懸掛式清洗機器人的設(shè)計與研究

劉杰輝+唐建祥

摘 要：文章介紹了國際上對高樓壁面清洗機械的研究成果與發(fā)展趨勢，設(shè)計了一個吊掛與吸附相結(jié)合的機械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器、監(jiān)控器和通信網(wǎng)絡(luò)等組成，該系統(tǒng)具有可靠性高、運行穩(wěn)定、機械結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點，大大提高了壁面清洗的效率。

關(guān)鍵詞：清洗機器人；PLC控制；無線通訊；監(jiān)控站

引言

隨著現(xiàn)代都市的蓬勃發(fā)展，人們對建筑物美的需求日益迫切，很多高層采用玻璃作為建筑外幕，但也都為建筑外幕易臟且難清理所困擾，尤其是構(gòu)造越復(fù)雜的建筑外幕清洗起來越困難，原來采用人工在吊籃中清洗的方式很難滿足現(xiàn)代高大建筑物的清洗需要。在1966年日本大阪府立大學(xué)講師首先開始了對垂直壁面上移動的機器人的研制[1]，隨后美國、英國、意大利等國也都對壁面清洗機器人做出了相應(yīng)研究[2-3]。

高樓外幕清洗機器人是有著確定功用的機器人，它作用在危險系數(shù)高且垂直于地面的高樓外壁，要自帶清洗裝備，是能夠滿足現(xiàn)代都市建筑外幕外部洗濯服務(wù)的極限工作機器人，它可以將人們從危險的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，不僅可以避免事故的發(fā)生，減少人員傷亡，并且可以美化都市外貌，具有良好的發(fā)展空間。

現(xiàn)在國內(nèi)外壁面清洗機器人運動方式大概有兩類，一類是吸盤式的結(jié)構(gòu)[4-5]，主要是使吸盤達到真空狀態(tài)將機器人本體吸附在外壁上，采用相應(yīng)的驅(qū)動方式進行運動控制；另外一種則采用吊掛式，使用吊塔及纜繩控制機器人清洗機構(gòu)的位置與移動方向。本文要采用的是吊掛式和吸附式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

1 機械結(jié)構(gòu)

壁面清洗機器人在機械上為兩大機構(gòu)：樓房頂端的吊塔、機器人的清洗機構(gòu)和水箱如圖1。

1.1 樓頂?shù)跛?/p>

安放于樓房頂端的吊塔由懸臂、塔體、導(dǎo)軌三部分組成，懸臂部分可折疊，體積小，便于安放，方便搬運；塔體為三角形，穩(wěn)定性好，又使拆卸與組裝變得很方便；導(dǎo)軌固定于樓頂，并配備相應(yīng)的配重，防止吊塔側(cè)歪發(fā)生危險，導(dǎo)軌為可拼接導(dǎo)軌，可根據(jù)需要調(diào)整長度，使底座與機器人本體能水平運動。

1.2 機器人本體

壁面清洗機器人本體在由滾動刷、風(fēng)機和吸盤、噴水系統(tǒng)、用過水循環(huán)、噴氣系統(tǒng)等組成。

（1）滾動毛刷：在滾軸上安放毛刷，由滾軸的轉(zhuǎn)動帶著毛刷同步轉(zhuǎn)動來洗滌表面。

（2）風(fēng)機和吸盤：由于風(fēng)機的吸力作用，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負壓而貼于建筑物表面，確保毛刷的清洗效果。

（3）噴水系統(tǒng)：系統(tǒng)用水泵和旋轉(zhuǎn)噴頭，使建筑物表面均勻濕潤，有更好的洗滌效果。

（4）廢水回收：廢水過濾后返回水箱，使廢水循環(huán)使用，節(jié)約水資源。

（5）噴氣系統(tǒng)：采用風(fēng)機連接氣管，將表面水分吹干，以免再次粘連雜物、塵土。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

由于工作的需要，要同時滿足機器的安全性和穩(wěn)定性，可編程控制器具有良好的性能，滿足工作需求，故機器人主體選取可編程控制器控制；在機器人本體上和鋼索上安裝速度傳感器，通過傳感器反饋，使機器上升速度與鋼索收放速度同步；通過對PC端和遙控器命令的接收，控制機器人各個執(zhí)行元件的開關(guān)，執(zhí)行清潔任務(wù)。

2.1 機器人本體控制

機器人本體機構(gòu)主要由滾動毛刷、水泵、風(fēng)機及吸盤、速度傳感器、噴氣機構(gòu)等組成。清洗過程是：風(fēng)機啟動后使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負壓讓機器人本體貼在建筑外幕，接著水泵啟動，可旋轉(zhuǎn)噴頭噴水將建筑外壁濕潤，隨著水泵的開啟滾動刷開始工作，當(dāng)自下向上工作時毛刷逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)自上到下工作時毛刷順時針轉(zhuǎn)動，清潔建筑物表面；最后噴氣管噴出氣體將表面風(fēng)干，防止粉塵粘附。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由PC端、手動遙控器和時觀測攝像頭組成。PC端站置于樓下控制室，作用是向機器人發(fā)送控制命令和接收機器人工作狀態(tài)，還有接收機器人實時視頻數(shù)據(jù)。機器人在高空作業(yè)時高度較高，用人眼觀察要長時間仰頭，人容易勞累，另外，由于高樓高度較高，人眼不能準(zhǔn)確判斷是否清洗干凈，達到清洗要求。在PC端可以直接通過無線數(shù)據(jù)對攝像頭的焦距進行調(diào)節(jié)，這樣無論是機器人的清洗合格情況還是機器人本體情況都可以達到實時監(jiān)控。操作人員可以直接的在PC端用鼠標(biāo)就可以在控制界面進行清洗機器人的監(jiān)控以及控制，另外遙控器也可以達到控制效果，兩種控制使系統(tǒng)更靈活、更方便。

2.3 樓頂?shù)跛刂?/p>

在鋼索和吸盤上安裝速度傳感器，通過傳感器數(shù)據(jù)，確保清洗機主體吸盤的速度與鋼索收放速度的同步性。最后由PLC控制兩個電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，分別控制著輥筒上鋼索的收放和塔吊在軌道上平行移動，進而使機器人實現(xiàn)豎直和水平方向的運動。

3 硬件構(gòu)成

因為高空壁面清洗作業(yè)在高空，進而對于機器人的穩(wěn)定性和安全性要求相對較高，為滿足機器人的需求，故采用性能穩(wěn)定可靠性高的PLC對壁面清洗機器人進行控制，監(jiān)控站采用PC作為控制平臺。

可編程控制器（PLC）在控制領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，尤其德國西門子（SIEMENS）公司PLC體積小、速度快，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強，可靠性高。故本設(shè)計中我們選用西門子S7-300型號PLC。

（1）監(jiān)控站：采用PC為計算機平臺，由PC機遠程監(jiān)控端及機器人下位控制器（PLC）以及負責(zé)兩者間無線數(shù)據(jù)傳遞的無線通訊設(shè)備組成，由PC機向機器人發(fā)送控制命令和接收機器人工作狀態(tài)，還有接收機器人實時視頻數(shù)據(jù)，達到對清洗機器人的實時視頻觀測。

（2）手持便攜遙控器：通過遙控器上的按鍵可以直接控制機器人的上下左右各個方向的運動，另外，機器人的開始工作、停止以及急停都可通過遙控器實現(xiàn)。

（3）清洗機器人本體：采用西門子S7系列S7-300型號可編程控制器（PLC）作為控制器，PC端和遙控器發(fā)出的指令，經(jīng)過無線接收設(shè)備的接收，進而控制機器人本體各個機構(gòu)工作順利進行。

（4）樓頂塔吊：與機器人本體共用一個 PLC 為控制器，塔吊上裝有兩個交流伺服電機，由 PLC控制兩個電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，分別控制著輥筒上鋼索的收放和塔吊在軌道上平行移動，進而使機器人實現(xiàn)豎直和水平方向的運動。

4 PLC軟件設(shè)計

該系統(tǒng)有兩種控制模式：手動控制或自動控制；施工人員可以通過操作遙控器來控制清洗機器人，亦可通過PC與控制器的無線連接實現(xiàn)自動控制。

其中人員通過PC發(fā)出各項指令，也通過遙控器向機器人發(fā)出行動指令，這些指令通過無線通訊設(shè)備發(fā)到下位機控制器的無線接收模塊中，機器人對運動指令進行解析，按照要求協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)按照設(shè)定的工作模式，啟動各種執(zhí)行結(jié)構(gòu)，同步控制電機旋轉(zhuǎn)、水泵工作、真空吸盤、吊塔繩索伸縮、攝像頭拍照等模塊協(xié)同作業(yè)以完成墻壁清洗工作，并實時采集各傳感器數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，通過無線模塊傳給 PC 機以實現(xiàn)清洗機器人的實時監(jiān)控功能[6]。其中，機器人的路徑規(guī)劃可自動設(shè)定，也可由遠程工作人員通過操控遙控設(shè)定，更符合實際工作要求。

控制程序利用西門子公司開發(fā)的Step-7WIN編程軟件來編輯程序，采用梯形圖來編輯控制指令，有較好的通用性，并且容易理解。控制流程圖如圖2所示。

5 結(jié)束語

針對高層樓房外壁依賴人工方式危險系數(shù)高、工作效率低的問題，PLC自動控制系統(tǒng)在壁面清洗機器人上的應(yīng)用，使壁面清潔的用時大大減少，提高了工作效率，縮減了勞動力數(shù)量，自動控制將使壁面清洗工作越發(fā)的安全，控制更加靈活。可以把人們從危險的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，并能提高工作效率，降低清洗成本，具有很大的市場潛力和實用價值。

參考文獻

[1]王園宇，武利生，李元宗.壁面清洗機器人發(fā)展趨勢淺談[J].引進與咨詢，2002（6）.

[2]婁隴筑，鄭敏志，雷志豪.壁面清洗機器人——“藍色超人”的開發(fā)研制 [J].清洗世界，2003（9）.

[3]唐伯雁，劉榮.復(fù)雜弧面幕墻清洗機器人的自攀爬機構(gòu)設(shè)計 [A].第四屆中日機械技術(shù)史及機械設(shè)計國際學(xué)術(shù)會議[C].2004.

[4]Qian Zhiyuan， Zhao Yanzheng， Fu Zhuang， Cao Qixin. Design and realization of a non-actuated glass-curtain wall-cleaning robot prototype with dual suction cups[J]. Advanced Manufacturing Technology.Springer London Ltd.England， 2016，30（1-2）：147-155.

[5]徐東，楊鳴凱，齊文，等.豎直玻璃幕墻清洗機器人的設(shè)計[J].中國科技信息，2015（8）.

[6]王巍，唐博雁.倒錐面高層玻璃幕墻清洗機器人設(shè)計[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006（6）.

作者簡介：唐建祥（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為機械制造及其自動化。