基于Arduino的高空智能清洁机械手臂设计研究

杨鹏 严冬 杨光陆 陈晓梅 赵丽

摘要：随着人类社会的飞速发展，城市化率越来越高，各类现代化高楼大厦拔地而起，如何在确保高空作业人员人身安全的前提下解决高楼大厦的清洁问题一直都是智能机器人领域的研究热点。文章设计一种基于 Arduino的高空智能清洁机械手臂，主要通过Arduino 单片机来实现相关功能，并结合摄像头、吸附底盘、HC—06蓝牙等传感器模块完成设计，实现通过智能控制的机械手臂来完成高层建筑的清洁，解决高空作业纯人工操作的安全性问题。

关键词：Arduino;智能清洁;机械手臂

中图法分类号：TP241文献标识码：A

Design and research of high-altitude intelligent cleaning roboticarm based on Arduino

YANG Peng，YANDong，YANGGuanglu，CEHNXiaomei，ZHAO Li

（School of Information Technology，Xingyi Normal University for Nationalities，Xingyi，Guizhou 562400，China）

Abstract：With the rapid development of human society， the urbanization rate is getting higher and higher， and various modern high-rise buildings are rising. How to solve the cleaning problem of high- rise buildings under the premise of ensuring the personal safety of high-altitude workers has always been a research hatspots in the field of intelligent robots. This article designs a high-altitude intelligent cleaning robot arm based on Arduino， which is mainly realized by Arduino microcontroller，and is designed with sensor modules such as camera， adsorption chassis，HC-06 Bluetooth， etc.， and realizes the cleaning of high-rise buildings through intelligently controlled robot arms， to solve the safety problem of pure manual operation of aerial work.

Key words： Arduino， intelligent cleaning， robotic arm

随着社会的不断发展，高楼大厦拔地而起，高空智能清洁手臂目前在国外的应用比较广泛，现今其在国内的应用大体上主要是人工高空作业清洁，因此，为了减少危险事故的发生，在有效降低清洗玻璃的“难度系数”的同时降低高空作业的危险性，设计出一款用于高空清洁行业的清洁机械手臂是一个刚需研究方向。当前，为了解决高层建筑物外墙清洁问题，部分人找到了家政服务公司，聘请专业的“高海拔清洁工”来完成清洁作业，也有部分人会选择自己动手。然而，无论是国内公司的高空清洁工，还是居民自己工作，都不能忽视高层户外玻璃清洁的危险。据有关报道，因室外擦窗不幸从高处跌落导致重伤甚至死亡的案例不在少数。因此，我们设计并研发了基于 Arduino 的高空智能清洁机械手臂系统。

1系统框架设计

1.1系统介绍

该系统设计硬件主要基于 Arduino UNO 单片机、 SG?90舵机、HC?06蓝牙和 OV7670摄像头四个模块来实现，其中摄像功能和远程控制功能为硬件设备的附带功能。当整个系统通电运行后，单片机会根据设定好的程序完成机械臂的初始化功能，如电路无故障，机械手臂各组成模块处于初始化状态，并等待工作指令，接着用户可通过蓝牙将机械手臂和 APP 绑定，最后通过点击相应的功能按钮操作机械臂工作，完成对污垢的清洁工作。其工作流程如图1所示。

1.2系统架构

Arduino 支持下的高空智能清洁机械手臂设计研究基于物联网三层架构实现，即感知层、网络层、应用层的物联网技术[1]。其中，感知层的模块以 OV7670摄像头为主要设备;网络层由 HC?06蓝牙模块搭建，作为数据传输通道;应用层由 APP 和 SG?90舵机构建。其系统架构如图2所示。

2系统硬件设计

2.1 Arduino 单片机

众所周知，Arduino 开发板作为上手简单的开源电子硬件平台，软件代码编程也极易上手[2]。并且，其中的接口和串口通信支持多种通信方式，如 IIC 通信、UART 通信以及 SPI 通信等，再加上开源，可应用多种传感器模块（如土壤湿度传感器模块、火焰传感器模块、温湿度传感器模块、光敏传感器模块等），以感知环境的具体数据，并且实时监控和记录所需要的科研数据。通过感知捕捉获取实时数据信息，并通过数据分析与生活、工作环境结合，实现实时监控和控制，达到智能化管理的最佳目标。相对于其他类别的单片机而言，Arduino 并无烦琐的底层代码以及操作流程和代码编写算法，而是具备简单、易懂、易上手的汇编语言，即简单实用的函数算法。这主要是因为它所使用的环境为 IDE ，开发人员在其中构建并添加了代碼库，自由汇编开源并且拓展性很高[3]。因此，本项目基于Arduino 单片机实现。

2.2控制装置

该系统的控制装置采用伺服驱动器 SG?90舵机（图3）。与电机不同的是，电机需要提供旋转、控制速度和方向，转向器不需要一整圈的旋转，而是需要旋转角度和保养，转角范围一般为0～180°，属于正常值。舵机引线为3线，分别用棕色、红色、橙色三种颜色进行区分，舵机品牌和生产厂家不同，会有些许差异，使用之前需查看资料。使用最常见的方向舵，棕色、红色、橙色对应功率负、功率正、控制信号。转向器的参考旌旗灯号周期一般为20ms[4]。理论上，脉冲宽度分布应该在1ms～2ms ，但实际上，脉冲宽度可以达0.5ms ～2.5ms ，当需要不同的最大脉冲值和最脉冲小值的时候，就需要把脉冲宽带和转向器之间的角度调整到0～180°，即最小脉冲值为1ms ，最大脉冲值为2ms。

2.3图像获取装置

为了获取图像，该系统采用了 Omni Vision 公司的 OV7670摄像头模块作为“眼睛”[5]。该模块所需电压低、体积小，还能提供 VGA 摄像头和影像处置器的全部功能。当需要求出整帧、子采样、取窗口和图像处置功效进程（包括白平衡、伽马曲线、色度、饱和度等）时，都可以经由过程 SCCB 接口编程，其中各类分辨率8位影像数据到达30帧每秒，而且可以彻底节制图像质量、数据格式等[6]。若要削减或消弭光学或电子缺点，如牢固图案噪声、拖尾、浮散等，进一步提升图像质量，获得清楚的、不变的彩色图像，只能经由过程 OV 图像实现。

2.4信息传输装置

HC?06蓝牙模块作为信息传输装置，在整个系统中起到了十分重要的作用，蓝牙技术及蓝牙产品的特点主要有：蓝牙技术的适用设备多，无须电缆，无线通信[7]。蓝牙模块的工作模式如下。

（1）主机：用于向从机下发指令，能够搜索从机并主动建立连接的一方。

（2）从机：用于接收主机发出的指令，虽然不能主动连接主机，但是却能长时间等待连接，不会扰乱整个应用进程。

（3）主从一体：该蓝牙模块可以切换主机模式与从机模式。

此系统采用的 HC?06模块为主从机一体模块，工作波特率为9600，在构建系统时，要保证蓝牙模块与单片机的波特率一致，否则无法传输数据[8]。

3系统软件设计

3.1远程控制系统

本系统是基于 Arduino UNO 单片机开发的一套清洁机械手臂。通过 APP 向 HC?06蓝牙模块发送数据，可控制机械手臂各个部位的舵机，以操控整个系统运行，并通过基于摄像装置的画面控制系统对污垢进行清洗。

3.2 APP Inventor 设计

本系统 APP 应用 APP Inventor 图形化编程平台完成设计，其特点是操作较为简单。APP lnventor是一个可视化的 Android 应用制作平台，App Inventor 简称 ai ，为了和人工智能（ Artificial Intelligence）进行区分，简称用小写英文字母[9]。APP 整体逻辑设计如图5所示，当开始运行 APP 时，通过连接蓝牙获得 off反应，与机械臂进行蓝牙配对连接之后，可在 APP 界面选择“自动模式”或“手动模式”。其中。自动模式指的是机械臂根据设计好的函数代码进行相应的运行;手动模式则是通过 APP 来操作机械臂。

4结束语

本文设计了一种基于 Arduino 的高空智能清洁手臂系统，可以通过 APP 进行数据监控以及实现对机械手臂的远程检测和控制，避免了高空人工攀爬作业，能够大大提升高空作业的安全性，同时手机监控操作也在很大程度提高了高空清洁作业的操作性。该系统不仅能够应用于家庭，针对特殊场景更换对应的硬件即可应用于餐馆、学校教室、工厂厂房等区域，实现了在多种环境、多种因素下更加安全快捷的工作，同时通过机械化、智能化和自动化，更能够避免不必要的人员伤亡。将科技力量应用于现实生活中，可以最大化降低高空作业的危险性。在该系统设计中，结合蓝牙互联、Arduino 函数模块和 APP ，达到人为操作机械臂的目标，并且 APP 操作起来十分容易;高空作业人员通过手机操作，即可完成具有危险性的高空作业，节省财力物力的同时，也保障了人员的安全。

参考文献：

[1]陈良坤，梁胜涛，贺凯旋.物联网感知层结构关键技术及应用分析[J].电力设备管理，2020（6）：190?192.

[2]唐皓，金亚玲.基于 Arduino 机械臂的设计与实现[ J].数码世界，2018（7）：227.

[3]王慧，李伟.基于 Arduino 控制的多自由度机械臂系统设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2017，16（4）：6?9+13.

[4]孙统.基于 STM32的六足爬行机器人设计与实现[J].中国新通信，2019，21（2）：58?59.

[5]陈文昌，王勇，杨振国，等.基于 OV7670图像采集与显示的FPGA 设计[J].电脑编程技巧与维护，2017（4）：67?68+85.

[6]程飞，左其波，欧阳常童.基于 OV7670机器人视觉图像采集模块的设计[J].电子测试，2018（13）：28?29+27.

[7]林满山.浅谈蓝牙技术的发展现状和前景[J].黑龙江科技信息，2016（14）：165.

[8]纪利琴，王健，熊伟.基于蓝牙模块的单片机双机通信的实现[J].科技视界，2019（19）：42+120.

[9]张海生.基于 Arduino 和 APP Inventor 2的智能灯的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2020（14）：56?58.

作者簡介：

杨鹏（2000—），本科，研究方向：科技创新。