能跨越水平碍的玻璃幕墙清洗机器人的设计.pdf

一种能跨越水平窗框障碍的玻璃幕墙清洗机器人的设计4 9一种黼跨越水平宦涯漳碍的玻璃摹墙清洗机器人的设计AG I a s s-c u r t a i nW a I I-c l e a I l i n gR o b o tw i t ht h eA b i l i t yo fC r o s s i n gH o r i z o n t a lW i n d o w sF r a m e s胡启宝钱志源赵严正(上海交通大学机器人研究所，上海2 0 0 2 4 0)摘要：介绍了一种壁面适应性较强，能跨越水平窗框障碍的多吸盘吸附式玻璃壁面清洗机器人系统，并对其控制系统进行了研究。机器人在楼顶卷扬机的牵引作用下依靠自身重力沿壁面下滑完成清洗作业，通过多负压吸盘的交替吸附达到跨越水平窗框障碍的目的，并提出了理想密封系统的模型。关键词：清洗机器人多负压吸盘越障理想密封模型A b s t r a c t：A9 1 羽s c u r t a i nw a l l c l e a n i n gr o b o tw i t ht h ea b i l i t yo fc m s s i n gt h eh o r i z o n t a l 埘n d o w sf h m e sh a sb e e nd e v e l 叩e d A n dt h ec o 呲r o ls y s t e mh a sb e e ns t u d i e d W h e nt h er o b o t sa d h e r et ot h ew a l ls u I a c e，i tc a ns l i d ed o w na l o n gt h e8 u r f 矗c eb yaw i n d l a s so nt h ef 勺o fd e p e n d i n go ni sd 咖g 豫V i t yf o r c ew h i l ec l e a n i n g W i t ht h em o t i o no ff o u rs u c t i o nc u p sb yt u m s，t h er o b o tcanc m s st h ef h m e ss u c c e s s f u U y A n dt I l ei d e a lm o d e lo ft h es e a l i n gs y s t e mh a sa I s ob e e np r o p o s e di nt h i sp a p e rK e yw o r d s：w a l l c l e a n i n gr o b o tc m s s i n go b s t a c l e ss u c t i o nc u p si d e a ls e a lm o d e lO 引言采用玻璃幕墙作为外防护结构的高层建筑，因其采光性好、保温、防潮、实用美观等优点，近年来我国大中城市日渐增多。传统的人工清洗方式既危险，效率又低且成本高。国内外已经研究了一些用于高楼玻璃幕墙清洗的爬壁机器人模型，但目前都还没有实用化。究其原因，机器人的越障能力、清洗工艺和效率等关键问题制约了清洗机器人的发展。爬壁机器人作为一种在极限环境下作业的自动化机械装置旧J，其主要特点是在垂直或倾斜壁面上运动，吸附、移动、清洗是其三大基本功能。实现吸附功能的方式主要有3 种：负压吸附方式、磁吸附方式、推力附着方式。其中，负压吸附对壁面材料没有特殊要求 1，作为一种适用范围最广的壁面吸附方式，是通过真空发生装置，使吸盘内腔产生一定负压，机器人利用吸盘内外压差吸附在壁面。因此，针对现有清洗机技术上的不足，我们研制了一种能够跨越水平窗框类障碍的高楼玻璃幕墙清洗机器人，本文介绍了该清洗机器人系统并对其控制系统进行了研究。1 清洗机器人系统清洗机器人系统由楼顶安全系统、机器人本体和地面遥控装置3 部分组成，见图1。机器人本体在楼顶安全系统的牵引下，当吸盘吸附于壁面时，依靠自身重力下滑并同时完成清洗作业。本体结构示意图见图2，主要由负压吸附机构、密封机构、清洗机构、水循环回收机构、障碍检测机构及壁面刮洗机构组成。吸盘可相对于负压发生室伸出和缩回，并由其内部闸片控制与负压发生室间的气路通断。在风机运行时，吸盘通过两个滑动套筒与真空发生室连通气路，当内部闸片均开启时，吸盘分别在各自汽缸驱动下伸出，平整贴近玻璃壁面。此时，依靠密封机构，便在负压发生室及吸盘的封闭空间内产生负压，清洗机本体便在负压作用下吸附于玻璃壁面，从而使机器人本体在清洗刷高速旋转时获得垂直于壁面的吸附力。楼顶安全系统主要由卷扬机、钢丝绳、移动小车、固定轨道、支撑架、控制作者简介：胡启宝1 9 8 2 年生，安徽六安人，上海交通大学机器人研究所硕士研究生。研究方向为玻璃幕墙清洗机器人的设计。万方数据机电一体化M P a t r o n i c s2 0 0 7 年第3 期1 楼顶安全系统；2 机器人本体；3 地面遥控装置；4 空压机图1 机器人系统示意图柜组成，用来协调清洗机本体重力下滑移动，并完成升降、调速和安全保护作用。地面遥控装置主要由控制箱体、操作面板、无线通信模块及控制单元组成，通过无线监控的方式向清洗机本体、楼顶安全系统发出各种动作指令。2 机器人本体设计以及吸附、清洗和越障功能实现机器人本体主要由多吸盘负压吸附机构、清洗装置和越障系统组成。吸附机构由2 个电风机、4 个单面开口的长方体吸盘、吸盘内通断气路的闸块、H 型负压发生室及连接吸盘和发生室的滑动套筒组成。电风机运行时，由汽缸驱动打开闸块，经滑动套筒连通与发生室间的气路，吸盘平整贴近壁面形成封闭空间，依靠密封装置，吸盘内产生负压，机器人便在负压作用下吸附于壁面，从而在清洗滚刷高速旋转时获得垂直于壁面的抽打力。吸盘密封装置包括紧贴壁面的橡胶条和内侧的随动滚轮。密封胶条防止吸盘气体过量泄漏，并在清洗过程中随吸盘沿壁面下滑。随动滚轮用来调节密封胶条和壁面间距离，防止胶条过度接触壁面，并将一部分滑动摩擦转为滚动摩擦，减小了壁面摩擦系数。清洗装置由滚刷、清洗液供给、污水回收和洁面刮板组成。滚刷缠绕固定在滚筒轴上滚筒轴支撑在罩体两端，并由电机带动高速旋转形成对壁面的抽打力，经水泵由喷嘴将清洗液喷淋在壁面上，便能将污垢剥离壁面。水回收装置通过接水刮板一端紧贴壁面并上翘的海绵材质，将污水回流至罩体底部，经过滤后回到储水箱内循环使用，从而提高了水利用率。位于最上端的洁面刮板通过其端面上的橡胶条刮洗壁面，以清除壁面残留水渍。为跨越水平窗框障碍，增加了一套气动系统和6组障碍检测传感器。越障部件包括上下4 个吸盘、接水刮板和洁顽刮板，均由传感器检测障碍并确定动作时间，经各自汽缸驱动完成伸缩动作。吸盘内的闸块由双向动作汽缸带动，在吸盘脱离壁面前封闭吸盘与负压室间气路，吸盘跨越窗框越障后，在壁面上重新吸l，负压发生室；2 水箱；3 汽缸I(x 8)；4 吸盘(x 4)；5 闸片(8)；6 双向汽缸(4)；7 导气套筒(8)；8 汽缸(2)；9 接水板；l O 滚刷；1 1 刮板；1 2 汽缸(2)；1 3 电风机(2)；1 4 电机及其驱动装置圈2 无驱动机器人本体系统结构图 万方数据一种能跨越水平窗框障碍的玻璃幕墙清洗机器人的设计5 1附时打开气路。越障部件的气动系统原理见图3。1 伸缩汽缸(8)；2 节流阀；3，9 二位五通电磁阀；4 消音器；5 手动阀；6 过滤器；7 减压阀；8 截止阀；l O 双向动作汽缸(2)图3 越障部件气动系统3 机器人本体的控制系统本体控制系统主要完成对多吸盘吸附机构、负压闭环控制、清洗机构、无线通信、障碍检测、越障规划、水位检测、气动元件等的控制。直流伺服电机、电风机、水泵、气动电磁阀等作为执行装置。负压由两个风机产生，并由单相交流调压模块调节风机转速；清洗刷由直流伺服电机及其驱动器经同步带驱动并可调速；水循环回收机构主要是控制水泵实现水的循环、过滤和回收再利用。控制器通过对多种传感器信号的处理，完成对机器人吸附、清洗、越障等的规划和控制。负压传感器用以检测吸盘内负压，经由E M 2 3 5 转换模块进入P L C，实现负压闭环控制。6 组光电传感器用于分别检测4 个吸盘、接水板和刮水板是否接近清洗机器人移动前方的水平窗框障碍，由控制系统决定越障动作时机，依次控制以上6 个部件的气动装置缩回和伸出，从而实现整个越障过程。此外，液位传感器用来检测水箱内水位，在供水不足时，通知地面遥控系统。图4 控制系统硬件框图4 吸盘理想密封系统模型的研究因吸盘与壁面间有相对运动，在下滑移动过程中为保持良好的密封性能并得到合适的壁面摩擦力，增强壁面移动能力。提高密封胶条使用寿命，有必要建立吸盘密封系统结构、壁面摩擦力和吸附力问的数学模型，从而指导吸盘密封装置机构设计，形成负压吸附力和壁面摩擦系数以满足实际要求，密封胶条与壁面若即若离的理想密封状态见图5。假设吸盘外侧面加工均匀平整，密封胶条作弹性变形，且满足胡克定理。根z 一：皤一：皤yF f3yF Z2五一=鱼面一，岛=鱼互矿J 1 一3 E l U 2 2 E lF=p p。训歹0=五一石。，口=岛B密封结构棼詈各参数闻的丌何娑桑为 万方数据5 2机电一体化M e c h a t m n i r s2 0 0 7 年第3 期寥卜蓁吸盘滚一轮厅流厂密|寥厂_ l 葭角辽鼍I曙1 E f魁：融譬t。、矽JF图5 理想密封装置力学计算模型z*z“一，：。，矗=I6 一f其中，Z 是吸盘外端面到壁面距离；Z 7 是胶条变形后总长，且Z 坝口，z)；是滚轮中心轴与吸盘外端面距离；6是滚轮半径；g 是胶条面均布载荷，且q=n 并，p c 为吸盘内负压，菇为吸盘长；埘是吸盘宽；弘是壁面摩擦系数；F 是壁面对胶条的摩擦力；尉，一和L 分别为胶条抗弯刚度、末端切向角和最大扰度。根据该理论模型，可根据特定吸附要求，确定各密封结构参数，即已知以，p 和肼，确定矗和z。也可分析特定密封结构对吸盘吸附特性的影响，即已知，Z 和肼，求成和p，或者已知，z 和p。，求剧和p。实际使用的一组参数为：p c=2 6 k P a，肛=O 2 4，Z=0 0 8 m，=O 0 2 m 及E，：O 3 3 N m 2。5 结束语本文针对有水平窗框的玻璃幕墙提出一种新颖的清洗机器人结构设计原则，设计了一种自身无驱动装置的清洗机器人系统。机器人由楼顶卷扬机牵引，当其吸附在壁面上，依靠自身重力由卷扬机牵引完成下滑移动清洗工作，并利用多个吸盘交替吸附跨越水平窗框，从而有效解决了机器人移动载体复杂度和壁面工作能力间的矛盾，简化了系统机构，降低了成本，提高了安全可靠性。参考文献 1 A N I s H I D e v e l o po fw a l l c l i m h i n gm b o t 8 J c o 唧u t 啪E-l e c t E“g n g，1 9 9 6，2 2(2)：1 2 3 一1 4 9 2 马培荪，陈佳品，俞翔油罐容积检测用爬壁机器人的研制 J 上海交通大学学报，1 9 9 6，3 0(1 1)：1 5 9 一1 6 4 3 Y 蛐z h e“gz h 肿，z h u a n gF u，Q i x i nc，d t c D e v e l 叩m e m 舳d8 p p l i c a t i o n s0 fw a l l c l i m b j n g 砒w i t has i n g l es u c t i o nc I l p J R o b o t i c a，2 0 0 4，2 2：6 4 3 一“8 4 刘淑霞，刘淑良，徐殿国，等电力线载波通信在爬壁机器人控制系统中的应用 J 工业控制计算机，1 9 9 9，1 2(0 6)：3 l 一3 2 5 张海洪，龚振邦，谈士力全方位越障移动机构研究 J 机器人，2 0 0 1，2 3(0 4)：3 4 1 3 4 5 6 周延武，宗光华c l e a n b o t I 擦窗机器人的智能化技术 J 机器入，2 0 0 2，2 4(1)：6 一1 1 7 z h uJ i 彻，S u nD g，T 如s h i u K i t D e v e l o p m e n to fat I 韶k e dc l i m b i n gr o b o t【J J 叫m a l0 fI n t e l l i g e m 硼dR o b o t i cs y s t e m s，2 0 0 2，3 5(4)：4 2 7 4 4 3 苔屯零牙警器高强祭秘笞譬零葛均孓g 啦昏g 吣莽苍黜零岛譬零省氧分弛器牙啦器省风岔弛零牙弛摹牙弛薄笞啦莽劣的莽苕均萍笞啦涔牙弛孓笞弛她岛N I 推出1 1 款新型R F 开关美国国家仪器有限公司(N a t i o n a lI n s t n l m e n t s，N I)最近推出了1 l 款新型R F 开关。将5 0 和7 5 0 h m 应用的P x I R F开关模块的选择增多了一倍。这些模块包括4 l、4 l 匹配、4 1 双向、8 l 双向多路复用器以及四重S P D T 和双匹配S P D T 通用配置。有了这些产品，工程师们可以基于性价比和改善信号完整性的考虑，自主选择优化他们的R F 开关网络。6 款新的2 5 G H z 7 5 0 h m 模块是N I 为高频率视频应用(例如置顶盒测试等)推出的第一批产品。5 款2 7 G H z 5 0 0 h m模块是N I 现有的1 0 款R F 开关系列的新产品。可用于在D c与2 6 5 G H z 间的信号路由，并且可以为R F 发生器(例如N I P x I 5 6 7 1 2 7 G 比矢量信号发生器)或R F 分析仪(例如N I P-5 6 6 12 7 G H z 矢量信号分析仪)扩展其通道数。所有的l l 款模块均提供极低的插入损失(在特定带宽情况下小于2 1 d B)和电压驻波率(带宽小于1 7 5 d b)，以便将功率损耗、电压衰减和信号反射都降到最小。市场上其他的P X I R F 开关一般具有3 d B 的插入损失和在带宽频率下大于1 8 的电压驻波率。这些新模块还提供继电器计数追踪，这是一种N I P x I 模块独家提供的特性，让工程师们可以追踪硬件板上继电器的闭合，从而预测模块上每一个继电器的使用寿命。工程师们可以使用功能齐全的N I s w I T c H 驱动软件编程所有这些开关模块，使得基本的继电器操作可以在通用开发环境中运行，如N I 讪V I E w 图形化开发环境、为A N S l C 开发的I 丑b W i n d o w C V I 和M i c r o s o f tV i 8 u a lB a s i c C+。如果需要其他的配置、编程和管理多通道数开关系统的需求，可以使用N I S w i t c h E x e c u t i v e 软件实现简单易用的智能开关管理和视觉路由环境。一旦工程师配置好开关网络，且对其进行了编程，他们就能基于N I T e s t s t 蚰d完成发布任务。N I T e s t s t a n d 是一个专为简化自动化测试和验证系统而开发的简单易用的测试管理环境和框架。万方数据一种能跨越水平窗框障碍的玻璃幕墙清洗机器人的设计一种能跨越水平窗框障碍的玻璃幕墙清洗机器人的设计作者：胡启宝，钱志源，赵严正作者单位：上海交通大学机器人研究所,上海,200240刊名：机电一体化英文刊名：MECHATRONICS年，卷(期)：2007,13(3)参考文献(7条)参考文献(7条)1.Zhu Jian;Sun Dong;Tso Shiu-Kit Development of a tracked climbing robot外文期刊 2002(04)2.周延武;宗光华 Cleanbot-I擦窗机器人的智能化技术期刊论文-机器人 2002(01)3.张海洪;龚振邦;谈士力 全方位越障移动机构研究期刊论文-机器人 2001(04)4.刘淑霞;刘淑良;徐殿国 电力线载波通信在爬壁机器人控制系统中的应用 1999(06)5.Yanzheng Zhao;Zhuang Fu;Qixin Cao Development and applications of wall-climbing robots with asingle suction cup外文期刊 20046.马培荪;陈佳品;俞翔 油罐容积检测用爬壁机器人的研制 1996(11)7.A NISHI Develop of wall-climbing robots 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