立面三維可越障清潔機器人系統

周倪敏， 劉超峰， 張 航， 方 彤， 劉 杰， 董 成

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

隨著建筑技術的發展，城市建設高層及超高層建筑已成為普遍現象。因此，高層建筑清潔維護也產生了更多需求。目前，高空外墻清潔維護仍以“一人一板”的方式進行，這種方法危險性極高，事故頻發。國內外正在研究開發兼備安全和高效的機器人系統，把人類從高空等危險壁面作業環境中解放出來[1-2]。此類研究的主要方向是開發一種立面移動機器人系統，該機器人系統可以在外墻上移動，攀爬越過各種外立面障礙物并執行特定的維護任務[3]。該類機器人的關鍵技術在于機器人需要具備穩定附著在各類壁面上的能力以及越過窗框等典型障礙物的能力[4-6]。因此，課題組設計制作了一種立面三維清潔機器人，該機器人采用無人機動力作為其驅動力來源，并在4根具備一定預緊力的軟導軌上運動，該機器人具備6自由度姿態調整能力，靈活度高，且具備良好的越障能力。

1 機器人系統設計

1.1 機械系統設計

課題組提出的立面三維可越障清潔機器人系統主要由5個部分組成：升降機構、鋼纜、機器人主體、配重小車及軟導軌，如表1及圖1所示。升降機構由40鋼材拼接制成，上方安置了卷揚機和配重塊，為方便機器人作橫向運動，在樓頂升降機構及樓底配重小車底部還分別安置了可自鎖萬向輪。機器人主體通過鋼纜與樓頂升降機構連接，并在升降機構與配重小車連接的軟導軌上運動，預緊的軟導軌具有一定的張力，在空中約束機器人位置的同時，又不會過度影響機器人的自由度，使機器人在一定程度上具有更好的穩定性。

表1 機器人系統基本參數

圖1 機器人機械系統Figure 1 Mechanical system design for robot

如圖2所示，機器人的主體主要由4旋翼無人機系統、多種傳感器、輔助越障機構、清潔系統組成。4旋翼無人機系統在機器人背部利用空氣推進的原理產生壁面附著力，使機器人緊貼在壁面上運動。通過多種傳感器判斷機器人與墻面及障礙的距離位置，分別對應調節各旋翼轉速，可實時調整機器人的姿態，以適應不同介質的墻面，降低了機器人對作業表面屬性的依賴程度[7]。因無人機系統可能存在響應遲滯甚至控制失靈的情況，課題組添加了輔助越障輪機構，其采用履帶式行星輪結構，機械結構簡單，垂直越障穩定性高，提高了機器人的越障可靠性。其清潔系統為2個盤刷機構，設置在機器人正面。

圖2 機器人主體結構Figure 2 Structure of body

2 機器人運動研究

2.1 機器人坐標轉換與運動學模型建立

立面三維可越障清潔機器人在工作過程中的姿態和位置變化在空間中都是相對的，首先建立機體坐標系B(xb，yb，zb)和慣性坐標系E(xe，ye，ze)，如圖3所示，機器人幾何中心建立在坐標原點[8]。

圖3 機器人坐標系及坐標系轉換Figure 3 Robot coordinate system and its conversion

轉換關系如式(1)所示：

(1)

ξ包括機器人本體在慣性坐標系中的線性位置ΓE與角度向量ΘE,表達式如式(2)所示：

ξ=[ΓEΘE]T=[xyzΦθψ]T。

(2)

式中：ξ為機器人在慣性坐標系中廣義位置和姿態向量；ΓE為機器人在慣性坐標系中位置向量；ΘE為機器人在慣性坐標系中姿態角；x為機器人在慣性坐標系中X軸的位置；y為機器人在慣性坐標系中Y軸的位置；z為機器人在慣性坐標系中Z軸的位置；Φ為機器人在慣性坐標系中X軸姿態角；θ為機器人在慣性坐標系中Y軸姿態角；ψ為機器人在慣性坐標系中Z軸姿態角。

Rδ是機體坐標與慣性坐標的旋轉矩陣，Tδ是坐標之間的角速度轉換矩陣，表達式如式(3)、(4)所示：

(3)

(4)

整理后可得清潔機器人的運動學模型如式(5)所示：

(5)

2.2 機器人運動策略

作為一種特殊的機器人，立面三維可越障清潔機器人的安全性和可靠性會受自身重力的極大影響。在本研究中，采用升降機構的牽引力作為驅動力，釋放鋼纜的同時，機器人沿著外墻表面向下移動。該方法優點在于：簡化機制、減輕機器人本體質量、提高機器人安全性。且獨立的升降機構可控制機器人本體的2個活動自由度，如圖4所示。

圖4 機器人Y，Z方向移動Figure 4 Movement of robot in Y and Z direction

1) 機器人Y方向移動自由度：沿y軸方向移動樓頂的升降機構及樓底配重小車，在鋼纜的牽引下，使機器人沿y方向作被動移動，使機器人可根據環境及控制指令，隨時更替工作面。

2) 機器人Z方向移動自由度：機器人與樓頂升降機構通過鋼纜連接，在升降機構的牽引力和機器人的力的作用下，鋼纜牽引機器人沿著Z方向作豎直上下運動。

為保證立面三維可越障清潔機器人的空中機動靈活性和對墻面環境的適應性，本機器人采用聯動性更好的“×”模式4旋翼無人機系統技術，利用風壓作為驅動力。如圖3所示，4旋翼對稱布置，為抵消每個螺旋槳產生的扭矩，設置M1和M3順時針旋轉的旋翼，M2和M4逆時針旋轉的旋翼，通過改變4旋翼推力來產生各種動作，風壓方向背向外，通過同時調節各旋翼的轉速調整風壓，控制機器人本體的4個活動自由度。

1) 機器人X方向移動自由度：機器人背部4個旋翼同時增加或減小相同的轉速，產生風壓，驅動機器人作垂直于樓面方向的移動，即X方向，如圖5所示。

圖5 機器人X方向移動Figure 5 Movement of robot in X direction

由機器人受力分析圖6可知，要使機器人貼合墻面正常工作，需滿足：

(6)

式中：∑Ti為平臺上方軟導軌張力，i=1,2,3,4；∑Tj為平臺下方軟導軌張力，j=5，6，7，8；α為平臺上方軟導軌離初始位置偏移角度；β為平臺下方軟導軌離初始位置偏移角度；G為機器人本體重力；T為鋼纜拉力；f為墻面與清潔裝置間的摩擦力；∑Fk為旋翼推力，k=1，2，3，4。

圖6 機器人受力分析Figure 6 Force analysis of robot

2) 機器人繞Y方向轉動自由度：通過同時增加機器人背部旋翼M1和M2或減小M3和M4的轉速，可使機器人繞Y軸作正向旋轉，反之，同時增加M3和M4或減小M1和M2的轉速，可使機器人繞Y軸作反向旋轉，即機器人的俯仰運動如圖7所示。

圖7 機器人Y方向轉動Figure 7 Rotation of robot in Y direction

3) 機器人繞Z方向轉動自由度：通過同時增加機器人背部旋翼M1和M3或減小M2和M4的轉速，可使機器人繞Z軸作正向旋轉，反之，同時增加M2和M4或減小M1和M3的轉速，可使機器人繞Z軸作反向旋轉，即機器人的偏航運動如圖8所示。

圖8 機器人Z方向轉動Figure 8 Rotation of robot in Z direction

4) 機器人繞X方向轉動自由度：原則上通過減小某一旋翼的轉速或某對角方向2個旋翼的轉速使機器人產生反扭距可實現機器人繞X方向的轉動，如圖所示。但由于文中設計的立面三維可越障清潔機器人作業過程中不需要進行繞X方向的滾轉運動，故可忽略不計，如圖9所示。

圖9 機器人X方向轉動Figure 9 Rotation of robot in X direction

3 機器人越障研究

3.1 機器人越障策略

立面三維可越障清潔機器人要能獲得實際應用，除了保證能在平坦的墻面上穩定行走外，還要能在非平坦路面上穩定行走，這也是立面三維可越障清潔機器人的一項關鍵技術[9]。關于非平坦墻面本研究只考慮有一定程度凸起形狀障礙的情況。臺階作為一種典型的障礙物，其高度和寬度往往成為衡量機器人越障能力的重要參數[10]。課題組設計的機器人越障機制是基于超聲波傳感器和電調驅動的協調操作實現的，通過傳感器檢測障礙物后，旋翼作出相應減速調整越過障礙。但4旋翼無人機系統在越障過程中可能會有遲滯現象，導致機器人越障過程中尚未脫離障礙時已經與障礙接觸。為確保越障時的可靠性，利用一種履帶式行星輪機構代替機器與墻面發生硬接觸，越障流程如圖10所示。

圖10 機器人越障階段Figure 10 Obstacle-crossing stage of robot

1) 機器人平臺沿壁面向下移動，前端4個超聲波傳感器檢測墻面距離，根據4個傳感器反饋的距離信號，背部4個旋翼分別調整轉速以調整姿態使清潔裝置穩定貼附于墻面上，同時機器人下端2個傳感器檢測障礙物。

2) 當下端傳感器檢測到距離障礙物0.3 m時，4旋翼減速并遠離墻體。

3) 當障礙物脫離傳感器檢測范圍時，4旋翼停止減速并維持該轉速5 s，5 s后恢復調整轉速使清潔裝置穩定貼附于墻面上。

4) 平臺繼續向下移動，若平臺未完全脫離墻面，則輔助越障機構先接觸障礙。

5) 輔助越障機構做越障過渡，該過程中，僅輔助越障機構及盤刷刷毛接觸障礙。

6) 當輔助越障機構越過障礙時，盤刷盤面接觸障礙，平臺繼續下行，盤刷順勢向下滑動越過障礙。

7) 恢復上面步驟1)，過程中，可能由于控制策略的誤差導致平臺姿態不穩，此時輔助越障機構優先接觸墻面，行星輪系轉動，起到防撞和維穩的作用。

8) 機器人平臺完成越障。

圖11描述了機器人系統檢測障礙及其應對措施的總體過程。

圖11 機器人越障流程圖Figure 11 Flow chart of obstacle-crossing mechanism

4 樣機測試

本次實驗設置工作對象為一棟高約50 m的玻璃幕墻建筑，越障實驗如圖12所示。

圖12 樣機越障過程Figure 12 Obstacle-crossing process of prototype

在本次實驗中，凸臺長度為10 cm，通過傳感器測量機器人越障過程，處理后得到機器人在清洗越障過程中的Z及X方向位移曲線圖13和14所示。

圖13 Z方向位移Figure 13 Displacement in Z direction

圖14 X方向位移Figure 14 Displacement in X direction

分析可知，機器人越障時由于傳感器和旋翼推力間存在響應延遲，在4旋翼無人機系統減速與加速時存在波動，但波動幅度較小，Z方向位移最大波動幅度約12 cm，X方向位移最大波動幅度約5 cm，與機器人尺寸相比波動極小，證明本研究的機器人可完成越障策略，且較平穩。

5 結語

課題組研究設計了一種靈活性高，對墻體表面屬性依賴度不高的立面三維可越障清潔機器人，此機器人自由度為6，可以完成3個方向的移動和轉動。在此基礎上，設計了一種基于無人機技術的越障策略。通過樣機實驗，驗證了該機器人運動與越障模式的可行性和平穩性，為立面運動機器人的研究提供了參考借鑒。