硅膠履帶式高空爬壁清潔機器人的設計與分析

林仁軍 張鎣 田剛 方慶林 馬凱濤

摘 要：針對自動化清洗高空玻璃幕墻清洗的需求，本設計提出并設計一種利用涵道電機的硅膠履帶式高空爬壁清潔機器人，介紹了其整體機械結構、軟件設計，并對機器人的運動進行靜力學分析。這種利用涵道電機的硅膠履帶式高空爬壁清潔機器人能夠在玻璃幕墻上垂直行走，具有控制簡單、結構簡單、可靠性高的優點。

關鍵詞：爬壁清潔機器人;涵道電機;履帶式機器人

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0057-02

0 引言

近年來，隨著我國經濟的高速發展，越來越多的玻璃幕墻被應用于高層建筑中。為了保證玻璃幕墻的美觀與能見度，玻璃幕墻需要定期維護與清潔。在這種需求下，由人工使用升降平臺或吊索清潔玻璃幕墻的“蜘蛛人”行業應運而生。但是這種行業不僅具有很高的危險性，而且成本高、效率低。目前并沒有成熟的機器人取代這種高危職業，因此本文提出并設計一種由機器人主體、纜繩系統、視覺識別及決策系統、伺服控制系統組成的硅膠履帶式高空爬壁清潔機器人。

1 機器人主體的結構分析

1.1 多種爬壁機器人的結構分析

機器人的機械結構主要由其應用場景所決定。行走機構和吸附方案的設計決定了機器人工作條件的適應性、可靠性、安全性。爬壁機器人根據其行走機構大致可分為四種類型：框架式、輪式、履帶式、足式。不同的行走機構和不同的吸附方案，決定了他工作的場合，也限制了相關關鍵技術的應用。綜合對爬壁機器人的各種行走機構和吸附方案的分析，考慮到玻璃墻壁的特殊工作環境，最終我們確定了如圖1所示的履帶式。

1.2 爬壁機器人結構的靜力學分析

在機器人的運動過程中，玻璃清洗裝置還會與玻璃墻面有相對運動。機器人的吸附力來自兩個涵道電機的反向推力，機器人的受力分析圖2所示。

由不傾覆的條件式可知：機器人在靜止-不清洗情況下，機器人質量固定的條件下，的比例值越小越不容易傾覆和脫落，μ的值越大，越不容易傾覆和脫落。

2 纜繩系統的結構設計及工作原理

纜繩系統由鋼絲、壓力傳感器、伺服控制電路、電源、電機、支架組成，纜繩系統三維模型見圖3所示。伺服控制電路利用壓力傳感器實時控制線纜的繃緊程度，保證機器人在幕墻移動時不會出現被纜繩纏繞的情況。

3 機器人視覺識別

3.1 軟件及硬件平臺

機器人視覺識別系統采用樹莓派+OEPNCV視覺庫。

3.2 邊框識別原理分析

當機器人獲得一幀圖像時，機器人會先對圖像進行濾波，再對其進行二值化。圖像預處理完成后，就運用OEPNCV邊緣檢測算法對處理后的圖像上進行邊緣檢測，再通過HoughLinesP函數算法求取圖像上的線段。由于邊框都是矩形的，故線段所在區域即為邊框所在區域。在獲得邊框區域內的線段后，對所有線段進行處理與篩選，最后每一條邊框只需要保留一條線段即可[2]。窗戶原圖如圖4所示。框內線段即為最終保留的線段，如圖5所示。

4 機器人伺服控制系統設計

機器人伺服控制主要完成機器人的直線及轉彎運動。伺服控制系統使用電機編碼器、陀螺儀作為反饋，利用PID控制算法完成機器人速度環及角度環的調節，其中角度環為速度環的外環?？刂平Y構框圖如圖6所示。

5 原理機實驗

原理機在硬件上主要由機器人主體和纜繩系統組成，實物圖如圖7所示。結合本文得靜力學分析，測量原理機得相關參數為：

將原理機得相關參數代入不等式，得：原理機不會滑落，原理機可以穩定爬行。原理機實際爬行見圖8所示。

6 結語

本文主要論述了硅膠履帶式高空爬壁清潔機器人的系統組成及機械結構分析。通過從機械結構的靜力學分析對涵道電機的參數進行科學地選擇，并利用視覺檢測、伺服控制、纜繩系統實現了機器人在玻璃幕墻自主完成清潔任務。通過實際樣機的搭建與測試，證明了硅膠履帶式高空爬壁清潔機器人應用于玻璃幕墻清潔的可行性和控制簡單、結構簡單、可靠性高的優點。

參考文獻

[1] 田靜眉.真空吸附式壁面清洗機器人結構設計與研究[D].西南交通大學，2013.

[2] 陳振學.基于特征顯著性的目標識別方法及其應用研究[D].華中科技大學，2007.