基于多钢缆并联机构的擦窗机吊船系统设计

张硕 孙佳 张珂

摘 要：擦窗机是在悬吊式装饰、装修机械基础上发展起来，是一种操作灵活、方便，作业安全、高效、环保的高空清洗作业设备，针对接近作业困难，提出将多条钢丝绳欠约束并联技术应用于悬吊式擦窗机作业吊船机构提升中，解决复杂空间结构接近作业难题，在分析钢丝绳牵引链技术上，研究吊船在作业过程中的反向运动学，考虑钢缆牵引作用下的作业空间优化，设计开发擦窗机吊船作业机构并投入实际工程。

关键词：多钢缆并联机构 擦窗机 吊船系统

中图分类号：U463.836 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0125-02

随着现代化城市建设速度的提升，越来越多高层、超高层建筑如雨后春笋般涌现，各种新材料广泛地使用在高层建筑的外墙装饰中。清洗高层建筑物的外墙是一项危险、繁重的工作。

目前由于实际工程的需要，个别项目中出现采用多钢缆提升作业平台的作业方式，但这种方式中主要采用多牵引点逐一调节控制，进而使作业平台工作过程中很难保持水平，提升牵引点经常处于受力不均形成欠约束状态导致作业设备发生危险。针对多钢缆擦窗机的吊船机构存在欠约束等理论问题，本文对多钢缆并联技术在擦窗机设备应用适应性进行研究并基于并联控制理论提出一种综合的控制方法。

1 擦窗机主要技术特点

关于擦窗机设计过程中需要考虑的主要技术参数有：

（1）额定载重量是用来表示擦窗机吊船允许承受的最大有效重量。

（2）吊船相對台车的水平移动变幅速度以及吊船相对于台车底盘回转的线速度，这两个速度是为吊船适应建筑物而对吊船作业位置进行调整的速度。

（3）擦窗机工作高度或者称为作业高度是指擦窗机吊船作业的最高点与最低点的垂直距离。

2 多钢缆欠约束并联技术的设计

2.1 柔索并联牵引机构

从奇异约束机构考虑，柔索并联牵引机构常常由欠约束、全部约束和过度约束等多种类型；但大部分牵引过程的并联机构均处于欠约束状态，这也是提升过程特点，众多研究学者在并联柔索机构研究中重点研究实际应用中约束方式，通过加入约束机构对并联柔性钢缆的运动状态进行分析、运动模型进行构建，给出可行的并联柔性钢缆牵引机构。研究过程中可以利用约束机构串并联等效的特性，建立了具有约束并联柔索机构运动学正解的通用迭代方法。并分析了特殊设计的并联柔索机构的运动学正解的解析方法，并对几种并联柔索机构的运动学正、逆解进行分析。归纳了具有约束并联柔索机构的运动学、静力学建模方法；将并联柔索机构静力平衡的矢量闭合条件推广以适用有约束情况。给出具有约束并联柔索机构工作空间的定义；分析了两种并联柔索机构的工作空间；分析了有约束并联柔索机构的力平衡的条件；给出判别方法；指出约束机构在回避奇异位形中的应用。

2.2 柔索并联方程的建立

研究中i根钢索确定终端平台位置之间几何距离ρi的计算分析过程如下，若作业平台在笛卡尔坐标系中的瞬态坐标位置为（x，y，z），则平台位置间几何距离ρi的另一种表达式为：

公式（1）中，（Xi，Yi，Zi）为平台距离不同钢索另一端悬挂点在笛卡尔坐标系中的瞬态坐标点；以（x0，y0，z0）为计算中心用泰勒展开方式对公式（1）进行标准化处理，获得简单项：

式中，为计算得到i根钢缆距离平台的理论距离，则，（δx，δy，δz）以及钢缆伸缩系数δt为未知数。当钢索牵引作用力超过4根受力约束作用时，可根据式（4）列出如下方程组：

最后求得的（x0，y0，z0）值即为最优解。

3 基于并联擦窗机吊船平台卡尔曼滤波模型的建立

为减小气压和GPS单独测量高度过程中产生的误差，发挥两种测量方法的优点，提高高度数据测量精度，提出气压辅助GPS高度测量、气压和GPS数据融合处理两种组合测高方法。经主要指标和特点对比，确定气压和GPS测高数据融合方法为研究主要内容；通过对不同数据融合技术进行对比分析，选用卡尔曼滤波技术作为数据融合方法。考虑实际施工环境及作业条件对测量精度的要求，建立了适用于高处作业平台施工高度测量数据融合模型，并对模型进行了验证性研究。高处作业平台施工过程动力学方程的建立，由于气压/GPS组合测高系统与高处作业平台固联，因此可以将高处作业平台和气压/GPS组合测高系统看作一个整体来进行平台施工过程中动力学方程的建立。用一个线性离散系统来描述高处作业平台施工过程，以高处作业平台在k时刻的实际施工高度以及气压/GPS高度测量数据的最大相对误差作为系统当前的状态变量X，则X的参数定义如下：

式（6）中，x为高处作业平台竖直方向的高度，单位取m；为GPS高度测量数据的最大相对误差；为气压高度测量数据的最大相对误差，最大相对误差可根据实验数据统计计算得到。

计算中采用离散方式描述系统状态参数的变化过程，由于气压/GPS组合测高系统没有控制增益，因此为0，得到k时刻该线性离散系统动力学方程如下：

4 结语

按照卡尔曼滤波模型的建立方法构建误差修正模型。将卡尔曼滤波模型优化后的高度值与实际高度值进行比较，对卡尔曼融合前后高度测量数据相对误差进行分析，通过改进卡尔曼滤波模型，提高高度测量数据的融合精度，减小测量的相对误差，提高对实际使用的适应性。

参考文献

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