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终结“蜘蛛人”,朴蜂历时9年研发智能外墙清洗机器人ispider

2016-04-07 11:14:19      点击:

走在大街上,偶尔能看到挂在墙上清洗建筑外墙的 “蜘蛛人” 们,不禁要为他们的安全担忧。清洗建筑外墙玻璃这个看似不复杂又危险的工作,多年以来却始终没有被机器代替。智能外墙清洗机器人 ispider 或许能够改变这一情况。它由厦门朴蜂科技历时 9年 研制,目前样机的功能论证已经完成,正进行量产前准备。

ispider 能够模仿 “蜘蛛人” 的清洗流程,对大多数建筑外墙进行自动清洗。它体积和一个中学生接近,由设置在楼顶的可移动卷扬机构,通过钢丝绳牵引,对大楼外墙面进行清洗。这样一个人挂着水桶,拴根绳子,拿着抹布和刮水器就能完成的工作看似简单,然而朴蜂科技创始人张华龙告诉 36 氪,实际要远比想象中困难的多,这也是他们历时 9年 才完成研制的主要原因。具体里面的困难主要有几个方面:

首先,就是要能够识别不同的墙面,采取不同的清洗方案。为此,ipsider 使用了机器视觉技术,在室外光照、温度和识别背景高度复杂的情形下,通过特殊的算法及高速并行处理方式,对墙面的材质变化进行识别,提供不同的清洗方案。同时对外墙框架线条的变化进行精细尺寸测量,确保清洗机械臂对高低不同的墙面能够进行全面地类似人工流程的清洗。

其次,还要保证姿态稳定。机器人在空中工作时,即有来自各个方向的风或其它干扰,又有工作过程中动作反作用力产生的姿态偏移,ispider 的控制系统需要要在这些条件下,保证系统平稳地工作。因此 ispider 采用了类似无人机控系统的控制算法,对姿态和位置进行控制。张华龙也因此把 ispider 称作 “半飞行器”。

ispider 的控制系统由 10 个 CPU 组成神经元系统,以最快 200HZ 的反应速度,管理触觉,姿态,方向,速度,风压,识别等 50 多个传感器,以及 40 多个实行清洗和姿态控制的微型数字电机。在控制系统的保证下,ispider 可以像壁虎一样牢靠地吸附在墙面工作,也能像飞行器一样在强风中保持自身的姿态和安全。

此外,还要能够攀爬和越障。建筑外墙很多时候会有各种障碍,如窗台窗框等,机器人需要能够识别并越过这些障碍。ispider 依靠毛刷和刮雨器工作臂交替伸缩落地,实现了攀爬并同时清洗窗框窗台等障碍物。与飞行器类似的姿态控制系统让 ispider 可以以飞行的方式跨过障碍。攀爬和越障使得 ispider 可以清洗目前 90%以上的建筑外墙面。个别特殊墙面,朴蜂采用定制配件的方式解决。

最后,要小型和轻量化。现场人工可轻易搬动的小型轻量化系统是实用性的首要选择。为了实现小型和轻量化,朴蜂使用了多方面的技术:

  • 参照航空飞行器进行结构设计,使用 “翼盒” 结构,尽可能减轻重量。
  • 为了避免附带庞大的支撑管线,使用了储能 / 重量比高的磷酸锂铁电池,可以使机器连续工作 180 米。
  • 合计 30 余个电机,全部采用了体积小的数字化稀土永磁无刷航空电机,电机的转速可以无级调节,由中央 CPU 根据工况实时控制。
  • 使用碳纤维与环氧树脂等复合材料,在保证强度前提下减轻重量,一次性整体热压成型水箱、壳体等部件。
  • 内置循环水系统,避免了附带水管线,也可以降低耗水量。

通过以上多种技术,ispider 最终工作车的不带水重量在 40 公斤以内,人工可搬运。

以上问题都是在研发过程中逐渐遇到和解决的。一开始他们以为 1年 半就能研发成功,后来不断遇到各种技术问题,多次想要放弃,后来又逐个突破,直到现在,研发基本完成,各项功能都完成验证。期间控制代码的编写和完善足足历时 9年。

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