（机械电子工程专业论文）高机动性小型清洁爬壁机器人的研究.pdf

中冈科学技术人学i 疃| i ：论史 摘要 爬壁机器人是极限作业机器人的一个分支，能够代替人类在核工业、石化企 业、建筑行业、消防部门、造船等领域中的危险状态下作业，具有极其广泛的用 途和很高的使用价值。自二十世纪六十年代出现以来，一直受到世界各国人们的 广泛关注。 本文首先介绍了爬壁机器人在国内外的发展现状和应用情况，通过查阅大量 幽内外文献资料和借鉴已有的类似成果，理论联系实际，提出了机器人的设计方 案。该机器人可在建筑物玻璃幕墙面或其他形式( 如瓷砖，粉墙) 的墙面行走并 进行清洁工作，具有一定的理论意义和实用价值。 爬壁机器人系统包括机器人本体机械结构、清洁作业装置以及相应的控制系 统三大部分。文中通过对吸附、移动、动力和密封四个方面的分析，设计了一种 单吸盘真空吸附式车轮式爬壁机器人，由充气管裙作为密封机构。 建立了机器人静力学模型，对机器人在壁面上可靠吸附和可能发生倾覆的条 件进行了力学分析，求出机器人防止滑落与倾覆的临界条件。同时还对机器人进 行了运动学分析，建立了运动学模型，在此基础上，对机器人基本运动形式，直 线运动、圆弧运动的实现方式进行分析了。 控制系统主要完成对机器人行走、吸附、清洁等装置的控制，必须具有操作 简单、方便的特点。本文采用的是上位机和下位机两级控制方式。上位机主要用 束完成对机器人路径规划、运动控制、信息处理等，并对下位机发出一系列的命 令，最终实现对机器人的实时监控。下位机主要完成输出动作控制和状念判别等 工作，上位机通过无线通讯方式实现对下位机的控制。 关键词：爬壁机器人，负压吸附，清洁，运动学模型 中罔科掌技术人学唤l 论皇 a b s t r a c t a sat y p eo fl i m i t e do p e r a t i n gr o b o lw a l l c l i m b i n gr o b o tc a nb et a k e dt h ep l a c e o f h u m a nb e i n g st ow o r ku n d e rh a z a r d o u s 跖v i r o f 啦比n s ，s u c k 弱n u c l e a rp o w e rp l a n t s ， p e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e s ，b u i l d i n gi n d u s t r y ，f i r ef i g h t i n ga n ds h i pb u i l d i n ge c c ，i th a s aw i d ea p p l i c a t i o na n dh i g hp r a c t i c a lv a l u e w a l l c l i m b i n gr o b o th a sb e e np r o v o k i n g h i 曲a t t e n t i o nw o r l d w i d e l ye v e rs i n c ei tw a sb o mi nt h e1 9 6 0 7 s a tf i r s t ，t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l yo v e r v i e w st b ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h e w a l l - c l i m b i n gr o b o t ，b a s e d p l e n t yo f r e l e v a n tr e s e a r c hw o r k s a n db i b l i o g r a p h i e s 。a d e s i g ns c h e m ef o rt h er o b o ti sp u t t h ew a l l c l i m b i n gr o b o tc a nw a l ko n t h ec l a s s w a l ls u r f a c eo ro t h e rk i n do fw a l ls u r f a c es u c h 船t i l es u r f a c eo rc o n c r e t es u r f a c e t h e r e s e a r c hp r e s e n t e do nt h i sp a p e ri sv a l u a b l et ot h e d e v e l o p m e n to f t h em o b i l er o b o t s t h ew a l l c l i m b i n gr o b o ts y s t e mc o n s i s t so fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e 。c l e a n i n g s t r u c t u r ea n dc o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s e so ft h ea n a l y s i so ft h es u c k i n g , m o v i n g ， p o w e ra n ds e a l i n g ，as i n g l e s u c t i o nc u pw h e e l m o v i n gt y p ew a l l c l i m b i n gr o b o ti s d e s i g n e d i ti ss e a l e db yi n f l a t e dt u b es k i r t t h ep a p e rs e t su pm e c h a n i cm o d e lw h e ni ti si m m o b i l e ，d i s c u s s e st h ec o n d i t i o n w h e nt h er o b o tc a n n o ts u c ko nt h ew a l ls u r f a c en - l a k e s k i n e m a t i ca n y l y s e s ，a n db u i l d u pt h ek i n e m a t i o ne q u a t i o n b a s i cm o t i o nf o r m so f t h em o v i n gr o b o t ，i n c l u d i n gl i n e a r m o t i o n ，a r ea n a l y e da n di m p l e m e n tb a s e do nn e w l ye s t a b l i s h e dk i m e m a t i c sm o d e lo f t h er o b o t t h ec o n t r o ls y s t e ma c c o m p l i s h e st h ec o n t r o lt a s k so fd r i v i n gd e v i c e ，s u c t i o n d e v i c ea n dc l e a n i n gd e v i c e i tm u s tb eo p e r a t e ds i m p l ya n dc o n v e n i e n t l y t w os t a g e c o m p u t e rp r o c e s s i n gs y s t e mh a sb e e na d a p t e d t h eu p g r a d ec o m p u t e ra c c o m p l i s h e s p l a n n i n gr o u t i n ec r e a t i n gm o t i o n ，a n dc o n t r o lc o m m a n d s t tc a us u p e r v i s ea n dc h a n g e i n f o r m a t i o nw i t ht h el o w - g r a d ec o m p u t e r t h el o w - g r a d ec o m p u t e ra c c o m p l i s h e st h e c o n t r o lt a s k so fc a r r y i n go u tc o m m a n da n dc h a n g i n gi n f o r m a t i o n i ti sr e a l i z e d t h r o u g hw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nl o w - g r a d e c o m p u t e r a n d u p g r a d e t o m p u t e r k e y w o r d ：w a l l c l i m b i n gr o b o t ，n e g a t i v ep r e s ss u c k i n g ，c l e a n i n g ，k i n e m a t i cm o d e l 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 i 司志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库迸行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：域盟 胡年2 ，月f e t 中国科学技术人学颂i ：论文 第一章绪论 1 1 研究的背景、目的及意义 机器人是集机械、电子，计算机、控制、传感和人工智能等多学科理论与技 术的机电体化装备，是2 0 世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上来说， 一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。机器人种 类f i 益增多，性能不断改进，工作领域也在持续扩大。从深海到宇宙，在各种人 体所不能承受的极限环境条件下都能找到机器人的应用f i 】。 爬壁机器人( w a l lc 1 i m b i n gr o b o t ) 是一种移动式服务机器人，它可以在 垂直壁面或顶部移动，是极限作业机器人的一个分支。早在1 9 8 3 年，闩本通产省 就制订了“极限作业机器人”的国家研究计划。由于现代社会中有许多场合必须 采取良好的安全防护措施爿。能实施作业【2 】1 3 1 ，如：原子能发电站中强放射线下的作 、峨海底石油勘测等深水作业，灾害时的消防救援作业等，这些工作对于国民经 济发展的重要性与同俱增。而爬壁机器人作为其中的主要丌发项目得到了蓬勃发 展。目前，国内外已经有相当数量的爬壁机器入投入现场作业，主要应用予以下 几个方面： 1 ) 核工业：对核废液贮罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等 4 】； 2 ) 石化工业：对圆形大罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆 防腐等【5 】； 3 ) 建筑行业：用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并对瓷砖，玻璃壁面进行清沈 等1 6 1 ： 4 ) 消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作等： 5 ) 造船行业：用于喷涂船体或轮船内壁等f 7 】： 6 ) 电力行业：对电站锅炉水冷壁管壁厚度的测量等刚。 现代城市高楼林立，大厦壁面大多数采用瓷砖结构或玻璃幕结构，常年裸露 在外，需要进行许多维护工作，迄今为止，这类工作仍出人工搭乘吊篮进行高空 作业来完成，这种工作方式对人身安全和大楼壁面构成很大威胁，并且这种作业 方式效率低、成本高。 中圈科学技术人学懊i ：论文 1 2 国外爬壁机器人的研究状况 1 2 1 单吸盘真空吸附式爬壁机器人发展状况 1 9 6 6 年，只本大阪府立大学工学部的西亮讲师成功制作了利用j ! ) i 扇进气侧低 压作用作为吸附力的垂直移动机器人的原理样机，并于1 9 7 5 年制作了以实用化为 目标的第二号样机，采用单吸盘结构，这是世界上最早出现的爬壁机器入，如图 l 1 所示1 9 1 。随后出现了各种类型的爬壁机器人，n 8 0 年代术期己经丌始在生产 中得到应用。 图1 一l 西亮的二号样机 f i g 1 - lt h es e c o n ds a m p l eo f n i s h i s 1 9 7 8 年，r 本化工机械技术服务株氏会社就致力于爬壁机器人的研究。研制 成功了核电站炉心内壁上附着物清扫机器人，采用单吸盘结构，由抽气泵产生负 & ，吸盘周围是弹性物质，以适应壁面的凹凸不平，但自身无行走能力，依靠上 部的绞车拖动。这种机器人虽然低级，但自身工作比较可靠。此后，化工机械技 术服务株氏会社又在这种机器人的基础上丌发出一种叫“w a l k e r ”的爬壁机器人， 如图l 一2 所示。“w a l k e r ”具有行走能力，它由上下两个行走滚子和左右两个行 走带轮驱动行走，真空室由滚子和皮带轮自然围成，通过左右滚轮和皮带的速度 左实现转向。 图1 - - 2 “w a l k e r ”机器人 f i g 1 - 2 w a l k e rr o b o t 2 中固辩学技术人学琐i 论文 1 9 8 2 年，同本东京消防厅的消防科学研究所研制出一种消防急救用爬壁机器 人，用来将救护绳等消防工具搬运到失火的高层楼房，解救被困人员，如图卜3 所示。机器人整个本体作为一个真空吸盘，吸盘真空由真空气泵产生。内部有两 个行走履带，转向是通过两个履带的速度差来实现的。操纵由地面操纵台来完成。 图l 4 外壁诊断机器人 f i g 1 - 4 r o b o tf o rd i a g n o s i n gw a l l 此后。闩本的竹中工务店也采用上述方法丌发了壁面诊断机器人，不同之处 是它采用了两个排气扇以增加机器人的负载能力，该机器人已被用于检查建筑物 外壁瓷砖的粘贴状况【1 0 1 。另外，日本的同晖公司也研制了类似的用于放射性废 液储罐检查的壁面移动机器人一i r o w ，如图1 5 所示。i r o w 采用轮式行走机构， 中固科学技术人学颂i 论文 真空室直径为4 0 r a m ，可负重2 0 k g ，最高时速1 2 0 m h ，装有压力、接触、张力、行 程、倾角等传感器。操纵者可以通过摄像机监视和遥控，并且可以携带超声波测 厚装置，测量壁面板材的厚度。 图1 5i r o w 机器人 f i g 1 - 5i r o wr o b o t 1 9 9 8 年，东京工业大学机械与航空工程系研究出一种称为v m 的新式吸盘】， 这种吸盘的结构比较独特，它由多个子吸盘构成，每个子吸盘由各自的阀门控制。 刍r 吸盘当中的任意一个发生泄漏时，其阀门可以及时地关闭。这种特殊的结构 使得吸盘可以在有不规则沟槽的壁面上稳定地吸附。 综上所述，单吸盘爬壁机器人都有一个共同的特点，即皆由与壁面间存在滑 动的单一真空吸盘( 或是机器人本身机壳就是密封装置) 和壁面问形成一个真空 室。这种形式的爬壁机器人可实现小型化、轻量化并且结构简单易于控制。但是 要求壁面有一定的平滑度，越障能力低。对于复杂壁面环境不适应，当遇到较大 沟槽或凹凸面时，吸盘内的负压难以维持，出于存在相对滑动，吸盘裙边磨损较 为严重。 1 2 2 多吸盘真空吸附式爬壁机器人发展状况 由于单吸盘结构对壁面的适应能力比较差，许多学者采用了多个真空吸盘， 进行吸附力分散形式的爬壁机器人的研究，为多吸盘式壁面移动机器人的研制做 出了有意义的探索和尝试。因此，在单吸盘爬壁机器人的基础上，多吸盘结构得 到了迅速的发展。 1 9 8 5 年，只本东京煤气公司与同立公司制作了用于煤气罐检查的壁面移动 机器人，如图卜6 所示。 4 中圈科学技术人学倾i 论义 图卜6 煤气罐检查机器人 f i g 1 - 6c h e c k i n gg a s - j a rr o b o t 1 9 8 8 年，r 本三菱化工研究所研制出了真空吸附式壁面行走机构“v a c s ”， 采用履带式移动方式，履带上有数个吸附室。随着履带的移动，吸附室连续地形 成真空腔而使履带紧贴壁面移动。这种机器人主要作为除尘机械，对壁面进行清 沈、喷涂、检查等。 1 9 9 1 年，同本关西电力综合技术研究所研制丌发了“混凝土建筑物壁面检 查机器人”，也是一种履带式真空吸附机器人，特点是：承载力大，吸附性能好， 移动速度快，但转向较难，如图l 一7 所示。 - 奇j ：2 i ，、 ；：! ， 。黯i 7 ： 商b j ? 。 ：薯：蚤黔，j 1 ，t ； 图1 7 壁面检查机器人 f i g 1 - 7 r o b o tf o ri n s p e c t i o n 1 9 9 1 年，东京大学研制了“n i n j a i ”型四足壁面步行机器人，该机器人 有四条腿组成，共计4 5 公斤。1 9 9 8 年他们又研制成功了带有人工腿采用直角坐 标型汽缸驱动。1 9 9 8 年，又研制成功了w c rr v p 一2 1 型机器人，能够在两个相 互垂直的壁面之间跨越。 中嗣科学技术人学坝i ：论文 1 9 9 4 年，美国v i c h i t a 州立大学的b b a h r 等人研制成功了r o s t a m i i l 多吸 盘真空吸附式爬壁机器人，如图卜8 所示。该机器人由主体和两条腿组成， 每条腿有两个自由度，即相对于主体的旋转和伸缩；并且每条腿上装有两个真空 吸盘：机器入主体上配有四个中央吸盘，中央吸盘可相对于壁面作伸缩运动。通 过中央吸盘和腿的不同运动组合可以使机器人在壁面上自由运动，并能越过一定 高度的障碍。 图l 一8r o s t a m 1 1 1 爬壁机器人 f i g 1 8 r o s t a m - mc 1 i m b i n gr o b o t 1 9 9 8 年，德国a e l e n 商业技术学院研制成功了一种单履带多吸盘爬壁机器 人。该机器人采用特殊的结构形式，克服了以往履带真空吸附爬壁机器人的一些 缺点，如：转弯困难，密封结构复杂等。 1 9 9 8 年，西班牙c s i c 大学的工业自动化研究所研制了一种叫做r e s t 的六 足爬壁机器人【”】，如图1 - 9 所示。在机器人的每一条腿上，具有两个半自由度。 所旧两个半自由度包括：两个旋转自由度和半个垂直移动平面的棱形波动伸缩自 由度。 图l 一9r e s t 机器人 f i g 1 9 r e s tr o b o t 总之，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 是，其结构较为复杂，控制不方便，且转向较为困难。 6 中国科学技术人学坝i ：论文 1 2 3 磁吸附式爬壁机器人发展状况 磁吸附式爬壁机器人虽然只适用于导磁性材料构成的壁面，但能产生较大的 吸附力而且不受壁面凹凸或裂缝的限制。磁吸附式爬壁机器人可以分为电磁体 式和永磁体式两种，电磁体式机器人维持吸附力需要电能，但控制较为方便；永 磁体式机器人不受断电的影响，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附式壁面移 动机器人多为永磁式。 1 9 8 4 年，同本同立制作所的内滕绅司、佐滕主税等人研制出足式磁吸附式 爬壁机器人，如图卜1 0 所示。它配有永磁体的八只脚，内侧四只脚和外侧四只 脚在行走过程中交替吸附于壁面，通过丝杆连接到本体上，丝杆的转动可带动脚 的前后移动。 图1 1 0 脚式磁吸附机器人 f i g 1 - 1 0r o b o to ff o o ts c h e m e 1 9 8 7 年，同本同立制作所的内藤绅司等人研制出了磁吸附履带式爬壁机器 人，如图l l l 所示。永磁体镶在链条上形成磁性履带，履带吸附在壁面上并 能在壁面上行走。由于这种机器人只有两端的永磁体起作用，容易使履带从天棚 上剥落下来，内藤绅司等人又丌发了种载荷分散机构，该机构在履带上加了一 根刚性导杆，从而使得履带由铰链连接变成刚性连接，最终达到载荷均匀分御到 各个永磁体上。 7 中田科学技术人学顾i 论文 图1 1 1 履带式磁吸附机器人 f i g 1 一l l r o b o tw i t hm a g n e t i cc r a w l e r 1 9 8 8 年，开本钢管株式会社开发出车轮型磁吸附爬壁机器入，可以吸附在 备种大型构造物，如：油罐、球形煤气罐、船体等壁面上，用于代替人进行检查 或修理等工作。 1 9 8 9 年，r 本同立制作所的宏漱茂男，今旱峰久等人又研制开发了履带式 磁吸附爬壁机器人，如图卜1 2 所示。将永磁体镶在链条上形成磁性履带，履带 吸附于壁面上行走，并采用了符合分散机构，使载荷均匀地分布于各个永磁体上， 使本体的重心始终处于中心位置，使其适用于曲面壁面。 永基津l 睾l 釉 图l 1 2 履带式磁吸附爬壁机器人 f i g 1 1 2w a l l c l i m b i n gr o b o tw i t hm a g n e t i c 9 0 年代初，英国的r t d 公司推出了轮式磁吸附爬壁机器人。机器人最高爬 行速度为1 2 m m i n ，能爬高2 5 m ，带超声检测与记录机构，可以自动记录每隔一 定距离地壁厚，该机器人已作为商品销售。 目前，同本三菱重工业公司在推出一种磁式喷涂爬壁机器人，它也是一种轮 式结构。该机器人可以吸附在2 0 h m 以上厚度的磁性机构建筑物上，磁力可达 2 0 0 0 n ，机器人通过三个驱动轮进行运动，每个轮都装有个伺服马达，转向是 通过前轮实现的，移动速度可达l o m m i n 。 1 2 4 其它类型爬壁机器人的发展 由于传统机器人的性能受到限制，例如：磁吸附式爬壁机器人受壁面材料特 性的限制，真空吸附式爬壁机器人受壁面凹凸和多孔状况的限制。因此，人们研 制出了其它一些形式的机器人，例如：飞行式、绳索牵动式和粘着剂等爬壁机器 人。 8 中国科学技术人学f 嗍l 论且： 1 9 9 5 年。同本f 日石乾和石崎笃研制出两种型号的粘着剂吸附式微型爬壁机 器入。这种爬壁机器人具有如下特点：不受壁面性能的限制，适应能力强；吸附 力的产生不需要动力装置提供，又因其独特的吸附方式，使其能够安全、可靠地 维持吸附力，结构简单；能够以较小的机构产生较大的吸附力；采用粘着剂吸附 方式，机器人体积不宜过大。 1 9 9 5 年，r 本宫崎大学的西亮教授研制成功用螺旋桨驱动的贴附式飞行爬 壁机器人，该机器人采用汽油发送机驱动两个螺旋桨产生向上的推力及相对于壁 面的贴附力。并于1 9 9 7 年又研制出了一种能够短暂飞行的爬壁机器人【b 】。该种 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念，这种 机器人几乎能够在任何工况下进行工作。 1 3 国内爬壁机器人的研究状况 在国内，爬壁机器人的研究工作虽然起步比较晚，但是发展比较迅速。上海 大学从1 9 8 7 年丌始在国家8 6 3 计划的支持下，率先从事爬壁机器人的研究。此 后，哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学等单位也相继丌展了这 方面的研究，目前已经取得了阶段性的成果【l6 j 。 上海大学特种机器人技术应用研究室丌发了多层框架、多真空吸盘式爬壁机 器入系列，如图卜1 3 所示f m 。该机器人由三层框架组成，内外框架分别可以相 对，j ：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，最大工作移动速度7 0 m m i n ，自重5 0 k g ，负载能力5 5 k g ，越障高度6 0 m m ， 采用无线射频遥控操作。 图l 一1 3 壁面清洗机器人 f i g 1 - 1 3w a l l c l e a n i n gr o b o t 9 中国科学技术人学坝i 论文 哈尔滨工业大学机器人研究所研制j 丌发出了核工业用壁面爬行遥控检查机 器人，通过采用单吸盘真空负压吸附，微机控制和有线遥控，机器人可在平面、 弧形壁面上移动，带功能附件后，可用于壁面检查、清扫、喷涂等作业。为了迸 一步拓展爬壁机器人的应用，他们将单吸盘爬壁机器人进行改造，并丌发了整套 用于壁面清洗的爬壁机器人系统：c l r l 型清沈机器人f l s l 1 9 1 ，如图卜1 4 所示。 由于清沈作业对定位精度要求不高，c l r 一1 型清沈机器人采用两轮移动机构取代 了全方位移动机构，运动更加灵活。操纵盒与机器人之问通过电力线载波遥控操 作。缆车一方面起到保护机器人本体的作用，另一方面提升电缆的重量，减轻机 器人的负重，保证机器人具有一定的爬高作业能力。在已有型号的基础上，哈工 火机器人研究所又研制了c l r - 2 型清洗机器人 2 0 l ，如图1 - 1 5 所示。它体积更小， 运动更灵活，操作控制更加简便。 图t 一1 4c l r 一1 型清洗机器人 f i g 1 - 1 4 c l r 一1c l e a n i n gr o b o t 图1 1 5c l r - 2 型清沈机器人 f i g 1 - 1 5 c l r 一2c l e a n i n gr o b o t 北京航空航天大学机器人研究所在1 9 9 4 年研制丌发了一种擦窗机器人，它 借鉴兢空航天技术，机器入主体部分为一涵道风扇，出电机驱动以产尘指向壁面 的推力，由装在楼顶的缆车通过缆绳拉动，实现机器人的上下运动。其移动机构 部分不带动力，仅为四只导向轮，机器人的行走路线是由四只导向轮控制。在此 基础上，北京航空航天机器入研究所的北京硅景集成技术有限公司还合作研制开 发了一种新型擦窗机器人一3 w 擦窗机器人，如图卜1 6 所示。它是风扇式擦窗机 器人，采用连续擦沈方式进行清洗作业，它通过楼顶的缆车行走系统和遥控指令 盒束控制机器人作业。 l o 中国科学技术人学颂l ：论文 图l 1 63 群擦窗机器人 f i g 1 - 1 6 3 ww i n d o wc l e a n i n gr o b o t 上海交通大学研制丌发出测量油罐容积履带式磁吸附爬壁机器人1 2 1 2 2 1 ，如 罔1 - 1 7 所示。根据检测需要，机器人本体上装有位置及姿态传感器，为防止机器 人从壁面上脱落，采用了载荷分散机构。机器人总重1 4 6 n ，可负重2 0 0 n ，行走速 度2 m m i n 。 图1 1 7 油罐容积检测用爬壁机器人 f i g 1 - 1 7 v o l u m em e a s u r e m e n tr o b o t 哈尔滨理工大学研制丌发了测量金属大罐漆膜厚度的轮、履带复合式磁吸附 爬壁机器入，如图1 - 1 8 所示。这种爬壁机器人的机构由履带式驱动轮和磁性导 向轮两部分组成。出于采用了弹性悬架和前轮的减振弹簧使得车轮在行迸中能有 效得吸收能量，在遇到障碍的时候能柔顺地前进。 中圈科学技术人学顾 j 论文 卜支架，2 一减振弹簧，3 一叉架，4 一磁性导向轮。5 一磁性支重轮，6 一台车架， 7 一履带，8 一驱动轮 图卜1 8 涂层检测用爬壁机器人 f i g 1 - 1 8 t h i c k n e s sm e a s u r e m e n tr o b t 1 4 爬壁机器人的性能比较和分析 爬壁机器人要实现在壁面上作业，最关键的就是必须具有两个基本功能：贴 附功能和移动功能。贴附方式一般有吸附式和把持式。移动方式一般有车轮式、 履带式和脚步行式。这些不同方式可以进行多种组合，构成多种风格的爬行机器 人。吸附式是通过面接触方式紧贴于一般的壁面上，通常对于壁面无特殊要求。 而把持式一般要事先在壁面上设置梯子或突起把手等设施，所以其应用受到一定 的限制。吸附方式又有真空吸附和磁吸附之分，其中真空吸附式用得最多，因为 它对壁面材料的要求不是十分严格。 对于单吸盘真空吸附式爬壁机器人，吸附真空度的保持主要依赖于密封装置 来维持。故而，壁面状况对其真空度的保持影响较大。而且密封装置在机器人移 动时一般与壁面日j 存在滑动，易磨损，对壁面适应性差。跨越沟槽或凹凸面时， 若密封装置不可靠，则真空度不易于保持，安全性能差。多吸盘脚式真空吸附式 爬壁机器人虽然对壁面适应性增强了，但移动是间断的，且移动速度也较慢。多 吸盘履带式真空吸附爬壁机器人是在履带上装有多个独立的吸盘室。各室构成独 立的吸附盘。多吸盘履带式真空吸附爬壁机器人综合了多吸盘脚式和单吸盘轮式 的优点，使机器人不仅移动速度快，而且吸附可靠，越障能力强，对壁面适应性 好。即使部分吸附盘不能吸附时，其它吸盘照常吸附，保证了机器人在壁面移动 安全可靠；并且行走时壁面与吸附带无滑动。但在机器人做急转弯时，履带与壁 研h j 存在滑动，吸附带受到较大磨损。 飞行式机器人或其它推力式机器人的主要优点是它能够适应各种壁面且具 中田科学技术人学幔i 论文 有较强的避障能力。但是这种机器人负重能力非常差而且不容易控制。ri ；i 看来 离实际应用还有较大距离。综合以上分析，本文把各种机器人的结构形式以及它 们的优缺点在下表中列出进行比较。 吸附方式优点缺点 允许有一定程度的泄漏面吸盘无冗长性，如果断电， 积。允许壁面有凹凸，可采本体将丧失吸附能力；不能 真单吸盘 用低真空方式；爬行速度跨越较大障碍；负载能力不 空 快；行动灵活；易于控制 大 吸 吸盘尺寸小，密封性较好， 结构复杂，转弯较为困难： 附 断电时有一定冗长性：负载 壁面若有凹凸或裂缝，将会 式 多吸盘 能力较大；能跨越一定的障有真空泄漏 碍；较易于控制 维持吸附力不需要耗能，安只能在导磁壁面上爬行；步 磁永磁体全；负载能力较大；易于控行时磁体与壁面离合需要很 吸 制大的力 附 磁铁与壁面问的离合很容 只能在导磁壁面上爬行；维 式 电磁体易；负载能力较大；易于控持吸附力需要耗能，电磁体 制本身质量很大 推力吸附式无泄漏问题，对壁面形状、负载小；难于控制；噪音大， ( 飞行式)材料适应性极强体积大，效率低 表l 一1 爬壁机器人三种吸附方式的比较 1 a b 1 - 1t l l e c o m p a r i s o n o f t h r e e a b s o r p t i o ns c h e m e s o f w j l l - c l i m b i n g r o b o t s 1 5 本章小节 随着现在社会的发展，高楼大厦日益增多，而环境又同益恶化，高楼大厦的 壁面清洁问题也突出起来，本章首先阐述了爬壁机器人研究的目的意义，然后进 。一步介绍了国内外爬壁机器人研究现状，并对各种机器人的性能进行了简单评 价，讨沦了它们的优缺点。 中国科学技术人学顾l ：论文 第二章爬壁机器人总体设计 2 1 引言 随着人们生活水平的不断提高，人们对生活环境提出了更高的要求。在建筑 业，出于玻璃的采光性好、保温防潮性能好，彩色玻璃实用美观，高层建筑的外 壁越来越多地采用玻璃幕墙结构，但是玻璃幕墙面的清洁作业几乎是所有清洁工 作中最为困难的。 人们研究爬壁机器人的一个主要目的是用于清洁高楼建筑的玻璃幕墙面，以 代替人工擦沈。目前国内已有数种原型样机相继问世【2 3 】1 2 4 1 ，但它们都有一些共 同特点：大体积大重量，结构趋向于大型化。基于此，本文研究了一种基于负压 吸附原理的高机动性小型清洁爬壁机器人。它具有体积小，机动性好的特点，可 以在建筑物玻璃幕墙面或其他形式( 如瓷砖，粉墙) 的平整墙面行走并进行清洁作 业，特别适用于清洁面积不是很大而又不便于人工清洁的墙面。 2 2 总体设计目标 机器人是高度复杂的智能化系统，一般来说包括本体部分和控制系统以及周 边辅助部分。一套好的机器人系统往往是机械本体设计和控制系统设计密切配 合、相互促进的结果。机械部分既是机器人功能实现的基础，也是控制系统设计 的出发点和主要参考依据。因此爬壁机器人的总体设计目标着重考虑以下几点； ( 1 ) 移动功能：能够在平整壁面上自由爬行，可以灵活自如地调节行走的 速度： ( 2 ) 吸附功能：能够安全可靠地吸附在各种表面材料的壁面上，如高层建 筑物全封闭玻璃外墙、瓷砖、粉墙、漆墙、大理石墙等； ( 3 ) 转向功能：具有较好的转向功能，使得机器人能够到达平面内任意位 置： ( 4 ) 控制系统：重量轻、体积小，操作监控方便，运算速度快，保证信号 通讯的实时性、可靠性，能够进行多任务的实时处理，满足各项控制的要求，并 h 司靠性高。 1 4 中周科学技术人学琐j 。论文 2 3 机器人的系统构成 为实现在壁面上的清洁作业，机器人必须具备以下两种能力：对壁面吸附的 能力和在壁面上移动的能力。此外，还要有相应的清洁作业功能。机器人主要包 括机器人本体、清洁系统和控制系统三大部分，如图2 1 所示为机器入机械结 构。 蓖 熙 歼 c 二7 弋二7 ( a ) l 直流电机；2 真空泵；3 电池盒；4 车体；5 红外传感器；6 固定架；7 电路 叛安装凸台；8 吸盘；9 橡胶车轮；1 0 清洁刷盘 图2 1 爬壁机器人机械结构( a ) - 维装配图( b ) - - 维装配图 f i g 2 - lm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo f w a l l c l i m b i n gr o b o t ( a ) t w od i m e n s i o n a l a s s e m b l ef i g u r e ( b ) t h r e ed i m e n s i o n a la s s e m b l ef i g u r e 2 4 爬壁机器人的本体结构设计 爬壁机器人本体是执行壁面移动平台和任务搭载平台，是机器人壁面爬行系 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。 2 4 1 吸附机理及吸附方式的选择 鉴于以下原因，本文采用了单吸盘真空吸附的方式。 1 、玻璃幕壁面比较平整，无大的突起物和沟槽，并且为非导磁材料，考虑 爬攮机器人系统的使用范围，采用真空负压吸附方式是一种合理可行的方式。 中国科学技术人学硕i 。论文 2 、单吸盘结构简单，控制容易，可以连续作业，从而提高爬壁机器人系统 的作业效率。利用吸盘弹性裙边的变形可以较好地适应壁面的凹凸不平，保证吸 盘与壁面可靠密封。维持吸盘内的真空度。 如图2 2 所示，单吸盘吸附机理是通过真空泵或其它真空发生装置在一个 盘式吸附腔内形成一定的真空度，利用内外压差提供对墙壁的贴附力。当吸盘腔 在壁面上移动时，出于泄漏进入负压腔内的气体泄漏量与真空泵或排风机从负压 腔内抽出的气体总量相等。这样在负压腔内就建立了一个动念平衡的稳定负压。 当泄漏气体总量与泵抽出气体总量相同时，负压腔内形成负压平衡，负压产生的 吸附力为： f = p x s = ( p 0 0 ) x s ( 2 - 1 ) 此时： q i i n 山= q 泄赫 式中：s 为吸盘面积； 9 j i | 群：泄漏气体总量；q 删；：泵抽出气体总量； p q ：大气压强；r ：吸盘腔内压强；p ：吸附压强 图2 2 单吸盘负压吸附机理 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo f n e g a t i v ep r e s s u r es u c k i n gw i t hs i n g l es u c k e r 2 4 2 移动机构 爬壁机器人的关键技术主要是爬行机构和吸附机构两大部分。本体机械系统 设计是爬壁机器人的基础，它是其它系统的载体和机器人各种动作得以完成的保 证。在进行本体机械系统设计之前必须确定机器人的移动方式。目前爬壁机器人 叫种移动方式的特点比较见表2 - - 1 所示。 6 中国科学技术人学颂l 论文 杉园l 危或原理优点 缺点 由多层框架组成交 固定吸附，吸附能力 移动是闻歇的，移动速 框架式大，承载力强，能跨 替移动或转动度慢 越规则的壁面障碍 出多个脚的反复吸 越障及承载能力强， 结构复杂，阿歇移动， 脚步行式机动性较好，具有较速度慢，当足数、关节 附、脱落移动机器人 强的壁面适应能力数多时控制比较复杂 由电机驱动履带，推 接触面积大，承载能 履带式 力大，速度快，壁面 履带磨损大，结构复杂， 动机器人自u 迸机动性较差，不易转向 适应性强 配置多个车轮，每个 速度快，控制简单， 车轮式 容易转向，壁面适应 接触面积小，越障能力 车轮有电机驱动 差 能力强 表2 一l 机器人四种驱动方式的比较 t 曲2 lt h ec o m p a r i s o no f f o u rm o v es c h e m e so f r o b o t s 综合比较目自口所研制出来的爬壁机器人的各项性能，框架式、履带式、车轮 式载体对玻璃壁面这种表面平整、结构化的极限作业环境有较高的适应性，有望 成为爬壁机器人走肉实用化的突破口。具有高效的工作速率、灵活的操作性能始 终是机器人发展的个大方向，并具有更好的实用化静景。因此选用车轮式驱动 的移动方式。 2 4 3 动力驱动系统 芝方式 气压传动液压传动电机传动 项目 结构重量 轻 重一般 控制距离中短短 不限 信号转换容易较难很容易 技术成熟性好好好 构造难度方便一般一般 可靠性好好好 负载能力 一般 较大较大 可控性一般好好 表2 2 机器人三种驱动方式的比较 t a b 2 - 2t h ec o m p a r i s o no f t h r e ed r i v es c h e m e so f r o b o t s 中国科学技术人学域i + 论义 机器人的驱动方式可采用气压驱动、液压驱动、电机驱动等三种。不同的动 力驱动方式具有不同的特点，选择哪种作为动力源，可以根掘应用的场合以及具 体的要求束选择。不同的驱动方式的往能比较如表2 2 所示。 爬壁机器人作为自主移动机器人的一种特例，应具有良好的灵活性，一方面 要求机器人载体重量轻，另方面更要求与周边的环境相对独立。作为地面设备 常用的液压驱动由于结构较重，元件密封技术隐患等诸多不利因素，不适宜成为 高空机器人的驱动方式。气动系统虽然具有重量轻、成本低的特点，但是由于气 体的可压缩性和系统气路上的众多元件，导致系统的线性度低，实现系统的精确 位置控制比较困难，系统的抗干扰能力较差。相对于气压驱动和液压驱动，电机 电机 主要特点 构造与i ：作原理 控制方式 类州 接通直流电就能i ：作；控 由永磁体定子、电刷和换转速控制采圳电压控制方 制简单；启动转矩大、体向器构成；通过电刷和换式，两者成止比：转矩控 直流 积小、重鼙轻；转速和转向器的电流方向随转子的制采h j 电流控制方式，两 伺服 矩容易控制，效率高；需 转动角度而变化，实现连者也成止比 i 电机 要定时维护和更换屯刷， 续转动 使川寿命短、噪声人 使埘交流电，没有屯刷和按结构分为同步和l 异步电 分为电压控制与频率控制 交流 换向器，无需维护；驱动机：无刷直流电机结构与两种方式，异步电机通常 俐服 电路复杂，价格高同步电机相同，特性与直采川电压控制 电机 流电机相同 直接h j 数字信号控制，与按产生转矩的方式可以分 永磁式是单向励磁，精度 计算机接口简单，没有电为：永磁式。反应式和混高，但易火步；反麻式是 步进刷，维护方便，寿命长；合式。混合式能产生较人烈向励磁，输山转矩人， 电机缺点是能莓转换效率低， 的转矩，虑h 广泛转子过冲小但效率低： 易火步，过载能力弱 混合式是单一般相励磁，分 辨率高，动转平稳 表2 3 不同电机的特性、工作原理与控制方式 t a b 2 - 3t h ec h a r a c t e r i s t i c ，f u n c t i o na n dc o n t r o lm o d e lc o n t r a s to f d i f f e r e n tm o t o r 中国辩学技术人学坝j 论文 驱动方式可采用有线或无线通讯，各种控制方法成熟，利用电机的良好控制特性 完成机器人的位置和力控制。因此选用电机驱动的方式作为机器人的驱动方式。 在电动执行机构中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实 现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直流电机。对于小型移动机器入的控 制，较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机2 5 1 ，它们的特 性、工作原理与控制方式如表2 3 所示1 2 6 ： 直流伺服电动机具有良好的起动性能和调速性能，通过改变励磁方式就可获 得不同的运动特性。直流电动机车体尺寸较小。与步进电机相比，直流电动机具 有更小的体积和更少的功耗，广泛应用于工业机器人、计算机外围设备以及高精 度伺度系统中。 通过对比，本系统的电机最终选用e m 2 2 2 4 直流电机。它的部分参数如下： 额定电压：6 v 额定功率：4 2 w 窄载转速：8 2 0 0 r p m 转矩常量：g 9 2 m n m h 空载电流：2 9 t l l a 机电时问常数：1l m s 光学编码器分辨率：1 2 8 p p r 减速比：8 ：l 2 4 4 密封机构 对于单吸盘真空吸附式爬壁机器入，密封机构的主要功能是使吸盘的空气泄 漏量维持在一个允许的范围内，从而保持机器人吸盘腔内的真空负压，使得机器 人能够町靠地贴附在壁面上，并且可以在壁面上爬行。由于高层建筑物的外壁面 不是非常光滑和平整的，可能会存在一些缝隙或微小的凸起，如果不能保证吸盘 与壁面之问的良好密封，则吸盘内的真空就不能保持，爬壁机器人就不能j f 常工 作，甚至会出现机器人在壁面上滑落或倾覆等严重危险情况，所以说，密封机构 的设计是真空吸附式爬壁机器人设计过程中必须解决的关键技术之一。 单吸盘真空吸附式爬壁机器人在壁面上移动时，吸盘上的密封裙边与壁面之 m 存在相对运动，这就要求密封装最不仅能适应壁面一定程度的凹凸不平，实现 1 9 中周辩学技术人学烦i 论义 吸盘的可靠密封，又应具有良好的耐磨性和一定的寿命。吸