北斗助力樓宇表面護潔的機器人智慧解決方案的構建

馬秀敏，劉曉彤，高雪棣，惠振興，高 藝，袁 練

(山東科技大學，山東 泰安 271000)

0 引言

文章主要設計的是一種攀爬機器人，包括機器人主體、頂蓋以及攀爬機械臂，所述機器人主體的內部中心處設有水箱，主體內部水箱的前側設控制機構和真空機構，后側裝有驅動機構，底部兩側設有防跌落傳感器，底部貼近水箱的底部裝有清洗盤，清洗盤底部設有噴孔和清潔刷，整體裝置可實現對幕墻清洗、檢測的高空作業。仿生4組攀爬機械臂的設計，使本機器人使用方便、靈活，整體安全性、穩定性和實用性較高，具有一定的推廣價值。

1 機器人工作流程

使用時，通過控制機構接收外部控制端的控制信號，北斗為機器人提供實時的位置信息和導航信息，由機器人主體內部的驅動機構驅動攀爬機械臂，實現攀爬行走動作[1]。通過攀爬機械臂底端的真空吸盤與真空機構之間通過導氣管連接。真空機構具有自動探測補償吸附力，實時監控氣壓狀況，利用真空吸盤真空吸附原理，在玻璃幕墻表面吸附，機器人主體前側的監控窗口可以實現對玻璃幕墻的細節觀察，便于遠程遙控，控制機器人主體底部清潔盤的噴孔，配合清潔刷對玻璃幕墻進行清洗，同時通過防跌落傳感器和牽引掛環，可以有效感知幕墻邊緣[2]，同時牽引掛環可以連接安全吊具，可防止機器人高空攀爬時的意外脫落，在戶外大面積幕墻的清潔中可防止跌落，整體裝置可實現對幕墻清洗、檢測的高空作業。仿生4組攀爬機械臂的設計，使本機器人更加靈活、方便。

2 機器人結構設計

機器人主視結構如圖1所示。圖中，1-機器人主體、2-頂蓋、3-監控窗口、4-攀爬機械臂、5-真空吸盤、6-清洗盤、7-噴孔、8-清潔刷，除此之外，還包括水箱、注水口、真空機構、控制機構、驅動機構、防跌落傳感器、牽引掛環等裝置。

圖1 機器人主視結構

如圖1中的攀爬機器人，包括機器人主體和頂蓋以及攀爬機械臂，機器人主體的內部中心處設有水箱，水箱的前側從左至右依次設有控制機構和真空機構，水箱的后側裝有驅動機構。機器人主體的底部兩側設防跌落傳感器，其共設有兩組，底部貼近水箱部分裝有清洗盤，清洗盤的底部開設噴孔，裝有清潔刷，分別為多組與3組，機器人主體的4角固定裝有攀爬機械臂，其設有4組，且攀爬機械臂與驅動機構內部機械連接，驅動機構能驅動攀爬機械臂，實現攀爬行走動作。仿生4組攀爬機械臂的設計，保證了本機器人使用方便、靈活，攀爬機械臂的底端固定安裝真空吸盤，其共設有4組，且真空吸盤與真空機構間通過導氣管連接。真空機構具有自動探測補償吸附力功能，實時監控氣壓狀況，利用此原理，在玻璃幕墻表面吸附，可實現對幕墻清洗、檢測的高空作業[3]，同時機器人具有側視機器視覺攝像頭，實現全方位觀察墻面，保證對外部環境的精確獲取和處理，同時為遠程管控提供了可靠而精準的依據，為機器的智能化提供了保障。同時，機器底部也有清洗噴孔，噴孔與清潔刷相互配合，形成液態與固態雙重清潔，保證了作業質量。機器具有掛環和防跌落傳感器，可以連接安全帶保證整體的絕對安全，頂蓋貼近水箱的頂部設注水口，整體裝置可實現對幕墻清洗、檢測的高空作業[4]，能替換風險程度較高的高空蜘蛛人清潔作業。

3 機器人控制與監視實現

攀爬機器人自主根據人工智能(Artificial Intelligence，AI)控制對鏡面進行刷洗，為了更加安全可靠，要設計能對機器人實時狀態監控與運行數據交互的功能，包括機器人的能量、動作、控制輸入輸出等狀態信息，且通過機身相機，操作員可觀察檢驗機器人刷洗的潔凈度，實現全方位機器運行、機器保護、任務進度的監控。實現此功能的技術為人機界面數據采集與監視控制系統(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)[5]，即對嵌入式AI控制器進行監視控制以及通過控制器實現對機器人機體的監控。本設計采用無線網絡傳輸，5G的高可靠、低延時、海量機器通信不斷線的特點正適應于這種工況。當機器啟動時，智能網關實時采集數據并通過移動通信傳輸至云端，用戶通過個人計算機 (Personal Computer，PC)人機界面實時監控機器。人機界面集控端采用組態軟件，開啟動態主機配置協議(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)設置，ETH設置default gateway為網關路由IP如192.168.1.117，域名解析系統(Domain Name System，DNS)為ON，可實現人機界面實時無線監控機器系統。其對網絡速度的要求較高，5G正可為物聯環境提供一條高速通路[6]。

4 設計創新

(1)將攀爬機械臂和驅動機構結合，由驅動機構驅動攀爬機械臂，實現攀爬行走動作，仿生4組攀爬機械臂的設計使機器人使用更加方便、靈活。

(2)設計真空吸盤與真空機構間通過導氣管連接，后者可自動探測補償吸附力，實時監控氣壓狀況，利用吸盤真空吸附原理，在玻璃幕墻表面吸附，可實現清洗和檢測的高空作業。

(3)設計監控窗口可實現對玻璃幕墻的細節觀察，便于遠程遙控，控制機器人主體底清潔盤底部的噴孔，配合清潔刷對玻璃幕墻進行精細清潔。

(4)設置防跌落傳感器和牽引掛環，前者可有效感知幕墻邊緣，后者可連接安全吊具，防止機器人高空攀爬時的意外脫落，提高安全性。

5 結語

本設計以北斗衛星定位導航系統為機器指引系統，實時提供位置信息與運行導航，依托5G高速公路，實現集成實時遠程管理運動機器，同時依托嵌入式控制、機器視覺技術，完成對機器的控制與實現目標識別捕捉。本設計合理地將控制技術、通信技術、監控技術、傳動執行等技術結合在一起，為智慧樓宇構建了一款全新的智能機器人，針對樓宇表面環衛問題，尤其是面向諸多大區域、污染高、不適合人工作的環衛場景，打造了一款有顯著社會服務價值和經濟價值的智能友好型環境機器人。