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高层外墙清洗机器人的设计【一分快3开奖结果|大发彩票计划】

2019-12-14

摘要:目的设计一种可以为高层建筑外墙进行清洗的机器人,其主体结构包括行走机构和机器手机构。方法针对高层建筑外墙清洗作业需求,设计了基于电磁吸盘原理机器人的爬墙行走机构。采用PLC三轴联动位控单元技术,设计了具有清扫功能的机器手。结论利用行走机构中的电磁吸盘技术,克服了机器人墙壁拐角、墙缝行走效果不理想、行走速度慢等缺点,丰富了机器人工作环境,提高了清洗机器人的工作质量。

关键词:高层外墙清洗

随着我国城市化的快速发展,更多的高层建筑拔地而起,而糟糕的空气质量使得高层外墙披上了褴褛的外衣,严重影响了居民的生活质量与城市形象。一些公司不得不花高薪雇用“蜘蛛侠”从事外墙清洗这一高危工作。然而,越来越多的外墙清洗工作与少数愿意从事“蜘蛛侠”这种高危工作的人员之间形成了矛盾[1-2]。随着机器人技术的发展,爬墙机器人已经成为机器人自动化技术领域的一门重要技术,如果将自动化清洗技术与爬墙机器人技术相结合,由高层外墙清洗机器人替代“蜘蛛侠”从事这一高危工作,将改善找不到“蜘蛛侠”清洗外墙这一问题,因此,优化外墙清洗机器人的机械机构设计,改善机器人的控制器功能,具有重要的现实意义。我国在这方面的研究还很少,这里为解决这一矛盾提供了方法。

1、外墙清洗机器人的结构设计

机器人整体结构主要包括:爬墙行走机构和机器手机构。为提高外墙清洗机器人机械系统的控制性能,要求机械传动部件的转动惯量小、阻尼比合理、刚度大,并满足体积小、质量轻、高速、低噪音和高可靠性等要求。由此可见,合理设计驱动方式和机械传动是保证整个机器人伺服控制性能的基本要求。

1.1现有爬墙机器人行走机构分析

高层外墙清洗机器人尚处在研究阶段,它的行走机构是爬墙机器人。现有的爬墙机器人按腕足分为5足、6足和多足,按吸附原理分为磁吸式、吸气式和吸盘式。磁吸式用于金属结构外墙,靠履带式磁铁行走,金属外墙不多见,不作为研究重点。吸气式机器人腹部大部分身体接触墙面,依靠气泵将腹部空气抽走形成负气压,当背部大气压大于腹部大气压时,机器人被压在墙上,而这样导致的结果是排气电机不停地高速排气,行进中机器人与墙面之间的摩擦力大、动作慢,致命弱点是不能跨越各式墙角和不平墙面。吸盘式机器人是仿生机器人,其足部吸盘接触墙面,根据是否自备气泵又分自备气泵机器人和远程导管机器人。自备气泵机器人气泵质量大、负载能力差、行动慢、效率低;远程导管机器人质量轻、移动快速,但受到管线长度限制行动区域小,且容易缠绕,通过对墙面光洁度、墙面材质、是否自备气泵(或风机)、跨越障碍性能、作业面积和行走速度等方面进行分析,电磁吸盘式行走机构有明显的优势。

1.2机器人的爬墙行走机构设计

这里设计的机器人的行走机构主要包括吸盘和旋转关节,根据外层高墙的清洗要求,外层清洗机器人主要采用四腿仿生机构,此结构具有结构紧凑、稳定性好、承载能力大等特点。机器人有4条腿,每条腿由3个自由度的机械机构组成。电磁吸盘结构设计见图2,每条腿有3个自由度,分别由两个伺服电机和一个电磁吸盘组成。电磁吸盘为电磁系统和吸盘相结合,它不需要自备气泵,也不需要远程导气管。其特点是机器人在爬墙移动时质量轻、吸盘吸气和排气快捷,行进时机器人的4条腿交替接触墙面。足部接触墙面时,电磁铁断电,复位弹簧复原,推动衔铁,衔铁通过连杆拉动活塞向上运动,活塞上部和外壳上部分别有分排气孔和排气孔,避免了压缩空气阻滞活塞向上运动,提高了效率。连杆拉动形成活塞内部瞬间真空,活塞内部瞬间真空先使内侧密封裙边迅速压紧墙面,连杆的体积小于活塞的体积,使得外侧裙边动作慢于内侧密封裙边压紧墙面,并且对内侧密封裙边形成密封保护。吸盘内多活塞设计,避免了机器人足部踩在墙缝漏气抓墙不牢的危险。抬足时,电磁铁机构通电,吸盘及时分离墙面,不会摩擦墙面从而行动快捷。腿部采用四肢机构,其特点是机器人足部吸盘在吸附墙面时,其中两足静止,另外两足运动,始终能保证机器人有两足吸盘与墙面相连,且吸盘受力方向与水平面保持垂直,提高机器人的负载能力,可减少因机器人重力较大,造成机器人下滑错位、跌落等伤害。

1.3机器手的机构设计

外墙清洗机器人工作原理是由爬墙机器人结合一个拥有4个自由度的机器手来完成,机器手的结构设计。用于检测洁净度的摄像头装在肘部前端,便于观察。机器手是机器人自带的一个自动清洗装置,机器手执行机构包括:肩部电机、肘部电机、腕部电机和清扫电机。由于清扫电机只完成单一清扫任务,对清扫位置影响不大,因此末端执行机构是腕部电机。自动清洗装置采用四连杆机构设计,其特点是一方面机器人在竖直、倒立运动时,机器手始终能保证清洗机器人前部和左右两部的墙面;另一方面可以减少机器人空间位置姿态控制自由度,从而降低机器人的控制难度。

四连杆机械设计实施方法是将腕部电机输出轴的半径设计为四连杆机械的一杆。当末端执行机构清扫转动时,能够保证前端的刷子与墙面保持垂直,从而最大面积地接触被清洗的墙面,提高工作效率。在机械运动控制中,由于受到自身重力等因素影响到控制精度,需要进行运动补偿。运动补偿主要是直线补偿和弧度补偿,机械力学的运动补偿是控制中的难题。PLC的三轴联动位置控制单元技术(简称位控单元),具有先进的电机控制技术,尤其是运动补偿。如果将PLC的三轴联动位控单元技术移植到机器手控制单元上,移植时根据客观需要自我改良,使三轴控制单元分别控制肩部电机、肘部电机以及腕部电机,会减轻电器控制难度。补偿包括机器手各个关节的长度、质量、各个伺服电机的转动力矩等。补偿参数可以根据数学模型推算,再经过现场实验的方法调测。

2、机器人控制器系统设计

2.1PLC控制器的选择

根据机器人的工作需要,机器人四腿运动是复杂的联动过程,在以往的机器人规划运动控制中,对计算机的运算速度、I/O接口数目、模拟量运算精度、PWM输出、时钟中断等方面的要求很高,松下可编程控制器(PLC-FP2)不仅满足机器人运算速度、充足的I/O单元、模拟量控制单元,而且有先进的二轴、三轴联动位置控制单元。由于控制单元可以直接设置相关的电机的运动极限位置、控制器的控制参数,这将大大减少机器人的开发时间,减少机器人的控制难度。

松下可编程控制器选用FP2型CPU单元,扩展模块数量可达到7个。机器人控制系统结构见图4。CPU单元自带数字量I/O接口(8入8出)一个,其中4点输入用于检测位置传感器的信号,4点输出用于控制4个电磁吸盘。16位模拟量(2入1出)模块一个,两路输入模块分别用于机器手末端位置角度检测和墙面洁净度检测;输出模块用于控制清扫电机的转速。二轴位控单元模块4个,用于控制机器人的4条腿。三轴联动位置控制单元1个,控制机器手的肩部、肘部和腕部电机。

2.2控制器系统程序设计

系统程序由一个主程序和若干子程序组成,包括系统初始化程序、机器手控制程序和四腿行进程序。

1)系统初始化程序。主要包括传感器的参数检测、定时器、计数器等参数的初始值设定,执行机构位置复位,上位机与下位机通讯、报警等。

2)机器手控制程序。机器手的控制结构,主要编写清扫子程序。机器手控制程序先是利用摄像头检测墙面的洁净度,再将视频信号通过专门电路LM1881转换成模拟量,输入PLC中的内置A/D模块和D/A模块。模拟量值与内部设定比较产生偏差,根据偏差值控制清扫电机启停转速,三轴联动位置控制模块是机器人位置控制的核心部件,它的使用将减小机器人的开发和控制难度,并能缩短项目的开发周期。

3)四腿行进程序。主要包括位控单元中大腿、小腿电机的速度控制,在程序中编写前进子程序、跨越障碍子程序、转弯子程序、墙角转弯子程序等。

3、结语

根据高层外墙清洗工作的需要,结合现有爬墙机器人的技术,提出一种以PLC为控制核心的高层外墙清洗机器人的设计方案,利用行走机构中的电磁吸盘技术和PLC的位置控制单元,优化了机器人墙壁不能拐弯、墙缝行走效果不理想、行走速度慢等缺点,丰富了机器人的工作环境,提高了清洗机器人的工作效率。


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