摆臂式擦窗机器人的设计与实现

摘要

随着城市的现代化发展，人们对生活的健康性、舒适性、便捷性要求越来越高，擦窗机器人作为一款能够解放人力、降低高层擦窗风险的智能家居产品深受人们喜爱。本文针对现有擦窗机器人容易出现擦窗死区、清洁度较低的缺点提出了一种擦除率高、可靠性好的新型摆臂式擦窗机器人，并对其进行了机械结构、主控系统、运动控制系统等方面的设计和实现。
　　本文按照模块化的方法和可拓展的原则，使用SolidWorks绘制了擦窗机器人的各个零部件，主要包括驱动部件、气道结构和底座外壳。采用四个独立圆柱齿轮内外啮合的方式设计了驱动结构部件，并根据负压吸附的相关工作原理设计了高效的气流通路。然后设计了以STM32F103C8T6单片机为微处理器，以CN3704电源处理、电机驱动、功率检测、姿态反馈、数据传送和UPS备用电源切换等电路为外设的摆臂式擦窗机器人主控系统，实现了低成本、高性能的主控板设计目标。其中，采用 PWM脉宽调制控制电机驱动芯片A4950实现电机转向转速控制，电机的功率大小则通过微处理器内部ADC采样计算而来。
　　在所设计的机械结构与主控系统的硬件基础之上，进行了摆臂式擦窗机器人控制系统的软件设计，主要包括AD采样、电机驱动、无线通信和运动控制等。为了降低软件编写和维护的难度、增加程序灵活性和扩展性，本文将擦窗机器人的完整擦窗任务分解为环境监测、上边缘寻找、正常行走和擦窗完成四个顺序执行的模式并给出进行模式切换控制的具体方法；同时，为了有效减少擦窗死区的出现、增大清洁力度以及提高擦除率，在软件设计中引入容错判断方法用以实现玻璃边缘所在位置的准确判断，并给出交叉移动计数方法以实现摆臂式擦窗机器人在玻璃边缘位置的向下移动。
　　在将所设计软件控制方法应用于擦窗机器人硬件平台上后，本文对擦窗机器人的基本擦除功能、安全保障功能和遥控控制功能进行了验证。实验结果表明，本文设计与实现的摆臂式擦窗机器人能够实现家用擦窗的基本功能，满足了设定的性能指标，具备擦除率高、可靠性好的优点。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文内容与结构

第2章 摆臂式擦窗机器人的总体设计

2.1 引 言

2.2 设计原理

2.3 设计指标

2.4 总体设计策略

2.5 小 结

第3章 擦窗机器人硬件系统设计

3.1 引 言

3.2 机械结构组成

3.3 主控板设计

3.4 小 结

第4章 擦窗机器人的软件系统设计

4.1 引 言

4.2 系统软件的整体设计

4.3 运动控制设计

4.4 检测控制模块设计

4.5 擦窗工作中的外部控制方法

4.6 小 结

第5章 摆臂式擦窗机器人的系统调试与实现

5.1 引 言

5.2 硬件平台的搭建

5.3 软件平台与调试工具

5.4 驱动控制验证

5.5 设计功能实验

5.6 小 结

第6章 总结与展望

6.1 总 结

6.2 展 望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果