墙壁清洁机器人

墙壁清洁机器人的设计第一章 绪论1.1 课题的背景、目的及意义1壁面清洗爬壁机器人属于移动式服务机器人的一种，可在垂直壁面或顶部移动，完成其外表面的清洗作业。在工业机器人问世30多年后的今天，它已被世人看作是一种生产工具，在制造、装配及最近在服务行业，机器人的应用取得了明显的进步，由于传感器、控制、驱动及材料技术领域的进步，通过智能机器人系统，首次在制造业领域以外开辟了机器人应用的新领域，让自主机器人作为“人的助手”，使人们的生活质量得以提高。目前在许多领域已经进行了很大的努力来开发服务机器人系统，并力争在较大范围内使用它们。这些机器人系统尽管有不同的应用领域，但它们所从事的工作则仅限于以下几种：1.维护保养2.修理3.运输4.清洗5.保安及救援6.数据采集7.其它在服务行业使用的机器人，要求所提供的服务技术含量较高，实现的可能性较大，还要求它的市场潜力大，对用户有使用价值，对经营者有经济效益。与普通工业机器人领域不同，服务机器人是一种只适合于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统。物体及平面清洗用的机器人是急待开发的服务机器人之一。现代城市高楼林立，以1530层楼居多，高达近百米，壁面多数采用瓷砖结构和玻璃幕墙结构，有的还敷设塑铝板等，常年裸露在外，需要进行许多壁面维护工作。目前这类工作仍由清洗工人搭乘吊缆进行高空作业来完成，既危险、工作效率又低，对人身安全、玻璃壁面都有很大的威胁性，如图11所示。越来越多的高层建筑在设计初期便将清洗问题考虑在内，尤其是很多瓷砖、玻璃壁面表面平整、不大的障碍，非常适合于采用壁面清洗机器人进行清洗。爬壁清洗机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有一定的社会、经济意义和广阔的应用前景。该项目的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗作业带来一次新的革命。同时通过更换周边设备可适应其它的操作任务，其主要系统壁面移动机器人载体可深入应用到核工业、石化、消防、造船等行业，机器人装备摄像机、超声波传感器等可对核废液储罐、轮船等建筑物外壁进行检查、测厚及焊缝探伤等，若装备喷砂、喷漆机构可对金属罐壁进行喷砂除锈、喷漆防腐等操作，还可喷涂巨幅壁画，装上温度传感器、摄像机等可从高楼上对火情作出判断，传递救援物资等。 图11工人清洗建筑高层壁面1.2 爬壁机器人的分类及特点 机器人能够在壁面上自由移动并且进行作业，必须具备三大机能，即吸附机能、移动机能、作业机能，爬壁机器人主要按吸附和移动机能来进行分类。1） 按照吸附机能分类，爬壁机器人可分为：真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。真空吸附是通过真空发生装置，使吸盘内腔产生负压，机器人利用吸盘内外的压力差贴附在壁面上。真空吸附法由于不受壁面材质的限制，适应范围广，但当壁面凹凸不平时吸盘容易漏气，从而吸附力下降，承载能力降低。磁吸附法要求壁面必须是导磁材料，但它结构简单、吸附力大，对壁面的凹凸适应性强，不存在真空吸附法的漏气问题，因而当壁面材料导磁时，使用磁吸附式爬壁机器人有它突出的优点，磁吸附法又分为永磁体和电磁体两种产生磁力的方式。推力吸附借鉴力航空技术，使用螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力，使机器人稳定、可靠的贴附在壁面上，并在壁面上移动。这种吸附方式具有壁面适应性好，越障容易等优点，但控制系统复杂。这种吸附方式的典型代表是日本西亮教授1990年推出的一种推进型壁面移动机器人。三种吸附方式的具体比较见表12.表12 爬壁机器人三种吸附方式的比较吸附方式优 点缺 点真空 吸 附单吸盘结构简单，允许有一定程度的泄露吸盘无冗余性，一旦断电本体将丧失吸附能力多吸盘吸盘尺寸小，密封性好，断电时有一定的冗余度壁面如有凹凸或裂缝，则将会有真空泄露磁 力 吸 附永磁式维护吸附力不需要耗电能，安全可靠步行时磁体与壁面离合需很大的力电磁式磁体与壁面的离合容易维持吸附力需要耗电能，电磁体本身重量很重推力吸附无泄露问题，对壁面形状、材质适应性强，越障容易控制复杂、噪声大、体积大、效率低2） 按照移动方式分类 爬壁机器人可分为车轮式、履带式、脚足式。三种移动方式的比较见表13.表13 爬壁机器人三种移动方式的比较移动方 式车轮式履带式脚足式概要配置多个车轮，每个车轮由电机驱动，带动机器人移动由电机驱动两个无轨道履带，推动机器人由多个脚的反复吸附、脱落移动机器人特点简单，着地面积小，维持一定的摩擦力较困难，越障能力差着地面积大，承载能力大，移动速度快，壁面适应能力强，结构复杂，转弯困难，履带磨损大移动是间歇的，速度慢，结构复杂；壁面适应能力好，越障能力强，承载能力大 不同的贴附方式和移动方式可以组成多种不同功能和用途的爬壁机器人，如负压吸附车轮式爬壁机器人，负压吸附履带式爬壁机器人，负压吸附多足式爬壁机器人等。每一种形式的爬壁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。1.3 爬壁机器人的用途2 近几年来，机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。其中，爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。概括起来。爬壁机器人主要用于：（1） 核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；（2） 石化企业:对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；（3） 建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；（4） 消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；（5） 造船业：用于喷涂船体的内外壁等。1.4 爬壁机器人的发展概况1.4.1国外爬壁机器人的发展概况1.真空吸附爬壁机器人发展概况 1单吸盘爬壁机器人发展概况1966年，日本大阪府立大学工学部的西亮讲师成功研制了世界上第一台垂直壁面移动机器人的原理样机，并于1975年制作了以实用化为目标的第二号样机，如图14所示。该机器人采用单个大吸盘结构，利用电风扇进气侧低压作用产生吸附力，使机器人可靠贴附在壁面上；利用履带机构实现爬壁机器人在垂直壁面上的移动功能。1990年，俄国机械科学研究院研制成功了一种用于清洗作业的单吸盘爬壁机器人，如图15所示。它采用单吸盘结构，吸盘内有移动结构、清洗作业装置以及控制单元。真空由直接与真空室相连的螺旋风扇形成，真空室四周围有密封性良好的弹性材质，工作时最大真空压力为0.007MPa，两对独立驱动的车轮实现机器人在壁面的移动和转向机能，在机器人本体上装有用来控制、调节真空吸盘真空度的真空传感器。 图14西亮的二号机器人 图15俄国的清洗机器人 综上所述，单吸盘爬壁机器人都有一个共同的特点，即皆有与壁面间存在相对滑动的单一真空吸盘或是机器人自身机壳的密封装置同壁面形成一个真空室，这种形式的爬壁机器人可实现小型化、轻量化、结构简单、易于控制；但要求壁面有一定的平滑度，越障能力差，对于复杂壁面环境或者遇到较大的沟槽、凹凸时，吸盘内的负压难以维持，且由于存在相对滑动，吸盘裙边磨损厉害。2多吸盘爬壁机器人发展概况1982年，日本宫崎大学的西亮教授研制出了双足爬壁机器人，如图16所示。这种机器人结构简单，对复杂壁面环境具有良好的适应性，它是靠安装在腿末端的吸盘产生的吸附力贴附在壁面上的，吸盘内的负压由抽风机产生；通过两条腿的交替吸附实现机器人在壁面上的移动，移动时通过脚腕的倾斜与圆规脚开闭的适当组合，便可以翻越一定高度的台阶，进而再与脚腕的回转相组合，就能实现多种壁面环境下的移动。但由于腿长、重心高，在垂直壁面或天花板移动时，有一定的危险性。近几年来，英国南岸大学继研制出四足壁面步行机器人Robug后，又开发了Robug 型爬壁机器人，如图17所示。该机器人有八条腿，类似巨型蜘蛛，研制者计划用于抢险营救工作中。Robug 能进行地面到壁面、壁面到天花板等多种工作面之间的转换，能够跨越楼梯等障碍。 图16双足机器人 图17 Robug爬壁机器人综上所述，多吸盘真空吸附式爬壁机器人，负载能力较大，对壁面适应能力好，但其结构比较复杂，控制不方便。2.磁吸附爬壁机器人发展概况如果壁面材料为导磁材料时，采用磁吸附有很大的优点。1984年，日本日立制作所的内藤绅司等人研制了脚式磁吸附爬壁机器人，如图18所示。它配有永磁体的8只脚，通过内侧四只脚和外侧四只脚的交替吸附于壁面，实现机器人在壁面上的前进后退移动，通过内框和外框之间的相对转动，实现机器人的转向，每条腿对于壁面可以作直线运动。日本钢管株式会社开发了车轮型磁吸附爬壁机器人，如图19所示。它可以吸附在各种大型构造物上，如：油罐、船体等，用于代替人工进行检查或修理作业，两台直流电机分别驱动左右两组车轮单元，手臂用来夹持作业工具，机器人靠磁性车轮贴附在壁面上，具有行走平稳，移动速度快，壁面适应能力强等特点。 图18脚式磁吸附爬壁机器人 图19车轮式磁吸附爬壁机器人3.其他类型的爬壁机器人发展概况 磁吸附式的爬壁机器人受壁面材料特性的限制，真空吸附式的爬壁机器人受壁面凹凸和多孔状况的限制，为进一步解脱种种限制，人们研制了其他形式的机器人，如飞行式爬壁机器人、绳索牵引式爬壁机器人等。1995年，日本宫崎大学的西亮教授研制成功了用螺旋桨驱动的飞行爬壁机器人，如图110所示。该机器人采用汽油发动机驱动两个螺旋桨产生向上的推力和指向壁面的贴附力。1997年，他们又开发了一种能够作短暂飞行后贴附在壁面上的爬壁机器人，如图111所示。该机器人有两个主螺旋桨提供推升力，八个小螺旋桨控制机器人的飞行姿态，该机器人几乎能够在任何工况下进行工作，用无线电进行遥控操作。 图110推力型爬壁机器人 图111飞行机器人1.4.2国内爬壁机器人的发展概况上海大学特种机器人技术应用研究室研制开发了多层框架、多真空吸盘式爬壁机器人系列，如图112所示。该机器人由三层框架组成，内外框分别可以相对于中间框架作直线运动，中间框架带着外框架可作相对于内框架的回转运动，内外框架上各装备有四个真空吸盘，通过内外吸盘的交替吸附使机器人在壁面上自由运动。北京航空航天大学机器人研究所研制了壁虎系列爬壁机器人,如图113所示.该机器人采用双层十字框架本体结构,通过十字框架中间的相对运动,完成机器人的上下、左右运动，八只吸盘分两组与十字框架相连，通过吸盘的交替吸附实现机器人的贴附和移动功能，通过吸盘相对于壁面伸缩运动，实现机器人的越障功能。该机器人系统是针对清洗高大建筑物的目的开发的。 图112壁面清洗机器人 图113十字框架型壁面清洗机器人1.5 壁面清洗技术的发展概况壁面清洗机器人的技术关键在于爬壁机器人技术（包括壁面吸附技术和壁面移动技术）、清洗作业技术以及机器人技术与作业技术的集成等。要解决壁面自动清洗问题，开展清洗作业系统本身的研究是十分必要的。要解决壁面清洗机器人系统的实用化问题，关键在于清洗效率和清洁度问题，要开展壁面清洗全部过程一起研究。壁面清洗装置从人工的“抹布清洗液”方式发展到现在提出的实现壁面自动清洗，有很大的难度。现在楼宇壁面的清洗作业一般是由人工抹洗作业或利用吊缆作业完成的。随着高层建筑的兴起，市场对壁面清洗机器人的需求正日益增强，目前世界上多家研究机构都在进行这方面的研究。日本BE公司研制成功了一种固定轨道式全自动擦窗机器人，如图114所示。它以预先铺设在壁面上的导轨为约束以及路径引导，靠安装在楼顶的屋顶小车来实现水平和垂直移动，清洗机构带有多个旋转盘刷，清洗速率110m/min,清洗方式为：水喷淋盘刷刷洗刮板刮洗方式，清洗高度可达250m,清洗窗幅范围：5003600mm，可跨越200mm的障碍。该设备的自动化程度和效率都很高，价格也很昂贵，另外，该设备是针对每一座建筑物的，要求在建筑物设计之初就将擦洗系统考虑进去，铺设相应的轨道，它无法适应阶梯状造型的壁面，也不能适用于已经使用的没有铺设轨道的楼宇。德国IPA也研制成功了一种清洗建筑物玻璃壁面的自动系统，如图115所示。该机器人的清洗作业装置悬挂在水平的横向导轨上，可沿导轨左右移动，横向导轨可沿垂直导槽上下移动，从而完成对整块玻璃的清洗。 图114固定轨道式自动清洗装置 图115 IPA壁面自动清洗系统壁面清洗机器人的研制犹如雨后春笋，新的设计方案层出不穷。在目前，壁面清洗机器人面临几个技术难点：1）吸附及密封技术：面对复杂的壁面环境，要求吸附机构必须产生一定的吸附力，并能够维持之，使机器人安全可靠地吸附在工作壁面上。2）移动技术：移动机构要小型、高效，使机器人可以在壁面上移动，并可灵活、自如调节行走的速度和方向，具有较强的越障能力。3）控制技术：必须保证信号通讯的实时性，可靠性。控制机器人的整体工作，进行故障诊断和综合管理，实现机器人各部分的协调工作和配合。4）清洗机构的设计：设计安全有效的清洗机构，识别清洗质量，达到令人满意的清洗效果。这些难点是目前阻碍壁面清洗机器人向实用化方向发展的瓶颈。需要相对长的时间加以解决。1.6 本文的主要研究内容“墙壁清洁机器人作业系统”研究的目标是为城市楼宇清洁提供一种能够进行高楼瓷砖壁面和玻璃墙幕面清洗的自动化设备，具体研究了以下几个方面的内容：1）机器人的移动技术。机器人要完成自动清洗壁面的任务，必须具有在保持机体姿态不变的情况下，能够在壁面上移动的功能，需要解决的关键技术是运动机能的实现方式和运动控制。2）机器人的吸附技术。为实现机器人沿壁面的垂直运动，必须使机器人能够可靠的贴附于墙面，从而才能进行清洗作业。3）机器人清洗作业装置。清洗装置设计的好坏，直接关系到清洗作业的效果。设计一种在冲洗、刷洗和刮洗之间能互换的壁面清洗作业装置，以实现彻底高效的清洗壁面的目的，并且能够收集清洗后形成的污水，防止污水再次污染已被清洗过的壁面。4）机器人的控制系统研制。控制系统要适应清洗作业的现场工作环境，必须保证高可靠性、制作方便等功能。采用可靠性高的工业用PLC作为机器人的主控制器，主控制器安装在机器人本体上，操作者在地面进行遥控操作。第二章 墙壁清洁机器人的方案设计2.1 设计方案的确定6 近年来城市建设迅速发展，高层建筑如雨后春笋，迅速拔地而起，随之带来的是如何保持壁面的清洁问题。为解决这一问题，市场上也相继出现了不同的壁面清洗作业的自动化工具。有靠磁吸附的爬壁机器人，有气动多吸盘的爬壁机器人等等。其实要研制高层建筑壁面清洗爬壁机器人的技术难度很大，这是因为：1.建筑物外墙结构形状复杂，材料多种多样。设计一种能适应多种建筑结构外形和材料的机器人是十分困难的。2.壁面有沟缝和凸起物。为了实现既吸附可靠又移动灵活的爬壁机器人，需要解决诸如密封技术、跨越技术、移动技术等问题。3.遥控技术。由于高层建筑物的楼层都很高，如何进行遥控，采用有线方案还是无线方案。4.高效清洗机构的设计。清洗壁面的工艺必需高效合理，适应这种工艺的清洗机构必需轻巧、实用。为减轻机器人负荷，清洗机构在不使用是需要抬起。5.控制系统的小型化。由于在室外使用，机构越少越好。如果系统带一个大的控制柜到现场，很不方便。如果能使之小型化、直接由机器人自带，减少一个控制柜，必然有很大的实用价值。总之，要研制一台工程实用的壁面清洗机器人决非易事。2.1.1驱动方式的选择机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表21：表21三种驱动方式的特点对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，最大可达Pa较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂经过以上的比较，故本设计采用气压的驱动方式。2.1.2控制方式的选择由于机器人需要实现遥控的控制方式，故选择PLC控制。PLC作为用于工业生产过程控制的专用计算机，与商用、家用微机不同。由于控制对象的复杂性、使用环境的特殊性和工作运行的连续性，使PLC在设计上有许多特点：1. 可靠性高、抗干扰能力强2. 适应性好3. 丰富的I/O模块4. 编程简单、直观5. 采用模块化结构6. 系统设计调试周期短在经过二十多年的发展，PLC由于这些特点已经渗透到工业控制的各个领域，而且功能越来越完善，不仅有逻辑控制、顺序控制，还有PID控制，数据处理及通讯和联网等的能力。2.1.3清洗方式的选择等离子清洗技术、超声波清洗技术、激光清洗技术以及高压谁射清洗技术是近年发展起来的新型清洗技术。等离子清洗技术具有经济性好、无环境污染的特点，但主要用于去除油脂的碳水化合物污垢。超声波清洗技术具有清洗速度快、质量好的优点，同时特别适合复杂表面的清洗，但清洗过程中产生的噪声非常大，且对清洗对象表面具有很大的局部冲击力，并要求被清洗的表面充分接触清洗介质，从而大大限制其应用范围。激光清洗技术是一种“绿色”清洗技术，具有无污染、无噪声的优点，但对清洗对象以及污染的激光吸收系数有严格要求，当污染成分结构复杂时，难以一次性清除干净，同时对激光频率和能量大小的控制要求很高。随着高压水泵技术的日臻成熟，高压水射流清洗技术也有了很快的发展，该技术的特点是清洗速度快、效率高、效果好，但能源利用率较低、耗水量大，限制了其在壁面清洗机器人中的应用。机械力清洗是一种成熟可靠的清洗方法，易于实现自动化清洗工艺，非常适合于壁面清洗机器人的清洗。2.2 机器人系统的组成墙壁清洁机器人系统的首要目标是机器人系统爬行的可靠和灵活、清洗作业装置的高效率，在此基础上，尽可能使系统小型化、轻量化、操作合理方便，并且有较高的爬升和壁面适应能力。其机器人系统的总体简图如图22所示，主要包括爬壁机器人本体、控制系统、清洗作业装置、固定夹紧装置四大部分。 图22 机器人系统简图2.2.1.机器人本体墙壁清洁机器人本体是机器人壁面自动清洗系统的核心部分，包括移动装置和清洗装置。本系统采用气缸推动方式来实现机器人沿壁面的上下移动。采用两个双作用气缸，垂直安装，缸体和活塞分别固定，从而来推动整个机器人的向上爬升。它的整个爬升距离于刷子的长度一样，依靠无杆气缸活塞块的移动来带动滑块，在滑块上安装有刷子，从而使刷子左右移动，达到清洗壁面的目的。2.2.2.清洗作业装置清洗作业装置是进行壁面清洗作业的具体执行机构，由供水装置、滚刷、污水存储箱等机构组成。从提高清洗效率和效果的角度考虑，我们采用滚刷刷洗的清洗作业方式，为防止清洗后形成的污水再次污染壁面，必须及时回收污水，从污水回收和机构的紧凑角度考虑，我们把清洗作业装置安装在下底板上。整个污水回收装置是簸箕形的，当刷子洗刷的时候，接水装置就紧靠墙壁上，回收污水，然后经由排水管流回地面的污水存储箱。2.2.3.夹紧固定装置 整个机器人系统是窜在两根钢丝绳上的，上下左右共有八个双作用气缸。当上面的四个气缸松开时，整个机器人的上半部分，包括无杆气缸和清洗装置就由中间的两个双作用推动着向上爬升，当活塞运动到终端时，四个气缸又夹紧钢丝绳。然后下面的四个气缸接着松开，由中间的气缸的缸体拉着下面的整个底板上升，上升到终端时，四个气缸就马上也夹紧。第三章 墙壁清洁机器人的结构设计3.1 机器人的总体结构组成墙壁清洁机器人本体是执行高楼外墙壁面清洗任务的移动平台和任务搭载平台，是机器人壁面自动清洗系统的核心部分，要求移动灵活，安全可靠，小巧轻量，其设计的好坏是评价整个系统性能优劣的重要指标。本文设计的墙壁清洁机器人有一下3部分组成：1.机器人的整体移动部分2.机器人的定位夹紧部分3.机器人的清洗作业部分 壁面清洗机器人的基本功能是吸附功能和行走功能，因为工作壁面会有凹凸不平的情况，工作环境比较复杂，因此对壁面机器人有以下几点要求： （1）应具有一定的吸附力，其产生的摩擦力能够大于机器人的重力，防止坠落； （2）应保持一定的驱动力，能够使机器人在壁面上自由移动； （3）具有一定的抗倾覆能力，由于作业环境和作业性质的特殊性，机器人必须要有一定的适应壁面凹凸不平的能力。 因此针对上述要求，进行机器人的设计主要是对机器人的行走方式和吸附方式的设计。3.2 爬壁机器人本体结构83.2.1.需实现的功能1）行走功能 在粉墙、玻璃等墙面上通过遥控操作实现自由移动。2) 吸附功能 工作时能可靠贴附于壁面。3）越障功能 移动过程中可以越过一定的窗框类规则障碍。3.2.2.爬壁机器人本体结构形式从第一章的论述中可以知道，机器人在垂直陡壁上进行清洗作业是十分困难的，特别是高层建筑壁面形状复杂，且瓷砖壁面和玻璃幕壁面都有沟槽。爬壁机器人具有许多不同的结构形式，如：单吸盘真空负压轮式爬壁机器人，单吸盘真空负压履带式爬壁机器人，多吸盘真空吸附或磁吸附框架式爬壁机器人，推力附着式爬壁机器人等等。在本课题的研究中，由于机器人壁面自动清洗系统的作业环境是城市高层建筑的外墙面，一般为非导磁材质，从吸附吸附方式上考虑，现有的技术一般为真空吸附、推力贴附、粘着吸附和固定导轨约束。推力贴附结构复杂，控制困难，还处于应用研究阶段，技术不成熟；粘着吸附的移动机理和粘着剂研制尚处于研究阶段，技术很不成熟；固定轨道约束方式现阶段在某些高楼上有应用，如上海的金茂大厦，但这种方式必须在建造高楼时就把楼宇的清洗考虑进去，显然不适应用于造楼时没有预设轨道的楼宇，而且铺设轨道的成本也是相当高的。为适应高层建筑壁面的外形和材质，所以综合考虑，本爬壁机器人采用钢丝绳悬吊的形式。墙壁清洁机器人本体是壁面自动清洗系统的重要组成部分，它主要用来携带清洗作业装置在壁面上移动以实现对壁面的清洗。机器人的移动系统采用了气动的驱动方式，其结构简图如图31所示。它是依靠两个双作用气缸，缸体和活塞分别固定，依靠气体的推了来使机器人的整体向上爬升。图31本体移动结构简图3.3 机器人的定位夹紧结构机器人的定位夹紧装置是用来使机器人的本体保持稳定的姿态，从而能进行平稳、可靠的清洗工作。另外也起到防止机器人掉落的作用。其结构简图如图32所示。 图32夹紧装置简图3.4 机器人的清洗装置结构3.4.1.机器人实现有效清洗的条件无论是人工清洗还是机器人清洗，有时不可能只用一种方法，而是几种方法的混合。机器人清洗不同于人工清洗，由于是自动化设备，其清洗过程是在机器人运动过程中一次完成的，因此会涉及以下一些问题：1.清洗的洁净度。如何获取“洁净度”信息以及如何利用这一反馈信息控制清洗机构来达到干净清洗的目的。2.清洗压力的控制与检测。清洗时必须具有一定的压力，并且压力要随着清洗机构的工作实现主动或者被动控制。3.清洗机构的多功能、一体化设计。根据现在的研究方向和市场需要，清洗装置必须集洗刷、喷水、污水回收等一体化。对于清洗机器人，它的设计原则是：清洗要达到清洗表面质量的一致性和高清洗效率。此外设计清洗机构时，还要考虑清洗机构与机器人本体的相互匹配性以及在实际工作环境下的可操作性。清洗作业系统是壁面清洗作业的执行系统，由无杆气缸、刷子、滑块、污水回收装置组成，其简图如图33所示。图33清洗装置简图3.4.2.滚刷结构壁面清洗机器人的作业对象是高楼大厦的外墙面。常见的大厦外墙多以平面、柱面、锥面等规则几何现状组成。其中平直壁面是最为量大而广的，因此我选择滚刷作为它的清洗方式。如图34所示，滚刷的长度L=300mm,猪鬃通过粘胶固定在尼龙筒壁的穿制孔中。地面通过水管把水送到滚刷上，然后依靠滚刷的滚动来刷洗墙面。图34滚刷结构3.4.3.污水处理系统滚刷擦洗壁面后，在壁面上会有残留液珠。残留液珠中存在大量的矿质微粒，为保证清洗完的壁面不再受到二次污染，在滚刷下面设计有接水槽。污水流进接水槽后，在通过水管流回地面的污水箱中。3.4.4.清洗工艺分析清洗作业的指标主要有三个：1） 清洗速度。清洗速度以每分钟的清洗面积来衡量，由于滚刷的长度对于一个设计好的清洗机器人而言是定值，所以考虑该指标只需检测机器人的移动速度即可。2） 清洗作业过程的顺利性和连续性。该指标可以从清洗作业的直观得出，主要考察机器人越障时的工作情况。3） 清洗的清晰度。壁面清晰度既受清洗机器人各参量的变化的影响，同时也受外界因素的影响。当壁面清晰度达到一定程度时，周围环境因素占主导地位，此时，通过提高清洗的清晰度已失去实际意义。所以我们以环境中肉眼认可的清晰度为标准，采用比较检测法，来认定清洗质量的合格与否。第四章 墙壁清洁机器人气动系统设计4.1 气动原件的选择4.1.1.气缸的选择471.2.1 安装形式的选择安装形式由安装位置、使用目的等因素决定。在一般场合下，多用固定安装方式：轴向支座（MS式）前法兰（MF式）、后法兰（MF式）等；在要求活塞直线往复运动的同时又要缸体作较大圆弧摆动，可选用尾部耳轴（MP或MP式）和中间轴销（MT式）等安装方式；如需要在回转中输出直线往复运动，可采用回转气缸。有特殊要求时，可选用特殊气缸。1.2.2 输出力的大小根据工作机构所需力的大小，考虑气缸载荷率确定活塞杆上的推力和拉力，从而确定气缸内径。气缸由于其工作压力较小（0.40.6MPa），其输出力不会很大，一般在10000N（不超过2000N）左右，输出力过大其体积（直径）会太大，因此在气动设备上应尽量采用扩力机构，以减小气缸的尺寸。 1.2.3 气缸行程气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构，为保证夹紧效果，必须按计算行程多加1020mm的行程余量。 1.2.4 气缸的运动速度气缸的运动速度主要由所驱动的工作机构的需要来决定。要求速度缓慢、平稳时，宜采用气液阻尼缸或采用节流调速。节流调速的方式有：水平安装推力载荷推荐用排气节流；垂直安装升举载荷推荐用进气节流。用缓冲气缸可使缸在行程终点不发生冲击现象，通常缓冲气缸在阻力载荷且速度不高时，缓冲效果才明显。如果速度高，行程终端往往会产生冲击。1）推动机器人上升的气缸此气缸是实现机器人的上升与下降的，共有2个气缸。它的缸体和活塞杆分别固定在上下的导轨和底板上。当机器人需上升时，无杆腔进气，气体推动活塞杆运动，从而使整个机器人向上运动，接着有杆腔进气，再把机器人的下半部分拉上来。故需选择双作用气缸。选择QGA系列的气缸。缸径选择50mm，行程范围在0500mm，最高工作压力为1MPa,理论推力为790N。在本设计中，设定它的行程为300mm，运动速度为0.05m/s，采用后法兰式垂直安装。2) 夹紧气缸此气缸是用来夹紧钢丝绳的，从而达到固定机器人的目的，这样清洗机器人在工作能才能保持位置的固定，上下共8个气缸。采用轴向支座MS1式的安装形式，上面安装在导轨上，下面安装在底板上。当当上面的4个气缸松开钢丝绳时，机器人就可以向上爬升，运动终了时，气缸再夹紧。接着下面的4个气缸松开，让机器人的底板也拉上升，完后4个气缸再夹紧。故选择双作用气缸，型号为QA系列，缸径为50mm，行程范围在0500mm，最高工作压力为1MPa，理论推力为790N。在本设计中，设定它的行程为50mm，运动速度为0.05m/s。3) 收缩刷子的气缸此气缸是用来使刷子伸出和收回的，共1个气缸。当要清洗墙面时，气缸伸出，从而使刷子贴于墙面，准备清洗。当不执行清洗工作是，气缸的活塞杆带动刷子一起收回。它的安装形式采用后法兰式，它的气缸的型号与夹紧缸相同。4) 接水装置的气缸此气缸是用来使接水装置伸出和收回的，共2个气缸。当刷子清洗墙面时，两个气缸就一起带动接水装置伸出，使其贴附于墙面接收污水。当刷子不清洁时，气缸也就带动接水装置收回来。它的安装形式采用后法兰式，型号和缸径也于夹紧缸相同。5）带动刷子左右往复运动的气缸此气缸是用来带动刷子左右往复移动的，从而使刷子达到清洗墙面的作用，共2个。选用无杆气缸，型号为DGPL32PPVAB，缸径为32mm，行程为2000mm，运动速度为0.05m/s。它的安装是靠两块板固定再导轨上的。4.1.2.阀类零件的选择阀A、B、E均相同，选用SR561CN阀D、F选用SR561- DN阀C选用SR550RN4.1.3.空压机的选择3选择空压机的根据是气动系统所需要的工作压力和流量两个主要参数。气缸E单个的耗气量q为：t=6sq=0.00009813 m/s气缸A、B、D、F相同，它的单个的耗气量为：t=1sq=0.00009813 m/s气缸C的单个的耗气量为：t=40sq=0.00004019 m/sq=q=(2q+4q2q)0.004 m/sq=kkq=0.51.21.40.004=0.0036 m/s0.216 m/min选择空压机型号为：VD2.24.2 机器人动作循环要求根据墙壁清洁机器人的工作要求，拟定它的动作顺序如下：图41机器人气动系统图机器人的实际动作详述：（1） 开始（2） 机器人的污水回收装置（气缸A）伸出（3） 机器人的清洗工具刷子（气缸B）伸出（4） 无杆气缸C动作，带动刷子左右往复运动，达到洗刷墙面的作用（5） 洗刷完毕，刷子（气缸B）收回（6） 接水装置（气缸A）跟着收回（7） 上位的夹紧缸（气缸D）松开（8） 气缸E的活塞杆动作，推动机器人的上半部分运动（9） 气缸E的活塞运动到终点，接着上位的夹紧缸（气缸D）跟着夹紧钢丝绳（10） 下位的夹紧缸（气缸F）松开（11） 气缸E的缸体动作，拉动机器人的下半部分运动（12） 气缸E的缸体运动到终点，接着下位的夹紧缸（气缸F）立刻夹紧钢丝绳（13） 接着机器人又开始新一轮的清洗工作（循环到开始步骤）第五章 墙壁清洁机器人控制系统设计5.1 机器人的控制要求 控制系统是爬壁清洗机器人的核心部分，采用PLC主控系统，负责完成对爬壁机器人的行走和定位、清洗作业装置的控制，对控制系统的总体要求为:1) 机器人移动系统的控制；中间两个稍大的控制机器人上升的双作用气缸；八个夹紧用的双作用气缸。2) 清洗装置的控制；两个带动刷子左右移动的无杆气缸的控制；一个带动刷子收缩的双作用气缸的控制。3）污水回收装置的控制；两个带动接水装置伸缩的双作用气缸的控制。机器人控制系统的设计遵循可靠、小型化、轻量化、便于操作维护的设计思想。采用PLC控制完成动作命令，是机器人系统的主控系统。该机器人系统直接安装在爬壁机器人本体上，随机器人一起上下运动，使得整个系统的结构更为紧凑。机器人的工作空间为几十米或近百米的高楼外壁面，因此，必须对机器人进行遥控操作，实现人对机器人的远程控制。5.2 机器人控制系统的硬件设计5图51控制系统的硬件原理图控制系统由下位主控计算机、上位监控计算机及上下位机之间的无线射频通讯三部分组成，如图51所示。本机器人系统下位主控器采用的是可编辑逻辑控制器（programmable controller,以下简称为PLC），它被直接安装在机器人本体上，实现对机器人具体动作的控制，同时采集机器人各个时刻运动状态，传送给上位机。之所以选择PLC为下位主控器是由爬壁机器人的控制要求和PLC的特点决定的，工业控制经验表明PLC是一种高可靠性。良好适应性的模块化控制器。5.3 PLC系统设计9105.3.1 PLC的选型由于机器人控制系统为一小型控制系统，因此可以选用小型PLC.另外要实现上下两级计算机间的信息交换，PLC应该具有通讯功能.CQM1型PLC是OMRON公司推出的一种小型PLC，它的CPU单元本身带有RS-232C接口，可以不配备专用通讯模块，用RS232电缆直接与计算机连接，因此我们选用OMRON公司的CQMI型PLC.它的基本组成如图53所示.它采用的是模块化结构，它的电源、CPU.输入输出口都有标准模块，容易扩展，而且结构紧凑，体积较小在本机器人系统中，PLC作为下位机控制单元，其输入主要为各接近开关和操作按钮开关.输出主要为各个电磁换向阀的输出信号.这些开关决定PLC输入输出点数.总共所需要的输入点数为13点，输出点数为12点，考虑到以后扩展的需要，我们选用一块16点晶体管输出模块和一块16点输入模块。5.3.2 系统资源配置根据系统控制要求，I/O分配如表52表52输 入 设 备 输 入 地 址 输 出 设 备输 出 地 址停止按钮SB1I100A缸上升电磁阀YA1Q201启动按钮SB2I101A缸下降电磁阀YA2Q202A缸的上工位信号a1I102B缸上升电磁阀YB1Q203B缸的上工位信号b1I103B缸下降电磁阀YB2Q204C缸的右工位信号c1I104C缸动作电磁阀YC1Q205B缸的下工位信号b0I105D缸夹紧电磁阀YD1Q206A缸的下工位信号a0I106D缸松开电磁阀YD2Q207D缸的松开信号d0I107E缸上升电磁阀YE1Q208E缸的上工位信号e1I108E缸下降电磁阀YE2Q209D缸的夹紧信号d1I109F缸夹紧电磁阀YF1Q210F缸的松开信号f0I110F缸松开电磁阀YF2Q211E缸的下工位信号e0I111F缸的夹紧信号f1I1125.3.3 外部电路接线图5.3.4 梯形图第六章 结论与展望6.1 结论机器人是当今世界各国加大力度研究的前沿科学，它综合了机械、电子、控制、计算机等多学科领域的知识，在某种意义上体现着一个国家科技的发展水平。“墙壁清洁机器人”主要用于城市高楼外墙面的清洗作业。它的研制成功有助于实现建筑清洗行业的自动化，减轻工人的劳动强度，降低成本，有着很高的推广价值。在本文的研究过程中，作者阅读了大量的文献资料，了解国内外“爬壁机器人”的概况。在了解社会对清洁机器人的需求的基础上，针对爬壁机器人的移动和监控特有的问题，进行了系列的研究。在指导老师的的指导下，本文独立的完成了以下几方面的内容：1） 研制了壁面清洗机器人的移动系统，实现了其在壁面的垂直移动能力。并且结构简单，安装方便、可靠。2） 研制了壁面清洗机器人的控制系统，成功的实现了上下两级计算机控制系统对机器人进行控制，对机器人的控制可以直接使用计算机进行远程控制。3） 在壁面的清洗技术上，本文研制的机器人可以实现不同清洗功能的转换。根据实际需要，可以把刷子换成其他如喷漆、冲洗等等。6.2 展望爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。目前我国的高楼清洗都是人工作业，采用清洗机器人后，可实现清洗作业的自动化，并提高作业的安全性，具有主要的社会意义和经济效益。清洗机器人的研发涉及机器人、人工智能、传感、控制、视觉、环境识别、现代设计方法等诸多知识，是多学科交叉综合的结果。此外，还涉及构成各类机器人自身服务功能的各项专有技术。因此要想满足市场需要，各项关键技术必须要有所突破。1.建筑外墙壁结构的复杂性，为壁面清洗机器人的适应性和实用性带来很大的难度。而如何开发一种具有很强的适应能力的壁面清洗机器人将是今后研究的主要课题。2.由于现有附着装置受到各种客观条件的制约，往往需要在建筑的顶端设置保险装置，从而大大增加了整个系统的制造和应用成本，限制了壁面清洗机器人的应用。因此，新型高可靠性的附着技术的开发和应用，对壁面清洗机器人的应用无疑具有很大的推动作用。3.机器人载体设计中的通用性技术的深入研究，如吸附技术、能源供给技术、新材料、多传感器融合技术等，使壁面清洗机器人设计做到面向对象与通用性相结合。4.对清洗装置和清洗方式与机器人路径规划器之间的关系问题应作深入的探讨，找到适合于机器人作业的清洗方式。5.不依赖于具有载体结构的机器人控制体系结构的建立，所得结论将对极限环境自主移动机器人的控制器设计有指导意义。6.建立具有更广泛意义上的壁面清洗机器人作业安全性、运动稳定性分析方法。清洗机器人的特点是安全、高效、价格适中，但由于工作任务的个性化，清洗作业的自动化仍面临着对象化的巨大挑战。从总体上看，各国在实现复杂运动和清洗功能的技术理论和实践上仍需要经历一段成熟期。不管起步多么艰难，清洗机器人正在逐步的切入市场。现在我们已经看到了曙光，相信在不久的将来，清洗机器人将取代人力，成为清洗行业的主力军，也必将吹向服务型机器人大批进入市场的号角。后 记本论文是在杨老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严谨的治学态度，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，杨老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。经过两个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起做设计的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的指导老师。杨老师平时教学工作繁忙，但在我做毕业设计的每个阶段，查阅资料，设计草案的确定和修改，中期的检查，后期的详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。除了敬佩杨老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢我们同一组的同学们，正是有了他们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。参 考 文 献1.张海洪著，机器人壁面自动清洗系统的工程研究，上海大学出版社，20032.陈恳编著，机器人技术与应用，清华大学出版社，20063.机械设计手册编委会，机械设计手册新版第4册，机械工业出版社，20044.FESTO公司，气动产品样本，第28版5.丁学恭编著，机器人控制研究，浙江大学出版社，20066.蒋新松著，机器人与工业自动化，河北教育出版社，20037.路甬祥主编，液压气动技术手册，机械工业出版社，20028.中国机械工程学会，中国机械设计大典编委会编著，中国机械设计大典，第4 卷，江西科学技术出版社 2002.19.余永权，汪明慧，黄英编著，单片机在控制系统中的应用，电子工业出版社，200310.刘高锁主编，单片机实用技术，清华大学出版社，200433