绿色环保节能型越障玻璃擦洗机器人

张明 高兴军

摘要：绿色环保节能型越障玻璃擦洗机器人是在现有的擦玻璃机器人上进行改造，集机械设计、智能控制以及节能环保技术于一体，解决节能和全自动擦拭玻璃的复杂问题。在节能方面，它的表面铺设太阳能板，在白天工作的时候，通过机器人内部的能源装换装置，将吸收的光能转化为机器人工作需要的电能，实现绿色环保。另外在保证机器人正常工作的时候将机器人的电机减少一半，达到节能的目的。在功能方面，它可以帮助人们实现玻璃窗、玻璃墙的智能越障和全自动擦洗工作，降低人们的劳动强度，减少危险性。绿色环保节能型越障玻璃擦洗机器人的技术关键在于能量转换装置和智能越障控制系统。能量转换装置的效率决定了该机器人在工作时利用少量能量高效完成玻璃的清洁。智能控制系统的效率决定了机器人对玻璃之间障碍的跨约能力，效率高的机器人能够灵活在障碍之间进行跨约，减少人工的参与，高效完成擦玻璃这项工作。

Abstract： Green environmental protection and energy saving obstacle glass cleaning robot is based on the existing glass cleaning robot transformation， set mechanical design， intelligent control， as well as energy saving and environmental protection technology in one， to solve the complex problem of energy saving and automatic glass cleaning. In terms of energy saving， the surface of the robot is covered with solar panels. During the daytime， the energy installation inside the robot can be used to convert the light energy absorbed into the electric energy needed by the robot， so as to achieve environmental protection. In addition， the motor of the robot can be reduced by half to achieve the purpose of energy saving when the robot works normally. In terms of function， it can help people realize intelligent obstacle crossing and automatic scrubbing of glass windows and glass walls， reducing people's labor intensity and reducing danger. The key technology of green， environment-friendly and energy-saving glass surmounting robot lies in energy conversion device and intelligent control system of obstacle surmounting. The efficiency of the energy conversion device determines that the robot can use a small amount of energy to clean the glass efficiently. The efficiency of the intelligent control system determines the ability of the robot to cross the barriers between the glasses. The robot with high efficiency can flexibly cross the barriers between the glasses to reduce the participation of human beings and finish the work of glass cleaning efficiently.

关键词：绿色环保;节能;智能越障;全自动;玻璃擦洗机器人

Key words： going green and environment protection;energy conservation;intelligent obstacle;full-automatic;glass cleaning robot

中圖分类号：TP242.6                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）30-0223-02

0  引言

国内外广泛应用的玻璃擦洗机器人[1]存在三个技术瓶颈：不能完全实现自动化，遇到玻璃边框等不能跨越，对人依赖大;清洁过程存在盲区;对能源利用率低且能耗大。为此本文拟设计一款绿色环保、节能、可实现自动越障功能的玻璃擦洗机器人，代替人工完成玻璃清洁工作，并且为绿色环保做一定的贡献。

1  绿色环保节能型越障玻璃擦洗机器人的设计

1.1 玻璃擦洗机器人的静力学分析

玻璃擦洗机器人设计工作时主要受自身重力、真空吸附力和摩擦力的作用，为保证机器人能够稳定吸附在玻璃表面，需要保证机器人在x轴和y轴方向受力平衡。玻璃擦洗机器人能够稳定吸附在玻璃表面工作，一方面可以增加玻璃表面对清洁布的摩擦系数;另一方面可以减小机器自身的总重量。

1.2 整体机械结构设计

整体机械结构三维图如图1所示。

真空吸盘如图2所示。

玻璃擦洗机器人，包括：

机架如图3所示。

机械腿如图4所示。

玻璃清洗装置如图5所示。

还包括：

调节螺杆如图6所示。

2   绿色环保节能型越障玻璃擦洗机器人的系统设计[2]

2.1 玻璃擦洗机器人的控制系统方案分析

控制系统是玻璃擦洗机器人的核心，一个优越的控制系统可以给机器人提供高效清洁模式、多种路径规划模式、平稳的运动状态。

为了保证擦玻璃机器人能够安全高效的完成清洁工作，因此，至少具备以下基本功能：

①稳定的电机驱动系统，指能有效快速控制四个驱动电机正反转，并通过PWM来对四个电机分别进行实时调速。

②传感器信号的检测和处理系统，主要包含微型开关传感器（检测机器人是否碰撞到边框）和陀螺仪模块传感器（进而检测和调整擦玻璃机器人的运动姿态，保证其能够平稳工作）。

③安全有效电源管理系统，实时检测电量，在低电量情况下进行报警。

④合理有效的路径规划系统，考虑到窗户的边框和拐角區域是玻璃擦洗机器人难以覆盖的地方，故需要通过合理设计擦拭单元和有效的路径规划，来实现擦玻璃机器人最大化地擦拭整个窗户表面。

⑤自动和遥控的控制系统，配备红外模块，使得机器人具有自动或遥控两种工作模式。

2.2 玻璃擦洗机器人的行走路径规划

玻璃擦洗机器人路径规划属于简单的离线路径规划。充分利用传统人工擦玻璃的优势擦拭效果显著、擦拭路线简单。人工擦拭窗户的步骤为湿擦、刮拭、干擦三部分，擦拭路线为从窗户上边框自左向右“Z”字型方式如图7所示。考虑到机器人对窗户直角区域和边控区域擦拭不够彻底，设计机器人擦拭路径为先“Z”字型行走，然后在绕窗边回转一圈擦拭方式。

本机器人有效的解放了劳动力;自动巡边，水平方向自动运行，实现对玻璃的无死角，全覆盖擦拭;单块玻璃擦试完毕后自动进位到玻璃上方，实行智能跨越动作，擦拭另一块玻璃。

3  结语

绿色环保节能型越障玻璃擦洗机器人是现在市场上玻璃擦洗机器人[3][4]的升级版，在能源利用、节能减排、智能越障、自动擦洗方面具有很强的代表性。在节能方面，它的表面铺设太阳能板，在白天工作的时候，通过机器人内部的能源装换装置，将吸收的光能转化为机器人工作需要的电能，实现绿色环保。另外在保证机器人正常工作的时候将机器人的电机减少一半，达到节能的目的。在功能方面，它可以帮助人们实现玻璃窗、玻璃墙的智能越障和全自动擦洗工作，降低人们的劳动强度，减少危险性。

参考文献：

[1]李洁，迟明路，吕广静.一种高层建筑自动擦玻璃系统设计与研究[J].南方农机，2020，51（05）：45-46.

[2]郭韶山，陈洋，张慎云，童瑞晗，温博.自动擦窗机器人系统设计[J].南通职业大学学报，2019，33（01）：69-75.

[3]刘晨，赵艳红，张福来.一种攀壁式擦玻璃机器人的研究[J].南方农机，2019，50（02）：169，198.

[4]王侃，何继红，周帮平.一种轮足组合式擦玻璃机器人机构设计研究[J].机械工程与自动化，2018（02）：112-114.

课题项目：2020年辽宁省大学生创新创业项目，编号：2020101480011。

作者简介：张明（1999-），男，河北张家口人，本科生，研究方向为机械设计制造及其自动化;高兴军（通讯作者）（1979-），男，江苏泰兴人，副教授，硕士，研究方向为机构创新设计。