３．１ 引言
爬壁机器人最主要的两个要素 吸附功能和移动功能 在解决了吸附单元 的设计后 本章将对清洗机器人的移动方式进行研究 一般来讲 爬壁机器人移 动方式的选择要根据工作壁面的特性以及机器人本身的工作特点来决定
３．１．１ 爬壁机器人的移动方式
爬壁机器人移动方式多采用车轮式 履带式和脚足式
[21]
车轮式转向性好 移动速度快 控制灵活方便 但一般由单吸盘组成 要 维持一定的吸附力比较困难 而且磨损比较严重 多用于需要全方位移动的爬壁 机器人 如哈默尔曼的清洗除锈机器人 哈尔滨工业大学的高楼清洗机器人 油 罐检测机器人和容积测量机器人等
履带式着地面积大 壁面适应性强 能始终保持较大的吸附力 对壁面的 适应性较强 但对其运动路径控制和姿态控制比较困难 多用于磁吸附机器人 如上海交大机器人所研制的除锈机器人等
脚足式动作灵活 具备一定越障能力 但确定是移动速度较慢 机构设计 和机器人运动的步态规划比较复杂 多用于工作壁面较为复杂的机器人 如上海 大学研制的球形壁面爬壁机器人 北京航空航天大学研制的多足多洗盘清洗机器 人等
３．１．２ 玻璃幕墙清洗机器人工作特点
高楼玻璃幕墙清洗机器人有自身的工作特点 首先由于清洗作业的特殊性 机器人工作行程只能是自上而下 其次 清洗机器人只需垂直上下滑移 左右移 动不频繁而且要求不高 综合这两个特征 清洗机器人采用车轮式 履带式和脚 足式中任何一种都只会影响工作效率 增加机器人控制的复杂程度和制造成本 这些与设计的初衷 结构简单 快速移动和跨越障碍相背离 而且不利于清洗机 器人的产业化
考虑到机器人工作行程的自上而下垂直移动 而且玻璃壁面摩擦系数较小 我们提出一种移动方案 依靠机器人本身自重 在楼顶吊装系统的引导下 利用 安装在吸盘上的随动车轮自由向下滑移完成清洗作业 这对吸盘内负压控制的要 求相对较高 经试验证明 这种无驱动下滑的移动方式工作简单可靠 而且效率 高 节约能源 能够有效实现机器人的清洗作业
３．２ 清洗机器人无驱动下滑的实现条件
对于无驱动下滑方式 国外已有少量研究 Domenico Longo 等人设计了一 种无需驱动的称为 SCID 的爬壁机器人
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该机器人选型如图 3-1 所示 其 主要结构是在机器人头尾两端分别有电磁铁吸盘 其运动智能在导磁性材料的壁 面上依靠重力的作用从上往下运动 当机器人一端电磁铁吸附 另外一端放松时 在重力的作用下 通过机器人旋转关节的旋转机器人就向下运动 该机器人的主 要特点是结构小 重量轻 整个机器人重量只有 150 克 但 Domenico Longo 等 人并没有对无驱动下滑的实现以及可能存在的问题进行探究 图 3-1 为 SCID 无 驱动爬壁机器人图 3-1 SCID 无驱动爬壁机器人 Fig 3-1 Non-actuated Wall-climbing SCID
清洗机器人必须能够可靠吸附在玻璃幕墙上 机器人的自身重力要能够克 服摩擦力下滑 卷扬机钢索在起到安全保护作用的同时 提供一定的牵引力 引 导机器人匀速下滑
３．２．１ 清洗机器人受力分析
机器人下滑过程中受到数个力的作用 简化为图 3-2 正常下滑时 图 3-3 越障上吸盘缩回时 和图 3-4 越障下吸盘缩回时 的模型 包括自身重力 卷扬机的牵引力 吸盘的吸附力 玻璃幕墙对吸盘的反作用力 玻璃幕墙和密封 圈之间的摩擦力以及清洗滚刷旋转抽打玻璃幕墙时产生的反作用力 其中卷扬机 钢索吊在机器人重心
O
G T
F
1F
2F
f1F
f2F
1'F
2'F
首先对无越障机器人匀速下滑作业时的静力学进行分析 图中 T 卷扬机钢索牵引力 N
G 机器人自身重力 N
F 清洗滚刷旋转抽打玻璃幕墙对机器人的反作用力 N
图 3-2 机器人双吸盘吸附时的受力分析
Fig 3-2 Force Analyse of Robot When the Two Suction Cups Are Working
F
1
上吸盘吸附力 N2S Fig 3-3 Force Analyse of Robot When Only
One Suction Cup Is Working
(3-12)
(3-13) (3-14)
(3-15)
图 3-4 机器人下吸盘收回时的受力分析 Fig 3-4 Force Analyse of Robot When
Only One Suction Cup Is Working
G
负压腔内负压立即消失 因此 采用负压传感器作为监测失效的工具 机器人本 体控制器将负压传感器测得数据进行分析 当负压传感器输出为零时 即表明机 器人已经脱离玻璃幕墙 吸盘已与外界空气相通 已经出现第一种失效形式
当出现第二种失效形式时 机器人无法顺利下滑后 由于卷扬系统继续工 作 使得楼顶吊装系统的钢索张力变为零 因此 采用张力传感器作为监测此失 效的工具 机器人本体控制其将张力传感器测得数据进行分析 当张力传感器输 出为零时 即表明机器人已无法顺利下滑 已经出现第二种失效形式
负压传感器和张力传感器均输出模拟电压信号 机器人本体控制器监测到 任意一个传感器输出为零时 即发出复位指令 依次关闭清洗水泵 滚刷电机和 风机 同时向地面遥控监控系统发出报警信息 操作人员即可立即采取措施及时 处理
３．３ 清洗机器人越障过程分析
窗框类障碍具有形状规则 大小一致的特点 利用红外反射型光电传感器 检测障碍 气缸驱动相应动作元伸出和缩回来避开障碍 选用的红外反射型光电 传感器有效检测距离为 0~20cm 可调 对光线要求不高 而且对反射面的变化不 敏感 能够比较可靠的检测障碍 采用红外反射型光电传感器作为障碍检测元件 的双吸盘交替吸附式负压吸附单元最大的特点就是能够快速有效的跨越窗框类 障碍 可以跨越 2~3 英寸的窗框类障碍
每个动作元都有一组光电传感器检测障碍 为了跨越水平窗框内障碍 四 组光电传感器分别安装在靠近机器人下吸盘 接水板 上吸盘和刮水板适当位置 处 当机器人清洗下滑时 各传感器组检测到障碍后发出电信号 经 PLC 控制 相应电磁阀 由气缸驱动相应运动件缩回以避开障碍 越障后再依次伸出 负压 吸附单元的两个吸盘在越障过程中始终至少有一个吸盘是处于吸附状态
下面结合示意图 3-5 分析机器人检测并跨越障碍的整个过程
1.窗框障碍 2.玻璃幕墙 3.光电传感器 I 4.下吸盘 5.下吸盘驱动气缸 6.光电传感器 II 7.接水板 8.接水板驱动气缸 9.滚刷 10.光电传感器 III 11.上吸盘 12.上吸盘驱动 气缸 13.光电传感器 IV 14.刮水板 15.刮水板驱动气缸 16.负压发生室
图 3-5 机器人示意图 Fig 3-5 Schematic of Robot
开始 机器人开始下滑
第一步 光电传感器 I 检测到障
碍 下吸盘内闸片关闭 使下吸盘与负压发生室 气路隔断 下吸盘负压消 失 下吸盘缩回 此时机 器人仍在下滑
第二步 光电传感器 II 检测到障 碍 下吸盘伸出 下吸 盘内闸片打开 与负压 发生室连通 下吸盘产 生负压 同时 接水板 缩回
第三步 接水板经延时 延时时 间 取 决 于 清 洗 机 器 人 移动速度 后伸出
第四步 光电传感器 III 检测到
障碍 上吸盘内闸片关 闭 与负压发生室气路 隔断 负压消失 上吸 盘缩回
第五步 光电传感器 IV 检测到 障碍 刮水板缩回
第六步 经过延时 上吸盘伸出 内闸片打开 导通负压 发生室 上吸盘内产生 负压
3.4 本章小结
本章首先分析了爬壁机器人常用的移动方式 结合清洗机器人工作特点和 玻璃幕墙的特性 提出了无驱动下滑和越障的方案 经过理论分析得出了无驱动 下滑的实现条件 并阐述了机器人在无驱动下滑时跨越障碍的整个实现过程
第七步 再经延时 刮水板伸出 机器人越障过程完成