一種負反饋自平衡的戶外機器人吊裝系統

周子涵，魏子涵，王嶸，萬永菁

（1.華東理工大學信息科學與工程學院，上海, 201424；2.華東理工大學商學院，上海,201424）

0 引言

隨著城市建筑面積的不斷擴展，高層樓宇的外墻面積也在逐漸增大[1]，當前中國每年建筑幕墻面積的增速接近20%，產值達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，對于人工清潔危險系數較高的建筑，主要采用智能機器人進行清潔[2]，而現有的清潔機器并未針對可能墜落的機器及其零配件設計整體保護裝置，很有可能會因突發情況對作業現場附近的人身與財產造成不可預估的傷害。經過調研，現在市面上大多的吊裝部件為交流電機和牽引鋼絲的組合結構，該結構功能簡單，但對被吊裝物的平衡無法掌控，只能通過被吊裝物調整自身的重心結構來維持平衡[3]。該方式對帶有耗材的清潔機器人、高空吊籃等重心經常發生變化的結構并無完善的應對方案，容易造成相關部件在空中的擺動，從而對墻體和玻璃幕墻造成損害。此外，傳統的吊裝部件無法對牽引鋼絲的受力狀態進行分析，在受力不均勻的情況下存在極大的斷裂風險。

本設計期望通過牽引鋼絲上受力狀況、環境狀況和機器人狀態的分析，通過控制部件進行基于負反饋的自平衡調節，從而最大程度上保證吊裝部件的平衡與安全。

1 機器結構

我們的設備結構主要由吊裝部分、電控及壓力感應部分組成。

吊裝部分位于樓宇上方，為模塊化設計，通常情況下我們采用三個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、吊裝電機和防墜落機械結構組成。繞線器主要收納牽引鋼絲和數據線，由于其主體為圓柱體，方便拆卸和運輸，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置了發條彈簧，可以保證線材回收時的自動收納，同時根據電機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。

圖1 整體結構

圖2 吊裝部分

電控與吊裝部分綁定，通過數據線與應力感應部分連接。電控主要由FPGA 控制，該部分通過采集應力感應部分傳來的壓力、傾斜程度及風向等數據對當前吊裝裝置所處的環境進行判斷，進而采取不同的應對策略。

在壓力感應部分，我們采用了陀螺儀、壓力感應裝置對機器的傾斜狀態進行監測。牽引鋼絲首先與彈簧進行連接，該彈簧主要作為儀器抖動和拉扯牽引鋼絲時的緩沖機構存在。在彈簧下端我們設置了應力傳感器件，該器件可以讀取該受力點收到彈簧拉力的大小，作為上端控制器實時調整牽引鋼絲長度的主要依據。此外，為了對周圍特殊環境進行判斷從而采取更科學的應對策略，我們在機器中內置了風速、風向傳感器，以應對不同的風場環境。

圖3 彈簧緩沖與壓力檢測

圖4 吊裝平臺及相關傳感器示意圖

2 運作模式

2.1 零點自動設置

由于每次進行吊裝時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微的差異，因此我們無法為平衡狀態指定統一的參數[4]。在使用時，我們首先令其進行自動校準平衡狀態，相關過程為：讓被吊裝部件自由下垂，電控裝置采集到陀螺儀傳輸到傾斜程度參數，控制電機運動使下端平臺趨于水平，并將此時各應力傳感器的拉力參數設置為零點，方便后續的調整。

該過程主要由機器自動完成，但當管理者發現平臺由于墻面凸起或其他問題仍處于傾斜狀態時，可通過遠程遙控裝置進行手動調零。

2.2 負反饋自平衡調節

在實際應用過程中，嵌入式的電控平臺實時監測各壓力部件的受力情況，對傳輸來的壓力數據進行取樣并取平均值，防止因設備小范圍抖動、突發性加速度變化等原因而造成的系統誤判。當其中一條鋼絲上的壓力明顯大于其余兩條時，電控平臺會控制下放該牽引鋼絲，同時收緊其他牽引鋼絲，使各點受力保持相對均衡，以預防由于單獨某一根鋼絲上的受力過大而造成斷裂事故，同時在一定程度上保證了機器的平衡。

圖5 受力不平衡自動調整

但是，由于機器運動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，嵌入式平臺也會將陀螺儀傳回的平衡數值納入考量范圍。當平臺傾斜程度過大且鋼絲的受力在安全范圍內時，系統會降低對壓力數值的調節敏感程度并優先保證平臺的平衡性問題，保證機器的正常工作。

當鋼絲的受力達到警戒值時，系統會自動報警，在犧牲平衡性的基礎上采取更安全的決策。綜上所述，電控平臺可以通過權衡鋼絲的受力和平臺的傾斜狀態來保證吊裝時刻處于最安全的狀態。

3 惡劣環境的預防機制

以上運動過程為在無風或微風環境下的自動調節過程，對于突然發生的大風環境，系統可以采取更加安全的應對策略。

相關狀態由風速、風向傳感器進行數據收集。電控機構可根據這兩個傳感器的參數來判斷周圍的風場環境。假設該時間段內由較大氣流從A 方向吹向機器，機器會主動回收A側的牽引鋼絲以增大A 側牽引鋼絲上的拉力，從而減少機器在氣流中的傾斜和抖動。

圖6 氣流抖動預防

當機器人在空中已呈現出較大晃動時，系統會自動拉動擺動方向對側的牽引鋼絲，從而降低擺動的幅度[6]，防止因其在空中晃動而對墻體和玻璃幕墻造成的損傷。

當系統觀測到氣流的強度過大，存在鋼絲斷裂的可能時，裝置可以進行反向操作，以降低迎風側鋼絲上的受力，從而防止斷裂的危險。

圖7 抖動抵消

4 結語

在我們的該項設計中，我們對容易被忽視的吊裝部分進行改裝，使其可以根據實際的吊裝環境進行自動調節，并通過相應的調節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的敏感參數，除了外墻的清潔機器人，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，切實保證高空懸掛的平臺的安全問題。

在應用場景上，本系統目前已成功應用在由華東理工大學自主研發的E-spider 高層幕墻清潔機器上。憑借本系統所帶來的安全性與穩定性，機器人克服了原本抗風能力弱、清潔效率低、墜落風險大的困難，現已能夠高效順利的完成墻面擦拭工作。裝有本系統的清潔機器目前已獲包括全國大學生創新創意及創業挑戰賽國家一等獎在內的三項國家級獎項，五項上海市級獎項，并成為科大訊飛開發者論壇重點介紹的特色項目。

這充分表現出本系統的安全性與實用性已獲得社會的認可，具有廣泛的應用前景。