【正文】 墻：金屬框架的構(gòu)件完全沒有顯露于面板外表面的框支承玻 璃幕墻 3. 半隱框玻璃幕墻：金屬框架的豎向或橫向構(gòu)件顯露于面板外表面的框支 承玻璃幕墻 4. 全玻璃幕墻：由玻璃肋和玻璃面板構(gòu)成的玻璃幕墻。幕墻與房屋主體結(jié)構(gòu)之間柔性連接，在水平、鉛直、內(nèi)外方向上預(yù)留微量變形余地，并在相 鄰玻璃間預(yù)留 “伸縮縫 ”，縫隙下部用橡膠條隔開，以補(bǔ)償溫度影響。幕墻幾何造型豐富多彩，有豎直、斜面、圓柱面、棱臺面、球面等。 [5] 邵浩 . 清洗爬壁機(jī)器人機(jī)構(gòu)及清洗作業(yè)系統(tǒng)的研究 . [學(xué)位論文 ]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文 . 1999. [6] 廖廣奎 . 飛機(jī)清洗機(jī)器人 “SKYWASH”. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 . [7] 奇正 . “清洗巨人 ”世界上最大的機(jī)器人 . 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 . 1996. 23 [8] 李開生 . 通用擦窗機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究和實現(xiàn) . 北京工業(yè)大學(xué)博士論文 2020. [9] 遲科祥 . 顏國正 . 仿生機(jī)器人的研究狀況及其未來發(fā)展 [刊 . 中 ]. 北京 : 電子工業(yè)出版社 . 2020. [10] 錢晉武 . 何永義 . 程維明 . 多肢體自位移動機(jī)器人研究進(jìn)展 [刊 . 中 ]. 北京：高技術(shù)通訊 . 2020. [11] 張毅剛 . 彭喜元 . 彭宇 . 單片機(jī)原理及應(yīng)用 . 高等教育出版社 . 2020. 附錄 A 元器件清單 名稱 個數(shù) STC89C52 芯片 1 74HC595 5 繼電器 1 自鎖開關(guān) 1 步進(jìn)電機(jī) 10 鋁合金方管 7 微型抽氣機(jī) 1 超大吸盤 4 晶振 1 30pf 瓷片電容 2 1K 電阻 2 10uf 電容 1 8mm 絲桿 1 220V轉(zhuǎn) 5V電源模塊 1 220V轉(zhuǎn) 9V電源模塊 1 插針 70 杜邦線 50 杜邦頭 100 附錄 B 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范 根據(jù)中華人民共和國行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn) “玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范 ”[1]（ ），其中關(guān)于玻璃幕墻的相關(guān)術(shù)語規(guī)定如下：由玻璃面板與支承結(jié)構(gòu)體組成的相對主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力、不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)荷載和作用的建筑外維護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾性結(jié)構(gòu)，通稱為玻璃幕墻。 注釋 [1]. 張毅剛，彭喜元，彭宇，單片機(jī)原理及應(yīng)用，高等教育出版社， 2020，第一章第 3節(jié)。 中國的玻璃墻幕建筑越來越多，玻璃建筑的清洗需求也越來越大，可見玻璃外墻自動清潔機(jī)器人的市場很大。還有機(jī)器人的行動機(jī)構(gòu)可能不是最優(yōu)的設(shè)計，還需要更多的設(shè)計和探索。 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人是一個復(fù)雜的工程，本文所探討的方案和設(shè)計還需要進(jìn)一步的驗證和深化。 （ 10） 加入伸長和縮短甚至能彎曲的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不規(guī)則玻璃墻面的要求。 （ 8） 要選用性能更強(qiáng)的控制處理芯片，以適應(yīng)新功能的要求。 （ 6） 在吸盤與氣閥中間加上空氣壓強(qiáng)傳感器，以判斷吸盤是 否與玻璃墻面緊密貼合。 （ 4） 增加重力傳感器，及時修正機(jī)器人的姿態(tài)，使其能豎直上下，不會跑偏。 22 （ 3） 要改進(jìn)清潔頭的設(shè)計，使其清潔部更大，更良好的貼合玻璃，運(yùn)動的更快，還能自動判斷清潔過的部分的清潔度。 通過本課題的研究，為后續(xù)的產(chǎn)品研發(fā)提供了改進(jìn)意見，具體意見如下： （ 1） 步進(jìn)電機(jī)要選用轉(zhuǎn)速快 且動力足夠強(qiáng)勁的產(chǎn)品。 （ 2） 驗證了玻璃外墻自動清潔機(jī)器人的方案和設(shè)計，證實方案是有效且可行的。在文中詳細(xì)的提及了驗證機(jī)的制作過程及調(diào)試過程，驗證了玻璃外墻自動清潔機(jī)器人技術(shù)上的可行性， 并對驗證機(jī)的行進(jìn)方式、清潔過程和越障過程進(jìn)行設(shè)計和驗證。如圖21 26所示為玻璃外墻自動清潔機(jī)器人（驗證機(jī)） 。 6 結(jié)論 本課題目標(biāo)是為城市高層玻璃建筑外墻清洗服務(wù)業(yè)設(shè)計一種自動清洗機(jī)器人，以幫助人們替代人工去完 成清潔工作，減小能源消耗，降低人的風(fēng)險，提高玻璃外墻清洗效率。雖然機(jī)器人的動作有些慢，但本課題研究的目的是 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人（驗證機(jī)），主要目的是為了驗證本設(shè)計的可行性及對后來的產(chǎn)品設(shè)計提供方案，所以速度處在可以接受的范圍。在每個模塊都測試完成，并且問題都解決后，再將所有的程序都綜合起來，放在一個函數(shù)內(nèi)，同時調(diào)試，對于出現(xiàn)的問題進(jìn)行解決，最終使得玻璃外墻自動清潔機(jī)器人有序穩(wěn)定的工作。由于單片機(jī)程序下載較麻煩，為減小工作量和加快調(diào)試進(jìn)度，故首先采用計算機(jī)仿真，系統(tǒng)程序的調(diào)試使用 Keil 和Proteus 7聯(lián)調(diào)的方法 ， 圖 25仿真 為系統(tǒng)仿真圖 。 最終調(diào)試好的實物圖如圖 24。然后用萬 用表對焊接好的電路進(jìn)行檢測，如果沒有問題才能進(jìn)行下一步的調(diào)試，如果有問題一定要找出來并及時解決，且不能給后來的調(diào)試造成影響。知道沒有發(fā)現(xiàn)問題才可進(jìn)行電子元器件的焊接。機(jī)器人的電路板是在我校實驗室做出來的，由于設(shè)備不夠精密，再加上制板機(jī)性能的不足，所以刻出的 PCB板不一定能用，在使用前一定要對 PCB板進(jìn)行測量。需要注意的是要控制好清潔頭的步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)，找出最 佳的清潔程序。如果出現(xiàn)問題，則要根據(jù)問題逐一進(jìn)行解決，直到 L型腿能夠順暢的運(yùn)動，以帶動機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎及右轉(zhuǎn)彎。最后要找出升降機(jī)構(gòu)升高和降低的高度與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系。如果不能正常的上升和下降，則要查找原因，看是否是制作時工件不規(guī)范，造成阻力過大還是設(shè)計的問題，并針對該問題進(jìn)行解決。 接下來要對運(yùn)動部分進(jìn)行調(diào)試，玻璃外墻自動清潔機(jī)器人運(yùn)動部分主要是四個 L型腳及清潔頭。若能緊緊的吸附，則說明吸附設(shè)計沒有問題，完全可以達(dá)到要求。出現(xiàn)這種情況要對鋁合金框架進(jìn)行加固或從新設(shè)計。在框架中間部分施加兩倍自身重力，以測試其堅固性。 機(jī)械部分調(diào)試 本部分主要是檢查鋁合金框架是否堅固，吸附系統(tǒng)能否達(dá)到要求，以及活動部分的阻力及吻合情況，并對出現(xiàn)的問題進(jìn)行解決。由于機(jī)器人對硬件和軟件都有較強(qiáng)的要求，所以調(diào)試過程中軟件要與硬件相結(jié)合進(jìn)行調(diào)試，這樣才能確保獲取正實詳細(xì)的調(diào)試結(jié)果，才能針對調(diào)試中產(chǎn)生的問題進(jìn)行解決。在調(diào)試過程中，采用分部分調(diào)試會大大的降低調(diào)試的難度，同時還能增加調(diào)試的效率和進(jìn)度。 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人程序設(shè)計語言 由于 C語言功能的強(qiáng)大，以及良好的可讀性，再加上對 C語言的熟悉，以及 C語言編寫的簡單等因素考慮，本程序采用 C語言編寫。 然后程序根據(jù)這些部分分?jǐn)鄬懀ㄟ^函數(shù)調(diào)用將這些部分整合起來，使得 機(jī)16 器人有序、穩(wěn)定、可控的工作。 所以程序可以分成兩大塊，即指令接受部分和工作部分。 系統(tǒng)系統(tǒng) PCB 設(shè)計 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人硬件電路部分在 的原理圖如圖所示 。 （ 4） 具有一定 的可擴(kuò)展性，單片機(jī) I/O口可方便地與其他電路板連接 如圖 19，為單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 圖 19 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 單片機(jī) I/O 口的擴(kuò)展設(shè)計 由于要控制 10 個步進(jìn)電機(jī)，就需要 40 個信號輸出口，還有無線接收口，很明顯單靠單片機(jī)的管腳無法控制和驅(qū)動機(jī)器人，那么就需要對單片機(jī)的 I/O 口進(jìn)行擴(kuò)展。 （ 3） 具有基本的人機(jī)交互接口。并且要 達(dá)到如下基本要求 [1]： （ 1） 具有上電復(fù)位和手動復(fù)位功能。 圖 15 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人機(jī)械部分總體設(shè)計草圖 圖 16 機(jī)器人機(jī)械部分總體側(cè)視圖 圖 17 機(jī)器人機(jī)械部分總體正視圖 圖 18 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人機(jī)械部分總體俯視圖 14 3 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人硬件電路部分設(shè)計 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 單片機(jī)的最小系統(tǒng) ,又稱為最小應(yīng)用系統(tǒng) ,是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以進(jìn)行工作的單片機(jī)系統(tǒng) 。前部的清潔頭同時工作，就能使機(jī)器人在行進(jìn)的過程中進(jìn)行玻璃外墻的清潔工作。做完這些工作后中間的四個步進(jìn)電機(jī)同時工作，將 L型腿轉(zhuǎn)向另一邊，這樣就完成了一次前進(jìn)的動作。首先最邊緣的一個步進(jìn)電機(jī)先運(yùn)動，將帶吸盤的腿抬起來，然后與該L型腿相連的中間的步進(jìn)電機(jī)工作，將 L型腿轉(zhuǎn)向一邊，再由最外面的 步進(jìn)電機(jī)將腿落下。 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人機(jī)械部分總體設(shè)計 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人機(jī)械部分 總體設(shè)計說明：圖 15為設(shè)計圖，圖 1圖1圖 18為實物圖，可以看到，機(jī)器人的外形已經(jīng)確定，各個器件也已安裝好，機(jī)械部分順利完成。 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人 吸附系統(tǒng)設(shè)計 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人 吸附系統(tǒng)說明：如圖 14 所示，吸盤的內(nèi)部通過空氣導(dǎo)管與抽氣機(jī)相連，當(dāng)抽氣機(jī)工作的時候，吸盤與玻璃面相接的空氣被抽光，產(chǎn)生負(fù)壓，使吸盤緊緊的吸附在玻璃面上，從而使 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人 能吸附在玻璃外墻上 ，進(jìn)而工作。如圖 13所示，步進(jìn)電機(jī)直接與絲桿相連，步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)動便可帶動絲桿轉(zhuǎn)動，便可以使下面的清潔條上升和下降。 如下為圖 7，圖 8，圖 9為實物圖。 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人行走動力設(shè)計 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人行走動力設(shè)計說明： 如圖 6所示， 灰色的是步進(jìn)電機(jī)，弧形的為齒條。 圖 3 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人腿立體圖 圖 4 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人腿的正視圖 L 型腿 吸盤 步進(jìn)電 機(jī) 絲桿 齒條 L 型腿支架 圖 2 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人 腿的設(shè)計圖 10 圖 5 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人腿的整體效果圖 其基本工作原理，主要是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與吸盤相連的絲桿上的螺絲，通過螺絲的轉(zhuǎn)動來抬高或降低吸盤的高度。右下角圖為上文提到的 L型腿的支架和限位部分。 圖 1 機(jī)器人的框架設(shè)計圖 9 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人腿的設(shè)計 玻璃外墻自動清潔機(jī)器人腿的設(shè)計說明 ：如圖 2，最左邊圖中下部的橢圓，是用于吸附玻璃墻面的吸盤，與吸盤相連的黑色長條是絲桿 ,旁邊灰色的方塊是步進(jìn)電機(jī)示意圖，旁邊淺灰色長條為 L型腿。 電源模塊也選用網(wǎng)上的成品，一個 220VAC轉(zhuǎn) 5VDC4A和一個 220VAC轉(zhuǎn)9VDC電源模塊。所以就要擴(kuò)展單片機(jī)的 I/O口，在此選用74HC595。綜合以上要求，所以選取 51單片機(jī)。鑒于驗證機(jī)的大小，所以選取 8mm的絲桿。通過多個方案的設(shè)計，最終選取了絲桿的方案。步進(jìn)電機(jī)恰恰符合這些標(biāo)準(zhǔn)，由于是驗證機(jī)， 整體結(jié)構(gòu)不會很大，所以本課題選用 5VDC步進(jìn)電機(jī)。而且還可以控制抽氣機(jī)與吸盤連接的空氣導(dǎo)管的導(dǎo)通與否，來控制負(fù)壓及放氣。那么就要給吸盤放氣，這樣才能解決這個問題。所以本課題最大的問題 就是使用超大吸盤以解決機(jī)器人在墻面的吸附問題。于是就想到了生活中的吸盤，通過生活經(jīng)驗可以知道，吸盤吸在了光滑的墻壁上，直接從中間拔，就會在吸盤與墻壁之間產(chǎn)生負(fù)壓，結(jié)果是很難拔掉。 機(jī)器人要求可以在垂直的玻璃墻面上移動，如果僅僅靠安全繩來控制，則會造成機(jī)器人在空中搖擺不定，難以實現(xiàn)清潔功能，甚至還會撞壞玻璃，發(fā)生安全事故。綜合以上要求，鋁合金是最合適的制作機(jī)器人骨架的材料。 （ 8） 修改記錄及改進(jìn)方案。 （ 6） 具備無線遙控功能。 （ 4） 制作出的機(jī)器人要能動，并具有前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、越障、自動清潔等功能。 （ 2） 要提出完整而詳細(xì)的設(shè)計方案。 還有其他一些電子技術(shù)的發(fā)展，給了玻璃外墻自動清潔機(jī)器人理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。 還有步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)在的步進(jìn)電機(jī)做的很小，但扭力卻很大，由于步進(jìn)電機(jī)的可控性，在給 機(jī)器人帶來強(qiáng)大的動力時又能實現(xiàn)精確控制。 現(xiàn)在微型抽氣機(jī)的發(fā)展，使得抽氣機(jī)的重量越來越小，但是抽氣的能力確是大大的增加，這就為吸盤產(chǎn)生可控制的負(fù)壓提供了動力支持，使得吸盤能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的負(fù)壓以使機(jī)器人緊緊的吸附在玻璃上。玻璃外墻自動清潔機(jī)器人采用單片機(jī)控制，保證了其穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。改變當(dāng)前我國在玻璃外墻清洗水平的落后局面，解決人工清洗危險性大、受環(huán)境影響大、效率低和成本高等問題。 基于這些考慮，本課題參考了當(dāng)前機(jī)器人清洗服務(wù)的發(fā)展趨勢，再考慮高樓玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)特點以及國標(biāo)對玻璃幕墻清洗的規(guī)定，所以我設(shè)計了這個玻璃外墻清潔機(jī)器人。目前國外主要采用了機(jī)器人來清潔，然而這種機(jī)器人的價格過于昂貴，清洗的速度較低，效果也比較差。 那么什么是玻璃墻幕及玻璃墻幕的清理有哪些要求 ，詳細(xì)資料請見附錄 B—— 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) “玻璃幕 墻工程技術(shù)規(guī)范 ”（ ）。但這種建筑很容易變臟，降低建筑物的美感，影響市容市貌。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止 2020年 7月，僅僅重慶市目前已建成并投入使用的高層建筑就有 8664棟，在建的 649 棟，而現(xiàn)在中國在建的摩天大樓就超過 200 座，可以想象，中國的高層建筑何止萬座。 74HC595 5 目 錄 1 緒論 ........................................................................................................................... 6 課題研究背景及意義 ................................................................................................ 6 課題研究現(xiàn)狀 ....................................................