机器人在清洗设备的应用

张景亮

摘要：清洗机器人属于一种特殊的智能服务机器人，一般工作在非结构化的环境之中，作业对象是附着或者粘附在物体表面的污垢、污泥等有害、较难清洗的物质。本文讨论了清洗机器人的组成、分类及特点，系统综述了国内外清洗机器人的研究开发现状及其关键技术，指出了未来清洗机器人的研究方向。

关键词：机器人；清洗设备；应用

1清洗机器人组成、分类及特点

清洗机器人一般由本体吸附或移动机构、驱动控制机构和清洗作业机构组成。清洗机器人必须具备3大机能，即吸附机能、移动机能和清洗机能。一般来讲，清洗机器人的吸附方式有:真空吸附、磁吸附和推力吸附3类;移动方式有:车轮式、履带式、多层框架式和腿足式4类;清洗方式有:超声波清洗、激光清洗、水射流清洗、等离子清洗和机械力清洗等4类。每一种形式的清洗机器人都各有其特点，分别适用于不同的场合，选用时需根据具体的使用条件进行不同的选择。

按应用领域可分为家用清洗机器人和工业清洗机器人。按工作环境和应用场所，清洗机器人又可分为爬壁清洗机器人、管道清洗机器人、液下清洗机器人、地面清洗机器人、缆索清洗机器人、油罐清洗机器人等。

清洗机器人按行走方式可分为轮式、履带式、步行式和蠕动式等。按外形特点可分为仿人机器人和仿生机器人等。按研发和应用层次，清洗机器人又可分为科研模型、工业样品以及商业产品。从技术的角度看，三者的区别在于是否真实存在以及是否得到证实和应用。

清洗机器人具有以下的特点:

1)作业对象成分复杂，粘附力较强，一般不易清洗，人工较难完成。

2)作业环境状况各异，多属危险、有毒或者不安全环境。

3)清洗机器人要清洗整个作业环境，具有遍历性。

4)清洗的洁净度较难把握，智能水平要求高。

5)作业场所回转余地较小，对机器人的运动灵活性要求高。

6)清洗方式和清洗液的选择必须与作业环境和清洗对象相统一。

7)个别清洗对象，属易燃易爆物质，对机器人的防爆性能要求较高。

2关键技术

2.1吸附和移动

许多爬壁清洗机器人在作业和行走过程中需要实现吸附在被清洗物表面的同时自由移动，常见吸附方式的有真空吸附和磁吸附。磁吸附不需要外加的动力，吸附力持久，在金属物的表面可以稳定的吸附，常用在飞机、船舶、油罐等大型金属工业设备;真空吸附需要外加的负压吸附力，而且容易因为吸附表面的不平整而漏气失去吸附力，常用在平整的墙面、玻璃等设施。

如何使机器人在移动过程中保持较好的吸附效果、工作姿态和安全性是爬壁清洗机器人的关键技术所在，目前主要采用交替吸附或者相对移动的方式来实现。一种用于壁面清洗机器人，采用真空吸附和履带式移动的方式，4个履带轮的牵引机构保证机器人的移动，8个真空吸附腔室可以根据移动方向交替作用，确保机器人稳固地吸附在玻璃表面。一种高空建筑物玻璃清洗机器人，机器人含有一个悬垂的滑行棒，一对夹持的抽吸滚筒固定在夹持臂的末端，一个滑行橡胶滚轴装置对玻璃进行清洗，夹持的抽吸滚筒既可以使机器人通过相对滑动在玻璃框架内上下移动，也可以产生抽吸力。

2.2清洗技术

为适用不同的清洗目标，达到不同的清洗效果，清洗技术和作业方式有所不同，主要有抽吸式、刷洗式和喷射式，也有少数刮擦和推铲式。抽吸式机器人主要利用负压或真空产生的吸力，将污物或者垃圾收集到储物单元;刷洗式机器人主要利用旋转的盘刷或滚刷附带清水或者洗涤剂对被清洗物进行刷洗;喷射式机器人主要利用高压的射流对污物进行冲洗和打散。

为达到较好的清洗效果，一种清洗机器人通常集成几种清洗技术。一种轮式地板清洗机器人，底部设置有清洗滚刷，中部设置有抽吸机构，还包括收集地板上垃圾和杂物的收集箱、过滤单元、抽吸管道等，可以实现对室内地板的快速清扫。

2.3传感技术

传感器用来感知机器人的工作环境。比较重要的传感技术和设备有:用于避障的红外传感器和超声波传感器等、用于感知周围环境的温度传感器和压力传感器等、用于缓冲的触觉传感器等、GPS、激光雷达等。视觉传感技术对机器人的定位和导航非常重要。激光测距仪(也被称为雷达或者雷达扫描仪)可以用来估算机器人与障碍物的距离，但其在污浊、雨水或雪天的环境下敏感性不强。一种轻型、紧凑和低功率的扫描仪，用来导航和构建三维地图。超声波传感器通常用于室内环境感测周围物体，利用持续传送频率模块的超声波传感器成功地在一个公园中进行机器人路径的导航。红外传感器可以感知人体辐射的热量，这种热量波长较长、频率较小，通常用于探测人类的存在。

2.4定位

定位涉及到机器人位姿的感知和计算，实际上，许多传感器被用来感测和决定机器人的位姿，例如光纤陀螺和车轮编码器等。最基本的定位技术是GPS，也可以融合传感器和INS(Inertial Navigation Systems)此外还有测距和罗盘测量。INS集成了加速计和陀螺仪，不需要内部的传感数据就可以提供机器人的相对转动和移动。测距广泛应用于室内机器人，通过运动学方程中方向和位置量的改变来转变移动角度和车轮旋转。罗盘测量与机器人相关的磁性地标的方向，可以估算机器人头部的方向，典型的是陀螺仪和回转仪。

2.5导航和路径规划

移动清洗机器人通常工作在一个未知结构和布置的空间中，因此导航和路径规划是清洗机器人顺利高效完成工作的关键技术，也是机器人自动化与智能化的体现。合理的导航和路径规划可以使机器人不至于陷入死角，实现移动清洗路径的最优化和对清洗领域的全局清洗。常用方法有:带自动避障的随机路径、轮廓轨迹跟踪记录、结合随机路径的硬件编码动作模式和基于网格的在线规划等。这些方法需要各种内部和外部传感来感测机器人位姿以及周围的环境。

借助多向CCD摄像头和激光二极管等组件组成的视觉传感系统实现清洗机器人的探障与避障，利用全局覆盖路径的算法和控制系统实现对墙壁的全面清洗。基于神经网络的防死角全局覆盖路径规划算法可以使协同清洗机器人工作在未知和变化的环境中，在神经网络组织中的神经元动力学方程由神经网络方程组来确定，每个机器人作为其他机器人的移动障碍物，机器人的路径由神经网络、自身定位和其他机器人定位自动形成，算法可以高效计算并防止出现清洗死角。

一种自动路径规划的方法，利用典型的动作模式构建路径，动作模式由真实的清洗机器人和环境产生，包括初始化位置、路径计算和对位置环境的感测，利用防死角和地标定位系统的数据形成路径，如果有未知障碍破坏路径，则自动重新形成可行的清洗路径。利用三角配置单元地图进行清洗机器人的全局覆盖导航，该方法相对矩形配置单元地图可以使机器人有更多的导航方向，使路径更短和更有可行性，机器人不需要感测未知环境的信息就可以找到未覆盖的区域和自身位置，实现全局覆盖路径导航清洗。

将选择性激活的外部超声波系统用于室内移动机器人的自主导航，该系统包括安装在外部参考坐标的一些超声波发射器和安装在移动机器人上的两个接收器，通过无线电频道激活发射器，机器人就能获得自身位置与外部参考坐标的距离信息，选择性激活算法可以提高效率，根据机器人的当前位置选择有效的发射器进行激活，形成有效的超声波数据，实现机器人快速精确地定位与导航。

3结束语

综上所述，清洗机器人逐渐服务于人们日常生活的方方面面，并带来了巨大的社会效益和经济效益。清洗机器人融合了移动机器人和清洗技术，成为服务机器人领域中的一种新型高技术产品，具有良好的市场前景，近年来正逐步成为一个新的研究热点。

参考文献：

[1]巩玉滨，陈继文，范文利，等．油烟管道清洗机器人设计［J］．组合机床与自动化加工技术，2011，(10):84-89

[2]赵启超.玻璃幕墙清洗机器人的设计与研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017．