一種平面玻璃幕墻清洗機器人設計

一種平面玻璃幕墻清洗機器人設計

壁機器人是一種取代人類手動操作的自動設備，可以降低手動操作的風險和成本，提高工作效率。這是近年來的研究熱點。之前的嵌入式機器人設計利用了自己的運動結構，以適應復雜的嵌入式環(huán)境。移動設備的結構通常是復雜的，這意味著機器人的質量、控制系統(tǒng)的復雜性和工作效率的增加。質量增加意味著風險的增加和安全保護裝置的成本增加。因此，解決移動設備中的復雜語言和壁面工作能力之間的矛盾一直是阻礙壁面清潔機器人廣泛應用的中心問題。爬壁機器人有多種移動載體型式,適合于平面型幕墻的主要有輪式、框架式及履帶式.輪式機器人機構簡單、移動靈活、速度快,但因吸盤和壁面存在相對運動,壁面適應能力不強,如Zhao等研制的由雙驅動輪和一個大圓吸盤組成的CLE型機器人,Miyake等設計的輕小型擦窗機器人及張海洪等的全方位車輪爬壁機器人.框架式機器人一般由兩組可相對移動的框架組成,每組框架上布置多個吸盤,通過框架伸縮和吸盤交替吸附實現移動和跨越障礙功能,壁面適應能力較好,如周延武等的Cleanbot-I擦窗機器人和Elkmann等研制的由樓頂提升機構協(xié)調2個豎長型框架式移動模塊實現越障和姿態(tài)調整的SIRIUSc機器人.Zhu等研制了一種由履帶式移動載體和52個小吸盤組成的能跨越障礙的Cleanbot-II機器人,但機構相對復雜.衡量爬壁機器人工作性能的指標主要有安全性、工作效率、壁面適應性、載重和成本等.由于建筑藝術的個性化,幕墻結構多種多樣,很難設計出具備綜合性能指標并能適應多種壁面環(huán)境的清洗機器人.因此,本文從實用化的角度出發(fā),針對平面型玻璃幕墻提出了一種新穎的清洗機器人結構設計原則,并據此設計了2個自身無行走機構并依靠壁面牽引移動的清洗機器人系統(tǒng).該機器人以犧牲壁面移動自由度換取清洗效率、載重和工作安全穩(wěn)定性的提高,從而極大簡化了移動載體,降低了設計成本.現場試驗證明機器人安全性好、工作可靠、清洗效率較高.1機器人結構設計原則1.1玻璃壁面需犯罪整理和清洗機器人設計幕墻幾何造型豐富多彩,有豎直、斜面、圓柱面、棱臺面及球面等,其中以帶有水平或豎直窗框的平面型幕墻最為常見.幕墻與房屋主體結構柔性連接,周邊與建筑內、外裝飾物之間預留不小于5mm的凹縫,并在相鄰玻璃間預留由密封膠填充的不小于10mm的伸縮縫,以補償玻璃受溫度影響發(fā)生的變形.因此,盡管幕墻整體比較規(guī)則平整,但密封膠、窗面凹縫、拼接平整度及突起的水平或豎直窗框等“障礙物”將造成壁面的凹凸不平.幕墻是非導磁材料,一般采用負壓吸附方式,但由于壁面的凹凸不平,吸盤易發(fā)生泄漏.此外,玻璃壁面上的污垢包括黑漆、泥塊、紙屑、塵埃、油漬及積灰等,因不同的建筑方位、清洗作業(yè)頻率,臟污程度也可能不同,但一般玻璃壁面的摩擦系數比水泥瓷磚壁面要小.因此,對平面型玻璃幕墻清洗機器人提出了如下設計要求:①安全性和可靠性高,防止在清洗過程中墜落、撞擊和損傷幕墻;②對局部壁面的凹凸不平有一定適應性能力;③對建筑施工造成的壁面幾何誤差以及窗框障礙不敏感,吸附穩(wěn)定性好并能跨越障礙.1.2機器人及所內保護裝置的協(xié)調與合作盡管平面型幕墻結構較為簡單,但自主移動機器人要完成壁面清洗作業(yè),移動載體機構仍十分復雜.如果考慮樓頂安全保護裝置與機器人的協(xié)調運動,整個系統(tǒng)的復雜程度將進一步增加.為此,根據平面型幕墻的結構特點,本文提出一種新穎的清洗機器人結構設計原則.(1)機器人遍歷幕墻的全局運動與樓頂安全保護裝置的運動合二為一.即將機器人對幕墻遍歷運動的功能剝離出來,由樓頂安全裝置來完成,機器人只負責提供合適的壁面附著力、完成清洗任務及跨越障礙等功能.樓頂安全裝置一般作為爬壁機器人的輔助安全設備,并不干涉機器人自主運動,但為了跟蹤機器人的運動,也需要對幕墻進行遍歷.如果將機器人移動載體運動和保護裝置遍歷運動合二為一,可避免功能重復,從而簡化了系統(tǒng)結構.(2)機器人局部運動依靠自身重力和樓頂卷揚機提升力的協(xié)調作用.(3)機器人吸附裝置采用柔性吸附機構,并對吸盤吸附力進行實時調整,以適應幕墻壁面的凹凸不平以及建筑施工造成的壁面幾何誤差.(4)在安全性得到充分保障的前提下,機器人質量、尺寸和載重將得到極大提高,單位時間內的清洗面積也可以增大,從而提高清洗效率.(5)使用仿足式的雙吸盤交替抬起和吸附方式實現跨越水平窗框障礙功能.2機器人系統(tǒng)的設計和功能的實現2.1雙證清洗裝置設計機器人系統(tǒng)由機器人本體、樓頂安全裝置及便攜遙控箱組成,如圖1所示.機器人本體自身沒有行走機構,其幕墻遍歷運動和作業(yè)安全均由樓頂安全裝置負責.樓頂卷揚機將本體運輸到指定清洗區(qū)域,利用雙吸盤負壓吸附機構吸附于壁面,在卷揚機牽引作用和自身重力的協(xié)調作用下沿壁面下滑移動,同時由清洗裝置完成壁面清洗.通過雙吸盤的交替抬起和吸附,在障礙檢測傳感器配合下,可跨越一定高度的突起水平窗框.便攜遙控箱通過無線監(jiān)控方式向本體和樓頂裝置發(fā)出動作指令,并實時顯示當前工作狀態(tài).目前已設計了2個清洗機器人原型:原型I用來清洗沒有突起窗框的平面型幕墻;原型II是在原型I的基礎上為跨越水平窗框而設計的,其結構如圖2所示.2.2確定封固面為壁面的抽打力.機器人本體由雙吸盤負壓吸附機構、清洗裝置和越障系統(tǒng)組成.吸附機構由2個電風機、2個單面開口的長方體吸盤、吸盤內通斷氣路的閘塊、H型負壓發(fā)生室及連接吸盤和發(fā)生室的滑動套筒組成.電風機運行時,由氣缸驅動打開閘塊,經滑動套筒連通與發(fā)生室間的氣路.當兩吸盤平整貼近壁面形成封閉空間時,依靠密封裝置,在封閉空間內產生負壓,機器人在負壓作用下吸附于壁面,從而在清洗滾刷高速旋轉時獲得垂直于壁面的抽打力.密封裝置由緊貼壁面的橡膠條和吸盤內側的隨動滾輪組成.密封膠條防止吸盤內氣體過量泄漏,并在清洗過程中隨吸盤沿壁面下滑.隨動滾輪用來限制密封膠條和壁面的接觸程度,防止膠條過緊接觸壁面,從而將部分滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦,減小了壁面摩擦系數.清洗裝置由滾刷、清洗液供給、污水回收和潔面刮板組成.清洗液經水泵噴淋在壁面上,滾刷纏繞固定在滾筒軸上,滾筒軸支撐在罩體兩端,并由電動機帶動高速旋轉形成對壁面的抽打力將污垢剝離壁面.水回收裝置通過接水刮板一端緊貼壁面并上翹的海綿材質,將污水回流至罩體底部,經過濾后由水泵抽回到儲水箱內循環(huán)使用,從而提高了水利用率.位于最上端的潔面刮板通過其端面上的橡膠條刮洗壁面,從而清除壁面殘留水漬.為跨越突起的水平窗框障礙,增加了一套氣動系統(tǒng)和4組障礙檢測傳感器.越障部件包括上下2個吸盤、接水刮板和潔面刮板.當傳感器檢測到窗框時,各越障部件從下到上經各自氣缸伸縮依次完成跨越窗框動作.閘塊由無桿氣缸帶動,在吸盤脫離壁面前封閉吸盤與負壓室間氣路,越障后吸盤重新貼附在壁面上時再次打開.越障部件的氣動系統(tǒng)原理如圖3所示.3勞動能力分析3.1事故發(fā)生原因機器人要保證在高空安全可靠地完成清洗任務,防止發(fā)生危險,需避免以下情況發(fā)生.(1)吸附力太大,壁面摩擦力也大,機器人本體不能靠重力下滑.此時如卷揚機下放鋼繩,提升力變?yōu)榱?在斷電或吸附力陡然下降時,機器人有突然下墜或傾覆的危險,甚至有碰撞壁面及拉斷鋼繩墜地的可能,容易發(fā)生事故.(2)吸附力太小,無法維持對壁面的清洗壓力.因壁面的凹凸不平,吸盤內氣體過度泄漏使負壓降低,當清洗滾刷抽打壁面時,吸附力不足以維持機器人壁面吸附,壁面反作用力將使其脫離壁面,清洗工作無法完成,并有可能使機器人在空中晃動并撞擊幕墻.因此,機器人需維持一定的吸附力,從而保持清洗壓力,確保清洗效果.(3)因吸盤尺寸較大,左右兩邊密封性能難免不同,造成吸附力左右不均.如果持續(xù)下放鋼繩,機器人將發(fā)生傾斜,一端鋼繩變松,可能造成機器人突然墜落.因此,需采取以下措施保證機器人工作安全:①采用張力傳感器檢測鋼繩張力,始終維持牽引力存在;②對吸附力進行實時閉環(huán)調整控制;③吸附裝置采用柔性機構,允許滑動套筒一定程度的變形,并設計合理的密封裝置,從而適應壁面一定程度的凹凸不平.3.2吸附力控制設計機器人吸附在壁面上依靠重力克服摩擦力下滑移動,并通過鋼繩下放速度控制清洗速度.吸附力大小關系到機器人能否安全可靠地完成清洗作業(yè),但機器人工作狀態(tài)和外界環(huán)境隨時可能發(fā)生變化.因此,就需要對吸附力進行實時調整控制.決定吸附力大小的因素包括:(1)機器人和壁面間的等效摩擦系數.玻璃壁面的污垢性質和臟污程度不同,摩擦系數也可能不同.清洗作業(yè)時,清洗液不可避免沿壁面流淌以及吸盤密封狀態(tài)的改變,如吸盤內隨動滾輪可能發(fā)生滑移,也會引起摩擦系數的變化.(2)外界環(huán)境變化.如壁面凹凸不平會增大吸盤氣體泄漏量,在越障過程中只有單吸盤吸附以及高空風載也會對吸附力產生影響.(3)工作狀態(tài)變化.機器人在初始吸附時要實現順利下滑,并以不同清洗速度工作以及由壁面臟污程度決定的清洗強度引起的壁面反作用力變化,都要求不同的吸盤吸附力.因此,吸附力的調整控制包括吸附力確定模塊和吸附力閉環(huán)控制模塊.前者根據機器人設定的下滑清洗速度、壁面摩擦系數、滾刷反作用力、越障及隨機風載等因素確定合適的吸附力值,使機器人正常運行在某工作狀態(tài)下;后者為防止壁面凹凸不平對設定吸附力值的影響,通過調節(jié)電風機工作電壓,對吸附力進行基于負壓傳感器的閉環(huán)控制.總之,需分析壁面環(huán)境和機器人自身工作參數變化時對吸盤吸附力有效的控制方法,從而提高機器人的壁面適應能力,確保其平穩(wěn)可靠工作.4主要技術指標對機器人進行了大量的戶內外幕墻清洗作業(yè)試驗,如圖4所示.現場試驗證明,提出的自身無行走機構,依靠壁面牽引移動作為清洗機器人的機構設計原則是可行的,機器人能有效完成清洗任務并能跨越障礙,且能依靠自身重力進行姿態(tài)自調整,從而具備良好的壁面適應能力.2個機器人原型的主要技術指標如表1所示.5機器人清洗機器人