用于玻璃幕墙清洗作业的爬壁机器人系统.pdf

自动化系统用于玻璃幕墙清洗作业的爬壁机器人系统邵浩 , 赵言正 , 王炎 , 刘淑霞 , 刘淑良(哈尔滨工业大学 机器人研究所 , 黑龙江 哈尔滨 150001)收稿日期 1999204223; 修回日期 1999210224基金项目 本项目受国家 863 高技术计划资助 (合同号 : 863251229803206)作者简介 邵浩 (1970 ) , 男 , 安徽省人 , 哈尔滨工业大学机器人研究所助理研究员 , 博士 , 研究方向 : 爬壁机器人 , 机电控制。摘要 爬壁机器人是一种极限环境作业机器人 , 它有着极为广泛的应用前景。主要介绍了一种新型用于高楼玻璃幕墙清洗的壁面爬行机器人的本体结构、控制系统以及它的清洗作业系统。关键词 负压吸附 ; 载波通信 ; 气动控制中图分类号 T P 249 文献标识码 B 文章编号 100920134 (2000) 0220006204W a ll W L L t R H 150001, Ch T t is a k of t in w h w In th is w e m a k of w t w h be to of h l w p w 言随着人民生活水平的不断提高 , 人们对生活空间环境提出了更高的要求。在建筑业 , 由于玻璃的采光性好、保温防潮性能好 , 彩色玻璃实用美观 , 高层建筑的外壁越来越多地采用玻璃幕墙结构 , 但是为了保证建筑外观的整洁美丽 , 就需要对其定期清洗。但是目前大多采用吊蓝载人的清洗方式 , 既危险、工作效率又低 , 属于高空极限作业 , 对人身安全及玻璃壁面都有很大的威胁性。鉴于玻璃壁面的平整性、无大的突起物和沟槽 , 非常适合于采用壁面清洗机器人进行清洗。哈尔滨工业大学机器人研究所在原有型的基础上又研制开发出清洗玻璃壁面的 2 型清洗爬壁机器人 , 该机器人的系统总体如图 1所示。它主要由以下几个部分组成 : (1)本体吸附机构 ; (2)驱动控制系统 ; (3)清洗作业系统。图 1清洗爬壁机器人系统组成1爬壁机器人本体结构爬壁机器人的本体结构设计要求机构紧凑 , 质6第 22 卷第 2 期 2000 年 2 月 制造业自动化图 2爬壁机器人本体照片及原理结构简图量小 , 能够产生较大的吸附力。由于单吸盘爬壁机器人在行进过程中吸盘腔与壁面处于滑动摩擦状态 ,这就要求密封机构能够具有较好的密封性能 , 保持一定真空度。图 2 是爬壁机器人的照片及它的机构简图。111负压产生装置该装置的功能是维持爬壁机构吸盘内负压从而使机构能可靠地吸附在壁面上并产生足够大的正压力 , 使驱动机构能够获得足够的摩擦力而实现移动功能。负压由高速离心式风机产生 , 为使吸盘尽快形成负压 , 将风机直接安装在吸盘上。该风机功率为1000W , 重仅 115它可使负压吸盘在 115s 的时间内形成稳定负压并达到 - 0108 011M 从而使机构可靠地吸附在壁面上。112密封机构及负压吸盘该机构的主要功能是维持机器人负压吸盘内压力。对密封机构的具体要求是能够适应曲率 Q= 1 3的圆柱形建筑外表面 , 且要求密封圈与壁面在作相对运动时二者间的摩擦力尽可能地小 , 因此密封圈与壁面间接触的材料既要耐磨又要摩擦系数小。此外 , 墙壁外表面的小的凸凹又使密封圈与壁面间产生一定间隙 , 而且有时壁面是弧形的 , 因此我们采用软接触的办法来提高密封圈对壁面的适应能力。密封机构的示意性结构见图 3, 其与壁面接触部分是一个充气空气弹簧 , 它与壁面间的接触压力由作用在其上的调节弹簧来实现 , 同时弹簧也可提高气垫对壁面的适应能力。图 3密封结构原理简图2控制及驱动系统211控制系统组成及功能控制系统的主要任务是通过遥控操纵盒完成爬壁机器人在壁面上的吸附、移动控制和清洗作业控制 , 图 2 所示控制系统的结构框图 , 主要包括遥控器、控制器及安全装置 3 大部分 1 。(1)遥控器 : 遥控器以单片机最小系统为核心 ,配以电力载波通讯模块 , 电源电路采用通用 A C 操作手柄辅以功能按键有助于机器人的灵活控制 , 液晶功能 状态显示便于操作 , 结构上紧凑、小巧。(2)机器人控制器 : 机器人控制器以单片机最小系统为核心 , 配以电力载波通讯模块 , 两个电机驱动模块 , 真空泵及电磁阀控制模块 , 直流电源模块等。设计上遵循可靠、小型轻量和便于维护的思想。(3)安全保障系统 : 安全保障系统的核心是卷取7第 22 卷第 2 期 2000 年 2 月 制造业自动化图 4控制系统结构图电机的起、停及正反转控制 , 采用电力载波通讯模块可以实现卷取电机由遥控器控制功能和自治控制功能。212控制系统的性能参数(1)由手柄控制机器人的全方位行走 , 机器人在壁面上可上行、后退、左旋、右旋等灵活动作 , 速度为0 10m m 可根据作业情况而实现无级调速 ;(2)由功能按键控制一些开关量的输入 , 如吸附、刷子、水洗、复位、缆升、缆降等 ;(3)操作的功能 状态可由液晶实时显示 ;(4)采用电力线载波通讯 , 合理地利用真空泵220V 供电电缆线 ;(5)机器人姿态控制为可选择备用方案 , 硬件设计上留出接口 , 软件上可选择 ;(6) 可进行 8上厚度的玻璃幕墙 (无突起物 )的清洗作业。213电机功率驱动器从降低成本和减轻重量的角度考虑 , 电机选用北微的 702L 流力矩测速机组 , 输出转矩较大 , 驱动功率较小 , 转速低。为了使系统具有较宽的调速范围和良好的快速性与抗扰性 , 同时能够较灵活地保证两轮按照移动规划所要求的转速、转向进行工作 , 采用了模拟电流环、速度环的负反馈双闭环控制方式 , 由两套直流 服系统独立驱动。控制系统我们选用了以功率 M O 开关元件 ,直流双 制的 H 桥式双极性电路 , 如图 4 所示 : U 部误差放大器参与构成电流负反馈P I 调节器 , 产生一个模拟误差信号 , 两路 冲输出信号与之幅值成正比 , 且与极性相关。两片110 相结合控制 H 桥中 4 个大功率 M O 640, 在上、下通道输入信号的作用下 ,V 1、 V 3 和V 2、 V 4 交替轮流导通 , 从而在电机 M 上形成一个交替变化的电压和电流 , 构成可逆直流调速系统。U 成电路是针对直流电动机控制而设计的单片 功能齐全 , 110 是美国国际整流器公司 ( In om 利用自身独有的高压集成电路及无闩锁 S 技术开发生产的大功率 M O 用驱动集成电路 2 。 U 110 的使用 , 极大地缩小了控制板的尺寸并提高了控制系统的可靠性 , 具有快速8第 22 卷第 2 期 2000 年 2 月 制造业自动化图 5电机驱动器原理图图 6清洗作业系统结构简图完整的保护功能。3清洗作业系统311清洗作业系统的本体结构清洗作业系统是机器人进行壁面清洗作业的具体执行机构 , 它要适应玻璃幕墙的特点。考虑到玻璃幕墙的灰尘黏结强度大、除水难和有水摩擦系数小等特点。我们设计的清洗作业系统主要由喷雾嘴 , 摆动刷子、雨刮及抬起装置组成 , 参见图 6。该装置首先用喷雾嘴将水或水洗涤剂的混合物以雾状的形式喷射到玻璃壁面 , 然后用摆动的刷子将污物去掉 , 最后用雨刮将墙面刮净 , 清洗效果好、效率高 , 这样机器人通过已清洗过的壁面时就没有水了 , 移动时也不会出现打滑等现象。当机器人向上爬行时 , 将刷子抬起 , 以免将刷子及玻璃幕墙再次弄脏 , 并且减少摩擦阻力从而减小机器人向上爬行时的负载。312 清洗作业系统的气动系统及给水系统为了尽量使机器人及其附属系统质量小 , 清洗作业系统的动力部分均采用小型气动驱动装置 , 该装置主要由伸缩气缸和一摆动气缸及其相应的气动回路组成。清洗作业系统的给水装置是一比较关键的部分。在机器人作业时水的流量必须较小 , 以免水花四溅污染环境 , 但是水的压力必须维持较高 , 以保证水能够送达几十米甚至上百米高。我们采用气动水泵把水进行加压 , 来达到以上要求。4结论经过在爬壁机器人领域近十年的研究 , 在原只适应瓷砖壁面的爬壁机器人 ( 2 ) 3 的基础上我们开发了这种适应玻璃壁面的爬壁机器人。经过实验证明它能够胜任玻璃幕墙的清洗工作。参考文献 1 刘淑良 . 壁面清洗机器人及其控制系统 J . 黑龙江自动化技术与应用 , 1997, 3. 2 张有德 . 飞利浦 80列单片机原理与应用技术手册 M . 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 1992. 3 邵浩 . 壁面清洗爬壁机器人 A . 中国第五届机器人学术会议论文集 C . 1997. 1342138.(上接第 5 页 ) 8 张伯鹏 , 雷源忠 , 黎明 . 建立制造工程与科学学科论证研究 R . 国家自然科学基金会委托任务研究报告 , 编号 1995.9 国家自然科学基金委员会 . 先进制造技术基础 M . 高教出版社 , Sp 1998. 10 张伯鹏 . 信息驱动的数字化制造 J . 中国机械工程 ,1999, 10 (2): 2112215. 11 熊有伦 , 张卫平 . 制造科学先进制造技术的源泉J . 科学通报 , 1998, 43 (4): 3372345. 12 张伯鹏 . 支持产品创新的