用于玻璃幕墻現(xiàn)場檢測的爬壁機器人的研制

張傳淼，劉 榮，王 珂

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191）

0 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，玻璃幕墻尤其是全隱框玻璃幕墻，作為一種美觀新穎的建筑墻體裝飾方法被越來越多地應用于高層建筑上。由于該類建筑多分布于人群密集的商業(yè)區(qū)和城市中心地帶，因此，對玻璃幕墻的安全性能要求甚高［1］。玻璃幕墻隨著使用年限的增加，必然出現(xiàn)結(jié)構(gòu)密封膠老化、支撐結(jié)構(gòu)的可靠性降低等問題，甚至導致玻璃幕墻松動或墜落。目前，玻璃幕墻大多還是依靠人工進行檢測，然而人工檢測具有一定的危險性，且效率普遍較低。而隨著移動機器人［2－4］技術的進步，機器人已經(jīng)被越來越多地應用到了實際作業(yè)中，其中爬壁機器人在壁面特種作業(yè)中有著廣泛的應用，將其應用于玻璃幕墻的現(xiàn)場檢測，既可降低人工操作的危險性，又可提高玻璃幕墻檢測的效率和智能化水平。

本文結(jié)合國內(nèi)外爬壁機器人和玻璃幕墻檢測技術的研究成果，設計了一種用于玻璃幕墻現(xiàn)場安全檢測的雙腔體負壓爬壁機器人，該機器人能夠在玻璃壁面上自由移動并通過檢測裝置對玻璃進行安全檢測。先后開發(fā)了兩代機器人樣機，并通過樣機實驗和性能分析驗證了將爬壁機器人作為玻璃幕墻檢測平臺的可行性與合理性。

1 總體方案介紹

爬壁機器人必須具備吸附和移動兩個基本功能。吸附方式可分為負壓吸附、磁吸附和特種吸附等。移動方式有輪式、履帶式、框架式和步足式等。對于本文研究的爬壁機器人，由于其作業(yè)對象為光滑的幕墻玻璃，并且要求機器人的體積和質(zhì)量不能過大，同時要求機器人移動靈活、操作簡單，還有對幕墻玻璃間凹槽的要求，故選擇采用雙腔體負壓吸附方式以及輪式移動方式。

目前對玻璃幕墻的現(xiàn)場檢測主要是檢測其支撐結(jié)構(gòu)松動及結(jié)構(gòu)膠損傷與老化的程度，支撐結(jié)構(gòu)體系的松動損傷可以通過測量玻璃的固有頻率識別出來，幕墻玻璃的固有頻率隨著邊界支撐的松動而降低；隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的老化程度可以通過測量玻璃的位移模態(tài)振型進行識別，隨著結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)作用力下降，玻璃邊界處振動幅值明顯增大，同時，幕墻玻璃的固有頻率減小。綜上所述，通過現(xiàn)場測量玻璃的固有頻率和振幅，并與理論計算值區(qū)間進行對比，就能夠定性或定量地評估幕墻玻璃的松動脫落危險程度，進而評價玻璃幕墻的安全可靠性能［5］。

綜上所述，玻璃幕墻檢測方式的總體方案如圖1所示。具體工作過程為：將機器人從全隱框幕墻高樓某一層的窗戶伸出，并從該層的某塊玻璃開始，自上向下地進行檢測；檢測過程中，機器人吸附在已經(jīng)驗證為安全的一塊幕墻玻璃上，通過伸出的檢測桿對其周圍的若干塊玻璃進行檢測；當機器人檢測到某塊玻璃的安全系數(shù)過小時，應采取相應的規(guī)避措施；檢測作業(yè)完成后，立即更換未達到安全要求的玻璃。

2 機械結(jié)構(gòu)設計

玻璃幕墻檢測機器人的機械系統(tǒng)主要由移動機構(gòu)、吸附模塊和檢測裝置3部分組成，第二代幕墻檢測機器人如圖2所示。

圖1 玻璃幕墻檢測的總體方案

圖2 玻璃幕墻檢測機器人

如圖3所示，玻璃幕墻檢測機器人采用輪式移動機構(gòu)，分別由兩個直流電機驅(qū)動兩個主動輪，通過同步帶將運動傳遞給被動輪系。

圖3 輪式移動機構(gòu)

本文選用外轉(zhuǎn)子無刷電機驅(qū)動離心葉輪作為負壓發(fā)生裝置，葉輪旋轉(zhuǎn)時在密封結(jié)構(gòu)里產(chǎn)生一個負壓區(qū)域，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

機器人檢測裝置如圖5所示，包括壓緊裝置和激勵裝置兩部分，壓緊裝置用來完成將傳感器在玻璃壁面上壓緊或抬起，激勵裝置用來完成敲擊玻璃的動作以激發(fā)被測玻璃產(chǎn)生振動。

圖4 吸附模塊

圖5 檢測裝置

3 控制系統(tǒng)設計

現(xiàn)控制系統(tǒng)主要是通過上位機軟件用無線遙控的方式完成對玻璃幕墻檢測機器人的移動控制和檢測作業(yè)控制。

幕墻檢測機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，機器人的控制流程可描述為如下過程：操作人員通過PC機的人機交互界面輸入控制指令，指令按照通訊協(xié)議打包，通過無線通訊傳送至機器人的主控電路板，由主控模塊按照通訊協(xié)議對控制指令進行解析，最終形成對風機、檢測傳感器以及行走電機的控制。當激勵裝置敲擊玻璃產(chǎn)生振動時，數(shù)據(jù)采集卡捕獲由傳感器得到的幕墻振動頻率數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理軟件進行分析，便可得到所檢測玻璃幕墻的安全狀況。

圖7為幕墻檢測機器人的控制軟件界面，它分為常規(guī)速度方向控制、串口設置、位置伺服控制、風機控制以及檢測控制幾個功能區(qū)域。

4 樣機實驗

玻璃幕墻檢測機器人實驗內(nèi)容主要包括樣機的運動功能實驗以及樣機的幕墻玻璃檢測實驗。

圖8為機器人運動性能實驗。機器人原地轉(zhuǎn)彎運動實驗中，機器人順時針原地轉(zhuǎn)彎了90°，轉(zhuǎn)彎的過程中會產(chǎn)生向下的微小滑移，實際測得機器人原地轉(zhuǎn)彎的半徑約為320mm。越溝槽實驗中，所選取的凹槽為20mm。實驗證實，機器人在越溝槽的過程中，移動平穩(wěn)，吸附正常。

玻璃幕墻檢測實驗的流程如下：首先控制幕墻機器人向待檢測的玻璃移動，當?shù)竭_檢測位置后，機器人停止移動，控制機器人的壓緊裝置將傳感器壓在幕墻玻璃上，并操作激勵裝置的橡膠敲擊頭開始敲擊玻璃，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)采集卡無線發(fā)送回計算機，玻璃幕墻動態(tài)分析軟件便可得到該塊玻璃的特性參數(shù)。檢測完畢，機器人抬起傳感器，移向下一塊待檢測玻璃。

圖9為玻璃幕墻檢測實驗的序列圖，經(jīng)實驗測得該塊幕墻玻璃的固有頻率為43．5Hz。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖7 控制軟件界面

圖8 樣機運動性能實驗

圖9 玻璃幕墻檢測實驗序列圖

5 結(jié)論

本文根據(jù)玻璃幕墻檢測技術的要求，提出了一種雙腔體負壓爬壁機器人結(jié)構(gòu)，并對該方案進行了總體設計，確定了隱框玻璃幕墻的檢測方式。對樣機進行了多項實驗。機器人在玻璃幕墻上的直行、轉(zhuǎn)彎和越凹槽等實驗表明：樣機吸附穩(wěn)定、移動靈活，可輕松越過典型隱框幕墻凹槽，具有較強的壁面適應性。幕墻玻璃檢測實驗表明：玻璃幕墻檢測機器人可以高效準確地完成幕墻玻璃檢測任務。

［1］ 鄭敬杰，左勇志，施剛，等．玻璃幕墻的檢測技術與評估方法［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2008（S1）：586－591．

［2］ 付宜利，李志海．爬壁機器人的研究進展［J］．機械設計，2008（4）：1－5．

［3］ Wu Shanqiang，Li Mantian，Xiao Shu，et al．A wireless distributed wall climbing robotic system for reconnaissance purpose［G］∥Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation．［s．l．］：IEEE，2006：1308－1312．

［4］ Wang Y，Liu S，Xu D．Development ＆ application of wall－climbing robots［G］∥ Proceedings of the 1999 International Conference on Robotics ＆ Automation．［s．l．］：［s．n］，1999：1207－1212．

［5］ 劉小根，包亦望，宋一樂，等．振動測試技術在玻璃幕墻安全評估中應用研究［G］∥2009年全國玻璃科學技術年會論文集．北京：中國硅酸鹽學會，2009：135－142．