CN108643599A - 拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统及运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统及运动控制方法。本发明通过采用左右牵引器来带动清洁执行器在墙体表面运动，同时清洁执行器所属的水平轴向推动清洁部件接触墙体表面，清洁部件清洁玻璃幕墙，实现了区别于传统情境方式的自动化大范围幕墙清洁工作，特别适用于高层玻璃幕墙的清洁工作，对工作人员以及建筑幕墙都具有极高的安全性。

Description

拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统及运动控制方法

技术领域

本发明属于特种机器人清洁应用领域，具体涉及一种平面拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统及运动控制方法。

背景技术

绳索驱动的并联臂机器人具有工作空间大、惯性小、结构简单、拆装容易及有效载荷与自重比高的特点设计适合幕墙清洁系统的结构，使用拓扑三维悬挂运动系统优化改进原有二维系统的在实际应用中的不足。使其在继承了上述特点的情况下有效的利用运动器的重力效应，实现三维运动系统。

目前各种清洁机器人的研究，均是应用于低层家居玻璃清洁机器人，应用于大型幕墙玻璃清洁的机器人较少，在工业及商业应用领域，对于高楼幕墙玻璃的清洁，通常是采用抹布进行擦洗，对于窗户的外表面通常雇佣清洗公司的“蜘蛛人”进行清洗工作。尤其是楼层较高的商业大厦，使用上述方法擦洗玻璃外表面是比较危险的，而且效率不高，耗时耗力。

中国专利(CN204071933U)公开的一种擦窗机器人，基于磁铁相吸原理在玻璃上吸附。此擦窗玻璃机器人上的吸附器位于机体靠近玻璃一侧，吸附器包括电磁铁，待清洁的玻璃另一侧有永磁铁，所述永磁铁与所述电磁铁以相对应的极性相反的方式放置。由多个履带组成的运动器用于带动擦窗机器人在玻璃上运动。该机器人在工作过程中，磁铁不能被移走，机器人在清洁过程中不可跨越障碍，且同时只能擦拭单个区域玻璃，应用场景较小不能满足幕墙玻璃清洁，另一方面，其擦拭及运动依赖于与玻璃的摩擦力，对玻璃的作用力较大会影响到玻璃的结构。

中国专利(CN102013000170787)公开一种二维悬挂式高楼外墙清洁机器人，涉及一种高楼外墙清洁装置，包括清洗机构、两个升降机构、控制系统和机架，清洗机构包括一个由动力装置驱动的清洗盘，清洗盘设置在机架的一侧，升降机构包括驱动装置、传动装置和卷筒，驱动装置通过传动装置与卷筒的转轴相连，卷筒上缠绕有吊绳，两个卷筒设置在靠近清洗盘的机架一端，两个卷筒的位置高于整个清洁机器人重心所在的位置，并且两个卷筒所在的机架一端远离整个清洁机器人重心所在的一端，控制系统通过遥控器控制动力装置和驱动装置的运转。该机器人在工作过程中，需紧贴幕墙表面，只能清洁平面幕墙不能跨越幕墙表面的结构障碍，使用场景有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种平面拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统，通过采用左右牵引器来带动清洁执行器在墙体表面运动，同时清洁执行器所属的水平轴向推动清洁部件接触墙体表面，清洁部件清洁玻璃幕墙，实现了区别于传统情境方式的自动化大范围幕墙清洁工作，特别适用于高层玻璃幕墙的清洁工作，对工作人员以及建筑幕墙都具有极高的安全性。

本发明的目的是这样实现的：

本发明拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统，包括左牵引器、右牵引器、清洁执行器、人机中央控制器；所述左右牵引器均包括第一无线信号收发装置、绳索牵引装置、牵引器控制器；所述清洁执行器包括清洁执行器本体及其第二无线信号收发装置、电源、距离测量装置、执行器控制器；人机中央控制器包括人机中央控制器本体以及第三无线收发装置、主控模块；主控模块的一个信号输出端通过第三无线收发装置、第一无线信号收发装置与牵引器控制器的信号接收端信号连接，主控模块的另一个信号输出端通过第三无线收发装置、第二无线信号收发装置与执行器控制器的信号接收端信号连接；牵引器控制器控制绳索牵引装置中消差编码器、电机及电机驱动器；电源为第二无线信号收发装置、距离测量装置、执行器控制器供电，执行器控制器接收距离测量装置的反馈信息，并控制推杆电机。

所述的左牵引器与右牵引器分别通过绳索与清洁执行器连接；

所述的左牵引器与右牵引器的绳索牵引装置包括两个定位导线轮、消差编码器、电机及电机驱动器、绕线轮、安装底座；绕线轮上设有绳索，电机驱动绕线轮，定位导线轮用于定位绳索，防止绳索产生偏移，消差编码器用于消除绕线轮绳索的累积误差；

右旋牵引器与左牵引器为镜像关系；

所述的清洁执行器本体包括机架、推杆电机、多根推杆、推杆平台、清洁器、导线轴；多根推杆的一端固定在机架上，另一端与清洁器固定连接；导线轴设置在机架顶端，用于牵引绳索；

所述的距离测量装置采用距离传感器，设置在清洁执行器本体上；用于探测清洁器与幕墙表面间的距离，将其反馈给执行器控制器。

进一步地，所述的清洁执行器本体上还设置有压力传感器，用于探测清洁器对于幕墙表面的压力值，将其反馈给执行器控制器。

本发明的另一个目的是提供上述拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统的实现方法，具体是：

(1)将左牵引器与右牵引器分别置于需作业幕墙建筑一面的顶部两端方位，清洁执行器通过数组绳索与左右牵引器连接，并悬置于需作业幕墙建筑面；

假定左牵引器为坐标原点O_xy(0，0)，左右牵引器间距离q，清洁执行器所在位置为(x，y)，清洁执行器本体重力为F_c，由于清洁器的重力远小于清洁执行器本体的重力，因此默认清洁执行器的重心在清洁执行器本体位置，连接左牵引器与清洁执行器绳索l长为D_l，绳索l上的拉力为F_l，连接右牵引器与清洁执行器的绳索r长为D_r，绳索r上的拉力为F_r；

(2)系统开启工作，主控模块设定清洁执行器工作区域、工作速度，然后主控模块控制绳索牵引装置中电机驱动器驱动电机调控绳索的长度，从而使得清洁执行器行走在工作区域的某坐标点；

2.1当清洁执行器需要跨越需作业幕墙建筑障碍时，主控模块控制执行器控制器，执行器控制器通过控制推杆电机从而控制推杆的伸出长度z＝0，绳索与清洁执行器自然向下，绳索与清洁执行器所在平面垂直于地面，构成二维平面系统；最终主控模块通过控制绳索牵引装置中电机驱动器驱动电机调控绳索的长度，使得清洁执行器可自由移动跨越需作业幕墙建筑障碍。

2.2当清洁执行器清洁需作业幕墙建筑面时，主控模块控制执行器控制器，执行器控制器通过控制推杆电机从而控制推杆的伸出长度z＝z′,z′＞0，同时主控模块通过控制绳索牵引装置中电机驱动器驱动电机调控绳索的长度，使得清洁执行器可自由移动。

当推杆的伸出长度z＝z′,z′＞0时，绳索与清洁执行器所在平面与幕墙表面产生一个夹角λ，二维悬挂系统拓扑为三维悬挂系统；

清洁器在幕墙表面的作用力F_z(即清洁力度)，满足以下公式：

其中

其中绳索l在垂直于地面的平面上的投影长度为D_l′，投影力为F_l′；绳索r在垂直于地面的平面上的投影长度为D_r′，投影力为F_r′；

上述工作区域轨迹的设置遵循以下规则：先自左向右运行至右边界，当达到边界后再以自上向下运行一倍的清洁执行器宽度后再自右向左运行至左边界，之后再以自上向下运行一倍的清洁执行器宽度，多次重复上述运动方式直至工作区域的最低点方式生成一组连续的坐标点，该组坐标点即为自主清洁模式的路径信息。

本发明的有益效果如下：

1、本发明适用于各类大型类平面以及平面幕墙玻璃清洁工作，丰富了高空幕墙清洁作业机械自动化的市场。

2、本发明合理应用了拓扑三维悬挂运动系统的优势能够全面覆盖类平面以及平面玻璃幕墙并对其进行有效安全的清洁工作。

3、本发明系统装置清洁幕墙表面时借助悬索拉力在水平面的分力作用进行清洁，不会对幕墙玻璃产生结构上的影响，牵引绳索同时扮演了安全绳的角色，使具有极高的安全系数。

4、本发明系统装置模块化设计易于生产运输及维护、适用于多场景安装使用，安装方法简便操作简单，系统可扩展性强可以满足多种需求。

附图说明

图1为本系统各模块的连接关系图；

图2为拓扑三维悬挂系统与平面投影示意图；

图3为拓扑三维运动结构系统示意图；

图4为左牵引器结构示意图；

图5为右牵引器结构示意图；

图6为Z轴清洁执行器结构示意图；

图7为人机中央控制器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与效果易于明白了解下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

如图1拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统，包括左牵引器、右牵引器、清洁执行器、人机中央控制器；所述左右牵引器均包括第一无线信号收发装置、绳索牵引装置、牵引器控制器；所述清洁执行器包括清洁执行器本体及其第二无线信号收发装置、电源、距离测量装置、执行器控制器；人机中央控制器包括人机中央控制器本体以及第三无线收发装置、主控模块；主控模块的一个信号输出端通过第三无线收发装置、第一无线信号收发装置与牵引器控制器的信号接收端信号连接，主控模块的另一个信号输出端通过第三无线收发装置、第二无线信号收发装置与执行器控制器的信号接收端信号连接；牵引器控制器控制绳索牵引装置中消差编码器、电机及电机驱动器；电源为第二无线信号收发装置、距离测量装置、执行器控制器供电，执行器控制器接收距离测量装置的反馈信息。如图3所示，本发明所述的悬索牵引的平面拓扑三维结构清洗机器人，它包括左牵引器1、右牵引器2、清洁执行器4、设置于牵引器与执行器之间的数组绳索3；

所述的左牵引器与右牵引器分别通过绳索与清洁执行器连接；

如图4所示，左旋牵引器1包括第一定位导线轮5，第二定位导线轮6，消差编码器7，电机及电机驱动器8，绕线轮9，安装底座10；绕线轮上设有绳索，电机驱动绕线轮，定位导线轮用于定位绳索，防止绳索产生偏移，消差编码器用于消除绕线轮绳索的累积误差；

如图5所示，右旋牵引器安装底座与图2所示安装底座10为镜像关系，其余组件与图2所示同；

如图6所示，清洁执行器4本体包括机架、导线轴11，推杆12，推杆平台13，清洁器14，执行器控制器15，推杆电机16，供电电池17。多根推杆的一端固定在机架上，另一端与清洁器固定连接；导线轴设置在机架顶端，用于牵引绳索；所述的距离测量装置采用距离传感器，设置在清洁执行器本体上；

如图7所示，人机中央控制器包括无线天线18，开机键19，模式选择键20，启动键21，执行器控制键a22，执行器控制键b23，执行器控制键c24，控制摇杆25，显示屏26，执行器控制编码器27。

上述拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统的实现方法，具体是：

(1)将左牵引器与右牵引器分别置于需作业幕墙建筑一面的顶部两端方位，清洁执行器通过数组绳索与左右牵引器连接，并悬置于需作业幕墙建筑面；

图2为拓扑三维悬挂系统与平面投影示意图；假定左牵引器为坐标原点O_xy(0，0)，左右牵引器间距离q，清洁执行器所在位置为(x，y)，设定清洁执行器本体重力为F_c，由于清洁器的重力远小于清洁执行器本体的重力，因此默认清洁执行器的重心在清洁执行器本体位置，连接左牵引器与清洁执行器绳索l长D_l，绳索l上的拉力F_l，连接右牵引器与清洁执行器的绳索r长D_r，绳索r上的拉力为F_r；

(2)当清洁执行器的清洁器未接触幕墙表面时，推杆的伸出长度z为0，绳索与清洁执行器自然向下，其所在平面垂直于地面，在此情况下系统为二维平面系统，其满足：

此条件下清洁执行器的清洁部件不接触墙体表面，系统为无拓扑的二维悬挂运动系统，其运动遵循二维悬挂运动系统的运动，由于其不接触墙体表面，因此，幕墙表面的凸起结构组件不对系统的运行移动产生影响；

(3)当系统进行清扫任务时，清洁执行器的清洁器经推杆伸出从而接触幕墙表面，此时绳索与清洁执行器所在平面由于清洁执行器推杆的伸出长度z的出现产生异化，使该平面与幕墙表面产生一个夹角λ，二维悬挂系统拓扑为三维悬挂系统，清洁执行器偏移至位置(x₁，y₁)；设定绳索l在垂直于地面的平面上的投影长度为D_l′，投影力为F_l′，设定绳索r在垂直于地面的平面上的投影长度为D_r′，投影力为F_r′，清洁器对幕墙表面的支撑力为F_z，其关系满足；

清洁部件对幕墙表面的作用力由绳索在水平方向的分力提供，该分力远小于清洁执行器的重力，因此清洁执行器的重力不直接作用于幕墙表面，对幕墙的结构影响小不会产生损害。

左右牵引器及绳索所构成的二维平面系统装置由于清洁执行器具有的水平伸缩平台拓扑为三维运动空间，该三维空间贴附建筑幕墙表面，有效覆盖幕墙玻璃表面进行清洁工作，所述清洁执行器水平推杆伸出长度相对于平面x、y轴极小，由二维拓扑至三维后该清洁执行器所产生的位移小于系统位置的影响因子，其所产生的水平分力作用于幕墙表面辅助清洁，该清洁力度强度等同F_z大小且满足上述公式(6)。

人机中央控制器本体包括设置在外壳上的模式选择按键、开机键、启动键、执行器控制键a、执行器控制键b、执行器控制键c、控制摇杆、执行器控制编码器、显示屏；所述的模式选择按键用于选择自主清洁模式或手动模式或高级模式，开机键用于开启人机中央控制器，启动键用于开启系统的清洁执行器，执行器控制键a、执行器控制键b、执行器控制键c分别用于辅助设置清洁执行器模式选择、运动速度以及伸缩杆长度上下限设置，控制摇杆给主控模块输入清洁执行器的行走轨迹命令(即传送给左右牵引器)，执行器控制编码器用于设定清洁执行器的工作区域、工作速度，显示屏用于显示无线通讯状态，系统工作状态、当前清洁执行器的位置信息以及模式选择和参数设置选项。

模式选择按键选择自主清洁模式，操作旋转执行器控制编码器设定工作区域、工作速度，主控模块设定清洁执行器行走路径，具体为按照清洁执行器在工作区域内先自左向右运行至右边界，当达到边界后再以自上向下运行一倍的清洁执行器宽度后再自右向左运行至左边界，之后再以自上向下运行一倍的清洁执行器宽度，多次重复上述运动方式直至工作区域的最低点方式生成一组连续的坐标点，该组坐标点即为自主清洁模式的路径信息。然后主控模块再将坐标点转换为平面内两组牵引绳索的长度，通过无线发送命令至左右牵引器的牵引器控制器，牵引器控制器接收到信号后经由电机驱动器驱动电机运行牵引控制绳索的长度，进而控制清洁执行器运动，同时清洁执行器接收主控模块所发送的命令，解析命令控制推杆伸出长度从而使得清洁平台接触幕墙表面进行清洁工作。

模式选择按键选择手动模式，操作控制摇杆以及旋转执行器控制编码器控制系统运行，清洁执行器将按照用户控制至指定位置进行清洁工作。

人机中央控制器本体外壳还设有usb接口，可以通过usb接口或第三无线收发装置连接pc平板设备或其他移动设备。模式选择按键选择高级模式，使用pc平板设备或其他移动设备运行专用软件，拍摄需清洁建筑幕墙，软件进行图像处理后根据设置在建筑幕墙顶部左右方位的牵引器距离按照实际比例计算出建筑幕墙的面积，该面积即为系统的工作区域，可在软件上绘制任意清洁执行器的运动轨迹，确定无误后即可运行系统清洁幕墙。

实施例：

对于100米以下的中高层建筑，为非平面的明框玻璃幕墙，工作时，将左牵引器1与右牵引器2分别置于需作业幕墙建筑一面的顶部两端方位，清洁执行器4通过数组绳索3与左右牵引器连接，并悬置于需作业幕墙建筑面，当推杆12未伸出时，清洁器14不接触墙面，清洁执行器主体与清洁器、绳索皆处于自然下垂状态，清洁执行器可自由移动跨越明框幕墙表面的结构障碍，操作人员通过人机中央控制器设定好清洁任务后，通过控制器操作推杆，当推杆12伸出时并使得清洁器14接触墙面，推杆12继续伸长通过压力传感器测得合适的压力后停止，清洁器开始进行清洁工作；当需要对清洁执行器进行快速移动时操作控制推杆收回，牵引器通过收放连接于其上的绳索控制清洁执行器移动至指定位置。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统，其特征在于包括左牵引器、右牵引器、清洁执行器、人机中央控制器；所述左右牵引器均包括第一无线信号收发装置、绳索牵引装置、牵引器控制器；所述清洁执行器包括清洁执行器本体及其第二无线信号收发装置、电源、距离测量装置、执行器控制器；人机中央控制器包括人机中央控制器本体以及第三无线收发装置、主控模块；主控模块的一个信号输出端通过第三无线收发装置、第一无线信号收发装置与牵引器控制器的信号接收端信号连接，主控模块的另一个信号输出端通过第三无线收发装置、第二无线信号收发装置与执行器控制器的信号接收端信号连接；牵引器控制器控制绳索牵引装置中消差编码器、电机及电机驱动器；电源为第二无线信号收发装置、距离测量装置、执行器控制器供电，执行器控制器接收距离测量装置的反馈信息，并控制推杆电机；

所述的左牵引器与右牵引器分别通过数组绳索与清洁执行器连接；

所述的左牵引器与右牵引器的绳索牵引装置包括两个定位导线轮、消差编码器、电机及电机驱动器、绕线轮、安装底座；绕线轮上设有绳索，电机驱动绕线轮，定位导线轮用于定位绳索，防止绳索产生偏移，消差编码器用于消除绕线轮绳索的累积误差；

右旋牵引器与左牵引器为镜像关系；

所述的清洁执行器本体包括机架、推杆电机、多根推杆、推杆平台、清洁器、导线轴；多根推杆的一端固定在机架上，另一端与清洁器固定连接；导线轴设置在机架顶端，用于牵引绳索；

所述的距离测量装置采用距离传感器，设置在清洁执行器本体上。

2.如权利要求1所述的拓扑三维悬挂结构幕墙清洁机器人系统的实现方法，其特征在于具体是：

(1)将左牵引器与右牵引器分别置于需作业幕墙建筑一面的顶部两端方位，清洁执行器通过数组绳索与左右牵引器连接，并悬置于需作业幕墙建筑面；

假定左牵引器为坐标原点O_xy(0，0)，左右牵引器间距离q，清洁执行器所在位置为(x，y)，清洁执行器本体重力为F_c，连接左牵引器与清洁执行器绳索l长为D_l，绳索l上的拉力为F_l，连接右牵引器与清洁执行器的绳索r长为D_r，绳索r上的拉力为F_r；

(2)系统开启工作，主控模块设定清洁执行器工作区域、工作速度，然后主控模块控制绳索牵引装置中电机驱动器驱动电机调控绳索的长度，从而使得清洁执行器行走在工作区域的某坐标点；

2.1当清洁执行器需要跨越需作业幕墙建筑障碍时，主控模块控制执行器控制器，执行器控制器通过控制推杆电机从而控制推杆的伸出长度z＝0，绳索与清洁执行器自然向下，绳索与清洁执行器所在平面垂直于地面，构成二维平面系统；最终主控模块通过控制绳索牵引装置中电机驱动器驱动电机调控数组绳索的长度，使得清洁执行器可自由移动跨越需作业幕墙建筑障碍；

2.2当清洁执行器清洁需作业幕墙建筑面时，主控模块控制执行器控制器，执行器控制器通过控制推杆电机从而控制推杆的伸出长度z＝z′,z′＞0，同时主控模块通过控制绳索牵引装置中电机驱动器驱动电机调控数组绳索的长度，使得清洁执行器可自由移动；

当推杆的伸出长度z＝z′,z′＞0时，绳索与清洁执行器所在平面与幕墙表面产生一个夹角λ，二维悬挂系统拓扑为三维悬挂系统；

清洁器在幕墙表面的作用力F_z，满足以下公式：

其中

其中绳索l在垂直于地面的平面上的投影长度为D_l′，投影力为F_l′；绳索r在垂直于地面的平面上的投影长度为D_r′，投影力为F_r′。