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机械工程师 M E C H A N I C A LE N G l N E E R 攀爬清洁机器人技术综述 刘军。骆瑞杰。康世林 ( 大连科技学院机械工程学院，辽宁大连1 1 6 0 5 2 ) 摘要：文中针对高空清洗作业领域里正在研发的攀爬清洁机器人技术进行了综合分析，详细阐述了攀爬清洁机器人的技 术特点、分类、各类型的优缺点以及适用的场合，并分析了攀爬清洁机器入技术未来的发展趋势。期望对攀爬清洁机器人的 设计和研究提供更多的参考依据，以提高高空清洗作业的工作效率。 关键词：攀爬；清洁：机器人 中图分类号：T P2 4 2文献标志码：A文章编号：1 2 2 3 3 3 ( 2 0 1 6 ) 0 8 0 1 1 0 0 2 T e c h n ic a lR e v ie wo fC l im b in gC l e a n in gR o b o t L I UJ u n ，L U 0R u ij ie ，K A N GS h il in ( C o l l e g eo f M e c h a n ic a l E n g in e e r in g ，D a l ia n I n s t it u t eo f S c ie n c ea n d T e c h n o l o g y ，D a l ia n1 1 6 0 5 2 ，C h in a ) A b s t r a c t ：T h isp a p e ra n a l y z e st h et e c h n o l o g yo fc l im b in gc l e a n in gr o b o tf o ra l o f tc l e a n in go p e r a t io n s ，a n de l a b o r a t e st h e t e c h n ic a lf e a t u r e s c l a s s if ic a t io n ，a d v a n t a g e sa n dd is a d v a n t a g e s ，a n da p p l ic a b l eo c c a s io n so fc l im b in gc l e a n in gr o b o t T h e f u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do ft e c h n o l o g ya b o u tc l im b in gc l e a n in gr o b o tisa n a l y z e d T h isp a p e rc a np r o v id em o r er e f e r e n c ef o r d e s ig na n dr e s e a r c ho fc l im b in gc l e a n in gr o b o tt oim p r o v ew o r ke f f ic ie n c yint h ea l o f tc l e a n in go p e r a t io n s K e yw o r d s ：c l im b in g ；c l e a n in g ；r o b o t 0 引言 在科技飞速发展与人类文明不断提升的今天，高楼 大厦是城市文明的产物，当代社会动辄就是上百米的建 筑，这些高楼普遍存在清洁问题。在竖直的外墙上采用高 处吊板这一危险的传统清洁方式进行人工作业是非常危 险的。所以攀爬清洁机器人成为了当前迫切需要开发的 研究课题。 1 3 本在攀爬清洁机器人这一领域的研究特别突出， 日本N is h iA 教授于1 9 6 6 年设计出第一台爬壁机器人样 机，该机器人使用风扇进气端的低压作为吸附力。 在上一世纪就已相继研究出车轮式磁吸附爬壁机器 人、步行式磁吸附爬壁机器人、吸盘式磁吸附爬壁机器人 以及履带式磁吸附爬壁机器人 我国耙壁机器人的研究相对国外来说较晚。自1 9 9 8 年开始哈尔滨工业大学设计了两款爬壁机器人，一款是 多功能履带式磁吸附爬壁机器人，另一款机器人的吸附 机构是真空吸附，并且是单吸盘的真空吸附| l I 。 1 攀爬清洁机器人技术 攀爬清洁机器人需要具备移动和吸附功能。按吸附 机能来分类可分为磁吸附和真空吸附。磁吸附有电磁铁 和永磁铁两种：这种吸附要求壁面是导磁材料，但是结构 简单，吸附力度远大于真空吸附，而且对壁面的凹凸适应 性好。真空吸附分为真空泵吸附和喷射器吸附，真空吸附 不受限于壁面材料但是若壁面不平整时吸盘容易漏气， 吸附力下降： 基金项目：2 0 1 5 年地方高校国家级大学生创新创业训练计划 项目；2 0 1 5 年辽宁省大学生创新创业训练计划项目 ( 2 0 1 5 1 3 2 0 7 0 0 9 ) 目前国内外使用的攀爬清洁机器人有以下几类：1 ) 车轮式攀爬清洁机器人。这类机器人移动类型为车轮移 动，它可以在大型构造物如船舶油槽等工作场合代替人 类做检查和清洁工作。2 ) 履带式攀爬清洁机器人。这类机 器人多用永磁铁进行吸附，通过履带进行移动。3 ) 步行式 攀爬清洁机器人。这类机器人通过脚交替吸附在壁面上 进行移动。 2 攀爬清洁机器人分类 2 ，车轮式攀爬清洁机器人 车轮式攀爬清洁机器人最显著的优点就是移动速度 快、转向方便。如果用真空泵提供吸附力，则机器人过障碍 的能力比较低，对壁面的要求比较高。采用喷射器吸附会 降低对壁面的要求，提高过障碍能力，但是维持吸附力会 显得略微困难。若是采用磁吸附，则又有着易控制的优点， 但是只适用于导磁壁面。并且电磁铁需要通电，永磁铁脱 吸时也不方便。真空吸附和电磁吸附分别由气缸和电动机 带动。他们不仅增加机器人重量，而且效率并不高。但由于 过障碍能力并不强，车轮式攀爬清洁机器人并不适用于壁 面不平整、有较多障碍的建筑。车轮式磁吸附攀爬机器人 由于吸附能力强，甚至可倒立吸附于壁面，已经在众多领 域开始应用实践。如日本研发的车轮式磁吸附爬壁机器 人，依靠电磁吸附对壁面产生吸附力，机身稳定，最大速度 可达9m m in ，它可吸附在各种大型构造物如船舶、油罐等 的壁面上，代替人进行检查或修理等作业【2 】。 车轮式攀爬清洁机器人本体下有两个前永磁体车轮 和两个后永磁体车轮，即提供了吸附力，也用于移动，如 图1 所示。机器人上的摄像机将观测图像实时反馈给地 面。机械手臂便可完成相应的高空作业。本体上的控制单 11O 2 0 1 6 年第8 期网址w w W j x g c sc o m 电邮：h r b e n g in e e r 1 6 3c o m 机械工程师 M E C H A N iC A LE N G l N E E R 鞠瞳黼龋酾翻簟嗣嗣_ 簟嗣萌落鞫藏醚黼蛹幽壤翡馥萄龋萄鞠礁 元提供了控制设备和连接远程操控端的作用。 2 2 履带式攀爬清洁机器人 履带式攀爬清洁机器人普遍有负载能力大，对壁面 适应性强的优点。尤其真空吸附的履带式攀爬清洁机器 人，设计该产品时可将吸盘置于履带上，越障碍的能力 大。同时，如同各种履带式车辆一样，履带式攀爬清洁机 器人普遍也有转向能力差的缺点。使用真空泵作为真空 吸附动力的机器人着陆面积大，适用于多吸盘结构。使用 永磁体做成的电磁吸附，不需外部能量，移动速度相对较 快，但是脱吸困难。履带式攀爬清洁机器人出于行走方式 的考虑，大多是磁吸附，并且是永磁体吸附。目前使用永 磁体吸附的履带式爬壁机器人具有易控制、过障碍能力 强、速度快的优点，逐渐被各个行业研发并投入使用。 日本研究所开发出履带式磁吸附爬壁机器人这一种 稳定的爬壁机器人。这种机器人使用永磁体作为吸附动 力。他们将永磁体直接装在履带上，多段履带装上导杆， 导杆再用分级连杆连接，如图2 所示。这样一来，机器人可 在更苛刻的壁面上时刻保持履带与壁面的接触，过障碍 能力更强。 电磁铁的电磁吸附吸脱易控制，能便捷地改变磁力大小。 若改用永磁铁则吸附可靠，无需外部能量美国密歇根州 立大学的R L a lT u m m a l a 教授等【q 设计了两种低功耗微型 双足爬壁机器人，这两种机器人都采用的真空吸附式，如 图4 所示。该爬壁机器人主要采用基于D S P 控制的欠驱动 系统，通过三个电机驱动，实现四个自由度的运动，从而 达到爬壁机器人运动的目的。 忽略和不容易发现的问题，以提高机器人的技术水平。届 时清洁机器人有可能完全取代高处吊板这一危险的传统 清洁方式。 参考文献 【I 王尧，冯伟东清洗爬壁机器人国内外研究现状的综述 J 机械 工程师，2 0 1 5 ( 3 ) ：1 4 4 1 4 6 2 柳春辉，赵言正，王炎爬壁机器人技术及应用 J 机器人技术与 应用，1 9 9 6 ( 1 ) ：4 7 网址：w w w j x g c sc o m 电邮h r b e n g in e e r 1 6 3 c o r n2 0 1 6 年第8 期l111 机械工程师 M E C H A N I C A LE N G I N E E R 磁场式舵叶负载施加装置设计 祝玉蓉，朱发新，卢金树，王伟军。李玉乐 ( 浙江海洋大学海运与港航建筑工程学院，浙江舟山3 1 6 0 2 2 ) 摘要：针对目前实验室所使用的舵叶没有负载，不能准确地反映舵叶的实际工作情况和受力状态，文中根据舵叶实际工 作情况，优化设计了一种磁场舵叶负载施加装置，并介绍了该装置的工作原理及主要组成部件，最后进行该装置的可行性 分析。该装置使实验室与船舶运行过程中舵叶负载情况更贴合，实验结果更加准确，更加便于研究。 关键词：舵机；磁场；舵叶；负载施加装置 中图分类号：U6 6 4 4 1文献标志码：A文章编号：10 0 2 2 3 3 3 ( 2 0 16 ) 0 8 0 11 2 0 3 D e s ig no nM a g n e t icF ie l d sL o a d in gE q u ip m e n tf o rR u d d e rB l a d e s Z H UY u r o n g ，Z H U F a x in ，L UJ in s h u ，W A N GW e U u n ，L IY u l e ( S c h o o lo fM a r it im ea n dC iv ilE n g in e e r in g ，Z h e J ia n gO c e a nU n iv e r s it y ，Z h o u S h a n316 0 2 2 ，C h in a ) A b s t r a c t ：T h ec u r r e n tr u d d e rb l a d eu s e dinl a b o r a t o r yh a sn o tl o a d s ，S Oitc a nn o tr e f l e c tt h ea c t u a lw o r k in gs t a t u sa n dt h e f o r c es it u a t io na c c u r a t e l y I tisn e c e s s a r yt og e ta ne f f e c t iv eo p t im iz a t io nd e s ig na c c o r d in gt or e a ls it u a t io n T h isp a p e r d e s ig n sal o a d in ge q u ip m e n tw it hm a g n e t icf ie l d sf o rr u d d e rb l a d e ，a n din t r o d u c e st h ep r in c ip l ea n dm a inc o m p o n e n t s ， a n a l y z e st h ef e a s ib il it yo ft h es y s t e m T h iss y s t e minl a b o r a t o r yw il lb em o r einl in ew it ht h ea c t u a lw o r k ，a n de a s ie rt o s t u d y ，a n dt h er e s u l t sw il lb em o r ea c c u r a t e K e y w o r d s ：s t e e r in ge n g in e ；m a g n e t icf ie l d s ；r u d d e rb l a d e ；l o a d in ge q u ip m e n t 0 引言情况进行有效的优化设计。 舵机作为船舶航向的控制设备，其性能好坏对船舶 航行的安全有着重要的影响【l 】，近年来海上事故频发，船 舶作为大型设备需要在实验室对其进行检验，以尽量提 高其安全性。舵叶的实际所受负载相当复杂，鉴于目前实 验室所使用的舵叶并未被施加负载，不能准确地反映舵 叶的实际工作情况和受力状态，因此根据舵叶实际工作 基金项目：2 0 1 4 年浙江海洋学院核心课程建设项目( 船舶辅 机) ( ) ( 1 4 H 0 4 6 ) ；2 0 1 4 年浙江省课堂教学改革项目 ( k 9 2 0 1 3 1 9 4 ) 。 1 电动液压舵机操作实验简介 J J 电动液压舵机组成及工作原理 如图1 所示为我校轮机工程实验室W Y D 一1 4 0 型电液 舵机的实物图，其组成主要包括拔叉式转舵机构、液压 缸、柱塞、液压泵、油箱、操作台及控制箱组成，其工作原 理如图3 所示。 欲使舵机( 从舵柄处俯视) 转动，先起动液压泵5 ( 或 液压泵1 5 或两台一起起动) ，接着需在操作台发出一个舵 角( 指令舵角) ，该指令舵角信号和舵角指示器8 发出的实 际舵角信号相比较，若指令舵角与实际舵角不同，电气设 备会将两舵角的差值转换为电信号，该信号经放大后，根 据偏差方向的不同，使电液式三位四通换向阀1 l 相应一 侧的电磁线圈通电，于是换向阀阀芯从中位向某一端偏 移，单向定量泵5 ( 或单向变量柱塞泵1 5 ) 排液经单向阀6 、 电液式两位三通换向阀1 2 、电液式三位四通换向阀1 1 、专 用阀组1 0 中的液控单向阀进入一端液压缸( 图3 中柱塞9 左右端各有一个液压缸) ，驱动柱塞9 移动，实现舵机的顺 时针或逆时针转动，回油从另一端液压缸排出，再经过液 控单