类蜘蛛旋转型高空清洗机器人 李升华组

兰州理工大学机器人创新大赛电信学院设计者:王雷训李升华刘希何亚丽类蜘蛛旋转型高空清洗机器人一.设计背景、现在社会高楼林立，清洗工作成为一大难题。此项工作若由人来完成，不仅效率低，而且十分危险。虽然市场上有不少此类机器人，但其都具有或多或少的不足之处，比如说效率低，清洗效果不好等等等等。、本项目，即类蜘蛛旋转型高空清洗机器人 结合市场上相似产品的优点，在原有产品

的基础上，充分利用蜘蛛的八条腿的优势， 将其中的四条腿做成长短不一，令其进行

旋转，从而增大每一次的清洗面积，从而

提高效率图（1）图（2）二.设计理念本设计以蜘蛛为原型，增加旋转功能，提高高楼清洗工作的效率机器人本体由楼顶电机控制，利用自身的重力，沿墙壁下滑，通过上下两个风机高速旋转产生的向墙壁的推力，系统紧紧吸附在墙壁上。三.作品简介本厂品能代替人工完成大部分高楼大厦

外表的清洗工作，解决了现在高空作业出现的

安全问题，且减少了工作人员和工作时间，准

备工作少，安装方便。同时可用于地面的清洗。工作过程由无线遥控远程控制，操作简单。遥控开关无线接收块清洗机构越障机构平衡机构四.结构设计受力分析：G1G3G2FN1FN2aF

2F

11.对机器整体进行受力分析：∑Fx=0

,

F1.sina+F2-FN1_FN2=0∑FY=0

,

F1COSa

-G1-G2-G3=0墙壁对机器的作用力FNFN=FN1+FN2=(G1+G2+G3)tana+F22.

tan

a=

d/

h→a=arctan（d/h）a在1°到5°内当a=5°时最小FN2>FN1,通过调节使G3增大，G2减小能提供足够的正压力使机器压紧在墙体或玻璃表面上。随着高度的降低，绳子的增长，a减小FN2减小，FN1增大，当FN2

﹤FN1,通过调节G3减小，G2增大，使机器重新达到平衡当a=1°时，FN2很小，调节G2,G3的大小也能使机器处于平衡图（3）理论计算当正常工作时，软毛刷快速逆时针旋转，将附着在墙面的灰尘扫起，通过上面的吸气装置吸入空气净化器，空气净化器与风机相连，经过过滤后的空气直接由风机排除。喷雾头向高空壁面上喷洒足够的水，使墙壁潮湿，易于清洗。随后快速转动的滚刷将对喷洒过水的高空壁面进行刷洗。同时海绵体清洗辊与压辊在电机和传动带的带动下同步反向转动，随着高空清洁机器人本体向下运行，海绵体清洗辊将会把高空壁面上残留的污水、污垢擦洗掉，并吸附到海绵体上，然后由同步转动的压辊将污水挤出海绵体，并通过上喷头的强力射枪，将海绵体清洗辊表面的污垢冲掉，一起被接水箱导入通到楼底的管子产品结构主要由：

1、运动机构2、压紧机构3、清洗机构4、平衡机构1.运动机构1、如图，类蜘蛛旋转型清洗机器人的左右两面的第一，第四条腿设计得长短不一，清洗效果如下图圆环所示：如图1所示，8个圆圈为传统吸盘,如图5,6,7,8，a,b,c,d,但又具有特殊性，可根据高楼材料随时替换，从而达到既能清洗玻璃又能清洗大理石，瓷砖等不同材料；13245768c

da

b2、蜘蛛身体和其中的四条腿分为两组，5,6,7,8和

a,b,c,d各一组，当进行清洗时，5，6，7，8会离开竖直平面，向上翘起，不会阻碍

1

，2

，3

，4

部位进行旋转清洗工作。当一块区域清洗完毕后， 5

，6

，7

，8

向下退,当退到未被清洗的区域时，将自动吸附到墙壁上，此时，蜘蛛身体开始移动，直至移动到合适的位置后，a,b,c,d吸附到墙壁上，5，6，

7，8翘起，进行新一轮清洗工作。2.越障机构对承担主要清洗任务的刮水器和废水回收装置，设计了凸轮机构。在清洗玻璃面时，凸轮旋转到最高点使刮水器和废水回收装置压紧在清洗面上；当需要越障和清洗大理石壁面时，凸轮旋转到最低点使其同时抬起，抬起高度略大于车轮半径即最大越障能力，通过行程开关使凸轮停止旋转。3.清洗机构清洗机构由供水箱，圆刷，喷水管和水刮组成。主水管固定在楼顶，按需要给供水箱供水。圆刷由直流电机带动，其作用是搅动清洗面上的灰尘。圆盘转刷如图所示（图7

）图（7）4.平衡机构平衡机构由供水箱，废水箱和手臂组成。两水箱通过电磁阀相通，电磁阀根据安装在车轮上应变片来控制开关。通过上下水箱中的水量匹配使机器保持上下平衡。安装了万向轮(一个手臂4个万向轮)的手臂保持机器左右平衡。五.控制电路采用无线遥控控制卷扬机的电动机的工作状态和转速。采用无线遥控控制对圆刷的工作状态和转速。对两手臂电机的工作状态，从而改变手臂转动的方向。控制器舵机机械机构光敏传感器环境光方向实际方向方向控制信号障碍物传感器前进阻力控制系统设计多输入多输出控制系统框图系统采用AVR

单片机“

ATMEGA16”作为核心控制，其优点为：、I/O口可设为推挽输出，输出电流大。、大多数指令都是单时钟指令，运算速度快。、片内集成A/D

转换功能，便于光信号的多级度取样。模式，可以立即更新信号。4、定时器可以工作在CTC数据，便于产生多路PWM、控制系统总体设计1234567891011121314151617181920PB0/T0PA0/ADC0PB1/T1PA1/ADC1PB2/N0PA2/ADC2PB3/N1PA3/ADC3PB4/SSPA4/ADC4PB5/MOSIPA5/ADC5PB6/MISOPA6/ADC6PB7/SCKPA7/ADC7RESETAREFVCCGNDGNDAVCCXT

AL2PC7/TOSC2XT

AL1PC6/TOSC1IC1PD0/RXDPC5/TDIPD1/TXDPC4/TDOPD2/INT0PC3/MTSPD3/INTPD4/OC1B1PC2/TCKPC1/SDAPD5/OC1APC0/SCLPD6/ICP1PD7/OC2AT

M

EGA16左前中J3左前内左中中J6在中内左后中J9左后内右前中J12右前内右中中J15右中内右后中J18右后内CON3CON6CON9CON12CON15CON18CON11CON41CON71CON101CON131CON161VCC2VCC2VCC2VCC2VCC2VCC2GND3GND3GND3GND3GND3GND3左前外左中外左后外右前外右中外右后外J2J5J8J11J14J17CON21CON51CON81CON111CON141CON171VCC2VCC2VCC2VCC2VCC2VCC2GND3GND3GND3GND3GND3GND3111111VCC2VCC2VCC2VCC2VCC2VCC2GND3GND3GND3GND3GND3GND3舵机接口1234COM

1CON4GND+5VRXDTXDR31KLED1INGNDJ1921VCCINGNDINC1

470

uFC2104SW1XT

AL1XT

AL2Y1

12MC522PC422PGNDGNDMOSIMISOSCKRSTVinIC2780

5C51220uFC52104+5VR210KANT1C310uFR11KGND+5

VRSTCJ11000uFVCCGND+5

VGNDCON10CON11CON12CON13XT

AL2XT

AL1RXDTXDCON14CON15CON16CON17CON1840ADC0RG1+5

VRG2+5

VRG3+5VRG4+5

V39ADC122223837ADC2ADC31ADC01ADC11ADC21ADC336ADC435R4R5R6R73420K20K20K20K3332+5V3130GND+5VGNDVCCMOSIMISOSCKRST24

MOSI6

MISO8

SCK10

RSTVCCGNDGNDGNDGND13579ISP非标准接口+5V29CON1GNDGNDGNDGND28CON227CON3RG526CON4252423CON5CON6CON7R8ADC41

2传感器输入22CON8+5

V20K21CON9GND电源电路D?

D?DIODE

DIOCJ21000uFIN接口MCU

系统系统电路图原理图六.作品创新伺服电动机舵机做动力，效率和质量比高凸轮机构使机器顺利的跨越障碍。机器代替人高空作业更安全。工作效率提高。单片机控制电路，满足复杂的控制功能七.前景展望?随着社会的不断进步，科学技术日益发展，高楼林立的现象将越来越普遍，这样，越来越多的建筑采用瓷砖或者玻璃幕墙等，