一种新型高楼玻窗清洗机器人的制作方法

本发明属于智能机器人的技术领域，具体涉及一种新型高楼玻窗清洗机器人。

背景技术：

近年来，我国城市面貌发生了翻天覆地的变化，高层建筑拔地而起，不仅节约了土地资源,也使城市面貌焕然一新，成为城市现代化水平的重要标志之一，但也带来了如高空玻璃擦洗、高空消防急救、高空建筑施工等难题。以高层建筑外墙面的清洗和高层居民对家中窗户的清洗为例，目前多采用吊篮悬吊或用液压升降台升降的人工作业方式，但其劳动强度大、效率低、安全隐患多等诸多问题。

开发智能机器人清洗系统可以解放从事于这种危险工作的劳动力，可以做到对高大建筑物墙壁的自动清洗，更深层次的是可以提高建筑维修行业的技术水平和生产力。机器人清洗系统可以用于不同的建筑物，这样就可以节省为个别的建筑物搭建清洗系统的费用。以此为背景，研究人员设计提出了多种解决壁面清洗机器人的方案，但仍存在着一定的局限性。如磁力吸盘爬壁机器人只能用于导磁金属壁面上，而对普通玻璃墙壁无法适用；许多大型悬挂式清洗机器人要求有楼顶悬挂机构；履带式机器人转弯困难等，为应用带来困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种新型高楼玻窗清洗机器人，以解决现有机器人清洗高楼玻璃具有一定局限性和清洗效果不佳的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种新型高楼玻窗清洗机器人，其包括遥控器模块和与遥控器模块信号连接的爬壁机器人主机模块；

遥控器模块内置第一mcu；所述第一mcu分别与报警器、遥控器显示模块、输入控制器按钮和第一通信模块连接；爬壁机器人主机模块内置第二mcu；第二mcu分别与清洗系统、低电压检测电路、吸附爬壁系统和第二通信模块连接；所述第二通信模块和第一通信模块信号连接。

优选地，第一mcu和第二mcu均为msp430f149做主控芯片；第一通信模块和第二通信模块均为nrf905单片无线通信模块。

优选地，nrf905单片无线通信模块的作业频段为433/868/915mhz。

优选地，吸附爬壁系统包括分别位于主板横向两侧的横板，分别位于主板竖向两侧的竖板；两个横板之间以及两个竖板之间均通过金属杆连接；主板底部平行设置多行挂环；横向金属杆穿过挂环连接两个横板；主板通过支撑管与第一舵机连接，第一舵机与横向金属杆上的水平锯齿条啮合相连；横板通过支撑管与第二舵机连接，第二舵机与设于主板上的水平齿条啮合连接；主板通过支撑管与第三舵机连接，第三舵机与设于竖板上的水平齿条啮合连接；主板内设有与竖向的金属杆啮合连接的第四舵机；竖板通过支撑管和第五舵机与主板上的竖直锯齿条啮合连接。

优选地，真空度传感器为ms5611-01ba高灵敏度真空度传感器，其通过spi通信协议与第二mcu通信连接。

优选地，清洗系统包括套设于十字型合金框架上的轻质滚刷。

优选地，还包括为所述爬壁机器人主机模块供电的电源电路；电源电路包括一片输出电压为6v、为舵机供电的lm7806，和一片输出电压为5v、为第二mcu和其它模块供电的lm7805。

一种新型高楼玻窗清洗机器人爬壁机器人主机模块的控制方法，其特征在于，包括：

硬件初始化；

接收遥控器模块发送的动作指令；

判断当前动作指令的清洗模式；

若判断当前清洗模式为自动清洗模式，则控制吸附爬壁系统按照右-下-左-下-右的循环模式进行清洗；

当机器人运动至死区时，脱离自动清洗模式，进入手动清洗模式；

若判断当前清洗模式为手动清洗模式，则根据接收的遥控器发送的动作指令，控制爬壁系统动作。

一种新型高楼玻窗清洗机器人遥控器模块的控制方法，包括：

硬件初始化；

根据操作者按下按钮、触发中断；

根据中断信号判断操作者按下按钮所赋值的动作指令；

将赋值的动作指令发送至爬壁机器人主机模块。

一种新型高楼玻窗清洗机器人的控制方法，包括：

硬件初始化；

遥控器模块根据操作者按下按钮、触发中断；

根据中断信号判断操作者按下按钮所赋值的动作指令；

将赋值的动作指令发送至爬壁机器人主机模块；

爬壁机器人主机模块接收遥控器模块发送的动作指令；

判断当前动作指令的清洗模式；

若判断当前清洗模式为自动清洗模式，则控制吸附爬壁系统按照右-下-左-下-右的循环模式进行清洗；

当机器人运动至死区时，脱离自动清洗模式，进入手动清洗模式；

若判断当前清洗模式为手动清洗模式，则根据接收的遥控器发送的动作指令，控制爬壁系统动作。

本发明提供的新型高楼玻窗清洗机器人，具有以下有益效果：

本发明设置八个吸盘，配合真空度传感器、电磁阀、真空泵实现机器人在玻璃壁上的行走和清洗；并根据实际提供自动清洗和手动清洗模式，具有人机交互的功能。本发明体积小、质量轻、吸附爬壁以及清洗效果佳，具有较高的实用性和推广性，能够有效地解决现有机器人清洗高楼玻璃具有一定局限性和清洗效果不佳的问题。

附图说明

图1为新型高楼玻窗清洗机器人的原理框图。

图2为新型高楼玻窗清洗机器人结构图。

图3为新型高楼玻窗清洗机器人主控芯片msp430f149电路图。

图4为新型高楼玻窗清洗机器人吸附爬壁系统结构图。

图5为新型高楼玻窗清洗机器人真空度传感器电路图。

图6为新型高楼玻窗清洗机器人电磁阀和真空泵驱动电路图。

图7为新型高楼玻窗清洗机器人电源模块的电路原理图。

图8为新型高楼玻窗清洗机器人无线通信电路。

图9为新型高楼玻窗清洗机器人撞击传感器电路图。

图10为新型高楼玻窗清洗机器人主机模块程序流程图。

图11为新型高楼玻窗清洗机器人遥控器模块程序流程图。

图12为新型高楼玻窗清洗机器人状态转换图。

图13为新型高楼玻窗清洗机器人pid闭环控制原理图。

图14为新型高楼玻窗清洗机器人pd程序流程图。

其中，1、竖板；2、主板；3、横板；4、曲柄连杆；5、支撑管；6、金属杆；7、挂环；8、第一舵机；9、第二舵机；10、第三舵机；11、第四舵机；12、第五舵机；13、锯齿条。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的新型高楼玻窗清洗机器人，包括遥控器模块和与遥控器模块信号连接的爬壁机器人主机模块。

以下分别详细描述遥控器模块和爬壁机器人主机模块：

遥控器模块用于根据实际需要，进行清洗模式的选择，并将选择的结果以动作指令的形式发送至爬壁机器人主机模块。

遥控器模块内置第一mcu；第一mcu分别与报警器、遥控器显示模块、输入控制器按钮和第一通信模块连接。

爬壁机器人主机模块用于接收遥控器模块发送的动作指令，并根据该动作指令进行相应动作指令的控制。

爬壁机器人主机模块内置第二mcu，第二mcu分别与清洗系统、低电压检测电路、吸附爬壁系统和第二通信模块连接，第二通信模块和第一通信模块信号连接。

参考图3，第一mcu和第二mcu均为msp430f149做主控芯片；该芯片具有超低功耗、运算速度快、处理能力强、片内资源丰富、方便高效的开发环境等特点。系统中的两片msp430f149单片机分别安装在遥控器模块和爬壁机器人主机模块中。爬壁机器人主机模块mcu从以下三个方面实现对爬壁机器人的整体控制：

一、mcu在爬壁机器人的吸附爬壁系统中控制电磁阀的开关、真空泵的气压值、舵机的转速，从而使机器人能稳固地吸附在玻璃壁面上行走。

二、当低电压检测模块检测到低压信号时，mcu将低压信号通过发射器发送到遥控器的液晶显示屏上，同时使遥控器上的报警器发出报警信号提醒用户更换电池或对机器人电池充电。

三、当操作者使用遥控器对爬壁机器人主机进行遥控时，遥控信号会通过遥控器上无线通信发送端发送到机器人主体部分的接受端，mcu根据接收到的数据信号控制机器人做出相应动作完成相应的清洗工作。

第一通信模块和第二通信模块均为nrf905单片无线通信模块。

参考图8，nrf905单片无线通信模块工作在433/868/915mhz的ism频段，由集成的频率调制器、带解调器的接收器、功率放大器、晶体振荡器和调节器组成。该芯片在shockburst工作模式下的特点是：自动产生前导码和crc，可以很容易通过spi接口进行编程配置。整个机器人系统使用两片nrf905芯片，分别安装在爬壁机器人主体模块和遥控器模块，它们既能做发射器又能做接收器。

当操作者通过遥控器控制爬壁机器人作业时，安装在遥控器内的nrf905芯片做发射器将控制信号发送出去，安装在爬壁机器人主体部分中的nrf905芯片做接收器接收信号；当爬壁机器人在作业时，安装在机器人主体部分的nrf905芯片做发射器将爬壁机器人的工作状态信号发送给接收端，而安装在遥控器的nrf905芯片做接收器接收来自机器人主体的工作状态信号。

吸附爬壁系统

由于建筑物壁面大多为非导磁材料，如玻璃、瓷砖和涂料等，因此吸附方式宜采用真空吸附。单吸盘虽然结构简单易控，但可靠性难以保障，故本发明采用多吸盘组合的方式进行吸附。

参考图2，所述吸附爬壁系统包括分别位于主板2横向两侧的横板3，分别位于主板2竖向两侧的竖板1；两个横板3之间以及两个竖板1之间均通过金属杆6连接；所述主板2底部平行设置多行挂环7；横向金属杆6穿过挂环7连接两个横板3；所述主板2通过支撑管5与第一舵机8连接，第一舵机8与横向金属杆6上的水平锯齿条啮合相连；横板3通过支撑管5与第二舵机9连接，第二舵机9与设于主板2上的水平齿条啮合连接；主板2通过支撑管5第三舵机10连接，第三舵机10与设于竖板1上的水平齿条啮合连接；主板2内设有与竖向的金属杆6啮合连接的第四舵机11；竖板1通过支撑管5和第五舵机12与主板2上的竖直锯齿条啮合连接。

锯齿条13包括水平锯齿条啮和竖直锯齿条。

在每个主板2、竖板1和横板3底面均安装吸盘，支撑管5内部为中空，其内用于舵机和主板2、竖板1和横板3之间的电气连接。

参考图4，吸盘的工作原理为，采用真空泵抽去吸盘中的气体使吸盘吸附在玻璃壁面上，同侧的吸盘通过管路汇总到该侧的电磁阀并连到真空泵，组成真空抽气系统。通过抽气使电磁阀控制吸盘的吸附或释放，进而使机器人在横板被固定于玻璃壁面的同时竖板能够实现左右、上下的自由移动，而竖板被固定时横板只须左右移动即可。

参考图6，通过控制电源的通断来实现电磁阀和真空泵的工作状态，电路中使用继电器阵列来控制电源的通断实现对电磁阀和真空泵的控制，使机器人在玻璃壁面上行动自如。如mcu控制继电器阵列导通控制电磁阀闭合，真空泵作业，将对应吸盘内的气体抽出，该吸盘即可吸附于玻璃壁上。

真空泵采用小型真空泵，避免真空泵耗电量过大，确保机器人在玻璃幕墙上能够长时间进行清洗工作，增加续航能力和安全性。

参考图5，真空度传感器为ms5611-01ba高灵敏度真空度传感器，其通过spi通信协议与mcu通信连接。真空度传感器电路，用于采集当前其所在吸盘内的真空值，将该真空值发送至mcu中，mcu根据真空值控制电磁阀和真空泵动作。

清洗系统为套设于横向金属杆6末端横板3内的轻质滚刷，轻质滚刷随金属杆6的移动而滚动，并在滚动过程中完成对玻璃壁的清洗，为便于清洗，可在清洗前先用高压水枪向幕墙表面喷洒洗涤剂以溶解污渍，然后控制金属杆6的运动带动滚刷横向来回刷过玻璃表面完成清洗。

参考图7，电源电路包括一片输出电压为6v、为舵机供电的lm7806，和一片输出电压为5v、为第二mcu和其它模块供电的lm7805。

参考图9，撞击传感器嵌设于爬壁机器人横板3、竖板1的外沿，并受控于mcu。当机器人走到窗户边缘产生微小撞击时，微动开关会闭合，vout输出电平马上置低，mcu响应对应中断做出适当反应。

真空泵气压值的控制：

参考图13，采用pid控制器实现对真空泵气压值的精确控制，确保真空泵气压与外界大气压的气压差能使爬壁机器人紧密吸附在玻璃壁面上不掉落，pid控制器由比例单元(p)、积分单元(i)和微分单元(d)组成，其输出u(t)关于输入e(t)的微分方程如式：

其中：kp为比例系数；ti为微积分时间常数；td为微分时间常数。

比例控制的输出与输入误差信号成比例关系，当仅有比例控制时系统的输出存在误差；积分控制的输出与输入误差信号的积分成正比，在控制器中引入积分环节可以消除稳态误差；微分控制的输出与输入误差信号的微分成正比关系。为了提高清洗速度，在清洗中要求吸盘固定于某位置的时间较短，真空度通过i调节到达稳态就没有必要了，只须超过阈值达到可靠吸附即可，因此真空泵的控制采用pd控制，即“比例+微分”控制，如下式：

其中：kp为比例系数；kd为微分系数，ki为积分系数且令ki＝0。实践表明，该控制器能对系统进行很好的控制。

参考图14，pd控制算法的算法流程，当程序进入pd控制调节函数时，主控芯片读取当前时刻真空泵气压值p0，由δp＝p-p0(p为大气压)计算出气压差δp，判断其是否超出使机器人可靠吸附在玻璃上的阈值，若超出范围则根据设定增益参数进行pd调控，否则进行下个时刻气压采样。

机器人的单步位移计算：

金属杆6连接机器人主体模块(其内嵌设各种电路和mcu)和上、下、左、右四个方向的吸盘，金属杆6与中间主体2是可活动的。

在金属杆6上装有锯齿条，舵机输出轴上的齿轮带动金属杆6上的锯齿条运动，进而带动金属杆6运动。

移动距离和齿轮半径、舵机角度密切相关，依据轴承转动原理，机器人移动距离等于齿轮转动的弧长l。

其中，360°圆心角所对应的弧长c为：

c＝2πr

1度圆心角所对应的弧长l为：

l＝c/360°

n°圆心角对应的弧长l为：

l＝n°πr/180°

故移动距离s为

s＝l＝n°πr/180°

由m＝f×l(m是力f对转动轴o的力矩)可知齿轮半径不能过大，半径过大则舵机的力臂增大从而增大力矩，就可能导致舵机死机，故本发明选用齿轮的半径要小于舵机最大扭矩。通过多次试验对比采用半径为3cm的齿轮，当舵机转动90°，计算得到单步移动距离为4.71cm。

吸附爬壁的工作原理：

在竖板1、主板2处于吸附状态时，松开横板3的吸盘，由主板2上的第一舵机8驱动横杆上的水平锯齿条带动横板3左右移动，利用摩擦力带动横向的金属杆6末端横板3内的滚刷对玻璃壁面反复进行横向清洗，并在最后一次运动到其活动范围右侧合适位置时关闭第一舵机8，停止横板3运动，然后重新利用吸盘吸附横板3。

松开竖板1上的吸盘，第三舵机10驱动竖杆向右移动至合适位置，然后重新吸附竖板1；再松开主板2吸盘，由第二舵机9驱动主板2向右移动至合适位置，然后重新吸附主板2。至此，横向清洗后横板3、竖板1、主板2分别从原点向右移动了相同的距离，整体完成了一次平移，先横向清洗再整体平移的动作随着第二次松开横杆装置的吸盘将再次开启循环，直至完成一行的横向清洗。

然后在横板3、主板2处于吸附状态时，松开竖板1吸盘，由主板2上的第四舵机11驱动竖杆上的竖直锯齿条带动竖杆下移，设有中心可活动的曲柄连杆4一头连接着竖板1，另一头连接着主板2，可缓冲竖板1的下移以避免齿轮打滑，而且下移越多缓冲力度越大，导致下移速度越慢，第四舵机11从而可以精确控制下移终点于合适位置，竖板1随即吸附固定。

竖板1上引出第五舵机12，第五舵机12可驱动主板2上的竖直锯齿条带动主板2下移。在松开横板3的吸盘后，由于横板3被主板2背面的多个挂环7托着，故横板3改由主板2承重，再松开主板2的吸盘，于是主板2与横板3一起下移，但受到上述中心可活动的曲柄连杆4的缓冲，下移速度渐慢，第五舵机12从而可以精确控制主板2的下移终点也于合适位置，从而完成一次先竖板1后主板2、横板3的整体下移，然后准备第二行的横向清洗，即如此循环。

参考图10，根据本申请的一个实施例，一种新型高楼玻窗清洗机器人爬壁机器人主机模块的控制方法，其包括：

硬件初始化；

接收遥控器模块发送的动作指令；

判断当前动作指令的清洗模式；

若判断当前清洗模式为自动清洗模式，则控制吸附爬壁系统按照右-下-左-下-右的循环模式进行清洗；

当机器人运动至死区时，脱离自动清洗模式，进入手动清洗模式；

若判断当前清洗模式为手动清洗模式，则根据接收的遥控器发送的动作指令，控制爬壁系统动作。

参考图11，一种新型高楼玻窗清洗机器人遥控器模块的控制方法，其包括：

硬件初始化；

根据操作者按下按钮、触发中断；

根据中断信号判断操作者按下按钮所赋值的动作指令；

将赋值的动作指令发送至爬壁机器人主机模块。

一种新型高楼玻窗清洗机器人的控制方法，其包括：

硬件初始化；

遥控器模块根据操作者按下按钮、触发中断；

根据中断信号判断操作者按下按钮所赋值的动作指令；

将赋值的动作指令发送至爬壁机器人主机模块；

爬壁机器人主机模块接收遥控器模块发送的动作指令；

判断当前动作指令的清洗模式；

若判断当前清洗模式为自动清洗模式，则控制吸附爬壁系统按照右-下-左-下-右的循环模式进行清洗；

当机器人运动至死区时，脱离自动清洗模式，进入手动清洗模式；

若判断当前清洗模式为手动清洗模式，则根据接收的遥控器发送的动作指令，控制爬壁系统动作。

爬壁机器人主机模块在执行清洗任务时，nrf905芯片接收信号，msp430f149芯片判断机器人该做出向左走、向右走、向上走、向下走或者是自动模式工作状态的相关动作，再根据低电压检测模块采集的信号判断电源模块是否处于低压状态，若处于低压状态则机器人主控芯片向遥控器模块发送欠压信号，否则发送正常信号。

当操控者选择自动模式工作时，机器人则在玻璃壁面上进行自动清洗，程序将通过状态机的控制方式实现对机器人的自动清洗功能。当爬壁机器人进行自动清洗遇到死区时，机器人会脱离自动清洗模式并呼叫人工遥控，此时需操作者接管机器人进行手动遥控，手动遥控清洗按键有上、下、左、右四个按键，操控者通过操控按键完成清洗任务。

遥控器模块的控制芯片同样采用msp430f149单片机，程序开始先将硬件初始化，当操作者操控遥控器触发中断时，程序会自动跳到中断函数程序，根据信号判断操控者按下哪个按键(如上、下、左、右、自动模式等按键)，将其赋值送到缓冲器中并返回中断现场继续执行主函数的程序。

爬壁机器人主机模块的运行状态为：

自动清洗模式采用状态机的控制方式可以简洁有效地控制机器人完成其清洗工作任务。为了减少功耗提高效率，爬壁机器人进行清洗工作时先爬行到要擦洗的玻璃壁左上角，并从左上角开始进行方向为：右-下-左-下-右的扫描式动作循环方式完成清洗功能。

表1

参考图12和表1所示，状态机共有5种状态分别为：起始状态s0、左向右横向清洗s1、向下移动s2、右向左横向清洗s3、结束状态s4。起始状态s0是机器人处于玻璃壁左上角时的状态，此时传感器e1、e3能同时感应到信号，机器人将自动向右移动进行向右横向清洗—处于s1状态。当机器人移动到玻璃壁右边沿时，传感器e2产生感应信号，机器人则向下移动，向下移动距离设定为4.71cm，即为s2状态。随后，机器人向左进行横向清洗即为s3态。当机器人到达玻璃壁左边沿时传感器e1产生感应信号，机器人再次向下移动，移动距离同样设定为4.71cm，接着机器人向右移动进行右向清洗。这样反复循环直至机器人下移到玻璃壁下端时传感器e4产生感应信号启动中断程序停止下移并开始最后一次横向清洗，当此行清洗完成，则e14或e24的感应信号驱使机器人自动进入结束状态s4跳出自动清洗模式。

本发明体积小、质量轻、吸附爬壁以及清洗效果佳，具有较高的实用性和推广性，能够有效地解决现有机器人清洗高楼玻璃具有一定的局限性和清洗效果不佳的问题。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。