CN108403028A - 一种带有横向位置测量装置的攀壁作业机器 - Google Patents

Abstract

一种带有横向位置测量装置的攀壁机。该攀壁机上的横向位置测量装置使得攀壁机可以实现精确的横向位置控制。鉴于精确的横向位置控制在攀壁机实际作业过程中的重要性，该技术为攀壁机的实用化提供了重要保证。

Description

一种带有横向位置测量装置的攀壁作业机器

技术领域

本发明涉及机械电子设备。

背景技术

公知的高空墙壁作业，如幕墙清洗等，尚无成熟的自动化设备以替代人工进行半空作业。而当前公知的墙壁作业设备，需要将人工吊挂在半空已完成作业，这不仅增大了作业成本，而且导致人身安全问题。

为了实现采用自动化设备代替人工实现高空墙壁作业的目的，曾有技术人员在研制攀壁机方面作了大量努力。目前相关的公知技术包括：采用卷扬机（即固定在高处的电机拖动设备）通过线缆对攀壁机进行拖动，实现攀壁机的上下移动，即纵向位置控制；采用螺旋桨产生的风力，使攀壁机稳定地依附在墙壁上；在攀壁机上设置轮子，以实现攀壁机顺利地上下移动。

然而，除了精确的纵向位置控制，精确的横向位置控制，也是攀壁机所必不可少的一项功能。例如，攀壁机作业时通常会遇到横风等外部干扰，在这些干扰的作用下需要保持横向位置的稳定；当完成某一特定区域的作业，需要平移到两侧相邻的区域时，便需要精确的横向位置移动。因此，对于攀壁机的实用化而言，精确的横向位置控制，是需要解决的一个重要的技术问题。

而要实现精确的横向位置控制，首先需要解决的是横向位置的测量。因为只有获得了横向位置的实时信息，才能实现横向位置的反馈形式的自动化控制。目前公知的技术，尚无获得横向位置实时信息的有效方法。包括差分GPS在内的卫星定位技术是一种潜在的可用技术，但依目前的技术水平，这种方法存在着精度差、价格昂贵、信号更新速率低以及信号易受建筑物遮挡因而不可靠的问题。

发明内容

为了实现攀壁机的精确的横向位置控制功能，本发明提供了一种带有横向位置测量装置的攀壁机。其中的横向位置测量装置能够给出攀壁机的精确的横向位置实时信息，从而可以和攀壁机上的运动执行机构（螺旋桨）构成反馈形式的横向位置自动控制系统，实现攀壁机精确的横向位置控制。

本发明提供的攀壁机，主要包括攀壁机本体、安装在攀壁机本体上的多个螺旋桨及螺旋桨驱动装置、安装在攀壁机本体上的作业工具、安装在攀壁机本体上的横向位置测量装置、以及与攀壁机本体相连的拖动装置。

攀壁机本体主要包括由支撑杆通过连接件所构建的框架。为了降低重量，支撑杆可以采用碳纤维材料制成，也可以采用铝管或不锈钢管，以便固定于其上的电机以及电源管理装置的散热。

螺旋桨驱动系统可以是盘形外转子式无刷直流电动机系统，也可以是发动机。螺旋桨驱动系统是电动机时，可以在电动机上设置散热装置。散热装置可以是铝质散热片，散热片通过导热硅胶与电动机的底部或周围外壳相粘合，散热片伸展到四周区域，并通过螺旋桨产生的风来提高散热效果。

攀壁机本体的姿态平衡通过调整螺旋桨之间的转速差来实现，其原理类似于多旋翼飞行器。

攀壁机的上下移动通过固定在高处的电动机拖动装置，即卷扬机的牵引来实现。电动机拖动装置主要包括电动机驱动系统。在实际工作中，攀壁机本体与电动机拖动装置通过牵引绳相连接，电动机拖动装置利用牵引绳对攀壁机本体进行拖动。电动机拖动装置的驱动电机系统可以固定在墙体高处的固定位置处，通过牵引绳与攀壁机本体相连接。

电动机拖动装置上设置有电子调速系统和刹车装置以及减速结构。其中电子调速系统可以通过导线或无线电接收相应调速指令信号，并根据接收到的指令信号对拖动装置的运行速度的大小和方向进行实时调整。刹车装置的作用是防止攀壁机本体坠落以及在攀壁机本体固定不动时，可以利用刹车装置卡住攀壁机，并停止电动机拖动装置中的电动机的运转，以节省电能以及进行电机降温。减速结构可以由一系列齿轮构成，其作用是对电机的输出力矩进行放大。

为了使攀壁机能够附着在墙壁上且能够轻松移动，本发明所提供的攀壁机上可以设置支撑轮，支撑轮的转轴位于攀壁机上，支撑轮通过其转轴与攀壁机本体相连。同时为了实现攀壁机移动方向的调整，可以为支撑轮设置转向装置，转向装置可以由电动机和转轴构成。

螺旋桨系统包括螺旋桨和螺旋桨驱动装置。螺旋桨的驱动装置固定在攀壁机本体上。实际工作中，攀壁机的螺旋桨所产生的推力将攀壁机本体推向墙壁，攀壁机通过其支撑轮的边缘抵在墙壁上，从而使攀壁机本体稳定地附着在墙壁上且能够轻松移动。作业工具（如针对幕墙清洗的刷子或刮水器）在螺旋桨所产生的推力作用下抵在墙壁上，在拖动装置的作用下，攀壁机上下移动，带动作业工具上下移动，以完成作业。

为了实现攀壁机的侧向移动，可以设置多个螺旋桨，并将螺旋桨的转动平面略作倾斜，其目的是：当攀壁机处于挂起且攀附在墙壁平面上时，螺旋桨的转动平面与墙壁平面既不垂直也不平行。即：两个平面之间的夹角大于零度且小于九十度。具体是：螺旋桨的转动平面的法向量（即螺旋桨转动平面的朝向），在具有垂直于墙壁平面的非零分量的同时，还具有同时平行于水平面和墙面的非零分量。多个螺旋桨布置在左右两侧，左右两侧的螺旋桨分别向两侧反方向倾斜，从而产生分别向相反方向倾斜的反向推力。这样，通过调整左右两侧的螺旋桨的旋转速度的相对大小，可以调整螺旋桨在水平方向上产生的总推力的方向及大小，从而实现攀壁机的小幅侧向移动。

此外，还可以设置螺旋桨旋转平面角度调节装置。角度调节装置的一种具体实现方法是：将螺旋桨的驱动装置（如驱动电机）安装在圆柱形（或圆筒形）支撑杆上。支撑杆沿竖直方向。将支撑杆的上下两端分别穿过轴承并通过轴承与攀壁机本体相连。在轴承附近设置驱动支撑杆绕其自身中心轴转动的驱动电机（即舵机）。螺旋桨的驱动装置所在的支撑杆、轴承以及驱动支撑杆转动的电机共同构成螺旋桨旋转平面角度调节装置。该角度调节装置可以配置相应的电子控制系统，用于控制其中的支撑杆转动驱动电机，以实现螺旋桨旋转平面角度调节的自动化。

在攀壁机处于正常工作状态，即挂起并攀附在墙壁平面上时，为了对攀壁机进行侧向位置调整，可以通过螺旋桨旋转平面角度调节装置将螺旋桨的旋转平面进行角度调节，使螺旋桨旋转平面的法向量（该向量指向螺旋桨所产生的风的速度方向），在具有垂直于墙壁平面的非零分量的同时，还具有同时与水平面及墙壁平面平行的非零分量。后者，即同时与水平面及墙壁平面平行的螺旋桨旋转平面法向量的非零分量，用于产生推动攀壁机侧向移动的侧向推力。

为了实现攀壁机精确的横向位置控制，在攀壁机上设置横向位置测量装置，横向位置测量装置包括转动式接触头和与转动式接触头相连的旋转式测量传感器，转动式接触头可以是轮式结构，也可以是带有转轴的球状结构。在转动式接触头的外边沿可以设置柔性保护层（如橡胶，海绵套）。旋转式测量传感器可以是编码器，也可以是电位计，也可以是磁铁与霍尔元件的组合。转动式接触头和旋转式测量传感器可以是共轴相连，也可以通过传动装置间接相连。正常工作时，转动式接触头的边沿抵在竖直工作面上，转动式接触头的转动平面所在的空间平面（即转轴的法平面）与竖直工作面（即玻璃幕墙面或其他被清洗的墙面）的交线沿水平方向。当攀壁机沿墙面的移动存在非零横向分量（即水平分量）时，转动式接触头在墙壁摩擦力的作用下转动，并带动与之相连的旋转式测量传感器的旋转部转动。旋转式测量传感器将测量到的信号发送给主控处理器芯片，用于对攀壁机的横向位置进行自动控制。

横向位置测量装置可以设置俯仰角度调节电动机。横向位置测量装置固定在角度调节电动机的转动轴上，在电机的作用下，转动式接触头可以抵在墙面上，或离开墙面。横向位置测量装置设置有力传感器，用于测量转动式接触头与墙面之间的压力。力传感器可以是贴有应变片的金属块。力传感器可以固定在横向位置测量装置与电动机的转动轴之间，成为连接横向位置测量装置与旋转电机转动轴的连接结构的一部分。力传感器的输出信号发送至数字处理器芯片，用于控制旋转电机，使转动式接触头与墙面之间保持合理的压力。

为了进一步稳定地控制攀壁机在水平方向上的移动速度，可以在攀壁机上设置能够感应水平方向加速度大小的传感器，以及相应的电子处理器，用于对攀壁机在水平方向上进行加速度反馈控制。

为了配合攀壁机的小幅侧向移动，可以设置带有转向装置的支撑轮。当攀壁机沿水平方向移动时，可以将支撑轮的转动平面调整为位于水平面。

为了提高安全性，可以在螺旋桨周围设置防护框架，并在防护框架上设置防护网。防护框架可以采用铝合金，通过焊接组装而成，也可以采用连接件连接而成。防护框架也可以采用碳纤维管组成。

电动机拖动装置通过牵引绳对攀壁机本体进行牵引，攀壁机本体在该牵引作用下实现上下移动。为了使攀壁机本体能够被平稳拖动，可以采用数字处理器及相应的传感器建立运动控制系统，用于控制电机拖动系统的电动机的运行速度以及支撑轮转向装置的驱动电机以及其他驱动电机的运行。所采用的传感器可以包括：固定在攀壁机本体上的加速度计（用于测量重力信号，判断攀壁机本体是否倾斜）、陀螺仪角速度计或编码器（用于测定支撑轮的转动速度）。

此外，通过水平移动电动机拖动装置，实现攀壁机本体的水平移动。为此，可以将电动机拖动装置固定在小车上，以便于水平移动。

为了实现连续工作，本发明所提供的攀壁机本体上的附属设备的供电方式是：采用长导线从固定位置处取电。为此，在攀壁机上设置电源管理装置。电源管理装置具有输入端和输出端，电能从其输入端输入，经过一定的处理（如交流转直流、降压）后，从输出端输出适合于攀壁机本体上的附属设备的电压。为了使电源管理装置的输出电压稳定，电源管理装置的输入端或输出端可以设置滤波电路。当不需要长时间连续工作时（比如墙体较矮），可以采用锂电池供电。

为了实现幕墙清洗，本发明所提供的攀壁机上设置特定的作业工具，作业工具可以包括擦拭器、刮水器（用于擦玻璃等）以及喷头（用于喷射清水进行清洗）。为了确保喷幅，可以采用多个并行排列的喷头。

可以在攀壁机上挂载液体清洁剂容器，其中的清洁剂可以通过专门的微型泵及与之相连的喷头喷洒到擦拭器上，擦拭器可以是由电动机带动的滚动式柱状结构。喷头可以是多个并排的扇形喷头，也可以是直线喷头。当喷头是直线喷头时，可以将其安装在电动机的转轴上，通过电机控制其喷射方向。

为了便于作业过程中的遥控，本发明所提供的攀壁机上可以安装摄像头以及无线图传，从而可以对作业过程进行远程实时监控，并通过远程地面站对攀壁机进行远程遥控。

为了实现灵活作业，本发明所提供的攀壁机本体上可以安装机械臂，并将作业工具（擦拭器、刮水器、喷头）固定在机械臂上。

机械臂可以是直线丝杠型滑动机械臂，主要由丝杠、驱动丝杠转动的驱动电机、导轨以及滑动臂构成。

为了降低重量，机械臂可以采用碳纤维材料制成。机械臂上还可以固定摄像头。

本发明的有益效果是：提出了一种带有横向位置测量装置的攀壁机。该攀壁机上的横向位置测量装置使得攀壁机可以实现精确的横向位置控制。鉴于精确的横向位置控制在攀壁机实际作业过程中的重要性，该技术为攀壁机的实用化提供了重要保证。

附图说明

图1是本发明所提供攀壁机的正视图（视线沿水平方向，与墙面垂直）。

图2是本发明所提供攀壁机上关于横向位置测量装置的局部侧视图（视线沿水平方向且与墙面平行）。

图1中，1. 攀壁机本体，2.支撑杆（包括支撑杆2.1、2.2），3.螺旋桨（包括螺旋桨3.1-3.4），4.螺旋桨驱动电机（包括驱动电机4.1-4.4），5.横向位置测量装置的角度调节电机（包括电机5.1、5.2），6. 横向位置测量装置的旋转式传感器，即编码器（包括编码器6.1、6.2），7.螺旋桨旋转平面调节电机（包括电机7.1-7.4），8.横梁，9.支撑轮（包括支撑轮9.1、9.2），10. 牵引绳，11.电机拖动装置的用于缠绕牵引绳的轱辘，12.电机拖动装置的电动机，13.刮水器，14. 转轴（其中14.1、14.2是横向位置测量装置的角度调节电机的转轴，14.3和14.4是横向位置测量装置的接触头和旋转式传感器的公共转轴），15. 横向位置测量装置的接触头，即转轮（包括转轮15.1、15.2），16.轴承（包括轴承16.1、16.2）。

图2给出了其中一个横向位置测量装置的相关部件，另一个横向位置测量装置与此完全类似。其中，17.压力传感器（包括传感器17.1、17.2，图中只给出了其中一个横向位置测量装置的压力传感器，即17.1），18.弹性连接片（包括弹性连接片18.1-18.4，图中只给出了其中一个横向位置测量装置的弹性连接片，即18.1和18.2），19.电机连接架（图中只给出了电机连接架19.1），20.墙面。

具体实施方式

如图1所示，攀壁机（1）带有四个螺旋桨（3），螺旋桨（3）的旋转平面位于竖直平面内，因此螺旋桨（3）旋转时会产生水平推力。攀壁机（1）的电动机拖动装置包括牵引绳（10）、轱辘（11）以及驱动电机（12）。在驱动电机（12）的驱动作用下，轱辘（11）旋转，带动攀壁机本体（1）上下移动。

攀壁机（1）上设置横梁（8），横梁（8）的两端设置与墙体垂直的支撑轮（9）。

当螺旋桨（3）转动时，产生的水平推力将攀壁机本体（1）推向墙体（20）。通过调整不同螺旋桨之间的转速差，可以实现攀壁机本体（1）姿态的调整。攀壁机本体（1）姿态的调整包括俯仰角度的调整和横滚角度的调整。其中俯仰角度的调整以支撑轮（9）为支点，横滚角度的调整以牵引绳（10）与横梁（8）的连接点为支点。攀壁机本体（1）姿态的调整采用和公知的多旋翼飞行器姿态调整类似的原理和方法。即：采用三轴陀螺仪和三轴加速度计作为传感器，数字处理器在接收到传感器信号后计算攀壁机本体（1）的姿态，然后向各个螺旋桨（3）的驱动电机（4）发送转速控制信号，实现姿态调整。

通过调整攀壁机本体（1）的俯仰角度，可以使作业工具，即刮水器（13）与墙体接触或分离。

如图2所示，在横梁（8）上通过固定支架（19）设置用于调整横向位置测量装置的角度的驱动电机（5）。横向位置测量装置包括转轮（15）、编码器（6）、转动轴（14）、轴承（16）。其中轴承（16）的外侧固定部分与编码器（6）的外壳相固接。轴承（16）的外侧固定部分通过弹性片（18）以及压力传感器（17）与驱动电机（5）的转轴（14）相连。在驱动电机（5）的作用下，转轮（15）的外缘抵在墙体（20）上。压力传感器（17）用于对驱动电机（5）进行反馈控制，使转轮（15）与墙体（20）之间保持适当的压力。当攀壁机本体（1）发生横向移动时，在墙体（20）的作用下，转轮（15）绕转轴（14）转动，并带动编码器（6）转动，从而得到攀壁机本体（1）的横向位置实时信号。

以上对本发明所提供的一种攀壁机系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，例如，横向位置测量装置在攀壁机本体上的具体安装位置的变动、支撑轮的有无等。本说明书内容不应理解为对本发明的限制。上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种攀壁机，其特征是，包括：

攀壁机本体，

与攀壁机本体拖动装置，

安装在攀壁机本体上的螺旋桨以及螺旋桨驱动系统，

其中，攀壁机上安装了横向位置测量装置，该装置包括转动式接触头以及与转动式接触头相连的旋转式传感器。

2.根据权利要求1所述攀壁机，其特征是：横向位置测量装置设置有角度调节电动机，电动机与攀壁机本体相固接，横向位置测量装置设置安装在电动机转动轴上，在横向位置测量装置上设置有压力传感器。

3.根据权利要求1所述攀壁机，其特征是：攀壁机上设置有螺旋桨旋转平面角度调节装置。

4.根据权利要求1所述攀壁机，其特征是：在攀壁机处于正常工作状态，即挂起并攀附在墙壁平面上时，螺旋桨的转动平面的法向量（即螺旋桨转动平面的朝向），在具有垂直于墙壁平面的非零分量的同时，还具有同时平行于水平面和墙面的非零分量。

5.根据权利要求2所述攀壁机，其特征是：攀壁机的螺旋桨周围设置有防护框架，防护框架上固定有防护网。

6.根据权利要求2所述攀壁机，其特征是：攀壁机具有以电动机作为动力系统的拖动装置，其中拖动电机具有电子调速系统，电子调速系统具备实时调节电机转动速度的大小和方向的功能。

7.根据权利要求2所述攀壁机，其特征是：攀壁机本体上设置有加速度计。

8.根据权利要求2所述攀壁机，其特征是：攀壁机本体上设置有摄像头。