基于蓝牙的无死角双向自动擦窗机
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作者:欧智钧 李鹤远 杨晨 孙旭阳 钱炜
摘 要：一种无死角双向自动擦窗机，通过使用单片机对电机进行实时反馈控制，并配合传统机械传动机构，实现机器主体在玻璃墙面上移动，及其清洁机构的左右往复运动，实现无死角的自动擦窗工作。同时设计成双向模式来提高机器自动运行工作的效率。并且使用红外传感器来检测玻璃墙面的边缘或障碍物，从而实现避障、转向等功能。该文所提出的一种无死角双向自动擦窗机能够弥补现有产品清理死角较多、清洁机构只能单向工作等缺陷。
关键词：双向自动擦窗机 无死角 实时反馈控制
中图分类号：TU976 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）03（b）-0001-02
机器人技术的发展，为解决高层建筑玻璃幕墙的清洗问题提供了一个新的思路。真空吸附装置具有轻量化、体积小、噪音低、结构紧凑、可靠性高等诸多特点，是壁面清洗机器人关键技术之一，并在多种气动机器人中得到了广泛应用。其中真空吸附式自动擦窗机器人在智能家居中占据较大一部分市场。
针对现有擦窗机器人在工作时由于设计原理上的不足，其在边缘以及角落等较难清理的区域死角较大。同时现有的擦窗机器人仅能单向进行清洁工作，工作效率比较低下。因此，针对这些缺陷，该文提出了一种无死角双向自动擦窗机器，通过依靠吸盘吸附原理以及与一些常用的机械结构进行组合，同时配合各种传感器对外界参数如边缘距离等进行测量，并使用单片机进行控制。
1 机械系统设计
1.1 吸附机构
选用转动式吸盘（通过顺时针或逆时针转动吸盘边缘来实现吸盘的吸附和脱离），通过使用电机转动带动蜗轮蜗杆机构实现慢速驱动旋转吸盘转动件的转动，达到吸附或脱离的效果。
1.2 移动装置
使用蜗杆传动机构通过使用单片机控制电机正反转以及停止，调节蜗轮转动状态和吸盘的吸附状态，使得机构绕着某一旋转吸盘的轴线进行旋转一定角度后使用另一吸盘吸附，再绕着该吸盘进行旋转，从而达到控制机器人直线运动或转弯等运动轨迹。
1.3 清洗装置
参考车床上的丝杠导杆进给机构，使用单片机控制电机正反转驱动丝杠螺母传动机构，将电机的旋转运动转化为丝杠螺母的往复直线运动，同时使用一根光杆进行平衡，并带动连杆机构驱动清洁机构能够以固定在机架上面的滑槽进行直线运动从而达到擦窗时的死角往复清洁工作。
使用小型电磁铁开关或者小型丝杠电机驱动滑块进行直线运动的方式，将固定在丝杠以及光杆上方的移动块左右两端的清洁刷绕着其旋转中心转动一定角度，使其达到某一个特定的位置，并保持其为工作状态，然后驱动整个机构进行往复工作的条件。
1.4 伸缩机构
使用小型电磁铁开关或者小型丝杠电机驱动滑块进行收缩，将清洁刷绕着其旋转轴线进行旋转，从而达到将其收缩到机器的两端，减小其在非工作状态下，或者是在运输过程中的包装过大，或者是占地空间过大的缺陷，保证产品具有实际的发展前景以及客户使用时的用户体验。
2 路径规划
路径规划要求机器人能够自动感知障碍物，并同时自主实现避障功能，并通过某些性能自动计算出机器人在不受到障碍物碰撞的前提下能完成预定目标的最优路径。
该文所设计的基于蓝牙控制模块下的无死角双向自动擦窗机，通过使用红外传感器、陀螺仪等传感器来检测机器与窗户玻璃面的边缘的距离和机器运行时所处在的工作位置，通过单片机控制的方式来自动调整各个电机的工作状态，使用蜗杆传动机构通过控制电机正反转以及停止，调节蜗轮转动状态和吸盘的吸附状态，使得机构绕着某一旋转吸盘的轴线进行旋转一定角度后使用另一吸盘吸附，再绕着该吸盘进行旋转，使机器交叉前进。同时使用传感器探测出障碍物并控制机器的避障、转向等功能，并观测到窗户玻璃的边缘，同时进行智能控制，实现对边缘以及死角位置的清洁工作。
3 分析计算
3.1 电机功率计算及选型
机构整体的尺寸大致为15cm×8cm×5cm，质量约为300g，选择电机转速n为300r/min，机构整体所需扭矩为0.2N·m，并取传递总效率最小为80%，根据电机功率计算公式可得机器所需功率为8W，使用4个电机来实现机器动作，因此，每个电机的功率约为2W。
根据电机选型原则，选用电机型号为GA12-N20，其额定输出功率为3.6W，满足使用要求。该电机能够通过调节单片机管脚输出来间接控制其实际转速，因此能够满足实际应用过程中智能调节电机转速的要求，从而实现智能适配某一工作环境下的最佳转速。
3.2 零件强度分析
由于机械零件可能会因为疲劳强度等原因产生失效，而这种失效通常会造成机器的永久性损伤，并且极有可能造成产品损坏而引发安全事故等。因此，需要对机器内部部分主要受力零件进行有限元的强度、屈曲分析等，并同时进行拓扑优化等工作。因此，该文利用专业有限元分析软件ANSYS来对所设计的机器中的主要受力部件进行有限元强度分析，来校核设计是否满足实际工程应用以及生产制造加工要求。
因此对机器的重要机构部分（如机架、丝杆支撑板等）进行了一定的强度分析，在比较材料许用应力之后，对部分应力集中处进行圆角或者加强筋处理，从而消除内应力，增加机器使用寿命。再次进行强度计算之后，其强度刚度完全满足使用要求。
4 控制系统设计
在该设计过程中，对于机器本身运动动作的控制来自于从用户手机或者其他控制器发出的蓝牙信号。用户能够自主控制机器的正反转等状态，实现实时操控、监视等功能。此外，该文所设计的智能控制系统还将配备“傻瓜式”一键操作按钮，能够方便、快速地下达指令。
5 结语
该文所提出的无死角双向自动擦窗机能够实现自动识别出窗户的边界，并同时进行智能的路径规划，将其工作效率以及清理程度达到最理想的状态。并且通过传感器与传统机械结构的结合，同时加入智能控制算法的设计，不断优化，将所设计出的擦窗机器人能够实现在多数情况下都能达到预期要求。此外，在设计过程中，考虑到包装、运输以及存放等因素，将机器的清洁刷设计成能够折叠，减小其在非工作状态时所占用的空间，增大其便利性，提升产品的有效競争力。并且考虑到用户体验感等，特意将机器人的动力机构使用到仅电机进行驱动，对于市场上基本上所有类似产品中的空气泵而言，该产品设计具有噪音小、安全可靠、实用性强等优势，同时能够在雨天等恶劣天气进行自动工作，具有适应性强、抵抗外界干扰能力强的优点。
综上，该设计中所提出的无死角双向自动擦窗机能够达到预期所设定的要求，并同时相对于市场上现有的产品具有一定的优势，市场竞争力较大，因此该产品的市场前景仍然比较广阔。
参考文献
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