Sky Cleaner 3
一种真正的用于玻璃墙清洗的气动攀爬机器人
近几年来，人们对攀爬和步行机器人技术在三个领域的应用有了强烈的兴趣：可靠的无损评估（NDE）和在某些危险环境中的诊断[1];焊接和操纵，特别是建筑行业的金属结构[2];以及高层建筑的清洁和维护[3]。
在这篇文章中，讨论的重点是高层建筑的清扫机器人。目前，在现代城市里大量的高层建筑都有玻璃幕墙。这些墙壁需要持续清洁，目前都是在使用永久性吊舱系统进行清洁。在半空中清理高层建筑的外墙始终是危险且费力的工作。由于目前缺乏统一的建筑结构，高层建筑的墙面清洁和维护逐渐成为最适合机器人化的领域之一。步行和攀登技术的发展为上述问题提供了一种新的解决方案。应用这种清洁机器人系统可以将工人从这项危险工作中解放出来，并实现自动清洁高层建筑，从而提高服务业的技术水平和生产力。
本文中的攀爬机器人
目前，在光滑的垂直表面上有多种不同的运动类型：多条腿，滑动框架，轮式和链式机械。攀爬机器人有四种不同的附着力原理：1）真空吸盘，2）负压，3）螺旋桨，4）抓握抓手。由于存在许多自由度，多腿运动机器人过于复杂。这种机器人采用真空吸盘并抓取抓手附着在建筑物上，不符合小型化和低复杂性的要求。机器人ROMA [4]是一种多功能自支撑攀爬机器人。它可以进入复杂的金属环境并自行支持其运动系统以进行三维（3-D）运动。一般来说，这种机器人的构造和控制非常复杂，并且不提供墙壁清洁机器人所需的高效率和简单操作。
带轮式和链式轨道车辆的机器人通常是便携式的。这种机器人使用的附着力是负压或螺旋桨;因此，机器人可以不断移动。其中一种机器人在其负压腔中有一对由电动机驱动的轮子，因此它可以灵活地在壁上移动[5]。但是这个机器人只能处理平坦的墙壁而没有任何障碍。 Nishi和宫城开发了一种使用螺旋桨推进力的爬壁机器人[6]。这种机器人非常轻，但螺旋桨产生的噪音太大，无法用在玻璃墙上。即使负压室对空气泄漏不敏感，当机器人穿过窗框时，该方法也不足以安全可靠地连接到垂直表面。
日本的一家公司也开发了一种用于清洁加拿大使馆的气动机器人[7]，但它不能侧身走路。自1996年以来，北航大学机器人研究所的团队一直在开发一系列具有用于玻璃幕墙清洁的滑动框架的Sky Cleaner自动攀爬机器人。第一个模型[8]灵巧性有限，不能在垂直墙上工作。由于其身体没有腰部关节，机器人无法纠正运动方向。此外，处理和穿越障碍物的频率非常高，因此清洁效率仅为37.5平方米/小时。第二个样机非常便携，清洗效率约为75 m2 / h。但是，由于减轻重量带来的压力很大，施工刚度非常低，因此，工作时有一点失真。
清扫机器人系统的基本功能
操作目标研究
自从玻璃幕墙成为了攀爬机器人新的作业目标之后，研究攀爬机器人在玻璃幕墙上工作的效果就至关重要了。玻璃幕墙是一种由安装在金属部件中的玻璃板制成的外部装饰结构。高层建筑有四种玻璃幕墙：外露框架玻璃幕墙，半透明框架玻璃幕墙，隐框玻璃幕墙和全玻璃幕墙。即使是特殊曲线的玻璃墙，其中每块玻璃也是规则形状的，适合清洁。从整体上来看，具有特殊弯曲形状的玻璃墙只是将每个玻璃板以小角度与周围玻璃板连接起来。但玻璃木板之间有一些窗框和密封条，会成为清洁的障碍。这些木板的边界破坏了工作区域的连续性，机器人必须处理它们。
玻璃幕墙清洁机器人的基本功能
玻璃幕墙清洁机器人提供的基本功能包括：◆安全可靠地贴附在玻璃表面：攀爬机器人应能够克服其自重，安全地吸到玻璃墙上。这是玻璃幕墙清洁机器人与地面上的普通步行机器人之间的第一个区别。 ◆在所有工作区域移动的能力：机器人应该具有沿上下方向和左右方向移动以到达玻璃上的每个点的功能。 ◆穿越窗户障碍物的能力：为完成清洁工作，机器人必须面对所有障碍物并安全快速穿过障碍物。 ◆足够的智能识别各种障碍情况：结合多个传感和控制系统来处理复杂环境中的不确定因素。软件应该足够灵巧，可以识别墙的各种几何形状，并且足够智能以自动重建环境。 ◆自动进行相应的有效处理：一旦用户输入全局任务命令，机器人就应该保持自身附着并继续在玻璃上移动，同时完成清洁任务。 ◆运动控制功能：为了满足各种运动功能的要求，特别是在穿越窗障碍物时，需要精确的运动控制。 ◆友好的图形用户界面（GUI）：通过GUI实现对机器人的控制和监视，以实现机器人的有效和用户友好操作。 ◆高效清洁：高效清洁是清洁机器人的最终目标。以上所有功能都应该满足这个关键点。
Sky Cleaner 3 机器人系统
Sky Cleaner 3是为清理上海科技馆复杂曲线而设计的真正产品。建筑物顶部距离地面40米。从左到右，其高度逐渐减小。外壁的总表面积约为5,000平方米。由于其特殊的弧线形状，每块玻璃板都以大约2°的角度与周围的玻璃板连接。针对这样的工作情况而做的机器人设计包括四个部分：1）支撑单元和安全系统的设计
2）吸气系统，运动机构和驱动系统的设计
3）控制系统和软件层次结构的发展
4）实验测试。机器人系统由三部分组成：
1.随行单元; 2.支持载具;和3.清洁机器人（如图1所示）。
清洁机器人通过安装在建筑物顶部的以下单元的电缆从上方支撑。机器人本身可以同步机组的所有跟随运动，防止因任何类型的故障而跌落。从地面上的支撑车辆提供水管，加压空气的气管以及用于控制信号的电缆。 GUI也安装在这辆车上。另一方面，当机器人在半空中时，以下电缆承载软管和气管的一部分重量。
机械结构
为了满足轻量化和灵活性的要求，我们开发了一种由气缸完全驱动的新型特殊运动机构。机器人长113厘米，宽73厘米，高38厘米，如图2所示。它具有14个吸盘，可承载约60公斤的有效负载，包括自重（45公斤）。两个交叉连接的无杆气缸，名为X和Y，组成机器人的主体。由摆缸驱动的转弯腰关节连接X和Y缸。对于转动动作，释放定位销缸以松开锁定销，使得转动运动可以通过腰摆缸驱动。腰关节用于校正机器人运动过程中的倾斜偏离。目前，机器人每步旋转的角度相对较小（2°）。在X和Y气缸的末端有四个连接的短行程气缸，名为Z，其功能是沿Z方向提升或降低真空吸盘并将其支撑在墙壁上。在Y方向的两端，还有四个刷筒，可以上下驱动刷子。自适应清洁头专为高效清洁而设计，配备有排水收集装置。当玻璃清洁完毕之后，不允许有水滴落。首先，它通过机器人上的真空泵从玻璃墙上抽出。然后，水因重力流下，并收集在地面上的支援车辆上。最后，排水过滤，然后重新用于清洁。还有一些可以检测窗户障碍物的传感器安装在X和Y气缸的每一端。 Sky Cleaner 3既可以自动清洁玻璃墙，也可以在上下方向和左右方向上行走。即使机器人非常聪明，建议工作高度也要在50m以下，因为机器人在半空中工作时必须考虑软管的重量。
由于上海科技馆玻璃幕墙没有窗框，X，Y方向真空吸盘附近有一些支撑轮，这些被加入了其机械结构中，旨在进一步提高刚度。为了从一列玻璃的沿左右方向移动到另一列，我们对踝关节进行了特别设计，给予其吸盘被动转动的能力。该接头位于连接真空吸盘和Y型圆筒的连接件与其下面的四个真空吸盘所连接的板之间。
为了满足轻质灵巧运动机构的要求，以及减轻重量和结构刚度方面都承受了相当大的压力。所有机械部件都是定制设计的，以铝造为主。
图a注释：1）支持载具
2）软管
3）Sky cleaner 3 本机
4）缆绳
5）支架
6）随行单元
7）楼顶
8）玻璃幕墙
图二 Sky Cleaner 3 原型机
图二-b注释： Sensor——传感器
Brush——刷子
Vacuum suckers——真空吸盘
X/y Cylinder——X/Y轴向气缸
Control system——控制系统
Supporting wheels——辅助轮
Waist joint——腰部连结结构
控制系统
控制系统如图3所示。可编程逻辑控制器（PLC）用于机器人控制系统，因为它具有很高的稳定性和模块性。 PLC可直接对来自编码器的脉冲信号进行计数，并直接驱动电磁阀，继电器和真空喷射器。添加到系统中的FX2N-4AD可以识别超声波传感器信号和其他模拟传感器。因此，需要一个更简单的控制系统，这不仅会降低成本，而且还会提高其可靠性。另一方面，软件编程的语言很容易实现。
PLC和下列单元的控制器之间的通信接口设计用于同步下列电缆的移动。机器人上的传感器可以分为外部和内部传感器。机器人上有两种外部传感器：可触摸传感器和超声波模拟传感器，负责收集有关操作环境的信息。内部传感器应反映机器人的自身状态。一旦主体倾斜约2°，腰部传感器就会向控制器发送一个信号。有限制开关给控制器关节的位置。在需要精确位置的接头处，使用光学编码器。真空传感器用于监测吸盘的真空状态，并确定玻璃表面的吸力是否稳定。
控制界面
交流界面
随行单元
真空吸盘
编码器
腰部传感器
磁感应开关
超声波传感器
触摸传感器
环境
电磁阀
高速开关阀
真空排气室
继电器
图三 清洁机器人控制系统
软件改进 -----
该软件由四部分组成：自检，初始化，计划和工作以及信息反馈。检查部分可以在开始工作之前检测到故障。板载控制器将接收重要信息，包括全局环境参数和初始化期间传感器的一些参考。一旦用户输入全局任务命令，应首先记住它们以检查其合理性和安全性。以下部分包括命令解释，任务级调度和运动计划。该软件足够灵巧，可以识别墙壁的各种几何形状，并且足够智能以自动重建环境。综合以上所有因素，指令序列最后被设置。工作期间，所有信息将在反馈阶段发回并显示在支持车辆的GUI上。由于机器人在玻璃墙上行走时应该清洁，因此这两种移动之间的相互作用是该软件的一项功能。规划者由路径规划和任务规划组成，也称为操纵规划。规划师层次结构如图4所示。
图四 计划层级
通过在路径规划阶段同步全局信息和本地感知情况来实现清洁和行走的跟踪。另一方面，操纵计划负责生成不同级别的命令序列。命令分为每个关节的简单运动，以实现完整的步态。最后，会产生大量的低级订单，如“移动关节”和“打开阀门”（如图5所示）。
图五 执行计划
由于目前缺乏统一的建筑结构，高层建筑的墙体清扫和维修成为了机器人化的最合适的领域之一。
障碍跨越模拟
图6示出了当机器人从Y方向的视图沿左右方向从一个玻璃移动到另一个玻璃时，越过障碍物的过程。
1）机器人处于原始状态，传感器检测移动方向的密封。
2）连接到Y缸的真空吸盘连接到一块玻璃板上，X缸从左到右移动。
3）与X缸连接的真空吸盘跨越密封圈，Y缸从左向右移动，接近密封时开始位置控制。
4）更换附件后，Y型筒中的真空吸盘吸入玻璃杯中。
5）X气缸从左向右移动。
6）X柱中的真空吸盘连接在两块玻璃板上，Y柱向右移动。
7）更换附件后，Y型筒内的真空吸盘吸入玻璃杯内。
8）在位置控制下X缸向右移动，X方向的左吸尘器接近密封。
9）更换附件后，X缸中的真空吸盘吸入玻璃杯中。
10）Y气缸从左向右移动，没有位置控制。
11）更换附件后，Y型筒内的真空吸盘吸入玻璃杯内。
12）X气缸从左向右移动。机器人现在又处于其家乡状态，穿越障碍的过程结束了。
图六 跨越玻璃的过程
清洁路径
清洁运动覆盖环境中所有未占用的区域时，具体的清洁轨迹是必不可少的。区域覆盖操作也称为全覆盖路径规划，是一种常见且有用的路径规划，它要求机器人路径覆盖工作区的每个部分。不同路径规划的选择和评估标准应综合工作安全性，清洁效率和清洁覆盖率。机器人清洁系统可以减轻工作人员的危险工作，并可以自动清洁高层建筑。工作安全性是评估清扫机器人路径轨迹的第一个重要因素。即使它非常可靠，如果清洁某个区域比人类工作者需要更长的时间，清洁机器人仍然不是令人满意的产品。机器人应该找到一个有效的清洁轨迹来执行其工作。同时，从实际角度来看，清洁覆盖率也非常重要。机器人系统只能实现目标表面选定部分的清洁，而吊舱内的人员几乎可以清洁100％，这是不可接受的。对于Sky Cleaner 3，如果机器人沿左右方向清洁工作目标，则必须多次穿过2°角边缘。但它可以在垂直方向上不受干扰地工作和清洁，因为这样玻璃窗格被认为形成了一个平面。结果，机器人开始从左上角清理玻璃墙，然后向下移动。
当第一列玻璃完成清洁后，它会移动到另一列，如图7所示。出于安全原因，某些顶部有一些屋檐固定的区域和靠近地面的底部不能清洁。这个小型工作区域的覆盖率超过93％，清洁效率为125平方米/小时。
图七 清洁路径
气动系统的构造
设计完全气动清洁机器人有两个原因。 首先，使用气动致动器可以使攀爬机器人轻巧灵活。 其次，气动致动器驱动的运动由于空气的可压缩性而具有被动柔顺性的特征，因此使得机器人在与玻璃相互作用的情况下比由电动机驱动更安全。 Sky Cleaner 3的气动系统包括X，Y和Z气瓶，腰筒，刷筒和真空吸盘。 玻璃板上可
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