基于爬壁式清洁机器人的设计

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摘 要：介绍基于爬壁式清洁机器人的系统设计。该系统包括机械底板、水压驱动装置、清洁装置和控制装置等四大模块，实现对高楼壁面有效地清洁。

关键词：清洁机器人；清洁装置；无线模块

1 引言

随着近几年来城市化进程的不断加快，城市大规模基础项目改造的不断开展，在现代都市中，高层建筑越来越多，这些高楼的壁面多采用瓷砖和玻璃幕墙作为装饰，有的还要敷设铝塑板等，而长期以来，对高层建筑的清洗工作主要是由人工完成的，这种作业方式不仅效率低，而且存在着很大的安全隐患。爬壁式清洁机器人将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，具有极其重要的社会经济效益。

2 系统整体设计方案

本系统主要由机械底板、水压驱动装置、清洁装置和控制装置组成。其中机械底板主要功能为固定和连接其它装置，是机器人的机械结构主体部分。而水压驱动装置的水流将会被分为两部分，一部分驱动活塞作往复运动，为机器人的爬行提供动力，另一部分则分别流经真空吸盘的水流抽气装置，为真空吸盘抽气。此后这两部分水流将合二为一，流入超声波清洁装置，为清洁装置供水。而控制装置则以Freescale MC9S128单片机为核心，实现对每个真空吸盘的电子阀门、超声波清洁装置的控制，其中还包含了ZigBee无线通信模块，以实现工作人员对机器人的远程操控。整个系统仅用水流即可实现机器人的驱动、真空吸盘的抽气以及壁面的清洁。

图1 爬壁式清洁机器人系统结构框图

3 系统硬件的设计

3.1 机械底板

机械底板主要功能为固定和连接其它装置，是机器人的机械结构主体部分，其大小决定了机器人的整体结构尺寸。因此，机械底板采用紧凑型底盘结构设计，能够有足够的刚度，节约能源，提高运动灵活性。

3.2 水压驱动装置

水压驱动装置分为两大部分，一部分由机械结构将所有真空吸盘相连结，并由一至两个活塞推动该机械结构进行运动。另一部分则是每个真空吸盘的水流抽气装置。该装置由水流抽气原件和电子阀门构成，以实现对每个真空吸盘是否进行吸附的灵活控制。水压驱动装置的这两大部分相结合，则可实现爬壁式清洁机器人的直线爬行和转弯。

3.3 清洁装置

在清洁装置的设计上，由于超声波清洗必须在水中进行， 故清洗头的清洗平面与玻璃平行紧贴， 由于水的张力在玻璃和清洗头之间形成一层“水膜”， 避免了清洗头与玻璃的直接接触。清洗头材料为铝， 把超声换能器产生的超声传导到水膜上， 利用超声换能器激发清洗液产生高频振动， 对浸泡在液体玻璃表面进行去污清洗， 从而对壁面进行清洗。

3.4 控制系统

运用遥控板实现对机器人的控制，当操作者按上、下时，发射电路发出信号，由接收机接收，用来控制后轮的驱动电机。当操作者按左、右时，发射电路发出信号，控制前轮的换向电机，使前轮转向，从而实现机器人的遥控。而越障时清洁盘和吸盘的提起则通过电路设计自动实现。爬壁清洁机器人要实现在壁面上的移动，对电机的扭矩要求很高，但一般步进电机的扭矩都较小。为使扭矩达到要求，故选择使用直流电机。为了提高清洗效率，采用“S”形路线（即从楼底直线运动到楼顶，侧移一个工作位置，然后再直线运动到楼底）。这样，机器人在清洗作业过程中，只需要上行、下行及侧移三种运动，决定采用两后轮驱动来实现机器人的前进、后退运动，通过楼顶小车的侧向运动来实现机器人的侧移。

4 软件设计

软件通过无线遥控实现，无线遥控是指爬壁式机器人在进行清洁作业时，各种动作通过操作无线电遥控设备完成。通信系统框图如图2所示，无线电遥控设备由发射机、接收机及执行机构三部分组成，用不同频率的信号代替不同的控制指令。在爬壁机器人控制系统中，由于控制量较多，过程比较复杂，程序较长。为了便于软件的编制和阅读修改，控制系统软件采用模块化的结构。各个程序模块就是一个单独的子程序，运行时各负其责，主程序只要调用各个子程序，使整个系统易读、易改、易调试。

图2 无线遥控电路工作原理框架图

5 结束语

文章设计了一种基于爬壁式清洁机器人，经过实际制作后相关实验证明：它能够在高楼表面灵活移动，并且能达到清洁效果。

参考文献

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[2]钱志源，刘仁强，赵言正，等.一种壁面牵引移动式玻璃幕墙清洗机器人[J].上海交通大学报，2006（11）：1818-1821.

[3]周旋.超声波技术在工业清洗中的应用[J].机电工程技术，2012（7）：157-159.

作者简介：卿婷婷（1993-），女，汉族，湖南人，现就读于西南大学自动化专业。主要研究方向：控制理论。