墻壁清理機(jī)器人

墻壁清理機(jī)器人:角落清理的移動(dòng)裝置的方案T.Miyake,H.Ishihara著黃昌顯譯摘要：本次研究的目的是為了開發(fā)一種用于清洗一個(gè)大玻璃窗（如清洗一個(gè)展覽窗）的機(jī)器人。為了使此機(jī)器人能用于現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，需要以下幾個(gè)要求：能夠清洗窗戶的角落，因?yàn)槲酃附?jīng)常殘留在那里。能夠連續(xù)地清掃玻璃窗，防止條紋圖案留在玻璃窗上。該機(jī)械裝置的關(guān)鍵是圍繞其他部分移動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)和連續(xù)的運(yùn)動(dòng)能達(dá)到上述的要求。前者使得機(jī)器人在窗戶的角落可以改變方向，以保持其位置和角度的適中。后者對(duì)于預(yù)防在窗戶玻璃上留下條紋圖案是必須的。我們?cè)O(shè)計(jì)通過(guò)兩個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到連續(xù)的運(yùn)動(dòng)以及通過(guò)利用吸盤吸附在玻璃窗上。機(jī)器人原型的尺寸大約是300毫米X300毫米X100毫米，沒有電池的時(shí)候重量約為兩公斤。這個(gè)原型在垂直光滑的窗戶玻璃上的基本實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，垂直方向向上的移動(dòng)速度為0.08米/秒，垂直向下的移動(dòng)速度是0.14米/秒，水平方向移動(dòng)速度為0.11米/秒。這篇文章的第一章提到了研究的背景和此次研究的目標(biāo)，以及介紹墻上清理機(jī)器人的概念。第二章討論了附著和運(yùn)行的機(jī)械裝置。第三章在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上論述了其基本特性。最后，在第四章當(dāng)中討論了未來(lái)的工程與難題。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)，機(jī)器人1刖言最近，我們對(duì)于建筑物外部表面的自動(dòng)清洗有許多要求。一些特制的窗口清洗機(jī)已經(jīng)被安裝應(yīng)用于建筑物保養(yǎng)領(lǐng)域的實(shí)際當(dāng)中。然而，從一開始它們幾乎都是安裝在建筑物當(dāng)中，而且他們需要非常昂貴的費(fèi)用。因此，在建筑維修領(lǐng)域當(dāng)中，要求體積小、重量輕、便攜式窗口清潔機(jī)器人也正在發(fā)展。清潔公司對(duì)窗戶清潔機(jī)器人需求的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究結(jié)果表明，為了使窗戶清潔機(jī)器人用于實(shí)際當(dāng)中，需要滿足以下幾點(diǎn)：為了便于攜帶，它的尺寸應(yīng)當(dāng)小，重量應(yīng)當(dāng)輕。能夠清潔窗戶的角落，因?yàn)槟抢锿z留污垢。能連續(xù)地清掃玻璃窗，防止條紋圖案留在玻璃窗上。該移動(dòng)裝置的選擇必須滿足這些要求，尤其是后兩項(xiàng)。這個(gè)移動(dòng)裝置是由粘吸機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和方向改變機(jī)構(gòu)組合而成。各種各樣運(yùn)動(dòng)機(jī)制的爬墻機(jī)器人的研究已經(jīng)被報(bào)道。然而他們不完全符合以上三點(diǎn)。例如，通過(guò)用腳行走的爬壁機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)行走，而且它的轉(zhuǎn)彎能力低。我們專注于應(yīng)用于單一窗口的清潔機(jī)器人。為了能再任何窗口上使用，跨越窗框或者窗口鏈接處顯然是必要的，但是正如一個(gè)展覽窗戶的單窗玻璃上也可作為一種重要的應(yīng)用。根據(jù)上述考慮，我們采用兩個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)和一個(gè)粘附的吸盤機(jī)構(gòu)，本文主要論述了這個(gè)機(jī)構(gòu)和功能尤其，在清洗角落窗口的功能。首先要求按以下說(shuō)明來(lái)設(shè)計(jì)窗戶保潔機(jī)器人。一體重:5公斤，包括電池和洗滌水，一大小:300毫米X300毫米X100毫米。這些也是按保潔公司調(diào)查結(jié)果的要求定義的。本文提出的體積小、重量輕、便攜式窗戶清潔機(jī)器人的名字叫墻壁清理器正如前面提到的，它被設(shè)計(jì)來(lái)滿足市場(chǎng)的需求。該文章提議這個(gè)尺寸小，重量輕，便于攜帶的，為了滿足上述市場(chǎng)要求而設(shè)計(jì)窗口清潔機(jī)器人取名叫WallWalker。WallWalker附著在玻璃窗上，在大玻璃窗上一邊運(yùn)動(dòng)一邊清洗。本文章論述了清潔器運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置的效果。第二章討論了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)裝置，并插圖說(shuō)明了樣機(jī)測(cè)試所提出的移動(dòng)機(jī)理。第三章在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上論述了其基本的性能。圖1.墻上一個(gè)小型窗口清潔機(jī)器人2移動(dòng)裝置各種不同的運(yùn)動(dòng)裝置的窗戶清潔機(jī)器人的研究成果曾被報(bào)告過(guò)。然而他們不滿足我

們基于以上市場(chǎng)需求而規(guī)定技術(shù)條件。例如，通過(guò)用腳行走的爬壁機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)行走，而且它的轉(zhuǎn)彎能力低。爬壁機(jī)器人爬行機(jī)制允許連續(xù)運(yùn)動(dòng)，但其旋轉(zhuǎn)能力和其行走能力一樣低，甚至低于行走能力。爬行機(jī)制的窗戶清潔機(jī)器人已經(jīng)被Shraft等人發(fā)展成熟（尺寸:440X400X180毫米，重量:6.5公斤，最高速度2厘米/秒）。它為了改變行駛方向，必須要自行的爬行和旋轉(zhuǎn)。該機(jī)制需要強(qiáng)勁的吸附力量去支持整個(gè)系統(tǒng)的在垂直面同時(shí)抬起移動(dòng)裝置，這也需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)完成這個(gè)改變方向的過(guò)程。行走和爬行機(jī)制都需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此很難減輕重量和縮小尺寸。根據(jù)這些考慮，我們采用兩個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)和一個(gè)粘附的吸盤機(jī)構(gòu)。圖二顯示W(wǎng)allWalker的概念結(jié)構(gòu)，其中包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、一個(gè)吸盤放入機(jī)器人的中心，一個(gè)空氣調(diào)節(jié)器、一個(gè)小真空泵、CleanerVacuumPumpand

AirRegulatorCleaner圖2.小型窗口的清潔機(jī)器人概觀一些電子電路和打掃設(shè)備。本章的內(nèi)容涉及具體的結(jié)構(gòu)測(cè)試的原型設(shè)計(jì)和機(jī)制。2.1運(yùn)行機(jī)構(gòu)Wallwalker通過(guò)兩輪與打孔表面吸盤在窗玻璃上移動(dòng)。該機(jī)械裝置最重要的是吸盤的摩擦系數(shù)和輪胎能緊緊貼在玻璃表面，例如輪胎和窗口表面之間的高摩擦力能傳遞力矩。吸盤和窗戶表面之間的低摩擦力，它實(shí)現(xiàn)整機(jī)保持在窗子上移動(dòng)機(jī)器人。我們選了聚四氟乙烯作為吸盤的表面材料，和硅橡膠作為輪胎的材料。2.2轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向裝置是一個(gè)清潔窗戶角落的關(guān)鍵。圖3鏡頭展示了機(jī)器人的在角落改變它的運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)景。圖3(a)顯示了一個(gè)平常的轉(zhuǎn)彎方式如汽車的轉(zhuǎn)彎。在這個(gè)情況，由于機(jī)器人改變方向如同描繪一條弧線一樣，所以它達(dá)不到窗口的角落盡頭。這樣的機(jī)器人需要如下的復(fù)雜過(guò)程，去達(dá)到窗戶的角落：第一，機(jī)器人進(jìn)入一個(gè)角落，其次它移動(dòng)回原來(lái)的距離，然后它像畫弧線一樣改變方向。如果機(jī)器人可以如圖3(b)所示在角落盡頭改變它的方向，機(jī)器人就能夠輕易快速地清潔每一個(gè)角落。圓形機(jī)器人很容易可以在墻角轉(zhuǎn)彎，但它不能達(dá)到角落盡頭。另一方面，一個(gè)方形的機(jī)器人可以清潔角落，但從不將自己轉(zhuǎn)向。為了得到如圖3(b)所示的改變方向的功能，如圖2所示我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)連接在中心軸處的移動(dòng)平臺(tái)和清洗部分的機(jī)構(gòu)。所推薦的機(jī)械裝置由一個(gè)支持的部分，一個(gè)清潔部分和移動(dòng)部分組成。支持的部分是由被聚四氟乙烯覆蓋的吸盤和真空泵構(gòu)成。清潔的部分固定在支持的部分上。移動(dòng)的部分用兩輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該部分與支持部分的中心軸用懸架彈簧連接。(a)常規(guī)的傳動(dòng)策略(b)新的轉(zhuǎn)向策略，這樣可以清潔到角落圖3.在一個(gè)窗口角落的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)2.3懸掛的裝置用足夠產(chǎn)生摩擦力來(lái)移動(dòng)機(jī)器本身的力按輪胎使其貼緊支持表面是非常重要的。因?yàn)槲P在真空的條件下改變其自身形狀，如同真空狀態(tài)，致使其最初無(wú)法計(jì)算機(jī)器人靠在附著表面的姿態(tài)。也就是說(shuō)，輪胎推在附著平面上的力必須對(duì)附著力是可調(diào)節(jié)的。WallWalker的彈簧懸架被看作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。他們被安裝在移動(dòng)部分和支撐部分之間，而且能夠使輪胎以一個(gè)合適的力接觸附著面并使之產(chǎn)生摩擦。2.4移動(dòng)裝置的原型圖4的照片展示了被推薦的用于實(shí)驗(yàn)的原型機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置圖片。這個(gè)原型的尺寸大約是300毫米X300毫米X100毫米，其重量不含電池大約兩公斤。其底盤是由正方形的鋁合金制成，其內(nèi)部是被掏空，用來(lái)放能夠改變移動(dòng)方向的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部分。這包含兩個(gè)直流電機(jī)、懸掛機(jī)制、真空泵（-23千帕）和直徑是150毫米吸盤，空氣調(diào)節(jié)器和一些電子電路。這個(gè)機(jī)器人目前是通過(guò)電纜從外部控制的，其電力能源也由一個(gè)電源插排提供的。圖4.成熟的樣機(jī)3實(shí)驗(yàn)結(jié)果起初，基本性質(zhì)已經(jīng)在垂直光滑的玻璃窗上測(cè)試過(guò)了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上升方向的移動(dòng)速度是0.08米/秒，下降方向是0.14米/秒和水平方向0.11米/秒（圖5）。同時(shí)，機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中能夠保持身體在窗戶上的穩(wěn)定移動(dòng)而不跌倒。這些結(jié)果證實(shí)了其基本性能滿足基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所定義的性能規(guī)范。接下來(lái)，旋轉(zhuǎn)原型機(jī)在窗戶角落里的工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)。圖6展示了原型機(jī)利用論文所提到的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在拐角處轉(zhuǎn)彎的連續(xù)照片。正如這些照片所顯示的那樣，我們已經(jīng)證實(shí)了該模型可以順利改變它的移動(dòng)方向。

(a)原型機(jī)爬窗戶(a)原型機(jī)爬窗戶(b)原型機(jī)的背面圖5.原型機(jī)的機(jī)動(dòng)性測(cè)量圖6.原型機(jī)在窗戶角落里的旋轉(zhuǎn)測(cè)試4結(jié)論提議中的WallWalker提供了在垂直窗玻璃上的連續(xù)移動(dòng)以及在窗戶拐角處改變自身運(yùn)動(dòng)方向方案，該機(jī)器人專為清掃窗戶死角而設(shè)計(jì)的。為了驗(yàn)證上述原型機(jī)的基本性質(zhì)能，我們對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。這些結(jié)果證明了該原型機(jī)滿足了第一章中所提到的基本要求。下一步將是對(duì)設(shè)施的控制系統(tǒng)及清洗單位的發(fā)展。傳感器，例如傳感器的姿態(tài)，陀螺傳感器等，將被安裝好以及控制方案都將會(huì)得到發(fā)展。最后將對(duì)清潔單元的清潔能力進(jìn)行測(cè)試。致謝這項(xiàng)研究是由Nankai-Ikueikai和Takamatsu,Japan基金會(huì)支持的。在此我們非常感謝他們的支持和鼓勵(lì)。WallWalker:ProposalofLocomotionMechanismCleaningEvenattheCornerT.Miyakel2andH.Ishihara1KagawaUniv.JapanMIRAIKIKAIInc.JapanAbstract.Thepurposeofthisresearchistodevelopthewindowcleaningrobotforcleaningasinglelargewindowpanesuchasashowwindow.Itrequiresthefollowingdemandstoapplythewindowcleaningrobotforthepracticaluse:Cleanthecornerofwindowbecausefoulingisleftthereoften.Sweepthewindowpanecontinuouslytopreventmakingstripedpatternsonwindowpane.Thekeysofmechanismsaretherotationabilityofthemobilepartaroundtheotherpartsandthecontinuouslocomotioninordertoachievetheabovepoints.Theformerenablestherobottochangethedirectionwithkeepingitspositionandattitudeatthecornerofwindow.Thelatterisnecessaryforpreventingleavingthestripedpatternonthewindowpane.Wedesignedthecontinuousmotionusingtwo-wheellocomotionandadheringonthewindowpaneusingasuctioncup.Thesizeofprototypeisabout300mmX300mmX100mmanditsweightisabout2kgwithoutbatteries.Astheresultsofbasicexperimentsoftheprototypeonaverticalsmoothwindowglass,travelingvelocityofgoingupdirectionwas0.08m/s,travelingvelocityofgoingdowndirectionwas0.14m/sandhorizontaldirectionwas0.11m/s.Inthispaperthe1stchaptermentionsbackgroundandobjectivesofthisresearchandalsointroducestheconceptofWallWalker.The2ndchapterdiscussestheadheringandmovingmechanism.The3rdchapterillustratesitsbasicpropertiesbasedontheexperiments.Finally,problemsandfutureworksarediscussedinthe4thchapter.IntroductionRecently,wehavehadmanyrequestsfortheautomaticcleaningofoutsidesurfaceofbuildings.Somecustomizedwindowcleaningmachineshavealreadybeeninstalledintothepracticaluseinthefieldofbuildingmaintenance.However,almostofthemaremountedonthebuildingfromthebeginningandtheyneedsveryexpensivecosts.Therefore,requirementsforsmall,lightweightandportablewindowcleaningrobotarealsogrowinginthefieldofbuildingmaintenance.Astheresultsofsurveyingtherequirementsforthewindowcleaningrobotbythefieldresearchwiththecleaningcompanies,thefollowingpointsarenecessaryforprovidingthewindowcleaningrobotforpracticaluse:Itshouldbesmallsizeandlightweightforcarriedbyonepersontoeverywhere.Cleanthecornerofwindowbecausefoulingisleftthereoften.Sweepthewindowpanecontinuouslytopreventmakingstripedpatternonawindowpane.Thelocomotionmechanismmustbechosentosatisfythesedemands,especiallylatertwosubjects.Herelocomotionmechanismmeansthecombinationofadheringmechanism,travelingmechanismandamechanismforchangingtravelingdirection.Variousresearchesoflocomotionmechanismsonwallclimbingrobotshavebeenreported[1-5].Howevertheydonotadapttoabovethreepointscompletely.Forexample,climbingrobotbylegged-wallwalkingcannotrealizethecontinuousmovement,andalsoitsturn-abilityislow[6].Wefocusedontheapplicationofthewindowcleaningrobotonasinglewindowpane.Itisapparentlynecessarytocrossoverthewindowframeorjointlinetouseitatanywindow,butthesinglewindowpaneslikeasashowwindowalsoexistasanimportantapplication.Accordingtosuchconsiderations,weadoptedthetwo-wheellocomotionmechanismwithadheringbyasuctioncup.Thispapermainlydealswiththismechanismandfunctionsspecializedincleaningthecornerofwindow.Firstrequirementbroughtthefollowingspecificationsfordesigningthewindowcleaningrobot.-Weight:5kg,includingtheweightofbatteryandwashingwater,-Size:300mmX300mmX100mm.Thesearealsodefinedbytheresultsofsurveyingthedemandsfromthecleaningcompanies.Thispaperproposesthesmall,lightandportablewindowcleaningrobotnamedWallWalker,whicharedesignedtosatisfythemarketdemandsasmentionedabove.Figure1istherenderingatasceneofpracticaluseofWallWalker.TheWallWalkerisadheringonawindowpaneandcleaningasmovingonlargewindows.Thispaperdiscussestheeffectivenessofproposedlocomotionmechanism.The2ndchapterdiscussesthelocomotionmechanismsandillustratestheprototypefortestingtheproposedlocomotionmechanism.The3rdchapterillustratesitsbasicpropertiesbasedontheexperiments.Fig.1.Small-sizewindowcleaningrobotonawindowLocomotionMechanismVariousresearchesoflocomotionmechanismsonthewindowclecaningrobotshavebeenreported.Howevertheydonotmeetourspecificationsdefinedbasedonthemarketdemandsabove-mentioned.Forexample,climbingrobotbylegged-walkcannotrealizethecontinuousmovement,andalsoitsturn-abilityislow[6].Climbingrobotusingcrawlermechanismallowscontinuousmovement,buttherotatabilityisaslowasorlowerthantheleggedwalk[7].Windowcleaningrobotbycrawlermechanismhadbeendeveloped(Size:44^400X180mmWeight:6.5kgmaximumspeed2cm/sec)byShraftetal.[8].Itmustbringitsowncrawlerupfromtheadheringsurfaceandrotateitinordertochangeitstravelingdirection.Thismechanismneedsstrongadheringforcetoholdthewholesystemontheverticalplanewithliftingthemobilemechanism,andalsoittakesalongtimetofinishtheprocessofchangingitsfront.BothofLegged-WalkandCrawlermechanismneedthecomplicatedstructures,andthereforeitisdifficulttolightenanddownsizeit.Accordingtosuchconsiderations,weadoptedthetwo-wheellocomotionmechanismwithadheringbysuctioncup.Figure2showsconceptualstructureofWallWalker,whichincludestwodrivingwheels,asuctioncupputinthecenterofrobot,anairregulator,asmallvacuumpump,someelectroniccircuitsandsomecleaningunits.Thischapterdealswiththedetailsofstructuresandtheprototypedesignedfortestingtheproposedmechanism.TravelingMechanismWallWalkermovesonwindowpanebytwowheelswithholingthebodyonthesurfaceusingasuctioncup.ThemostimportantpointinthemechanismisCoverFig.2.Overviewofsmall-sizewindowcleaningrobotthefrictioncoefficientofsuctioncupandtireagainsttheadheringsurface,e.g.highfrictionbetweenthetireandthesurfaceofwindowtransmitsthetorque,andlowfrictionbetweenthesuctioncupandthesurfaceofwindow.Itachievestomovetherobotwithholdingthebodyonthewindow.WeselectedPTFE(Polytetrafluoroethylene)forthematerialsofsurfaceofasuctioncup,andsiliconrubberforthematerialoftires.TurningMechanismTurningmechanismisakeytocleanevenatthecornerofwindow.Figureshowsthescenesthattherobotchangesitstravelingdirectionatthecorner.Figure3(a)showsausualturningwaylikeasturningofmotorcars.Inthiscase,sincetherobotchangesadirectionastracinganarc,itcannotreachtheendofcornerofwindow.Itneedsthecomplicatedprocessasfollowstocleanthecornerbysuchrobot:first,therobotgoesintoacorner,nextitmovesbackthedistancetoturn,thenitchangesitsdirectionastracinganarc.IncasethattherobotcanchangeitsdirectionattheendofcornerasshowninFig.3(b),therobotcancleanacornereasilyandrapidly.Round-shaperobotiseasilyabletoturnatthecorner,butitunabletoreachtheendofcorner.Ontheotherhand,aquadrangularrobotcancleantotheendofcorner,butneverturnitselfthere.TogetafunctiontochangedirectionasshowninFig.3(b),wedesignedthemechanismthatamobileunitandacleaningpartarerotatablyconnectedatthecentershaftasshowninFig.2.Proposedmechanismconsistsofanadheringpart,acleaningpartandamobilepart.TheadheringpartisconstructedofasuctioncupcoveredwithPTFEandavacuumpump.The(a)Conventionalturningstrategy(b)Novelturningstrategy,whichenablestocleanacornerFig.3.TurningmechanismatawindowCornercleaningpartisfixedtotheadheringpart.Themobilepartusestwo-wheeldrivingmechanismandisconnectedtothecentershaftoftheadheringpartwithsuspensionsprings.SuspensionMechanismItisveryimportanttopressthetiresontheadheringsurfacewiththeforceenoughtogeneratethefrictiontomoveitself.Becausethesuctioncupdeformsitsownshapebytheconditionofvacuumsuchasavacuumpressure,itisimpossibletocalculatethepostureofrobotagainsttheadheringsurfaceinitially.Thatis,theforcethatthetireispushedontheadheringplanemustbeadjustabletotheadheringforce.WallWalkerisintroducedsuspensionspringsintoasanadjustingmechanism.Theyareplacedbetweenthemobilepartandtheadheringpart,andenabletotouchthetiresontheadheringplanewithasuitableforceforthegeneratingthefriction.PrototypeofLocomotionMechanismFigure4showsthephotographofprototypedevelopedtotesttheproposedturningmechanism.Thesizeofprototypeisabout300mmX300mmX100mmanditsweightisabout2kgwithoutbatteries.Thechassisthatismadeofaluminumalloyisformedsquare,anditsinnerareaishollowedtorotatemobilepartatchangingtravelingdirection.ThiscontainstwoDCmotors,suspensionmechanism,avacuumpump(23KPa)asuctioncupwhichdiameteris150mm,anairregulatorandsomeelectroniccircuits.Thisrobotiscurrentlycontrolledfromoutsideviacablesandelectricenergyisalsosuppliedbyapowerstrip.Fig.4.DevelopedprototypeExperimentalResultsAtfirstthebasicpropertiesonaverticalsmoothwindowglasshavebeentested.Astheexperimentalresults,travelingspeedofgoingupdirectionwas0.08m/s,oneofgoingdowndirectionwas0.14m/sandhorizontaldirectionwas0.11m/s(Fig.5).Also,therobotkeptitsbodyonthewindowstably