一种负反馈自平衡的户外机器人吊装系统

周子涵，魏子涵，王嵘，万永菁

（1.华东理工大学信息科学与工程学院，上海, 201424；2.华东理工大学商学院，上海,201424）

0 引言

随着城市建筑面积的不断扩展，高层楼宇的外墙面积也在逐渐增大[1]，当前中国每年建筑幕墙面积的增速接近20%，产值达到四千九百亿人民币。而巨大的幕墙体量和惊人的增速带来的是更加严峻的玻璃幕墙清洁问题。高层建筑幕墙清理难度较大，对于人工清洁危险系数较高的建筑，主要采用智能机器人进行清洁[2]，而现有的清洁机器并未针对可能坠落的机器及其零配件设计整体保护装置，很有可能会因突发情况对作业现场附近的人身与财产造成不可预估的伤害。经过调研，现在市面上大多的吊装部件为交流电机和牵引钢丝的组合结构，该结构功能简单，但对被吊装物的平衡无法掌控，只能通过被吊装物调整自身的重心结构来维持平衡[3]。该方式对带有耗材的清洁机器人、高空吊篮等重心经常发生变化的结构并无完善的应对方案，容易造成相关部件在空中的摆动，从而对墙体和玻璃幕墙造成损害。此外，传统的吊装部件无法对牵引钢丝的受力状态进行分析，在受力不均匀的情况下存在极大的断裂风险。

本设计期望通过牵引钢丝上受力状况、环境状况和机器人状态的分析，通过控制部件进行基于负反馈的自平衡调节，从而最大程度上保证吊装部件的平衡与安全。

1 机器结构

我们的设备结构主要由吊装部分、电控及压力感应部分组成。

吊装部分位于楼宇上方，为模块化设计，通常情况下我们采用三个吊装模块并排拼接的方法来增加其配重。吊装部分由绕线器、吊装电机和防坠落机械结构组成。绕线器主要收纳牵引钢丝和数据线，由于其主体为圆柱体，方便拆卸和运输，因此我们在该部分中安装了配重块，这些配重块也是吊装部分的主要配重来源。此外，我们在绕线器的下端设置了发条弹簧，可以保证线材回收时的自动收纳，同时根据电机的阻力程度判断线缆下放的大致距离。自回收的绕线器也是防止装置急坠的最后一道保险。

图1 整体结构

图2 吊装部分

电控与吊装部分绑定，通过数据线与应力感应部分连接。电控主要由FPGA 控制，该部分通过采集应力感应部分传来的压力、倾斜程度及风向等数据对当前吊装装置所处的环境进行判断，进而采取不同的应对策略。

在压力感应部分，我们采用了陀螺仪、压力感应装置对机器的倾斜状态进行监测。牵引钢丝首先与弹簧进行连接，该弹簧主要作为仪器抖动和拉扯牵引钢丝时的缓冲机构存在。在弹簧下端我们设置了应力传感器件，该器件可以读取该受力点收到弹簧拉力的大小，作为上端控制器实时调整牵引钢丝长度的主要依据。此外，为了对周围特殊环境进行判断从而采取更科学的应对策略，我们在机器中内置了风速、风向传感器，以应对不同的风场环境。

图3 弹簧缓冲与压力检测

图4 吊装平台及相关传感器示意图

2 运作模式

2.1 零点自动设置

由于每次进行吊装时的定滑轮安装位置并不相同，楼宇外围的倾斜程度也存在细微的差异，因此我们无法为平衡状态指定统一的参数[4]。在使用时，我们首先令其进行自动校准平衡状态，相关过程为：让被吊装部件自由下垂，电控装置采集到陀螺仪传输到倾斜程度参数，控制电机运动使下端平台趋于水平，并将此时各应力传感器的拉力参数设置为零点，方便后续的调整。

该过程主要由机器自动完成，但当管理者发现平台由于墙面凸起或其他问题仍处于倾斜状态时，可通过远程遥控装置进行手动调零。

2.2 负反馈自平衡调节

在实际应用过程中，嵌入式的电控平台实时监测各压力部件的受力情况，对传输来的压力数据进行取样并取平均值，防止因设备小范围抖动、突发性加速度变化等原因而造成的系统误判。当其中一条钢丝上的压力明显大于其余两条时，电控平台会控制下放该牵引钢丝，同时收紧其他牵引钢丝，使各点受力保持相对均衡，以预防由于单独某一根钢丝上的受力过大而造成断裂事故，同时在一定程度上保证了机器的平衡。

图5 受力不平衡自动调整

但是，由于机器运动和外部某些因素的影响，各牵引钢丝上的受力不均匀并不是由平台不平衡所产生，因此存在平台平衡但各牵引丝受力并不均匀的情况。由此可见，平台的平衡性和牵引钢丝受力均衡性在某些情况下是相互矛盾的[5]，为此，嵌入式平台也会将陀螺仪传回的平衡数值纳入考量范围。当平台倾斜程度过大且钢丝的受力在安全范围内时，系统会降低对压力数值的调节敏感程度并优先保证平台的平衡性问题，保证机器的正常工作。

当钢丝的受力达到警戒值时，系统会自动报警，在牺牲平衡性的基础上采取更安全的决策。综上所述，电控平台可以通过权衡钢丝的受力和平台的倾斜状态来保证吊装时刻处于最安全的状态。

3 恶劣环境的预防机制

以上运动过程为在无风或微风环境下的自动调节过程，对于突然发生的大风环境，系统可以采取更加安全的应对策略。

相关状态由风速、风向传感器进行数据收集。电控机构可根据这两个传感器的参数来判断周围的风场环境。假设该时间段内由较大气流从A 方向吹向机器，机器会主动回收A侧的牵引钢丝以增大A 侧牵引钢丝上的拉力，从而减少机器在气流中的倾斜和抖动。

图6 气流抖动预防

当机器人在空中已呈现出较大晃动时，系统会自动拉动摆动方向对侧的牵引钢丝，从而降低摆动的幅度[6]，防止因其在空中晃动而对墙体和玻璃幕墙造成的损伤。

当系统观测到气流的强度过大，存在钢丝断裂的可能时，装置可以进行反向操作，以降低迎风侧钢丝上的受力，从而防止断裂的危险。

图7 抖动抵消

4 结语

在我们的该项设计中，我们对容易被忽视的吊装部分进行改装，使其可以根据实际的吊装环境进行自动调节，并通过相应的调节策略降低被吊装部件的倾斜和坠落隐患。通过更改其对不同状态的敏感参数，除了外墙的清洁机器人，该自平衡装置还可以用于高空吊篮、起重装置和牵引装置等需要平衡的装置中，切实保证高空悬挂的平台的安全问题。

在应用场景上，本系统目前已成功应用在由华东理工大学自主研发的E-spider 高层幕墙清洁机器上。凭借本系统所带来的安全性与稳定性，机器人克服了原本抗风能力弱、清洁效率低、坠落风险大的困难，现已能够高效顺利的完成墙面擦拭工作。装有本系统的清洁机器目前已获包括全国大学生创新创意及创业挑战赛国家一等奖在内的三项国家级奖项，五项上海市级奖项，并成为科大讯飞开发者论坛重点介绍的特色项目。

这充分表现出本系统的安全性与实用性已获得社会的认可，具有广泛的应用前景。