这种玻璃清洁机器人存在生产复杂、价格昂贵、容易产生高空坠落等安全隐患的缺点。本设计是一个装置本身放置于室内的、仅通过清洗臂伸至窗外进行清洗的智能化、自动化的外窗清洗机器人，具有制造相对容易、性价比高、放置于室内方便安全的优点，恰好克服了以上所述的缺点，能够很好地深入家庭，学校等大众的生活场所。
二、 作品介绍
在我们的日常生活中，楼房外窗的擦洗一直是一个令人头疼的问题。中小学生在进行大扫除时，不得不站在桌子甚至窗子上进行外窗玻璃的擦洗，这使得他们冒着很大的危险；在家庭生活中，也没有一种能够清洗外窗玻璃的得力的工具，请专业人士来擦洗又会带来很大的花费，导致大部分住在比较高的楼
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层的家庭对外窗玻璃的清洗无能为力，只能靠着老天来“清洗”，久而久之，外窗的玻璃留下了很多污渍，很不美观。
高空清洁机器人是一种实现高空清洗作业的装置。就目前国内外的研究情况来看，这种机器人主要分为三类。第一类是高空壁面轨道式，通常在建楼时就将高空壁面轨道安装到外墙高空壁面上，当进行外高空壁面清洗作业时，通过固定在楼顶的悬臂吊车装置拖动使清洗机器人沿着高空壁面导轨上下运动来完成清洗工作，然而安装在外墙高空壁面的轨道却限制了高楼的结构并大大地影响了整体建筑的外观同时也限制了清洗机器人的应用范围；第二类是真空吸附高空清洁机器人，依靠真空吸盘将机器人吸附到外墙高空壁面上，通过自身的移动机构在高空壁面上运动来完成清洗工作，这种机器人又可分为单吸盘和多吸盘两种吸附移动方式然而由于采用真空泵抽真空的方法，使得对真空吸盘的密封性要求较高，结构复杂，造价昂贵，而且工作的可靠性和对高空壁面的适应性也较差，存在掉落的危险，对弧形玻璃的适应性不好。第三类是磁吸附高空清洁机器人，这种清洗机器人是依靠磁吸附材料吸附到高空壁面上，通常具有较强的吸附力，通过磁性履带、轮子、吸盘或足式结构可以实现在高空壁面上的吸附移动，并完成清洗作业，但这种机器人只能在特定材料的高空壁面上工作因而应用范围受到了极大的限制。
以上提到的这三种高空清洗机器，或多或少存在缺点，导致其推广能力受
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到限制。另外，这三种机器人主要是针对商业用途，一方面造价比较高，也注定价格比较贵；另一方面用起来麻烦，适合在大范围内一起用，对家用或者学校来说显得不是特别的合适。
于是，吸取已有产品的优点，规避它们的缺点，加上自己的创意，我们制作了这款家用的外窗玻璃清洗机器。
首先，该外窗清洗机器人突破性地采用了室内放置的方式（之前的都是放置在窗户外面），通过伸出一只“清洁臂”进行外窗玻璃的擦洗。它主要的功能就是外窗玻璃的清洗、擦拭。机器人的功能模块主要有单片机主控模块、步进电机驱动模块、压力传感器模块、红外传感器模块、数码管显示模块。本设计采用ht66fu50为主控单片机，以实现其定时及自动控制功能；通过压力传感器检测清洁臂和玻璃之间的压力，以实现清洁臂与玻璃之间足够接触才能保证擦拭效果，同时可以控制力度避免清洁臂紧贴玻璃造成玻璃的损坏或者使得擦拭更困难；步进电机用来驱动清洁臂的上下摇动，实现擦洗的功能；红外传感模块用来接收遥控器发出的红外线，实现远程控制；数码管主要用来显示设定的时间。
本作品是我们小组成员通过观察生活以及相互的讨论得出的，未有过已成品，也没有申请过专利。目前我们只是对本作品做出了一些构想，还需要在各方面深度讨论和构思进行产品的完成和完善。
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三、 工作原理
本外窗玻璃清洗机器人采用盛群半导体公司生产的ht66fu50作为主控单片机。ht66fu50是一款 A/D型具有8 位高性能精简指令集的Flash 单片机, 包含一个多通道 12 位 A/D 转换器和双比较器功能, 带有多个使用灵活的定时器模块，可提供定时功能、脉冲产生功能及 PWM产生功能,能够满足我们的需求。系统可分为几个模块，如图1所示:

图1
在红外线传感器模块，我们在遥控器上安装了一个红外线发射模块，在机器上安装了一个红外线接收模块。当接收模块接收到红外线信号时，单片机做出相应的反应，完成相应的功能。例如，当按下遥控器的电源按钮时，单片机产生相应的反应启动机器的电源；当设定好定时时间并按下定时的按钮时
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单片机会启动定时器，开始计时，并将计时显示在数码管上；在步进电机模块，通过单片机控制步进电机的转动方向，使机械臂伸缩和上下移动，用机械臂上的海绵对玻璃进行擦洗；数码管部分，当机器开始工作以后，数码管上会以倒计时的方式显示设定的时间，当定时的时间达到时，会提醒单片机产生一个中断，停止工作；压力传感器的模块，我们在清洁臂的海绵底下放置了一个压力传感器，当压力传感器与玻璃接触时，会将压力值传送给单片机，当压力达到我们设定的值时，机械臂停止运动，这样就避免了因为压力太小擦不干净或者是压力太大损坏机器或者玻璃。
设计清洁臂的过程是最复杂的过程，在设计的过程中，我们在有些地方产生了几个不同的方案。例如：刚开始清洁臂想使用毛刷清洁臂，可是考虑到清洁的效果问题，改用了海绵；打算把清洁臂设计成像汽车的雨刷一样，绕着一个点移动，可是考虑到清洁的范围，采用了上下平行移动的方案；还想过把清洁臂做成圆形，可以旋转，就像现在流行的地板砖清洁器一样，可是考虑到那种设计方案不容易清除死角，于是采用了矩形的清洁臂。
四、 作品功能、特色
该机器人的主要功能有以下几个方面：
1、机器人的清洁臂上安装了海绵，海绵与从清洁臂中伸过来的水管相通。可以对玻璃进行润湿，使擦洗效果更加好；
2、清洁臂可以上下摆动，增加了擦洗的幅度；使用遥控器进行远程遥

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控，轻松方便。
3、该机器将主机部分放在室内，避免了已有机器人（例如高空面壁式机器人、真空吸附式机器人、磁吸附式机器人）高空坠落的危险。这几种机器人都是为了商业用途而设计的，使用起来都很不方便，需要专业的技术以人员来完成，只能适用于商业用途，不适合家用。
机器的一个工作周期大概包括喷水、擦拭、再喷水几个过程，可以人为对时间进行控制。例如，可以通过遥控器设置单片机的定时器，使机器处于以下工作周期中：
⑴前5秒，对玻璃喷上适量的水，将玻璃打湿，方便用清洁臂进行清洗。
⑵接下来的20秒，使用清洁臂对玻璃进行擦拭。
⑶最后5秒，再对玻璃喷上适量的水。
当然，工作周期和时间都是可以调节的，如果觉得清洁的时间过短，可以设置的长一点；如果觉得擦拭完之后没有再喷水的必要，就可以不再进行喷水。
具体工作流程图如图2所示：
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图2

目前为止，还并未有这样放置于室内的家用外窗清洁机器人。我们作品的主要特色有：
1、放置于室内，不存在滑落的危险性；
2、操作灵活简单，用起来方便；
3、可以进行远程控制，十分人性化；
4、产品在构件上相对简单和便宜，成品的价格会相对与贴窗式的机器人便宜很多；
5、专门为家庭日常生活设计，市场广大，有很大的发展潜力。
五、 作品结构
（一）硬件部分
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该机器人的硬件部分如图3所示：

图3
主体箱呈矩形状，内部含有单片机最小系统电路板，用作整个系统的控制。由主体右侧伸出一个支撑臂，该支撑臂由步进电机控制，支撑臂的中间可以伸缩，从而能够调节清洁臂和玻璃之间的贴合程度，避免压力过小擦不干净或者压力太大损坏机器或者玻璃；支撑臂上连接了一个清洁臂，清洁臂上放置了一层海绵。支撑臂和清洁臂都是中空的，在里面放置了一条水管和部分电路连线，水管通到海绵上，可以对窗户进行喷水操作，润湿玻璃，可以更加流畅
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地进行擦拭，同时，也擦洗的更加干净。机器的喷水动力由小电机来提供，小电机的开关由单片机控制。支撑臂可以上下移动，带动清洁臂完成对玻璃进行擦洗。
（二）软件部分
软件部分主要由步进电机驱动程序、数码管显示程序、定时器程序、压力传感器控制程序、红外线传感器控制程序、水泵开关控制程序组成。如图4所示：

图4
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⑴步进电机驱动程序：通过单片机产生脉冲信号，驱动步进电机经行不同方向的旋转，从而控制支撑臂伸缩和上下移动。
⑵数码管显示程序：用数码馆将定时器的数值显示出来。
⑶定时器程序：用单片机的定时器产生精确的定时。
⑷压力传感器控制程序：预先设定好一个适当的压力值，用压力传感器来检测玻璃和清洁臂之间的压力值并返回给单片机进行比较，如果达到了设定的压力值则步进电机停止移动。
⑸红外线传感器控制程序：单片机收到遥控器发出的红外线后，根据遥控器按键的不同来让单片机产生不同的反应，完成不同的工作。
⑹水泵开关控制程序：通过单片机控制继电器，打开或者关闭水泵。