玻璃外墙自动清洁机器人(验证)_本科毕业设计论文.docx
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本科毕业论文（设计）
题 目：
玻璃外墙自动清洁机器人（验证机）
学 生：
王雷 学号：
200940620331 学 院：
物理与电子科学学院专业：
电子信息科学与技术入学时间：
2009 年 9 月 15 日指导教师：
丁智勇 职称：
讲师 完成日期：
2009 年 4 月 20 日
10
诚 信 承 诺
我谨在此承诺：
本人所写的毕业论文《玻璃外墙自动清洁机器人（验证机）》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人（签名）：
2013年 4 月 20 日
玻璃外墙自动清洁机器人（验证机）
摘 要：
本文主要介绍了玻璃外墙自动清洁机器人的设计背景、设计思路、制作过程、工作原理、验证过程以及使用方向。
由于限于实验室条件以及对设计思路可行性的不确定性，所以决定先做一个验证机，即验证方案的可行性和对后期产品的设计提供方案。
玻璃外墙机器人在制造过程中主要使用了以下器件和材料，方管铝合金，自攻螺丝钉，铝板，DC5V步进电机，超大吸盘，微型抽气机，8mm丝杆，5mm空气导管，无线模块，
5V直流电源模块，74HC595以及单片机。
玻璃外墙机器人主要是由铝合金搭建主框架，这样可以在不降低机器人强度的情况下减轻重量。
机器人铝合金结合部以铝片加自攻螺丝钉加固，运动部分使用8mm丝杆加齿轮以控制运动，动力则采用DC5V步进电机的转动带动机器人运转，在工作时，以微型抽气机抽出超大吸盘内的空气以使机器人吸在玻璃墙幕上，整个机器人使用51单片机来控制驱动，使用74HC595对单片机的I/O口进行扩展，机器人用220V交流电转5V直流电源模块供电，以确保步进电机能达到额定电流，提供强劲的动力，再用无线模块控制机器人的状态，使得机器人稳定有序的工作。
可以适合全玻璃结构的建筑体以及建筑中部分的玻璃墙面的清洁工作，它可以在无人干预的情况下完成指定玻璃墙面的清洁，替代传统的人工室外清理,。
使用玻璃外墙自动清洁机器人可以最大化的降低人的危险和劳动强度，提高工作效率，降低成本。
它还具有越障功能，对于有起伏有其他装饰材料的玻璃墙幕同样适合，同时它还能转弯，不光能垂直上下，还能向左向右移动真正做到清洁无死角。
玻璃外墙自动清洁机器人的清洁头同样使用步进电机控制，可以随工作环境的不同而随意的更改方向和高度。
有了这些设计，玻璃外墙自动清洁机器人可以说是真正做到清洁无死角。
关键词：
单片机；步进电机吸盘；微型抽气机；玻璃外墙；无线控制；机器人；74HC595
Glasswallautomaticcleaningrobot（demonstrator）
Abstract：
Thispaperdescribestheautomaticglasswallcleaningrobotdesignbackground,designideas,productionprocess,theworkingprinciple,theverificationprocessandtheuseofdirection.Limitedtolaboratoryconditionsandtheuncertaintyofthefeasibilityofthedesignideas,SoIdecidedtodoavalidationmachinetoverifythefeasibilityandthelatterpartoftheproductdesignprogram.
Glasswallofrobotsinthemanufacturingprocess,themainuseofthefollowingdevicesandmaterials,squaretubealuminumalloy,self-tappingscrews,aluminum,theDC5Vsteppermotor,oversizedcups,miniairpump,8mmscrew,the5mmairducts,thewirelessmodule5VDCpowersupplymodule,74HC595microcontroller.Theglassexteriorrobotmainstructuresthemainframeismadeofaluminumalloytoreducetheweight,sothatincasetherobotdoesnotreducethestrengthof.Robotaluminumalloyjunctionofaluminumandself-tappingscrewsreinforcement,movingpartsthe8mmscrewplusgeartocontrolthemovement,powerDC5Vsteppermotordrivenrotationoftherobotoperationatwork,amicroairpumpoutoversizedairwithinthesuctioncuptotherobotsuctionontheglasscurtainwall,theentirerobotuses51microcontrollertocontrolthedrive,usingthe74HC595microcontrollerI/Oportexpansion,robot220VACto
5VDCpowersupplymodulestoensurethatthestepperThemotorcanreachtheratedcurrent,strongpower,andthenthestateofthewirelessmoduletocontroltherobot,therobotstableandorderlywork.
Suitableforall-glassstructureofthebuildingandtheglasswallofthebuildingpartofthecleaningwork,itcanbedoneintheabsenceofinterventionthespecifiedglasswallcleanalternativetotraditionalartificialoutdoorclean-up.Automaticglasswallcleaningrobotcanbemaximizedtoreducetheriskofhumanandlaborintensity,improveworkefficiency,reducecosts.
Italsohasthemoreimpairedfunction,thereareupsanddownsandotherdecorativematerialisalsosuitableforglasscurtainwall,itcanturn,notonlyverticallyupanddown,butalsotomovetotherighttothelefttrulycleanandfreeofdeadends.Theglassexteriorautomaticcleaningrobotcleaningheadusingthesamesteppermotorcontrol,withdifferentworkenvironmentfreeofchangedirectionandheight.Withthisdesign,theautomaticglasswallcleaningrobotcanbesaidtotrulycleanandfreeofdeadends.
Keywords:
Single-chip;steppermotor;sucker;Microairpump;glasswall;radiocontrol;robot;74HC595
目 录
1绪论 6
1.1课题研究背景及意义 6
1.2课题研究现状 6
1.3研究要求 7
2玻璃外墙自动清洁机器人机械部分设计 7
2.1基本问题的解决及材料的选取 7
2.2玻璃外墙自动清洁机器人机械部分设计 8
2.2.1机器人的框架设计 8
2.2.2玻璃外墙自动清洁机器人腿的设计 9
2.2.3玻璃外墙自动清洁机器人行走动力设计 10
2.2.4玻璃外墙自动清洁机器人清洁头设计 11
2.2.5玻璃外墙自动清洁机器人吸附系统设计 13
2.2.6玻璃外墙自动清洁机器人机械部分总体设计 13
3玻璃外墙自动清洁机器人硬件电路部分设计 15
3.1单片机最小系统设计 15
3.2单片机I/O口的扩展设计 16
3.3系统系统PCB设计 16
4玻璃外墙自动清洁机器人软件设计 17
4.1程序设计思路 17
4.2系统总体程序算法流程图 17
4.3玻璃外墙自动清洁机器人前进程序算法流程图 18
4.4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 19
4.5玻璃外墙自动清洁机器人程序设计语言 19
5 调试 19
5.1调试整体方案 19
5.2机械部分调试 19
5.3硬件电路的调试 20
5.4系统程序的调试 21
5.5调试结果 21
6 结论 21
注释 23
参考文献 23
致谢 40
1绪论
1.1课题研究背景及意义
改革开放以来，中国的经济高速发展，在世界经济总量上占的比重越来越高，中国也在2010年成功超越日本，成为世界第二大经济体。
在经济高速发展的大条件下，中国的建筑也高速的发展，高层建筑越来越多（超过24米的称为高层建筑，超过100米的称为超高层建筑，152米以上的称为摩天建筑）。
据不完全统计，截止2012年7月，仅仅重庆市目前已建成并投入使用的高层建筑就有8664栋，在建的649栋，而现在中国在建的摩天大楼就超过200座，可以想象，中国的高层建筑何止万座。
在这些高层建筑中，很多是玻璃墙幕的，很漂亮，很美丽。
但这种建筑很容易变脏，降低建筑物的美感，影响市容市貌。
所以，这种建筑物就要定时清洁玻璃墙面。
那么什么是玻璃墙幕及玻璃墙幕的清理有哪些要求，详细资料请见附录B
——中华人民共和国行业标准“玻璃幕墙工程技术规范”（JG.J102-2003）。
现在国内外玻璃外墙的清洁主要有两种方式，一是使用机器人；二是采用
人工的方式。
目前国外主要采用了机器人来清洁，然而这种机器人的价格过于昂贵，清洗的速度较低，效果也比较差。
国内玻璃外墙的清洗工作主要由人工来完成，由于是室外高空作业，人的危险性就比较高，受到环境的影响也比较大，效率也比较低，清洗时所耗费成本较高。
基于这些考虑，本课题参考了当前机器人清洗服务的发展趋势，再考虑高楼玻璃幕墙的结构特点以及国标对玻璃幕墙清洗的规定，所以我设计了这个玻璃外墙清洁机器人。
同时对玻璃外墙自动清洁机器人对玻璃墙幕的吸附以及行进装置的可靠性和工作性能进行了研究，获得数据对以后产品的改进提出参考，改进出可靠的玻璃外墙自动清洁机器人。
改变当前我国在玻璃外墙清洗水平的落后局面，解决人工清洗危险性大、受环境影响大、效率低和成本高等问题。
1.2课题研究现状
随着科学技术的发展，现在单片机的性能很高，但价格却降到了很低，并且其性能稳定，这使得单片机的使用深入到各个领域。
玻璃外墙自动清洁机器人采用单片机控制，保证了其稳定性和经济性。
铝合金制造技术的发展，使得在相同强度的情况下大大降低了器件的重量，这对于有重量限制的玻璃外墙自动清洁机器人降低重量有很大的帮助。
现在微型抽气机的发展，使得抽气机的重量越来越小，但是抽气的能力确是大大的增加，这就为吸盘产生可控制的负压提供了动力支持，使得吸盘能够产生稳定的负压以使机器人紧紧的吸附在玻璃上。
还有无线控制的发展，使得无线控制模块越来越小，也越来越便宜，加入
了无线控制技术，使得机器人在突发事件下可以采用人为控制及对机器人姿态的调整，极大的增加了机器人的可控性和安全性。
还有步进电机的发展，现在的步进电机做的很小，但扭力却很大，由于步进电机的可控性，在给机器人带来强大的动力时又能实现精确控制。
由于材料技术的发展，现在的传感器的种类不仅更多，而且功能更强大，而价格却很低，在机器人身上使用这些传感器，不仅能知道机器人的状态，而且还能知道机器人遇到了什么问题，工作的情况。
还有其他一些电子技术的发展，给了玻璃外墙自动清洁机器人理论指导和技术支持。
1.3研究要求
（1）由于在设计成品之前，要对设计方案可行性进行研究，所以此次设计并完成的是验证机，即设计并制作的是玻璃外墙自动清洁机器人（验证机）。
（2）要提出完整而详细的设计方案。
（3）要制作出机器人实体。
（4）制作出的机器人要能动，并具有前进、后退、左转弯、右转弯、越障、自动清洁等功能。
（5）要有完整的测试。
（6）具备无线遥控功能。
（7）能够吸附玻璃墙面。
（8）修改记录及改进方案。
2玻璃外墙自动清洁机器人机械部分设计
2.1基本问题的解决及材料的选取
玻璃外墙自动清洁机器人要在高空中工作，而且还要保证对玻璃无损伤，耗能小，所以机器人的重量越小越好，并且机器人要有很高的强度，这样才能在工作中不发生形变等问题。
综合以上要求，铝合金是最合适的制作机器人骨架的材料。
铝合金具有重量轻，强度高，韧性大，基本上不会锈蚀等特点，是航空航天及精密仪器制造的首选材料。
机器人要求可以在垂直的玻璃墙面上移动，如果仅仅靠安全绳来控制，则会造成机器人在空中摇摆不定，难以实现清洁功能，甚至还会撞坏玻璃，发生安全事故。
如何使机器人吸附玻璃墙面是本课题最大的问题，玻璃墙面光滑平整，几乎无着力点，普通的方案肯定不行。
于是就想到了生活中的吸盘，通过生活经验可以知道，吸盘吸在了光滑的墙壁上，直接从中间拔，就会在吸盘与墙壁之间产生负压，结果是很难拔掉。
在实验中测得，直径6cm的吸盘至少能承受7.5kg的力。
所以本课题最大的问题就是使用超大吸盘以解决机器人在墙面
的吸附问题。
解决了吸附问题，问题又来了，人很难拔下，那么机器人也就很难拔下。
那么就要给吸盘放气，这样才能解决这个问题。
为了使吸盘吸附的效果更好以及可控，所以选取微型真空抽气机，以使吸盘与墙面达到负压。
而且还可以控制抽气机与吸盘连接的空气导管的导通与否，来控制负压及放气。
动力是玻璃外墙自动清洁机器人一个很大的问题，问题在于驱动力要足够而且还能实现紧密控制。
步进电机恰恰符合这些标准，由于是验证机，整体结构不会很大，所以本课题选用5VDC步进电机。
由于玻璃外墙自动清洁机器人要移动，所以就要设计一个合理的方案，使得机器人的腿和清洁头能移动。
通过多个方案的设计，最终选取了丝杆的方案。
通过螺丝与齿轮相结合的设计，只要步进电机带动齿轮转动，那么就能使螺丝在丝杆上移动，从而达到让机器人的腿等动起来的目的。
鉴于验证机的大小，所以选取8mm的丝杆。
玻璃外墙自动清洁机器人要运动，要工作，就要精确地控制步进电机和抽气机等电子器件的工作，而且要稳定，性能要高，还能长时间正常的工作，功耗要小。
综合以上要求，所以选取51单片机。
由于要精确控制10个步进电机的工作状态，而每个步进电机需要四个信号输入，仅靠单片机的管脚是无法控制的。
所以就要扩展单片机的I/O口，在此选用74HC595。
对于无线控制，者选用网上的无线模块，简单实用且稳定性好。
电源模块也选用网上的成品，一个220VAC转5VDC4A和一个220VAC转
9VDC电源模块。
2.2玻璃外墙自动清洁机器人机械部分设计
2.2.1机器人的框架设计
框架说明：
如图1，最上面的黑色长条为丝杆，可固定清洁头及清洁头的移动，中间为铝合金骨架，起支撑机器人的作用，四个竖直长条为玻璃外墙自动清洁机器人四个腿的支架及限位部分。
图1 机器人的框架设计图
2.2.2玻璃外墙自动清洁机器人腿的设计
步进
电机
L型腿
齿条
丝杆
L型腿
支架
吸盘
图2 玻璃外墙自动清洁机器人腿的设计图
玻璃外墙自动清洁机器人腿的设计说明：
如图2，最左边图中下部的椭圆，是用于吸附玻璃墙面的吸盘，与吸盘相连的黑色长条是丝杆,旁边灰色的方块是步进电机示意图，旁边浅灰色长条为L型腿。
箭头所指的图为腿的末尾部分，浅灰色半圆形为塑料齿条。
右下角图为上文提到的L型腿的支架和限位部分。
实物图如图3，图4，图5。
图3玻璃外墙自动清洁机器人腿立体图 图4 玻璃外墙自动清洁机器人腿的正视图
图5玻璃外墙自动清洁机器人腿的整体效果图
其基本工作原理，主要是由步进电机驱动，步进电机驱动与吸盘相连的丝杆上的螺丝，通过螺丝的转动来抬高或降低吸盘的高度。
另一端带齿条的也是有步进电机驱动，来控制L型腿的前进与后退。
2.2.3玻璃外墙自动清洁机器人行走动力设计
步进电机
L型腿
齿条
图6玻璃外墙自动清洁机器人行走动力设计图
玻璃外墙自动清洁机器人行走动力设计说明：
如图6所示，灰色的是步进电机，弧形的为齿条。
步进电机的齿轮带动齿条行进，从而带动L型腿的前进与后退，进而使整个机器人前进或后退。
如下为图7，图8，图9为实物图。
11
图7玻璃外墙自动清洁机器人行走动力设计细节图
图8机器人行走动力设计实物图 9机器人行走动力设计俯视图
2.2.4玻璃外墙自动清洁机器人清洁头设计
图10玻璃外墙自动清洁机器人清洁头设计细节
图
进电机的有序配合工作，便可以
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
玻璃外墙自动清洁机器人清洁头设计说明：
如图10所示，步进电机的齿轮，带动与丝杆上螺丝相连的大齿轮，便可以在最前面的丝杆上来回移动。
如图13所示，步进电机直接与丝杆相连，步进电机转动便可带动丝杆转动，便可以使下面的清洁条上升和下降。
通过这两个步
实现清洁玻璃墙面的功能，当遇到障碍时，可使清洁头升起来，等越过障碍后再降下去进行清洁工作。
2.2.5玻璃外墙自动清洁机器人吸附系统设计
空气导管
丝杆
抽气机
吸盘
图14玻璃外墙自动清洁机器人吸附系统示意图
玻璃外墙自动清洁机器人吸附系统说明：
如图14所示，吸盘的内部通过空气导管与抽气机相连，当抽气机工作的时候，吸盘与玻璃面相接的空气被抽光，产生负压，使吸盘紧紧的吸附在玻璃面上，从而使玻璃外墙自动清洁机器人能吸附在玻璃外墙上，进而工作。
当抽气机停止工作时，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。
2.2.6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16、图17、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
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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
3玻璃外墙自动清洁机器人硬件电路部分设计
3.1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
3.2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。
3.3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AD6.9软件中的原理图如图所示。
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AD6.9软件中的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
4.1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
机器人有序、稳定、可控的工作。
开始
4.2系统总体程序算法流程图
N
P3.2==1
Y
N
0001
Y
N
0010
Y
N
0100
Y
结束
停止
左转弯
右转弯
后退
前进
扫描P3.2的值
系统初始化
图22系统总体程序算法流程图
开始
4.3玻璃外墙自动清洁机器人前进程序算法流程图
N
I=0
N
Y
I=1
N
Y
I=2
N
I=3
N
Y I=4
N
Y I=5
Y I=6
Y
Y
程序7
N
I=7
N
Y
I=8
Y
返回主函数
程序9
程序8
程序10
程序6
程序5
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