一种用于维护具有不规则立面的建筑立面的机械臂系统

摘要

本发明提供了一种用于维护具有不规则立面的建筑立面的机械臂系统，其包括一个与至少四对缆索连接的平台，该缆索将平台放置于离建筑物立面一定距离的位置；至少一个位于平台上的机械臂，该机械臂还包括一个定位于所述机械臂远端的适配器，用于固定和操纵建筑立面维护工具；一个用于驱动缆索的致动器以将平台沿建筑立面移动到任意位置；以及一个与该致动器连接的控制器，用于指示致动器驱动缆索以及控制机械臂的运动。平台上的任何位置偏差均可通过机械臂的定位或移动进行补偿。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月16日提交的美国临时申请第62/948,778号的优先权及2020年12月14日提交的美国非临时申请第17/120,302号的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一个用于建筑立面维护操作的机械臂系统。更具体地，机械臂系统具有一个平台，该平台包括一个或多个安装在平台上的机械臂，可用于清洁窗户和/或外墙、维修或使用多种工具进行油漆。

背景技术

在建筑立面的操作，如清洁窗户和油漆对建筑业来说是一种昂贵且危险的操作。对于三十层楼以上的高层建筑，最常见的操作方法是采用基于绳索或吊篮的系统，或者通过使用绳索/缆索系住工人或工人站立的平台以执行所任务。由于进入和离开系统的困难，劳动者通常需要长时间的工作。另外，在如此高的高度下工作无法避免恶劣的天气条件如高温、大风和大雨。尽管很少事故发生，但若发生事故通常会导致工人严重受伤或死亡。这些因素导致缺乏熟练的工人，增加了工人保险费用，从而导致较高的劳动力成本。

为了解决这些问题，已经开发了机械臂来使特定的建筑立面维护操作自动化，并取代人类执行的更为危险的工作。窗户清洁机械臂是目前开发用于建筑立面工程最常见的机械臂，最常使用的类型是移动式机械臂，其中该机械装置通常会爬行或使用轮子进行操纵，并通过安全带固定，以防止机械臂跌落并伤害下方的行人。这些移动式机械臂的另一种应用可用于大型立面的涂装。使用此类现有的外墙维护解决方案必须注意两部分：首先，这些方法通常涉及喷水、使用油漆或滚刷，但这些技术由于不能充分清洁或油漆建筑表面而尚未被建筑业广泛接受。其次，这种移动式机械臂只能在平坦或接近平坦的表面上良好地操作，其在较复杂的表面上或当建筑立面具有任何突出的特征(例如：盒形窗、凸窗和弯曲的玻璃墙)时都难以执行工作。在香港的许多高层建筑中，非平坦和具有突出特征的表面很常见，尤其是来自现代建筑设计的作品。因此，仍需要能够容纳多种复杂建筑特征的机械臂建筑立面维护系统。

发明内容

目前，双缆索驱动的机械臂系统的开发已可应用于自主执行窗户清洁和外墙粉刷/维护操作。该双缆索驱动机械臂并非移动式机械臂，而是一种特殊的并行机械臂，其中多根缆索用于驱动装备有机械臂的平台。与移动式机器臂相比，双缆索驱动机械臂的主要优势在于该机械臂是安装在可安全定位和控制的平台上，有利于机械臂执行各种建筑立面维护任务。

本发明的系统结合了机械臂的的灵巧性与可在大范围内运行的双缆索驱动平台。此外，机械臂可使用刮水器进行清洁，并可使用与工人相同的操作方式用滚筒进行涂漆，其具有在不完全平坦的表面上进行操作的能力。通过使用系统控制器，可以协调机械臂和平台之间的协作，因此，机械臂能补偿平台中的任何位置偏差(例如：倾斜度、与立面的距离等)，以确保进行准确的清洁或喷漆。

本发明涉及一种系统，该系统包括一个与至少四对缆索连接的平台，所述至少四对缆索将所述平台放置于离所述建筑物立面一定距离的位置；至少一个位于平台上的机械臂，所述至少一个机械臂包括一个定位于所述机械臂远端的适配器，用于固定和操纵建筑立面维护工具；一个用于驱动所述至少四对缆索的致动器，以将所述平台沿所述建筑立面移动到任意位置；一个与所述致动器连接的控制器，用于指示所述致动器驱动所述至少四对缆索以及控制所述至少一个机械臂的运动，其中，所述控制器被用来控制驱动所述致动器及所述机械臂的运动，使得所述平台中的任何位置偏差均可通过所述机械臂的定位或移动进行补偿。

在一实施方案中，两对缆索被放置于所述平台和建筑屋顶之间，另外两对缆索被放置于所述平台和地面位置之间。

在一实施方案中，所述机械臂系统还包括一个放置于所述平台上的储存器。

在一实施方案中，所述机械臂系统还包括一个放置于所述平台上的工具更换器。

在一实施方案中，所述机械臂系统还包括一个悬挂式缆索布线系统，用于将所述平台放置于离所述建筑物立面一定距离的位置。

在一实施方案中，所述机械臂系统还包括一个或多个放置于所述平台和所述机械臂中的传感器，以向所述控制器提供反馈。更具体地，所述一个或多个传感器选自压力传感器、机器视觉传感器、相机或位置传感器。

在一实施方案中，所述建筑立面维护工具选自窗户刮水器、海绵辊或油漆辊的一种或多种。

在一实施方案中，所述机械臂系统还包括一个或多个放置于所述平台上的滑轮，以进行缆索布线。

本发明公开的系统能够清洁窗户和油漆建筑外墙，其具有的一双缆索驱动机械臂可以处理不同大小的建筑立面。电机和绞车被安装在立面顶部和底部，引导和控制与平台相连的缆索，并使平台能够移动到不同的位置。在其中一个实施方案中，双缆索驱动机械臂系统可由处理两条缆索的电动机驱动，这种方式减少了驱动连接到平台的八条缆索所需使用的电动机数量，同时保持了刚度并增加了平台的稳定性。

安装在平台上的一个或多个机械臂负责执行建筑物维护操作所需的动作。由于平台靠近立面表面，因此机械臂会执行不同的动作以进行清洁和喷漆。当使用多个机械臂时，彼此能协作完成任务，从而提高工作效率并提高了执行复杂任务的能力。

本发明的系统可以执行端对端的窗户清洁和外墙喷漆程序，包括一个用于安装在双缆索驱动平台上的机械臂的液体分配系统(例如：油漆，清洁液)。通过计算机控制和传感器的可选反馈，与传统方法相比，建筑物维护过程可以实现自动化，并且所需的人工干预更少。本发明的系统具有良好的可扩展性和便携性，并且容易地适应于不同的建筑物立面表面的尺寸和构造。与移动式机械臂系统相比，本发明机械臂系统模拟了人类的清洁和绘画行为模式，提高了加工质量和效率。

在某些实施例中，该系统可包括人机交互控件，如操纵杆或其他遥控器，以实时控制平台的位置和机械臂的运动。这提供了一种在需要手动控制系统时的替代方法。

附图说明

以下实施例用以说明本发明，但这些实施例不受参考附图的限制，相同的标号可指示类似的元件，其中：

图1A展示了根据本发明的一个实施方案，本发明的系统的透视图，该系统具有双缆索驱动的机械臂系统、具有机械臂的移动平台、绞车系统和致动器。

图1B展示了一个与图1A的平台一起使用的上部缆索系统的侧视图。

图1C展示了一个与图1A的平台一起使用的下部缆索系统的侧视图。

图2展示了根据本发明的一个实施方案，双缆索驱动的机械臂系统的末端执行器平台设计，包括机械臂、动力源、缆绳导向的绞车系统和其他任务所需的组件。

图3A展示了用于图1A中的平台的单个悬挂系统，该系统包括一个悬臂和一组滑轮；图3B展示了一个用于图1A中的平台的缆索导向系统，该系统包括滑轮，可用于在地面上引导缆索。

图4展示了一个用于图1中的系统的缆索驱动单元。

图5A展示了一个末端装有雨刷器的机械臂；图5B是图5A的机械臂的局部放大图。

图6A展示了一个带有海绵辊工具的机械臂；图6B是图6A的机械臂的局部放大图。

图7A展示了一个尖端装有一个油漆滚筒的机械臂；图7B是图7A的机械臂的局部放大图。

具体实施方式

特定实施例仅出于说明性目的，而不应以限制性方式解释。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。本文所使用的单数形式“一”，“一个”和“该”旨在包括复数形式以及单数形式，除非上下文另外明确指出。需进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括”指定存在所述的特征、步骤、操作元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作元件和/或组件。

除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需进一步理解的是，除非在本文中明确定义，否则诸如在常用字典中定义的那些术语应被解释为具有与相关领域和本公开的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释。

在描述本发明时，应当理解公开了许多技术和步骤，这些技术和步骤中的每一个都有各自的优点，并且每个技术和步骤也可以一个或多个结合使用，或者在某些情况下，与全部其他所公开的技术结合使用。因此，为了清楚起见，该描述将避免以不必要的方式重复各个步骤所有可能的组合。然而，在理解本说明书和权利要求书的前提下，这样的组合完全包含在本发明和权利要求书的范围内。

本文公开了用于3D空间中的窗户清洁和立面涂漆的双缆索驱动机械臂系统、设备和方法。在以下的叙述中，为了说明的目的，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，亦可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。

本公开仅示岀本发明的示例，但不旨在将本发明限制于由附图或以下描述所示出的特定实施例。

以下将通过参考代表优选实施例的附图来描述本发明。图1A展示了使用带有一个或多个机械臂的双缆索驱动平台进行建筑维护(例如窗户清洁和外墙喷漆)的系统的等轴测图。该双缆索机械臂系统包括末端执行器平台101、缆索绞车和致动单元102、系统控制器、工具更换器、耗材补充处103和悬挂式缆索布线系统104、105。其中，一个或多个机械臂201被安装到平台101上。

如图1所示，缆索布线系统104、105可以安装在建筑物上的固定点或邻近建筑物的点上，例如下部缆索布线系统105可以永久或临时安装在建筑物前方的地面上。本发明的双缆索包括可独立驱动的缆索对122、124、126、128，可借由改变通过致动单元102的缆索长度控制平台101的位置和倾斜度。术语“双缆索”定义为总共四对缆索，意即用于控制平台101位置的八根缆索；每套缆索都成对控制。每对缆索的一端固定在位置104或105，另一端则连接到致动器102。需注意，尽管本示例仅示出单个致动器102，但是也可以使用复数个致动器。平台101上的滑轮系统204(将于下方更详细地描述)使得该平台能够通过双缆线构造被稳定地定位。重要的是，通过提供由四对缆索组成的系统，可以精确地控制定位，以使该系统可以用于具有不规则外墙的建筑中，例如盒形窗、凸窗或曲面墙等建筑特征。

为了协助平台101和一个或多个机械臂201正确定位，多个位置传感器109和/或机器视觉元件110可沿着平台外围(例如平台的前缘)在机械臂上定位。来自传感器/机器视觉元件的反馈可确定平台的状态譬如倾斜，并且可以被馈送到系统控制器内。

单元103可以包括各种系统元件，系统元件包括系统控制器以及可选的耗材储存器/补充处以及可选的工具更换站。双缆索致动器102的运动由单元103中的系统控制器控制，该系统控制器负责计算相应的缆索运动和所需的缆索长度，以将平台101驱动到所需的工作区域。重要的是，该控制器协调机械臂和平台的运动，并可选地结合上述传感器。通过平台/机械臂运动的协调，平台上的任何位置偏差(例如，倾斜度，与立面的距离等)均可通过机械臂进行补偿，以确保精确的清洁或喷漆。

在一方面，可选的传感器109、110在执行建筑维护操作之前可用于映射建筑立面特征。通过映射外观特征，系统控制器可以计算平台101的轨迹和机械臂201的位置。机器视觉元件可以决定所需清洁窗户玻璃表面的位置和所需清洁的外墙的位置，以计算使用清洁工具进行窗户清洁的路径，然后计算使用外观清洁工具进行外观清洁的路径。以这种方式，可以为要执行的各种维护功能计算出最有效的路径，从而最大限度地减少了执行多种功能所需的工具更换/流体更换数量。

可以通过单元103中的商用或客制化工具更换站以自动或半自动方式执行工具更换。替代地，在平台101上可以包括一个工具更换站，以最小化平台101必须行进的距离。类似地，可以在在平台101上可以包括一个材料储存器，以最小化向机器人臂附近提供清洁或上漆材料所需的距离。

双缆索机械臂系统在一个平面空间中工作，并且缆索可以配置为上部和下部。图1B中示意性的展示上部缆索布线，图1C中示意性的展示下部缆索布线，其中被圈选部分为缆索固定点。滑轮系统104、105容纳该双缆线构造。

参照图2，示出了平台101和机械臂201的放大图。末端致动器、基于双缆索机械臂吊舱的工作平台101包括带有工具207、208的机械手201、电源和耗材供应系统202、缆索布线系统203、204。平台101可以可选地包括保险杠和滚筒，避免平台意外碰撞到建筑表面。

机械臂201可以选自任何类型的可编程机械臂，该可编程机械臂通常包括允许旋转或平移运动、接缝耦合在一起的各种连杆。在机械臂的远端是用于固定和操纵工具的末端致动器。根据所需的自由度选择机械臂。自由度代表机械臂的运动方式，自由度的总数定义了机械臂在三维空间内以任意角度进入任何位置的能力。例如，人的手臂至少具有六个自由度，这意味着它可以在3D体积中向前和向后，向上，向下，向左和向右移动，包括方向和旋转的变化。通常本发明的一个或多个机械臂具有至少6个自由度，使得它可以复制人的手臂的运动模式。附加的自由度允许机器人从不同的位置执行相同的任务，并且可以根据要执行的建筑物维护的类型进行选择。

机械臂201负责建筑物维护任务所需的复杂的拟人运动。举例来说，关于清洁应用上，一个机械臂可能会承载擦窗器503(见图5A)，而另一机械臂可能会承载一块海绵，以在擦拭过程中润湿窗户表面并吸收多余的水滴。另外，关于立面涂漆应用上，机械臂201使用油漆滚筒工具和液体油漆进料系统进行油漆。

可选的电源和耗材供应系统202提供电源以驱动机械臂和所有机载电子元件(例如，可选的传感器和摄像头)。其可能包括用于盛装水和清洁剂以进行立面清洁的涂料和用于立面涂漆的容器，还可以安装检查或作业工具譬如斗笠式刀库，并从供电系统202获得电力。替代地，电力和耗材供应系统可以定位于地面或屋顶的远程，缆索和液体供应缆索从远程供应系统延伸到该机械臂。

为了容纳四对缆索，提供了一个滑轮系统203、204。滑轮204用于平台101中所有4条缆索滚动和移动。当平台处于不同位置时，滚轮用于引导缆索进入滑轮204。

参照图3A，示出了绞车和滑轮系统300，该系统300可以同时布线上下缆索对。系统300通过调节悬挂式缆索系统和固定端的位置，将末端执行器平台101定位在距建筑物立面一定距离的位置。双缆索机械臂系统的实际适应性取决于实际的建筑设计和工作环境，其中绞车系统可能会有所不同，以及驱动电机的位置也会有所不同。为了协助保持平台101的位置，可以定位一个或多个可选的间隔臂，其在平台与建筑立面之间延伸。该间隔臂可以配备传感器，以协助绘制建筑立面，亦可选配备摄像机以便操作员可以检查建筑立面以及机械臂201的工作进度。间隔臂也可从平台101的侧面延伸以感测建筑立面靠近的映射。

图3A中的悬挂式缆索布线系统104可分为缆索滑轮系统和悬挂系统。在图3A的实施例中，单个悬挂系统可以布线两条缆索以行进。连接到平台101顶角的缆索122(图1)会穿过滑轮301的左通道，然后路由到滑轮302跟滑轮303。缆索122从滑轮303穿过滑轮204(图2)的上部滑轮，并返回缆索固定装置306。图1B示出上部缆索布线的侧视图，其中连接到平台101底角的缆索124会穿过滑轮301的右通道，然后通过滑轮305到达滑轮304。缆索124从滑轮305行进到滑轮308(图3B)，该滑轮308可以通过滑轮204的下部滑轮安装到地面或建筑物的底部，到达缆索固定装置309(图3B)。图1C示出下部缆索布线的侧视图。需注意，当提供附加滑轮时，附加缆索可以由系统104布设。由于悬挂式缆索布线系统104能够适应具有各种任意突出元件的不同建筑立面配置，因此悬挂系统311臂的长度可以在307处通过螺钉进行调整。

如图1所示，致动单元102被安装在目标建筑的屋顶上。然而，在地面上仅存在如图3B所示的无源滑轮系统，其包含一个滑轮308，用于将缆索从屋顶平移到平台101上，以及包含一个用于下部缆索的缆索固定点。替代地，该系统可以被构造成使得致动单元102设置在地面上，例如，假设致动器为在建筑维护期间被带到建筑工地的便携式设备。

参照图4，缆索绞车和致动器单元102负责控制缆索对，将末端执行器平台101沿建筑立面移动到任何所需位置。图4显示了该单元的紧凑型设计，其中可将两组致动器放置再一起以驱动缆索对122和124。绞车401用于积累缆索，其系由电动机404利用皮带系统402来驱动，皮带也连接到缆索出口403，将沿着线性导轨405行进并且以受控的方式将缆索引导向缆索绞车401。电动机404从控制器103处接收驱动信号，并由此驱动绞车以控制缆索长度，从而控制平台101的运动。

由于建筑立面可能具有多种不同的建筑特征(例如：凸出的元件、曲面、冷气机或其他机械系统)，因此非平坦的立面将使清洁或喷漆任务变得非常困难，也难以实现自动化。在本发明的系统中，悬挂机构使平台101与建筑物立面保持足够的距离，以避免接触各种突出的元件。

因此，当平台101被驱动时，一个或多个机械臂201被配置成根据立面的形状到达待清洁或涂漆的表面。除了机械臂本身的长度之外，机械臂还可以通过延伸杆延伸到工具的作用范围，以便将作用范围扩展超出额外一米或更多米。

参照图5A，示出了机械臂201的特写以及所使用来清洁窗户的工具。机械臂具有六个自由度，但也可以使用其他数量的自由度。刮水器系统502被安装在机械臂201的远端，該刮水器系统502专为双缆索机械臂系统而设计，如图5B所示，其至少包含三个主要组成部分：清洁刮刀503、刮水机械臂适配器504和清洁液分配系统505。清洁刮刀503包括橡胶刮擦元件，其可自窗户上刮下所使用的清洁液。另外还可以包括一个可选的力传感器，其可以动态地在要清洁的表面上保持适当的作用力水平，无论该表面是否呈不规则。力传感器可定位在适配器504内或机械臂内的其他位置，負責提供至少一个自由度的力感测能力，以检测刮刀503承受的力。清洁液分配系统505被安裝在适配器上，可将清洁液分配到与橡胶刮刀503相邻的清洁表面上。清洁液分配系统505由与平台储存器202相关联的泵馈送，或者由与屋顶的单元103相关联的泵馈送。

当清洁液被施加在窗户表面时可能飞溅并迅速向下流动，远离目标区域。当配有刮水器的机械臂执行清洁任务时，配备海绵的机械臂可负责收集多余的清洁液。双臂可以共同参与清洁活动，从而最大程度地发挥清洁效果，并避免清洁液滴落。图6示出了配备有海绵辊的机械臂，该海绵辊可与图5A-5B所示的机械臂协作。在图6A中，海绵辊601被安装在第二机械臂201的远端。負責吸收清洁液的海绵601是专门为双缆索机械臂系统设计的，如图6B所示，它包括两个主要部分：清洁液吸收辊602和海绵机械臂适配器603。机械臂201驱动辊602，并与固定有雨刮片的机械臂配合使用，以吸收多余的清洁液。与固定有雨刮片的机械臂类似，力传感器可定位在适配器603或机械臂本身的其他位置，負責提供至少一个自由度的力感测能力，以检测海绵602在与建筑立面接触时受到的力。为了维持设定的力量水平，当清洁工具的路径中出现凸起或弯曲时，机械臂将调整其长度和压力。

如图7A所示，可以使用油漆辊系统701进行外墙油漆。涂漆系统是专门为本发明的双缆索机械臂系统设计的，所使用的滚筒可以使用特殊类型的滚筒和油漆泵送系统连续填充。油漆辊701系统被安装在机械臂201的远端。如图7B所示，其包括3个主要组件：连续涂料辊702、辊/机械臂适配器703和涂料供给系统704。机械臂201驱动涂料辊702以在立面表面上涂漆。力传感器可以被配置在适配器703或机械臂201中，并提供至少一个自由度的力感测能力，以检测涂料辊702与建筑立面接触时受到的力。可以通过与平台储存器202相关联的泵从供给系统704将涂料供应到涂料辊中，或者也可以从位于屋顶上的单元103中的储水箱将涂料供应到涂料辊中。

应当理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且根据其各种修改或变化，将被建议给本领域技术人员，并且被包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。另外，本文公开的任何发明或其实施方式的任何要素或限制可以与本文公开的任何和/或所有其他元素或限制(单独或任何组合)或任何其他发明或其实施方式组合，所有组合均包含在本发明的范围内，且不限于此。