劉杰輝+唐建祥

摘 要：文章介紹了國際上對(duì)高樓壁面清洗機(jī)械的研究成果與發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)了一個(gè)吊掛與吸附相結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器、監(jiān)控器和通信網(wǎng)絡(luò)等組成，該系統(tǒng)具有可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，大大提高了壁面清洗的效率。

關(guān)鍵詞：清洗機(jī)器人；PLC控制；無線通訊；監(jiān)控站

引言

隨著現(xiàn)代都市的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)建筑物美的需求日益迫切，很多高層采用玻璃作為建筑外幕，但也都為建筑外幕易臟且難清理所困擾，尤其是構(gòu)造越復(fù)雜的建筑外幕清洗起來越困難，原來采用人工在吊籃中清洗的方式很難滿足現(xiàn)代高大建筑物的清洗需要。在1966年日本大阪府立大學(xué)講師首先開始了對(duì)垂直壁面上移動(dòng)的機(jī)器人的研制[1]，隨后美國、英國、意大利等國也都對(duì)壁面清洗機(jī)器人做出了相應(yīng)研究[2-3]。

高樓外幕清洗機(jī)器人是有著確定功用的機(jī)器人，它作用在危險(xiǎn)系數(shù)高且垂直于地面的高樓外壁，要自帶清洗裝備，是能夠滿足現(xiàn)代都市建筑外幕外部洗濯服務(wù)的極限工作機(jī)器人，它可以將人們從危險(xiǎn)的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，不僅可以避免事故的發(fā)生，減少人員傷亡，并且可以美化都市外貌，具有良好的發(fā)展空間。

現(xiàn)在國內(nèi)外壁面清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式大概有兩類，一類是吸盤式的結(jié)構(gòu)[4-5]，主要是使吸盤達(dá)到真空狀態(tài)將機(jī)器人本體吸附在外壁上，采用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制；另外一種則采用吊掛式，使用吊塔及纜繩控制機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)的位置與移動(dòng)方向。本文要采用的是吊掛式和吸附式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

壁面清洗機(jī)器人在機(jī)械上為兩大機(jī)構(gòu)：樓房頂端的吊塔、機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)和水箱如圖1。

1.1 樓頂?shù)跛?/p>

安放于樓房頂端的吊塔由懸臂、塔體、導(dǎo)軌三部分組成，懸臂部分可折疊，體積小，便于安放，方便搬運(yùn)；塔體為三角形，穩(wěn)定性好，又使拆卸與組裝變得很方便；導(dǎo)軌固定于樓頂，并配備相應(yīng)的配重，防止吊塔側(cè)歪發(fā)生危險(xiǎn)，導(dǎo)軌為可拼接導(dǎo)軌，可根據(jù)需要調(diào)整長度，使底座與機(jī)器人本體能水平運(yùn)動(dòng)。

1.2 機(jī)器人本體

壁面清洗機(jī)器人本體在由滾動(dòng)刷、風(fēng)機(jī)和吸盤、噴水系統(tǒng)、用過水循環(huán)、噴氣系統(tǒng)等組成。

（1）滾動(dòng)毛刷：在滾軸上安放毛刷，由滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶著毛刷同步轉(zhuǎn)動(dòng)來洗滌表面。

（2）風(fēng)機(jī)和吸盤：由于風(fēng)機(jī)的吸力作用，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓而貼于建筑物表面，確保毛刷的清洗效果。

（3）噴水系統(tǒng)：系統(tǒng)用水泵和旋轉(zhuǎn)噴頭，使建筑物表面均勻濕潤，有更好的洗滌效果。

（4）廢水回收：廢水過濾后返回水箱，使廢水循環(huán)使用，節(jié)約水資源。

（5）噴氣系統(tǒng)：采用風(fēng)機(jī)連接氣管，將表面水分吹干，以免再次粘連雜物、塵土。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

由于工作的需要，要同時(shí)滿足機(jī)器的安全性和穩(wěn)定性，可編程控制器具有良好的性能，滿足工作需求，故機(jī)器人主體選取可編程控制器控制；在機(jī)器人本體上和鋼索上安裝速度傳感器，通過傳感器反饋，使機(jī)器上升速度與鋼索收放速度同步；通過對(duì)PC端和遙控器命令的接收，控制機(jī)器人各個(gè)執(zhí)行元件的開關(guān)，執(zhí)行清潔任務(wù)。

2.1 機(jī)器人本體控制

機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)主要由滾動(dòng)毛刷、水泵、風(fēng)機(jī)及吸盤、速度傳感器、噴氣機(jī)構(gòu)等組成。清洗過程是：風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓讓機(jī)器人本體貼在建筑外幕，接著水泵啟動(dòng)，可旋轉(zhuǎn)噴頭噴水將建筑外壁濕潤，隨著水泵的開啟滾動(dòng)刷開始工作，當(dāng)自下向上工作時(shí)毛刷逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)自上到下工作時(shí)毛刷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，清潔建筑物表面；最后噴氣管噴出氣體將表面風(fēng)干，防止粉塵粘附。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由PC端、手動(dòng)遙控器和時(shí)觀測攝像頭組成。PC端站置于樓下控制室，作用是向機(jī)器人發(fā)送控制命令和接收機(jī)器人工作狀態(tài)，還有接收機(jī)器人實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)。機(jī)器人在高空作業(yè)時(shí)高度較高，用人眼觀察要長時(shí)間仰頭，人容易勞累，另外，由于高樓高度較高，人眼不能準(zhǔn)確判斷是否清洗干凈，達(dá)到清洗要求。在PC端可以直接通過無線數(shù)據(jù)對(duì)攝像頭的焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣無論是機(jī)器人的清洗合格情況還是機(jī)器人本體情況都可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控。操作人員可以直接的在PC端用鼠標(biāo)就可以在控制界面進(jìn)行清洗機(jī)器人的監(jiān)控以及控制，另外遙控器也可以達(dá)到控制效果，兩種控制使系統(tǒng)更靈活、更方便。

2.3 樓頂?shù)跛刂?/p>

在鋼索和吸盤上安裝速度傳感器，通過傳感器數(shù)據(jù)，確保清洗機(jī)主體吸盤的速度與鋼索收放速度的同步性。最后由PLC控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，分別控制著輥筒上鋼索的收放和塔吊在軌道上平行移動(dòng)，進(jìn)而使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)豎直和水平方向的運(yùn)動(dòng)。

3 硬件構(gòu)成

因?yàn)楦呖毡诿媲逑醋鳂I(yè)在高空，進(jìn)而對(duì)于機(jī)器人的穩(wěn)定性和安全性要求相對(duì)較高，為滿足機(jī)器人的需求，故采用性能穩(wěn)定可靠性高的PLC對(duì)壁面清洗機(jī)器人進(jìn)行控制，監(jiān)控站采用PC作為控制平臺(tái)。

可編程控制器（PLC）在控制領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，尤其德國西門子（SIEMENS）公司PLC體積小、速度快，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性高。故本設(shè)計(jì)中我們選用西門子S7-300型號(hào)PLC。

（1）監(jiān)控站：采用PC為計(jì)算機(jī)平臺(tái)，由PC機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控端及機(jī)器人下位控制器（PLC）以及負(fù)責(zé)兩者間無線數(shù)據(jù)傳遞的無線通訊設(shè)備組成，由PC機(jī)向機(jī)器人發(fā)送控制命令和接收機(jī)器人工作狀態(tài)，還有接收機(jī)器人實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，達(dá)到對(duì)清洗機(jī)器人的實(shí)時(shí)視頻觀測。

（2）手持便攜遙控器：通過遙控器上的按鍵可以直接控制機(jī)器人的上下左右各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，另外，機(jī)器人的開始工作、停止以及急停都可通過遙控器實(shí)現(xiàn)。

（3）清洗機(jī)器人本體：采用西門子S7系列S7-300型號(hào)可編程控制器（PLC）作為控制器，PC端和遙控器發(fā)出的指令，經(jīng)過無線接收設(shè)備的接收，進(jìn)而控制機(jī)器人本體各個(gè)機(jī)構(gòu)工作順利進(jìn)行。

（4）樓頂塔吊：與機(jī)器人本體共用一個(gè) PLC 為控制器，塔吊上裝有兩個(gè)交流伺服電機(jī)，由 PLC控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，分別控制著輥筒上鋼索的收放和塔吊在軌道上平行移動(dòng)，進(jìn)而使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)豎直和水平方向的運(yùn)動(dòng)。

4 PLC軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)有兩種控制模式：手動(dòng)控制或自動(dòng)控制；施工人員可以通過操作遙控器來控制清洗機(jī)器人，亦可通過PC與控制器的無線連接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

其中人員通過PC發(fā)出各項(xiàng)指令，也通過遙控器向機(jī)器人發(fā)出行動(dòng)指令，這些指令通過無線通訊設(shè)備發(fā)到下位機(jī)控制器的無線接收模塊中，機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行解析，按照要求協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)按照設(shè)定的工作模式，啟動(dòng)各種執(zhí)行結(jié)構(gòu)，同步控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)、水泵工作、真空吸盤、吊塔繩索伸縮、攝像頭拍照等模塊協(xié)同作業(yè)以完成墻壁清洗工作，并實(shí)時(shí)采集各傳感器數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，通過無線模塊傳給 PC 機(jī)以實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器人的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能[6]。其中，機(jī)器人的路徑規(guī)劃可自動(dòng)設(shè)定，也可由遠(yuǎn)程工作人員通過操控遙控設(shè)定，更符合實(shí)際工作要求。

控制程序利用西門子公司開發(fā)的Step-7WIN編程軟件來編輯程序，采用梯形圖來編輯控制指令，有較好的通用性，并且容易理解?？刂屏鞒虉D如圖2所示。

5 結(jié)束語

針對(duì)高層樓房外壁依賴人工方式危險(xiǎn)系數(shù)高、工作效率低的問題，PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)在壁面清洗機(jī)器人上的應(yīng)用，使壁面清潔的用時(shí)大大減少，提高了工作效率，縮減了勞動(dòng)力數(shù)量，自動(dòng)控制將使壁面清洗工作越發(fā)的安全，控制更加靈活。可以把人們從危險(xiǎn)的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，并能提高工作效率，降低清洗成本，具有很大的市場潛力和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：唐建祥（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。