智能仿生玻璃清洁机器人造型设计及功能配置

邵翌鑫

(北华大学机械工程学院，吉林 吉林　132021)



智能仿生玻璃清洁机器人造型设计及功能配置

邵翌鑫

(北华大学机械工程学院，吉林 吉林132021)

摘要：针对高空玻璃清洁作业中存在的危险性高、操作困难的问题，设计了一款智能仿生玻璃清洁机器人Spider Crab.在分析高空玻璃清洁过程中可能出现的问题，借鉴有关机器人研究成果的基础上，进行了机器人整体造型设计及功能配置.该机器人具有自我充电、选择清洁、多重保护等功能，应用范围广，适应性强.

关键词：智能仿生；机器人；高空玻璃清洁

【引用格式】邵翌鑫.智能仿生玻璃清洁机器人造型设计及功能配置[J].北华大学学报(自然科学版)，2016，17(2)：278-280.

目前，独立检测机器人主要有轮式机器人(或履带式机器人)和仿生机器人两种[1].作为机器人学的重要组成部分，多足爬墙机器人已成为仿生学研究领域不可或缺的一个重要分支[2].从美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”开始，人类对多足爬墙机器人的研究就从未停止过[3].从第一代机器人Walker[4]到目前的智能机器人Alpha，在不足40 a的时间里，机器人的发展可谓日新月异.

随着社会的飞速发展，高层建筑越来越多，加之大气环境恶化严重，高层建筑玻璃外表面的清洁问题越来越被人们所关注.本次研究根据使用者需求，按照系统化设计原理，采用仿生设计的方法，对玻璃清洁机器人的整体造型进行设计.

1玻璃清洁机器人设计思想

1.1仿生动物选择

常见的能够在墙壁上爬行的动物有蜘蛛、壁虎、蟑螂等，但不论是从工作面积还是灵活度上考虑，蜘蛛都是一个较好的选择.原因有三：一是高空作业需要机器人具有良好的墙面抓附能力，蜘蛛的八爪形态可以满足要求；二是蜘蛛的腹部区域较大，爪子间距离较长，能够为作业区域提供较大的面积；三是高空清洁需要很好的灵活性，要求机器人能够上下左右任意移动，蜘蛛良好的灵活性正好符合了这一点.

1.2机器人结构

玻璃清洁机器人的机械结构参考了日本机器人ASTERISK[5]和韩国机器人 MRWALLSPECT-Ⅲ[6].机器人ASTERISK的自身特点是每个自由移动的腿都有4个关节，而机器人 MRWALLSPECT-Ⅲ的末端吸盘应用了3个真空吸盘，这3个吸盘以等边三角形的方式安装在自由移动腿的末端，同时吸盘与自由移动腿末端采用球铰机构连接，增强了对环境的适应能力.

玻璃清洁机器人的结构和功能设计借鉴了相关的机器人研究成果，如SpinyBot II[7]和南京航空航天大学四足机器人[8]的抓附方式以及哈尔滨工业大学六足机器人[9]的机械结构，在此基础上进行设计；本次设计的机器人命名为Spider Crab，即蜘蛛蟹，借鉴蜘蛛和螃蟹的外形进行仿生设计.

Spider Crab的能量来源于其背部的太阳能电板，体现环保的特性；清洁玻璃的方式参照汽车挡风玻璃的雨刷器原理，通过调整其结构使之更适合玻璃的清洁.

2机器人Spider Crab的设计

2.1总体结构

依据高空作业这一特殊使用环境，以及垂直于地面进行清洁的工作方式，玻璃清洁机器人必须满足以下要求：1)足部必须对墙体形成有效抓附；2)如果抓附失灵，机器人应及时启动备用方案，保证不会出现高空坠落的情况；3)高空供能较难实现，应考虑自我供能；4)在保证功能的前提下，应尽可能减轻机器人自重，最大程度防止危险发生.根据以上要求，提出机器人的外形设计方案，见图1.

Spider Crab采用八足结构，此结构可以确保其在高空作业时的稳定性，不论如何移动，均可以保证至少有4只足抓附墙面.除外形简洁、轻便，适合高空作业外，Spider Crab还具有易于加工的特点，这使得Spider Crab可以根据不同尺寸的高空玻璃以及外表面环境进行量身定做，以满足使用者的不同要求.Spider Crab的背部安装有太阳能电池，在不影响移动的前提下，其尺寸应尽量大.由于采用太阳能电池作为能量来源，可有效解决高空供能困难的问题.

2.2行走机构

在蜘蛛足的各个组成部件中，每个关节连接处都只能上下运动，为转动副约束.由于蜘蛛足可以看作是由单个转动副组成的开式运动链，根据机械设计原则，仿生蜘蛛足部机构如果设计得过于复杂，进行控制协调会很不方便，也可能会因杆件过多且机构过于庞大导致难以传动和制造，故根据蜘蛛的运动特征对足部结构进行合理简化.据观察，蜘蛛足的底节与基节己退化成为一体，在行走过程中，座节与长节之间的转动范围非常小，几乎没有转动，所以可将转动忽略，看作为一个刚性杆件.同样地，腕节、前节和指节也可以看作是一个刚性杆件.经过简化，Spider Crab的每个步行足都是由基节、股节和胫节3部分构成，基节与身体之间，基节与股节之间，股节与胫节之间可视为转动副连接，即整个步行足变成由3个刚性杆件通过转动副连接的串联机构[10].其结构见图2.

Spider Crab足部采用了多个转轴，可以保证在任意角度、任意方向上的移动，以实现高度的灵活性，见图3.足部的抓附方式类似于SpinyBot II 机器人，利用蜘蛛足部的倒刺对墙体进行抓附，这样就能够保证对不平整墙面进行有效抓附，见图4.由于机器人结构的运转方式决定了其足部始终在高层建筑墙体表面呈棋盘状移动，不会进入玻璃区域，所以也就不会对玻璃造成损伤，这样既保证了机器人运动的稳定性，又保证了玻璃的安全.

2.3保护机构

为避免Spider Crab运行时因足部对墙体抓附失灵从高空坠落，在其腹部位置增加了保护机构，见图5.通过真空泵使吸盘吸附在已清洁过的玻璃表面，当吸盘完全固定后，才会移动到下一块玻璃进行清洁.真空吸盘与机器人通过连杆和绳索进行连接，即使在移动过程中因抓附不稳发生坠落，也可以利用收拉绳索重新回到高空建筑物表面，通过重力感应完成定位，对玻璃周围墙体进行抓附，继续作业.在清洁完一块玻璃后，Spider Crab会自行关闭真空泵，收回真空吸盘，重新对刚清洁完的玻璃进行吸附.在此过程中，Spider Crab的足是牢牢抓住墙体表面且不会移动的，既可保证机器人不会因距离吸盘过远导致在坠落时因巨大的势能而损坏，也可保证抓附固定结构和吸附固定结构始终有一项是稳定的.

2.4清洁机构

Spider Crab的主要功能是实现高空玻璃清洁，所以清洁装置是它的主体，见图6.清洁过程主要分为两部分，即喷射清洁剂和刮擦玻璃.喷射清洁剂时，先由高层建筑室内人员在清水中加入少量洗手液，作为清洁剂倒入加水槽内，每加1次清洁剂可以完成1块玻璃的清洁作业，这样避免了携带过重的清洁剂，减轻了自重，从而减小了坠落的可能性.加入的清洁剂通过加水槽下面的输送管进入加压喷射装置(见图7)，经过加压进入边上的8根喷水管，最后从喷水孔喷射在玻璃上；刮擦玻璃过程首先由滑竿上的海绵刷进行来回清洗，之后由橡胶刷擦拭完成清洁作业.作业结束后，收回吸盘，对此玻璃进行吸附后，前往下一块玻璃开始新一轮的清洁作业.

3结语

本次研究设计了一款具有自我保护和自我充电功能的智能机器人Spider Crab，这款机器人具有环保、节能、安全、易于加工等特点，解决了高空玻璃外表面清洁危险性高、工作强度大，以及高空作业供能难、抓附不稳、填充清洁液和清水难等问题.虽然Spider Crab的设计还只是停留在概念上，后续还有机械、电子以及数控等大量的研究工作要做，与最终产品的完成尚有不小的距离，但可为高空玻璃外表面清洁机器人的研究提供一种新的思路，具有一定的参考价值.

参考文献：

[1] 戴伟力.桥梁检测用多足蜘蛛型机器人的步态规划与姿态控制研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[2] 肖立，佟仕忠，丁启敏，等.爬壁机器人的现状与发展[J].自动化博览，2005(1)：81-84.

[3] 龚栋梁.国内外桥梁检测车发展概述[J].商用汽车，2009(6)：100-102.

[4] Shigeo H，Kazuyoshi K.Ceiling walking of quadruped wall-climbing robot NINJA-II[C]//Clawar‘98 first International symposium，1998：143-147.

[5] Sun D，Zhu J.Avisual sensing application to a climbing cleaning robot on the glass surface[J].Mechatronics，2004，14(10)：1089-1104.

[6] Kang T，Kim Hyungseok.Realtime perception with infrared scanner for navigation of quadruped walking and climbing robot[C]//International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS)，Piscataway，United States：IEEE，2004：2550-2555.

[7] 阮鹏，俞志伟，张昊，等.基于ADAMS的仿壁虎机器人步态规划及仿真[J].机器人，2010，32(4)：499-504，509.

[8] 王洪光，姜勇，房立金，等.双足爬壁机器人壁面凹过渡步态规划研究[J].智能系统学报，2007，2(4)：40-45.

[9] 薛胜雄，任启乐，陈正文，等.磁隙式爬壁机器人的研制[J].机械工程学报，2011，47(21)：37-42.

[10] 金铭.八足仿蟹机器人路径规划及步态仿真分析[D].上海：华东理工大学，2012.

【责任编辑：伍林】

Modeling Design and Function Configuration of Intelligent Bionic Glass-cleaning Robot

Shao Yixin

(MechanicalEngineeringCollegeofBeihuaUniversity，Jilin132021，China)

Abstract：A type of intelligent bionic glass-cleaning robot,Spider Crab，has been designed to deal with the dangers and difficult operation issues during the aerial glass cleaning work.The overall style design and function configuration are arranged by using the research results of robots and the possible problems occurred during the aerial glass cleaning are analyzed.This robot is equipped with self-charging，cleaning selection，multi-protection and some other functions，it has an extensive application range and high adaptability.

Key words：intelligent bionic；robot；aerial glass cleaning

中图分类号：TB472；TP242.6

文献标志码：A

作者简介：邵翌鑫(1988-)，男，硕士，助教，主要从事智能仿生结构设计研究，E-mail：187157031@qq.com.

收稿日期：2016-01-30

文章编号：1009-4822(2016)02-0278-03

DOI：10.11713/j.issn.1009-4822.2016.02.030