基于arduino的智能外墙清洁机器人

王一飞 卢承领 程军辉 陈晓飞 王豪杰 王成龙

摘 要：本文阐述了我国大楼外墙人工清洁工作的现状、人工清洁工作所包含的内容、如何采用清洁机器人以及智能外墙清洁机器人的构成和目前所存在问题的解决方案，并对智能外墙清洁机器人的未来进行了展望。

关键词：机器人 arduino 智能 外墙

0研究背景

[1]随着城市现代化的发展，特别是高层建筑的兴起，以玻璃幕墙为代表的壁面结构逐渐演绎成华丽的“城市外衣”，从而衍生出繁重的大楼幕墙清洗任务，不少国家已对建筑壁面的清洗要求做出了明确规定。另一方面，越来越奇特的建筑结构使清洗的难度成倍增加，甚至采用传统的清洗方法已无能为力。然而，在社会文明高度发展的今天，对生命的关爱达到了前所未有的高度，要求停止使用“蜘蛛人”的呼声不绝于耳，因此人们期待新的具有人性化的清洗方式。

如此，将外墙清洁机器人应用于高楼玻璃壁面清洗的问题就成为热点研究课题。外墙清洁机器人也属于移动式服务机器人的一种，可在垂直壁而及屋顶移动进行表面的清洗作业。外墙清洁机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成木，改善工人的劳动环境，提高劳动产生产率，具有相当的社会、经济意义和广阔的应用前景。而目前针对此类机器人的研究还没有比较成熟、可靠的方案。

目前高空擦玻璃或清洗外墙的工作主要是由人工来做，人工操作因双臂伸展范围有限，人在工作中可能会因为风力太大等而无法工作。效率不高不说，人工费用也很高，最重要的是这项工作风险性极大。针对我国目前现代化高楼玻璃幕墙清洗业的现状，我们团队研发并设计了一种结构新颖、安全可靠、效率高的智能外墙清洁机器人。用它来代替人工，就没有之前所提到的风险，此外，它适应环境能力强，构造简单，价格合理，有利于大面积推广

1系统结构设计

“智能外墙清洁机器人”采用仿生结构、可以对大楼外墙以及玻璃幕墙进行24小时高效复合清洁，有效地解决了人工工作时间长、效率低的问题；针对现在的大楼外墙的各种造型，本产品采用履带行走可实现自动越障完成清扫；针对人工工作受天气影响，本产品中控器采用“黑匣子”，有效避免灰尘、雨水等破坏控制器，同时提供了24小时工作的条件；针对极端恶劣天气（如台风），本产品单独开发了一套控制系统，保证其不会出现意外情况，同时采用复合线缆悬挂设计，避免了高空作业的安全问题；同时，本产品也可在紧急情况下进行高空救援工作。系统结构如图1所示。

（1）工作原理及流程介绍

①平衡原理

复合线缆悬吊机器人。模型机悬吊线缆采用8毫米7芯伞绳加TRVV机器人专用高柔性电缆绞制，这样的做法在保证线缆具有一定的机械强度的同时，也保证了电缆通信的绝对可靠性。竖直方向平衡原理是根据F=Mg得来。

悬挂时水平方向平衡原理是根据四轴无人机平衡得来，倾斜传感器感知，系统自动调节四个外置副风机使得悬挂而摇摆幅度在可控范围内。

紧贴墙壁并静止在墙壁时，外置主风机压缩空气并向背对墙面的方向排出，高速旋转的风叶压缩空气，对空气作用，而空气反作用于风叶。用动量定理来解释：Ft=mv，单位时间内通过风叶的空气的质量，速度越大，产生的力也就越大，所以说只要风叶旋转的速度够快，就能扇动足够多的空气，产生足够大的力，使机器人贴紧墙体。

②运动原理

本机器人移动采用履带。履带成熟简单，天然接触面积大，能很好地分散压力。更大的优点是履带式机器人的行走重心更平稳，重心能最大限度的贴近墙面，从而降低高空吸附行走坠落的风险。（图2，图3）为机器人的履带。

（2）整体受力分析

为研究机器人的运动规律及其动力性能，必须首先研究外部环境对机器人的影响。这些影响主要表现为空气、安装设备对其的影响。机器人行驶过程中受到的外力：重力、空气阻力、墙面法向反力，墻面变形阻力及牵引力。

重力W：假设机器人左右两部分完全对称，所以机器人的重心在其纵向对称面上。

空气阻力：由于机器人的体型较小，而且速度不快，故空气阻力可以忽略不计。

①横向行走原理

当机器人清扫完一个进程后，连接绞盘的滑台在电机的牵引下沿轨道横向移动至设定的距离后，机器将继续进行下一个进程。

②竖直移动原理

在静止于墙面的基础上，减速电动机带动履带转动，因为风机产生的负压力将机器人压在墙上，因此履带在平面墙体上行走就像在平地上行走一样。

机器人前进由于履带的特殊性，使得对其分析比较复杂，为了简化起见，假定机器人的履带为不可拉伸的而且十分柔软的带子，带子上的所有点都位于同一个平面内。

设履带相对于机器人的卷绕速度为Vx，履带随机体一起前进的牵连速度为Vq，履带上的某一点的绝对速度Vj应为相对速度和牵连速度的向量和，如下图4所示所示。

2系统硬件实现

（1）单片机的选择

单片机的主要功能是实现直流电机的控制、与单片机的通讯及完成各种信号的处理。从系统的经济性考虑，我们选择AVR单片机，它执行速度快，有良好的性价比，因而得到越来越广泛的应用。AVR单片机的机构引脚图如图5。

（2）履带式移动机器人的驱动系统设计

履带式移动机器人的两条履带都用直流电机进行驱动，在此选用的是555直流电机，驱动电路则是以L298N为主的两路H桥。两履带在直流电机的驱动下，当两直流电机由相同直流方波驱动时，履带车直线前进或后退，改变方波频率改变行进速度。当用不同方波频率驱动时，履带车转弯、前进或后退，当以相同频率但相序相反的方波驱动时，两履带向相反方向运动，履带车在原地旋转。

（3）机器人的超声波感知模块和红外传感模块设计

考虑到履带式移动机器人的使用环境，要求超声波传感器适应一般的恶劣环境，并便于多个超声波传感器的灵活使用。

超声波传感器系统主要由超声波发生电路、超声波接收电路等模块组成，整个系统主要是由主单片机来控制，从而完成超声波信号的发射与接收。另外本系统设有红外模块，红外模块的触发响应及发出移动机器人紧急停车信号、控制通讯等功能也都是通过主单片机来完成。为了对环境有充分的了解，获取足够的环境信息，建立有效的环境模型，采用4种传感器组成机器人的感知系统。4个超声波分别安装在正前方、正左方、正右方及正后方，可以用来探测墙面有无障碍或凹槽，判断是否脱离墙面。

超声波的接收与发射必须协调一致工作，才能保证信号准确灵敏地接收。该部分主要由接收换能器、放大滤波、多路模拟开关、整形触发输出等环节组成。

在有效测距范围内有被测障碍的话，则应该在后一路超声波束发出之前接收到前一路发出的反射波，否则认为前一路无障碍。因此按照有效测距范围可以估算出最短的方波发送间隔时间。我们的系统最大测距范围为4m，方波时间间隔为，实际我们取≥tms25。

（4）红外模块的电路设计

用四个红外模块（1～4）安装在移动机器人的四周，以克服超声波探测时的“盲区”及应付突发的物体。当有不明物体碰撞到移动机器人时，离其最近的红外模块动作，触发单片机的中断，移动机器人就停止运行，哪个红外模块，调用中断程序做出相应的处理。图6 所示为红外模块的电路图。

（5）蓝牙通信：整机采用3个HC-05蓝牙模块，绞盘模块装有2个（A、B），清洁机器人机身装有1个（B），蓝牙模块B负责绞盘主控和机身主控相互通信，蓝牙模块A负责和移动终端通信，反馈实时数据。

（6）清洁原理：旋转的软布刷外加雾状水，使清洁面上的灰尘瞬间消失。采用多个旋转刷头，擦灰更干净，雾状水喷洒面积广，相当于先润湿了待擦区域，缩短了时间，提高了效率。风机在对外吹风的同时，加快了水分的蒸发，让清洁区表面不再有水渍。

（7）主风机原理：产品采用直流无刷电机，动力足，易调控。机身控制器根据传感器组发出的信号，自动控制电机转速。

（8）副风机原理：产品采用四个直流电机，易改变方向。机身控制器根据倾斜传感器感测机身向哪一边倾斜，控制相应角度的风机对应启动。

3测试结果

系统控制界面如图7所示。电源接通后，将机器人放到指定或合适位置（即绳索竖直朝下）。通过手机打开APP。确保楼下无行人时，按下“自动模式”，此时副风机先启动，此时会听到提示音，待一秒后主风机以80%速度运转，刷头和水泵同时启动，机器开始自动工作。

参考文献

[1] 杨守瑞，尹仕斌，任永杰，邾继贵，叶声华.机器人柔性视觉测量系统标定方法的改进[J].光学精密工程，2014，2212：3239-3246.

[2] 胡进，侯增广，陈翼雄，张峰，王卫群.下肢康复机器人及其交互控制方法[J].自动化学报，2014，4011：2377-2390.

[3] 郭静波，蔡雄，胡铁华，张志文.油气管道中智能机器人跟踪定位關键技术综述[J].仪器仪表学报，2015，3603：481-498.

[4] 鲁晓莉，毕鹏.智能清洁机器人在现代建筑外墙清洁中的研究与应用[J].中国高新技术企业，2015，16：44-45.

[5] 贾丙西，刘山，张凯祥，陈剑.机器人视觉伺服研究进展：视觉系统与控制策略[J].自动化学报，2015，4105：861-873.

[6] 曲道奎.中国机器人产业发展现状与展望[J].中国科学院院刊，2015，3003：342-346+429.

[7] 王国彪，陈殿生，陈科位，张自强.仿生机器人研究现状与发展趋势[J].机械工程学报，2015，5113：27-44.

[8] 刘旭辉，金沛.高楼外墙清洁机器人的功能与外形设计[J].河南机电高等专科学校学报，2010，1806：1-3.

[9] 王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J].机械工程学报，2014，5009：1-13.

[10] 谭民，王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报，2013，3907：963-972.

[11] 林文建，钟杭，黎福海，肖祥慧，钱馨然.两轮自平衡机器人控制系统设计与实现[J].电子测量与仪器学报，2013，2708：750-759.

基金项目：高校优秀青年人才支持计划（gxyq2018060）、安徽省高校自然科学研究项目（KJ2018A0417）、WXC青年项目（wxzr201804）、安徽省电气传动与控制重点实验室开放基金（dckf201803）