【智能插窗爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)11000字（論文）】

智能插窗爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)摘要這些年，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的蓬勃興起，和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，城市建筑物也逐步往更高處建設(shè)。民眾家居衛(wèi)生清潔工作任務(wù)也越來越重，并且增加了相應(yīng)程度的危險(xiǎn)性。同時(shí)，家居服務(wù)機(jī)器人行業(yè)急速成長，許多家庭都用上了家居服務(wù)機(jī)器人。本篇文章也從家庭的角度對智能擦窗爬壁機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)，對該款機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)明確了一種無源負(fù)壓吸附結(jié)構(gòu)，合理應(yīng)對了以往真空負(fù)壓吸附模式噪音大并且耗能高的問題。本篇文章的設(shè)計(jì)成果和主要內(nèi)容為：制定了擦窗爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)對多個(gè)吸附方式與移動(dòng)形式以及清洗模式的優(yōu)勢、劣勢的比較分析，從而明確了多吸盤真空負(fù)壓吸附、底盤前后貼裝清洗布清潔以及履帶式移動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。為了解決傳統(tǒng)真空負(fù)壓吸附莫斯噪音大和耗能高的問題，創(chuàng)造性的提出了一種簡易無源負(fù)壓吸附結(jié)構(gòu)；同時(shí)，對提出的整體機(jī)械機(jī)構(gòu)確立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對其進(jìn)行了具體研討，基于取得的結(jié)果制定了兩種清潔方案，即遙控清潔、自動(dòng)清潔。關(guān)鍵詞：系統(tǒng)控制；智能清潔；無源負(fù)壓吸附目錄TOC\o"1-3"\h\u7870摘要 18147一、引言 429091（一）研究背景 413340（二）研究意義 431205（三）研究內(nèi)容 48727二、智能清潔窗戶系統(tǒng)總體研究方案 56477（一）機(jī)器人總體結(jié)構(gòu) 53835（二）機(jī)器人移動(dòng)方式選擇 623539（三）機(jī)器人吸附方式選擇 727444三、機(jī)器人全覆蓋清潔方案設(shè)計(jì) 86756（一）全覆蓋清潔總體方案設(shè)計(jì) 830630（二）全覆蓋清潔路徑規(guī)劃 923132（三）自動(dòng)清潔方案設(shè)計(jì) 1020988（四）遙控清潔方案設(shè)計(jì) 107750四、智能插窗爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1110392（一）控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 11250881.主控部分 11314552.執(zhí)行部分 1113933（二）主控制器硬件模塊選型分析 1112527（三）履帶電機(jī)的選型分析 1215064（四）主控芯片的選型分析 1328164（五）遠(yuǎn)程通訊方式的選型分析 1427193（六）電源設(shè)計(jì) 1523325（七）基于C#語言的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì) 169177五、智能清潔窗戶系統(tǒng)發(fā)展前景與總結(jié) 1721401（一）發(fā)展前景 1720975（二）總結(jié) 1827617參考文獻(xiàn) 20

一、引言（一）研究背景這次文章提出的智能擦窗爬壁機(jī)器人是專門服務(wù)于萬千家庭的機(jī)器人，這種機(jī)器人屬于全自動(dòng)或者半自動(dòng)的類型，負(fù)責(zé)完成家庭日常相關(guān)工作，為人們減輕繁重家務(wù)的壓力。這些年，機(jī)器人領(lǐng)域急速進(jìn)行了創(chuàng)新，不論是硬件還是軟件不斷完善，智能移動(dòng)設(shè)備快速發(fā)展，并走進(jìn)了千家萬戶。在新時(shí)代的背景下，家庭服務(wù)機(jī)器人快速向前推進(jìn)，推動(dòng)家務(wù)機(jī)器人變得更加自動(dòng)化、小型化和人性化，這種機(jī)器人的功能也在逐步拓展，構(gòu)建了機(jī)器人運(yùn)用的全新趨勢。從實(shí)施改革開放后，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展、社會(huì)不斷推進(jìn)，人口也在逐步增加。民眾的住所更加狹小，城市建筑也在不斷往高處建設(shè)。高層建筑物大部分都應(yīng)用的是框架式的結(jié)構(gòu)，通過減輕負(fù)重以及采光成效來看，高樓大廈的外圍避免主要是玻璃幕墻的設(shè)計(jì)形式。通常狀況下，外圍玻璃幕墻面廣，清洗任務(wù)非常復(fù)雜，而且還有危險(xiǎn)性存在。為了減輕這種清洗任務(wù)帶來的壓力，將人們從繁重的家務(wù)中解脫出來，本篇文章特別設(shè)計(jì)了具有智能、簡易、有效等突出優(yōu)勢的清潔窗戶和墻壁的家庭服務(wù)機(jī)器人。這款機(jī)器人主要在清潔住所窗戶和光潔墻面上使用，涉及到計(jì)算機(jī)、機(jī)械、人工智能和傳感以及電子等數(shù)個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，可以替代人力實(shí)現(xiàn)高層建筑的高空清潔或者低空清潔目標(biāo)。當(dāng)前的擦窗機(jī)器人在工作模式上主要是濕清潔，不但對水資源造成了嚴(yán)重浪費(fèi)，而且清潔之后的臟水問題不能有效解決。同時(shí)，傳統(tǒng)的機(jī)器人耗能多、身形笨重，在進(jìn)行作業(yè)時(shí)還有很高的噪音，無法在日常家務(wù)勞動(dòng)中廣泛運(yùn)用。（二）研究意義設(shè)計(jì)一款適用性強(qiáng)、安全且穩(wěn)定、小型化同時(shí)功耗低的日用清潔機(jī)器人具有重要的理論和實(shí)踐意義。智能擦窗爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)用可以顯著減少高層建筑的清潔費(fèi)用支出，有利于萬千家庭家務(wù)環(huán)境的改善，顯著提升工作效率，其使用前景十分廣闊、經(jīng)濟(jì)意義重大。智能擦窗爬壁機(jī)器人是一款移動(dòng)機(jī)器人，通過移動(dòng)機(jī)器人來清潔窗戶或者墻壁是當(dāng)前業(yè)界研究比較流行的課題之一。（三）研究內(nèi)容本篇文章提出了一款清潔玻璃墻面的機(jī)器人，可以廣泛運(yùn)用在高層建筑的清潔工作中。根據(jù)選型研究，制定了履帶式移動(dòng)和多吸盤真空負(fù)壓吸附以及底盤前后貼裝清洗布的機(jī)械方案，同時(shí)，創(chuàng)造性的提出了一個(gè)無源負(fù)壓吸附結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以合理解決以往真空負(fù)壓吸附模式噪音大和耗能多的問題。本篇文章分析的大致內(nèi)容為：第一章：主要闡述了清潔窗戶和玻璃墻面機(jī)器人的研究意義與背景、此款機(jī)器人現(xiàn)階段世界各國取得的成果情況。第二章：制定了清潔玻璃墻面機(jī)器人的機(jī)械方案，然后對多個(gè)移動(dòng)模式、清潔方法以及吸附模式展開了選型研討，從而明確了履帶式移動(dòng)和多吸盤真空負(fù)壓吸附以及底盤前后貼裝清潔布作業(yè)的相應(yīng)方案。第三章：提出了這一款機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于研究結(jié)果制定了遙控清潔與自動(dòng)清潔這兩種方案。第四章：為了完成上述兩類清潔方案的目標(biāo)，主要對履帶電機(jī)的選型和電源設(shè)計(jì)、主控器硬件模塊、遠(yuǎn)程通訊模式的選型以及主控芯片的選型展開了具體研究。從而明確了將飛思卡爾K10單片機(jī)當(dāng)做主控芯片、將Wi-Fi方式當(dāng)做遠(yuǎn)程通訊、通過直流電機(jī)管控吸盤動(dòng)作并借助步進(jìn)電機(jī)對履帶動(dòng)作進(jìn)行管控的系統(tǒng)方案，同時(shí)還設(shè)計(jì)了硬件電路。第五章：主要是展望和總結(jié)，展望了后續(xù)的研究趨勢，并對文章的分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行了梳理、歸納。二、智能清潔窗戶系統(tǒng)總體研究方案（一）機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)擦窗爬壁機(jī)器人作為負(fù)擔(dān)日常清潔工作的一款家庭機(jī)器人，既要發(fā)揮機(jī)器人吸附、移動(dòng)這些重要作用，又應(yīng)當(dāng)具備有效的清潔作用。通過控制系統(tǒng)的相應(yīng)調(diào)度，及時(shí)展開清潔工作。具體情況見下圖2.1，擦窗爬壁機(jī)器人主要通過控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成；在這之中，后者包括清洗機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)以及吸附機(jī)構(gòu)。各部分均有數(shù)個(gè)實(shí)現(xiàn)模式，例如移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括腳步式、車輪式、框架式以及履帶式等。吸附機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)的相應(yīng)方案抉擇會(huì)在下文的內(nèi)容中介紹。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是為了清潔人們的玻璃墻面或者窗戶而專門設(shè)計(jì)的，因此該系統(tǒng)需要將適用性、小型化和簡單便捷作為設(shè)計(jì)任務(wù)。清洗機(jī)構(gòu)包含濕洗、干洗這兩類，從住在高層人們的角度來看，濕洗流下的臟水不方便進(jìn)行處理，不適宜在家庭中使用。并且家庭中的窗戶并不是非常臟，所以借助清潔劑就能夠擦洗干凈，因此清洗結(jié)構(gòu)通過機(jī)器人底部的相應(yīng)清潔布進(jìn)行擦洗，在具體工作過程中，機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，根據(jù)清潔布和玻璃面的摩擦來進(jìn)行清洗工作，清洗布工作完之后可以換洗，能夠重復(fù)使用，比較環(huán)保。擦窗爬壁機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)之前，要在清洗布上加上一些清潔劑，不僅節(jié)省水，還十分環(huán)保?？刂葡到y(tǒng)作為擦窗爬壁機(jī)器的重點(diǎn)，是機(jī)器人的靈魂。其可對機(jī)器人不同機(jī)構(gòu)的運(yùn)作進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以查看系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)有問題出現(xiàn)時(shí)能進(jìn)行警示，帶動(dòng)吸附機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)，可以規(guī)劃路徑讓機(jī)器人智能覆蓋全部玻璃面，不會(huì)落下一處。此外，控制系統(tǒng)還是顧客和機(jī)器人進(jìn)行交互的平臺(tái)，顧客可借助安卓相應(yīng)程序與紅外遙控來管控擦窗爬壁機(jī)器人。本篇文章研究的核心就是控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是擦窗爬壁機(jī)器人順利運(yùn)作的重點(diǎn)。清洗結(jié)構(gòu)清洗結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)構(gòu)吸附結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)機(jī)構(gòu)吸附結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)圖2.1機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案（二）機(jī)器人移動(dòng)方式選擇擦窗爬壁機(jī)器人想要在光滑的壁面上順利完成任務(wù)，離不開移動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以讓機(jī)器人順利移動(dòng)。根據(jù)載體結(jié)構(gòu)方式的差異，可以將移動(dòng)機(jī)構(gòu)劃分成履帶式、框架式與主輪式以及腳步式這幾類，其具體情況見下表2.1：表2.1機(jī)器人移動(dòng)方式性能表移動(dòng)模式缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)框架式移動(dòng)比較慢，動(dòng)作有間歇結(jié)構(gòu)簡單，有良好的剛性，帶負(fù)載能力、越障能力都很強(qiáng)腳步式移動(dòng)比較慢，動(dòng)作有間歇，不容易控制，結(jié)構(gòu)復(fù)雜適應(yīng)壁面的能力強(qiáng)，著地面積大車輪式著地面積小，不容易維持吸附力移動(dòng)較快，控制簡單履帶式體積比較大，不容易轉(zhuǎn)彎，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比較重適應(yīng)壁面的能力強(qiáng)，著地面積大從上述表格中的信息發(fā)現(xiàn)，履帶式和車輪式的移動(dòng)模式，很好進(jìn)行控制，比較適宜在家庭中使用。車輪式移動(dòng)比較快，在行走方面的管控比較簡便，但其著地面積不大，所以，在垂直墻壁上進(jìn)行移動(dòng)的動(dòng)力缺乏，無法順利移動(dòng)，此外，使真空腔維持相應(yīng)的負(fù)壓也很難。而履帶式的移動(dòng)模式可以負(fù)載能力強(qiáng)，著地面積較大，此外適應(yīng)墻壁的能力也強(qiáng)，不足之處是與車輪式相比結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以，其重量與體積都比較大。腳步式的移動(dòng)形式，由于其是模仿生物移動(dòng)的姿態(tài)而設(shè)計(jì)的，因此適應(yīng)壁面的能力比較強(qiáng)，但由于其各關(guān)節(jié)都要應(yīng)用舵機(jī)，因此總體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，雖十分自由，但很難控制?？蚣苁揭苿?dòng)模式的優(yōu)勢與腳步式相同，具有很強(qiáng)的負(fù)載能力與越障能力，但因?yàn)榭蚣苁揭苿?dòng)比較慢、體積大、動(dòng)作具有間歇性，因此在水平與垂直壁面上行走有框架結(jié)構(gòu)的局限。鑒于該系統(tǒng)是日常家庭使用的清潔機(jī)器人，通過穩(wěn)定性和體積以及控制的難易性來看，框架式與腳步式體積面移動(dòng)的穩(wěn)定性缺乏。履帶式有較強(qiáng)的適應(yīng)墻壁的能力，但與車輪式比較，其體積大。通過機(jī)器人安全和穩(wěn)定的角度來看，可以在體積上進(jìn)行折中分析，該系統(tǒng)運(yùn)用履帶式移動(dòng)模式。（三）機(jī)器人吸附方式選擇擦窗爬壁機(jī)器人想要在光滑的片面上行走，勢必要借助吸附機(jī)構(gòu)帶來相應(yīng)的吸附力。清潔玻璃的機(jī)器人比較珍貴的就是吸附機(jī)構(gòu)，吸附機(jī)構(gòu)是機(jī)器人在垂直壁面順利進(jìn)行工作的強(qiáng)大支撐。吸附模式包括推力吸附式、真空吸附式以及磁吸附式，在這之中，真空吸附式又包括多吸盤、單吸盤這兩類，磁吸附式包括電磁體、永磁體。具體狀況見下表2.2。表2.2機(jī)器人吸附方式性能對比表吸附方式缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)真空吸附多吸盤吸盤的增加讓結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，控制的難度也增加了吸盤尺寸小，具有較好的密封性，并且穩(wěn)定，帶負(fù)載能力、越障能力都很強(qiáng)單吸盤對壁面的平整度要求很高，越障能力低，不宜在復(fù)雜壁面使用小型化結(jié)構(gòu)比較簡單，有利于控制磁吸附電磁體僅可以在導(dǎo)磁壁面移動(dòng)，需要耗費(fèi)相應(yīng)的電能，電磁體有較重的重量能產(chǎn)生較大的吸附力，不受壁面凸或裂縫的限制，控制較為方便永磁體僅可以在到此壁面移動(dòng)，脫離要花費(fèi)很大的力可以形成較強(qiáng)的吸附力，不會(huì)被裂縫或者凹凸所局限，不會(huì)消耗電能，斷電影響不到它推力吸附負(fù)載小，不容易控制，有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，體積較大，效率不高沒有泄漏問題，有較強(qiáng)的適應(yīng)壁面材料和形狀的能力真空吸附式主要運(yùn)用了真空負(fù)壓的原理，接觸式可以緊緊的粘貼在普通壁面上。其負(fù)壓大部分是借助密封氣腔進(jìn)行保持，所以，壁面狀況可以顯著影響到真空吸附式機(jī)器人，特別是單吸盤的擦窗爬壁機(jī)器人。單吸盤具有較簡單的結(jié)構(gòu)，極易達(dá)到小型化的目的，此外，還很好控制，但對壁面具有很高的要求，壁面需要相應(yīng)的光滑度，而在復(fù)雜壁面上，如果壁面有凸凹之處或存在裂縫，就會(huì)讓真空腔漏氣，負(fù)壓不能維持就會(huì)掉落下來，所以為了在復(fù)雜壁面上使用，就設(shè)計(jì)出了多吸盤真空吸附式機(jī)器人。多吸盤中的各吸盤尺寸很小，并且穩(wěn)定性強(qiáng)，只要確保相應(yīng)數(shù)量的吸盤不漏氣，就能確保機(jī)器人的吸附在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，包含了相應(yīng)的冗余性，可以有效的在復(fù)雜壁面上運(yùn)用，此外還有較強(qiáng)的負(fù)載能力。但其吸盤的增加會(huì)讓結(jié)構(gòu)區(qū)域繁復(fù)，在控制上有一定的難度。磁吸附式的壁面必須是導(dǎo)磁材料，主要包括電磁體、永磁體這兩類，后者不適用電能就有很強(qiáng)的吸附力，但磁體要從壁面上離開需要強(qiáng)大的力，并且不易進(jìn)行控制。電磁體想要保持一定的吸力還要耗費(fèi)相應(yīng)的能量，但極易進(jìn)行控制。兩類方式都會(huì)被導(dǎo)磁壁面所局限，由于該系統(tǒng)主要是在玻璃壁面作業(yè)，因此，磁吸附式不宜進(jìn)行應(yīng)用。推力吸附式不需要嚴(yán)格密封的真空腔，根據(jù)低壓控制形成指向壁面的壓力以充分發(fā)揮吸附的作用，所以不存在真空腔泄露這個(gè)現(xiàn)象，也有比較強(qiáng)的適應(yīng)壁面的能力，但其負(fù)載較低，風(fēng)扇形成的噪音較大、效率較低，在控制上有一定的難度。通過前文的相關(guān)分析，玻璃壁面的非導(dǎo)磁性將磁吸附式排除在外，同時(shí)，家庭經(jīng)常使用過的機(jī)器人也不能對民眾的休息與日常生活造成相應(yīng)影響，因此也排除了噪聲與體積都大的推力吸附式。普通家庭的窗戶都是光滑的，單吸盤真空吸附式也能順利進(jìn)行工作，而多吸盤真空吸附式盡管有較強(qiáng)的適應(yīng)壁面的能力，但在控制上有一定難度。所以該系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上選用單吸盤真空吸附式。三、機(jī)器人全覆蓋清潔方案設(shè)計(jì)（一）全覆蓋清潔總體方案設(shè)計(jì)全覆蓋清潔方案指的是擦窗爬壁機(jī)器人的行走路徑能將玻璃的全面積都覆蓋到，同時(shí)在壁面上行走時(shí)還能進(jìn)行清潔作業(yè)。下圖3.1展示的是清潔窗戶的機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境，一般家庭中的窗戶面是比較光滑的，四周還有相應(yīng)邊框，機(jī)器人移動(dòng)時(shí)沒有什么阻礙。機(jī)器人進(jìn)行全覆蓋式清潔僅處理下面兩個(gè)重要問題即可。邊框邊框玻璃玻璃起點(diǎn)起點(diǎn)圖3.1擦窗機(jī)器人清潔環(huán)境（1）機(jī)器人怎樣在行走的同時(shí)，展開清潔衛(wèi)生的作業(yè)？（2）機(jī)器人行走的路徑怎樣對玻璃壁面進(jìn)行全覆蓋？如同上文的內(nèi)容一樣，機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)主要是在底盤前后設(shè)置相應(yīng)的清潔布，在行走的同時(shí)其底部的清潔布和壁面進(jìn)行摩擦，就能達(dá)到一邊移動(dòng)一邊清潔的目的。所以，全覆蓋清潔方案的制定重心即機(jī)器人的行走路徑是不是能對玻璃壁面進(jìn)行全面覆蓋。（二）全覆蓋清潔路徑規(guī)劃在清潔機(jī)器人的使用環(huán)境方面，該章節(jié)規(guī)劃的全覆蓋清潔路徑見下圖3.2：robotrobotrobotrobot圖3.2全覆蓋清潔路徑（1）機(jī)器人從開始的位置向上移動(dòng)一直到窗戶上邊框，然后轉(zhuǎn)彎往右移動(dòng)。相應(yīng)時(shí)間之后，拐彎往下移動(dòng)。（2）在移動(dòng)到下邊框時(shí)，拐彎往右行走。經(jīng)過一定時(shí)間之后，轉(zhuǎn)彎往上移動(dòng)，移動(dòng)到上邊框時(shí)，再重復(fù)第一個(gè)步驟。（3）重復(fù)進(jìn)行上面兩個(gè)步驟，就可以實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人行走路徑全覆蓋玻璃窗戶。上述的全覆蓋清潔路徑的稅包含了三個(gè)比較重要的問題：（1）擦窗爬壁機(jī)器人怎樣辨識窗戶邊框？（2）擦窗爬壁機(jī)器人怎樣通過電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎？（3）擦窗爬壁機(jī)器人怎樣通過電機(jī)的控制進(jìn)行直線行走？機(jī)器人識別窗戶邊框是沒有什么難度的，可在機(jī)器人的前端設(shè)置光電傳感器，隨時(shí)對車身和窗戶邊框之間的距離進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息傳送至控制器。在距離比設(shè)定值小時(shí)，控制器就可以研判出清潔機(jī)器人已移動(dòng)至窗戶邊控位置。（三）自動(dòng)清潔方案設(shè)計(jì)智能清潔方案指的是擦窗爬壁機(jī)器人可自主對邊框進(jìn)行辨識，依據(jù)上文內(nèi)容中規(guī)劃的全覆蓋清潔路徑將窗戶整個(gè)面積都覆蓋到位，同時(shí)在移動(dòng)的過程中進(jìn)行清潔作業(yè)。該章節(jié)制定的自動(dòng)清潔方案為：（1）在機(jī)器人的前端設(shè)置光電傳感器，可對機(jī)器人和邊框的距離進(jìn)行監(jiān)控識別，同時(shí)把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送至主控制器，機(jī)器人以此對邊框進(jìn)行辨識。（2）機(jī)器人辨識到窗戶邊框之后，通過全覆蓋的清潔路徑，然后借助其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的研討結(jié)果對左右履帶的運(yùn)行速度進(jìn)行管理，以此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)行為。（3）機(jī)器人行走時(shí)主要是展開右轉(zhuǎn)、直線和左轉(zhuǎn)彎這些活動(dòng)，機(jī)器人在做直線動(dòng)作過程中，控制器借助兩側(cè)電機(jī)，帶動(dòng)左右履帶通過相同的速度、一致的方向進(jìn)行移動(dòng)。機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)，控制器先帶動(dòng)左右履帶通過相同的速度、一致的方向進(jìn)行移動(dòng)，也就是控制機(jī)器人原地右轉(zhuǎn)彎或者右轉(zhuǎn)90度，然后帶動(dòng)左右履帶通過相同的速度、一致的方向移動(dòng)，也就說機(jī)器人轉(zhuǎn)彎90度之后，再進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。（四）遙控清潔方案設(shè)計(jì)因?yàn)樵谧詣?dòng)清潔方式中，擦窗爬壁機(jī)器人的清潔有死角存在，顧客可通過遠(yuǎn)程控制模式。當(dāng)使用遠(yuǎn)程控制模式時(shí)，主控制器把機(jī)器人現(xiàn)有的包括移動(dòng)方向、啟停和移動(dòng)速度等數(shù)據(jù)信息借助遠(yuǎn)程通訊傳輸至上位機(jī)控制程序，同時(shí)顯示到控制界面。顧客可通過擦窗爬壁機(jī)器人現(xiàn)存的狀態(tài)信息，借助控制界面遠(yuǎn)程控制清潔機(jī)器人。四、智能清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)智能清潔機(jī)器人的控制方案情況見下圖4.1：包括這兩個(gè)部分，即執(zhí)行部分、主控部分。左履帶電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)1MCU左履帶電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)1MCU上位機(jī)控制軟件遠(yuǎn)程通訊模塊遠(yuǎn)程通訊模塊吸盤電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)2吸盤電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)2右履帶電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)3右履帶電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)3圖4.1控制系統(tǒng)整體方案1.主控部分主控部分的重要控制單元是MCU，它的重要作用是：（1）借助外圍電路來控制履帶電機(jī)、吸盤電機(jī)，以此帶動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、吸附、啟停等動(dòng)作。（2）接收從負(fù)壓傳感器傳輸過來的負(fù)壓值，比較吸盤內(nèi)的實(shí)際負(fù)壓值和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，對現(xiàn)在的吸附狀況是不是穩(wěn)定進(jìn)行研判，如果實(shí)際值比標(biāo)準(zhǔn)值小，MCU就會(huì)下達(dá)再次開啟吸附機(jī)構(gòu)的指令。（3）把擦窗爬壁機(jī)器人的現(xiàn)在狀態(tài)信息包括移動(dòng)方向與速度等，借助遠(yuǎn)程通訊傳輸至上位機(jī)控制程序，顧客可在上位相關(guān)軟件的控制界面查看清潔機(jī)器人的情況，然后借助上位機(jī)控制程序?qū)⑾嚓P(guān)的指令傳輸至MCU，MCU受到控制指令之后，就會(huì)驅(qū)使執(zhí)行結(jié)構(gòu)完成相關(guān)動(dòng)作。2.執(zhí)行部分執(zhí)行部分負(fù)責(zé)接受從MCU處下達(dá)的相關(guān)指令，同時(shí)快速進(jìn)行響應(yīng)，根據(jù)第1、2、3個(gè)驅(qū)動(dòng)器依次對左側(cè)履帶電機(jī)和吸盤電機(jī)以及右側(cè)履帶電機(jī)進(jìn)行控制，依次實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、啟停、吸附和后退等動(dòng)作。（二）主控制器硬件模塊選型分析由于工業(yè)驅(qū)動(dòng)科技的不斷發(fā)展，電機(jī)被普遍使用至工業(yè)控制層面，智能清潔機(jī)器人在清潔的同時(shí)還要有效控制其轉(zhuǎn)彎、啟停、吸附、前進(jìn)等動(dòng)作，這些動(dòng)作的帶動(dòng)離不開電機(jī)的作用。因?yàn)槲綑C(jī)構(gòu)的開啟需要電機(jī)通過固定速度往相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，等吸附機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作只有就會(huì)停止，電機(jī)的動(dòng)作比較短暫、簡單，因此，本篇文章提出了驅(qū)動(dòng)模塊再加上直流電機(jī)的方案，MCU僅借助開關(guān)量的控制就可以進(jìn)行有效控制。筆者在吸附機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)上應(yīng)用的是37GB-520微型直流減速電機(jī)、AQMH3615NS（9-36V15A）直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該直流電機(jī)的相應(yīng)參數(shù)為：支持電機(jī)電壓9-36V，欠壓保護(hù)。尺寸很小，只有5.5cmX5.5cm。（3）最大負(fù)載電流12A(不散熱)、20A(大散熱器)、15A(簡易散熱)。（4）與L298邏輯相似的模塊，可實(shí)現(xiàn)三線控制的剎車、速度調(diào)整和正反轉(zhuǎn)動(dòng)作。（5）模塊接口位置被ESD所保護(hù)。（6）模塊能輸出SV電壓，支持SV單片機(jī)的供電需要。（7）可以在機(jī)器人和大型小車以及多個(gè)控制中使用。AQMH3615NS直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口的定義主要為：（1）9V-36V接口為電源正極；PGND接口為電源負(fù)極。（2）在使用開關(guān)對控制信號進(jìn)行控制的過程中，將PWM腳與5VO連接在一起，并在其與IN1和IN2之間各安裝一個(gè)開關(guān)，用于控制設(shè)備的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。（3）OUT1和OUT2號接口與電機(jī)電源相連。下圖表4.1顯示的是驅(qū)動(dòng)模塊不同引腳的控制邏輯。在上述連接端口與電子元件中。0表示當(dāng)前改部位的電位處于低電位狀態(tài)。表4.1直流驅(qū)動(dòng)模塊控制邏輯IN1腳IN2腳PWM腳OUT1、OUT2輸出引腳00×制動(dòng)11×不工作101全速正轉(zhuǎn)011全速反轉(zhuǎn)（三）履帶電機(jī)的選型分析自動(dòng)清潔機(jī)器人在行走時(shí)，要進(jìn)行轉(zhuǎn)彎和前進(jìn)以及后退等動(dòng)作，此外，還有速度的改變，動(dòng)作比較繁復(fù)，直流電機(jī)不能有效迎合其控制要求，步進(jìn)電機(jī)有精度高、價(jià)格低和便于控制等優(yōu)勢，滿足設(shè)計(jì)條件，因此，筆者在履帶的控制電機(jī)中應(yīng)用的是步進(jìn)電機(jī)。見下圖4.2。筆者應(yīng)用的是格特威的17HS系列混合式步進(jìn)電機(jī)17HS3001。該電機(jī)屬于兩相步進(jìn)電機(jī)，是42系列的。該系列指的是電機(jī)安裝大小為邊長42mm的正面矩形。電機(jī)的兩相指的是這個(gè)步進(jìn)機(jī)的定子上4根引出線與2個(gè)繞組。這個(gè)步進(jìn)電機(jī)有1.8度的整步步距角，1.8A的額定工作電流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可管控電機(jī)定子兩相繞組的電流，以此對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行合理管控。圖4.217HS3001步進(jìn)電機(jī)（四）主控芯片的選型分析從自動(dòng)清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)來看，倘若選擇的單片機(jī)(MCU)功能比較簡單，那么就不能滿足整體的設(shè)計(jì)要求。但是運(yùn)用功能太多的單片又用不上，因此筆者通過具體的設(shè)計(jì)要求，確立了主控芯片的選型要求為：（1）程序存儲(chǔ)容量情況（2）運(yùn)行速率（3）是不是包含串口與實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能（4）引腳功能和數(shù)量（5）是不是具有低功耗功能及其工作電壓范圍（6）芯片的封裝型號以及工作溫度限定（7）編程與仿真的相應(yīng)方式依據(jù)以上的選型條件，然后與現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)要求相融合，筆者選擇了飛思卡爾公司的K系列單片機(jī)MK10DN512V1110，也就是K10單片機(jī)，K10芯片的具體參數(shù)為：（1）K10芯片有LQFP100封裝信號，不僅有相應(yīng)IO口功能，還有2路CAN總線和3路SPI以及5路DART等功能接口。（2）K10芯片在1.7-3.6V的電壓值內(nèi)可以順利運(yùn)作。工作頻率峰值為1OOMHz；在此頻率中，單片機(jī)的相應(yīng)性能可以達(dá)到125DMIPS；芯片內(nèi)還有128KB的高速運(yùn)行內(nèi)存、512KB的flash存儲(chǔ)器。（3）耗能低的功能豐富:K10芯片可支持?jǐn)?shù)個(gè)低功耗模式，在實(shí)際工作電壓下降到1.71V時(shí)，K10芯片依然可進(jìn)行模擬操作。（4）40-105度為正常工作的溫度范圍。（5）安全性高：K10芯片內(nèi)有RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，功用是記錄系統(tǒng)時(shí)間，幫助應(yīng)對工作故障。（6）K10芯片在編程上可應(yīng)用SWD、JTAG這兩種形式。編制程序主要借助KEIL和IAR等平臺(tái)來展開的，運(yùn)用的是C語言，也可以在線進(jìn)行仿真操作。（五）遠(yuǎn)程通訊方式的選型分析擦窗爬壁機(jī)器人和上位機(jī)的通訊倘若通過有線的模式，那么可能給機(jī)器人的動(dòng)作形成一定阻礙，還會(huì)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，存在機(jī)器人被傳輸線纏繞等問題。因此，筆者應(yīng)用了無線通訊的模式，和有線模式進(jìn)行比較，無線通訊方式中的機(jī)器人在行走時(shí)會(huì)更順利?，F(xiàn)在常用的短距離無線通訊的長處和短處見下表4.2所示：按照現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)要求，本篇文章確立了控制便捷、成本少和穩(wěn)定性強(qiáng)以及傳輸快的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)該參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，筆者選擇了Wi-Fi無線通信模式，將該模式當(dāng)做清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離通訊模式。為了減少設(shè)計(jì)周期，降低工作量，這次設(shè)計(jì)應(yīng)用了有人集團(tuán)公司的USR-C322無線通訊模塊，這個(gè)模塊的特征包括尺寸小、應(yīng)用范圍廣、成本和功耗低以及性能穩(wěn)定等，滿足設(shè)計(jì)要求。表4.2無線通信技術(shù)性能對比外文名/簡稱中文名技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用Bluetooth藍(lán)牙1EEE

802.15信號覆蓋范圍小傳輸快，成本和耗能低，有較強(qiáng)的抗干擾能力、組網(wǎng)方便適用近距離個(gè)人相關(guān)設(shè)備Wireless-fidelity

Wi-Fi無線網(wǎng)1EEE

802.llb組網(wǎng)比較復(fù)雜信號覆蓋范圍廣，傳輸快，穩(wěn)定性良好、輻射小適宜移動(dòng)人員在固定場所通過AP熱點(diǎn)運(yùn)用移動(dòng)設(shè)備

接入網(wǎng)絡(luò)ZigBee紫蜂協(xié)議1EEE

802.15.4信號覆蓋范圍小，傳輸慢設(shè)備簡單，功耗和成本都很低適用小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)

網(wǎng)與智能遠(yuǎn)距離控制NearField

Communication

NFC近距離無線通訊信號覆蓋范圍小，傳輸慢能耗低，穩(wěn)定性好，安全性高，兼容非接觸智能卡技術(shù)適用多個(gè)裝置之間不需使

用者先設(shè)置的特定簡單、安全的通訊方式（六）電源設(shè)計(jì)這次研究的自動(dòng)清潔機(jī)器人主要通過兩個(gè)蓄電池串聯(lián)組成24V的直流電源，便于為各子模塊提供電能。鑒于電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片要SV電壓，串口芯片和單片機(jī)等器件的電壓為3.3V，因此還應(yīng)當(dāng)對電源進(jìn)行降壓。筆者應(yīng)用的是封裝型號為SOT-223的AMS1117-3.3芯片、TO-263的LM2576s-5芯片依次當(dāng)做24V轉(zhuǎn)3.3V芯片、24V轉(zhuǎn)SV芯片。（1）LM2576s-5芯片電路設(shè)計(jì)圖4.3LM2576-5電路設(shè)計(jì)LM2576芯片的外圍電路見上圖4.11。主要的元件有二極管、電感和電容等。電感主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)能，參數(shù)是100uh/3A的直插電感；在1引腳處并聯(lián)了鋁電解電容，其有旁路電容的作用，旨在預(yù)防有太大的瞬態(tài)電壓出現(xiàn)，參數(shù)為100uf/SOV；芯片的輸出端串聯(lián)了特定的肖特基二極管1N5822，發(fā)揮了起續(xù)流的功用。此外，在輸出端還有70uf/SOV的鋁電解電容一個(gè)，負(fù)責(zé)濾波。同時(shí)，電路輸入端和一個(gè)去禍電容相連，該電容為0.1of，旨在使電路穩(wěn)定性增強(qiáng)。末端與一只發(fā)光二極管相連，根據(jù)二極管的亮度情況對電路的通斷進(jìn)行研判。（2）3.3V供電電路設(shè)計(jì)見下圖4.12的顯示，這部分筆者應(yīng)用的是AMS1117-3.3芯片，此芯片相連的數(shù)個(gè)電容的功用是預(yù)防斷電之后有電壓倒置的情況，并且，電容也能發(fā)揮濾波的功用。圖4.4AMS1117電路（七）基于C#語言的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)本片文章處于VisualStudio2010的設(shè)計(jì)條件下，與底層硬件控制系統(tǒng)相融合，通過C#語言設(shè)計(jì)了上位機(jī)遠(yuǎn)程控制軟件。這個(gè)軟件根據(jù)相應(yīng)格式的控制指令，能控制自動(dòng)清潔機(jī)器人的移動(dòng)速度和方向，也就是對履帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速、正傳與反轉(zhuǎn)進(jìn)行管控。上位機(jī)控制底層控制器的指令格式為：AAOXXXChecksum55,其中，55、AA依次是指令數(shù)據(jù)包的包尾、包頭，OX代表現(xiàn)在是對機(jī)器人的方向，還是控制速度(00表示控制方向、O1為控制速度)，XX表示相應(yīng)的控制指令，如果是方向控制，就會(huì)有前進(jìn)、停止、后退、右轉(zhuǎn)以及左轉(zhuǎn)這些信號，還有相對應(yīng)的代碼O1、00、02、04以及03。如果為速度控制，就有4個(gè)檔位O1、02、03、04。Checksum表示的是校驗(yàn)，下圖4.5顯示的是軟件流程圖：開始開始連接機(jī)器人連接機(jī)器人連接成功連接成功N寫入指令Y寫入指令格式正確？格式正確？N發(fā)送Y發(fā)送結(jié)束結(jié)束圖4.5上位機(jī)軟件流程圖五、智能清潔窗戶系統(tǒng)發(fā)展前景和總結(jié)（一）發(fā)展前景本篇文章具體分析了智能清潔機(jī)器人，相關(guān)設(shè)計(jì)工作已經(jīng)大致完成，但依舊存在一定局限，主要如下：（1）設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，筆者確立的簡易無源負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)，盡管凸顯了噪音小和耗能少的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)置還亟待進(jìn)一步完善。吸附結(jié)構(gòu)的首次運(yùn)用，也就是機(jī)器人在壁面上的首次吸附，要通過手動(dòng)的方式把機(jī)器人強(qiáng)壓于壁面上，等機(jī)器人成功吸附之后，才能放手。從壁面取下機(jī)器人時(shí)，還要靠手動(dòng)開啟吸盤中的放氣閥，該設(shè)計(jì)并未完全的智能化。（2）在比較理想的環(huán)境中展開了機(jī)器人圓弧運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，也就是說，設(shè)定機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)，其內(nèi)、外側(cè)履帶沒有側(cè)滑現(xiàn)象出現(xiàn)，或兩者的側(cè)滑是一樣的。但是在現(xiàn)實(shí)操作中，這樣完美的條件是極難出現(xiàn)的，因此，智能清潔的成效差強(qiáng)人意。（3）上位機(jī)遠(yuǎn)程控制軟件的界面簡單并且功能不多。對以上出現(xiàn)的短板，筆者制定了優(yōu)化策略：（1）對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行升級，讓機(jī)器人的控制趨于人性化，盡可能減少手動(dòng)的機(jī)會(huì)。設(shè)置安全設(shè)施，保證機(jī)器人執(zhí)行清潔任務(wù)時(shí)具有一定的安全可靠性。（2）把多個(gè)現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件放到分析的范圍中，全面研討機(jī)器人多個(gè)運(yùn)動(dòng)模式的控制標(biāo)準(zhǔn)，對控制決策進(jìn)行深入優(yōu)化，設(shè)法增強(qiáng)自動(dòng)清潔方案的成效。（3）對上位機(jī)控制程序進(jìn)行升級，進(jìn)一步改善界面同時(shí)加入部分比較人性化的功能。（二）總結(jié)筆者基于研討世界擦窗爬壁機(jī)器人當(dāng)前的成果，把清潔機(jī)器人普遍運(yùn)用至家庭窗戶的保潔衛(wèi)生中，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)。同時(shí)，創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)了比較簡易無源負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)合理的解決了以往真空負(fù)壓吸附模式噪音大和耗能大的問題。相應(yīng)的工作為：（1）介紹了擦窗爬壁機(jī)器人的研究意義和研究背景，分析了該機(jī)器人的國外和我國的研究狀況，以此明確了適用性、小型化和簡易化的研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。（2）制定擦窗爬壁機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)方案，與多個(gè)清洗模式、移動(dòng)方式和吸附方法的優(yōu)勢、劣勢進(jìn)行比較研究，然后和設(shè)計(jì)相關(guān)條件有機(jī)融合，采用了比較適宜的履帶式移動(dòng)和多吸盤真空負(fù)壓吸附以及底盤前后貼裝清潔布的相應(yīng)方案。同時(shí)將應(yīng)對以往真空負(fù)壓吸附模式噪音大和耗能多的問題作為目標(biāo)，創(chuàng)造性的提