高层玻璃清洗装置设计与分析

PAGEPAGEI摘要随着社会的发展，人们对美好事物的追求越来越高，城市的发展离不开高楼大厦的崛起，高楼林立成了城市的标志之一。大厦为了提升室内的采光能力，越来越多的建筑高楼采用向阳的大面积玻璃窗作为墙体，随着时间的推移，玻璃需要清洗，就诞生了“蜘蛛人”这个行业，由于完全高空作业，危险系数较高，非常希望有智能化的设备代替完成工作，擦窗机器人作为一种智能服务型机器人，可以有效的解决人工高空擦窗作业的安全问题，提高清洁作业的效率，降低清洁成本。目前现代化建筑的大面积玻璃窗存在的窗框类障碍物，限制了擦窗机器人单次爬行的最大范围和工作能力。本文针对这一问题，设计了一种履带式和双足式复合驱动的擦窗机器人，通过搭载双负压吸附系统使机器人能够在工作安全可靠的前提下，具有良好的越障能力。关键词：玻璃；擦窗机器人；越障能力PAGE1目录第1章绪论 11.1研究背景 11.2研究意义 11.3擦窗机器人国内外研究现状 11.3.1国内研究现在 11.3.2国外研究现状 31.3.3文献综述 31.4论文研究内容 3第2章履足复合式擦窗机器人结构设计 42.1机械结构总体设计 42.1.1功能需求分析 42.1.2机器人总体结构 42.2吸附系统设计与分析 52.2.1吸附方式分析与对比 52.2.2吸附系统结构设计 62.3清洁系统设计与分析 82.4越障系统设计与分析 11第3章履足复合式擦窗机器人控制系统设计 133.1机器人硬件控制系统设计 133.1.1硬件控制体系结构搭建 133.1.2硬件控制系统器件选型 133.1.3硬件控制系统电路设计 153.2机器人软件控制系统设计 183.2.1软件控制体系结构搭建 183.2.2软件控制系统程序调试 193.3机器人清洁功能实验与分析 21结论 22参考文献 23致谢 24第1章绪论1.1研究背景近年来，随着建筑行业水平的提高，城市高楼大厦数量的日益增加。为了提升室内的采光能力，越来越多的建筑高楼采用向阳的大面积玻璃窗作为墙体。而提升采光能力的同时也伴随着清洁问题的出现。传统的人工清洁作为常见的清洁方式，在效率和安全性方面面临着诸多挑战。为了解决上述问题，开发一种能够自主、高效地完成擦窗任务的机器人已经成为一个热门的研究方向。对于新型的建筑高楼，为了赋予更多的建筑美感和设计灵活性，大面积玻璃窗也存在有各种材料和大小的窗框。这些窗框不仅限制了传统擦窗机器人的运动范围，也增加了擦窗任务的复杂性。因此，面对复杂的大面积玻璃窗，传统的擦窗机器人不能完全适用，要求研究的擦窗机器人在保证安全高效清洁能力的同时还要具备一定的越障能力，从而提高机器人的工作范围和作业能力。1.2研究意义本文提出了履足复合驱动方式的构型，设计了一种履足复合式的擦窗机器人以提高机器人的工作范围和效率。分析机器人在工作环境下的稳定性，实现了安全可靠的吸附能力。机器人能够自主、高效地完成擦窗任务，并通过越障技术克服窗框类障碍物的限制。擦窗机器人的研究对代替人工清洁具有重要的现实意义和应用前景。随着科技的不断进步和发展，擦窗机器人得到更加广泛的应用。为城市高楼大厦的擦窗任务带来实质性的改变，保护工作人员的安全，并推动建筑行业向智能化、高效化的方向发展是现代擦窗机器人研究的必然需求。1.3擦窗机器人国内外研究现状1.3.1国内研究现在1996年，北京航空航天大学研制了第一代擦窗机器人SkyCleaner，如图1-1a所示，其主要应用于水平玻璃面的清洁，清洁效率不高。于2009年，在此基础上研制出第四代擦窗机器人SkyCleanerⅣ，其重量约45kg。如图1-1b所示，其吸附方式为安装在机器人底部的真空吸盘，并通过控制真空泵及吸盘足的交替轮换实现在玻璃表面上的移动，能够在玻璃表面上实现越障功能。香港城市大学与内地大学一同合作研发了多种擦窗机器人，如图1-1所示的机器人Cleanbot-Ⅱ，在Cleanbot-Ⅰ机器人的基础上进行了结构优化，采用了坦克式外形设计，履带上安装了大量吸盘组组成的吸附系统，可实现边吸附边移动。图1-1国内真空吸附擦窗机器人在采用负压吸附方式上，2000年，哈尔滨工业大学研制的玻璃清洁作业的“CLR-Ⅱ”机器人，在原型基础上进行了改进优化。如图1-2a所示，该机器人采用高速旋转的离心风机作为负压产生装置，使机体与玻璃面之间产生负压区。2017年，黑蚁机器人公司采用双密封腔设计，实现了擦窗机器人“VCR”的吸附功能，如图1-2b所示。该机器人采用负压吸附方式可以在不同材质的墙面上作业，适应能力强，功耗低。图1-2负压吸附擦窗机器人在采用框架移动方式下，2021年，重庆大学研制的框架式擦窗机器人，如图1-3a所示。同年，燕山大学研制的框架式擦窗机器人，如图1-3b所示。这两款擦窗机器人都是采用吸盘真空吸附方式实现在玻璃窗表面的附着，通过控制吸盘组在机器人本体框架上的移动，实现机器人上下、左右移动。机器人具有较强的吸附能力和良好的越障能力，并且能够实现对清洁污水的回收。图1-3框架式移动方式擦窗机器人1.3.2国外研究现状在采用真空吸附方式上，瑞士的SERBOT公司研制的擦窗机器人“GEKKO”是世界上第一台面向市场的清洁机器人。如图1-3所示，机器人采用真空吸附方式实现玻璃窗面上的附着。机器人两侧设有双向轨道，并且轨道上装有大量吸盘。机器人通过真空泵控制吸盘的吸力，使其牢固附着在玻璃窗面上。吸盘沿轨道移动，机器人在吸盘组的交替吸附下实现在玻璃窗面上的移动。图1-3国外真空吸附擦窗机器人1.3.3文献综述虽然国内外对擦窗机器人技术开展的大量研究，也获得了丰富的成果，但大多数的擦窗机器人作业范围限于环境的影响，机器人在应对窗框类障碍物时不能完全的实现自主过渡，从而限制了机器人的单次作业空间，降低了作业能力。因此，研究擦窗机器人在保证安全可靠作业的前提下具有跨越障碍物能力的问题，具有重要的研究价值和意义。1.4论文研究内容本文针对市面上擦窗机器人在执行清洁任务时，因玻璃窗表面存在窗框类障碍物，导致机器人单次爬行的最大距离受限，使机器人作业能力变低的问题进行研究。首先，通过需求分析，设计了一种对玻璃窗面具有清洁作用并能够跨越窗框类障碍物的履足复合式擦窗机器人，确定相关参数。随后对机器人的设计方案拟定。然后对机器人的结构设计。最后，设计了机器人的控制系统。第2章履足复合式擦窗机器人结构设计2.1机械结构总体设计2.1.1功能需求分析随着现代化城市的发展，越来越多建筑物的大面积玻璃窗需要清洗。大多数的玻璃窗存在宽高不等的窗框类障碍物。使机器人的工作范围受限，从而影响机器人单次爬行的最大距离和作业能力。为了确保机器人能够安全地吸附在玻璃表面并实现灵活移动和越障功能，对其结构特点和吸附能力提出了更高的要求。结合实际需求，本文的履足复合式擦窗机器人应满足以下主要功能：运动灵活性：擦窗机器人在竖直或倾斜的玻璃面上爬行时，需要具备直行、转弯以及调速的能力，运动要更加灵活。吸附可靠性：吸附的可靠性是擦窗机器人正常安全工作的必要前提。吸附的可靠性就是要保证机器人在执行作业时不会发生滑落和倾覆。良好的越障能力：擦窗机器人在玻璃面上执行清洁作业任务过程中，可以对玻璃面上的窗框实现良好的越障效果。较强负载能力：擦窗机器人除了需要承受自身的重力外，还要承受一定设备的重量，因此根据执行任务的因素条件，机器人需要具备较强的负载能力。良好的清洁效果：机器人是否能够适应工作环境，清洁效果是鉴别的参考依据，主要包含清洁程度、清洁效率、清洁覆盖率等。2.1.2机器人总体结构本文通过结合履带式移动方式和脚足式移动方式组成履足复合式擦窗机器人。使得该机器人既充分发挥了在履带方式下驱动力大、传动平稳和脚足方式下越障能力强的优点，也弥补了机器人在履带方式下越障能力差和脚足方式下移动速度慢的缺点，扩大了机器人的运动空间范围。本文的脚足式移动方式选用双足，其相比于四足、六足而言控制更为简单，效率更高。如图2-1所示，机器人由双负压吸附系统、双清洁装置、四履带式移动机构和三自由度关节足式移动机构结合组成。机器人的两种移动方式可实现自主切换，机器人在执行清洁作业任务时，采用履带式移动方式，此时机器人具有三个自由度，在机器人坐标系下分别为X，Y轴方向的移动自由度和Z轴方向的旋转自由度。机器人在跨越窗框类障碍物时，采用双足式移动方式，此时机器人能够通过三个转动关节的配合实现面与面的过渡运动和跨越障碍物的运动。图2-1机器人整机模型履足复合式擦窗机器人实物样机如图2-2所示。其外形结构选用铝合金材料，使机器人保证降低自身重量的同时，具有足够的强度来承受工作负载和应力，这对于机器人的运动性能具有积极作用。机器人总体结构相关参数如表2-1所示图2-2机器人实物样机表2-1机器人总体结构参数名称参数机器人整机体积400*233*88机器人整机质量（kg）2.6密封腔面积（mm）115*100履带轮组（个）4负压区域（个）22.2吸附系统设计与分析2.2.1吸附方式分析与对比目前，擦窗机器人的吸附方式主要有负压吸附、磁吸附、真空吸附、推力吸附。真空吸附方式主要是以吸盘、真空泵等作为真空发生装置，靠真空泵将空气从吸盘吸入口抽出，使机器人底部吸盘与玻璃面之间产生真空，靠真空压力将机器人吸附在玻璃表面。负压吸附主要是由离心叶轮、密封腔、电机等作为负压产生装置，靠电机带动离心叶轮高速转动，通过持续抽出密封腔内的空气，从而使密封腔内的气压与密封腔外的气压形成压差，从而产生吸附力，在力的作用下使机器人吸附在玻璃表面。磁吸附方式主要是由主动机和随动机两部分组成，分别放置于玻璃的内外两侧，靠内部安装的永磁铁或电磁铁相互磁吸将玻璃夹住。推力吸附主要是利用螺旋桨旋转产生推力，使机器人贴附在玻璃表面。机器人吸附方式对比如表2-2所示。表2-2机器人吸附方式对比吸附方式优点缺点真空吸附控制简单、吸附力可调整、结构简单负压空间小、适应能力弱、对玻璃面平滑性要求高负压吸附适应能力强、吸附力可调整、负压空间大、稳定性好需要自主设计密封腔、噪声比较大磁吸附吸附力大、适应能力强、承载能力大吸附力不可调、对玻璃有损伤、拿取不方便推力吸附适应能力强、吸附力可调整安全性低、噪音大、体积大、控制困难本文的履足复合式擦窗机器人的应用环境为大面积玻璃窗，主要考虑吸附方式的可靠性、便捷性。通过吸附方式的对比，本文选用负压吸附方式作为最终的吸附方案。2.2.2吸附系统结构设计当机器人在玻璃窗面工作时，必须克服自身的重力，依靠吸附力来确保稳定。这种吸附力实际上就是机器人对玻璃窗面施加的垂直正压力。为了保证机器人能够在玻璃窗面上稳定移动，分析设计机器人的吸附系统是机器人工作安全稳定的关键。如图2-3所示，负压吸附系统由直流无刷电机、离心叶轮、密封腔、密封装置等组成。图2-3吸附系统结构剖视图负压吸附的工作原理：离心叶轮由直流无刷电机带动高速旋转做功，叶片会加速周围的气体流动，持续不断将密封腔内部的气体排出。根据贝努力定律可知，当流体的速度增加时，其静压降低。从而使密封腔内外形成压力差，内部处于低压状态，外部处于高压状态，导致密封腔内部会形成负压区域。因此，当密封腔靠近玻璃窗面时，低压区域会吸引密封腔，并由于大气压力的作用下，密封腔就能紧密地附着在玻璃窗面上。离心叶轮持续高速旋转，密封腔内部低压气体耗散的动能被排出，最终形成了一个持续不断的循环系统。(1)离心叶轮的设计负压的产生是通过离心叶轮高速旋转得到的，因此有必要对离心叶轮的结构进行分析与设计。如图2-4所示，离心叶轮的主要参数包括叶轮入口端直径D0，叶片入口直径D1，叶轮外径D2，叶片入口宽度d1，叶片出口宽度d2，叶片入口几何角βa，叶片出口几何角βb。通过设计这些参数，可以实现理想的负压产生和流体传输效果。表2-3离心轮集合参数，图2-5离心叶轮图2-4离心叶轮几何参数示意图表2-3离心叶轮几何参数几何参数数值叶轮入口端直径D0（mm）31叶片入口直径D1（mm）30叶轮外径D2（mm）70叶片入口宽度d1（mm）16叶片出口宽度d2（mm）5叶片入口几何角βa（°）30叶片出口几何角βb（°）65叶片数量（片）7图2-4离心叶轮(2)密封圈的设计密封圈在负压吸附系统中起到密封的作用，是不可或缺的一部分。密封圈的好坏直接影响了擦窗机器人吸附力的稳定性。一般情况下，擦窗机器人底部密封腔的四周会安装一圈柔性密封圈，阻隔密封腔腔外的空气，密封腔内外形成了压力差，从而使机器人的吸附系统产生吸附力。当擦窗机器人执行作业任务时，会受到玻璃面摩擦力大或不平整等因素的影响。这需要机器人的密封圈具备一定的滑动密封性及抗磨损能力，使密封圈在滑动时不漏气且摩擦阻力尽量小。常见的密封方式有：充气式密封、机械式密封、弹性密封、环绕式密封等。本文选用弹性密封的方式，采用鱼鳞布、低密度弹性海绵结合的材料，与密封腔四周柔性连接，如图2-5所示。通过实验测试对比，在保证密封腔内外压力差的前提下，有效减小了行驶阻力。图2-5吸附系统结构与密封圈(3)叶轮电机的选取负压吸附系统内部需要足够的吸附力使机器人附着在玻璃表面，所以要求离心叶轮有足够快的转速，一般为10000~20000r/min。本文选用D1806微型直流无刷电机，最高转速可达20500r/min。实际转速的控制是通过密封腔内的气压传感器采集的气压值，对电机转速进行调节的。所选叶轮电机的性能参数如表2-4所示。表2-4叶轮电机性能参数名称参数额定电压（DCV）12转速（r/min）20500功率（W）47重量（g）202.3清洁系统设计与分析2.3.1清洁装置设计与分析常见的清洁方案包括毛辊刷、高密度纤维布、和海绵等。这些清洁方案在设计时需要考虑两个方面的问题。一方面，清洁结构需要在刮擦玻璃表面时具备足够的摩擦力，以达到更好的清洁效果。另一方面，这种摩擦力会对机器人的动力性能产生负面影响，因此设计时需要权衡这组矛盾，对清洁系统设计和机器人动力分析更高的要求。毛辊刷虽然可以提供均匀的压力，但拆卸不便并且会留下污渍痕迹。硅胶刮条在清洁顽固污渍方面效果较好，但过大的摩擦会妨碍机器人的运动。而高密度纤维布的结构相对简单，通过配合清洁剂可实现良好的清洁效果。如图2-7所示，初步选择了高密度纤维布和海绵结合作为清洁方案，并根据机器人本体结构和其他功能需求进行工艺设计的优化。机器人共有两个清洁装置，分别置于机器人的前后两端，可增大清洁范围的同时重复经过污渍区域，从而提高了去污程度。图2-6清洁装置2.3.2移动装置设计与分析清洁装置安装在机器人底盘上，对玻璃窗面的清洁作业是在移动装置的带动下完成的。目前擦窗机器人的移动方式主要有轮式移动、履带式移动、脚足式移动和框架式移动。机器人移动方式对比如表2-5所示。表2-5机器人移动方式对比移动方式优点缺点真空吸附控制简单、吸附力可调整、结构简单负压空间小、适应能力弱、对玻璃面平滑性要求高负压吸附适应能力强、吸附力可调整、负压空间大、稳定性好需要自主设计密封腔、噪声比较大磁吸附吸附力大、适应能力强、承载能力大吸附力不可调、对玻璃有损伤、拿取不方便推力吸附适应能力强、吸附力可调整安全性低、噪音大、体积大、控制困难考虑擦窗机器人在玻璃表面移动时会出现打滑现象，所以最终选择履带移动方式。相比于轮式，履带与玻璃面为面接触，接触面积更大，有效避免摩擦力不足的问题。（1）驱动电机的选型擦窗机器人在玻璃窗表面移动，都是通过驱动模块控制电机的工作。因此，驱动电机的选择至关重要，其为机器人的安全移动提供了保证。一个合适的驱动电机能够有助于机器人工作效率的提高。根据实际应用需求，本文选择直流减速电机作为移动装置的驱动器，驱动电机性能参数如表2-6所示。表2-6驱动电机性能参数名称参数额定电压（DCV）12电机转速（r/min）18000空载输出转速（r/min）60额定扭矩（kg/cm16负载电流（A）不大于22重量（g）150（2）移动装置的设计擦窗机器人的移动装置由主动轮、从动轮、同步带、轮罩、减速箱和直流电机组成。主动轮和从动轮由轮罩固定位置，减速箱配合小型直流减速电机作为动力源与主动轮相连。主动轮、从动轮和轮罩采用工程塑料，减轻机器人重量的同时又能满足强度要求。同步带传动机构材料采用天然橡胶，其具有较高的摩擦系数、耐磨损性和强度。从而为机器人在垂直玻璃壁面上提供足够的驱动力。机器人移动机装置由驱动电机经过减速箱作用后输出转速可降60r/min。为保证擦窗机器人工作的安全性，机器人的行驶速度一般不超过100mm/s。本文所设计的移动装置主动轮和从动轮的分度圆直径为42mm，中心距为53mm，从而得到同步带的总长度为238mm。图2.7履带移动机构2.4越障系统设计与分析2.4.1越障系统结构设计由表2.5可以看出越障能力较强的移动方式为脚足式和框架式。相比于框架式，脚足式结构更为简单。本文擦窗机器人选择脚足式作为越障方案，通过与履带移动方式结合，既充分发挥了机器人在履带方式下驱动力大、与玻璃表面的接触面积大，脚足方式下越障能力强的优点；也弥补了机器人在履带方式下越障能力差和脚足方式下移动速度慢的缺点。机器人在正常执行清洁工作时，采用履带移动方式。跨越窗框类障碍物时，切换脚足式移动方式。在脚足式移动方式中，有双足、四足、六足等控制方式。脚足的数量越多，控制越复杂。因此，为了机器人的可达位置更广泛、越障效率更高，本文选择三个旋转关节组成的双足式越障机构。为使机器人实现满足面与面的转换和越障功能，机器人至少由两个车体组成，即机器人采用双负压系统机构由双足式越障机构连接而成。双足式越障机构可以使机器人配合双负压系统的交替吸附，实现面与面的转换和越障运动。履带移动装置可以使机器人在玻璃面上实现平面的转向，配合双足式移动机构，可实现对机器人位姿的控制。双足式越障机构采用三个旋转关节组成，每个关节由串级舵机驱动实现旋转运动并可固定角度实现自锁。双足式越障机构如图2-8所示。图2-8双足式越障机构双足式越障机构中，关节1与关节3的两侧与机器人两个单体相连，其中一侧直接通过舵机连接，另一侧通过轴承与螺母连接。最后，通过第三章中对机器人的力学分析，为驱动舵机的选型提供了参考标准。舵机选用UART总线伺服舵机的RA8-U35型号。性能参数如表2-7所示。表2-7性能参数表名称参数工作电压（DCV）12有效角度（0）360扭矩（kg/cm3.43空载电流（mA））200堵载电流(A)3重量（g）53第3章履足复合式擦窗机器人控制系统设计3.1机器人硬件控制系统设计3.1.1硬件控制体系结构搭建擦窗机器人能够在垂直窗户表面上稳定地执行清洁作业及越障任务，关键在于各驱动元件之间的配合控制。当机器人接收到控制端口发送的开始命令时，机器人会启动负压吸附系统，使其能够稳定吸附在窗户表面上。操作人员可以通过PC端无线接收到检测系统传输的数据，完成对环境的检测和机器人的运动控制。控制系统是擦窗机器人的大脑，其性能决定了机器人能否高效完成指定任务。图3-1机器人硬件控制系统体系结构3.1.2硬件控制系统器件选型（1）传感器模块擦窗机器人在工作环境中会受到各种因素的影响，检测系统的合理选择和布局设置是实现机器人对环境准确检测的保证。本文的检测系统主要由各传感器组成，传感器将检测信号传输给主控芯片，主控芯片接收到信号后迅速做出响应，控制驱动元件动作。传感器模块主要包括超声波传感器、压力传感器、气压传感器。机器人在行进过程中，需要对前后方的障碍物进行测量。选用HC-SR04超声波传感器，如图3-2a所示，其测量角度范围为15°的锥形区域。机器人的前后方各安装3个超声波传感器。左右两侧的传感器分别与中间传感器间隔45°且对称布置。机器人可以实现对前后方52.5°范围内的障碍物进行检测。a超声波传感器b压力传感器c气压传感器图3-2传感器检测模块机器人以双足方式越障时，需要判断移动单体越过障碍物后，是否与玻璃窗面平行接触，从而实现对越障机构的关节角度控制。本文选择了如图5.2b所示的聚酯薄膜压力传感器RP-C10-LT对机器人与玻璃面间的接触力进行检测。将其安装于密封圈每条边的海绵层之间。传感器的性能参数如表3-1所示。表3-1压力传感器RP-C10-LT性能参数名称参数感应区直径（mm）9尺寸（mm）40×10触发力（g）5灵敏度范围（g）20-2000响应时间（us）<10当机器人在玻璃表面执行相应工作任务时，需要气压传感器对密封腔内的压强进行检测，以判断机器人是否处于安全吸附的状态，传感器采集的数据作为输入值传输给主控制器，从而控制离心叶轮的转速。本文采用了BMP280气压传感器，精度可以达到0.2Pa并且功耗低。如图3-2c所示。（2）无线通讯模块无线通讯模块可以实现PC端上位机与擦窗机器人下位机之间的远程控制和数据传输。本文采用如图3-3所示的ESP8266-01S通讯模块建立上位机与下位机之间的信息交互。ESP8266-01S是ESP8266系列中最小的模块之一，虽然尺寸小，但其具有出色的功能。它支持TCP/IP协议栈，通过WIFI连接到互联网，能够实现网络通信、远程控制和数据传输等功能，并且其功耗低。该模块共有八个引脚，其中，VCC接主控制板的3.3V电源，GND接地，RST悬空或接主控制器的复位引脚，CH_PD接高电平处于使能状态，GPIO0悬空处于工作模式，GPIO2连接主控制器的通用I/O口，RXD与TXD作为接收数据段与发送数据段分别连接主控制器的PC11和PC10，用于数据通讯。并且该模块添加了3DBI的无限增益，通信距离可达100m。图3-3ESP8266-01S通讯模块3.1.3硬件控制系统电路设计（1）主控制器模块在现代控制系统中，主控制器模块扮演着核心角色，负责整个系统的数据处理、决策和控制任务。本文采用STM32F103RCT6芯片作为主控制器模块的设计方案。STM32F103RCT6是ST公司较为广泛应用的产品系列之一，有良好的性能和可靠性。其优点在于高性能、低功耗、有丰富的接口等。内部集成有256KB的Flash存储器，48KB的RAM容量，具有64个引脚，51个通用I/O口，工作电压为2V~3.6V。图3-4主控制器模块电路原理图如图3-4所示，在主控制器模块的电路设计中，工作电压为3.3V，将PD0和PD1作为时钟电路接入端，连接8MHz的时钟振荡器，为主控制器提供稳定的时钟源来同步内部操作，确保主控制器以准确的频率运行，从而保证程序的正常执行和外设的稳定工作。NRST为复位引脚，复位电路用于系统运行时的按键复位。PA13与PA14引脚为程序下载口，程序下载方式使用JLINK的SW模式，从而提高程序下载速度。（2）电源模块履足复合式擦窗机器人的供电方式采用电缆直接供电的方式，外部供电采用220V转12V开关电源，因此，主控制板的电源电压为12V。内部供电需要将12V的直流电源转换为5V和3.3V的低电压电源，以供给机器人系统中的不同模块使用。如图3-5所示，电源模块是将12V输入电压通过ME3116降压型芯片将工作电压降至5V，可供给舵机转接板模块使用。再通过TLV62569DBVR降压芯片将工作电压降至3.3V，以达到主控制器的正常工作电压。最后，对每个引脚加了相应的去耦电容以稳定电压，提高了整个电路的性能和时钟的稳定性。图3-5电源模块电路图（3）电机驱动模块履足复合式擦窗机器人共有六个直流电机。其中，四个直流电机用于移动装置驱动机器人运动，两个直流电机用于负压吸附系统驱动叶轮旋转。本文采用L298N模块驱动直流电机。L298N模块集成了双H桥电路，每个H桥电路可实现对一个直流电机方向和速度的控制，可以提供相对较高的输出功率，可满足大部分电机的需求，并且内部集成了过流保护、过热保护，在一定程度上提升了系统的稳定性。L298N模块接线简单，使用方便。通过控制输入信号即可实现对电机的控制。如图3-6所示，本电机驱动采用了三个L298N模块来驱动六个直流电机，其中，L298N模块ENA和ENB端可以接收主控制器发送的PWM信号，以控制电机的转速。通过改变输入端IN1~IN4的高低电平，以控制电机的转向。CN2~CN7为各电机接口。图3-6电机驱动模块电路图本节通过嘉立创EDA电路设计软件，绘制出硬件控制系统中各模块的硬件电路原理图，根据上述每个模块电路原理图的绘制，结合每个模块引脚的功能和参数，绘制机器人核心板的总电路原理图，如图3-7所示。其中包含了单片机最小系统原理图，下载口电路原理图，电机驱动电路原理图，降压电路原理图和单片机引脚电路原理图。图3-7主控总电路原理图（5）PCB板设计PCB板是电子设备中的核心板块，用于集成和连接各种组件和电路。通常被用作电子产品的大脑，负责控制和协调相应部件。PCB板搭载着主控芯片，负责处理和执行设备的各种操作指令。通过对输入数据的处理和分析，可以控制各个部件的运行状态，实现设备的各项功能。PCB板上通常集成了各种串口，用于与外部设备进行数据交换通信，实现数据传输和控制。相比于传统的串接线，PCB可以实现线路的严格设计和紧凑布局，减轻电路板的体积和重量，提高电路的质量。图3-8PCB板然后将电路板按功能模块进行分区，将相关的元件和信号线放置在相邻的区域，有助于减少信号干扰和提高系统稳定性。将功率模块与信号模块进行隔离，减少功率线对信号线的影响。布线完成后，通过对PCB板进行加工以及元器件焊接和测试，得到最终的PCB板实物图，如图3-8所示。3.2机器人软件控制系统设计3.2.1软件控制体系结构搭建机器人的控制系统软件设计是在硬件设计完成之后，通过软件编程加载程序到硬件系统，从而整合各硬件功能，实现机器人的基本工作要求。本文履足复合式擦窗机器人的软件系统主要包括通讯端、控制端和执行端。采用模块化设计思路对控制系统进行编程，设计了机器人的上位机控制界面，针对不同控制区域编写各个模块程序，并嵌套于主程序中，图3-9为系统程序流程图。首先，系统启动时进行各参数的初始化设置，包括硬件初始化、变量初始化、系统资源分配等。建立无线通讯程序进行PC端与机器人的无线通讯，接受与发送数据，实现远程控制和数据交换。下一步建立运动控制程序和传感器采集程序，根据传感器采集到的数据，获取机器人的自身状态和环境信息，以提供数据处理和决策的输入。根据输入的指令控制执行器实现机器人相应的运动。并且在运动执行过程中，传感器会不断获取机器人的状态信息，并将这些信息反馈给系统，用于状态监控。图3-9系统程序流程图3.2.2软件控制系统程序调试（1）上位控制端交互界面设计上位机控制界面的开发是在VS2019软件上完成的。首先，在VS2019软件中创建Windows窗体用户界面程序，确定界面的布局和功能模块的分布，建立起界面的框架。然后建立它与无线通讯模块的通讯协议，完成无线通讯模块的配置后，操作人员可使用上位机控制界面发送相应命令传输给机器人的主控制器。图3-10为机器人上位机控制端交互界面，主要由五部分组成，分别为上位机开关区、模式选项区、行进模式控制区、越障模式控制区和叶轮模式控制区。当机器人供电正常且与上位机通过无线通讯模块连接完成后，可通过当前界面对机器人发送工作指令。首先点击打开按键，选择相应的模式选项，再对机器人进行下一步操作。在行进模式控制区中，可通过发送前进、后退、左转、右转和停止的指令控制机器人的行进运动。在越障模式控制区中，通过角度调节按键向主控制器发送控制信号以调整每个关节的角度，进而改变机器人的姿态，完成越障任务。因涉及到机器人的安全性，需将关节的转动速度调低。在叶轮模式控制区，同样通过调速按键向主控制器发送控制信号，实时调节叶轮1与叶轮2的转速。图3-10上位机控制端交互界面（2）系统程序调试软件控制系统程序调试是确保系统正常运行和功能完善的重要步骤。如图3-11所示，本文软件控制系统程序调试运用KileuVision5嵌入式系开发软件对机器人主控制器进行代码的编写、调试与烧录。首先确定硬件连接正确，然后测试每个功能模块的输入输出是否正常，验证系统的逻辑正确性。检查上位机控制界面的显示和操作是否正常，调整系统参数，提高系统的响应速度和稳定性。调试与处理代码中出现的错误信息。最后对机器人进行性能测试，定位问题并解决。图3-11系统程序调试3.3机器人清洁功能实验与分析为验证擦窗机器人的实际清洁效果，对机器人进行清洁测试实验。实验测试前，需要在玻璃窗面上的待清洁区域涂上常见的灰尘，清洁装置底面喷洒适量的玻璃清洁剂。然后启动机器人行进至污渍区域，通过带动清洁装置对污渍进行擦拭，清洁装置完全通过污渍区域后，控制机器人回到初始位置，从而完成机器人对污渍区域的清洁任务。由图3-12所示的机器人清洁功能实验可以看出，玻璃窗面的灰尘都基本被清洁干净，从而验证机器人具有良好的清洁效果。图3-12机器人清洁效果实验结论为了有效降低清洁工人高空作业的风险，提高清洁作业的效率和安全性，擦窗机器人得到了广泛的研究与应用。本文针对擦窗机器人在执行清洁作业任务时，由于玻璃窗面存在的窗框类障碍物限制了机器人运动范围的问题进行研究，设计并研制了一款具有较强越障能力的履足复合式擦窗机器人，从而提高机器人的作业能力。通过实验机器人的清洁功能实验表明机器人具有较强的清洁效果，且清洁效率可达1.31m2/min。并且机器人对常规尺寸的窗框类障碍物具有较强的越障效果。但是本文研究有许多方面不完善，需要进一步研究，比如未来可以对机器人进行路径规划，实现自主循迹等。

参考文献[1]范漪萍,王晓迪,闻利群.智能机器人发展研究综述与启示[