定稿毕业论文6-10
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
基于MEMS加速度计无线控制的爬窗清洁
机器人系统设计
学生：吴限
学号：20073301
指导教师：温志渝
专业：电子科学与技术
重庆大学光电工程学院
二O一一年六月
Graduation Design(Thesis) of Chongqing University
Design of a Window Cleaning Robot based on wireless control with MEMS
Accelerometer
Undergraduate: Wuxian
Supervisor: Prof. Wen zhiyu
Major: Electronic Science and Technology
College of Optoelectronic Engineering
Chongqing University
June 2011
摘要
爬窗清洁机器人以其能够自动控制、灵活、安全的完成玻璃窗户清洁工作等优点成为智能家居的研究热点，论文开展微小型爬窗清洁机器人的研究具有广泛的应用前景。
论文根据爬窗清洁机器人自动控制、灵活、安全的完成玻璃窗户清洁工作的总体设计要求，完成了爬窗清洁机器人机身主要结构设计，确定了基于MEMS加速度传感器的手势识别遥控方法，实现了爬窗清洁机器人的无线遥控器。论文的主要研究工作是：
①分析了爬窗清洁机器人的国内外研究现状，根据微小型爬窗清洁机器人设计的总体要求，完成了基于机器人两轮驱动和单吸盘真空负压吸附的微小型爬窗清洁机器人的结构设计；
②确定了基于MEMS加速度传感器的无线控制系统方案，完成了无线控制系统的电路与相应软件的设计；
③基于Protel DXP软件平台，完成了无线控制系统与机身部分的控制电路设计与加工；基于CV A VR软件平台，完成了系统的软件设计；
④完成了系统装调和相关实验，实验验证结果表明：达到了论文设计预期要求。
关键词：爬窗机器人，MEMS加速度传感器，无线控制，手势识别
ABSTRACT
Researches of the window cleaning robot are growing in the field of intelligent device due to the fact that they are able to sweep the windowpane with automatic, flexible and safe. It is magnificent and promising for application that doing the research of miniature window cleaning robot.
Based on the requirements of window cleaning robot for automatical control, moving flexible and sucking safe, this paper finish the main structure of the body of window cleaning robot, puts forward the gesture cognition control proposal with MEMS accelerometer, achieve the wireless remote control of window cleaning robot. The main work of this paper is showed below:
①Analyze the development of the window cleaning robot at inland and abroad, according to the overall design requirement of window cleaning robot, finish the structure design of miniatual window cleaning robot with two-wheel centered differential drive and a sucking cup by negative pressure and adsorption.
②Propose wireless control design basing on MEMS accelerometer, finish revelent design of circuit and software in remote control system.
③Based on the software platform of Protel DXP, finish the control circuit design of the remote control and body; finish system software design basing on CV A VR.
④Finish system processing and debugging, completes system testing. Result shows that the property of system achieve the anticipated requirement in the paper.
Key words: window cleaning robot, MEMS accelerometer, wireless control, gesture recognition
目录
中文摘要 .................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................... II 目录..................................................................................................... I II 1绪论. (1)
1.1 课题研究背景 (1)
1.2 爬窗机器人的国内外研究现状 (1)
1.3 主要研究内容 (4)
1.4 研究目的 (5)
1.5 本章小结 (5)
2 爬窗清洁机器人机身设计 (6)
2.1引言 (6)
2.2 爬窗机器人机身的结构设计 (6)
2.2.1 吸附-移动方式的选择 (6)
2.2.2 吸附-移动参数分析 (7)
2.2.3 机身总体结构设计 (10)
2.3 爬窗清洁机器人机身电路设计 (14)
2.3.1 无线接收设计 (14)
2.3.2 移动系统设计 (16)
2.3.3 吸附系统设计 (18)
2.3.4清洁模块设计 (18)
2.3.5控制模块设计 (18)
2.3.6 电源管理模块设计 (21)
2.4 爬窗清洁机器人软件设计 (22)
2.4.1 主控程序的设计 (23)
2.4.2 驱动程序的设计 (24)
2.4.3 无线接收 (24)
2.4.4 电池电量检测程序的设计 (25)
2.5 本章小结 (26)
3 基于MEMS加速度传感器的无线控制系统设计 (27)
3.1引言 (27)
3.2 无线遥控系统总体设计方案 (27)
3.2.1 控制方式的选择 (27)
3.2.2 无线遥控总体设计方案 (27)
3.3电路设计 (28)
3.3.1 信号处理总体结构 (28)
3.3.2 控制模块设计 (29)
3.3.3 手势信号的采集设计 (30)
3.3.4 发送模块设计 (31)
3.3.5 电源模块设计 (31)
3.3.6 PCB版图设计 (32)
3.4软件设计 (33)
3.4.1 主控程序 (33)
3.4.2 信号采集处理 (35)
3.4.3 无线发送 (37)
3.5 本章小结 (37)
4 整机调试与实验结果分析 (38)
4.1 引言 (38)
4.2 软、硬件调试 (38)
4.2.1 硬件调试 (38)
4.2.2 软件调试 (38)
4.3 实验结果及分析 (40)
4.3.1 电池电量检测模块 (40)
4.3.2 加速度信号采集模块 (40)
4.3.3 无线通信模块 (41)
4.3.4 清洁实验 (41)
4.4 本章小结 (42)
5 总结与展望 (43)
致谢 (44)
参考文献 (45)
1绪论
1.1 课题研究背景
机器人（Robot）融合了机械电子、控制学、仿生学等学科技术，是一种用来搬运材料、零件、工具的可编程操作机。它接受人类控制，可根据人工智能技术制定的原则纲领行动，达到协助或取代人类工作的目的[1-3]。
爬窗清洁机器人（Window Climbing Robot）是一种极限环境下作业的机器人，主要应用于大型玻璃幕墙及玻璃窗的清洁。随着现代建筑多采用巨型窗户的外观设计，建筑窗户的清洁成为建筑维护领域的重要工作内容，目前的清洁方式主要分为人工清洁和定制机器人清洁。人工清洁方式具有危险系数高、效率低、工作范围局限性大等缺点，不能满足部分建筑的清洁需求；而逐步实现商业化的专用型爬窗机器人解决了大楼表面玻璃幕墙的高难度清洁，但普遍存在耗资昂贵、清洁速度慢、针对性弱等缺陷。因此，研发一类安全系数高、微小型化、通用性强、且成本低的爬窗清洁机器人具有极大的实用性，也是目前各研究机构的研发热点[4-8]。
1.2 爬窗机器人的国内外研究现状
爬窗机器人具有自动化、机动性强等特点，已广泛应用于玻璃壁面清洗、定点安检等领域。针对爬窗机器人的实现，主要需要解决两个关键技术点：吸附方式和移动方式[9]。根据清洁对象的区别，爬窗器人分为通用型清洁机器人和专用型机器人。
近些年来，专用型爬窗机器人已部分投入到国内外玻璃窗户清洁市场。在上世纪八十年代，日本研制出一款气流式清洁爬窗机器人，该款机器人可用于斜面的爬行，完成了清洗加拿大使馆外壁的任务；2003年，北京航空航天大学机器人协会为实现对北京西客站大厅顶棚玻璃的清洗，研制了一款气动擦窗机器人，该机器人可在平面和小于45°的斜面玻璃壁面上自主运动；2010年，澳大利亚的CoxGomyl清洁公司为迪拜塔设计了一款沿清洁传送带作业的爬窗机器人，实现了对数百米高大楼的高效清洗[10-13]。投入市场的爬窗机器人均可完成基本的清洗工作，但普遍性不高，耗资昂贵，机动清洗不够成熟，难以得到推广。
近年来，国内外高校以及研究机构对通用型爬窗机器人进行了多方面的研究和完善，根据不同环境的清洗复杂度需求，开发出了多类爬窗机器人，以下是几款典型的作品。
在九十年代末期，意大利卡塔尼亚大学研制出了两款名为Alicia I和Alicia II
的爬窗机器人。其均采用两个直流伺服电机进行两轮驱动，通过毛囊和毛刷组成密封圈完成负压吸附。Alicia II 的重量仅为4kg ，有效负载能力为15kg ,结构简单。但是由于该机器人使用两轮驱动，抗倾覆力矩的能力差，携带负载物时需贴近壁面，因此使用受到了限制[14]。机器人的作业如图1.1所示。
(a)Alicia I (b)Alicia II
图1.1 机器人的作业图
2004年，香港大学孙东等人研制出了一款基于视觉传感的玻璃幕墙清洗机器人，采用多吸盘真空负压吸附、四足爬行的设计方案，并于机器人安装了视觉传感器。其通过视觉传感器监控周围环境，在软件支撑下，由单片机控制各个足部吸盘的吸-松-吸过程，完成爬行动作。该机器人采用足式移动方式，具有较强的越障能力，但其最大爬行速率仅为3m/min ，且机械结构复杂、机体笨重，因而实用性不高[15]。该机器人的机械结构及作业系统如图1.2所示。
(a)机械结构 (b)作业图
图1.2 机器人的机械结构及作业图
2006年，日本香川大学研制出一款全自动玻璃窗户清洁机器人，其采用真空负压吸附、两轮驱动的机器人结构设计方案，由PC机连同摄像头完成对周围环境的图像扫描、处理，控制机器人移动，在机身上采用MEMS加速度计监控机器人的姿态，从而纠正机器人横向移动时的滑移。该爬窗机器人具有机身运行稳定、重量轻的优点，但是不具备越障能力，设计中采用摄像头扫描，成本过高，实用性差[16]。机器人的机械结构及作业系统如图1.3所示。
(a)机械结构(b)作业图
图1.3机器人的机械结构及作业图
2007年，由哈尔滨工业大学吴洪兴等人研制的高楼玻璃幕墙清洁机器人采用单吸盘双风机的真空负压吸附机理，由建筑物顶部所置的安全吊挂装置吊索的拉伸牵动机身，实现机器人的移动。其通过PC机完成对机器人吸附移动的控制，双风机的构造使得机器人在经过较大缝隙或窗框处时，足以保证真空气囊内的真空度，提高了机器人作业过程中的安全性和稳定性。但是由于机身没有移动驱动机构，机器人机动性差，且其附加的安全悬挂装置，导致该机器人成本过高[17]。机器人的作业系统如图1.4所示。
图1.4 机器人作业图
综上所述：目前，主流的吸附方式为负压吸附，其通过抽气装置，在真空执行元件内形成负压，从而使机器人吸附于壁面。根据执行元件的不同，其又分为吸盘吸附（单吸盘、多吸盘）和气囊吸附。机器人移动方式主要有三种：轮式、履带式、足式三类载体形式。机体的控制方式主要分为PC机控制和MCU控制。
比较目前所研制出的爬窗机器人的技术特征及各项性能，真空负压吸附对表面平滑的玻璃壁面具有较高的适应性，因而得到了广泛应用；足式移动方式具有较强的越障能力，但其机构复杂、运动速度慢，导致机器人笨重；轮式移动结构紧凑、控制方便、移动速度快。所以真空负压吸附、轮式移动的载体形式有望成为爬窗机器人实现实用化的突破口。另外，目前使用的控制系统多采用PC机控制，使用受到设备限制，便携性差，因此本文应寻求一个集成度高、使用直观灵活的方案，完成对机器人的控制。
1.3 主要研究内容
爬窗机器人是在高楼建筑玻璃清洁困难的背景下出现的，对爬窗机器人的研究，不仅能够实现清洁的自动化、提高作业效率、降低成本、消除人工清洁的危险性，而且变换其附加设备可实现其他环境下的操作任务，如高楼消防及安检、军事侦察等等[18]。所以爬窗机器人具有重要的研究意义和广泛的应用前景。
本文针对目前爬窗机器人存在的机构复杂、机体笨重、普遍适用性不高等缺陷，进行一类新型的爬窗机器人研究。论文的主要目标是：设计出一款通用性高、机构简单、控制灵活、清洁高效、安全系数高以及小型化的爬窗清洁机器人，系统采用无缆控制，实现手动和自动操作，从而完成对高楼建筑玻璃幕墙的高效、快速清洁。
论文主要研究内容是：
①分析爬窗机器人国内外研究现状及发展趋势，确定无线遥控爬窗清洁机器人的总体优化方案；
②对机器人的执行模块，提出了两轮驱动和单吸盘负压吸附的总体方案，分别设计了吸附系统、驱动系统、清洁系统、以及电源管理系统，满足机身移动灵活、清洁高效的功能；
③根据控制模块的需求，提出了基于加速度的手势识别控制系统总体方案，设计了MXC6202手势信号识别系统，并完成了信号处理系统、信号发送系统；
④完成了控制系统的电路及相应软件设计，完成整个系统的装配，通过实验优化和参数改进，从而实现机身运行稳定，完成高速便捷的清洁作业。
1.4 研究目的
通过对爬窗机器人的功能需求调研，爬窗清洁机器人的设计需满足以下几点：
①尺寸小、重量轻，以方便拿取；
②可在在竖直玻璃面快速、全方位的自由移动，以保证高效清洁；
③简单方便的无线化遥控，具有手动和半自动两种工作模式；
④紧密吸附、低电量报警，实现高安全系数使用。
为满足设计要求，联系实际应用，确立了系统实现控制、吸附-移动的具体方案。
1.5 本章小结
本章详细介绍了当前国内外爬窗机器人的研究现状、技术特征及应用情况，在此基础之上，确定了本论文的研究内容和目的。
2 爬窗清洁机器人机身设计
2.1引言
爬窗清洁机器人机身在设计上应遵循小型、安全、高效的原则，通过对真空负压吸附和两轮驱动参数的综合考虑，提高清洁性能，以及增强安全措施，完成整个机身结构设计。
2.2 爬窗机器人机身的结构设计
2.2.1 吸附-移动方式的选择
实现机器人在竖直面的方式贴附主要有三种方案：框架方案、悬挂驱动方案和吸附方案，由于框架式和悬挂驱动成本高、安装复杂，本设计采用吸附方式实现机身对玻璃窗的贴附。吸附方式按吸附原理分为四类：真空吸附、磁吸附、推力吸附、分子力吸附。其优缺点如表2.1所示[19]。
吸附方式的分类
表2.1 吸附方式优点缺点
负压吸附允许有一定程度的泄漏、壁面有一定
程度的凹凸若泄漏面积过大则容易造成吸附实效
推力吸附无泄漏问题，易越障，对壁面形状、
材料适应性强
噪音大、体积大、效率低
磁力吸附在铁磁性材料的壁面上吸附力大、效
率高
仅适用于铁磁材料壁面
分子力吸附壁面适应力强，吸附力大，效率高吸附材料的成本高
从表中可以看出，推力吸附适应的作业对象比较广，但它的能耗和体积大，不适合小型化；磁力吸附体积小，适合于小型化，但作业对象只限于磁性表面，不适合普通玻璃窗。分子力吸附需要特殊的材料，现在这种材料还处于研究阶段，目前无法购买到，所以也不适合于本文中的机器人的研制。结合以上分析和国内外研究背景，本设计采用负压吸附的方式。考虑到对真空执行元件有重量轻、功率小、器件磨损度低、结构简单的要求，设计采用单吸盘结构。
目前，爬窗机器人的移动方式大致可分为轮式、履带式和足式三大类。履带
F 1
F 2
G
f 1
f 2
式和足式结构复杂，运动速度慢，负载能力弱，不符合小型化和轻型化的要求[20]。轮式移动速度最快、重量最轻、结构简单、便于控制，虽然维持摩擦力较困难、易打滑，但可以通过选用摩擦系数大的轮子解决，所以本文选用轮式移动。
现阶段，主流的轮式移动机构的布局有4种，即双轮布局、三角形布局、四边形布局和菱形布局。虽然四轮的驱动力最大，而双轮消耗功率最低，控制方法简单，可保证360°全向转动，满足机器人在竖直面的快速灵活移动的需求[21]。
综合考虑机器人工作过程中低功耗、移动灵活、轻量化等具体要求，本文采用真空负压吸附、二轮轮式移动方案。
2.2.2 吸附-移动参数分析
针对真空负压吸附的轮式移动爬窗机器人，其机身能否安全稳定地完成在玻窗上的吸附移动，取决于其所受的力以及力矩是否平衡。
本文以真空负压吸附、二轮轮式移动爬窗机器人为参照模型，以安全稳定工作为模型，确立机身部分的机械尺寸以及相关的力学参数。为简化理论分析的复杂性，本文假定机器人所受到的各个力都作用于几何中心点。本节结合爬窗机器人的受力分析，确定吸附-移动方式的各项主要参数。
图2.2为机器人静止吸附在玻璃壁面上的受力情况，各参数定义如下： F1：机器人受到的壁面压力
F2：机器人受到的因负压效应产生的大气压力 G ：机器人自身重力
f1：吸盘受到的玻璃壁面的摩擦力 f2：轮胎受到的玻璃壁面的摩擦力
图2.2 机器人静止吸附受力分析图
当机器人静止于玻璃壁面受力平衡时，满足以下方程：
12F F = （2.1）
12G f f =+ （2.2） 1111*f F u = （2.3） 2122*f F u = （2.4）
式（2.3）中11F 和式（2.4）中12F 分别为压力1F 在吸盘和轮胎上的分量，1u 和
2u 分别为玻璃对吸盘和玻璃对轮胎的摩擦系数。机器人向下移动时与静止时的受
力情况相同。
下面来分析机器人向上移动时的受力情况。图2.3为机器人向上移动时的受力分析图：
图2.3 机器人向上移动时的受力分析图
可以看出，与向下移动或静止时的受力情况相比，只是f 1由向上变为向下，这是由于此时机器人相对于玻璃壁面向上移动，玻璃壁面给吸盘的滑动摩擦力方向与相对运动方向相反。此时，机器人受力需满足以下方程：
12F F = （2.5）
21G f f =- （2.6） 1111*f F u = （2.7） 2122*f F u = （2.8）
下面分析机器人于玻璃壁面工作时翻转的力学情况，由于翻倒发生时间极
F 1
F 2
G
f 1 f 2
短，所以该过程可设定为静力学状态，机身受力有：轮子与玻璃壁面的静摩擦力f 2；机身重力G 以及吸盘对机身所产生的吸附力F2，受力情况如图2.4所示，其中，O 点为机器人可能发生倾覆的翻转点；H 表示机器人的整体高度；L 代表机器人的长度。
图2.4 机器人移动时翻转的受力分析图
其中，由于轮子所产生的静摩擦力通过了翻转点O ，故其所产生的力矩为零。此时，机身重力G 与吸盘的吸附力二者所产生的力矩应达到平衡，才能防止机器人发生翻转。机器人应满足的力学方程如下：
2G H F L *≥* （2.9）
通过对以上不同情况的受力分析得出，在机器人向下移动时，驱动力由重力提供，吸盘与轮子的摩擦力都成为阻碍机器人移动的力；在机器人向上移动时，在轮子不打滑的情况下，驱动力由轮子与玻璃间的静摩擦力来提供，此时，玻璃对吸盘的滑动摩擦力和机器人自身重力都成为机器人移动的阻力；当机器人于玻璃壁面工作时，可能绕翻转点O 发生倾覆、翻转，此时，机身重量与吸盘产生的吸附力的力矩必须达到平衡，否则机器人将无法稳定安全工作，发生翻转、倾覆的情况；机器人向其他方向移动时的受力情况是以上三种情况的综合。因此，机器人重力、吸盘与玻璃壁面的摩擦力、轮胎与玻璃壁面摩擦力以及机器人的尺寸彼此牵制，成为决定机器人移动方式的重要条件。轮胎与玻璃壁面的摩擦力以及驱动电机将在下节爬窗机器人移动方式中一并讨论，依据前面的讨论，下面分析机器人重力、吸盘和真空泵的主要参数的选取。
机器人的质量需控制在2kg 以下，包括直流减速电机，微型真空泵，吸盘，底盘，电路板，电池等部分。所以上面式（2.2）、（2.6）中G 约为20N 。正常情
F 2
G
f 2
O L/2
H/2
况下，吸盘以及轮胎与玻璃壁面的摩擦系数约为0.3，即要想机器人能静止在竖直玻璃壁面上，所产生的抵消重力的静摩擦力至少为20N，近似计算最大静摩擦力用滑动摩擦力代替。由上述方程得，机器人静止时需满足的条件为：
121*
f f F u G
+==
20
G N
=
0.3
u=
解得：167
F N
=
即是吸盘的吸附面积S与真空泵所需要产生的真空负压P的乘积P*S需要大于或者等于67N，才能满足机器人在玻璃壁面上的安全稳定的工作。另外，在机器人自重与吸附力一定的情况下，为防止机器人翻倒，其本体设计应尽量轻而扁平。
2.2.3 机身总体结构设计
机身的总体结构设计是组装机器人的关键，通过确定机器人机身各个器件尺寸的测量，以及体积最小化、重量最轻化的原则，基于SolidWorks软件平台完成了机身的机械结构设计，如图2.5所示。机身的主要器件包括:铝合金支架、真空泵、吸盘、电机、车轮。
图2.5机身结构设计图
2.2.
3.1 驱动电机的选型
常用的驱动电机主要包括直流电机、步进电机、直流减速电机，直流电机转速快、重量轻，已应用于众多控制领域；步进电机重量相对较大、转速慢，但是控制精确，能完成角位移或角速度的移动控制；直流减速电机的扭矩最大，重量较轻，且控制灵活，改变控制电压即可改变电机转速和转向，虽然转速较低，但是考虑到本设计对电机的转速要求不高，综上所述，本设计采用直流减速电机作为驱动电机。
图2.6为本系统所采用直流减速电机的实物图，其型号为37GB227，由普通的直流电机加上前端的减速箱组成，此款电机的驱动电压为直流12V ，空载下的转速为20r/min ，转矩达到20kg.cm ，提供足够大的驱动力，满足机器人的爬窗要求。
图2.6 直流电机减速图
2.2.
3.2 轮胎的选型
本文选取橡胶轮胎作为驱动轮，橡胶与干燥玻璃壁面的摩擦系数在0.2~0.4之间，是日常用品中与玻璃壁面摩擦系数最大的物品。另外，轮胎直径与电机扭矩密切相关，二者共同决定了驱动力的大小，本系统选用的驱动轮直径为65mm 。机器人在竖直玻璃壁面上朝各个方向的移动中，竖直向上移动对驱动力的要求最高，此时驱动力不但要完全克服重力，还要克服吸盘与壁面的滑动摩擦力。按照上节的讨论，机器人的重力为20N ，吸盘与玻璃壁面的摩擦力20N （以最大值计算，实际上达不到），则
1/k f L l = (2.10) 21G f f +≤ (2.11)
其中，1f 为轮胎与玻璃壁面的静摩擦力即机器人的驱动力，2f 为吸盘与玻璃壁
面的滑动摩擦力，k L 为驱动电机的扭矩，l 为轮胎的半径。1f 约为61N ，大于重力，满足设计要求。 2.2.3.3 吸盘及真空泵的选型
根据设计要求，吸盘选用Festo 公司的V AS-125-3/8-PUR 型吸盘，其有效吸附直径为125mm ，连接头为螺纹连接方式，螺纹为常用的3/8型号，采用聚氨酯材料（PUR ）制成，其与玻璃壁面的静摩擦系数较大，而滑动摩擦系数小，从而使得吸盘在静力学状态下能为机器人提供更高的静摩擦力，防止机器人的坠落，与此同时，机器人在动力学状态下，吸盘产生更小的滑动摩擦力，减小了对机器人的移动阻碍，提高了机器人的移动灵活性。其实物图和参数如图2.7所示：
特性 技术参数 额定尺寸 7mm 吸盘直径 125mm
设计结构 真空口位于顶部，圆形
工作介质 大气 环境温度 -20度到60度
重量 150g 吸盘材料信息
PUR
图2.7 V AS-125-3/8-PUR 型吸盘及参数
微型真空泵选用成都气海公司生产的VM8001型微型真空泵，其真空度为80KPa 。其实物图及相关参数如图2.8所示。
特性 技术参数 电压 12V 负载电流 <100 mA 流量 2L/min 真空度 80KPa 相对真空度 -20KPa 重量
130g
图2.8 VM8001系列微型真空泵
从第二章参数分析可知，大气压对吸盘的压力至少为67N 。根据压力压强关系公式*F P S 可知，该压力与吸盘的内外压强差以及有效吸附面积成正比。吸
盘内外压强差由真空泵决定，吸盘有效吸附面积由吸盘尺寸决定。本方案采用的吸盘直径为12.5cm ，真空泵相对真空度为-20KPa 。可以算出吸盘面积约为0.0123m 2，根据式*F P S ，得F=245.32N ，因此所选真空泵和吸盘满足吸附需求。
2.2.
3.4 清洁系统执行器件的选型
清洁系统执行器由机器人前端的玻璃清洁抹布以及后端的清洁滚筒共同组成。清洁系统如图2.9所示。
图2.9 清洁系统图
机器人前端的清洁抹布采用吸附能力强的静电抹布，其吸附能力强，可有效地除去粘附在玻璃窗户上面的粉尘；后端的清洁滚筒通过一款清洁小电机进行驱动，其为微型直流减速电机，供电电压为直流12V ，可通过L298完成驱动，负载下转速为16r/min ，输出扭矩达到0.8kg.cm ，在有效地带动滚筒完成清洁工作的同时，也为机器人提供一定的驱动力。滚筒小电机的实物图如图2.10所示。
图2.10 清洁小电机实物图
玻璃清洁抹布
滚筒小电机 滚筒
2.3 爬窗清洁机器人机身电路设计
爬窗清洁机器人机身主要包括无线接收模块、移动模块、吸附模块、清洁模块、控制模块和电源管理模块。无线接收模块与控制器的无线发送模块对应，完成信号的接收并传递至控制模块；移动模块主要包含完成信号放大的驱动芯片、一对直流减速电机及轮胎，以完成机器人的轮式移动；吸附模块主要包括驱动芯片、微型真空泵和吸盘，通过微型真空泵对吸盘内腔进行抽气动作，使吸盘内部形成真空负压，完成机器人与玻璃壁面的真空负压吸附；清洁模块包含小电机、滚筒和静电吸附抹布，通过至于机身前端的抹布，和后置的自动转动滚筒完成窗户的清洁；控制模块包括单片机及其外围电路，完成射频模块的管理、控制信号的处理、直流减速电机的控制、微型真空泵额的控制等工作；电源模块包括低电量检测和系统中各个模块电源供电。系统的总体方框图如2.11所示。
图2.11 机器人机身的方案框图
2.3.1 无线接收设计
为完成控制信号的传递，本文采用无线发送电路对控制信号进行收发。目前，短距离无线通信方案目前有蓝牙技术（Bluetooth ）、红外通信技术（Infrared Data Association, IrDA ）和无线射频通信技术。蓝牙技术增加了硬件复杂度、软件成本以及系统的功耗，因此无法与低功耗单片机连接；红外通信技术的通讯距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断，不满足本设计的要求；而基于射频技术的无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，且通信协议简单透明，技术成熟[22]。故使用无线发送电路采用基于射频技术的无线收发芯片nRF24L01进行设计。
nRF24L01是Nordic VLSI ASA 公司开发的产品，工作在2.4GHz 的ISM 频段。它将一个8051兼容单片机、一个2.4GHz 的无线收发模块、外围原件、电
无线接收
控制模块
移动模块 电源模块
遥控器
吸附模块
清洁模块