硅膠履帶式高空爬壁清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

林仁軍 張鎣 田剛 方慶林 馬凱濤

摘 要：針對(duì)自動(dòng)化清洗高空玻璃幕墻清洗的需求，本設(shè)計(jì)提出并設(shè)計(jì)一種利用涵道電機(jī)的硅膠履帶式高空爬壁清潔機(jī)器人，介紹了其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行靜力學(xué)分析。這種利用涵道電機(jī)的硅膠履帶式高空爬壁清潔機(jī)器人能夠在玻璃幕墻上垂直行走，具有控制簡單、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：爬壁清潔機(jī)器人;涵道電機(jī);履帶式機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）10-0057-02

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，越來越多的玻璃幕墻被應(yīng)用于高層建筑中。為了保證玻璃幕墻的美觀與能見度，玻璃幕墻需要定期維護(hù)與清潔。在這種需求下，由人工使用升降平臺(tái)或吊索清潔玻璃幕墻的“蜘蛛人”行業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。但是這種行業(yè)不僅具有很高的危險(xiǎn)性，而且成本高、效率低。目前并沒有成熟的機(jī)器人取代這種高危職業(yè)，因此本文提出并設(shè)計(jì)一種由機(jī)器人主體、纜繩系統(tǒng)、視覺識(shí)別及決策系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)組成的硅膠履帶式高空爬壁清潔機(jī)器人。

1 機(jī)器人主體的結(jié)構(gòu)分析

1.1 多種爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由其應(yīng)用場景所決定。行走機(jī)構(gòu)和吸附方案的設(shè)計(jì)決定了機(jī)器人工作條件的適應(yīng)性、可靠性、安全性。爬壁機(jī)器人根據(jù)其行走機(jī)構(gòu)大致可分為四種類型：框架式、輪式、履帶式、足式。不同的行走機(jī)構(gòu)和不同的吸附方案，決定了他工作的場合，也限制了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。綜合對(duì)爬壁機(jī)器人的各種行走機(jī)構(gòu)和吸附方案的分析，考慮到玻璃墻壁的特殊工作環(huán)境，最終我們確定了如圖1所示的履帶式。

1.2 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中，玻璃清洗裝置還會(huì)與玻璃墻面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的吸附力來自兩個(gè)涵道電機(jī)的反向推力，機(jī)器人的受力分析圖2所示。

由不傾覆的條件式可知：機(jī)器人在靜止-不清洗情況下，機(jī)器人質(zhì)量固定的條件下，的比例值越小越不容易傾覆和脫落，μ的值越大，越不容易傾覆和脫落。

2 纜繩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

纜繩系統(tǒng)由鋼絲、壓力傳感器、伺服控制電路、電源、電機(jī)、支架組成，纜繩系統(tǒng)三維模型見圖3所示。伺服控制電路利用壓力傳感器實(shí)時(shí)控制線纜的繃緊程度，保證機(jī)器人在幕墻移動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)被纜繩纏繞的情況。

3 機(jī)器人視覺識(shí)別

3.1 軟件及硬件平臺(tái)

機(jī)器人視覺識(shí)別系統(tǒng)采用樹莓派+OEPNCV視覺庫。

3.2 邊框識(shí)別原理分析

當(dāng)機(jī)器人獲得一幀圖像時(shí)，機(jī)器人會(huì)先對(duì)圖像進(jìn)行濾波，再對(duì)其進(jìn)行二值化。圖像預(yù)處理完成后，就運(yùn)用OEPNCV邊緣檢測算法對(duì)處理后的圖像上進(jìn)行邊緣檢測，再通過HoughLinesP函數(shù)算法求取圖像上的線段。由于邊框都是矩形的，故線段所在區(qū)域即為邊框所在區(qū)域。在獲得邊框區(qū)域內(nèi)的線段后，對(duì)所有線段進(jìn)行處理與篩選，最后每一條邊框只需要保留一條線段即可[2]。窗戶原圖如圖4所示?？騼?nèi)線段即為最終保留的線段，如圖5所示。

4 機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人伺服控制主要完成機(jī)器人的直線及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。伺服控制系統(tǒng)使用電機(jī)編碼器、陀螺儀作為反饋，利用PID控制算法完成機(jī)器人速度環(huán)及角度環(huán)的調(diào)節(jié)，其中角度環(huán)為速度環(huán)的外環(huán)。控制結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

5 原理機(jī)實(shí)驗(yàn)

原理機(jī)在硬件上主要由機(jī)器人主體和纜繩系統(tǒng)組成，實(shí)物圖如圖7所示。結(jié)合本文得靜力學(xué)分析，測量原理機(jī)得相關(guān)參數(shù)為：

將原理機(jī)得相關(guān)參數(shù)代入不等式，得：原理機(jī)不會(huì)滑落，原理機(jī)可以穩(wěn)定爬行。原理機(jī)實(shí)際爬行見圖8所示。

6 結(jié)語

本文主要論述了硅膠履帶式高空爬壁清潔機(jī)器人的系統(tǒng)組成及機(jī)械結(jié)構(gòu)分析。通過從機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析對(duì)涵道電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行科學(xué)地選擇，并利用視覺檢測、伺服控制、纜繩系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在玻璃幕墻自主完成清潔任務(wù)。通過實(shí)際樣機(jī)的搭建與測試，證明了硅膠履帶式高空爬壁清潔機(jī)器人應(yīng)用于玻璃幕墻清潔的可行性和控制簡單、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 田靜眉.真空吸附式壁面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[D].西南交通大學(xué)，2013.

[2] 陳振學(xué).基于特征顯著性的目標(biāo)識(shí)別方法及其應(yīng)用研究[D].華中科技大學(xué)，2007.