CN109965769A - 一种采用本地电磁信号定位***的全自动攀壁机 - Google Patents

Abstract

一种全自动攀壁作业机器。主要包括：机械方面，攀壁机本体、多个螺旋桨以及螺旋桨电机驱动***、姿态调整关节、与攀壁机本体通过姿态调整关节相连的刚性结构；电气方面，电控***、存储模块、基于本地电磁信号的实时定位装置。攀壁机根据预先设定的路径以及所存储的模型信息，在实时定位装置所提供的实时位置信息指引下进行全自主作业。

Description

一种采用本地电磁信号定位***的全自动攀壁机

技术领域

本发明涉及机械电子设备。

背景技术

公知的高空墙壁作业，如幕墙清洗等，尚无成熟的自动化设备以替代人工进行半空作业。而当前公知的墙壁作业设备，需要将人工吊挂在半空已完成作业，这不仅增大了作业成本，而且导致人身安全问题。

为了实现采用自动化设备代替人工实现高空墙壁作业的目的，曾有技术人员在研制攀壁作业机器（即攀壁机）方面作了大量努力。目前相关的公知技术包括：采用卷扬机（即固定在高处的电机拖动设备）通过线缆对攀壁机进行拖动，实现攀壁机的上下移动，即纵向位置控制；采用螺旋桨产生的风力，使攀壁机稳定地依附在墙壁上；在攀壁机上设置轮子，以实现攀壁机顺利地上下移动。

为了提高攀壁机的应用便利性，攀壁机应当具有全自动工作功能。具体来讲，应当能够在无需人工全程干预的情况下完成提前设置好的任务。但以公知的技术，尚无完整的技术方案实现全自动攀壁作业机器。

发明内容

本发明提供了一种全自动攀壁机的实现方案。具体是：

1.在攀壁机的电控***中设置信息存储模块，用于存储所在墙体（如幕墙）及其附属物（如窗户）的模型信息（包括外表面的三维结构信息以及位置信息）以及与攀壁作业有关的信息（例如，所要清洗的所有玻璃的位置、大小、形状、材质），这些信息可以预先人工输入。

2. 攀壁机上设置实时定位装置。实时定位装置可以是坐标实时定位装置，如GPS、差分GPS、北斗定位装置等。然而，基于卫星的定位***，存在卫星信号易受建筑物遮挡、信号帧频过低不利于实时控制的缺点。为此本发明进一步提出了一种基于本地电磁信号实时定位装置的全自动攀壁作业机。所谓本地电磁信号定位***，是指包括基站、移动端在内的所有电磁信号收发装置都位于本地。其中本地是相对于远程而言的，比如，卫星相对于地面是远程设备，而同一座建筑物上设置的基站相对于本建筑物则显然是本地设备。其中的本地电磁信号定位***可以是UWB（Ultra Wideband）定位技术，具体是：在墙体的多个不同位置处设置固定的UWB模块，作为基站模块，并预先确定好各基站的坐标。为了确保信号不被遮挡，基站应当设置在突出位置处，或者专门设置突出支架。通过提高基站的设置数量，以及合理设置不同基站的分别位置，可以提高***的定位精度。在攀壁机上设置UWB模块作为标签模块，在基站模块和标签模块之间通过发射电磁信号并根据信号在基站模块与标签模块之间的传输时间进行基站-标签间的距离测量，并根据标签模块与多个基站模块间的距离以及各基站的坐标来确定标签模块即攀壁机的坐标。由于UWB（Ultra Wideband）定位技术是公知的成熟技术，因此相关领域的技术人员根据上述描述就能够在无需做出创造性劳动的前提下实施基于UWB（Ultra Wideband）定位技术的攀壁机自动定位功能。

攀壁机也可以采用局部实时定位装置，如基于模型匹配的视觉定位***（机器视觉）、基于模型匹配的超声波（或激光）扫描定位***等，也可以是坐标实时定位装置与局部实时定位装置的组合；

3.根据预先设定并存储在存储器中的作业路径以及存储在存储器中的所在墙体及其附属物的模型信息，在实时定位装置所提供的实时位置信息指引下进行自主移动从而实现全自主作业。

本发明提供的攀壁机，机械结构主要包括攀壁机本体、设置在攀壁机本体上的多个螺旋桨以及螺旋桨电机驱动***、用于拖动攀壁机本体的电动拖动装置。电控***主要包括控制器、存储模块、基于本地电磁信号的实时定位装置以及供电***。其中，控制器、存储模块、实时定位装置通过电信号相连接。电机驱动***以及电控***与供电***电连接。

攀壁机本体主要包括由连杆通过连接件所构建的框架。为了降低重量，连杆可以采用碳纤维材料制成，也可以采用铝管或不锈钢管，以便固定于其上的电机以及电源管理装置的散热。

螺旋桨驱动***可以是盘形外转子式无刷直流电动机***。螺旋桨驱动***是电动机时，可以在电动机上设置散热装置。散热装置可以是铝质散热片，散热片通过导热硅胶与电动机的底部或周围外壳相粘合，散热片伸展到四周区域，并通过螺旋桨产生的风来提高散热效果。

在实际工作中，采用电动机拖动装置拖动攀壁机本体上下移动，电动机拖动装置主要包括电动机***、牵引绳，以及牵引绳轱辘。电动机拖动装置的驱动电机***可以固定在墙体高处的固定位置处。电动机拖动装置的驱动电机***也可以直接固定在攀壁机本体上，同时将牵引绳的另一端连接在楼顶固定位置处或位于楼顶的电动小车上。

优选地，采用单套电机拖动***对攀壁机本体进行拖动。采用公知的类似于多旋翼无人机姿态控制的通过调整螺旋桨转速差的方式来调整攀壁机本体的角度，实现攀壁机姿态的动态平衡。

电动机拖动装置上设置有电子调速***和刹车装置以及减速结构。其中电子调速***可以通过导线或无线电接收相应调速指令信号，并根据接收到的指令信号对拖动装置的运行速度的大小和方向进行实时调整。刹车装置的作用是防止攀壁机本体坠落以及在攀壁机本体固定不动时，可以利用刹车装置卡住攀壁机，并停止电动机拖动装置中的电动机的运转，以节省电能以及进行电机降温。减速结构可以由一系列齿轮构成，其作用是对电机的输出力矩进行放大。

为了更好地对攀壁机本体的进行牵引，电动机拖动装置的电子调速***可以包括用于位置反馈的编码器。为此，可以将拖动装置驱动电机的转轴与编码器共轴相连。这样，转轴带动编码器的中心轴转动，从而使编码器能够测量出攀壁机本体的上下位移大小。

螺旋桨***包括螺旋桨和螺旋桨驱动装置。螺旋桨的驱动装置固定在攀壁机本体上。实际工作中，攀壁机的螺旋桨所产生的推力将攀壁机本体推向墙壁，从而使攀壁机本体稳定地附着在墙壁上。

为了使攀壁机具有姿态调节功能，本发明所提供的攀壁机上设置了姿态调整电动关节，姿态调整电动关节带有驱动电机。此外，攀壁机上设置了用于作为姿态调整支撑物的刚性结构，该刚性结构一端与牵引绳相连，另一端通过姿态调整关节与攀壁机本体相连。刚性结构上与牵引绳的连接处高于与姿态调整关节的连接处。这样，在正常工作时，该刚性结构同时受到牵引绳的上拉力和攀壁机本体的下拉力，并在这两个力的作用下保持竖直方向的姿态不变，因此当姿态调整关节在驱动电机的作用下转动，便可以以刚性结构为支撑物对攀壁机本体进行姿态调整。

可以在攀壁机本体和上述刚性结构之间设置两个串联连接的姿态调整电动关节，两个关节分别用于攀壁机本体的俯仰和横滚两个方向的姿态调整。

为了减轻重量，上述刚性杆可以采用碳纤维管或铝管或不锈钢管通过管夹等连接部件组成。

为了提高安全性，可以在螺旋桨周围设置防护框架，并在防护框架上设置防护网。防护框架可以采用铝合金，通过焊接组装而成，也可以采用连接件连接而成。防护框架也可以采用碳纤维管组成。

电动机拖动装置通过牵引绳对攀壁机本体进行牵引，攀壁机本体在该牵引作用下实现上下移动。为了使攀壁机本体能够被平稳拖动，可以采用数字处理器及相应的传感器建立运动控制***，用于控制电机拖动***的电动机的运行速度以及支撑轮转向装置的驱动电机以及其他驱动电机的运行。所采用的传感器可以包括：固定在攀壁机本体上的加速度计（用于测量重力信号，判断攀壁机本体是否倾斜）、陀螺仪角速度计或编码器。

此外，通过水平移动电动机拖动装置，实现攀壁机本体的水平移动。为此，可以将电动机拖动装置固定在小车上，小车的轮子可以设置自动调速***，小车的车轮自动调速***可以通过有线方式接收来自控制器的移动指令，也可以设置无线信号接收装置，通过无线方式接收移动指令信号。

为了实现攀壁机精确的位置横向控制，攀壁机上设置多个螺旋桨，并将螺旋桨的转动平面略作倾斜，具体是：螺旋桨的转动平面的法向量（即螺旋桨转动平面的朝向），在具有垂直于墙壁平面的非零分量的同时，还具有同时平行于水平面和墙面的非零分量。多个螺旋桨布置在左右两侧，左右两侧的螺旋桨分别向两侧相反方向倾斜，从而产生的风的方向分别向相反方向倾斜。这样，通过调整左右两侧的螺旋桨的旋转速度的相对大小，可以调整螺旋桨在水平方向上产生的总推力的方向及大小，从而实现攀壁机的侧向位置精确调整。

为了实现连续工作，本发明所提供的攀壁机本体上的附属设备的供电方式是：采用长导线从固定位置处取电。为此，在攀壁机上设置电源管理装置。电源管理装置具有输入端和输出端，电能从其输入端输入，经过一定的处理（如交流转直流、降压）后，从输出端输出适合于攀壁机本体上的附属设备的电压。为了使电源管理装置的输出电压稳定，电源管理装置的输入端或输出端可以设置滤波电路。当不需要长时间连续工作时（比如墙体较矮），可以采用锂电池供电。

为了实现幕墙清洗，本发明所提供的攀壁机上设置特定的作业工具，作业工具可以包括擦拭器、刮水器（用于擦玻璃等）以及喷头（用于喷射清水进行清洗）。为了确保喷幅，可以采用多个并行排列的喷头。优选地，作业工具（如擦拭器、刮水器等）固定在攀壁机本体的上方。

可以在攀壁机上挂载液体清洁剂容器，其中的清洁剂可以通过专门的微型泵及与之相连的喷头喷洒到擦拭器上，擦拭器可以是由电动机带动的滚动式柱状结构。喷头可以是多个并排的扇形喷头，也可以是直线喷头。当喷头是直线喷头时，可以将其安装在电动机的转轴上，通过电机控制其喷射方向。

通过姿态调整电动关节进行姿态调整，使攀壁机本体处于前倾状态，安装于攀壁机本体上部的作业工具与幕墙相接触，此时在电动机拖动装置的带动下上下移动，实现幕墙清洗。

综上所述，在攀壁机的电控***中设置存储模块，用于存储所在墙体及其附属物的模型信息以及与攀壁作业有关的信息，同时设置实时定位装置。实时定位装置可以是全局坐标实时定位装置，也可以是局部实时定位装置，也可以是全局坐标实时定位装置与局部实时定位装置的组合。根据预先设定并存储在存储器中的作业路径以及存储在存储器中的所在墙体及其附属物的模型信息，在实时定位装置所提供的实时位置信息指引下，沿预先设置好的路径自主移动。具体的移动方式是：在电动机拖动装置的拖动下实现上下移动；通过水平移动电动机拖动装置，带动攀壁机本体水平移动，同时通过调整螺旋桨在水平方向上产生的总推力的方向及大小，从而实现攀壁机的侧向位置精确调整。当攀壁机根据预先设置好的路径移动到指定位置后，通过姿态调整，使作业工具与墙体（或玻璃幕墙、窗玻璃等）相接触，在电动机拖动装置的拖动下上下移动进行作业。

为了便于作业过程中的遥控，本发明所提供的攀壁机上可以安装摄像头以及无线图传，从而可以对作业过程进行远程实时监控，并通过远程地面站对攀壁机进行远程遥控。

为了实现灵活作业，本发明所提供的攀壁机本体上可以安装机械臂，并将作业工具（擦拭器、刮水器、喷头）固定在机械臂上。

机械臂可以是直线丝杠型滑动机械臂，主要由丝杠、驱动丝杠转动的驱动电机、导轨以及滑动臂构成。

为了降低重量，机械臂可以采用碳纤维材料制成。机械臂上还可以固定摄像头。

本发明的有益效果是：提出了一种全自动攀壁作业机器。主要包括：机械方面，攀壁机本体、多个螺旋桨以及螺旋桨电机驱动***、姿态调整关节、与攀壁机本体通过姿态调整关节相连的刚性结构；电气方面，电控***、存储模块、基于本地电磁信号的实时定位装置。攀壁机根据预先设定的路径以及所存储的模型信息，在实时定位装置所提供的实时位置信息指引下进行全自主作业。

附图说明

图1是本发明所提供攀壁机的侧视图（视线沿水平方向，与墙面平行）。

图2是本发明所提供攀壁机的正视图（视线沿水平方向，与墙面垂直）。

图3是本发明所提供攀壁机的部分结构的俯视图（视线与墙面平行且竖直向下）。

图4是本发明所提供攀壁机实际工作时的整体环境图。

图1中，1. 攀壁机本体，2.支撑杆（包括支撑杆2.1-2.3，如图3所示），3.螺旋桨（包括螺旋桨3.1-3.4），4.螺旋桨驱动电机（包括驱动电机4.1-4.4），5.俯仰姿态角度调节电机，6.支架座，7.作业工具（擦子），8.万向轮转向轴，9.万向轮轮毂，10. 电机拖动装置的用于缠绕牵引绳的轱辘，11. 电机拖动装置的电动机，12. 牵引绳，13.玻璃面，14.攀壁机，15.UWB定位***的移动端（即标签模块），16.UWB定位***的固定基站（包括基站16.1-16.4），17.墙体，18.窗台，19.移动小车。

具体实施方式

如图1所示，攀壁机（1）带有四个螺旋桨（3），螺旋桨（3）的旋转平面位于竖直平面内，因此螺旋桨（3）旋转时会产生水平推力。攀壁机（1）利用该水平推力攀附在玻璃面（13）上。攀壁机（1）的电动机拖动装置包括牵引绳（12）、轱辘（10）以及驱动电机（11）。在驱动电机（11）的驱动作用下，轱辘（10）旋转，带动攀壁机本体（1）上下移动。

通过俯仰姿态角度调节电机（5）对攀壁机本体（1）的俯仰角度进行调整，可以使作业工具（7）（以及万向轮轮毂（9））与墙体接触（分离）或分离（接触）。

当作业工具（7）与墙体（13）接触时，在驱动电机（11）的驱动作用下，攀壁机本体（1）上下移动，实现对玻璃面（13）的清洗。当作业工具（7）远离玻璃面（13），万向轮轮毂（9）接触玻璃面（13）时，可以对攀壁机（1）进行上下左右移动。在攀壁机本体（1）上下移动时，通过调整攀壁机本体（1）的俯仰角度，使攀壁机本体（1）的上部与下部依次接触/脱离玻璃面（13）或墙体（17），可以实现越障。

如图2所示，攀壁机（1）的螺旋桨（3）的转动平面具有横向倾斜角度，且左右两侧的螺旋桨（3）分别向两侧相反方向倾斜，从而产生的风的方向分别向相反方向倾斜。这样，通过调整左右两侧的螺旋桨（3）的旋转速度的相对大小，可以调整螺旋桨（3）在水平方向上产生的总推力的方向及大小，从而实现攀壁机（1）的侧向位置精确调整。此外，通过水平移动电动机拖动装置（11），实现攀壁机本体（1）的长距离水平移动。

攀壁机（1）需要做横向水平移动与纵向上下移动，为了同时实现这两种移动的平滑性且降低结构复杂性与***成本，在攀壁机（1）上设置了由转向轴（8）和轮毂（9）构成的万向轮。当攀壁机（1）的移动方向发生变化时，在轮毂（9）所受到的玻璃面（13）或墙体（17）摩擦力的作用下，万向轮轮毂（9）能够自动调整转动平面的角度，使其与攀壁机（1）的移动方向相一致。

如图4所示，攀壁机（14）上设置有实时定位装置即UWB定位***的移动端（即标签模块）（15），在UWB定位***的固定基站（16）的配合下，可以提供精确的攀壁机（14）实时位置信息。在实时定位装置（15）的指引下，根据墙体（17）表面的模型信息，攀壁机（14）实现全自动移动、壁障及作业。

Claims (7)

1.一种攀壁机，其特征是，主要包括：

攀壁机本体；

用于拖动攀壁机本体上下移动的电动机拖动装置；

安装在攀壁机本体上的螺旋桨以及螺旋桨驱动装置；

以及设置在攀壁机上的控制器、信息存储装置、基于本地电磁信号的实时定位装置、供电***；

所述控制器与存储模块、实时定位装置以及电机驱动***通过电信号相连接，电机驱动***以及控制器、信息存储装置、实时定位装置与供电***电连接。

2.根据权利要求1所述攀壁机，其特征是：所述螺旋桨的旋转面具有特定的倾斜角度，即当所述攀壁机以正常工作方式附着于墙体平面上时，所述螺旋桨的旋转面的法向量同时存在着两个非零分量：一个是与墙体平面垂直的非零分量，另一个是同时与水平面以及墙体平面平行的非零分量。

3.根据权利要求2所述攀壁机，其特征是：所述实时定位装置是局部定位装置。

4.根据权利要求2所述攀壁机，其特征是：所述实时定位装置是全局坐标定位装置和局部定位装置的组合。

5.根据权利要求2所述攀壁机，其特征是：攀壁机的拖动装置固定在移动小车上。

6.根据权利要求5所述攀壁机，其特征是：攀壁机的拖动装置所在的移动小车，带有车轮调速***，该调速***能够接收调速指令。

7.根据权利要求6所述攀壁机，其特征是：攀壁机本体上设置有摄像头。