许然、赵迎国、陈谢天
江苏大学 江苏镇江 212013
摘要：本文介绍了一种新型幕墙攀爬机器人，是一种基于负压原理的通过单片机实现控制的智能视觉机器人，通过对普通双汽缸四杆十字机器人的改进，在其基础上增加步进电机使其能达到旋转的效果，从而实现在各个方向的移动；搭配摄像头捕捉图像信号，使其满足用户对图像捕捉的需求；同时搭配步进电机和简单轻小的清洁用具实现高空清洁的目的，通过myRIO嵌入式系统搭配上位机labview来接受并处理图像信息，即使用单片机来控制智能机器人整体和局部的运动。
关键词：智能机器人 幕墙攀爬 高空清洁 嵌入式系统
一、引言
随着国民经济的快速发展,我国现代化建设水平也在不断提高,一幢幢高楼拔地而起。然而,人类正在享受着物质文明带来的丰硕成果同时,也遇到一些新的挑战,如高大的幕墙建筑的定期清洗,传统的清洗技术已无法满足现代生活的需要。清洗机器人的出现为解决这些问题带来了曙光,它作为一种代替人在高空进行幕墙清洗作业的自动化装置,能降低人工作业风险和操作成本,提高工作效率。目前,高楼玻璃幕墙清洗机器人在我国还属于起步阶段,研究还只是应用在实验室阶段,技术还有待成熟。由于清洗机器人在国内应用前景十分广阔,因此,尽快研制出一种能真正投入实际应用的清洗机器人就显得十分必要。不管起步多么艰难,清洗机器人正在逐步的切入市场。相信不久的将来智能机器人将取代人力成为高空作业的主力军。
本文所介绍的智能机器人与传统爬壁机器人相比有几项突出创新点：
（1）市场准入门槛低
（2）机器人整体架构采用有机玻璃来搭建，解决了传统机械攀爬机器人自重较大吸附力不足的问题，便于安装其他硬件设备，实现气压吸盘所提供承重力的使用最大化
（3）搭载摄像头，增加视觉信息捕捉与处理，使其功能更全面化，整体更智能化
（4）搭配机械臂和步进电机，摆脱了传统高空类擦窗机器人只能进行局部清洁的局限性。
二、具体设计方案与技术路线
1.项目的设计方案和方法
本次设计项目主要分为两部分，分别是组装硬件结构和搭建完整的软件系统。
一、首先，机器人基本构架为十字形，材料为有机玻璃，以十字形为基底搭建一个全气动框架式的主体结构，再在此基础上安装其他硬件结构。硬件结构主要分为运动结构和工作结构两部分，运动结构由主体构架和气缸的配合来实现，通过控制气缸的伸缩推动位于主体结构中部的滑块来实现每个方向上的位移，由每个机器人的八个吸盘（横向纵向各四个，如图1所示标号为1-8）提供吸力，通过不同吸盘的吸附间隔搭配气缸的交替收缩实现整个结构的运动。本设计的自动避障功能的实现是利用一个超声波传感器来实现。 工作结构搭载在运动结构上，主要由摄像头，机械臂和电机组成，通过各个硬件相互之间的配合来完成预期工作。
在硬件的选择中最重要的无疑是嵌入式系统的选择，本项目选择NI公司的myRIO作为嵌入式系统。其主要特点如下：
（1）易于上手使用：引导性的安装和启动界面可使学生更快地熟悉操作。
（2）安全性：直流供电，根据学生的用户特点增设了特别保护电路。
（3）便携性：所有的芯片都集中在一个封闭的匣子里。
（4）编程开发简单：支持用LabVIEW或C/C++对ARM进行编程，LabVIEW中包含大量现成算法函数。
二、其次，本项目选择LabVIEW作为机器人的软件平台,其全称为实验室虚拟仪器工程平台，是由NI公司开发的图形化程序编译平台，采用图形化编程方式。
其优点很多，如：
1）图形编程的方式提供了很多控件，包括输入控件和输出控件，方便用户创建界面。
2）LabVIEW的函数库包括采集数据、通信协议、数据处理及分析、数据显示、数据记录及控制等为用户开发程序节省了时间。
本项目使用LabVIEW作为开发平台是基于其强大的测量功能和完善的机器视觉工具包方面考虑的，在这些视觉工具包的基础上再开发机器视觉应用程序就容易多了，并且它有着良好的交互界面和实时显示功能。
最后通过软硬件的配合搭建一个完整的系统，再通过实验发现存在的问题并加以改进，使其最终能实现预期功能。
三、机器人主要运动方式如下：
图1.机器人主体结构图
图2. 3D模式下的机器人主体结构图
文字说明：（以下标号均对应图1中的相应结构）
①向上运动：
(1)由摄像头进行视觉引导，避免机器人碰撞到突出异物或移动到凹陷处。
(2)5,6,7,8号吸盘解除吸力，1,2，3,4号吸盘吸附，打开Y方向气缸开关，然后5,6,7,8号吸盘固定，1,2,3,4号吸盘解除固定，关闭Y方向气缸开关，实现向上运动.
向下运动：与向上运动同理（整体旋转后）
②向左运动：
(1)由摄像头进行视觉引导，避免机器人碰撞到突出异物或移动到凹陷处。
(2)1,2,3,4号吸盘解除吸力，5,6,7,8号吸盘吸附，打开X方向气缸开关，然后1,2,3,4号吸盘固定，5,6,7,8号吸盘解除固定，关闭方向气缸开关，实现向上运动.
向右运动：与向左运动同理（整体旋转后）
③机器人转向：
9号吸盘吸附，1、2、3、4、5、6、7、8号吸盘解除吸力，旋转电机工作，使机器人旋转180°，1、2、3、4、5、6、7、8号吸盘吸附，9号吸盘解除吸力，稳定机器人。
2.技术路线
（1）用有机玻璃代替传统爬墙机器人的技术架构减轻自重，进而增加可使用的硬件设备。
（2）用LabVIEW编程通过myRIO实现机器人的运动和工作。
（3）采用超声波传感器测距实现自主避障。
（4）通过摄像头进行图像的捕获。
参考文献：
[1]谢浩. 多足爬墙机器人运动控制及步态规划研究[D]. 华南理工大学, 2015.
[2]魏武, 李金龙, 任回兴. 基于吸盘负压吸附的六足爬墙机器人关节转矩优化分配[J]. 中国机械工程, 2013, 24(10):1289-1295.
[3]高玮玮, 陈再良, 宦洪才. 基于气压传动原理五足式爬墙机器人的设计与制作[J]. 苏州大学学报(工科版), 2006, 26(4):21-23.
[4]段峰, 王耀南, 雷晓峰,等. 机器视觉技术及其应用综述[J]. 自动化博览, 2002, 19(3):59-61.
[5]陈沛富. 高楼玻璃幕墙清洗机器人设计研究[D]. 重庆大学, 2006.