CN110169740B - 一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人及其操作方法，包括：本体支架，用于作为所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人的支撑骨架；吸附机构，用于实现所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人可移动的吸附在待清洗的隐框玻璃幕墙上；移动机构，用于实现所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人在待清洗的隐框玻璃幕墙上的移动；负压源，用于为所述吸附机构提供吸附负压；清洗机构，用于喷洒清洗液体并清洗隐框玻璃幕墙；其中，所述吸附机构包括多个气动吸盘；所述移动机构包括多个驱动电机，每个驱动电机均能够双向转动，用于实现所述机器人的前进、后退及转向。本发明的机器人，无需设置柔索，安全性高；且清洗效率较高。
Description
技术领域
本发明属于清洗机械技术领域，特别涉及一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人及其操作方法。
背景技术
目前的用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人主要为旋翼式和气缸式。
旋翼式玻璃幕墙清洗机器人通过一个或多个旋翼为机器人本体提供推力使其贴紧玻璃幕墙，其竖直方向的移动通过机器人本体的柔索收放实现，其水平方向的移动通过移动整个悬吊系统，这种机器人就其移动方式的控制而言相对简单；旋翼的控制只需要使其旋转产生所需推力即可，机器人本体的运动仅需要控制电机的转速和方向，但是其缺点也是显而易见的，当机器人在高楼底部工作时，柔索的距离较长，柔索可能会由于风雨或其他问题处于非垂直状态，这将影响机器人本体的定位，旋翼转动产生推力的方案也极易受到外部环境的影响，特别是像中国北方或沿海的一些城市，常年风力较大，这将对其产生的推力是否符合要求带来极大的挑战，如果造成机器人的失衡可能会对玻璃幕墙本身带来损害。
气缸式玻璃幕墙清洗机器人主要通过两组吸盘的吸附与释放配合气缸的伸缩，使得机器人本体能吸附在玻璃幕墙上的同时完成移动，这种机器人的优点在于两组吸盘的交替吸附配合气缸完成竖直方向的移动，运动方式简易，但其移动速度低，清洗效率不高。
综上，亟需一种新型的用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的机器人，无需设置柔索，安全性高；且清洗效率较高。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人，包括：本体支架，用于作为所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人的支撑骨架；吸附机构，用于实现所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人可移动的吸附在待清洗的隐框玻璃幕墙上；移动机构，用于实现所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人在待清洗的隐框玻璃幕墙上的移动；负压源，用于为所述吸附机构提供吸附负压；清洗机构，用于喷洒清洗液体并清洗隐框玻璃幕墙；其中，所述吸附机构包括多个气动吸盘；所述移动机构包括多个驱动电机，每个驱动电机均能够双向转动，用于实现所述机器人的前进、后退及转向。
本发明的进一步改进在于，所述气动吸盘均由弹性材料制成，且均布安装于所述本体支架。
本发明的进一步改进在于，每个气动吸盘均通过气管与所述负压源相连通，每个气管上均设置有安全阀。
本发明的进一步改进在于，移动机构包括：第一主动轮、第一从动轮、第二主动轮、第二从动轮、第一驱动电机和第二驱动电机；第一主动轮和第二主动轮分别通过第一主动轮轴和第二主动轮轴安装于所述本体支架；第一从动轮和第二从动轮通过从动轮轴安装于所述本体支架；第一驱动电机和第二驱动电机安装于所述本体支架；其中，第一驱动电机用于驱动第一主动轮，第二驱动电机用于驱动第二主动轮。
本发明的进一步改进在于，第一驱动电机的输出轴通过第一弹性联轴器与第一主动轮轴相连接；第二驱动电机的输出轴通过第二弹性联轴器与第二主动轮轴相连接。
本发明的进一步改进在于，负压源采用吸水电机。
本发明的进一步改进在于，清洗机构包括：喷水头、水管、玻璃刮板和抹布；所述喷水头、玻璃刮板和抹布安装于所述本体支架；所述喷水头通过水管与外部水源相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括安全吊环；所述安全吊环固定安装在所述本体支架上；工作时，所述安全吊环用于连接安全绳。
本发明的一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人的操作方法，包括以下步骤：
通过负压源和吸附机构，将所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人整体吸附在待清洗的玻璃幕墙上；然后通过移动机构，实现所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人在待清洗的玻璃幕墙上的整体移动；所述整体移动，包括前进、后退和转向；通过清洗机构喷洒清洗液体并清洗隐框玻璃幕墙。
本发明的进一步改进在于，吸附机构的吸附力范围为744.79N～840N，移动机构的驱动力矩为20N.m，机器人本体加负载的质量小于等于21.4kg。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的机器人，采用多个气动吸盘使机器人与壁面吸附，可提高可靠性和安全性。本发明无需安装柔索或轨道，进一步增加了安全性，且能够降低制造难度和成本。本发明通过移动机构可实现机器人在垂直或倾斜的隐框玻璃幕墙上自由移动，与气缸式机器人相比，本发明移动速度快，转向简单，且可以倒退移动，具有较高的工作效率。本发明通过清洗机构可完成隐框玻璃幕墙的清洗。
进一步地，采用气动吸盘使机器人与壁面吸附；其吸盘分别工作，与单吸盘机器人相比，若某一吸盘失去吸附力，其他吸盘足够满足继续工作的要求，能够进一步提高可靠性和安全性。
进一步地，气动吸盘由弹性材料制成，气动吸盘能够与玻璃幕墙紧密贴合；当玻璃幕墙有少许凹陷或凸起时，依然能够保证其下端与壁面紧密贴合。
进一步地，负压源可通过气路分配器将负压分配到各个气动吸盘，每个气动吸盘尾部安装安全阀，可保证当机器人中某一个或多个吸盘出现漏气情况时不会影响到其余吸盘的气密性。
进一步地，采用多个驱动电机分别控制各个主动轮，转向通过驱动轮差速转动实现；前进后退通过改进驱动电机转向实现。
进一步地，驱动轮轴通过弹性联轴器与驱动电机输出轴连接，弹性联轴器既可以吸收振动，又可以补偿径向、角向和轴偏差。
进一步地，机器人设置有用于安全绳连接的安装吊环，机器人工作时安装安全绳以避免意外情况的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人的正视结构示意图；
图3是图2的俯视结构示意图；
图4是图2的左视结构示意图；
图5为本发明实施例中动态条件下机器人本体受力示意图；
图6为本发明实施例中动态条件下机器人本体吸盘吸附合力示意图；
图7为本发明实施例中动态条件下机器人本体驱动力矩示意图；
图1至图4中，
1、本体支架；
2、吸附机构，2-1、气动吸盘，2-2、吸盘安装螺母，2-3、安全阀，2-4、气管接头Ⅰ，2-5、气管，2-6、气管接头Ⅱ，2-7、气路分配器；
3、移动机构，3-1、驱动轮，3-2、弹性联轴器，3-3、电机安装支座，3-4、减速器，3-5、电机，3-6、从动轮；
4、负压源，4-1、吸水电机，4-2、吸水电机安装板；
5、清洗机构，5-1、喷水头，5-2、水管接头，5-3、水管，5-4、三通接头，5-5、海绵抹布，5-6、玻璃刮板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图4，本发明实施例的一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人，包括：本体支架1、吸附机构2、移动机构3、负压源4和清洗机构5。
吸附机构2、负压源4、移动机构3和清洗机构5分别安装在本体支架1上。
负压源4与吸附机构2相连接；吸附机构2包括14个气动吸盘2-1及其支架，各个吸盘通过气管2-5与负压源4连接。其中，气动吸盘2-1采用直径为63mm的硅橡胶双层风琴工业真空吸盘(型号为ZPT-63-B-S-J25-G1/8-M18，型号中字符解释如下：ZPT—接管方向(垂直于真空口接管)；63—吸盘直径63mm；B—吸盘形状(双层风琴)；S—吸盘材料(硅橡胶)；J25—缓冲行程(25mm)；G1/8—真空口螺纹大小(G1/8，可连接6/8/10/12mm气管)；M18—安装连接螺纹M18)，气动吸盘2-1能够与玻璃幕墙紧密贴合；气动吸盘2-1均通过气管2-5与负压源4相连通。本发明中，保证14个气动吸盘2-1材料有一定弹性，当机器人在玻璃幕墙上移动时，保证其最下端在同一平面；当玻璃幕墙有少许凹陷或凸起时，保证其下端能与壁面紧密贴合。
具体的，气动吸盘2-1通过气管直通接头与气管2-5连接，负压源4通过气路分配器2-7将负压分配到各个气动吸盘2-1，每个气动吸盘2-1尾部安装安全阀2-3，保证当机器人中某一个或多个气动吸盘2-1出现漏气情况时不会影响到其余气动吸盘2-1的气密性。
移动机构3包括2套驱动机构和2个从动轮3-6，2套驱动机构分别包括电机3-5、电机安装支座3-3和驱动轮3-1。通过控制两套驱动机构的减速电机的转速及转向来实现机器人的转向及前进后退。具体的，驱动轮轴通过弹性联轴器3-2与电机3-5输出轴连接，弹性联轴器3-2与减速器输出轴通过螺栓锁紧和键的双重方案提供轴向定位和径向定位同时传递运动和转矩，弹性联轴器3-2既可以吸收振动，又可以补偿径向、角向和轴偏差。
清洗机构5包括喷水头5-1、水管5-3、玻璃刮板5-6和海绵抹布5-5。机器人在移动的同时实现玻璃幕墙的清洗工作。
优选的，机器人前端有安全绳安装吊环，机器人工作时安装安全绳以保证出现意外情况时的安全性。
本发明的工作过程：
机器人在玻璃幕墙上沿任意方向的移动通过驱动轮的转动实现，机器人在移动的同时通过气动吸盘将机器人吸附在玻璃幕墙上；
机器人在玻璃幕墙上的转向通过驱动轮差速转动实现，机器人在转向的同时通过气动吸盘将机器人吸附在玻璃幕墙上；
机器人负压源为吸水电机，通过调节吸水电机的电压大小可以调节机器人吸附力大小；
机器人的清洗工作通过清洗机构实现，首先喷水头喷出带清洗液的液体覆盖机器人前进方向的玻璃幕墙将玻璃幕墙上的部分污渍冲刷下来，然后玻璃刮板把剩余的顽固污渍挂下，最后海绵抹布将玻璃幕墙清洗干净。
本发明实施例的移动机构和吸附机构中，通过计算及仿真可得吸附力范围为744.79N～840N，所需驱动轮减速电机的驱动力矩为20N.m，机器人本体加负载的质量需小于21.4kg。
计算及仿真过程如下：
机器人本体可简化为前后两组吸盘和左右两个驱动轮，作用在机器人本体上的力包括：重力G；负压吸附合力V(为两组吸盘的吸附力V1、V2之和)；驱动轮受到玻璃幕墙的支持力合力NW(为左驱动轮受到玻璃幕墙的支持力Nl和右驱动轮受到玻璃幕墙的支持力Nr之和)；吸盘受到玻璃幕墙的支持力合力NS(为两组吸盘受到玻璃幕墙的支持力N1、N2之和)；驱动轮所受玻璃幕墙沿y方向的摩擦阻力Ffly、Ffry；驱动轮所受玻璃幕墙沿z方向的摩擦阻力Fflz、Ffrz；吸盘所受玻璃幕墙沿y方向的摩擦阻力Ff1y、Ff2y；吸盘所受玻璃幕墙沿z方向的摩擦阻力Ff1z、Ff2z；驱动轮与玻璃幕墙的摩擦系数μWW，吸盘与玻璃幕墙的摩擦系数μSW；机器人本体在玻璃幕墙上所受风载荷F，为机器人本体在x、y、z方向的风载荷Fx、Fy、Fz的合力。D为机器人本体两个驱动轮的间距，L为机器人本体两组吸盘的间距，h为机器人本体重心到玻璃幕墙表面的距离。机器人本体在任意姿态下以角速度ω(rad/s)进行转弯运动，设机器人本体加负载的总质量为M(kg)，吸盘受玻璃幕墙的摩擦阻力矩为Ts(N.m)，左驱动轮驱动力矩τl(N.m)，右驱动轮驱动力矩τr(N.m)，驱动轮半径r(m)，机器人沿y方向的加速度产生的惯性力Fay(N)和沿z方向的加速度/>产生的惯性力Faz(N)为：
机器人本体受力示意图如图5所示。
各驱动轮和吸盘所受玻璃幕墙的支持力和摩擦力满足：
Nl+Nr+N1+N2-(V1+V2)+Fx＝0 (2)
Ffly+Ffry+Ff1y+Ff2y+Fay＝Gsinθ+Fy (5)
Fflz+Ffrz+Ff1z+Ff2z+Faz＝Gcosθ+Fz (6)
当轮式玻璃幕墙清洁机器人本体以角速度ω进行转弯运动时，两组吸盘和两个驱动轮所受的支持力共4个，但与其相关的式子只有(2)～(4)，故属于超静定求解问题。通过几何对称性和叠加原理求解这4个支持力。
(1)在吸附力V和风载荷分力Fx单独作用下，各支持力均匀分布，分别为：
(2)在重力沿y方向分量Gsinθ和沿该方向的惯性力Fay及风载荷分力Fy的合力单独作用下，各支持力分别为：
(3)在重力沿z方向分量Gcosθ和沿该方向的惯性力Faz及风载荷分力Fz的合力单独作用下，各支持力分别为：
机器人本体在重力、吸附力和风载荷的综合作用下，各支持力分别为以上三种情况单独作用下各吸盘和驱动轮支持力的合力，可得：
通过式(5)～(8)可得各吸盘及驱动轮所受摩擦力分别为：
机器人本体运动状态下在重力和风载荷的作用下可能会发生滑移和倾覆，为不发生这种危险情况，应满足以下条件：
将式(1)、(14)～(17)带入不等式组(20)中，可得：
比较可知，不等式组(21)中第四个不等式包含于第二个不等式，第五个不等式包含于第三个不等式，即当机器人在运动的过程中如果不会发生滑移，那么肯定不会发生倾覆。因此，吸盘吸附力V需满足：
机器人在玻璃幕墙上的任意运动简化为质心的平动和绕质心的转动，可得机器人动力学方程组：
系统广义速度与机器人沿y、z方向的速度分量vy、vz关系如下：
对式(24)求导得：
设由式(25)可得：
设由约束条件/>可得：
将式(27)、(28)代入式(26)中可得：
主要研究机器人在y向的运动状态，在z向的位移很小可忽略不计，故取将式(29)代入式(23)中可得：
将式(30)用如下矩阵表示：
式(31)可简化为：
式中：
模拟机器人的实际运动状态，建立动力学模型，相关参数如表1所示，利用MATLAB对机器人吸盘吸附力进行仿真分析。
表1.机器人本体参数
由动态条件下机器人吸盘吸附力条件可得机器人本体在最大静风阻情况下以0.05m/s2做匀加速运动工况时，吸附力随前进角的变化情况如图6所示，可以看出，机器人本体前进角在0～2π范围内变化过程中吸附力也随之周期变化，最大值为744.79N，故须保证机器人吸附力大于744.79N以防止机器人本体在运动过程中发生滑移和倾覆。
机器人本体在最大静风阻情况下以0.05m/s2做匀加速运动工况时，吸附力为744.79N时驱动轮驱动力矩变化，如图7所示为左驱动轮驱动力矩随机器人本体前进角变化的曲线，可得机器人所需驱动力矩为20N.m。
实施例
本发明实施例的一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人，包括：本体支架1、吸附机构2、移动机构3、负压源4和清洗机构5；吸附机构2、移动机构3、负压源4和清洗机构5分别连接本体支架1。吸附机构2包括14个气动吸盘2-1、14组吸盘安装螺母2-2、14个安全阀2-3、14个气管接头Ⅰ2-4、20段气管2-5、22个气管接头Ⅱ2-6和4个气路分配器2-7，负责使整个清洗机器人吸附在玻璃幕墙上。移动机构3包括两组驱动机构和2个从动轮3-6，每组驱动机构包括2个驱动轮3-1、1个弹性联轴器3-2、1个电机安装支座3-3、1个减速器3-4、1个电机3-5和2个从动轮3-6，负责清洗机器人任意方向的移动和转向。负压源4包括1个吸水电机4-1和1个吸水电机安装板4-2，负责为整个清洗机器人吸附机构提供吸附力。清洗机构5包括2个喷水头5-1、2个水管接头5-2、2段水管5-3、1个三通接头5-4、1个海绵抹布5-5和1个玻璃刮板5-6，负责玻璃幕墙的清洗工作。
目前的玻璃幕墙大多与地面垂直或有一定的斜度，表面由光滑的玻璃组成，需要解决机器人的重力问题，使清洗机器人能够在垂直或带斜度的玻璃幕墙上自由移动。本发明采用吸附机构2使得机器人吸附在壁面上，然后通过移动机构3完成机器人的移动和转向，其移动过程平稳且移动速度可调。与现阶段运用最广泛的人工处理玻璃幕墙的清洗工作相比，本发明的装置可以完全取代人工高强度且高危险性的工作，其安全性、可靠性及其经济实用性更好。
本发明实施例的一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人的操作方法，包括以下步骤：
为了实现清洗机器人在吸附在玻璃幕墙上的基础上再进行移动的工作实况，首先将安全绳一端固定在机器人上，另一端固定在建筑物楼顶，然后14个气动吸盘全部工作使机器人整体吸附在玻璃幕墙上，再通过减速电机驱动两个驱动轮实现机器人整体的移动，同时通过控制两个电机的转速实现机器人移动速度的变化和转向，最后通过清洗机构的工作实现玻璃幕墙的清洗。若其中某一个或两个吸盘出现意外情况，吸盘因不能形成有效真空空间而失去吸附能力，其他吸盘依然能正常工作，不会影响整个机器人正常工作。若其中多个吸盘出现意外情况，吸盘因不能形成有效真空空间而失去吸附能力，机器人从玻璃幕墙上脱离，安全绳将保护机器人不会坠落。
综上所述，本发明的玻璃幕墙清洗机器人，通过吸盘吸附、电机驱动的移动方式实现玻璃幕墙的清洗，能使得机器人本体安全可靠的吸附在玻璃幕墙上，同时能实现任意方向上的匀速移动，且可原地转向，清洗过程平稳安全且效率高；其可以在垂直或倾斜的隐框玻璃幕墙上自由移动，同时实现玻璃幕墙的清洗。具体的：(1)本发明主要采用气动吸盘使机器人与壁面吸附，其吸盘分布均匀且分别工作，与单吸盘机器人相比，本发明结构更加稳定且大大增加了安全性，若某一吸盘失去吸附力，其他吸盘足够满足继续工作的要求。(2)与足式幕墙清洗机器人相比，本发明控制简单，清洗效率高。(3)与气缸式机器人相比，本发明移动速度快，转向简单，且可以倒退移动，工作效率高。(4)与绳索牵引式机器人和固定轨道式自动清洗机器人相比，本发明不需要牵引装置和轨道，大大降低了制造难度和成本。(5)与螺旋桨式玻璃幕墙清洗机器人相比，本发明吸附机构更加稳定可靠，同时可在幕墙的任意方向移动。(6)与多吸盘履带式清洗机器人相比，本发明结构简单且大大降低了重量，提高了整体稳定性且更加节省材料与能源。(7)与人工工作相比，本发明的装置可以完全代替人工进行相应的作业，其安全性、可靠性、经济实用性及应用前景较好。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人，其特征在于，包括：
本体支架(1)，用于作为所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人的支撑骨架；
吸附机构(2)，用于实现所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人可移动的吸附在待清洗的隐框玻璃幕墙上；
移动机构(3)，用于实现所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人在待清洗的隐框玻璃幕墙上的移动；
负压源(4)，用于为所述吸附机构(2)提供吸附负压；
清洗机构(5)，用于喷洒清洗液体并清洗隐框玻璃幕墙；
其中，所述吸附机构(2)包括多个气动吸盘(2-1)；所述移动机构(3)包括多个驱动电机，每个驱动电机均能够双向转动，用于实现所述机器人的前进、后退及转向；
其中，所述气动吸盘(2-1)均由弹性材料制成，且均布安装于所述本体支架(1)；
每个气动吸盘(2-1)均通过气管(2-5)与所述负压源(4)相连通，每个气管(2-5)上均设置有安全阀(2-3)；
移动机构(3)包括：第一主动轮、第一从动轮、第二主动轮、第二从动轮、第一驱动电机和第二驱动电机；第一主动轮和第二主动轮分别通过第一主动轮轴和第二主动轮轴安装于所述本体支架(1)；第一从动轮和第二从动轮通过从动轮轴安装于所述本体支架(1)；第一驱动电机和第二驱动电机安装于所述本体支架(1)；其中，第一驱动电机用于驱动第一主动轮，第二驱动电机用于驱动第二主动轮；
负压源(4)采用吸水电机(4-1)；
清洗机构(5)包括：喷水头(5-1)、水管(5-3)、玻璃刮板(5-6)和抹布；
所述喷水头(5-1)、玻璃刮板(5-6)和抹布安装于所述本体支架(1)；
所述喷水头(5-1)通过水管(5-3)与外部水源相连通；
第一驱动电机的输出轴通过第一弹性联轴器与第一主动轮轴相连接；第二驱动电机的输出轴通过第二弹性联轴器与第二主动轮轴相连接；
还包括安全吊环；所述安全吊环固定安装在所述本体支架(1)上；工作时，所述安全吊环用于连接安全绳；
所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人的操作方法包括以下步骤：
通过负压源(4)和吸附机构(2)，将所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人整体吸附在待清洗的玻璃幕墙上；
然后通过移动机构(3)，实现所述用于清洗隐框玻璃幕墙的机器人在待清洗的玻璃幕墙上的整体移动；所述整体移动，包括前进、后退和转向；
通过清洗机构(5)喷洒清洗液体并清洗隐框玻璃幕墙；
其中，吸附机构的吸附力范围为744.79N～840N，移动机构的驱动力矩为20N.m，机器人本体加负载的质量小于等于21.4kg。
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