一種幕墻清洗機(jī)器人姿態(tài)控制算法的研究

張 培，吳明暉

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

目前大樓數(shù)量越來越多，隨之而來的是玻璃幕墻的清洗任務(wù)，通過傳統(tǒng)的人工懸掛纜繩的方式進(jìn)行的清洗，效率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅成本高，并且危險(xiǎn)系數(shù)大［1－2］。所以設(shè)計(jì)清洗機(jī)器人不僅能夠提升清洗效率，而且可以減少危險(xiǎn)事故的發(fā)生。本文設(shè)計(jì)的多涵道幕墻清洗機(jī)器人，通過涵道風(fēng)扇提供清洗的吸附力以及越障的推力，當(dāng)機(jī)器人在玻璃幕墻表面進(jìn)行清洗時(shí)，會(huì)受到風(fēng)力和繩的拉力等外界因素的影響，幕墻清洗機(jī)器人在空中的姿態(tài)角度會(huì)發(fā)生很大的晃動(dòng)，從而影響機(jī)器人在壁面的清洗效果以及能否順利的越過窗框等障礙物［3］。幕墻清洗機(jī)器人的姿態(tài)控制算法的研究至關(guān)重要，本文設(shè)計(jì)了一款增量式滑模控制算法，通過數(shù)據(jù)傳感器采集100 組的角度值，該角度值是幕墻機(jī)器人分別沿X軸、Y軸、Z軸的姿態(tài)角度值，對(duì)機(jī)器人在X軸、Y軸、Z軸的姿態(tài)角度值分別進(jìn)行仿真分析，在未受到外界干擾和受到外界干擾的兩種情況下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真出幕墻清洗機(jī)器人沿X軸、Y軸、Z軸的角度姿態(tài)值隨時(shí)間的變化曲線圖［4］。

通過滑模控制算法，在無外界因素的干擾下，清洗機(jī)器人的姿態(tài)角度沿X軸、Y軸、Z軸的變化范圍非常小，在空中能保持穩(wěn)定的姿態(tài)［5］。當(dāng)有外界因素的干擾下，機(jī)器人沿Z軸的姿態(tài)角度一開始變化較大，最終會(huì)在預(yù)先設(shè)定姿態(tài)角度目標(biāo)值附近波動(dòng)，機(jī)器人在X軸，Y軸的姿態(tài)角度值變化幅度較小。

本文基于對(duì)高樓幕墻清洗作業(yè)的需求，設(shè)計(jì)了多涵道幕墻清洗機(jī)器人，搭建了基于滑?？刂圃淼目刂葡到y(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，符合高樓作業(yè)的需求。

1 幕墻清洗機(jī)器人總體介紹

幕墻清洗機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)包括樓頂起吊裝置、機(jī)器人本體和地面監(jiān)控平臺(tái)，如圖1 所示［6］。樓頂起吊裝置是在樓頂鋪設(shè)導(dǎo)軌，通過纜繩提升實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器人在壁面的上下運(yùn)動(dòng)，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體是多涵道幕墻清洗機(jī)器人，機(jī)器人地面監(jiān)控平臺(tái)可以實(shí)時(shí)了解幕墻清洗機(jī)器人在壁面的運(yùn)動(dòng)和清洗情況，實(shí)時(shí)反饋到地面平臺(tái)，供地面人員實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及清洗效果。

圖1 整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.1 Overall system design

2 幕墻清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多涵道幕墻清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括清洗單元、吸附力單元和移動(dòng)單元。首先通過三維仿真軟件Solidworks 仿真出機(jī)器人的三維模型圖；其次，對(duì)多涵道幕墻清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建。清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要包括涵道風(fēng)扇、涵道風(fēng)扇電機(jī)、框架、清洗電機(jī)、毛刷、電機(jī)罩和腳輪等，如圖2 所示。移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)。水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)是清洗機(jī)器人在玻璃幕墻表面的橫向運(yùn)動(dòng)，垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過在樓頂鋪設(shè)卷?yè)P(yáng)機(jī)，纜繩來牽引機(jī)器人本體在壁面的上下運(yùn)動(dòng)。

圖2 機(jī)器人本體圖Fig.2 Robot body diagram

多涵道幕墻清洗機(jī)器人左右分別各有4 個(gè)涵道風(fēng)扇，通過涵道風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生清洗壁面的吸附力以及越障的推力，壁面大都是玻璃材質(zhì)的，非常脆，極易發(fā)生破損。毛刷的材料是尼龍材質(zhì)，較柔軟，不會(huì)對(duì)玻璃壁面造成損害。幕墻清洗機(jī)器人左右各有一個(gè)毛刷，通過直流有刷電機(jī)來驅(qū)動(dòng)毛刷的轉(zhuǎn)動(dòng)，電子調(diào)速器來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制毛刷的清洗速度和力度。多涵道幕墻清洗機(jī)器人在清洗和越障過程中，機(jī)器人很容易撞到玻璃幕墻上，所以在底腳裝有腳輪，可以起到防撞保護(hù)作用。

3 機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多涵道清洗機(jī)器人的本體部分的設(shè)計(jì)主要采用是無人機(jī)的原理，通過螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生清洗的吸附力以及越障的推力，本文的涵道風(fēng)扇的原理基于螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)出的多涵道幕墻清洗機(jī)器人橫移機(jī)構(gòu)上有兩個(gè)涵道風(fēng)扇以及清洗驅(qū)動(dòng)電機(jī)，陀螺儀用來控制機(jī)器人的姿態(tài)角度，超生波測(cè)距用來識(shí)別和檢測(cè)機(jī)器人距離障礙物的距離［7］。幕墻清洗機(jī)器人的藍(lán)牙模塊是通過上位機(jī)界面與機(jī)器人本體進(jìn)行連接，攝像頭將采集到的清洗機(jī)器人的信息反饋到地面監(jiān)控平臺(tái)，電磁繼電器來控制電機(jī)的閉合，腳輪是防止機(jī)器人撞到玻璃幕墻［8］。

3.2 幕墻機(jī)器人姿態(tài)控制器的研究

多涵道幕墻清洗機(jī)器人在壁面清洗和運(yùn)動(dòng)的過程中，機(jī)器人本體姿態(tài)會(huì)受到外界環(huán)境因素的干擾，機(jī)器人在壁面清洗時(shí)，風(fēng)力的大小、纜繩收放時(shí)拉力的大小都會(huì)對(duì)機(jī)器人在壁面清洗和運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生影響。圖3 是多涵道幕墻清洗機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)，當(dāng)機(jī)器人在玻璃壁面清洗和飛升越障時(shí)，機(jī)器人與玻璃幕墻表面處于平行的狀態(tài)。幕墻清洗機(jī)器人在玻璃表面清洗時(shí)，機(jī)器人在空中的姿態(tài)會(huì)發(fā)生很大范圍的晃動(dòng)，從而會(huì)影響機(jī)器人在壁面的清洗效果和能否安全的越過窗框等障礙物［9］。多涵道幕墻清洗機(jī)器人的橫滾角是機(jī)器人的本體繞提升纜繩的姿態(tài)角度值，當(dāng)機(jī)器人的姿態(tài)角度不能保持穩(wěn)定時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人撞到玻璃幕墻表面［10］。根據(jù)這狀態(tài)設(shè)計(jì)出增量式滑?？刂破鳎？刂颇軌蚋鶕?jù)系統(tǒng)的狀態(tài)的變化做出實(shí)時(shí)的改變，且受到外界因素的擾動(dòng)較小，通過預(yù)先設(shè)定目標(biāo)角度，清洗機(jī)器人的姿態(tài)角度值最終在目標(biāo)角度附近來回波動(dòng)。通過滑?？刂扑惴ǎ逑礄C(jī)器人在空中的姿態(tài)角度變化較小，不會(huì)產(chǎn)生大范圍的晃動(dòng)。

3.3 外界干擾下機(jī)器人姿態(tài)角度的變化

多涵道幕墻清洗機(jī)器人在Z軸姿態(tài)角度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖4 所示。

圖4 涵道機(jī)器人繞Z 軸的角度姿態(tài)圖Fig.4 Angle and attitude diagram of ducted robot around Z axis

有外界擾動(dòng)的情況下，清洗機(jī)器人在X軸姿態(tài)角度值在2°左右變化。多涵道幕墻清洗機(jī)器人在X軸的姿態(tài)角度變化較小，機(jī)器人沿X軸姿態(tài)角度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖5 所示。

圖5 涵道機(jī)器人繞X 軸的角度姿態(tài)圖Fig.5 Angle and attitude diagram of ducted robot around X axis

當(dāng)有外界擾動(dòng)及干擾情況下，在Y軸的姿態(tài)角度變化范圍在－3°～1°左右，涵道清洗機(jī)器人在有擾動(dòng)情況下，在Y軸的角度變化較小，涵道清洗機(jī)器人在沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角度姿態(tài)變化，如圖6 所示。

圖6 涵道機(jī)器人繞Y 軸的角度姿態(tài)圖Fig.6 Angle and attitude diagram of ducted robot around Y axis

3.4 未受到外界干擾機(jī)器人姿態(tài)角度變化

在未受到外界干擾情況下，通過數(shù)據(jù)采集卡采集100 組姿態(tài)角度值，清洗機(jī)器人姿態(tài)角度值在1°左右變化，多涵道幕墻清洗機(jī)器人在X軸姿態(tài)角度隨迭代次數(shù)變化關(guān)系如圖7 所示。通過實(shí)驗(yàn)分析可知，滑?？刂破骶哂泻芎玫聂敯粜浴?/p>

圖7 未擾動(dòng)涵道清洗機(jī)器人繞X 軸的角度圖Fig.7 Angle diagram of undisturbed ducted cleaning robot around X axis

清洗機(jī)器人姿態(tài)角度值在5°左右變化，在未受到外界干擾的情況下，多涵道幕墻清洗機(jī)器人在Y軸姿態(tài)角度隨迭代次數(shù)的變化關(guān)系如圖8 所示。可知，機(jī)器人的姿態(tài)角度值變化較小，在滑?？刂葡?，幕墻清洗機(jī)器人姿態(tài)能保持穩(wěn)定。

圖8 未擾動(dòng)涵道清洗機(jī)器人繞Y 軸的角度圖Fig.8 Angle diagram of undisturbed ducted cleaning robot around Y axis

機(jī)器人在Z軸的姿態(tài)角度值在0°～100°左右，在未受外界干擾下，清洗機(jī)器人沿Z軸姿態(tài)角度隨迭代次數(shù)變化關(guān)系如圖9 所示?？芍?，機(jī)器人姿態(tài)角度值變化范圍較大。姿態(tài)角度值最終會(huì)穩(wěn)定在80°左右。

圖9 未擾動(dòng)涵道清洗機(jī)器人繞Z 軸的角度圖Fig.9 Angle diagram of undisturbed ducted cleaning robot around Z axis

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)多涵道幕墻清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括對(duì)機(jī)器人的涵道風(fēng)扇、涵道電機(jī)、框架、腳輪、毛刷、清洗電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次，通過對(duì)滑?？刂扑惴ǖ难芯?，設(shè)計(jì)增量式滑?？刂破鞑?duì)機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行控制，采用simulink 對(duì)滑?？刂破鬟M(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真分析，在滑模控制器下，當(dāng)有外界擾動(dòng)和無外界擾動(dòng)的情況下，多涵道幕墻清洗機(jī)器人的姿態(tài)角度的變化較小，機(jī)器人的姿態(tài)得到穩(wěn)定的控制。