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      自動擦窗機器人系統設計

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-06 08:17:06    瀏覽次數:40    評論:0
      導讀

      近年來,越來越多的智能家電進入大眾家庭,為我們的生活帶來前所未有的便利。伴隨著自動控制技術與計算機技術的飛速發展,人們對于機器人的智能化要求越來越高,國家對機器人行業的發展也越來越重視[1]。隨著現代都市中建筑樓層的日益增高,越來越多的家庭在裝修時選擇大型落地窗,但多數家庭的玻璃清潔工作主要由人工完成

      近年來,越來越多的智能家電進入大眾家庭,為我們的生活帶來前所未有的便利。伴隨著自動控制技術與計算機技術的飛速發展,人們對于機器人的智能化要求越來越高,國家對機器人行業的發展也越來越重視[1]。隨著現代都市中建筑樓層的日益增高,越來越多的家庭在裝修時選擇大型落地窗,但多數家庭的玻璃清潔工作主要由人工完成,高層玻璃擦洗是一件既困難又危險的“苦差事”。因此,智能清潔機器人應運而生,成為智能機器人研究的熱點之一。本文擬設計一款安全性良好、體積小,無擦除死角的智能擦窗機器人,代替人工完成玻璃清潔工作,以期解決傳統的人工清潔方式中安全隱患大、效率低、存在清潔死角等問題。

      1 整體設計方案

      結合擦窗的實際工作環境與人們的清潔要求,擦窗機器人應具有較強的環境適應能力,能在各種光滑表面工作;應定位為民用,制造成本不可過高;要有一定的容錯能力,盡可能提高安全系數。因此,選用負壓吸盤吸附方式。

      由于機器人在對玻璃進行清潔時,玻璃表面會有水漬,機器易打滑,故要求移動部分與玻璃表面親和性好,接觸面積與摩擦力要足夠大,因此,選用履帶式行走方式。

      1.1 總體結構

      擦窗機器人總體結構分為5個部分:底盤、行進部分、吸附部分、位置檢測部分和其他部分。

      (1)底盤

      底盤主要承載了擦窗機器人的重量,在底盤下方安裝吸水抹布實現清潔功能,并以底盤為基礎安裝各功能模塊。

      (2)行進部分

      擦窗機器人由兩臺直流電動機帶動履帶,實現在玻璃上的前進、后退與轉向。

      (3)吸附部分

      該部分主要由一臺微型真空泵、一個吸盤以及壓力傳感器組成,其功能是將擦窗機器人吸附于玻璃表面。

      (4)位置檢測部分

      位置檢測部分由2組(共4個)微動開關組成。其能功是當機器人接觸到窗框時,發出位置檢測信號使機器人后退并轉向。

      (5)其他部分

      除上述4個重要部分外,機器人還具有主芯片、PCB印刷電路板、供電裝置、遙控裝置等其他部分。

      1.2 實物結構與工作原理

      擦窗機器人整體實物結構如圖1所示。

      圖1 擦窗機器人實物簡圖

      吸附機構安裝于底盤上,當吸附機構啟動吸盤,機器人吸附在爬壁表面后,履帶電機驅動履帶機構正轉,機器人向前行進,兩側的履帶電機配合改變正反轉方向,實現機器人的前進、后退與轉向。機器人行進期間,吸盤保持吸附,在爬壁表面滑行前進,完成擦窗任務。綜上,機器人行進不僅要克服自身的重力,還要克服吸盤與壁面間的滑動摩擦力。因此,吸盤的外表面須有較低的摩擦系數,允許吸盤在壁面上滑行的同時,保持基本吸附力。

      機器人的吸附、前進、后退及轉向均由控制器控制完成。此外,底盤上安裝壓力傳感器,當其感知到吸盤發生漏氣導致負壓值不足時,傳感器會向控制器發送信號,重啟該吸盤,以保持穩定吸附。

      2 擦窗機器人吸附裝置的設計

      2.1 模型的受力分析

      利用負壓原理在玻璃上實現吸附功能的擦玻璃機,其機身能否穩定吸附在玻璃上,取決于其所受力和力矩是否平衡[2]。為簡化理論分析的復雜性,現假定擦玻璃機所受的力均作用于其幾何中心點[3]。擦玻璃機在玻璃表面靜止吸附、向上移動、工作翻轉時的受力分析見圖2。其中:F1為擦玻璃機所受的壁面壓力;F2為擦玻璃機所受因負壓效應而產生的大氣壓力;G為擦玻璃機自身重力;f1、f2分別為吸盤、履帶所受玻璃壁面的摩擦力;H、L分別為擦玻璃機的整機高度與長度。

      (1)當擦玻璃機在玻璃表面靜止時,其受力分析如圖2(a),此時要保持受力平衡需滿足:F1=F2,G=f1+f2,f1=F11μ1,f2=F12μ2。其中:F11和F12分別為壓力F1在吸盤和履帶上的分量;μ1和μ2分別為玻璃對吸盤和履帶的摩擦系數。機器人向下移動時與靜止時的受力分析相同。

      圖2 機器人模型置于玻璃表面的受力分析

      (2)當擦玻璃機在玻璃表面向上移動時,受力分析如圖2(b)所示。此時,由于吸盤的滑動摩擦力方向與相對運動方向相反,故f1方向由靜止時的向上變為向下,機器人受力需滿足:F1=F2,G=f2-f1,f1=F11μ1,f2=F12μ2。

      (3)當擦玻璃機于玻璃表面翻轉工作時,受力分析如圖2(c)所示。由于翻轉發生在一瞬間,所以該過程可模擬為靜力學狀態。O點為可能發生翻覆的翻轉點,由于履帶所產生的靜摩擦力通過點O,故其產生的力矩為零。此時,機身重力G與吸盤的吸附力二者所產生的力矩應達平衡,才能防止機器人發生翻轉,即應滿足GH≥F2L。

      綜上對擦窗機器人進行受力分析可知:擦窗機器人向下移動時,驅動力由重力提供,吸盤與履帶的摩擦力均是阻礙擦玻璃機移動的力;擦玻璃機向上移動時,在履帶不打滑的前提下,驅動力由履帶與玻璃間的靜摩擦力提供,此時,玻璃對吸盤的滑動摩擦力和擦玻璃機自身重力均成為阻礙擦玻璃機移動的力;擦窗機器人在玻璃壁面工作時,可能繞翻轉點O發生翻覆,此時,機身重量與吸盤產生的吸附力的力矩必須達到平衡,否則擦窗機器人將無法穩定安全工作。實際工作中,擦窗機器人的運動情況較為復雜,擦窗機器人向其他方向移動時的受力情況是以上三種情況的綜合。

      2.2 吸盤與真空泵的選取

      2.2.1 機身總重量估算

      擦玻璃機包括底盤、機架、吸盤、微型真空泵、兩臺直流減速電機、鏈輪、履帶、微動開關、電路板等。根據市場調研以及實際情況,機身的總重量宜控制在3 kg以內,取G=mg=30 N。

      2.2.2 靜止吸附于玻璃時的條件

      經受力分析可知,為使擦玻璃機安全穩定地吸附在玻璃表面工作,擦玻璃機在玻璃上靜止或向下移動時,吸盤需要提供的由負壓效應產生的壓力是最大的,此時,微型真空泵工作的功率最大。因此,根據該情況下擦玻璃機的受力參數,計算選取吸盤及微型真空泵的主要技術參數。

      當擦玻璃機靜止在玻璃表面時,

      吸盤、履帶與玻璃表面的摩擦因數μ取值為0.3,由 G=30 N,μ=0.3,計算得 F1=100 N

      根據二力平衡有F1=F2=100 N。

      又F2=P·S,其中:P為微型真空泵提供的相對真空度,kPa;S為吸盤工作時的有效面積,m2。

      經分析得,要保證擦玻璃機能安全平穩工作,需保證F2≥100 N。此外,在機身尺寸一定時,應盡量降低機身重心,減小機身翻覆的危險。

      2.2.3 吸盤與真空泵選取

      根據設計要求,吸盤選取費斯托公司的VAS-100-1/4-PUR-B型吸盤,其有效吸附直徑為90.5 mm,連接頭為螺紋連接方式。螺紋為常用的1/4型號,采用聚氨酯材料(PUR)制成,其與玻璃壁面的靜摩擦系數較大,而滑動摩擦系數小,從而使得吸盤在靜力學狀態下能為擦玻璃機提供更高的靜摩擦力,防止機器人的翻覆。同時,機器人在動力學狀態下,吸盤產生更小的滑動摩擦力,減小了對機器人的移動阻礙,提高了機器人的移動靈活性。吸盤性能參數見表1。

      表1 VAS-100-1/4-PUR-B吸盤參數

      微型真空泵選用成都氣海公司生產的VLC8401型微型真空泵,其真空度為84 kPa,相對真空度為-17 kPa,性能參數見表2。

      表2 VLC8401型微型真空泵參數

      吸盤有效吸附面積S=π·R2,R為吸盤有效吸附直徑,m。根據表1參數計算得S=0.00643m2。

      算得擦玻璃機受到因負壓效應而產生的大氣壓力為

      F2=P·S=109.31 N>100 N

      因此,該型號的吸盤和微型真空泵符合設計要求。

      3 控制系統設計

      3.1 系統的組成以及工作原理

      以AT89C51單片機為主芯片,通過5 V、12 V電源芯片,以及電機、氣泵供電。電機驅動芯片,驅動兩臺直流減速電機。當擦玻璃機器人接觸窗框時,4個微動開關產生信號,發送至主芯片。顯示屏可以顯示當前工作狀態以及預計工作完成的時間。紅外收發模塊可以通過遙控器遠程控制擦玻璃機。系統的控制原理如圖3所示。

      圖3 系統控制原理圖

      3.2 主控制器的選擇

      AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器,俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機,可以反復擦除1 000次[4]。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造,與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[5]。ATMEL的AT89C51將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中,是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案[6]。

      3.3 微動開關的選型

      根據設計需求,擦玻璃機需要4個微動開關實現相關功能,選取開關的型號為KW10-Z1P。開關體長長、寬、高分別為 12.8、5.8、6.5 mm;不銹鋼壓片的長、寬、厚分別為 13.5、3.75、0.28 mm;腳長3.5 mm、寬 0.85 mm、厚 0.56 mm;耐壓 125V1A;安裝孔孔徑2 mm,孔中心距6.5 mm。該微動開關只需接出兩根線,即一根GND,一根常開線。當不銹鋼壓片未被壓下時,兩根線相當于斷路,而當壓片被壓下時,兩根線接通[7]。

      3.4 紅外收發模塊

      (1)紅外接收電路的設計

      該模塊采用1838一體化紅外接收頭,瓷片電容為去耦電容,DOUT是解調信號的輸出端,直接與單片機相連[8]。有紅外編碼信號發射時,輸出為檢波整形后的方波信號,并直接提供給單片機。電路如圖4所示。

      圖4 紅外線接收模塊電路

      (2)紅外發射電路的設計

      該電路的主要控制器件為遙控器芯片HT6221。該芯片將紅外碼調制的脈沖信號通過紅外發射二極管發出紅外編碼[9],電路原理如圖5所示。

      圖5 紅外線發射電路

      HT6221的編碼規則是:當按鍵按下超過36 ms時,振蕩器使芯片激活;如果按下按鍵且延遲108 ms,這108 ms發射代碼由1個起始碼、1個結果碼、低8位地址碼、高8位地址碼、8位數據碼和這8位數據碼的反碼組成;如果按鍵按下超過108 ms后未被松開,發射的代碼將僅由起始碼和結束碼組成[10]。

      不同的按鍵實現不同的功能,分別為S1,啟動;S2,停止;S3,前進;S4,后退;S5,左轉;S6,右轉;S7,自動模式;S8,手動模式。

      3.5 顯示模塊

      顯示屏模塊選擇12864LCD液晶顯示屏。帶中文字庫的128×64液晶模塊是具有4位/8位并行,2線或3線串行多種接口方式,內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。其顯示分辨率為128×64,內置8 192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集。其電路如圖6所示。

      圖6 12864接線圖

      利用該模塊靈活的接口方式和簡便的操作指令,構成全中文人機交互圖形界面[11],可以顯示8×4行16×16點陣的漢字,也可完成圖形顯示。同時,該顯示模塊具有低電壓、低功耗等特點[12]。

      由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比,硬件電路結構和顯示程序更為簡潔,且價格也略低。

      3.6 陀螺儀模塊

      選用型號為MPU6050的陀螺儀,該模塊采用標準的IIC通信協議,其供電電源為5 V,內部整合了3軸陀螺儀,3軸加速器最大的加速度測量范圍為± 16 g,陀螺儀測量最大范圍為± 2 000°/s[13]。利用該模塊反饋Z軸的加速度值,獲知模塊與水平方向的夾角,從而可在擦窗機器人開始向上運行的過程中判斷機器人的姿態,并通過PWM硬件調節兩邊電機的旋轉速率進行差速調節,使機器人不斷地靈活調平,實現豎直向上的運動。同樣運用X軸的加速度器的反饋值,控制機器人在后階段水平運行過程中的姿態調整,實現機器人姿態的閉環控制。其電路如圖7所示。

      圖7 陀螺儀電路

      3.7 直流減速電機的驅動

      直流減速電機,又稱齒輪減速電機,主要由直流電機和配套的齒輪減速箱組成,可提供較低的轉速和較大的力矩,且占用的空間較小,噪音較低[12]。根據擦玻璃機的設計需求,選取直流減速電機較為合適。

      擦玻璃機由兩臺直流減速電機提供動力,且兩電機左右對稱布置。當兩臺電機轉向相反時,擦玻璃機沿直線前進或后退;當兩臺電機轉向相同時,擦玻璃機轉向。此外,通過調節電機轉速可以調整擦玻璃機的移動速度。為滿足需求,應選擇一種效率較高,經濟性較好的驅動方式,控制兩臺電機的調速和正反轉。電機驅動原理如圖8所示。

      4 機器人可行性驗證試驗

      4.1 試驗內容

      為驗證機器人整體設計方案的可行性,在不同干濕程度的壁面上進行試驗,依次測試樣機的摩擦系數,完成負重能力測試。

      圖8 電機驅動電路

      4.2 試驗方法

      將擦窗機器人整體作為分析對象,設F1為壁面對雙履帶的支持力,F2為吸盤的吸力。微型真空泵吸氣時負壓為84kPa,負壓(即真空度)為17 kPa,吸盤截面半徑為100 mm,吸盤與履帶與玻璃表面的摩擦因數μ=0.3。

      由于清潔機器人向上爬升的力主要由履帶與玻璃之間摩擦力提供,而玻璃與履帶的摩擦因數小,通過改變力的分布以增大F2,可以防止雙履帶打滑。試驗時,將一塊40 mm×40 mm×10 mm的橡膠放在玻璃上,對橡膠進行加載處理,然后分別在不同干濕程度的玻璃壁面上進行試驗,使用彈簧秤勻速拉動橡膠,計算摩擦系數。

      4.3 試驗結果

      4種不同干濕程度下玻璃與履帶的摩擦系數測試結果如表3所示。

      由表3可知,在干燥、半干燥、半濕潤、濕潤的條件下,玻璃與履帶的摩擦系數平均值分別為0.68、0.55、0.36、0.30。結果表明,4 種不同干濕程度測試的摩擦系數均滿足前進時的摩擦系數要求。機器人通過真空吸盤與真空泵實現吸附,利用履帶結構實現在玻璃上的移動,并通過調節占空比來調節真空泵,使得履帶小車既能安全有效地吸附在玻璃上,又有足夠的驅動力使其在玻璃上平穩移動。在此基礎上加入清潔機構,不會出現打滑的現象。

      綜上試驗表明,機器人吸附穩定、移動靈活,驗證了本文所設計的機器人總體方案的可行性。

      5 結論與展望

      本文設計的自動擦窗機器人采用兩個鏈輪與履帶配合,履帶與玻璃的接觸面選用與玻璃親和力較好的橡膠材料,機器人底部安裝可拆卸抹布,能完成長寬均大于60 cm的平面玻璃的清潔工作,移動速度為0.1 m/s,實現了自動擦玻璃的功能。該擦窗機器人工作時可以不計玻璃厚度,能在鏡子及平滑的瓷磚等單側表面工作,適應能力較強。同時,機器人在一定范圍內允許有一定程度的泄漏,允許壁面有一定程度的不平整。

      表3 測試數據與結果

      擦窗機器人的簡易負壓吸附機構,雖然有著功耗低、噪聲小的創新性優勢,但是設計仍舊不夠全面。如首次啟動吸附結構時需要人為將機器人按壓在爬壁表面,待機器人完成吸附后,方可松開;將機器人從爬壁表面取下時,需要人為打開吸盤上的放氣閥;針對機器人直線運動、旋轉運動、圓弧運動三種模式的運動學分析均以理想條件為基礎;在實際環境中,擦窗機器人自動清潔效果達不到最佳。因此,還需進一步優化擦窗機器人機械結構的設計,并結合各種實際環境問題,進一步分析機器人各種運動模式的控制條件,優化控制策略,提高自動清潔效果,實現全自動智能擦窗功能。

      參考文獻:

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      (文/小編)
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