北斗助力樓宇表面護(hù)潔的機(jī)器人智慧解決方案的構(gòu)建

馬秀敏，劉曉彤，高雪棣，惠振興，高 藝，袁 練

(山東科技大學(xué)，山東 泰安 271000)

0 引言

文章主要設(shè)計(jì)的是一種攀爬機(jī)器人，包括機(jī)器人主體、頂蓋以及攀爬機(jī)械臂，所述機(jī)器人主體的內(nèi)部中心處設(shè)有水箱，主體內(nèi)部水箱的前側(cè)設(shè)控制機(jī)構(gòu)和真空機(jī)構(gòu)，后側(cè)裝有驅(qū)動機(jī)構(gòu)，底部兩側(cè)設(shè)有防跌落傳感器，底部貼近水箱的底部裝有清洗盤，清洗盤底部設(shè)有噴孔和清潔刷，整體裝置可實(shí)現(xiàn)對幕墻清洗、檢測的高空作業(yè)。仿生4組攀爬機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，使本機(jī)器人使用方便、靈活，整體安全性、穩(wěn)定性和實(shí)用性較高，具有一定的推廣價值。

1 機(jī)器人工作流程

使用時，通過控制機(jī)構(gòu)接收外部控制端的控制信號，北斗為機(jī)器人提供實(shí)時的位置信息和導(dǎo)航信息，由機(jī)器人主體內(nèi)部的驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動攀爬機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)攀爬行走動作[1]。通過攀爬機(jī)械臂底端的真空吸盤與真空機(jī)構(gòu)之間通過導(dǎo)氣管連接。真空機(jī)構(gòu)具有自動探測補(bǔ)償吸附力，實(shí)時監(jiān)控氣壓狀況，利用真空吸盤真空吸附原理，在玻璃幕墻表面吸附，機(jī)器人主體前側(cè)的監(jiān)控窗口可以實(shí)現(xiàn)對玻璃幕墻的細(xì)節(jié)觀察，便于遠(yuǎn)程遙控，控制機(jī)器人主體底部清潔盤的噴孔，配合清潔刷對玻璃幕墻進(jìn)行清洗，同時通過防跌落傳感器和牽引掛環(huán)，可以有效感知幕墻邊緣[2]，同時牽引掛環(huán)可以連接安全吊具，可防止機(jī)器人高空攀爬時的意外脫落，在戶外大面積幕墻的清潔中可防止跌落，整體裝置可實(shí)現(xiàn)對幕墻清洗、檢測的高空作業(yè)。仿生4組攀爬機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，使本機(jī)器人更加靈活、方便。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人主視結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，1-機(jī)器人主體、2-頂蓋、3-監(jiān)控窗口、4-攀爬機(jī)械臂、5-真空吸盤、6-清洗盤、7-噴孔、8-清潔刷，除此之外，還包括水箱、注水口、真空機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、防跌落傳感器、牽引掛環(huán)等裝置。

圖1 機(jī)器人主視結(jié)構(gòu)

如圖1中的攀爬機(jī)器人，包括機(jī)器人主體和頂蓋以及攀爬機(jī)械臂，機(jī)器人主體的內(nèi)部中心處設(shè)有水箱，水箱的前側(cè)從左至右依次設(shè)有控制機(jī)構(gòu)和真空機(jī)構(gòu)，水箱的后側(cè)裝有驅(qū)動機(jī)構(gòu)。機(jī)器人主體的底部兩側(cè)設(shè)防跌落傳感器，其共設(shè)有兩組，底部貼近水箱部分裝有清洗盤，清洗盤的底部開設(shè)噴孔，裝有清潔刷，分別為多組與3組，機(jī)器人主體的4角固定裝有攀爬機(jī)械臂，其設(shè)有4組，且攀爬機(jī)械臂與驅(qū)動機(jī)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械連接，驅(qū)動機(jī)構(gòu)能驅(qū)動攀爬機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)攀爬行走動作。仿生4組攀爬機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，保證了本機(jī)器人使用方便、靈活，攀爬機(jī)械臂的底端固定安裝真空吸盤，其共設(shè)有4組，且真空吸盤與真空機(jī)構(gòu)間通過導(dǎo)氣管連接。真空機(jī)構(gòu)具有自動探測補(bǔ)償吸附力功能，實(shí)時監(jiān)控氣壓狀況，利用此原理，在玻璃幕墻表面吸附，可實(shí)現(xiàn)對幕墻清洗、檢測的高空作業(yè)[3]，同時機(jī)器人具有側(cè)視機(jī)器視覺攝像頭，實(shí)現(xiàn)全方位觀察墻面，保證對外部環(huán)境的精確獲取和處理，同時為遠(yuǎn)程管控提供了可靠而精準(zhǔn)的依據(jù)，為機(jī)器的智能化提供了保障。同時，機(jī)器底部也有清洗噴孔，噴孔與清潔刷相互配合，形成液態(tài)與固態(tài)雙重清潔，保證了作業(yè)質(zhì)量。機(jī)器具有掛環(huán)和防跌落傳感器，可以連接安全帶保證整體的絕對安全，頂蓋貼近水箱的頂部設(shè)注水口，整體裝置可實(shí)現(xiàn)對幕墻清洗、檢測的高空作業(yè)[4]，能替換風(fēng)險(xiǎn)程度較高的高空蜘蛛人清潔作業(yè)。

3 機(jī)器人控制與監(jiān)視實(shí)現(xiàn)

攀爬機(jī)器人自主根據(jù)人工智能(Artificial Intelligence，AI)控制對鏡面進(jìn)行刷洗，為了更加安全可靠，要設(shè)計(jì)能對機(jī)器人實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控與運(yùn)行數(shù)據(jù)交互的功能，包括機(jī)器人的能量、動作、控制輸入輸出等狀態(tài)信息，且通過機(jī)身相機(jī)，操作員可觀察檢驗(yàn)機(jī)器人刷洗的潔凈度，實(shí)現(xiàn)全方位機(jī)器運(yùn)行、機(jī)器保護(hù)、任務(wù)進(jìn)度的監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)此功能的技術(shù)為人機(jī)界面數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)[5]，即對嵌入式AI控制器進(jìn)行監(jiān)視控制以及通過控制器實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人機(jī)體的監(jiān)控。本設(shè)計(jì)采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，5G的高可靠、低延時、海量機(jī)器通信不斷線的特點(diǎn)正適應(yīng)于這種工況。當(dāng)機(jī)器啟動時，智能網(wǎng)關(guān)實(shí)時采集數(shù)據(jù)并通過移動通信傳輸至云端，用戶通過個人計(jì)算機(jī) (Personal Computer，PC)人機(jī)界面實(shí)時監(jiān)控機(jī)器。人機(jī)界面集控端采用組態(tài)軟件，開啟動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)設(shè)置，ETH設(shè)置default gateway為網(wǎng)關(guān)路由IP如192.168.1.117，域名解析系統(tǒng)(Domain Name System，DNS)為ON，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面實(shí)時無線監(jiān)控機(jī)器系統(tǒng)。其對網(wǎng)絡(luò)速度的要求較高，5G正可為物聯(lián)環(huán)境提供一條高速通路[6]。

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新

(1)將攀爬機(jī)械臂和驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)合，由驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動攀爬機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)攀爬行走動作，仿生4組攀爬機(jī)械臂的設(shè)計(jì)使機(jī)器人使用更加方便、靈活。

(2)設(shè)計(jì)真空吸盤與真空機(jī)構(gòu)間通過導(dǎo)氣管連接，后者可自動探測補(bǔ)償吸附力，實(shí)時監(jiān)控氣壓狀況，利用吸盤真空吸附原理，在玻璃幕墻表面吸附，可實(shí)現(xiàn)清洗和檢測的高空作業(yè)。

(3)設(shè)計(jì)監(jiān)控窗口可實(shí)現(xiàn)對玻璃幕墻的細(xì)節(jié)觀察，便于遠(yuǎn)程遙控，控制機(jī)器人主體底清潔盤底部的噴孔，配合清潔刷對玻璃幕墻進(jìn)行精細(xì)清潔。

(4)設(shè)置防跌落傳感器和牽引掛環(huán)，前者可有效感知幕墻邊緣，后者可連接安全吊具，防止機(jī)器人高空攀爬時的意外脫落，提高安全性。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)為機(jī)器指引系統(tǒng)，實(shí)時提供位置信息與運(yùn)行導(dǎo)航，依托5G高速公路，實(shí)現(xiàn)集成實(shí)時遠(yuǎn)程管理運(yùn)動機(jī)器，同時依托嵌入式控制、機(jī)器視覺技術(shù)，完成對機(jī)器的控制與實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別捕捉。本設(shè)計(jì)合理地將控制技術(shù)、通信技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、傳動執(zhí)行等技術(shù)結(jié)合在一起，為智慧樓宇構(gòu)建了一款全新的智能機(jī)器人，針對樓宇表面環(huán)衛(wèi)問題，尤其是面向諸多大區(qū)域、污染高、不適合人工作的環(huán)衛(wèi)場景，打造了一款有顯著社會服務(wù)價值和經(jīng)濟(jì)價值的智能友好型環(huán)境機(jī)器人。