高楼幕墙清洗机器人设计及其越障技术研究

作     者：芦红利 

作者单位：上海工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫娟;李培兴

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 081402[工学-结构工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：清洗机器人 障碍物检测 运动学分析 越障技术 有限元分析 

摘      要：随着科技和社会的发展,越来越多的机器人进入人们的生活,机器人在各个领域内的发展越发迅猛。在高楼幕墙清洗方面,由于人工清洗效率低下,并且清洗工作时常会对工人的人身安全造成威胁。因此,高楼幕墙清洗机器人研制工作变得愈发重要。本文以幕墙清洗机器人为研究对象,提出一种轮履复合式的高楼幕墙清洗机器人解决方案,针对窗框障碍物能够实现自主越障。本文的具体工作内容如下:1、高楼幕墙清洗机器人的总体设计。机器人主体包括:辅助轮机构、行走机构、摆臂机构、涵道风扇、清洗系统和控制系统。其中辅助轮主要负责在重力和牵引装置的作用下带动机器人遍历幕墙;涵道风扇则为机器人提供了工作所需的吸附力;摆臂和行走机构则利用提升重心方式实现机器人越障;清洗系统主要分为两大部分,即污水回收循环系统和清洗机构系统,上述两个系统合作完成了幕墙清洗和污水二次利用的工作。在此基础上,采用上位机和下位机通信的控制系统;并搭建平台完成了涵道风扇推力大小的测试工作,对涵道风扇清洗幕墙时的压强进行计算,基于以上工作完成了涵道风扇、涵道电机以及电调的选型。最后利用SolidWorks完成整机模型的建立。2、针对高楼幕墙清洗机器人本体建立运动学模型,利用RecurDyn软件进行机器人运动学仿真分析。对清洗机器人仿真模型添加运动副、接触参数和约束等,利用STEP阶跃函数添加机器人的驱动函数和驱动力,获得主动轮的驱动转矩,并对Y轴重心位置和角加速度变化曲线进行分析,得出机器人在越障过程中能够保持良好的平稳性。3、利用有限元分析软件ANSYS Workbench对高楼幕墙机器人关键的零部件进行有限元分析。通过对关键零部件进行静力学和模态分析,验证结构设计的可靠性,并通过模态分析针对实际工作中机器人本体和框架的固有频率和激振频率进行比较,分析得出高楼幕墙清洗机器人在实际玻璃幕墙清洗工作中不会发生共振现象。4、提出视觉和超声波结合的方式,对障碍物是否存在、高度和距离信息进行获取。障碍物识别方面,首先对摄像头采集到的图像利用均值漂移算法进行滤波,并灰度化处理,减少干扰物和玻璃反光的影响,其次利用优化canny算子进行障碍物边缘信息的提取,与传统算子相比,优化canny算子获取到的障碍物轮廓边缘连接平滑且更为完整;障碍物距离检测方面,为了消除超声波波束、超声波与障碍物不垂直引起的测距误差,根据实际测距环境建立双超声波测距模型,利用扩展卡尔曼滤波对超声波实际测量的距离进行处理,并搭建实验平台,实验结果证明滤波后的距离更接近实际距离,提高了测量精度。本课题针对清洗机器人越障、清洗和吸附的不同需求进行模块化设计,提出了集越障、清洗和污水循环利用为一体的高楼幕墙清洗机器人整体设计方案。通过视觉检测和超声波测距的方式获取障碍物是否存在、高度和距离信息,规划机器人下一步动作,提升机器人复杂壁面环境的适应能力,提高越障效率,降低清洗成本。