張棟楠　李華光

【摘 要】隨著國家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)進程的不斷推進，各類城市高層建筑不斷挺拔而出。隨之而來的是一系列的問題，如外窗清潔維護。采用人工方式，由于清潔行業(yè)起步較晚，“蜘蛛人”多是外來務(wù)工人員，流動性大，沒有細(xì)致的行業(yè)細(xì)分且存在安全隱患。為了保障人員安全以及提高服務(wù)效率，高空玻璃清潔機器人將廣泛投入城市使用。本設(shè)計是一個將裝置驅(qū)動部分放置于屋頂、51單片機控制，通過紅外線傳感器附加臂，一種多吸盤組交替吸附工作、工作部框架式移動緊貼下放于窗外進行清洗的智能化、自動化的外窗清洗機器人，具有制造相對容易、性價比高、放置于建筑頂層方便安全的優(yōu)點，能夠更好地深入人民大眾的生活場所，給人們的日常生活帶來極大的便利。

【關(guān)鍵詞】高空玻璃清潔機器人；51單片機；紅外線傳感器；智能化

中圖分類號： TP242 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）17-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.007

【Abstract】With the continuous development of new urbanization in China， high-rise buildings of all kinds of cities are constantly coming out. Then comes a series of problems， such as cleaning and maintenance of external windows. Using the artificial way， because of the late start of the cleaning industry， “spiders” are mostly migrant workers， the mobility is large， there is no detailed industry subdivision and there is a security risk. To protect personnel safety and improve service efficiency， high-altitude glass cleaning robots will be widely used in cities. The design is a device driven part on the roof， 51 single chip control， through the infrared sensor additional arm， a multi sucker group alternately adsorbed work， the work department frame type moving closely attached to the window for cleaning the intelligent， automatic window cleaning machine people， with relatively easy manufacturing and cost-effective. The advantages of being placed on the top floor of the building are convenient and safe， which can further deepen peoples living space and bring great convenience to peoples daily life.

【Key words】High altitude glass cleaning robot；51 single chip microcomputer；Infrared sensor；Intellectualization

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，高層建筑外窗清潔維護工作等問題日益凸顯，這就為高空玻璃清潔機器人提供了較大的發(fā)展空間。由于高空玻璃清潔機器人設(shè)計復(fù)雜，編程困難，工作量大。目前，傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往效率低，精度低?，F(xiàn)代高性能高空玻璃清洗機器人的設(shè)計要求很難滿足，將產(chǎn)生一系列智能產(chǎn)品投入市場。

高空玻璃清潔機器人，比起普通擦窗機與人工作業(yè)，它不僅安全系數(shù)有了很大的提高，而且工作效率也有了很大的提升。對此，團隊在設(shè)計基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新和理論性方面研究。高空玻璃清洗機器人的研制成功，將會實現(xiàn)清洗作業(yè)的自動化，給清洗業(yè)帶來一次新的革命。

1 機體總體方案設(shè)計

為設(shè)計高空玻璃清洗機器人，機器人必須要具有在壁面上吸附和移動功能，以保障他人安全以及設(shè)備自身安全；此外還應(yīng)該具有相應(yīng)的清洗工作部、控制模塊以及高壓氣體、水等的供應(yīng)功能。所以玻璃清洗機器人系統(tǒng)應(yīng)包括機器人本體框架、控制系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、供應(yīng)保障系統(tǒng)四大部分。

（1）機器人本體主要包括清洗和移動兩大部分。清洗部分，清洗部分的工作是清洗壁面。主要實現(xiàn)過程是噴淋壁面、滾刷清洗、雨刷維護，從而達到清洗玻璃的目的；移動部分，通過空壓機產(chǎn)生高壓氣體，由真空發(fā)生器產(chǎn)生真空負(fù)壓，使機器人本體安全可靠地吸附在工作壁面上實現(xiàn)縱向的移動，通過兩條繩索的伸縮分提供額外安全保障。

（2）控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)的功能是通過51單片機控制機器人在壁面上進行清洗作業(yè)。它主要由電源、單片機和繼電器組成。控制系統(tǒng)的設(shè)計遵循安全、可靠、小型化、輕量化、易于維護和更新的原則，并直接安裝在機器人機體的框架上。

（3）供應(yīng)保障主要實現(xiàn)水、空氣、玻璃水等的供應(yīng)。主要由導(dǎo)管、儲水罐、空壓機、水泵等部件組成。水、空氣等由專門的管路送至清洗部分，以保障機器人正常作業(yè)。在總結(jié)和參考大量壁面移動設(shè)備、安全保障機構(gòu)以及清洗裝置的前提下，我們設(shè)計了一種51單片機控制，通過紅外線傳感器附加臂，一種多吸盤組交替吸附工作、工作部框架式移動緊貼下放于窗外進行清洗的智能化、自動化的外窗清洗機器人，并制作了實物。

2 高空玻璃清洗機器人基本結(jié)構(gòu)

2.1 高空玻璃清洗機器人本體部分的工作原理

高空玻璃清洗機器人移動部分的工作原理是利用兩個電機驅(qū)動的，呈十字交叉型的四個吸盤組產(chǎn)生的吸緊玻璃，從而實現(xiàn)機器人在玻璃墻壁上的自由行走。清洗部分則是固定在四個吸盤組中間，清洗裝置由噴水裝置、馬達驅(qū)動的滾刷和維護收尾用的雨刷組成，通過舵機來操縱滾刷的上下移動，來保證清洗效果。

2.2 高空玻璃清洗機器人的控制系統(tǒng)

高空玻璃清洗機器人的控制系統(tǒng)是利用51單片機預(yù)先設(shè)定機器人的行動方式和運動軌跡，使高空玻璃清洗機器人可以在預(yù)先設(shè)定的軌跡上自動運行，實現(xiàn)清洗作業(yè)。為了防止意外，預(yù)先設(shè)定的安全保障系統(tǒng)可以在意外發(fā)生時通過驅(qū)動電機實現(xiàn)裝置的回收。高空玻璃清洗機器人的尾部安裝了一個紅外線傳感器，在觸底后可發(fā)送信號，使電機倒轉(zhuǎn)，利用安全繩索收回裝置并進行下一輪清理。

3 實驗結(jié)論及前景分析

根據(jù)最初的高空玻璃清洗機器人的設(shè)計思路，我們首先制作了擦窗機模型，分析兩者的不同和理論上的差異，通過多次拆分組裝，一點一滴將設(shè)計完善，實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計效果，最后在實驗室進行了最后的組裝完善。在制作完成后，對高空玻璃清洗機器人進行了實驗調(diào)試，對控制系統(tǒng)、編寫的程序進行了檢驗，同時對高空玻璃清洗機器人的移動適應(yīng)情況和玻璃清洗維護效果進行了研究與驗證。通過多次對運動速度、吸附力、清洗效果與清洗效率等數(shù)據(jù)的對比與檢驗，實驗結(jié)果表明，該高空玻璃清洗機器人在正常的情況下，運行狀況正常，清洗效果良好，具有一定的冗余效果，對壁面有較強的適應(yīng)能力。在社會文明高度發(fā)展的今天，對生命的關(guān)愛達到了前所未有的高度，要求停止聘請蜘蛛人的呼聲不絕于耳，因此人們期待新的具有人性化的清洗方式出現(xiàn)。高空玻璃清洗機器人比起人工作業(yè)更重視安全，結(jié)合安全設(shè)計及原理讓高空玻璃清洗機器人能緊緊吸附并自由行走在垂直玻璃，高空玻璃清洗機器人附加的安全保障系統(tǒng)，遇到意外的情況，如突然停電不會掉下來，使用時更放心。相信隨著高空清洗研究的深入和機器人空中作業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，高空玻璃清洗機器人作為高空人工清洗的替代品，將具有廣闊的市場前景和巨大的實用價值。

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