玻璃外墙自动清洁机器人(验证机)_本科毕业设计论文(编辑修改稿)

玻璃外墙自动清洁机器人(验证机)_本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

机停止工作时，吸盘内会快速进空气，从而使吸盘脱落，这样吸盘就能提升，移动。 玻璃外墙自动清洁机器人机械部分总体设计 玻璃外墙自动清洁机器人机械部分 总体设计说明：图 15为设计图，图 1图1图 18为实物图，可以看到，机器人的外形已经确定，各个器件也已安装好，机械部分顺利完成。 如图 15所示，玻璃外墙自动清洁机器人的行进和转弯，主要由中间 8个步进图 14 玻璃外墙自动清洁机器人 吸附系统示意图 丝杆 空气导管 吸盘 抽气机 图 12 机器人清洁头设计右视图 图 13 机器人清洁头设计正视图 13 电机控制。 首先最边缘的一个步进电机先运动，将带吸盘的腿抬起来，然后与该L型腿相连的中间的步进电机工作，将 L型腿转向一边，再由最外面的 步进电机将腿落下。 然后其余三个腿一个接一个的重复此动作，将 L型腿都转向一边。 做完这些工作后中间的四个步进电机同时工作，将 L型腿转向另一边，这样就完成了一次前进的动作。 左转弯，右转弯，后退也是这种原理。 前部的清洁头同时工作，就能使机器人在行进的过程中进行玻璃外墙的清洁工作。 如图 18所示，机器人可以仅凭吸盘的作用，将机器人吸附在墙面上，为实现玻璃外墙自动清洁机器人功能提供了有力的依据。 图 15 玻璃外墙自动清洁机器人机械部分总体设计草图 图 16 机器人机械部分总体侧视图 图 17 机器人机械部分总体正视图 图 18 玻璃外墙自动清洁机器人机械部分总体俯视图 14 3 玻璃外墙自动清洁机器人硬件电路部分设计 单片机最小系统设计 单片机的最小系统 ,又称为最小应用系统 ,是指用最少的元件组成的单片机可以进行工作的单片机系统。 对 51 系列单片机来说 ,最小系统一般应该包括 ： 单片机、晶振电路、复位电路。 并且要 达到如下基本要求 [1]： （ 1） 具有上电复位和手动复位功能。 （ 2） 使用单片机片内程序存储器。 （ 3） 具有基本的人机交互接口。 按键输入、 LED 显示功能。 （ 4） 具有一定 的可扩展性，单片机 I/O口可方便地与其他电路板连接 如图 19，为单片机最小系统原理图 图 19 单片机最小系统原理图 单片机 I/O 口的扩展设计 由于要控制 10 个步进电机，就需要 40 个信号输出口，还有无线接收口，很明显单靠单片机的管脚无法控制和驱动机器人，那么就需要对单片机的 I/O 口进行扩展。 由于 74HC595 芯片价格便宜，功能强大，所以本课题选用 74HC595 来进行对单片机 I/O 的扩展。 系统系统 PCB 设计 玻璃外墙自动清洁机器人硬件电路部分在 的原理图如图所示。 15 图 20 硬件电路部分设计原理图 玻璃外墙自动清洁机器人硬件电路部分在 的 PCB图 图 21 硬件电路部分设计 PCB图 4 玻璃外墙自动清洁机器人软件设计 程序设计思路 机器人的运动及工作都是由单片机来控制，单片机主要做两件事，接受无线模块发来的指令，然后按照人的要求进行工作。 所以程序可以分成两大块，即指令接受部分和工作部分。 由机器人的前进、后退、左转弯、右转弯功能，可以将工作部分再分成这四个小部分，分别是前进部分，后退部分，左转弯部分，右转弯部分。 然后程序根据这些部分分断写，通过函数调用将这些部分整合起来，使得 机16 器人有序、稳定、可控的工作。 系统总体程序算法流程图 Y Y N Y N Y 开始 系统初始化 ==1 扫描 前进 0001 0010 0100 后退 右转弯 停止 左转弯 结束 N N 图 22 系统总体程序算法流程图 17 玻璃外墙自动清洁机器人前进程序算法流程图 Y Y Y Y Y Y Y Y 开始 前进 I=0 程序 1 程序 2 程序 7 程序 8 程序 4 程序 5 程序 3 程序 6 程序 9 程序 10 返回主函数 I=1 I=2 I=3 I=4 I=5 I=6 I=7 I=8 Y N N N N N N N N 图 23 玻璃外墙自动清洁机器人前进程序算法流程图 18 玻璃外墙自动清洁机器人后退、左转弯、右转弯程序算法流程图 原理参照上图。 玻璃外墙自动清洁机器人程序设计语言 由于 C语言功能的强大，以及良好的可读性，再加上对 C语言的熟悉，以及 C语言编写的简单等因素考虑，本程序采用 C语言编写。 5 调试 调试整体方案 玻璃外墙自动清洁机器人系统调试可分为三部分，分别是机械部分调试、电路硬件调试及系统软件调试。 在调试过程中，采用分部分调试会大大的降低调试的难度，同时还能增加调试的效率和进度。 所以本课题的调试方案采用分部分分模块的方法进行调试。 由于机器人对硬件和软件都有较强的要求，所以调试过程中软件要与硬件相结合进行调试，这样才能确保获取正实详细的调试结果，才能针对调试中产生的问题进行解决。 然后排除各模块部分的问题，再进行综合调试，对所产生的的问题进行解决，并最终调试出玻璃外墙自动清洁机器人，使其能稳定、有序的工作。 机械部分调试 本部分主要是检查铝合金框架是否坚固，吸附系统能否达到要求，以及活动部分的阻力及吻合情况，并对出现的问题进行解决。 首先对铝合金框架进行耐压测试。 在框架中间部分施加两倍自身重力，以测试其坚固性。 若铝合金框架或结合部出现变形，则说明铝合金框架制作或设计的不合理。 出现这种情况要对铝合金框架进行加固或从新设计。 对吸附系统的调试主要是测吸盘的气密性及微型真空抽气机能否产生足够的低压，方法很简单，直接将吸盘通过气管与抽气机相连，在将吸盘吸附在玻璃墙面上，在对吸盘施加向下的力，加到机器人自重的一半， 并持续一段时间。 若能紧紧的吸附，则说明吸附设计没有问题，完全可以达到要求。 若不能，则要查明原因，看是气密性不好还是抽气机的动力不足，然后针对问题进行解决。 接下来要对运动部分进行调试，玻璃外墙自动清洁机器人运动部分主要是四个 L型脚及清洁头。 首先要对 L型腿上的升降机构进行调试，使用单片机开发板控制步进电机正转和反转，以实现升降机构的上升和下降。 如果不能正常的上升和下降，则要查找原因，看是否是制作时工件不规范，造成阻力过大还是设计的问题，并针对该问题进行解决。 若可以正常进行升降，则加上重量，看看能否负重升降，若 不能，找出原因并解决。 最后要找出升降机构升高和降低的高度与步进电机转数的关系。 接下来是对 L型腿的前进和后退机构进行调试，将 L型腿组装到铝合金支架19 上，然后用单片机开发板对铝合金框架中间的步进电机进行控制，用步进电机的正转和反转来带动 L型腿的前进和后退，并通过测试得出 L型腿前进与后退与步进电机圈数的关系。 如果出现问题，则要根据问题逐一进行解决，直到 L型腿能够顺畅的运动，以带动机器人的前进、后退、左转弯及右转弯。 下面是对清洁头的，方法类似上面对步进电机的调试。 需要注意的是要控制好清洁头的步进电机的状态，找出最 佳的清洁程序。 硬件电路的调试 玻璃外墙自动清洁机器人 硬件电路的调试，主要是对最小系统版的调试，看做出的 PCB板能否达到要求，正常的工作。 机器人的电路板是在我校实验室做出来的，由于设备不够精密，再加上制板机性能的不足，所以刻出的 PCB板不一定能用，在使用前一定要对 PCB板进行测量。 测量时要使用万用表，对布的每一根线进行通路测试，并检查刻出的板子有没有错误。 知道没有发现问题才可进行电子元器件的焊接。 焊接前要先用仪器检测元器件的正常与否，焊接时要遵守电路板焊接的要求，切勿造成虚焊、漏焊等问题。 然后用万 用表对焊接好的电路进行检测，如果没有问题才能进行下一步的调试，如果有问题一定要找出来并及时解决，且不能给后来的调试造成影响。 之后就是对最小系统板进行调试，将测试程序用开发板烧入 51芯片中，再把 51芯片卡到最小系统板上，接通电源，按下自锁开关，用万用表测量各管脚的电平，看是否与测试程序一致，尤其是 74HC595的各个管脚。 最终调试好的实物图如图 24。 图 24 硬件电路实物图 20 系统程序的调试 由于机器人的吸附、前进、后退、左转弯、右转弯功能的相对独立，为减小程序调试的难度，所以采用分摸块进行调试。 由于单片机程序下载较麻烦，为减小工作量和加快调试进度，故首先采用计算机仿真，系统程序的调试使用 Keil 和Proteus 7联调的方法 ， 图 25仿真 为系统仿真图。 图 25 系统程序的调试仿真图 在计算机上仿真实现后再在玻璃外墙自动清洁机器人上进行测试，在测试的时候及时发现问题，并记录和修改硬件和软件，以使机器人达到最佳的工作状态。 在每个模块都测试完成，并且问题都解决后，再将所有的程序都综合起来，放在一个函数内，同时调试，对于出现的问题进行解决，最终使得玻璃外墙自动清洁机器人有序稳定的工作。 调 试结果 通过一系列的调试，解决了很多的问题，终于看到了能工作的机器人，机器人实现了玻璃墙面的吸附，以及在地面上前进、后退、左转弯、右转弯以及自动清洁的功能，并且机器人可以实现人工控制。 虽然机器人的动作有些慢，但本课题研究的目的是 玻璃外墙自动清洁机器人（验证机），主要目的是为了验证本设计的可行性及对后来的产品设计提供方案，所以速度处在可以接受的范围。 总体上，通过调试，实现了玻璃外墙自动清洁机器人的所有功能。 6 结论 本课题目标是为城市高层玻璃建筑外墙清洗服务业设计一种自动清洗机器人，以帮助人们替代人工去完 成清洁工作，减小能源消耗，降低人的风险，提高玻璃外墙清洗效率。 课题成功的研制了一台玻璃外墙自动清洁机器人验证机，该验证机能适合几乎所有的玻璃外墙，即使一些有弧度、有障碍的玻璃墙面。 如图21 26所示为玻璃外墙自动清洁机器人（验证机）。 图 26 玻璃外墙自动清洁机器人（验证机） 本论文详细的讲解了 玻璃外墙自动清洁机器人的设计及调试过程，在设计的时候参阅了大量的相关文献，也在网上查阅了很多的资料，并最终确定了设计的方案及原料。 在文中详细的提及了验证机的制作过程及调试过程，验证了玻璃外墙自动清洁机器人技术上的可行性， 并对验证机的行进方式、清洁过程和越障过程进行设计和验证。 总结本课题的研究工作，得出以下结论： （ 1） 玻璃外墙自动清洁机器人（验证机）的制作和设计是成功的，实现了课题开头的功能要求，即能够无线遥控，并具有前进、后退、左转弯、右转弯、越障、自动清洁等功能。 （ 2） 验证了玻璃外墙自动清洁机器人的方案和设计，证实方案是有效且可行的。 （ 3） 通过制作实体和系统调试，积累了设计经验，为后来产品的设计提供了技术支持和改进意见。 通过本课题的研究，为后续的产品研发提供了改进意见，具体意见如下： （ 1） 步进电机要选用转速快 且动力足够强劲的产品。 （ 2） 铝合金框架的制作要精密，不同部位的粗细及硬度要求不一样，要做好设计，以降低机器人的重量和材料的使用。 22 （ 3） 要改进清洁头的设计，使其清洁部更大，更良好的贴合玻璃，运动的更快，还能自动判断清洁过的部分的清洁度。 还要设计专门的擦玻璃边角的清洁头，两个清洁头配合使用，可处理任何的玻璃墙面。 （ 4） 增加重力传感器，及时修正机器人的姿态，使其能竖直上下，不会跑偏。 （ 5） 在吸盘部分加上气阀，使吸盘不至于在腿抬起的时候因负压而抬不起。 （ 6） 在吸盘与气阀中间加上空气压强传感器，以判断吸盘是 否与玻璃墙面紧密贴合。 （ 7） 在机器人前部加上摄像头，以判断清洁后的玻璃墙面和未清洁的玻璃墙面的状况，好人为的加以干预，以便更好地完成清洁工作。 （ 8） 要选用性能更强的控制处理芯片，以适应新功能的要求。 （ 9） 设计成可拆卸结构，便于运输。 （ 10） 加入伸长和缩短甚至能弯曲的结构，以适应不规则玻璃墙面的要求。 （ 11） 使用更大功率的真空抽气机，以确定在吸盘内产生足够的负压。 玻璃外墙自动清洁机器人是一个复杂的工程，本文所探讨的方案和设计还需要进一步的验证和深化。 机器人四个吸盘的结构很可能难以承担吸附的重任，吸附机构还需要更多的改进。 还有机器人的行动机构可能不是最优的设计，还需要更多的设计和探索。 玻璃外墙自动清洁机器人要实行产业化还有很长的路走，还需要加入更多复杂的功能，以及开发出更多型号的机器人，以适应不同墙面及不同客户的需求。 中国的玻璃墙幕建筑越来越多，玻璃建筑的清洗需求也越来越大，可见玻璃外墙自动清洁机器人的市场很大。 我有理由相信，只要能设计出合理的、有效的、安全的玻璃外墙自动清洁机器人，一定会给中国的玻璃建筑清洗业带来新的选择。 注释 [1]. 张毅刚，彭喜元，彭宇，单片机原理及应用，高等教育出版社， 2020，第一章第 3节。 参考文献 [1] 郭天祥 . 51 单片机 C 语言教程 [M]．北京：电子工业出版社 . 2020. [2] 张毅刚，彭戏元，彭 宇．单片机原理及应用（第二版） [M]．北京：高等教育出版社． 2020. [3。