爬墻機(jī)器人,機(jī)器人 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1.緒論 1.1 爬壁機(jī)器人概述 爬壁機(jī)器人是極限機(jī)器人的一個(gè)分支，主要在壁面或頂部進(jìn)行移動作業(yè)。由于現(xiàn)代社會中，有許多場合必須采取良好的安全防護(hù)措施才能實(shí)施作業(yè)，如：原子能發(fā)電站中強(qiáng)發(fā)射線下的作業(yè)，海底石油勘探等深水作業(yè)，災(zāi)害時(shí)的消防救援作業(yè)等，這些工作對于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性與日俱增。而爬壁機(jī)器人作為其中的主要開發(fā)項(xiàng)目得到了蓬勃的發(fā)展。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的爬壁機(jī)器人投入現(xiàn)場作業(yè)，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： l 核工業(yè) 對核廢液貯管進(jìn)行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等； l 石化工業(yè) 對圓形大罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐等； l 建筑行業(yè) 用于噴涂巨型壁面，安裝瓷磚并對瓷磚、玻璃壁面進(jìn)行清洗等； l 消防部門 用于傳遞救援物資、進(jìn)行救援工作等； l 造船行業(yè) 用于噴涂船體或輪船內(nèi)壁等； l 電力行業(yè) 對電站鍋爐水冷壁管壁厚度的測量等。 隨著城市建設(shè)的發(fā)展，越來越多的高層建筑出現(xiàn)在大都市中，并成為城市現(xiàn)代化的基于采光和美觀的緣故，許多高層建筑都以玻璃幕墻或其他幕墻為外裝飾，但也因此帶來了建筑物幕墻的清洗問題。高大建筑物的幕墻清洗是一項(xiàng)繁重而危險(xiǎn)的工作。國內(nèi)外目前使用的方法主要有三種，一種是用繩索直接吊掛清潔工(俗稱蜘蛛人)在幕墻上作業(yè)，這種方式危險(xiǎn)性很大；第二種是靠樓頂軌道車和升降平臺承載清潔工進(jìn)行玻璃窗和壁面的清洗，但這種方式未能根本消除工人的危險(xiǎn)，而且系統(tǒng)成本極高；第三種是用安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機(jī)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動擦洗。如果采用第三種方式，除了成本高以外，還要求在建筑物設(shè)計(jì)之初就要將擦窗系統(tǒng)相應(yīng)結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)去，從而限制了這種方式的使用。目前，玻璃幕墻的清洗主要還是采用人工清洗，國內(nèi)幾乎所有的玻璃幕墻均采用這種方式進(jìn)行清洗。目前，這種清洗方式存在的缺點(diǎn)不足如下： l 作業(yè)周期長，工作效率低。如果人工清洗高層建筑，勢必影響清洗效率和影響清洗的質(zhì)量； l 費(fèi)用高，易出事故。清洗時(shí)人工高空作業(yè)，安全性差，而且必須付給清洗工人相應(yīng)的高費(fèi)用。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使得高層建筑幕墻清洗自動化成為可能。對于高層建筑物的幕墻清洗，特別是復(fù)雜幕墻的清洗，最好的解決辦法是用可在幕墻壁面自由爬行的移動機(jī)器人。若能研制成功這類高層建筑幕墻清洗機(jī)器人，則不僅能消除人員的高空作業(yè)危險(xiǎn)和大幅度提高工作效率。另外，由于清洗時(shí)間大大縮短，能極大地降低作業(yè)費(fèi)用。 1.2 壁面清洗的發(fā)展階段 迄今為止，高大建筑外壁面的清洗方法大致經(jīng)歷了三個(gè)階段: 第一階段：人工清洗 這種方法的主要特征是:清洗工人被樓頂放下的一根繩子懸在空中，手持水桶或水管對外壁面進(jìn)行清洗，通常又被稱為蜘蛛人清洗。這種方式極其危險(xiǎn)，效率也最低。 第二階段：半機(jī)械化清洗 這種方法的主要特征是:清洗工人站在從樓頂放 下的吊籃中對外壁面進(jìn)行清洗，吊籃通常配有自動提升裝置。通常有兩種情況： l 自動提升裝置安裝在吊籃上，靠清洗工人自己操作使吊籃升降，這種方式的設(shè)備通常比較簡陋，卷揚(yáng)系統(tǒng)的控制性能差，樓頂支撐設(shè)備只能人工搬動、調(diào)整，使用極其不便； l 在樓頂裝有大型懸胃吊車，通過樓頂工作人員來操縱纜車的升降，然而這種大型懸臂吊車通常過于龐大，只能在建樓時(shí)一次性固定到樓頂上，無法搬運(yùn)，適應(yīng)性差。 第三階段：全自動化清洗 這種方法的主要特征是:空中沒有工作人品僅依靠樓頂或地面的工作人員遙控操作，這種清洗設(shè)備通常稱為高層建筑壁面清洗機(jī)器人。就目前國內(nèi)外的研究情況來看，這種機(jī)器人主要分為兩類： l 第一類是壁面軌道式，通常在建樓時(shí)就將壁面軌道安裝到外墻壁面上，當(dāng)進(jìn)行外壁面清洗作業(yè)時(shí)，通過固定在樓頂?shù)膽冶鄣踯囇b置拖動使清洗機(jī)器人沿著壁面導(dǎo)軌上下運(yùn)動來完成清洗工作，然而安裝在外墻壁面的軌道卻限制了高樓的結(jié)構(gòu)并大大地影響了整體建筑的外觀，同時(shí)也限制了清洗機(jī)器人的應(yīng)用范圍； l 第二類是真空吸附壁面清洗機(jī)器人，依靠真空吸盤將機(jī)器人吸附到外墻壁面上，通過自身的移動機(jī)構(gòu)在壁面上運(yùn)動來完成清洗工作，這種機(jī)器人又可分為單吸盤和多吸盤兩種吸附移動方式。 1.3國內(nèi)外爬壁清洗機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)器人如果能夠在壁面上自由地移動，并且進(jìn)行作業(yè)，必須具備兩大基本機(jī)能：吸附功能和移動功能。因此，爬壁機(jī)器人主要是按吸附功能和移動功能來進(jìn)行分類的。 爬壁機(jī)器人按吸附方式可以分為真空吸附、磁吸附、推力吸附三類。真空吸附又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)，容易是吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低；磁吸附又分為永磁鐵和電磁鐵兩種，要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，但它的結(jié)構(gòu)簡單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，且對壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附漏氣的問題，因而當(dāng)壁面是導(dǎo)磁材料時(shí)優(yōu)先選用磁吸附爬壁機(jī)器人。 爬壁機(jī)器人按移動方式可以分為框架式、車輪式、履帶式和腳步式四類?？蚣苁轿侥芰Υ螅休d能力強(qiáng)，能跨越規(guī)則的壁面障礙；車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大、不易轉(zhuǎn)彎；腳步式移動速度慢，但承載能力強(qiáng)。 不同的吸附方式和移動方式的組合就構(gòu)成了各式各樣的爬壁清洗機(jī)器人。 1.3.1 單吸盤真空吸附式爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 單吸盤爬壁機(jī)器人都是通過一真空吸盤和壁面形成一個(gè)真空室。這種形式的爬壁機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單。但要求壁面有一定平滑度，越障能力低，不適合在復(fù)雜壁面上爬行，當(dāng)遇到較大溝槽和凸凹面時(shí)，吸盤負(fù)壓難以維持。下面介紹各國單吸盤真空吸附式爬壁機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r： 1966年，日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部的西亮講師成功制作了利用風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓作用作為吸附力的垂直移動機(jī)器人的原理樣機(jī)，并與1975年制作了以實(shí)用化為目標(biāo)的第二號樣機(jī)，采用單吸盤結(jié)構(gòu)，這是世界上最早出現(xiàn)的爬壁機(jī)器人。 1978年，日本化工機(jī)械技術(shù)服務(wù)株氏社研制開發(fā)了兩種壁面移動機(jī)器人：PC型核電站壁面除污機(jī)器人和PD型核電站壁面除污機(jī)器人。兩種機(jī)器人均為單吸盤結(jié)構(gòu)，由抽氣泵產(chǎn)生負(fù)壓。此后，又在這兩種機(jī)器人的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種“WALKER”的爬壁機(jī)器人?！癢ALKER”有行走能力，它由上下兩個(gè)行走滾子和左右兩個(gè)傳動帶驅(qū)動行走，真空室由滾子和皮帶自然圍成，通過左右滾輪和皮帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。但當(dāng)壁面上有裂縫時(shí)，真空難以維持。 1982年，日本東京消防廳的消防科學(xué)研究所研制出一種消防急救用爬壁機(jī)器人，用于將舊救護(hù)繩等物質(zhì)搬運(yùn)到失火的高層樓房，解救被困人員。機(jī)器人整個(gè)本體作為一個(gè)真空吸盤，負(fù)壓有抽氣泵工作產(chǎn)生；內(nèi)部有兩排行走履帶，通過履帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；操縱是在地面上由操縱盒遙控實(shí)現(xiàn)的。 1990年，俄國機(jī)械科學(xué)研究所研制成功一種用于清洗作業(yè)的單吸盤爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人采用單吸盤結(jié)構(gòu)，吸盤內(nèi)有移動機(jī)構(gòu)、清洗作業(yè)裝置以及控制單元。 真空由直接與真空室相連的螺旋風(fēng)扇形成，真空室四周有密封性良好的彈性材質(zhì)，工作時(shí)最大真空壓力為0.007Mpa，兩對獨(dú)立驅(qū)動的車輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面的移動和轉(zhuǎn)向機(jī)能，在機(jī)器人本體上裝有用來控制、調(diào)節(jié)真空吸盤真空度的真空傳感器。 1994年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研究出一種單吸盤機(jī)構(gòu)的全方位遙控檢查爬壁機(jī)器人，其特點(diǎn)在于將全方位車輪應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的行走系統(tǒng)中，解決了壁面移動機(jī)器人移向困難和定位精度差的等難題；并且吸附方式采用兩個(gè)抽風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)真空吸附。此后，在上述爬壁機(jī)器人的基礎(chǔ)上，又研制出用于對瓷磚壁面進(jìn)行清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)。 1998年，東京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與航空工程系研究出一種稱為VM的新式吸盤。 1999年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所又研制出適用于玻璃幕墻清洗的爬壁機(jī)器人。 2000-2001年，美國Ultrastrip公司開發(fā)了一種單吸盤吸附式噴漆機(jī)器人。該機(jī)器人利用中央吸盤吸附在壁面上，電機(jī)驅(qū)動車輪帶動機(jī)器人運(yùn)動，機(jī)器人本體上裝有噴頭，實(shí)現(xiàn)對船體、墻面等壁面進(jìn)行噴漆作業(yè)。 1.3.2 多吸盤真空吸附式爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 由于單吸盤結(jié)構(gòu)對壁面的適應(yīng)能力比較差，很多研究設(shè)計(jì)都嘗試采用了多個(gè)真空吸盤，通過不斷的嘗試和探索，多吸盤結(jié)構(gòu)得到了較快的發(fā)展。下面介紹各國研究多吸盤真空吸附式爬壁機(jī)器人的研究成果： 1984年，東京煤氣公司與日立制作所聯(lián)合開發(fā)出一種球形煤氣罐檢查機(jī)器人，是最早的多吸盤爬壁機(jī)器人。它是一種多足2腳、框架移動式步行爬壁機(jī)器人，內(nèi)外兩個(gè)框架上各裝有8只吸盤；上有驅(qū)動裝置，可驅(qū)動兩框架相對運(yùn)動。 1988年，日本三菱化工研究所研制出了真空吸附式壁面行走機(jī)構(gòu)“VACS”，采用履帶式移動方式，履帶上有數(shù)個(gè)吸附室。隨著履帶的移動，吸附室連續(xù)地形成真空腔而使履帶帖緊壁面移動。這種機(jī)器人主要作為除塵機(jī)械，對壁面進(jìn)行清洗、噴涂、檢查等。 1991年，日本關(guān)西電力綜合技術(shù)研究所研制開發(fā)了“混凝土建筑物的壁面檢查機(jī)器人”，也是一種履帶式真空吸附機(jī)器人，特點(diǎn)是：承載能力大，吸附性能好，移動速度較快，但轉(zhuǎn)向較難。 1991年，東京大學(xué)研制了“NINJA-I”型四足壁面步行機(jī)器人，該機(jī)器在人有四條腿組成。1993年，研制成功建筑外壁檢查、修補(bǔ)機(jī)器人，該機(jī)器人的特點(diǎn)是移動靈活、速度快、可跨越10mm的障礙、檢查幅度600mm。1998年，又研制成功了帶有人工腿的“NINJA-II”型機(jī)器人。 1993年，日本工業(yè)技術(shù)學(xué)院研制成功壁面步行機(jī)器人，該機(jī)器人是由兩只五吸盤構(gòu)成的腳形成，每只腳都可繞另一只腳旋轉(zhuǎn)，這樣就形成了機(jī)器人的直線和轉(zhuǎn)向移動。 1994年，英國南岸大學(xué)研制出多足多吸盤氣動型爬壁機(jī)器人，它是一種框架式結(jié)構(gòu)，安裝有兩組氣缸，可以攜帶一個(gè)小型工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行超聲檢測。 1996年，俄國機(jī)械科學(xué)技術(shù)研究所研制成功了WCR RVP-II型機(jī)器人，采用直角坐標(biāo)氣缸驅(qū)動。1998年，有研制成功了WCR RVP-21型機(jī)器人，能夠在兩個(gè)相互垂直的壁面之間跨越行走。 1998年，德國Aalen商業(yè)技術(shù)學(xué)院研制成功了一種單履帶多吸盤爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人采用特殊的結(jié)構(gòu)形式，克服了以往履帶式真空吸附爬壁機(jī)器人的一些缺點(diǎn)。 1998年，西班牙CSIC大學(xué)的工業(yè)自動化研究所研制成功了一種叫做REST的六足爬壁機(jī)器人。在機(jī)器人的每一條腿上，具有兩個(gè)半自由度。 1998年，英國研制出四足壁面步行機(jī)器人Robug II；此后又開發(fā)了Robug III型爬壁機(jī)器人，它有8只腳，類似于巨型蜘蛛。 1998年，美國的卡耐基梅隴大學(xué)研制了一種飛機(jī)檢測飛機(jī)表面的爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人采用十字框架式結(jié)構(gòu)，十字框架之間可以相對滑動，完成機(jī)器人的前后，左右運(yùn)動。 1998-1999年，北京航天大學(xué)宗光華教授對框架式多吸盤爬壁機(jī)器人進(jìn)行了研究，并與香港城市大學(xué)的S.K.TSO教授聯(lián)合研制了CLEANBOT-I機(jī)器人。 1.3.3 磁吸附爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 磁吸附爬壁機(jī)器人雖然只適用于導(dǎo)磁材料構(gòu)成的壁面，但能產(chǎn)生較大的吸附力，并且不受壁面凸凹或裂縫的限制。磁吸附式爬壁機(jī)器人可以分為電磁體式和永磁體式兩種，電磁體式機(jī)器人維持吸附力需電能，但控制較為方便；永磁體式機(jī)器人不受斷電的影響，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附壁面移動機(jī)器人多為永磁式。下面介紹各國研究磁吸附爬壁機(jī)器人的研究成果： 1984年，日本日立制作所研制出足式磁吸附爬壁機(jī)器人，有八只腳，均采用永磁體吸附式，內(nèi)側(cè)四只腳和外側(cè)四只腳在行走過程中交替吸附于壁面上。 90年代初，英國的RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機(jī)器人。機(jī)器人最高爬行速度為12m/min，能爬行25m，帶超聲檢測與紀(jì)錄機(jī)構(gòu)，可以自動紀(jì)錄每隔一定距離的壁厚，該機(jī)器人已作為商品銷售。 1998年，日本鋼管株氏會社開發(fā)出車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，可以吸附在各種大型構(gòu)造物，如：油罐、球形煤氣罐、 船舶等壁面上，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。 2002年，日本三菱重工業(yè)公司推出一種磁式噴涂爬壁機(jī)器人，它也是一種輪式結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人可以吸附在20mm以上厚度的磁性結(jié)構(gòu)建筑物上，磁力可達(dá)2000N，機(jī)器人通過三個(gè)驅(qū)動輪進(jìn)行運(yùn)動，每個(gè)輪都裝有一個(gè)伺服馬達(dá)，轉(zhuǎn)向是通過前輪實(shí)現(xiàn)的，移動速度可達(dá)10m/min，噴漆速度為1m3/min。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)也從事了磁吸附爬壁機(jī)器人的研究。然后，上海大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等也相繼開展了這一項(xiàng)研究工作，目前已經(jīng)取得了階段性成果。 上海交通大學(xué)研制開發(fā)出測量油罐容積履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人。根據(jù)檢測需要，機(jī)器人上裝有位置及姿態(tài)傳感器，機(jī)器人總重146N，可負(fù)重200N，行走速度2m/min。 哈爾濱理工大學(xué)研制開發(fā)了測量金屬大罐漆膜厚度的輪、履帶復(fù)合式磁吸附爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人的機(jī)構(gòu)有履帶式驅(qū)動輪和磁性導(dǎo)向輪兩部分組成。 1996年到1998年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制成功了多功能履帶式罐噴涂檢測磁吸附爬壁機(jī)器人。多功能履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人針對石油企業(yè)的儲油、儲水鋼罐，定期噴砂除銹、噴漆防腐、涂層厚度進(jìn)行檢測等工作進(jìn)行研制的。此后又研制了多功能水冷壁排管爬壁機(jī)器人，主要用于對電站鍋爐水冷壁排管向火側(cè)表面浮灰的清掃、結(jié)焦的清除以及排管壁厚的自動檢測，并且能夠在檢測到壁厚小于預(yù)置的極限處發(fā)出警報(bào)信號、打標(biāo)記。 1.3.4 其它類型的爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 磁吸附的爬壁機(jī)器人受壁面材料特性的影響，真空吸附式的爬壁機(jī)器人受壁面凹凸和多孔狀況的限制，為進(jìn)一步解脫種種限制，人們研制了其他形式的機(jī)器人，如飛行式爬壁機(jī)器人、繩索牽引式爬壁機(jī)器人等。 1995年，日本宮崎大學(xué)的西亮教授研制成功了用螺旋槳驅(qū)動的飛行爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人采用汽油發(fā)動機(jī)驅(qū)動兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生向上的推力和指向壁面的帖附力。 1997年，日本宮崎大學(xué)又研制開發(fā)了一種能夠做短暫飛行后帖附在壁面上的爬行機(jī)器人。該機(jī)器人有兩個(gè)主螺旋槳提供推升力，八個(gè)小螺旋槳控制機(jī)器人的飛行姿態(tài)，該機(jī)器人幾乎能夠在任何工況下進(jìn)行工作，用無線電進(jìn)行遙控操作。 1998年，東急建設(shè)技術(shù)研究所開發(fā)了繩索牽引式爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人用于檢測壁面瓷磚的貼和狀況，采用真空吸附方式使機(jī)器人帖附在壁面上，利用屋頂兩臺電機(jī)的速度配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在530m2范圍內(nèi)自由移動。 粘著劑吸附方式主要針對真空吸附方式中存在的壁面凹凸和多孔狀況造成吸盤氣體泄露問題，以磁吸附方式中存在的壁面材料特性的問題，采用粘著劑的粘力來實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的吸附機(jī)能。粘著劑吸附式爬壁機(jī)器人的典型代表是：1995年，日本田口斡和石崎篤研制的粘著吸附式微型爬壁機(jī)器人。 1.4 爬壁清洗機(jī)器人研究的技術(shù)難點(diǎn) 目前,爬壁清洗機(jī)器人面臨以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn): 1) 吸附及密封技術(shù) 面對工作的壁面環(huán)境,要求吸附機(jī)構(gòu)必須產(chǎn)生一定的吸附力,并能夠維持,使機(jī)器人安全可靠地吸附在工作壁面上。 2) 移動技術(shù) 移動機(jī)構(gòu)要小型、高效，使機(jī)器人可以在壁面上移動，并可靈活、自動調(diào)節(jié)行走的速度和方向 3) 清洗裝置的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)安全有效的清洗機(jī)構(gòu)，提高清洗質(zhì)量，達(dá)到任人滿意的清洗效果。 4) 控制技術(shù) 必須保證機(jī)器人的正確工作，按照相關(guān)規(guī)劃進(jìn)行清洗作業(yè)和路徑行走。 這些難點(diǎn)是目前阻礙爬壁清洗機(jī)器人向?qū)嵱没较虬l(fā)展的瓶頸。需要相當(dāng)長的時(shí)間研究加以解決，真正使爬壁清洗機(jī)器人能夠得以應(yīng)用，進(jìn)入市場。 1.5 爬壁清洗機(jī)器人的應(yīng)用前景 爬壁清洗機(jī)器人現(xiàn)在在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，可以說是一個(gè)空白領(lǐng)域，國外已經(jīng)在船舶除銹、高樓清洗等多個(gè)領(lǐng)域開始應(yīng)用。而我國目前還在試驗(yàn)階段，沒有具體的產(chǎn)品，國內(nèi)目前絕大多數(shù)高層建筑仍采用吊籃+人工完成清洗工作，因此，爬壁清洗機(jī)器人將有十分廣闊的應(yīng)用前景。爬壁清洗機(jī)器人也逐漸進(jìn)入了市場，而且我們也必須研究出一種安全可靠、重量輕、效率高、性價(jià)比高的爬壁清洗機(jī)器人。 1.6 爬墻清洗機(jī)器人研究內(nèi)容及目標(biāo) 1.6.1 研究內(nèi)容 本課題主要的研究內(nèi)容如下： 1) 爬壁清洗機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)。針對我國目前玻璃幕墻清洗行業(yè)的現(xiàn)狀，開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)新穎、安全可靠、重量輕、效率高的爬壁清洗機(jī)器人。 2) 爬壁清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對機(jī)器人的安裝設(shè)計(jì)做了詳細(xì)介紹，并畫出了爬壁清洗機(jī)器人的裝配圖。 3) 爬壁清洗機(jī)器人的清洗裝置設(shè)計(jì)。通過對清洗的方法與現(xiàn)狀進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出簡單、有效的清洗裝置，并對清洗的路徑進(jìn)行了有效的規(guī)劃。 4) 爬壁清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。選擇用PLC控制，因PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、安裝方便。 1.6.2 目標(biāo) 1) 機(jī)器人能向上、下、左、右四個(gè)方向上移動、停留、可以攜帶清洗刷完成對玻璃壁面的清洗作業(yè)。 2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、緊湊、重量輕、可靠性高且負(fù)載能力強(qiáng)。 3) 移動精度較高，能垂直到達(dá)垂直平面的任何地方。 4) 機(jī)器人控制靈活、簡單、可靠、安全，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動化清洗。 2. 爬壁清洗機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本課題的研究目的是為城市高層建筑清洗業(yè)提供可以代替人工進(jìn)行高樓幕墻清洗的專用清洗機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，要求開發(fā)設(shè)計(jì)出作業(yè)能力強(qiáng)，安全性高的爬壁清洗機(jī)器人。因此在保證清洗機(jī)器人基本功能的前提下，設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定。 2.1 技術(shù)性能指標(biāo) 爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要確定機(jī)器人的技術(shù)性能指標(biāo)，而技術(shù)性能指標(biāo)是由機(jī)器人所要完成的任務(wù)確定的。許多技術(shù)性能指標(biāo)之間是相互影響、相互關(guān)聯(lián)的，技術(shù)性能指標(biāo)設(shè)定是否合理與機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。對于爬壁清洗機(jī)器人來說，其環(huán)境和任務(wù)要求是比較明確的，因此需要以此為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)。技術(shù)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)： l 機(jī)器人爬行速度：0～2m/min( 無級可調(diào)) 移動速度指標(biāo)的設(shè)定主要基于高效性和安全性兩個(gè)因素考慮的。 l 控制方式：無線遙控或程序控制 控制系統(tǒng)的功能是對組成機(jī)器人各個(gè)部分進(jìn)行的行走，清洗，壁面吸附以及停止。 l 吸附方式：負(fù)壓吸附（正常負(fù)壓為－600mmH2O） 吸附方式的確定要綜合考慮到機(jī)器人的工作環(huán)境以及可行性。 l 最大有效負(fù)載：≤15Kg 爬壁機(jī)器人的負(fù)載包括本體質(zhì)量（自質(zhì)量）和工作負(fù)載質(zhì)量。 2.2 爬壁機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 爬壁清洗機(jī)器人應(yīng)該有以下幾部分組成，機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)、清洗裝置和控制系統(tǒng)機(jī)器人三部分。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在外墻面上安全吸附和移動。 在機(jī)器人系統(tǒng)中，我們主要采用了氣動技術(shù)，氣動技術(shù)主要是利用壓縮空氣作為能源，采用氣缸作為執(zhí)行元件。除了能源清潔方便外，通過真空元器件產(chǎn)生真空，利用真空吸附盤的吸附作用，可以使機(jī)器人在壁面上行走時(shí)，可靠的吸附于壁面上。作為世界上最著名的氣動元器件生產(chǎn)廠家，F(xiàn)esto公司擁有完善的產(chǎn)品體系，可以任意的方向選擇組合，為我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的選擇余地。 2.2.1 爬壁清洗機(jī)器人的移動方式 爬壁清洗機(jī)器人的一關(guān)鍵技術(shù)就是要實(shí)現(xiàn)移動功能的爬行機(jī)構(gòu)。它是爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是其他系統(tǒng)的載體和機(jī)器人各種動作得以完成的保證。在進(jìn)行本體設(shè)計(jì)之前就必須確定機(jī)器人的移動方式。目前爬壁機(jī)器人有四種移動方式，一種是框架式本體結(jié)構(gòu)、步行式本體結(jié)構(gòu)、車輪式本體結(jié)構(gòu)、履帶式本體結(jié)構(gòu)。本體結(jié)構(gòu)的不同，帶來驅(qū)動方式、控制方式的不同。移動方式的特點(diǎn)比較如下表： 表2－1 爬壁機(jī)器人四種移動方式的比較 移動方式 概要 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 框架式 有多層框架組成交替移動或轉(zhuǎn)動 固定吸附，吸附能力大，承載能力強(qiáng)，能跨越規(guī)則的壁面障礙 移動是間歇的，移動速度較慢 步行式 由多個(gè)腳反復(fù)吸附、脫落移動的機(jī)器人 越障及承載能力強(qiáng)，機(jī)動性較好，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動，速度慢，當(dāng)足數(shù)、關(guān)節(jié)多時(shí)控制復(fù)雜 車輪式 配置多個(gè)車輪，每個(gè)車輪有電機(jī)驅(qū)動 速度快，控制簡單，容易轉(zhuǎn)向，壁面適應(yīng)能力強(qiáng) 接觸面積小，越障能力差 履帶式 由電機(jī)驅(qū)動履帶，推動機(jī)器人前進(jìn) 接觸面積大，承載能力大，速度快，壁面適應(yīng)性強(qiáng) 履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動性較差，不易轉(zhuǎn)向 綜合比較目前研究出來的爬壁機(jī)器人的各項(xiàng)性能，框架式，輪式和履帶式的壁面清洗機(jī)器人對壁面清洗這種極限作業(yè)有較高的適應(yīng)性。如果只要求實(shí)現(xiàn)壁面二維范圍內(nèi)的全方位運(yùn)動，同時(shí)具有越障功能的話，那么框架式的機(jī)器人更顯優(yōu)點(diǎn)。采用框架式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動，一則可以減輕機(jī)器人本體的質(zhì)量，而增加承載負(fù)載的能力。二則通過框架的交替，可以容易地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動。 2.2.2 爬壁清洗機(jī)器人吸附方式 爬壁機(jī)器人要在垂直的壁面上運(yùn)動，首先要解決的問題就是要使機(jī)器人安全吸附在壁面上，而不致脫落，這是爬壁機(jī)器人起碼的安全性要求。由于機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)選擇框架式，則吸附多采用多吸盤結(jié)構(gòu)配合比用其它吸附方式更為合適。吸附功能是爬壁機(jī)器人必須具備的基本功能。它有兩個(gè)作用：保證安全使機(jī)器人能安全吸附在壁面上和提供機(jī)器人運(yùn)動的作用，兩者實(shí)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)是在機(jī)器人和壁面之間產(chǎn)生一定的正壓力，從而保證機(jī)器人與壁面之間有足夠的摩擦力。吸附裝置是整個(gè)爬壁清洗機(jī)器人的核心裝置，其產(chǎn)生的吸附力的大小直接關(guān)系著爬壁清洗機(jī)器人在壁面上工作的穩(wěn)定性。 按吸附方式分類，爬壁機(jī)器人主要分為真空吸附、磁吸附、推力吸附三類。 真空吸附法是通過真空泵裝置，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓，從而使機(jī)器人吸附在壁面上；或者由真空發(fā)生器的噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，使周圍形成真空，達(dá)到吸附的目的。而吸盤又可以分為單吸盤和多吸盤。真空吸附法不受壁面材料限制度優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低。 磁吸附要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，但它的結(jié)構(gòu)簡單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附，且對壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附的漏氣問題，因而當(dāng)壁面材料是導(dǎo)磁材料是，使用磁吸附爬壁機(jī)器人有它突出的優(yōu)點(diǎn)。磁吸附法中又可分為永磁體和電磁體兩種產(chǎn)生磁力的方式。 推力吸附是一種新型的吸附方式，相比真空吸附、磁吸附而言，在爬壁機(jī)器人載體方面有很大的創(chuàng)新。使用螺旋槳產(chǎn)生合適當(dāng)推力，使機(jī)器人穩(wěn)定可靠地貼在壁面上。由于推力能始終指向壁面，機(jī)器人可以相對容易地實(shí)現(xiàn)越障。三種吸附方式的有缺點(diǎn)如下表所示： 表2－2 爬壁機(jī)器人三種吸附方式的比較 吸附方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 吸 盤 吸 附 方 式 單吸盤 允許有一定程度的泄漏面積，允許壁面有凸凹，內(nèi)部可采用低真空方式，移動容易，控制方便，結(jié)構(gòu)簡單。 吸盤無冗長性，一旦斷電，本體將喪失吸附能力，不能跨越較大障礙，負(fù)載不大。 多吸盤 吸盤尺寸小，密封較好，斷電時(shí)有一定冗余性，負(fù)載較大。能跨越一定的障礙，較易控制，運(yùn)動靈活。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎較為困難，當(dāng)壁面有凸凹或裂縫，則將會有真空泄漏。 磁鐵吸附方式 永磁體 維持吸附力不需要耗能，安全，負(fù)載較大，能跨越一定的障礙。 只能在導(dǎo)磁壁面上爬行，步行時(shí)磁體與壁面離合需要很大的力 電磁體 磁鐵與壁面間的離合很容易，負(fù)載較大，易于控制 只能在導(dǎo)磁壁面上爬行，維持吸附力需要耗能，自重大。 推力吸附 無泄漏問題，對壁面形狀、材料適應(yīng)性強(qiáng) 噪音大、體積大、效率低，負(fù)載小，難于控制。 綜合考慮機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境和性質(zhì)，選用多吸盤真空吸附，主要原因如下：由于本課題主要研究的爬壁清洗機(jī)器人是針對玻璃幕墻的，玻璃屬于非導(dǎo)體材料，采用磁吸附和推力吸附都是不合理的，考慮到機(jī)器人系統(tǒng)的使用范圍，采用真空吸附是一種合理可行的方式。但是產(chǎn)生真空又有兩種常用的方法：真空泵法、射流器法，采用真空泵產(chǎn)生真空需要電機(jī)驅(qū)動，增加控制難度，而選用真空發(fā)生器可以減少驅(qū)動源和控制的難度，因此選用真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓的多吸盤吸附。 2.2.3爬壁清洗機(jī)器人清洗裝置 爬壁清洗機(jī)器人最主要的功能是完成對壁面進(jìn)行清洗工作。這項(xiàng)工作是由機(jī)器人隨身攜帶的清洗裝置完成的。清洗裝置是爬壁清洗機(jī)器人的關(guān)鍵部分之一，它設(shè)計(jì)的合理與否直接影響機(jī)器人的清洗效果。爬壁清洗機(jī)器人的清洗裝置通常采用旋轉(zhuǎn)式清洗裝置和刮洗式清洗裝置。旋轉(zhuǎn)式清洗裝置可以連續(xù)清洗，工作效率高，但是對于邊角的清洗效果不理想。刮洗式清洗裝置可以非常有效地清洗幕墻的邊角部分，但是需要往復(fù)動作，能夠較合理的完成清洗質(zhì)量。 由于建筑玻璃表面的污垢成分比較復(fù)雜，往往應(yīng)用一種方法無法解決清洗干凈的問題，故該機(jī)器人的清洗方式采用物理和化學(xué)清洗技術(shù)。 清洗裝置的驅(qū)動方式可以采用機(jī)械式、氣動式、液力式或電氣式。因無桿氣缸作為框架式的移動結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是清洗裝置的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，可以減少驅(qū)動元件。也就是把清洗刷固定在X向安裝板上。 2.2.4 爬壁清洗機(jī)器人控制方案 控制系統(tǒng)可謂是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中的核心部分，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的可靠性、較高的運(yùn)行速度以及較好的性能價(jià)格比，在滿足工作性能要求的基礎(chǔ)上體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性的要求。所有的信息需要傳送到中央控制器中，然后根據(jù)CPU輸出的控制信息來控制機(jī)器人的運(yùn)動。 綜合分析該爬墻機(jī)器清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)性能、結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動規(guī)劃、以及控制特性，系統(tǒng)最后采用以PLC為主處理器的控制方案。因?yàn)榕c別的控制方式相比，PLC系統(tǒng)具有良好的順序邏輯控制功能。此外，PLC系統(tǒng)處理能力越來越強(qiáng)，通過功能模塊的擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集等功能，而且PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、安裝方便。 本爬壁清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)需要完成幾個(gè)基本的任務(wù)，這些任務(wù)能夠保證機(jī)器人基本功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的任務(wù)首先是機(jī)器人基本運(yùn)動功能的實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人的基本的運(yùn)動功能，即向上、向下、向左、向右四個(gè)基本動作。這是本機(jī)器人系統(tǒng)中最基本的功能，控制系統(tǒng)采集整個(gè)氣動結(jié)構(gòu)框架中的接近開關(guān)、真空壓力傳感器等的信息，并且按照CPU的輸出控制信息給電磁閥，從而驅(qū)動真空發(fā)生器和兩種類型的氣缸運(yùn)動。 2.2.5爬壁清洗機(jī)器人驅(qū)動方案 機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時(shí)也要考慮價(jià)格因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。目前機(jī)器人常用的驅(qū)動方式主要有：機(jī)械方式、電氣方式、液壓方式和氣動方式等。這些方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及其各自的使范圍。任何一種方式都不是萬能的，實(shí)際應(yīng)用中必須對各種技術(shù)進(jìn)行比較，揚(yáng)長避短，選出最適合的方式或幾種方式的組合，以使系統(tǒng)更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更安全、更簡單。各種驅(qū)動方式比較如下表所示。 表2－3 爬壁機(jī)器人四種驅(qū)動方式的比較 類型 氣壓傳動 液壓傳動 電氣傳動 機(jī)械傳動 驅(qū)動力調(diào)整 小~中 中~極大 小~大 小~大 驅(qū)動力 容易 容易 困難 困難 驅(qū)動速度 較快 較慢 快 慢 速度穩(wěn)定性 較差 良好 良好 很好 響應(yīng)性 負(fù)載大時(shí)差 很好 好 好 構(gòu)造 簡單 復(fù)雜 復(fù)雜 復(fù)雜 安裝自由度 很好 大 中 小 維護(hù) 簡單 較簡單 專門技術(shù) 簡單 過載保護(hù) 容易 較容易 困難 稍困難 控制距離 中短 短 不限 短 停電對策 可 可 困難 稍困難 信號轉(zhuǎn)換 容易 稍困難 很容易 困難 環(huán)境要求 適應(yīng)性好 不怕振動 要求高 一般 價(jià)格 便宜 稍貴 貴 一般 防暴性 很好 良好 特殊措施 良好 溫度影響 小 中 大 小 濕度影響 注意冷凝水 小 大 小 抗震性 一般 一般 差 一般 工作壽命 長 一般 較短 一般 綜上所示，相對于氣壓傳動電氣傳動構(gòu)造復(fù)雜，環(huán)境要求高，價(jià)格較貴，工作壽命較短；機(jī)械傳動構(gòu)造很復(fù)雜，工作壽命一般；液壓傳動構(gòu)造復(fù)雜，價(jià)格稍貴，工作壽命一般。因此相對于電氣、機(jī)械和液壓傳動，氣壓傳動有下列優(yōu)點(diǎn)： l 在易燃、易爆、粉塵大、強(qiáng)磁、潮濕、溫度變化大、存在腐蝕性氣體等惡劣場合，采用氣動工作安全可靠；方式 l 氣動裝置結(jié)構(gòu)簡單、輕便、安裝維護(hù)簡單。壓力等級低，使用安全； l 工作介質(zhì)是空氣，來源方便，使用后可直接排至大氣，不污染環(huán)境； l 由于空氣流動損失小，壓縮空氣可集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送； l 氣動元件可靠性高、壽命長，氣動元件可運(yùn)行2000~4000萬次； l 易于實(shí)現(xiàn)快速的直線往復(fù)運(yùn)動，擺動和高速轉(zhuǎn)動,特別適合實(shí)現(xiàn)柔和出力的控制場合； l 氣動元件使用和維護(hù)都叫簡單，介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，亦不存在介質(zhì)變質(zhì)，補(bǔ)充，更換等問題； l 設(shè)備通用性強(qiáng)，成本低； l 氣動控制控制迅速，反應(yīng)快，可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需要的壓力和速度 在一定的超載運(yùn)行下也能保證系統(tǒng)安全工作，并且不易發(fā)生過熱現(xiàn)象。 同樣氣動驅(qū)動也有缺點(diǎn)，主要如下： l 氣體的工作壓力較低，一般小于0.8Mpa，因此與液壓系統(tǒng)相比出力較小，只能驅(qū)動相對較輕的負(fù)載； l 氣體的可壓縮性造成氣動系統(tǒng)的整體剛度很低，抗干擾能力差，不容易實(shí)現(xiàn)精確的位置、速度、力等控制； l 工作介質(zhì)——空氣沒有潤滑性，系統(tǒng)中必須采用措施進(jìn)行給油潤滑； l 噪聲大，尤其在超聲速排氣時(shí)，需要加裝消聲器。 綜合各種驅(qū)動方式的利弊，針對特定的工作環(huán)境采取合理的驅(qū)動方式。本設(shè)計(jì)中的爬壁清洗機(jī)器人的工作環(huán)境是垂直的墻面，如果采用液壓傳動的話，要向高處輸送液壓液，使用完后還要進(jìn)行輸送或儲存，十分不便，而且會增加機(jī)器人的自重，從而勢必影響爬壁機(jī)器人的安全吸附；而采用氣動，工作介質(zhì)是空氣，直接就可以從周圍提取，空氣可以從大氣中取之不竭，無介質(zhì)費(fèi)用的損失和供應(yīng)上的困難，可以大大減輕機(jī)器人的自重；萬一空氣泄露，除引起部分能量損失外，不致產(chǎn)生不利于工作的嚴(yán)重影響。作業(yè)中爬壁機(jī)器人需要的運(yùn)動形式主要是直線運(yùn)動，利用氣缸的移動正好實(shí)現(xiàn)了端到端的直線移動方式，而利用電氣、機(jī)械和液壓傳動構(gòu)造都比較復(fù)雜?？傊?，氣動驅(qū)動技術(shù)在本設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人中更具明顯的優(yōu)勢。另外，氣動系統(tǒng)提供了無與倫比的獨(dú)特優(yōu)勢是能夠提供真空，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)安全可靠的吸附，這應(yīng)該是本爬壁清洗機(jī)器人應(yīng)用所必需的。值得指出的是本體系系統(tǒng)采用Festo公司的氣動產(chǎn)品，產(chǎn)品性能優(yōu)良，系列齊全，提供了充足的選擇空間。 2.3 小結(jié) 確定了爬壁機(jī)器人的行走方式、吸附方式、驅(qū)動方式。機(jī)器人采用框架式的行走方式，可以較易實(shí)現(xiàn)在壁面的運(yùn)動行走；采用真空吸盤吸附不受壁面材料的限制，適應(yīng)性強(qiáng)；采用氣壓驅(qū)動可以增加帶負(fù)載的能力，減輕機(jī)器人本體的重量。采用縱橫兩個(gè)互相垂直的結(jié)構(gòu)組來構(gòu)成機(jī)器人的框架結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)前、后、左、右四個(gè)方向上步距一定的移動功能。控制方式:PLC可編程控制器，完成順序控制。 3.爬壁清洗機(jī)器人本體設(shè)計(jì)（臺面） 爬壁清洗機(jī)器人是用來代替人工完成高層建筑外墻面清洗的服務(wù)型機(jī)器人，它的工作對象是垂直的壁面，工作的任務(wù)是將外墻表面清洗干凈。針對這樣的工作對象和工作任務(wù)，要求機(jī)器人本體能夠吸附在玻璃壁面上，并在其上自主移動，同時(shí)完成對高層建筑外墻面的清洗。針對這樣的要求，本課題要求設(shè)計(jì)出合理的爬壁清洗機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)。 3.1 爬壁清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu) 本課題設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人所采用的框架結(jié)構(gòu)是由橫向X和縱向Y兩個(gè)相互垂直的氣缸組成，其中X向和Y向選用Festo公司的DGPL系列的無桿氣缸。X和Y向氣缸是機(jī)器人運(yùn)動的主要驅(qū)動部件，同樣也是機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架部件，兩個(gè)氣缸彼此垂直，并且安裝在一塊槽形面板上，該面板作為兩個(gè)氣缸的連接件，同時(shí)也作為別的元件的安裝平臺，此平臺平面平行于機(jī)器人運(yùn)動的墻面。在兩個(gè)氣缸的4個(gè)端面，分別固定一個(gè)安裝面板，4塊端面安裝面板通過一個(gè)Z向氣缸與吸盤固定面板相連接。與此同時(shí)為了方便簡潔，于是就在X向兩端安裝清洗裝置。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是使該幕墻清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、重量輕。 選擇這樣的框架結(jié)構(gòu)可以看出，在同樣可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的壁面移動的設(shè)計(jì)目標(biāo)下，達(dá)到同樣的設(shè)計(jì)要求，僅僅選用兩個(gè)無桿氣缸。使得機(jī)器人的重量減輕，能夠選用相對數(shù)量較少和面積較小的真空吸盤。從控制角度來看，同樣也可以使得控制相對簡單。 爬壁清洗機(jī)器人由X、Y向兩個(gè)無桿氣缸構(gòu)成主體框架，可以方便地完成機(jī)器人在X-Y平面上的運(yùn)動；由X、Y方向兩組交替吸附的真空吸盤構(gòu)成吸附裝置，配合氣缸的運(yùn)動可以更加方便的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在垂直壁面上的運(yùn)動；在X向氣缸兩端連有兩個(gè)清洗單元，通過X向的氣缸驅(qū)動以完成清洗任務(wù)。整個(gè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)： 1). 本設(shè)計(jì)應(yīng)用到了模塊化設(shè)計(jì)的思想，本設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人上所用的氣動元?dú)饧际遣捎昧薋esto公司的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，便于管理和控制。 2). 結(jié)構(gòu)簡單、對稱?？v向和橫向分別垂直安裝結(jié)構(gòu)相同的無桿雙作用氣缸，其作用是完成機(jī)器人本體的向上、向下、向左、向右4個(gè)方向的運(yùn)動。由4個(gè)方向的基本動作的組合控制，機(jī)器人便可以到達(dá)期望機(jī)器人運(yùn)動的目標(biāo)點(diǎn)。 3). 機(jī)器人采用十字框架式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)是，由X、Y向氣缸分別構(gòu)成X方向和Y方向構(gòu)成的框架作為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主體，而X、Y向兩個(gè)氣缸又是這兩個(gè)方向大驅(qū)動元件，兩個(gè)氣缸交替運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿X、Y方向的自主移動功能。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)——驅(qū)動一體化，驅(qū)動文件本身就是結(jié)構(gòu)件。這樣的設(shè)計(jì)，可使機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大大簡化，重量大大減輕。 4). 在吸盤安裝面板上安裝了一個(gè)Z向吸盤提升氣缸，可以輕松的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障，同樣也減少了吸盤材料與壁面的摩擦。 5). 機(jī)器人的擦洗單元直接連接于X向氣缸的兩端，這樣X向氣缸既可在機(jī)器人的運(yùn)動中作為移動動作的驅(qū)動元件，又可以在擦洗時(shí)作為擦洗動作的驅(qū)動件，使得此二功能的驅(qū)動件合二為一，減少了驅(qū)動件的數(shù)量。這種擦洗——移動的一體化設(shè)計(jì)，無論從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、重量還是成本上來說，都是可取的。 6). 可靠的吸附機(jī)構(gòu)，在縱向和橫向驅(qū)動氣缸的4個(gè)端面分別安裝一個(gè)垂直于壁面的安裝面板，每塊安裝板安裝4個(gè)真空吸盤（布置方式是正方形），當(dāng)吸盤緊貼時(shí)，真空發(fā)生器向吸盤提供真空，產(chǎn)生負(fù)壓吸附力，固定機(jī)器人。 7). 本機(jī)器人采用無桿氣缸組成框架式結(jié)構(gòu)，并且兩組真空吸盤交替吸附，既可保證吸附的可靠性，又使機(jī)器人的移動方式相對簡單，控制邏輯也相對簡單，提高了系統(tǒng)的可靠性。 8). 機(jī)器人采用此框架結(jié)構(gòu)使機(jī)器人的運(yùn)動具有如下特性： 1) 具有互鎖性，也就是說在某一時(shí)刻，只能有一個(gè)動作在進(jìn)行，其他的動作都處于鎖定的狀態(tài)。這種狀態(tài)下的機(jī)器人亦指爬壁清洗機(jī)器人是做間歇?jiǎng)幼鞯模? 2) 具有完整性，當(dāng)機(jī)器人某一動作發(fā)生時(shí)，這個(gè)動作必須完整、連貫的進(jìn)行完成，不能中途停止。 3) 具有銜接性，向左、向右、向上、向下4個(gè)基本動作開始和結(jié)束都處于初始狀態(tài)。 3.2 機(jī)器人氣動元器件的選擇 由于本爬壁清洗機(jī)器人采用全氣動的框架式結(jié)構(gòu)，所以選擇合適的氣動元器件非常的關(guān)鍵。元器件選擇完畢后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。 Festo作為世界上最著名的氣動元器件生產(chǎn)廠家，該公司擁有完善的產(chǎn)品體系，可以任意的選擇組合，為我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的選擇余地。其產(chǎn)品系列全、性能好、在全球市場占有領(lǐng)先地位，受到全球用戶的廣泛歡迎?；诖耍驹O(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人大部分的元器件都是選用Festo公司的產(chǎn)品，其最主要的原因是Festo產(chǎn)品模塊化程度高，F(xiàn)esto公司根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)，運(yùn)用相關(guān)氣動技術(shù)理論及算法，開發(fā)出適合自己產(chǎn)品的一系列應(yīng)用軟件工具，利用這些軟件工具，用戶可以快速、簡單、方便地配置氣動元件。 本爬壁清洗機(jī)器人氣動元器件都是Festo公司的產(chǎn)品。系統(tǒng)的氣動元器件如下表3-1： 表3-1 機(jī)器人氣動元器件清單 序號 名稱 型號 數(shù)量 重量（g） 1 真空發(fā)生器 VADMI-95-N 2 2220 2 真空吸盤 ESG-80-Eu-HA-G 16 16141 3 Z向吸盤提升氣缸 ADVC-12-5-A-P 4 434 4 X、Y驅(qū)動氣缸 DGPL-32-600-PPV-A-GF-B 2 22390 5 電磁閥 CPE14-M1BH-5J-1/8 4 4115 6 單向節(jié)流閥 GRLA-1/8-QS-6-D 8 7 分氣塊 FR-8-G1/8-4 2 0.27 8 分氣塊 QSLV2-G1/8-4 2 0.04 9 管接頭 QS-3/8-6 2 29.0 10 QS-1/8-4 44 8.5 11 真空安全閥 ISV-1/8 8 816 12 氣管 PLN-6X1-NT T 50m 5014.7 3.2.1 X、Y驅(qū)動氣缸 選擇型號：DGPL-32-600-PPV-A-GF-B 數(shù)量：2個(gè) DGPL：帶導(dǎo)軌無桿氣缸； 32：缸徑32mm； 600：行程600mm； PPV：可調(diào)式氣緩沖； A：具有接近開關(guān)感測功能； GF：DGPL帶導(dǎo)軌氣缸可有帶滑動軸承型號； B：B系列； 作為該爬壁清洗機(jī)器人的縱橫兩個(gè)方向的主要框架結(jié)構(gòu)和驅(qū)動氣缸，該氣缸的性能非常重要。采用這種雙作用無桿氣缸，有利于在有限的空間內(nèi)安裝即可以節(jié)省安裝空間亦可以減少質(zhì)量，而且也比較符合本設(shè)計(jì)的要求。其有關(guān)性能參數(shù)見下表3-2： 表3-2 X、Y氣缸的規(guī)格說明 缸徑 32mm 動作型式 雙作用 行程 600 mm 保證耐壓 1.2MPa 最高使用壓力 0.8MPa 最低使用壓力 0.1MPa 活塞速度 1m/s 緩沖型式 可調(diào)式氣緩沖 接近開關(guān) SME8 緩沖長度 20mm 工作介質(zhì) 過濾壓縮空氣 接口尺寸 G1/8 軸承類型 滑動式 溫度范圍 -10C-60C 耐腐等級CRC 2 裝配位置 任意 6bar時(shí)理論作用力 483N 移動質(zhì)量 840g 0mm行程移動質(zhì)量 840g 0mm行程基本質(zhì)量 2390g 3.2.2 短行程氣缸 選擇型號：ADVC-12-5-A-P 數(shù)量：4個(gè) ADVC：緊湊型短行程氣缸系列； 12：活塞直徑12mm； 5：行程5mm； A：活塞桿是外螺紋連接； P：兩端帶彈性緩沖環(huán)或緩沖板； 作為此爬壁清洗機(jī)器人吸盤的提升氣缸，該氣缸的性能也很重要。在每4個(gè)吸盤的安裝面板上都裝配一個(gè)Z向的提升氣缸，此氣缸行程較短且對壓力輸入響應(yīng)迅速，能夠迅速的提升吸盤，使吸盤脫離壁面。安裝尺寸較小，可以節(jié)省安裝空間。一些相關(guān)參數(shù)如下。 表3-2 Z向短行程氣缸的規(guī)格說明 活塞直徑 12mm 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 活塞 活塞桿 行程 5mm 緩沖型式 兩端帶彈性緩沖 工作介質(zhì) 過濾壓縮空氣 氣動連接 M5 6bar時(shí)理論作用力 61N 溫度范圍 -20C-80C 耐腐等級CRC 1 裝配位置 任意 動作型式 雙作用 移動質(zhì)量 6.6g 安裝類型 帶通孔 產(chǎn)品質(zhì)量 34g 3.2.3真空發(fā)生器 選擇型號：VADMI-95-N 數(shù)量：2個(gè) VADMI：VADMI系列緊湊型噴射器； 95：氣嘴公稱通徑0.95mm； N：真空開關(guān)輸出； 配合真空吸盤或氣爪，此真空發(fā)生器能夠用于提取并吸住表面光滑及不透氣的工件。工件可以在任何位置被吸起。真空發(fā)生器的供氣由內(nèi)置式電磁閥控制。隨著電磁閥加上電壓信號，壓縮空氣進(jìn)入真空發(fā)生器，于是產(chǎn)生真空。 電磁閥斷電時(shí)，吸力停止。集成的消聲器用以降低排氣噪音。其有關(guān)性能參數(shù)見表3-4： 表3-3 真空發(fā)生器規(guī)格說明 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 塊狀結(jié)構(gòu) 工作介質(zhì) 潤滑或未潤滑的壓縮空氣 安裝位置 任意 噴射器特性 高真空型 安裝方式 通過殼體上的通孔 最大真空度 80% 工作壓力 1.5bar-10bar 環(huán)境溫度 -20C-80C 真空接口螺紋 G1/8 帶螺紋氣接口 G1/8 耐腐等級CRC 2 材料說明 不含銅和聚四氟乙烯 3.2.4 真空吸盤 選擇型號：ESG-80-Eu-HA-G 數(shù)量：16個(gè) ESG：ESG型號系列； 80：吸盤直徑80mm； Eu：加深吸盤，材料為聚氨酯； HA：吸盤支架型號； G：氣接口型號； 系列吸盤采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有極為出色的組合能力，吸盤支座和吸盤具有相同的接口尺寸，可根據(jù)需要隨意組合。其規(guī)格參數(shù)見表3-5： 表3-4 真空吸盤技術(shù)參數(shù) 最小工件直徑 160mm 吸盤直徑 80mm 吸盤容積 51.61cm3 有效的吸盤直徑 62.7mm 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 圓形加深 工作介質(zhì) 壓縮空氣 耐腐等級CRC 1 環(huán)境溫度 -30C-200C 70%真空時(shí)的起步阻力 275N 肖氏硬度 605 與吸盤支架間的關(guān)系 尺寸5 顏色 黑色 真空接口 M101.5 吸盤安裝件 M101.5 安裝螺紋 M101.5 吸盤材料 聚氨酯 3.2.5 CPE電磁閥 選擇型號：CPE14-M1BH-5J-1/8 數(shù)量：4個(gè) CPE：緊湊型電磁閥； 14：電磁閥寬度14mm； M1BH：24VDC，插頭適用于KMYZ-9； 5J：兩位五通，雙電控； 1/8：氣接口，內(nèi)螺紋G1/8； 該電磁閥的作用是實(shí)現(xiàn)X、驅(qū)動氣缸的往返運(yùn)動。其性能特征如下表3-6： 表3-6 電磁閥CPE14系列的性能特征 閥功能 兩位五通，雙電控 控制方式 先導(dǎo)控制 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 滑閥 安裝位置 任意位置 密封原理 軟性 排氣功能 帶流量控制 手控裝置 通過工具附件復(fù)位、鎖定 標(biāo)準(zhǔn)額定流量 800L/min 驅(qū)動方式 電氣的 產(chǎn)品重量 115g 額定尺寸 6mm 耐腐等級CRC 2 工作介質(zhì) 壓縮空氣 環(huán)境溫度 - 5C-50C 密封件材料 NBR 外殼材料 壓鑄鋁? 產(chǎn)品重量 115g 安裝類型 帶通孔 連接接口 G1/8 線圈特性參數(shù) 24V DC: 1W? 3.2.6 單向節(jié)流閥 選擇型號：GRLA-1/8-QS-6-D 數(shù)量：4個(gè) GRLA：GRLA型號系列； QS-6：氣動連接接口1為QS-6； 1/8：氣動連接接口2為G1/8； D：D系列的快插接頭； 低流量、低速時(shí)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，具有QS快插街頭，安裝后可繞旋入軸自由旋轉(zhuǎn)。該型號的單向節(jié)流閥規(guī)格參數(shù)如表3-7： 表3-7 單向節(jié)流閥規(guī)格參數(shù) 閥功能 單向節(jié)流閥功能，用于排氣 裝配位置 任意 氣接口1 QS-6 安裝類型 有螺紋的 節(jié)流向額定流量 185L/min 工作壓力 0.2-10bar 單向節(jié)流額定流量 160-240L/min 環(huán)境溫度 -10-60C 氣接口2 G1/8 產(chǎn)品重量 22g 調(diào)節(jié)元件 開槽頭螺絲 最大緊固扭矩 3Nm 3.4 安裝臺面設(shè)計(jì) 除了機(jī)器人系統(tǒng)中的氣動元器件以外，系統(tǒng)中還包括了PLC控制器和傳感器，但是本設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人的傳感器都是集成在氣動元器件本身，比如X、Y驅(qū)動氣缸以及4個(gè)真空吸盤提升氣缸的行程開關(guān)便安裝在缸身，2個(gè)真空壓力開關(guān)則是真空發(fā)生器組合的一部分。這些集成元件有利于減少系統(tǒng)的復(fù)雜度、減輕重量、提高系統(tǒng)的整體可靠性。 為了能夠把以上各個(gè)部分可靠的連接起來，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，還必須設(shè)計(jì)一些附加的連接配件。這些配件采用鋁合金的結(jié)構(gòu)，鋁合金的特點(diǎn)是，比重小，強(qiáng)度卻很高。與以往采用鐵質(zhì)材料不同，采用鋁合金結(jié)構(gòu)以后，系統(tǒng)的重量大大降低，有效的提高了機(jī)器人運(yùn)動時(shí)的承載能力。設(shè)計(jì)的連接配件主要包括如下幾個(gè)部分： （1）.元器件安裝板：數(shù)量為1，這個(gè)面板是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝的重要環(huán)節(jié)，一方面是縱橫X、Y兩個(gè)驅(qū)動氣缸連接安裝的其中一塊面板，另一方面也為別的元器件提供了安裝平臺，比如電磁閥、真空發(fā)生器、分氣塊等。通過對其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可以保證各個(gè)零部件的安裝結(jié)構(gòu)緊湊、合理、占用空間少。（圖見零件圖） （2）.橫向X氣缸端面安裝板：數(shù)量為2，位于橫向X氣缸的兩個(gè)端面，并且垂直安裝。這個(gè)安裝面板為橫向的真空吸附機(jī)構(gòu)提供了連接平臺，而且也為橫向氣缸上安裝的Z向提升氣缸提供了連接平臺。 （3）.縱向Y氣缸端面安裝板：數(shù)量為2，位于縱向Y氣缸的兩個(gè)端面，并且垂直安裝。這個(gè)安裝面板為縱向的真空吸附機(jī)構(gòu)提供了連接平臺，而且也為橫向氣缸上安裝的Z向提升氣缸提供了連接平臺。 （4）.X、Y氣缸連接件：數(shù)量為1，設(shè)計(jì)形狀為耳朵型，是連接X、Y氣缸的重要連接件，使X、Y氣缸得以垂直安裝，加上元器件安裝板使得X、Y兩個(gè)氣缸連接成一個(gè)整體。（圖見零件圖） （5）.X向吸盤安裝板：數(shù)量為2，是X向8個(gè)吸盤安裝面板同樣也是Z向提升氣缸的連接件，同樣也為清洗刷的安裝提供了安裝平臺。 （6）.Y 向吸盤安裝板：數(shù)量為2，是Y向8個(gè)吸盤安裝面板同樣也是Z向提升氣缸的連接件。 3.5 安裝臺面上元器件安裝 機(jī)器人結(jié)構(gòu)的安裝就是把所有的元器件可靠的安裝連接起來。在設(shè)計(jì)階段，根據(jù) 機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能的要求，選擇好各種氣動元器件和控制元件，同時(shí)也根據(jù)這些元器 件的安裝尺寸來設(shè)計(jì)好連接配件。因?yàn)闄C(jī)器人最終要在實(shí)際的環(huán)境中運(yùn)行，在氣壓驅(qū) 動和重力作用下，機(jī)器人系統(tǒng)的各部分將受到各種力的作用，所以對機(jī)器人的設(shè)計(jì)和 安裝提出安裝精確、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠等要求。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)過程，接下 來從幾個(gè)方面來詳細(xì)的介紹機(jī)器人系統(tǒng)的詳細(xì)安裝過程。 機(jī)器人裝配完成以后的尺寸為1148mm1148mm281mm,其詳細(xì)的裝配見圖紙。下面介紹元器件安裝面板上的安裝位置，以及元器件安裝在哪個(gè)位置。 圖3-1 元器件安裝板上安裝位置 為了節(jié)省安裝空間和使元器件的布置整齊有序，將所有的元器件都布置在同一塊面板上。根據(jù)各元器件的安裝條件，設(shè)計(jì)出本面板380mm156mm5mm。本機(jī)器人需要四個(gè)電磁閥，安裝時(shí)疊在一起通過通孔的安裝，通孔直徑為4mm。型號為FR-8-G1/8-4分氣塊1，2安裝是通過螺栓來固定在面板上。型號為ADVC-12-5-A-P分氣塊3，4的安裝也是通過螺栓連接。2個(gè)真空發(fā)生器也是通過通孔疊在一起安裝固定在面板上。1處為PLC直徑為4.5的安裝孔。X氣缸安裝是指X氣缸的滑塊上直徑為6安裝孔。 4．清洗裝置的設(shè)計(jì) 清洗裝置是進(jìn)行壁面清洗作業(yè)的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是任何清洗服務(wù)機(jī)器人的核心部分。爬壁機(jī)器人本體實(shí)際上是一個(gè)任務(wù)執(zhí)行裝置的載體，在機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壁面吸附和行走功能之后，還應(yīng)該有一定的作業(yè)功能，即攜帶相應(yīng)當(dāng)功能配件完成特定的作業(yè)任務(wù)。本課題研究爬壁清洗機(jī)器人的最終目標(biāo)是：設(shè)計(jì)出高層建筑外墻面的自動清洗的服務(wù)機(jī)器人。通過爬壁機(jī)器人攜帶相應(yīng)的清洗作業(yè)裝置，代替人工完成清洗建筑外墻面的清洗作業(yè)任務(wù)。在解決了吸附和行走功能以后，機(jī)器人自動清洗壁面的關(guān)鍵技術(shù)在于清洗系統(tǒng)的研究。 4.1墻面污垢的形成原因 建筑物外墻承受著自然界的侵蝕，可謂飽經(jīng)風(fēng)霜。首先是太陽的照射。對于任何材料來說，日光的長期暴曬是造成污染和侵蝕的重要外界原因之一。紫外線等極有危害的射線、太陽直射下的高溫及四季溫差又使建筑物表面材料老化，失去光澤，變得極易受污染。例如，金屬材料的銹蝕和塑料合成材料的老化；水泥材料的開裂；外墻涂料的變色脫落。陽光照射是不