一種負(fù)反饋?zhàn)云胶獾膽敉鈾C(jī)器人吊裝系統(tǒng)

周子涵，魏子涵，王嶸，萬永菁

（1.華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海, 201424；2.華東理工大學(xué)商學(xué)院，上海,201424）

0 引言

隨著城市建筑面積的不斷擴(kuò)展，高層樓宇的外墻面積也在逐漸增大[1]，當(dāng)前中國每年建筑幕墻面積的增速接近20%，產(chǎn)值達(dá)到四千九百億人民幣。而巨大的幕墻體量和驚人的增速帶來的是更加嚴(yán)峻的玻璃幕墻清潔問題。高層建筑幕墻清理難度較大，對于人工清潔危險(xiǎn)系數(shù)較高的建筑，主要采用智能機(jī)器人進(jìn)行清潔[2]，而現(xiàn)有的清潔機(jī)器并未針對可能墜落的機(jī)器及其零配件設(shè)計(jì)整體保護(hù)裝置，很有可能會(huì)因突發(fā)情況對作業(yè)現(xiàn)場附近的人身與財(cái)產(chǎn)造成不可預(yù)估的傷害。經(jīng)過調(diào)研，現(xiàn)在市面上大多的吊裝部件為交流電機(jī)和牽引鋼絲的組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)功能簡單，但對被吊裝物的平衡無法掌控，只能通過被吊裝物調(diào)整自身的重心結(jié)構(gòu)來維持平衡[3]。該方式對帶有耗材的清潔機(jī)器人、高空吊籃等重心經(jīng)常發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)并無完善的應(yīng)對方案，容易造成相關(guān)部件在空中的擺動(dòng)，從而對墻體和玻璃幕墻造成損害。此外，傳統(tǒng)的吊裝部件無法對牽引鋼絲的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，在受力不均勻的情況下存在極大的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

本設(shè)計(jì)期望通過牽引鋼絲上受力狀況、環(huán)境狀況和機(jī)器人狀態(tài)的分析，通過控制部件進(jìn)行基于負(fù)反饋的自平衡調(diào)節(jié)，從而最大程度上保證吊裝部件的平衡與安全。

1 機(jī)器結(jié)構(gòu)

我們的設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由吊裝部分、電控及壓力感應(yīng)部分組成。

吊裝部分位于樓宇上方，為模塊化設(shè)計(jì)，通常情況下我們采用三個(gè)吊裝模塊并排拼接的方法來增加其配重。吊裝部分由繞線器、吊裝電機(jī)和防墜落機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。繞線器主要收納牽引鋼絲和數(shù)據(jù)線，由于其主體為圓柱體，方便拆卸和運(yùn)輸，因此我們在該部分中安裝了配重塊，這些配重塊也是吊裝部分的主要配重來源。此外，我們在繞線器的下端設(shè)置了發(fā)條彈簧，可以保證線材回收時(shí)的自動(dòng)收納，同時(shí)根據(jù)電機(jī)的阻力程度判斷線纜下放的大致距離。自回收的繞線器也是防止裝置急墜的最后一道保險(xiǎn)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

圖2 吊裝部分

電控與吊裝部分綁定，通過數(shù)據(jù)線與應(yīng)力感應(yīng)部分連接。電控主要由FPGA 控制，該部分通過采集應(yīng)力感應(yīng)部分傳來的壓力、傾斜程度及風(fēng)向等數(shù)據(jù)對當(dāng)前吊裝裝置所處的環(huán)境進(jìn)行判斷，進(jìn)而采取不同的應(yīng)對策略。

在壓力感應(yīng)部分，我們采用了陀螺儀、壓力感應(yīng)裝置對機(jī)器的傾斜狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。牽引鋼絲首先與彈簧進(jìn)行連接，該彈簧主要作為儀器抖動(dòng)和拉扯牽引鋼絲時(shí)的緩沖機(jī)構(gòu)存在。在彈簧下端我們設(shè)置了應(yīng)力傳感器件，該器件可以讀取該受力點(diǎn)收到彈簧拉力的大小，作為上端控制器實(shí)時(shí)調(diào)整牽引鋼絲長度的主要依據(jù)。此外，為了對周圍特殊環(huán)境進(jìn)行判斷從而采取更科學(xué)的應(yīng)對策略，我們在機(jī)器中內(nèi)置了風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，以應(yīng)對不同的風(fēng)場環(huán)境。

圖3 彈簧緩沖與壓力檢測

圖4 吊裝平臺及相關(guān)傳感器示意圖

2 運(yùn)作模式

2.1 零點(diǎn)自動(dòng)設(shè)置

由于每次進(jìn)行吊裝時(shí)的定滑輪安裝位置并不相同，樓宇外圍的傾斜程度也存在細(xì)微的差異，因此我們無法為平衡狀態(tài)指定統(tǒng)一的參數(shù)[4]。在使用時(shí)，我們首先令其進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)平衡狀態(tài)，相關(guān)過程為：讓被吊裝部件自由下垂，電控裝置采集到陀螺儀傳輸?shù)絻A斜程度參數(shù)，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)使下端平臺趨于水平，并將此時(shí)各應(yīng)力傳感器的拉力參數(shù)設(shè)置為零點(diǎn)，方便后續(xù)的調(diào)整。

該過程主要由機(jī)器自動(dòng)完成，但當(dāng)管理者發(fā)現(xiàn)平臺由于墻面凸起或其他問題仍處于傾斜狀態(tài)時(shí)，可通過遠(yuǎn)程遙控裝置進(jìn)行手動(dòng)調(diào)零。

2.2 負(fù)反饋?zhàn)云胶庹{(diào)節(jié)

在實(shí)際應(yīng)用過程中，嵌入式的電控平臺實(shí)時(shí)監(jiān)測各壓力部件的受力情況，對傳輸來的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣并取平均值，防止因設(shè)備小范圍抖動(dòng)、突發(fā)性加速度變化等原因而造成的系統(tǒng)誤判。當(dāng)其中一條鋼絲上的壓力明顯大于其余兩條時(shí)，電控平臺會(huì)控制下放該牽引鋼絲，同時(shí)收緊其他牽引鋼絲，使各點(diǎn)受力保持相對均衡，以預(yù)防由于單獨(dú)某一根鋼絲上的受力過大而造成斷裂事故，同時(shí)在一定程度上保證了機(jī)器的平衡。

圖5 受力不平衡自動(dòng)調(diào)整

但是，由于機(jī)器運(yùn)動(dòng)和外部某些因素的影響，各牽引鋼絲上的受力不均勻并不是由平臺不平衡所產(chǎn)生，因此存在平臺平衡但各牽引絲受力并不均勻的情況。由此可見，平臺的平衡性和牽引鋼絲受力均衡性在某些情況下是相互矛盾的[5]，為此，嵌入式平臺也會(huì)將陀螺儀傳回的平衡數(shù)值納入考量范圍。當(dāng)平臺傾斜程度過大且鋼絲的受力在安全范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)降低對壓力數(shù)值的調(diào)節(jié)敏感程度并優(yōu)先保證平臺的平衡性問題，保證機(jī)器的正常工作。

當(dāng)鋼絲的受力達(dá)到警戒值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，在犧牲平衡性的基礎(chǔ)上采取更安全的決策。綜上所述，電控平臺可以通過權(quán)衡鋼絲的受力和平臺的傾斜狀態(tài)來保證吊裝時(shí)刻處于最安全的狀態(tài)。

3 惡劣環(huán)境的預(yù)防機(jī)制

以上運(yùn)動(dòng)過程為在無風(fēng)或微風(fēng)環(huán)境下的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程，對于突然發(fā)生的大風(fēng)環(huán)境，系統(tǒng)可以采取更加安全的應(yīng)對策略。

相關(guān)狀態(tài)由風(fēng)速、風(fēng)向傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。電控機(jī)構(gòu)可根據(jù)這兩個(gè)傳感器的參數(shù)來判斷周圍的風(fēng)場環(huán)境。假設(shè)該時(shí)間段內(nèi)由較大氣流從A 方向吹向機(jī)器，機(jī)器會(huì)主動(dòng)回收A側(cè)的牽引鋼絲以增大A 側(cè)牽引鋼絲上的拉力，從而減少機(jī)器在氣流中的傾斜和抖動(dòng)。

圖6 氣流抖動(dòng)預(yù)防

當(dāng)機(jī)器人在空中已呈現(xiàn)出較大晃動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)拉動(dòng)擺動(dòng)方向?qū)?cè)的牽引鋼絲，從而降低擺動(dòng)的幅度[6]，防止因其在空中晃動(dòng)而對墻體和玻璃幕墻造成的損傷。

當(dāng)系統(tǒng)觀測到氣流的強(qiáng)度過大，存在鋼絲斷裂的可能時(shí)，裝置可以進(jìn)行反向操作，以降低迎風(fēng)側(cè)鋼絲上的受力，從而防止斷裂的危險(xiǎn)。

圖7 抖動(dòng)抵消

4 結(jié)語

在我們的該項(xiàng)設(shè)計(jì)中，我們對容易被忽視的吊裝部分進(jìn)行改裝，使其可以根據(jù)實(shí)際的吊裝環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，并通過相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略降低被吊裝部件的傾斜和墜落隱患。通過更改其對不同狀態(tài)的敏感參數(shù)，除了外墻的清潔機(jī)器人，該自平衡裝置還可以用于高空吊籃、起重裝置和牽引裝置等需要平衡的裝置中，切實(shí)保證高空懸掛的平臺的安全問題。

在應(yīng)用場景上，本系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用在由華東理工大學(xué)自主研發(fā)的E-spider 高層幕墻清潔機(jī)器上。憑借本系統(tǒng)所帶來的安全性與穩(wěn)定性，機(jī)器人克服了原本抗風(fēng)能力弱、清潔效率低、墜落風(fēng)險(xiǎn)大的困難，現(xiàn)已能夠高效順利的完成墻面擦拭工作。裝有本系統(tǒng)的清潔機(jī)器目前已獲包括全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)意及創(chuàng)業(yè)挑戰(zhàn)賽國家一等獎(jiǎng)在內(nèi)的三項(xiàng)國家級獎(jiǎng)項(xiàng)，五項(xiàng)上海市級獎(jiǎng)項(xiàng)，并成為科大訊飛開發(fā)者論壇重點(diǎn)介紹的特色項(xiàng)目。

這充分表現(xiàn)出本系統(tǒng)的安全性與實(shí)用性已獲得社會(huì)的認(rèn)可，具有廣泛的應(yīng)用前景。