近年来，越来越多的智能家电进入大众家庭，为我们的生活带来前所未有的便利。伴随着自动控制技术与计算机技术的飞速发展，人们对于机器人的智能化要求越来越高，国家对机器人行业的发展也越来越重视[1]。随着现代都市中建筑楼层的日益增高，越来越多的家庭在装修时选择大型落地窗，但多数家庭的玻璃清洁工作主要由人工完成，高层玻璃擦洗是一件既困难又危险的“苦差事”。因此，智能清洁机器人应运而生，成为智能机器人研究的热点之一。本文拟设计一款安全性良好、体积小，无擦除死角的智能擦窗机器人，代替人工完成玻璃清洁工作，以期解决传统的人工清洁方式中安全隐患大、效率低、存在清洁死角等问题。
1 整体设计方案
结合擦窗的实际工作环境与人们的清洁要求，擦窗机器人应具有较强的环境适应能力，能在各种光滑表面工作；应定位为民用，制造成本不可过高；要有一定的容错能力，尽可能提高安全系数。因此，选用负压吸盘吸附方式。
由于机器人在对玻璃进行清洁时，玻璃表面会有水渍，机器易打滑，故要求移动部分与玻璃表面亲和性好，接触面积与摩擦力要足够大，因此，选用履带式行走方式。
1.1 总体结构
擦窗机器人总体结构分为5个部分：底盘、行进部分、吸附部分、位置检测部分和其他部分。
（1）底盘
底盘主要承载了擦窗机器人的重量，在底盘下方安装吸水抹布实现清洁功能，并以底盘为基础安装各功能模块。
（2）行进部分
擦窗机器人由两台直流电动机带动履带，实现在玻璃上的前进、后退与转向。
（3）吸附部分
该部分主要由一台微型真空泵、一个吸盘以及压力传感器组成，其功能是将擦窗机器人吸附于玻璃表面。
（4）位置检测部分
位置检测部分由2组（共4个）微动开关组成。其能功是当机器人接触到窗框时，发出位置检测信号使机器人后退并转向。
（5）其他部分
除上述4个重要部分外，机器人还具有主芯片、PCB印刷电路板、供电装置、遥控装置等其他部分。
1.2 实物结构与工作原理
擦窗机器人整体实物结构如图1所示。
图1 擦窗机器人实物简图
吸附机构安装于底盘上，当吸附机构启动吸盘，机器人吸附在爬壁表面后，履带电机驱动履带机构正转，机器人向前行进，两侧的履带电机配合改变正反转方向，实现机器人的前进、后退与转向。机器人行进期间，吸盘保持吸附，在爬壁表面滑行前进，完成擦窗任务。综上，机器人行进不仅要克服自身的重力，还要克服吸盘与壁面间的滑动摩擦力。因此，吸盘的外表面须有较低的摩擦系数，允许吸盘在壁面上滑行的同时，保持基本吸附力。
机器人的吸附、前进、后退及转向均由控制器控制完成。此外，底盘上安装压力传感器，当其感知到吸盘发生漏气导致负压值不足时，传感器会向控制器发送信号，重启该吸盘，以保持稳定吸附。
2 擦窗机器人吸附装置的设计
2.1 模型的受力分析
利用负压原理在玻璃上实现吸附功能的擦玻璃机，其机身能否稳定吸附在玻璃上，取决于其所受力和力矩是否平衡[2]。为简化理论分析的复杂性，现假定擦玻璃机所受的力均作用于其几何中心点[3]。擦玻璃机在玻璃表面静止吸附、向上移动、工作翻转时的受力分析见图2。其中：F1为擦玻璃机所受的壁面压力；F2为擦玻璃机所受因负压效应而产生的大气压力；G为擦玻璃机自身重力；f1、f2分别为吸盘、履带所受玻璃壁面的摩擦力；H、L分别为擦玻璃机的整机高度与长度。
（1）当擦玻璃机在玻璃表面静止时，其受力分析如图2（a），此时要保持受力平衡需满足：F1=F2，G=f1+f2，f1=F11μ1，f2=F12μ2。其中：F11和F12分别为压力F1在吸盘和履带上的分量；μ1和μ2分别为玻璃对吸盘和履带的摩擦系数。机器人向下移动时与静止时的受力分析相同。
图2 机器人模型置于玻璃表面的受力分析
（2）当擦玻璃机在玻璃表面向上移动时，受力分析如图2（b）所示。此时，由于吸盘的滑动摩擦力方向与相对运动方向相反，故f1方向由静止时的向上变为向下，机器人受力需满足：F1=F2，G=f2-f1，f1=F11μ1，f2=F12μ2。
（3）当擦玻璃机于玻璃表面翻转工作时，受力分析如图2（c）所示。由于翻转发生在一瞬间，所以该过程可模拟为静力学状态。O点为可能发生翻覆的翻转点，由于履带所产生的静摩擦力通过点O，故其产生的力矩为零。此时，机身重力G与吸盘的吸附力二者所产生的力矩应达平衡，才能防止机器人发生翻转，即应满足GH≥F2L。
综上对擦窗机器人进行受力分析可知：擦窗机器人向下移动时，驱动力由重力提供，吸盘与履带的摩擦力均是阻碍擦玻璃机移动的力；擦玻璃机向上移动时，在履带不打滑的前提下，驱动力由履带与玻璃间的静摩擦力提供，此时，玻璃对吸盘的滑动摩擦力和擦玻璃机自身重力均成为阻碍擦玻璃机移动的力；擦窗机器人在玻璃壁面工作时，可能绕翻转点O发生翻覆，此时，机身重量与吸盘产生的吸附力的力矩必须达到平衡，否则擦窗机器人将无法稳定安全工作。实际工作中，擦窗机器人的运动情况较为复杂，擦窗机器人向其他方向移动时的受力情况是以上三种情况的综合。
2.2 吸盘与真空泵的选取
2.2.1 机身总重量估算
擦玻璃机包括底盘、机架、吸盘、微型真空泵、两台直流减速电机、链轮、履带、微动开关、电路板等。根据市场调研以及实际情况，机身的总重量宜控制在3 kg以内，取G=mg=30 N。
2.2.2 静止吸附于玻璃时的条件
经受力分析可知，为使擦玻璃机安全稳定地吸附在玻璃表面工作，擦玻璃机在玻璃上静止或向下移动时，吸盘需要提供的由负压效应产生的压力是最大的，此时，微型真空泵工作的功率最大。因此，根据该情况下擦玻璃机的受力参数，计算选取吸盘及微型真空泵的主要技术参数。
当擦玻璃机静止在玻璃表面时，
吸盘、履带与玻璃表面的摩擦因数μ取值为0.3，由 G=30 N，μ=0.3，计算得 F1=100 N
根据二力平衡有F1=F2=100 N。
又F2=P·S，其中：P为微型真空泵提供的相对真空度，kPa；S为吸盘工作时的有效面积，m2。
经分析得，要保证擦玻璃机能安全平稳工作，需保证F2≥100 N。此外，在机身尺寸一定时，应尽量降低机身重心，减小机身翻覆的危险。
2.2.3 吸盘与真空泵选取
根据设计要求，吸盘选取费斯托公司的VAS-100-1/4-PUR-B型吸盘，其有效吸附直径为90.5 mm，连接头为螺纹连接方式。螺纹为常用的1/4型号，采用聚氨酯材料（PUR）制成，其与玻璃壁面的静摩擦系数较大，而滑动摩擦系数小，从而使得吸盘在静力学状态下能为擦玻璃机提供更高的静摩擦力，防止机器人的翻覆。同时，机器人在动力学状态下，吸盘产生更小的滑动摩擦力，减小了对机器人的移动阻碍，提高了机器人的移动灵活性。吸盘性能参数见表1。
表1 VAS-100-1/4-PUR-B吸盘参数
微型真空泵选用成都气海公司生产的VLC8401型微型真空泵，其真空度为84 kPa，相对真空度为-17 kPa，性能参数见表2。
表2 VLC8401型微型真空泵参数
吸盘有效吸附面积S=π·R2，R为吸盘有效吸附直径，m。根据表1参数计算得S=0.00643m2。
算得擦玻璃机受到因负压效应而产生的大气压力为
F2=P·S=109.31 N>100 N
因此，该型号的吸盘和微型真空泵符合设计要求。
3 控制系统设计
3.1 系统的组成以及工作原理
以AT89C51单片机为主芯片，通过5 V、12 V电源芯片，以及电机、气泵供电。电机驱动芯片，驱动两台直流减速电机。当擦玻璃机器人接触窗框时，4个微动开关产生信号，发送至主芯片。显示屏可以显示当前工作状态以及预计工作完成的时间。红外收发模块可以通过遥控器远程控制擦玻璃机。系统的控制原理如图3所示。
图3 系统控制原理图
3.2 主控制器的选择
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机，可以反复擦除1 000次[4]。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[5]。ATMEL的AT89C51将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[6]。
3.3 微动开关的选型
根据设计需求，擦玻璃机需要4个微动开关实现相关功能，选取开关的型号为KW10-Z1P。开关体长长、宽、高分别为 12.8、5.8、6.5 mm；不锈钢压片的长、宽、厚分别为 13.5、3.75、0.28 mm；脚长3.5 mm、宽 0.85 mm、厚 0.56 mm；耐压 125V1A；安装孔孔径2 mm，孔中心距6.5 mm。该微动开关只需接出两根线，即一根GND，一根常开线。当不锈钢压片未被压下时，两根线相当于断路，而当压片被压下时，两根线接通[7]。
3.4 红外收发模块
（1）红外接收电路的设计
该模块采用1838一体化红外接收头，瓷片电容为去耦电容，DOUT是解调信号的输出端，直接与单片机相连[8]。有红外编码信号发射时，输出为检波整形后的方波信号，并直接提供给单片机。电路如图4所示。
图4 红外线接收模块电路
（2）红外发射电路的设计
该电路的主要控制器件为遥控器芯片HT6221。该芯片将红外码调制的脉冲信号通过红外发射二极管发出红外编码[9]，电路原理如图5所示。
图5 红外线发射电路
HT6221的编码规则是：当按键按下超过36 ms时，振荡器使芯片激活；如果按下按键且延迟108 ms，这108 ms发射代码由1个起始码、1个结果码、低8位地址码、高8位地址码、8位数据码和这8位数据码的反码组成；如果按键按下超过108 ms后未被松开，发射的代码将仅由起始码和结束码组成[10]。
不同的按键实现不同的功能，分别为S1，启动；S2，停止；S3，前进；S4，后退；S5，左转；S6，右转；S7，自动模式；S8，手动模式。
3.5 显示模块
显示屏模块选择12864LCD液晶显示屏。带中文字库的128×64液晶模块是具有4位/8位并行，2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。其显示分辨率为128×64，内置8 192个16×16点汉字和128个16×8点ASCII字符集。其电路如图6所示。
图6 12864接线图
利用该模块灵活的接口方式和简便的操作指令，构成全中文人机交互图形界面[11]，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。同时，该显示模块具有低电压、低功耗等特点[12]。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，硬件电路结构和显示程序更为简洁，且价格也略低。
3.6 陀螺仪模块
选用型号为MPU6050的陀螺仪，该模块采用标准的IIC通信协议，其供电电源为5 V，内部整合了3轴陀螺仪，3轴加速器最大的加速度测量范围为± 16 g，陀螺仪测量最大范围为± 2 000°/s[13]。利用该模块反馈Z轴的加速度值，获知模块与水平方向的夹角，从而可在擦窗机器人开始向上运行的过程中判断机器人的姿态，并通过PWM硬件调节两边电机的旋转速率进行差速调节，使机器人不断地灵活调平，实现竖直向上的运动。同样运用X轴的加速度器的反馈值，控制机器人在后阶段水平运行过程中的姿态调整，实现机器人姿态的闭环控制。其电路如图7所示。
图7 陀螺仪电路
3.7 直流减速电机的驱动
直流减速电机，又称齿轮减速电机，主要由直流电机和配套的齿轮减速箱组成，可提供较低的转速和较大的力矩，且占用的空间较小，噪音较低[12]。根据擦玻璃机的设计需求，选取直流减速电机较为合适。
擦玻璃机由两台直流减速电机提供动力，且两电机左右对称布置。当两台电机转向相反时，擦玻璃机沿直线前进或后退；当两台电机转向相同时，擦玻璃机转向。此外，通过调节电机转速可以调整擦玻璃机的移动速度。为满足需求，应选择一种效率较高，经济性较好的驱动方式，控制两台电机的调速和正反转。电机驱动原理如图8所示。
4 机器人可行性验证试验
4.1 试验内容
为验证机器人整体设计方案的可行性，在不同干湿程度的壁面上进行试验，依次测试样机的摩擦系数，完成负重能力测试。
图8 电机驱动电路
4.2 试验方法
将擦窗机器人整体作为分析对象，设F1为壁面对双履带的支持力，F2为吸盘的吸力。微型真空泵吸气时负压为84kPa，负压（即真空度）为17 kPa，吸盘截面半径为100 mm，吸盘与履带与玻璃表面的摩擦因数μ=0.3。
由于清洁机器人向上爬升的力主要由履带与玻璃之间摩擦力提供，而玻璃与履带的摩擦因数小，通过改变力的分布以增大F2，可以防止双履带打滑。试验时，将一块40 mm×40 mm×10 mm的橡胶放在玻璃上，对橡胶进行加载处理，然后分别在不同干湿程度的玻璃壁面上进行试验，使用弹簧秤匀速拉动橡胶，计算摩擦系数。
4.3 试验结果
4种不同干湿程度下玻璃与履带的摩擦系数测试结果如表3所示。
由表3可知，在干燥、半干燥、半湿润、湿润的条件下，玻璃与履带的摩擦系数平均值分别为0.68、0.55、0.36、0.30。结果表明，4 种不同干湿程度测试的摩擦系数均满足前进时的摩擦系数要求。机器人通过真空吸盘与真空泵实现吸附，利用履带结构实现在玻璃上的移动，并通过调节占空比来调节真空泵，使得履带小车既能安全有效地吸附在玻璃上，又有足够的驱动力使其在玻璃上平稳移动。在此基础上加入清洁机构，不会出现打滑的现象。
综上试验表明，机器人吸附稳定、移动灵活，验证了本文所设计的机器人总体方案的可行性。
5 结论与展望
本文设计的自动擦窗机器人采用两个链轮与履带配合，履带与玻璃的接触面选用与玻璃亲和力较好的橡胶材料，机器人底部安装可拆卸抹布，能完成长宽均大于60 cm的平面玻璃的清洁工作，移动速度为0.1 m/s，实现了自动擦玻璃的功能。该擦窗机器人工作时可以不计玻璃厚度，能在镜子及平滑的瓷砖等单侧表面工作，适应能力较强。同时，机器人在一定范围内允许有一定程度的泄漏，允许壁面有一定程度的不平整。
表3 测试数据与结果
擦窗机器人的简易负压吸附机构，虽然有着功耗低、噪声小的创新性优势，但是设计仍旧不够全面。如首次启动吸附结构时需要人为将机器人按压在爬壁表面，待机器人完成吸附后，方可松开；将机器人从爬壁表面取下时，需要人为打开吸盘上的放气阀；针对机器人直线运动、旋转运动、圆弧运动三种模式的运动学分析均以理想条件为基础；在实际环境中，擦窗机器人自动清洁效果达不到最佳。因此，还需进一步优化擦窗机器人机械结构的设计，并结合各种实际环境问题，进一步分析机器人各种运动模式的控制条件，优化控制策略，提高自动清洁效果，实现全自动智能擦窗功能。
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