智能吸附擦玻璃装置的设计研究

王超 王涛 刘鑫 李荣钊

摘 要：随着城市现代化的逐渐发展，对于玻璃清洁的洁净程度、清洁效率、安全性等要求逐渐增高。本文提出对于一种新型的智能吸附擦玻璃装置进行设计研究，利用智能识别、电子控制、全自动多方向机械运行等功能设计一种集自动识别污渍、远程控制、快速高效清洗为一体的新型装置。本文以该装置为研究对象，以高效快速清洁玻璃为目标对整个装置进行系统分析。

关键词：玻璃清洁;自动化;机械结构

随着城市现代化发展，特别是高层建筑的兴起，以玻璃壁为代表的壁面结构逐渐演绎成华丽的“城市外衣”，因此衍生出繁重的壁面清洗任务，并且许多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。根据统计，目前我国大多对于高层建筑的清洗是由人工完成的。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出现。并且人工对于一些死角和顽固污渍无能为力。

1.智能吸附式擦玻璃装置的设计综述：

利用智能识别、电子控制、全自动多方向机械运行等功能设计具有自动识别污渍及工作区域、自动和远程控制、高效快速清理污渍的新型擦玻璃装置。采用二代MESM探测系统多传感器识别工作环境及内部微电脑处理器，成功将识别与控制融为一体，为该装置提供了强大的中央控制单元。采用多连臂操作杆具有多方向多角度无死角清扫功能，大大提升了工作效率。因此，新型擦玻璃装置的开发对解决集中现代高楼层玻璃清理困难、死角无法清扫、安全系数低等问题具有理论和现实意义，具有良好的社会化和产业化前景。

2.智能吸附式擦玻璃装置的系统介绍：

本设备由机械执行系统、电子控制系统、识别系统、人工控制系统等四大系统组成。其中APP客户端系统和后台管理系统构成了智能设备的软件部分;机械执行系统和电子控制系统构成了智能设备的硬件部分。识别系统识别周围环境以及确保吸附安全后，将污渍情况以及工作范围上报到电子控制系统，经电子控制系统处理、分配后，将清洁指令发送至执行系统，进而控制机械执行系统进行智能玻璃清洁。

2.1 机械执行系统

机械执行系统中的清洁系统主要由电机、主动杆、中间杆、摇臂等构成;在清洁系统装置上，采用左右分离电机的设计方法，左右的运动装置由电机模块和主动杆模块构成;前后的运动装置由摇臂系统以及上面的清洁模块构成。

清洁系统采用转动式对称结构，围绕电机运转，主动杆通过法兰固定安装在电机上，以轴承座电机装置为转动中心保证主动杆装置转动的垂直度，并且可以保证转动的准确与快速程度。清洁装置通过一个中间杆固定在主动杆上，通过两端轴承连接的中间杆，既加大了清洁系统清洁的空间，又通过电机转动小角度带动清洁系统大范围，大大提升了工作效率。

机械执行系统中的牵引系统主要由吸盘装置、同步轮装置等构成;在牵引系统装置上采用同步轮与吸盘固定装置分置。根据控制系统的指令，在吸盘装置中，控制电磁阀进气与出气，结合真空发生器使吸盘紧紧的吸附在需要打扫的位置上;在同步轮装置中，通过同步轮与同步带之间的相互结合，使机器平稳的向前运动。当接收到控制系统的指令后，前后方向上通过前后共7个吸盘，伴随电磁阀控制进气到真空发生器中，使吸盘固定在工作面上，然后水平并置的六组滑块与滑轨协同工作，并且在机器前后5个同步轮连接3组前同步带与1组后同步带，采用同步带提供前后运动的动力，滑片导轨安装固定在支撑板的两侧，水平移动拉板放置在滑片导轨上，并依靠水平电机驱动的水平同步带在水平面上左右移动，辅助装置运行。两组装置交替运行，使机器平稳而快速地前后移动。在左右方向上，在小范围通过前端的电机装置使连杆系统转动。在大范围上，主要通过四周的两个内外转盘圈，中间加有轴承，使机器快速平稳的进行左右方向运动和旋转。

2.2 电子控制系统

该系统主要包括主控模块，冷却控制模块、显示控制模块、射频模块、电机驱动模块七个功能模块。该系统通过各功能模块采集、处理相关信号，实现设备和内置软件、人工操作、环境及机械执行元件之间的信息交互，其中电机驱动模块与主控模块间使用CAN通讯，无线通讯模块、显示控制模块、射频模块与主控模块间通过串口连接。

2.2.1主控模块

为了能够和多个模块间进行通讯，并提高多任务协调控制速度，我们选用了STM32F405VGT6芯片作为主控芯片，提供两路CAN及多个串口与各模块进行通讯。

2.2.2温度控制模块

采用数字式温湿度传感器，把温度物理量和湿度物理量，通过温、湿度敏感元件和相应电路转换成数据采集设备直接读取得数字量。

2.2.3显示控制模块

用于显示工作时间，以及报错提示。

2.2.4射频模块

通过id识别用户身份，当人工操控时，将其身份传告控制系统，控制系统确定该用户的控制权。

2.2.5冷却控制模块

当温度传感器采集到的温度超过某一警戒值，控制系统开启冷却装置。

2.2.6电机驱动模块

控制系统通过CAN通讯控制电机带动机械结构运行，实现控制机器运转。

该系统包括主体外壳、清洁装置、便携装置、冷却装置、牵引装置等五个部分，主体与清潔装置之间相互配合，完成清洁功能;牵引系统保证装置稳定快速的到达目标区域进行清洁;冷却装置、便携装置作为保障系统保证整体设备的安全以及方便性。

3.新型智能吸附擦玻璃装置优势分析：

3.1 基于二代MESM探测系统多传感器识别工作环境及内部微电脑处理器的信息识别、传输方式

利用主控模块，无线通信模块、温度控制模块、冷却控制模块、显示控制模块、射频模块、电机驱动模块七个功能模块。通过各功能模块采集、处理相关信号，实现设备和内置软件、人工操作、环境及机械执行元件之间的信息交互，其中电机驱动模块与主控模块间使用CAN通讯，无线通讯模块、显示控制模块、射频模块与主控模块间通过串口连接。

3.2 智能全面的安防保护装置

利用温湿度传感器检测设备内温度、湿度。温度超限及时触发冷却装置，既可有效防止温度过高对智能设备内部电路、电子元件的损害和对内部机械构件的腐蚀，也可有效地避免温度过高引起内部电子元件损坏引发火灾的情况发生。在外部安装了扶手安装系统，方便于人工的使用与安装拆卸。

3.3 智能清洁系统

在清洁系统装置上，采用左右分离电机的设计方法，左右的运动装置由电机模块和主动杆模块构成;前后的运动装置由摇臂系统以及上面的清洁模块构成。采用转动式对称结构，围绕电机运转，主动杆通过法兰固定安装在电机上，以轴承座电机装置为转动中心保证主动杆装置转动的垂直度，并且可以保证转动的准确与快速程度。清洁装置通过一个中间杆固定在主动杆上，通过两端轴承连接的中间杆，既加大了清洁系统清洁的空间，又通过电机转动小角度带动清洁系统大范围，大大提升了工作效率。