龍 鑫，袁 練，榮憶寧，鄧仕明，陳 艷

（湖南信息學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）

0 引 言

本文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)城市高層建筑的機(jī)器人自動(dòng)清潔系統(tǒng)，替代高風(fēng)險(xiǎn)的人工作業(yè)和成本高昂的自動(dòng)擦窗機(jī)作業(yè)，并大幅提高清潔效率。目前，壁面清潔機(jī)器人在發(fā)展過(guò)程中受到多種因素的制約，如不具備針對(duì)各類(lèi)壁面的通用性、研發(fā)周期長(zhǎng)以及建筑物壁面環(huán)境復(fù)雜惡劣等。因此，以北斗定位導(dǎo)航作為機(jī)器人的導(dǎo)引系統(tǒng)，將北斗系統(tǒng)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制以及機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，打造一款高樓清潔機(jī)器人，以高效安全地管理和處理區(qū)域衛(wèi)生，對(duì)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題有著深刻的意義。

1 機(jī)器整體介紹

此次設(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。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)，后側(cè)安裝有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，底部?jī)蓚?cè)設(shè)有防跌落傳感器，另貼近水箱的底部安裝有清洗盤(pán)。清洗盤(pán)的底部開(kāi)設(shè)有噴孔，且安裝有清潔刷。整體裝置可實(shí)現(xiàn)幕墻清洗和檢測(cè)等高空作業(yè)[1]。攀爬機(jī)械臂的設(shè)計(jì)保證了機(jī)器人使用的方便和靈活，增強(qiáng)了使用的安全性，可替換風(fēng)險(xiǎn)程度較高的高空蜘蛛人清潔作業(yè)。由于具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)用性，因此它具有一定的推廣價(jià)值。

2 機(jī)器運(yùn)動(dòng)過(guò)程

使用機(jī)器人時(shí)，通過(guò)控制機(jī)構(gòu)接收外部控制端的控制信號(hào)。北斗為機(jī)器人提供實(shí)時(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)攀爬機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)攀爬行走動(dòng)作[2]。攀爬機(jī)械臂底端的真空吸盤(pán)與真空機(jī)構(gòu)之間通過(guò)導(dǎo)氣管連接。真空機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)探測(cè)補(bǔ)償吸附力，實(shí)時(shí)監(jiān)控氣壓狀況，利用真空吸盤(pán)的真空吸附原理吸附在玻璃幕墻表面。機(jī)器人主體前側(cè)的監(jiān)控窗口可以觀察玻璃幕墻的細(xì)節(jié)，便于遠(yuǎn)程遙控控制機(jī)器人主體清潔盤(pán)底部的噴孔，配合清潔刷清洗玻璃幕墻[3]。此外，防跌落傳感器可以有效感知幕墻邊緣，牽引掛環(huán)可以連接安全吊具，防止機(jī)器人高空攀爬時(shí)的意外脫落。

3 機(jī)器主要功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和分析

機(jī)器人按照規(guī)劃區(qū)位路線進(jìn)行規(guī)律運(yùn)行時(shí)，具有對(duì)物體的辨別、判斷、處理以及執(zhí)行的動(dòng)作能力，具有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并執(zhí)行動(dòng)作的操作能力，還具有遠(yuǎn)程集中管理等系列集成功能。機(jī)器運(yùn)動(dòng)中央管控可視化界面，如圖1所示。

圖1 機(jī)器運(yùn)動(dòng)中央管控可視化界面

3.1 電機(jī)動(dòng)作系統(tǒng)分析

根據(jù)機(jī)器人要達(dá)到的運(yùn)動(dòng)控制功能可知，系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)、吸盤(pán)電吸電機(jī)、方向控制電機(jī)、氣壓泵、伸縮氣壓控制閥以及抓手氣壓控制閥。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為小車(chē)提供前后距離方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力；吸盤(pán)電吸電機(jī)是參考吸塵器的原理所設(shè)計(jì)的吸盤(pán)的動(dòng)力源；方向控制電機(jī)是小車(chē)機(jī)器人的轉(zhuǎn)盤(pán)控制動(dòng)力源；氣壓泵為機(jī)器人提供整體執(zhí)行動(dòng)作驅(qū)動(dòng)執(zhí)行邏輯，包括吸盤(pán)臂管的伸縮和吸盤(pán)頂部的抓手動(dòng)作等，均采取氣壓驅(qū)動(dòng)。

3.2 傳感檢測(cè)系統(tǒng)

傳感檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于機(jī)器人而言相當(dāng)于人的感觀，是機(jī)器人獲取外界數(shù)據(jù)信息的直接介質(zhì)。本機(jī)器人系統(tǒng)將采用貝加萊集成機(jī)器視覺(jué)，應(yīng)用其智能傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)。通過(guò)多核處理器和集成的FPGA圖像預(yù)處理，可實(shí)現(xiàn)多功能的智能校對(duì)和識(shí)別。此外，對(duì)前進(jìn)路線障礙與目標(biāo)的識(shí)取采用紅外光幕+貝加萊機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)目標(biāo)的判斷、識(shí)別、校對(duì)以及智能路線規(guī)劃將大量運(yùn)用機(jī)器智能視覺(jué)和AI處理。智能傳感通過(guò)紅外光幕獲取目標(biāo)，通過(guò)智能視覺(jué)對(duì)比對(duì)象并與機(jī)器庫(kù)中的歷史對(duì)象對(duì)比，判斷目標(biāo)是否為清掃對(duì)象[4]。例如，機(jī)器人通過(guò)紅外光幕大范圍地對(duì)外部工作環(huán)境進(jìn)行掃描判斷，發(fā)現(xiàn)類(lèi)似目標(biāo)時(shí)通過(guò)機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行確認(rèn)，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作。

3.3 吸盤(pán)與機(jī)器爪驅(qū)動(dòng)功能分析

本設(shè)計(jì)對(duì)于垃圾物體的拾取收攏采取吸盤(pán)和機(jī)械爪二元制。輕小垃圾通過(guò)吸盤(pán)吸取，同時(shí)吸盤(pán)頂部裝取三爪機(jī)器手，以抓取收攏較大較重的垃圾。吸盤(pán)的伸縮和機(jī)械爪的動(dòng)作都通過(guò)氣壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)闅鈮簜鲃?dòng)只需空氣壓縮機(jī)就可以源源不斷地汲取大氣，因此無(wú)論從機(jī)身重量、經(jīng)濟(jì)還是能源獲取方面而言，都是較優(yōu)的選擇。

3.4 整體機(jī)身結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的機(jī)器人擁有類(lèi)似小車(chē)一樣的架構(gòu)作為機(jī)身底盤(pán)，同時(shí)擁有智能控制系統(tǒng)、智能傳感檢測(cè)系統(tǒng)、氣壓傳動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)、吸盤(pán)機(jī)械爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)、收納箱以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。

3.5 遠(yuǎn)程集中在線管理控制系統(tǒng)

正常狀態(tài)下，機(jī)器被布置在設(shè)定區(qū)域，根據(jù)定義在規(guī)劃區(qū)域巡回運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)實(shí)時(shí)追蹤定位和實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋機(jī)體運(yùn)行狀態(tài)信息。而本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采取人機(jī)界面（HMI）、數(shù)據(jù)采集以及監(jiān)視平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中在線管理，即通過(guò)SCADA系統(tǒng)集中監(jiān)控管理區(qū)域各個(gè)工作機(jī)器的工作狀態(tài)、運(yùn)行狀況以及機(jī)身各處的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各工作機(jī)器的實(shí)時(shí)跟蹤管理、實(shí)時(shí)在線檢故運(yùn)維以及實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)規(guī)劃和診斷[5]。

4 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)AI控制刷洗鏡面。為保障它的安全可靠，需實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控及運(yùn)行數(shù)據(jù)的交互，包括機(jī)器人的能量、動(dòng)作、控制輸入輸出以及機(jī)器保護(hù)等狀態(tài)信息。同時(shí)，操作員通過(guò)機(jī)身相機(jī)可清晰觀察檢驗(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)以及任務(wù)進(jìn)度狀況的監(jiān)控。這種功能主要依靠人機(jī)界面和SCADA數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，即對(duì)嵌入式AI控制器進(jìn)行監(jiān)視控制，同時(shí)通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人機(jī)體的監(jiān)控。

設(shè)計(jì)采用具有高可靠、低延時(shí)以及海量機(jī)器通信不斷線特性的5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并通過(guò)移動(dòng)通信傳輸至云端，用戶(hù)通過(guò)PC人機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器。人機(jī)界面集控端采用組態(tài)軟件，開(kāi)啟DHCP設(shè)置和ETH設(shè)置。Default Gateway為網(wǎng)關(guān)路由，IP為192.168.1.117且DNS為ON時(shí)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)控機(jī)器系統(tǒng)。由于系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度的要求較高，因此采用5G技術(shù)為物聯(lián)環(huán)境提供一條高速通路[6]。機(jī)器實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)控管理如圖2所示。

圖2 機(jī)器實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)控管理

5 機(jī)器設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

設(shè)置攀爬機(jī)械臂和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)攀爬機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)攀爬行走動(dòng)作，保證了本機(jī)器人使用的方便靈活，可替換風(fēng)險(xiǎn)程度較高的高空蜘蛛人清潔作業(yè)。真空吸盤(pán)與真空機(jī)構(gòu)之間通過(guò)導(dǎo)氣管連接，而真空機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)探測(cè)補(bǔ)償吸附力，利用真空吸盤(pán)的真空吸附原理可吸附在玻璃幕墻表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)幕墻清洗、檢測(cè)等高空作業(yè)。通過(guò)設(shè)置監(jiān)控窗口可以觀察玻璃幕墻的細(xì)節(jié)，便于遠(yuǎn)程遙控控制機(jī)器人清潔盤(pán)底部的噴孔，并配合清潔刷對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行精細(xì)的清潔。此外，該機(jī)器人設(shè)置了防跌落傳感器和牽引掛環(huán)。防跌落傳感器可以有效感知幕墻邊緣，牽引掛環(huán)可以連接安全吊具，防止機(jī)器人高空攀爬時(shí)意外脫落，增強(qiáng)使用的安全性。

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)緊密結(jié)合北斗、5G等技術(shù)，致力于為高樓提供一種智能化清潔方案。北斗和5G等越來(lái)越多的高科技產(chǎn)物的加入，使得現(xiàn)代化城市的建設(shè)越來(lái)越智能化和科技化。通過(guò)北斗時(shí)空實(shí)時(shí)規(guī)劃三維定點(diǎn)城市，有助于實(shí)現(xiàn)城市的數(shù)字化治理。5G的應(yīng)用則為智慧城市建設(shè)提供了一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的生態(tài)圈，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸管理。可見(jiàn)，北斗時(shí)空+5G生態(tài)圈將為智慧城市的建設(shè)開(kāi)啟全新的時(shí)代。