一種幕墻清洗機器人姿態控制算法的研究

張 培，吳明暉

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

目前大樓數量越來越多，隨之而來的是玻璃幕墻的清洗任務，通過傳統的人工懸掛纜繩的方式進行的清洗，效率低，費時費力，不僅成本高，并且危險系數大［1－2］。所以設計清洗機器人不僅能夠提升清洗效率，而且可以減少危險事故的發生。本文設計的多涵道幕墻清洗機器人，通過涵道風扇提供清洗的吸附力以及越障的推力，當機器人在玻璃幕墻表面進行清洗時，會受到風力和繩的拉力等外界因素的影響，幕墻清洗機器人在空中的姿態角度會發生很大的晃動，從而影響機器人在壁面的清洗效果以及能否順利的越過窗框等障礙物［3］。幕墻清洗機器人的姿態控制算法的研究至關重要，本文設計了一款增量式滑?？刂扑惴?，通過數據傳感器采集100 組的角度值，該角度值是幕墻機器人分別沿X軸、Y軸、Z軸的姿態角度值，對機器人在X軸、Y軸、Z軸的姿態角度值分別進行仿真分析，在未受到外界干擾和受到外界干擾的兩種情況下分別進行實驗，仿真出幕墻清洗機器人沿X軸、Y軸、Z軸的角度姿態值隨時間的變化曲線圖［4］。

通過滑?？刂扑惴?，在無外界因素的干擾下，清洗機器人的姿態角度沿X軸、Y軸、Z軸的變化范圍非常小，在空中能保持穩定的姿態［5］。當有外界因素的干擾下，機器人沿Z軸的姿態角度一開始變化較大，最終會在預先設定姿態角度目標值附近波動，機器人在X軸，Y軸的姿態角度值變化幅度較小。

本文基于對高樓幕墻清洗作業的需求，設計了多涵道幕墻清洗機器人，搭建了基于滑?？刂圃淼目刂葡到y，實驗結果表明，該系統運行穩定，符合高樓作業的需求。

1 幕墻清洗機器人總體介紹

幕墻清洗機器人整體方案設計包括樓頂起吊裝置、機器人本體和地面監控平臺，如圖1 所示［6］。樓頂起吊裝置是在樓頂鋪設導軌，通過纜繩提升實現清洗機器人在壁面的上下運動，本文設計的機器人本體是多涵道幕墻清洗機器人，機器人地面監控平臺可以實時了解幕墻清洗機器人在壁面的運動和清洗情況，實時反饋到地面平臺，供地面人員實時觀察機器人的運動及清洗效果。

圖1 整體的系統設計Fig.1 Overall system design

2 幕墻清洗機器人本體結構設計

多涵道幕墻清洗機器人結構設計包括清洗單元、吸附力單元和移動單元。首先通過三維仿真軟件Solidworks 仿真出機器人的三維模型圖；其次，對多涵道幕墻清洗機器人的結構進行設計和搭建。清洗機器人的結構主要包括涵道風扇、涵道風扇電機、框架、清洗電機、毛刷、電機罩和腳輪等，如圖2 所示。移動機構包括水平移動機構和垂直移動機構。水平移動機構是清洗機器人在玻璃幕墻表面的橫向運動，垂直移動機構通過在樓頂鋪設卷揚機，纜繩來牽引機器人本體在壁面的上下運動。

圖2 機器人本體圖Fig.2 Robot body diagram

多涵道幕墻清洗機器人左右分別各有4 個涵道風扇，通過涵道風扇的轉動產生清洗壁面的吸附力以及越障的推力，壁面大都是玻璃材質的，非常脆，極易發生破損。毛刷的材料是尼龍材質，較柔軟，不會對玻璃壁面造成損害。幕墻清洗機器人左右各有一個毛刷，通過直流有刷電機來驅動毛刷的轉動，電子調速器來調節電機的轉速，從而控制毛刷的清洗速度和力度。多涵道幕墻清洗機器人在清洗和越障過程中，機器人很容易撞到玻璃幕墻上，所以在底腳裝有腳輪，可以起到防撞保護作用。

3 機器人的控制系統設計

3.1 機器人硬件控制系統設計

多涵道清洗機器人的本體部分的設計主要采用是無人機的原理，通過螺旋槳的轉動產生清洗的吸附力以及越障的推力，本文的涵道風扇的原理基于螺旋槳的轉動，設計出的多涵道幕墻清洗機器人橫移機構上有兩個涵道風扇以及清洗驅動電機，陀螺儀用來控制機器人的姿態角度，超生波測距用來識別和檢測機器人距離障礙物的距離［7］。幕墻清洗機器人的藍牙模塊是通過上位機界面與機器人本體進行連接，攝像頭將采集到的清洗機器人的信息反饋到地面監控平臺，電磁繼電器來控制電機的閉合，腳輪是防止機器人撞到玻璃幕墻［8］。

3.2 幕墻機器人姿態控制器的研究

多涵道幕墻清洗機器人在壁面清洗和運動的過程中，機器人本體姿態會受到外界環境因素的干擾，機器人在壁面清洗時，風力的大小、纜繩收放時拉力的大小都會對機器人在壁面清洗和運動時產生影響。圖3 是多涵道幕墻清洗機器人控制器的設計，當機器人在玻璃壁面清洗和飛升越障時，機器人與玻璃幕墻表面處于平行的狀態。幕墻清洗機器人在玻璃表面清洗時，機器人在空中的姿態會發生很大范圍的晃動，從而會影響機器人在壁面的清洗效果和能否安全的越過窗框等障礙物［9］。多涵道幕墻清洗機器人的橫滾角是機器人的本體繞提升纜繩的姿態角度值，當機器人的姿態角度不能保持穩定時，可能會導致機器人撞到玻璃幕墻表面［10］。根據這狀態設計出增量式滑?？刂破鳎？刂颇軌蚋鶕到y的狀態的變化做出實時的改變，且受到外界因素的擾動較小，通過預先設定目標角度，清洗機器人的姿態角度值最終在目標角度附近來回波動。通過滑?？刂扑惴?，清洗機器人在空中的姿態角度變化較小，不會產生大范圍的晃動。

3.3 外界干擾下機器人姿態角度的變化

多涵道幕墻清洗機器人在Z軸姿態角度隨時間變化關系如圖4 所示。

圖4 涵道機器人繞Z 軸的角度姿態圖Fig.4 Angle and attitude diagram of ducted robot around Z axis

有外界擾動的情況下，清洗機器人在X軸姿態角度值在2°左右變化。多涵道幕墻清洗機器人在X軸的姿態角度變化較小，機器人沿X軸姿態角度隨時間變化關系如圖5 所示。

圖5 涵道機器人繞X 軸的角度姿態圖Fig.5 Angle and attitude diagram of ducted robot around X axis

當有外界擾動及干擾情況下，在Y軸的姿態角度變化范圍在－3°～1°左右，涵道清洗機器人在有擾動情況下，在Y軸的角度變化較小，涵道清洗機器人在沿Y軸轉動時的角度姿態變化，如圖6 所示。

圖6 涵道機器人繞Y 軸的角度姿態圖Fig.6 Angle and attitude diagram of ducted robot around Y axis

3.4 未受到外界干擾機器人姿態角度變化

在未受到外界干擾情況下，通過數據采集卡采集100 組姿態角度值，清洗機器人姿態角度值在1°左右變化，多涵道幕墻清洗機器人在X軸姿態角度隨迭代次數變化關系如圖7 所示。通過實驗分析可知，滑?？刂破骶哂泻芎玫聂敯粜浴?/p>

圖7 未擾動涵道清洗機器人繞X 軸的角度圖Fig.7 Angle diagram of undisturbed ducted cleaning robot around X axis

清洗機器人姿態角度值在5°左右變化，在未受到外界干擾的情況下，多涵道幕墻清洗機器人在Y軸姿態角度隨迭代次數的變化關系如圖8 所示?？芍?，機器人的姿態角度值變化較小，在滑?？刂葡?，幕墻清洗機器人姿態能保持穩定。

圖8 未擾動涵道清洗機器人繞Y 軸的角度圖Fig.8 Angle diagram of undisturbed ducted cleaning robot around Y axis

機器人在Z軸的姿態角度值在0°～100°左右，在未受外界干擾下，清洗機器人沿Z軸姿態角度隨迭代次數變化關系如圖9 所示。可知，機器人姿態角度值變化范圍較大。姿態角度值最終會穩定在80°左右。

圖9 未擾動涵道清洗機器人繞Z 軸的角度圖Fig.9 Angle diagram of undisturbed ducted cleaning robot around Z axis

4 結束語

本文首先對多涵道幕墻清洗機器人結構進行設計，包括對機器人的涵道風扇、涵道電機、框架、腳輪、毛刷、清洗電機進行設計；其次，通過對滑模控制算法的研究，設計增量式滑?？刂破鞑C器人姿態進行控制，采用simulink 對滑?？刂破鬟M行實驗仿真分析，在滑?？刂破飨?，當有外界擾動和無外界擾動的情況下，多涵道幕墻清洗機器人的姿態角度的變化較小，機器人的姿態得到穩定的控制。