1、2015年重慶地區第八屆合泰杯”大學生單片機應用設計競賽作品創意書新型內置高空清洗機器人西南大學電子信息工程公元2014年12月15日作品創意書一、 摘要隨著城鎮化進程的不斷加快以及土地資源的日益稀缺， 各類城市高樓如寫 字樓和住宅樓等也如雨后春筍般不斷挺拔而出。于是隨之出現了一系列如同外 窗擦洗的問題，而解決這一問題，有人工和高空清潔機器人兩種方法， 他們都 具有一定的缺點和局限。就目前國內外的研究情況來看，這種機器人主要是以 清潔玻璃幕墻為主要功能的商用機器人。目前市面上存在的這種玻璃清潔機器 人存在生產復雜、價格昂貴、容易產生高空墜落等安全隱患的缺點。本設計是 一個裝置本身放置于室內的、

2、僅通過清洗臂伸至窗外進行清洗的智能化、 自動 化的外窗清洗機器人，具有制造相對容易、性價比高、放置于室內方便安全的 優點，恰好克服了以上所述的缺點，能夠很好地深入家庭，學校等大眾的生活 場所。二、作品介紹在我們的日常生活中，樓房外窗的擦洗一直是一個令人頭疼的問題。 中小 學生在進行大掃除時，不得不站在桌子甚至窗子上進行外窗玻璃的擦洗， 這使得他們冒著很大的危險；在家庭生活中，也沒有一種能夠清洗外窗玻璃的得力的工具，請專業人士來擦洗又會帶來很大的花費， 導致大部分住在比較高的樓層的家庭對外窗玻璃的清洗無能為力，只能靠著老天來“清洗”，久而久之， 外窗的玻璃留下了很多污漬，很不美觀。高空清潔機器人

3、是一種實現高空清洗作業的裝置。 就目前國內外的研究情 況來看，這種機器人主要分為三類。第一類是高空壁面軌道式，通常在建樓時 就將高空壁面軌道安裝到外墻高空壁面上， 當進行外高空壁面清洗作業時，通 過固定在樓頂的懸臂吊車裝置拖動使清洗機器人沿著高空壁面導軌上下運動 來完成清洗工作，然而安裝在外墻高空壁面的軌道卻限制了高樓的結構并大大 地影響了整體建筑的外觀，同時也限制了清洗機器人的應用范圍； 第二類是真 空吸附高空清潔機器人，依靠真空吸盤將機器人吸附到外墻高空壁面上， 通過 自身的移動機構在高空壁面上運動來完成清洗工作， 這種機器人又可分為單吸 盤和多吸盤兩種吸附移動方式然而由于采用真空泵抽真空

4、的方法，使得對真空吸盤的密封性要求較高，結構復雜，造價昂貴，而且工作的可靠性和對高空壁 面的適應性也較差，存在掉落的危險，對弧形玻璃的適應性不好。第三類是磁 吸附高空清潔機器人，這種清洗機器人是依靠磁吸附材料吸附到高空壁面上， 通常具有較強的吸附力，通過磁性履帶、輪子、吸盤或足式結構可以實現在高 空壁面上的吸附移動，并完成清洗作業，但這種機器人只能在特定材料的高空 壁面上工作，因而應用范圍受到了極大的限制。以上提到的這三種高空清洗機器，或多或少存在缺點，導致其推廣能力受到限制。另外，這三種機器人主要是針對商業用途，一方面造價比較高，也注 定價格比較貴；另一方面用起來麻煩，適合在大范圍內一起用，

5、對家用或者學 校來說顯得不是特別的合適。于是，吸取已有產品的優點，規避它們的缺點，加上自己的創意，我們制 作了這款家用的外窗玻璃清洗機器。首先，該外窗清洗機器人突破性地采用了室內放置的方式 （之前的都是放 置在窗戶外面），通過伸出一只“清潔臂”進行外窗玻璃的擦洗。它主要的功 能就是外窗玻璃的清洗、擦拭。機器人的功能模塊主要有單片機主控模塊、步 進電機驅動模塊、壓力傳感器模塊、紅外傳感器模塊、數碼管顯示模塊。本設 計采用ht66fu50為主控單片機，以實現其定時及自動控制功能；通過壓力傳 感器檢測清潔臂和玻璃之間的壓力，以實現清潔臂與玻璃之間足夠接觸才能保 證擦拭效果，同時可以控制力度避免清潔臂

6、緊貼玻璃造成玻璃的損壞或者使得 擦拭更困難；步進電機用來驅動清潔臂的上下搖動， 實現擦洗的功能；紅外傳 感模塊用來接收遙控器發出的紅外線， 實現遠程控制；數碼管主要用來顯示設 定的時間。本作品是我們小組成員通過觀察生活以及相互的討論得出的， 未有過已成 品，也沒有申請過專利。目前我們只是對本作品做出了一些構想， 還需要在各 方面深度討論和構思進行產品的完成和完善。三、工作原理本外窗玻璃清洗機器人采用盛群半導體公司生產的 ht66fu50作為主控單 片機。ht66fu50是一款A/D型具有8位高性能精簡指令集的Flash單片機, 包含一個多通道12位A/D轉換器和雙比較器功能，帶有多個使用靈活的

7、定 時器模塊，可提供定時功能、脈沖產生功能及 PWMT生功能，能夠滿足我們的 需求。系統可分為幾個模塊，如圖1所示：紅專感器壓力傳感器在紅外線傳感器模塊，我們在遙控器上安裝了一個紅外線發射模塊，在機 器上安裝了一個紅外線接收模塊。當接收模塊接收到紅外線信號時，單片機做 出相應的反應，完成相應的功能。例如，當按下遙控器的電源按鈕時，單片機 產生相應的反應，啟動機器的電源；當設定好定時時間并按下定時的按鈕時單片機會啟動定時器，開始計時，并將計時顯示在數碼管上；在步進電機模塊， 通過單片機控制步進電機的轉動方向，使機械臂伸縮和上下移動，用機械臂上 的海綿對玻璃進行擦洗；數碼管部分，當機器開始工作以后

8、，數碼管上會以倒 計時的方式顯示設定的時間，當定時的時間達到時，會提醒單片機產生一個中 斷，停止工作；壓力傳感器的模塊，我們在清潔臂的海綿底下放置了一個壓力 傳感器，當壓力傳感器與玻璃接觸時，會將壓力值傳送給單片機，當壓力達到 我們設定的值時，機械臂停止運動，這樣就避免了因為壓力太小擦不干凈或者 是壓力太大損壞機器或者玻璃。設計清潔臂的過程是最復雜的過程，在設計的過程中，我們在有些地方產 生了幾個不同的方案。例如：剛開始清潔臂想使用毛刷清潔臂，可是考慮到清 潔的效果問題，改用了海綿；打算把清潔臂設計成像汽車的雨刷一樣， 繞著一 個點移動，可是考慮到清潔的范圍，采用了上下平行移動的方案；還想過把

9、清 潔臂做成圓形，可以旋轉，就像現在流行的地板磚清潔器一樣， 可是考慮到那 種設計方案不容易清除死角，于是采用了矩形的清潔臂。四、作品功能、特色該機器人的主要功能有以下幾個方面：1、機器人的清潔臂上安裝了海綿，海綿與從清潔臂中伸過來的水管相通。可 以對玻璃進行潤濕，使擦洗效果更加好;2、清潔臂可以上下擺動，增加了擦洗的幅度；使用遙控器進行遠程遙控，輕松方便。3、該機器將主機部分放在室內，避免了已有機器人（例如高空面壁式機器人、 真空吸附式機器人、磁吸附式機器人）高空墜落的危險。這幾種機器人都是為 了商業用途而設計的，使用起來都很不方便，需要專業的技術以人員來完成， 只能適用于商業用途，不適合家

10、用。機器的一個工作周期大概包括噴水、擦拭、再噴水幾個過程，可以人為對時間進行控制。例如，可以通過遙控器設置單片機的定時器， 使機器處于以下 工作周期中：前5秒，對玻璃噴上適量的水，將玻璃打濕，方便用清潔臂進行清洗。接下來的20秒，使用清潔臂對玻璃進行擦拭。最后5秒，再對玻璃噴上適量的水。當然，工作周期和時間都是可以調節的，如果覺得清潔的時間過短，可以 設置的長一點；如果覺得擦拭完之后沒有再噴水的必要，就可以不再進行噴水。具體工作流程圖如圖2所示：目前為止,主要特色有：圖2還并未有這樣放置于室內的家用外窗清潔機器人。我們作品的1、放置于室內，不存在滑落的危險性;2、操作靈活簡單，用起來方便;3、

11、可以進行遠程控制，十分人性化；4、產品在構件上相對簡單和便宜，成品的價格會相對與貼窗式的機器人便宜很多；5、專門為家庭日常生活設計，市場廣大，有很大的發展潛力。五、作品結構（一）硬件部分該機器人的硬件部分如圖3所示:側視圖清潔臂俯視窗圖3主體箱呈矩形狀，內部含有單片機最小系統電路板,用作整個系統的控制。支撐臂的中間可以伸由主體右側伸出一個支撐臂，該支撐臂由步進電機控制,縮，從而能夠調節清潔臂和玻璃之間的貼合程度，避免壓力過小擦不干凈或者 壓力太大損壞機器或者玻璃；支撐臂上連接了一個清潔臂，清潔臂上放置了一層海綿。支撐臂和清潔臂都是中空的，在里面放置了一條水管和部分電路連線，水管通到海綿上，可以對窗戶進行噴水操作，潤濕玻璃，可以更加流暢地進行擦拭，同時，也擦洗的更加干凈。機器的噴水動力由小電機來提供，小電機的開關由單片機控制。支撐臂可以上下移動，帶動清潔臂完成對玻璃進行 擦洗。（二）軟件部分軟件部分主要由步進電機驅動程序、 數碼管顯示程序、定時器程序、壓力傳感器控制程序、紅外線傳感器控制程序、水泵開關控制程序組成。如圖 4所示：步進電機驅動程序：通過單片機產生脈沖信號，驅動步進電機經行 不同方向的旋轉，從而控制支撐臂伸縮和上下移動。數碼管顯示程序：用數碼館將定時器的數值顯示出來。定時器