（机械设计及理论专业论文）新型载体高楼壁面清洗机器人.pdf

摘要 使用壁面清洗机器人进行高层建筑壁面自动清洗，其关键技术为机器人的载 体方式及清洗技术。本文研究的目的是设计一种更可靠，适应面更广的高层建筑 清洗作业系统，以提高清洗效率，彻底改善清洗人员的工作条件，该机器人因此 具有极高的推广应用价值。 本文作者通过查阅大量国内外文献资料，对国内外爬壁机器人包括壁面清洗 机器人的技术研究现状进行系统分析，提出一种新型的载体方式，并基于技术实 现的考虑，深入分析了该机器人在理论和实际开发中存在的技术难点，研制了串 联索控壁面清洗机器人。所研制的机器人具有较强的楼面适应能力，清洗效率高， 清洗效果好，节约用水，可靠性高等特点。 串联索控方式的壁面清洗机器人由载体机构、清洗机构、张力控制机构三部 分组成，清洗机构又包括清洗作业装置、风机推进装置、液压顶起装置、底轮机 构。本文进行了该清洗机器人的结构设计，并在此基础上对机器人进行了运动分 析及上行工作过程中的动力学分析，充分考虑了高空风力的作用，提出了机器人 运行走偏的补偿方法。 另外，对壁面清洗机器人的控制方案进行了初步研究。根据机器人的结构及 运动特点，采用分布式控制方式，并对主要硬件进行了选型，保证了清洗机器人 系统整体可靠性、实用性。 机器人载体方式一直是爬壁机器人亟待解决的问题，本文有针对性地对串并 联索控方式进行了分析，为此类载体方式机器人的设计提供了理论依据，对其他 类型的机器人设计也有一定的借鉴作用。 关键词：爬壁机器人清洗机器人载体方式串联索控结构设计 i n u s i n gw a l l - c l e a n i n g r o b o t sf o rh i g h - r i s e b u i l d i n g s ，a s t h em e a no f w a i l c l e a n i n ga u t o m a t i o np r o c e s s ，t w ok e yt e c h n i q u eq u e s t i o n ss h o u l db es o l v e d t h e ya r ec a r r i e rf a s h i o na n dw a l l c l e a n i n gt e c h n i q u e al 【i n d o fm o r cr e l i a b l e a d a p t a b l e t om o r ew a l l s ，m o r ee f f i c i e n tw a l l c l e a n i n gr o b o ti sd e s i g n e di n t h i s d i s s e r t a t i o n b a s e do nh a v i n gr e a dl o t so fh o m ea n da b r o a dr e f e r e n c em a t e r i a l sa n da n a l y z e d s y s t e m l yt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fw a l l c l i m b i n gr o b o t si n c l u d i n gw a i l - c l e a n i n g r o b o t sf o rs k y s c r a p e r s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wt y p eo fc a r r i e rf a s h i o n a n di n t h i sp a p e r , t h es e r i a l - - c a n ec o n t r o lw a i l - - c l e a n i n gr o b o tf o rh i g h - r i s eb u i l d i n g si s d e v e l o p e d a f t e r a n a l y z i n g t h e t e c h n i q u e d i f f i c u l t i e si n t h e o r y a n d p r a c t i c a l d e v e l o p m e n tw i mt h ec o n s i d e r a t i o no f t e c h n i q u ea p p l i c a t i o n t h ec l e a n i n gs y s t e mo f t h es e r i a l - - c a b l ec o n t r o lw a l l - c l e a n i n gr o b o ti sd e s i g n e di n d e t a i l si nt h i sp a p e r i tc o n s i s t so fc l e a n i n gd e v i c e ，f a np r o p u l s i o nd e v i c e ，h y d r a u l i c p r e s s u r e l i f td e v i c ea n db o t t o m w h e e l sd e v i c e o nt h eb a s i so ft h i s d e s i g n ，t h e k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c si sa n a l y z e da n dt h ec o m p e n s a t i o nm e t h o df o r u i ld e f l e c t i o n i sg i v e nw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no f w i n d i na d d i t i o n ，t h ec o n t r o ls c h e m eo ft h ew a i l c l e a n i n gr o b o ti ss t u d i e di n t h i s d i s s e r t a t i o n c o n s i d e r i n gt h ec o n s t r u c t i o na n dr u n n i n gf e a t u r e so fr o b o t ，t h i sp a p e r a d a p t st h ed i s t r i b u t i n gc o n t r o lm o d e i tg u a r a n t e e st h er e a l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo f t h ew h o l er o b o ts y s t e m i ti sq u i t eu r g e n tt os o l v et h ec a r r i e rf a s h i o np r o b l e m i nt h i sp a p e r , c a b l ei n p a r a l l e la n di n s e r i a lc o n t r o lc a r r i e rf a s h i o n sa r ea n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r y r e f e r e n c ef o rn o to n l yt h i sk i n do f c a r r i e rf a s h i o nr o b o tb u ta l s oo t h e r s k e yw o r d s ：w a l l c l i m b i n gr o b o t ；c l e a n i n gr o b o t ；c a r r i e rf a s h i o n ；s e r i a l - c a b l ec o n t r o l ； s t r u c t u r ed e s i g n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘翌或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕叠盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孰奄丽导师签名： 锄z - 呻 签字日期：加d 5 年f 月少日签字日期：r 年，月r 日 第章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 壁面清洗爬壁机器人( w a l l c l e a n i n gr o b o t ) 属于移动式服务机器人( s e r v i c e r o b o t ) 的一种，可在垂直壁面及屋顶移动( c l i m b i n ga n dw a l k i n gr o b o t ) 进行 物体表面的清洗作业。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，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。清洗用的机器人就是近期急待开发的服务机器人之 一，而高楼壁面清洗机器人同时作为爬壁机器人的一个分支，越来越受到人们的 重视，原因是爬壁机器人作为高空极限作业的一种自动机械装置，可以代替人进 行危险作业，把人们从恶劣的工作环境中解脱出来。日本对爬壁机器人的研究处 于领先水平，早在1 9 8 3 年，日本通产省就制定了“极限条件下作业机器人”的 国家研究计划 2 】，其中爬壁机器人被列为主要研究开发项目。目前国内外已有一 定数量的爬壁机器人投入现场作业。 人类社会不断进步，科学技术曰益发展，人们对生活质量和工作环境的要 求越来越高，现代城市高楼林立，大厦壁面很多采用瓷砖结构或玻璃幕墙结构， 常年裸露在外，必须进行维护清洁。长期以来，高楼大厦的外墙壁清洗，都是“一 桶水、一根绳、一块板”的作业方式。迄今为止，大楼壁面清洗的自动化设备尚 未得到很好解决，这类工作仍由人工搭乘吊蓝吊凳进行高空作业来完成( 如图 1 1 所示是目前几乎所有玻璃幕墙建筑物清洁外表面的方法) ，高空气流使吊蓝和 工作人员难以平衡，对人身安全和大楼壁面构成很大的威胁( 如图1 - 2 所示青年 时报于2 0 0 4 年4 月5 日刊在第四版显著位置的一篇报道) ，并且这种作业方式效 率低、成本高。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、无大的障碍，如图1 3 所示，非常适合采用壁面 清洗机器人进行清洗。 清洗爬壁机器人的使用将大大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。而目前用于这方面的设备上没有得到 很好的解决，尤其在载体方式方面，世界上有很多国家都开展了这方面的研究工 作。因此，本论文展开了新型载体方式高层建筑清洗爬壁机器人系统的研究，本 课题项目的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命， 也为爬壁机器人载体方式提供了一种新的思路。 第一章绪论 图1 - 1 清洗高层建筑壁面 c l e a n i n gt h ew a l lo f h i g h - r i s eb u i l d i n g 图1 2 青年时报报道 ar e p o r to f t h ey o u t ht i m e s 1 2l 皂壁机器人的分类及特点 图1 - 3 高层建筑的全封闭玻璃幕墙 c l o s e de n t i r e l yg l a s sw a l lo f h i g h r i s eb u i l d i n g 机器人能够在壁面上自由移动并且进行作业，必须具备三大功能，即吸附功 能、移动功能、作业功能，吸附与移动功能即决定于机器人载体方式，现有爬壁 机器人主要按吸附和移动功能来进行分类的【l j 【2 j 【3 j 。 1 按照吸附功能分类，爬壁机器人可分为：真空吸附、磁吸附和推力吸附 三类。真空吸附法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， 但当遇到壁面接缝时吸盘易漏气，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。磁吸附法分为永磁体和电磁体两种产生磁力的方 式。 推力吸附借鉴了航空技术，使用螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力，使机 器人稳定、可靠地贴附壁面上，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1 9 9 0 年推出的一种推进型壁面移动机器人。 2 按移动方式分类爬壁机器人可分为车轮式、履带式、脚足式。 2 按移动方式分类爬壁机器人可分为车轮式、履带式、脚足式。 第一章绪论 根据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。 1 3 国外爬壁机器人载体方式的发展概况 1 3 1 真空吸附式_ e 壁机器人发展概况 1 9 6 6 年，日本大阪府立大学工学部的西亮讲师成功制作了世界上第一台垂 直壁面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。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。 1 9 8 2 年，东京消防厅的消防科学研究所研制了一种采用单吸盘双履带结构的 消防急救用爬壁机器人，用于将救护绳等救援物资搬运到失火的高层楼房，以解 救被困人员。 1 9 9 0 年，俄罗斯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1 2 j ，它采用单吸盘结构，吸盘内有移动机构、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，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。 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 对滑动的单真空吸盘或是机器人自身的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，由于存在相对滑动，吸盘裙边磨损厉害。 由于单吸盘结构对壁面的适应性比较差，许多学者开展了采用多个吸盘分散 吸附力的多吸盘爬壁机器人的研究，在单吸盘的基础上，多吸盘爬壁机器人的研 究得到了迅速发展。 1 9 8 2 年，日本宫崎大学的西亮教授研制出了双足爬壁机器人【3 j 。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，通过两条腿的交替吸附实现机器人在壁面上的移动。 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。 1 9 8 8 年，日本化工技术服务株式会社研制成功了多吸盘履带式真空吸附爬壁 机器人“v a c s ”。主要技术特点是在履带上做出多个独立的吸附室( 小吸盘) ， 当某个吸附室与壁面相接触时，它就自动与真空管路相连而形成真空腔；而当吸 第一章绪论 附室与壁面脱离时，能自动与真空管路断开而连接大气。“v a c s ”左右的两条 履带中间有一个中央吸盘，用以实现机器人大角度转向，这种结构的爬壁机器人 具有如下三大优点：移动是连续的；吸盘与壁面间没有相对滑动，吸盘不易磨损； 对壁面的适应性强。其缺点是：机构复杂，转弯不易。日本关西电力综合技术研 究所已采用该技术做出了“混凝土建筑物的壁面检查机器人”。 世界上除日本之外，其他国家也开发了多种爬壁机器人。1 9 8 6 年美国国际机 器人公司研制了用于清洗摩天大楼的爬壁移动机器人s k y w a s h e r ，如图1 - 4 所 示。该机器人的移动由两组l 型手臂相对滑动，交替吸附来实现，每组手臂有三 只脚掌，每只脚掌上有两只真空吸盘，吸盘相对于壁面可以作直线运动，该机器 人允许横向移动，并可跨越一定高度的障碍。 1 9 9 4 年，美国w i c h i t a j + 立大学的b b a h r 等人研制成功了r o s t a m i i i 多吸盘 真空吸附式爬壁机器人。 1 9 9 5 年，佛如里达大学的p h i l l i pd a d s i t 等人研制了多吸盘框架式爬壁机器 人。该机器人是针对检查核反应堆来设计的，机器人主要有真空系统、回转、直 线运动系统和作业系统构成。 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成功了一种叫做r e s t 的 六足爬壁机器人。机器人采用动物型腿，在每条腿上具有两个半自由度，即两个 旋转自由度和半个垂直于移动平面的棱柱形被动伸缩自由度。同年，德国a a l e n 商业技术学院研制成功了一种单履带多吸盘的清洗爬壁机器人，如图1 5 所示。 综上所述，多吸盘真空吸附式爬壁机器人，负载能力大，对壁面适应能力好， 但其结构比较复杂，控制不方便。 图l - 4 “s k y w a s h e r ”爬壁清洗机器人 “s k y w a s h e i c l e a n i n gr o b o t 1 3 2 磁吸附庭壁机器人发展概况 图1 - 5 德国的履带式清洗机器人 c r a w l e rr o b o t o f g e r m a n y 如果壁面材料为导磁材料时，采用磁吸附有很大的优点。 1 9 8 4 年，日本制作所的内藤绅司等人研制了脚式磁吸附爬壁机器人。 第一章绪论 1 9 9 9 年，英国凤凰公司研制了一种采用永磁体车轮贴附在壁面上，用于焊缝 无损探伤的爬壁机器人。 1 9 8 9 年，日本东京工业大学的广濑茂男等人研究了吸盘式磁吸附爬壁机器 人。吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大， 并且在遇到壁面的突起或焊缝时，可以让吸盘一个一个地翻越，可以保证机器人 运动平稳和吸附可靠。 1 3 3 其他类型的爬壁机器人发展概况 磁吸附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。1 9 9 5 年，日本宫崎大学的 西亮教授研制成功了用螺旋浆驱动的飞行爬壁机器人【3 l ，如图1 - 6 所示。该机器人 采用汽油发动机驱动两个螺旋浆产生向上的推力和指向壁面的贴附力。 1 9 9 7 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。 该机器人有两个主螺旋浆提供推升力，八个小螺旋浆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。 1 9 9 8 年，东急建设技术研究所开发了绳索牵引式爬壁机器人，如图1 7 所示。 该机器人用于检测壁面瓷砖的贴合状况，采用真空吸附方式使机器人贴附在壁面 上，利用屋顶两台电机的速度配合，实现机器人在5 x 3 0 m 2 范围内的自由移动。 粘着剂吸附方式主要针对真空吸附方式中存在的壁面凹凸和多孑l 状况造成 吸盘气体泄露问题，以及磁吸附方式中存在的壁面材料特性的问题，采用粘着剂 的粘力来实现爬壁机器人的吸附机能。粘着剂吸附式爬壁机器人的典型代表是： 1 9 9 5 年，日本田口斡和石崎笃研制的粘着剂吸附式微型爬壁机器人，如图1 8 所示。 图1 - 6 推力型爬壁机器人 p r o p e l l e rt y p er o b o t k 一；i 一 露一卜嚣一 r 弋? 。 ! 萨 二：霸基_ t ： 图l 一7 绳索牵引式爬壁机器人 c a b l et o w i n gr o b o t 图1 - 8 粘着剂爬壁机器人 a d h e s i v er y p ew a l lc l i m b i n gr o b o t 第一章绪论 1 4 国内爬壁机器人发展状况 在国内爬壁机器人的研究虽然起步比较晚，但发展比较迅速，上海大学从 1 9 8 7 年开始在上海市科委和国家8 6 3 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开展了这 方面的研究，目前己取得了阶段性的成果。 上海大学特种机器人技术应用研究室开发研制了多层框架、多真空吸盘式爬 壁机器人系列，如图1 - 9 所示。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。 哈尔滨工业大学先后研制了两种类型的爬壁机器人，一种是单吸盘轮式驱动 爬壁机器人。另一种是磁吸附履带式爬壁机器人。真空吸附式爬壁机器人采用全 方位车轮机构，微机控制和有线遥控，在机器人本体方位保持不变的情况下，机 器人能够沿任意直线方向移动。在此基础上，目前又开发了一套用于壁面清洗作 业的爬壁机器人系统，采用单吸盘结构与独立驱动的两轮移动机构，机器人运动 更加灵活，其采用电力载波遥控操作。 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1 1 0 所 示。该机器人采用双层十字框架本体结构，通过十字框架之间的相对运动，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层建筑物的目的开发的。 1 9 9 8 年，该机器人研究所又开发了一种新型的擦窗机器人，如图1 1 1 所示。 它借鉴了航空技术，机器人主体部分为一涵道风扇，由电机驱动产生指向壁面的 推力，使机器人贴附在壁面上，通过装在楼顶的缆车拉动，实现机器人的上下运 动，其移动部分不自带动力，仅为四个导向车轮。 图1 - 9 壁面清洗机器人图1 1 0 十字框架型壁面清洗机器人图1 - 11 绳索牵引擦窗机器人 w a l l c l e a n i n gr o b o tw i n d o w - c l e a n i n gr o b o t c a b l ed r i v e nc l e a n i n gr o b o t 令 第一章绪论 2 0 0 4 年交付使用的，北京航空航天大学机器人研究所与北京金汛新世纪机 器人制造有限公司合作研制开发的一种命名为“蓝天洁友”的新型高楼清洗机器 人，是专门用于清洗特殊的球形或椭球形幕墙表面。清洁个性化的建筑物要求清 洗机器人“一把钥匙开一把锁”。 1 5 壁面清洗技术发展概况 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蓝作业来完成的。 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b e 公司研制成功了一种固定轨道式全自动擦窗机器人【2 】【”。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1 1 0 m m i n ，清洗方式为：水 喷淋+ 盘刷刷洗+ 刮板刮洗方式，清洗高度可达2 5 0 m ，清洗窗幅：5 0 0 3 6 0 0 m m ， 可跨越2 0 0 m m 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， 该设备是针对某一特定建筑物的，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i p a 也研制成功了一种清洗建筑物玻璃壁面的自动系统。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。 1 6 爬壁机器人载体技术总结及课题提出 爬壁机器人可用来传递救援物资，但更广泛的用途是进行壁面的检查、测量、 清洗等维护性工作。而用于壁面清洗的移动机器人需携带有效的清洗工具，水源、 清洗液等，因此要求机器人的承载量大。于是壁面清洗爬壁机器人的载体方式便 成了其主要技术问题。 爬壁机器人可以利用地面机器人的移动理论，但要有能够克服机器人重力和 载荷的吸附力，同时应尽量采用扁平结构，降低机器人的重心，为增强机器人的 承载能力和移动性能，机器人应尽量采用轻质材料，减轻本体重量。由其发展情 况可以看出目前爬壁机器人主要载体方式有真空吸附和磁吸附，近来又有推力吸 附和新型的粘着剂吸附式微型爬壁机器人。真空吸附法，当遇到壁面接缝不平时 容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低，具有可能出现危险的缺点 第一章绪论 或者单吸盘方式允许一定程度的泄漏，但不能跨越大的障碍；磁吸附方式则极大 地受到材料的限制。本课题结合推力吸附的优点和绳索式牵引的思想提出辅助轨 道式索控载体的方式，使机器人具有较高的承载力，移动灵活，增强了其越障功 能，提高了清洗效率，而且牵引轨道的特殊设计使其可用于清洗平面及具有小弧 形的曲面建筑物。 第二章清洗机器人总体方案设计 2 1 引言 第二章清洗机器人总体方案设计 本课题的最终目标是改革爬壁机器人载体方式，为城市楼宇清洁业提供一种 可以代替人工进行高层建筑外表面自动清洗的专用爬壁机器人系统。通过分析现 有爬壁机器人载体技术，作者提出索控方式的载体形式，较之以往载体形式大大 提高了可靠性及实用性。在整个课题研究过程中，作者主要考虑了并联索控方式 及串联索控方式，并联索控方式具有较高的刚度，只适应于平面楼面；串联索控 方式可以使机器人楼面适应能力更强，控制简单，但不管哪种索控方式都极大地 受到高空风作用的影响，这也是高空极限作业机器人共同遇到的问题。 本章重点对各个方案进行了详细介绍，并分别对其可行性进行了初步分析， 决定采用串联所控方式，这是壁面清洗机器人设计的基础。 2 2 并联索控方式 2 。3 1 方案一的总体形式 如图2 - 1 所示，并联索控方式的清洗机器人相似于上下运动的六自由度 图2 - 1 并联索控方式简图 s k e t c ho f p a r a l m c a b l ec o n t r o lf a s h i o n s t e w a r t 平台，其末端执行器清洗机构的移动完全是由四条一端自带收放驱动器、 第二章清洗机器人总体方案设计 另一端与本体连接的钢丝绳拉索所驱动的，钢丝绳的收放装置是电机带动的卷 简，卷筒与支点的其他部件一起固定在建筑物的四角，通过拉索的不同程度收放 来控制清洗工作的位置。 在本方案中，为了便于控制及满足机器人本身轻量化的要求，钢丝绳绳中拉 力不宜太大，否则，即使钢丝绳能够满足强度要求，仍将会导致支点结构庞大， 以及大的钢丝绳变形，势必影响位置精度。 2 3 2 钢丝绳拉索的受力分析计算 假设参数：楼宽w = 3 0 m 、楼高h = 1 0 0 m ，机器人本体外形尺寸为l m x l m ， 机器人本体重m = 5 0 k g ，四根钢索绳结与本体框架的四角处，未确定钢索绳直径 之前，不计其变形及自重的影响；并假设机器人的运动始终是在平行于楼面的平 面上。 根据以上假设，对机器人本体进行受力分析，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 力分析示意图 s k e t c ho f f o r c ea n a l y s i s 在楼面的一角建立坐标系，机器人清洗本体中心的坐标位置为( x ，y ) ， e ，f 2 ，e ，只分别是四根钢索绳中的拉力，q ，臼：，岛，口。分别是钢索绳与水平面的 夹角，m ，即分别是机器人本体矩形框长与宽的二分之一，由平衡可得 y x = 0 ，y y = o ，m = 0 ，即方程组( 2 - i ) 。 该方程组只能解出三个未知量，可见，即使需控制机器人的位置及姿态，在 平面内，仍存在冗余自由度，为此我们可以依据机器人的位置选定三个力作为控 制力，另外一个作为载荷力。 第二章清洗机器人总体方案设计 ec o s o l ec o s 口2 一ec o s 0 3 + c o s 0 4 = 0 只s i n o t + es i n 幺一只s i n 0 3 一s i n 0 。一m g = 0( 2 1 ) 鼻( s i n 0 】c o s 0 一c o s o 】s i n 0 ) 一只( s i n 0 2c o s c o s 0 2s i n 0 ) + ( s i n 0 ，c o s 0 一c o s 0 3 s i n 0 ) 一只( s i n 0 4c o s 0 c o s 以s i n 口) = 0 s i n 占- 2 了南，c 。s 只2 了南, s i n 0 ：= j 写南，c 。s 岛2j 亏畚 s ；n 岛2 j ；三亏9 i 9 亍- 幸丽y ，c 。s 岛2 了嚣i ：；萧，s i n 吼2 j i 嚣i 9 三9 丽- y ， c o s ”丽号雨 s i n 0 ：1 竺一：，c o s 口：1 竺 m 2 + 疗2 州2 + n 2 控制力的确定：因为楼面形状的对称性，我们可只分析机器人在右半面的情 况。首先假设机器人只受f ，只，只的作用，即使e = 0 ，由m a t l a b 的计算所得 的每一点时的受力结果可以看出在楼面的右半部，只的值均为负值，但是钢索 绳只可承受拉力，所以在右半楼面e ，只，只作为控制力，同理，在左半楼面 互，五，e 作为控制力。由于工作过程中，e ，e 的值始终大于只，只，因此对 e ，五进行了详细分析。图2 3 是工= 2 1 4 ，y = l 9 9 的范围内，只= 2 4 0 n 时e ，只 的变化曲面图及等高线图结果。 图2 - 3 拉索受力变化仿真图 s i m u l a t i n go f f o r c ec h a n g ei nc a b l e - 1 1 - 譬一一_曩矗箩喘曼：一一一：，囊菅一 紫；一懑嫒警一；簟曩再 一一一懿一瓣一 第二章清洗机器人总体方案设计 由上图可以看出，x 值越小、y 值越小拉力值越大，当给e 任一定值时，鼻，e 变化规律是一样的。所以在具体进行其它结构设计时，可取某一极限位置的值作 为依据即可。 2 3 3 钢丝绳变形量的计算 为判断此方案的可行性，钢丝绳的变形量也是重点考虑因素之 极限位置即可。由材料力学计算公式： 赳= 1 0 0 0 f ， 幽 式中： ，变形量m m ； f 拉力值n ； 卜一钢丝绳长度m ： e 弹性模量取e = 2 0 0 g p a ； 钢丝绳横截面积m 2 。 ，只需计算 ( 2 2 ) j 只= 1 5 7 6 0 n 由式( 2 2 ) 可求得x = 2 ，y = 1 处，在载荷力e = 2 0 0 n ，对应 e = 1 4 1 9 3 n 时， 1 只= 6 8 9 1 2 n f a = 3 5 m m 各拉索变形 刎2 = 3 8 1 m m 【如= 6 7 8 m m 斜拉索由于自重的作用会有一定垂度且索力较小时，垂度变得较大，可以一 定程度补偿拉索伸长变形的影响。变形量的值本身不大，但仍意味着会带来控制 的困难。 2 3 4 改变钢丝绳拉索与本体连接方式 由以上拉索拉力的分析可知拉力值较大，这势必将会增加设计难度。为降低 拉索承载力，在钢索绳与机器人框架连接处用一动滑轮( 如图2 - 4 所示) ，这样 可以有两根钢索绳来分担拉力，但还要比较其变形量的大小。 材料力学公式： d ( 2 3 ) 互捌r，uy 第二章清洗机器人总体方案设计 式中： d 钢丝绳直径n 3 r n ； ，钢丝绳所受拉力n ； o 卜一钢丝绳拉索许用应力 m p a 。 图2 - 4 动滑轮连接力分析示意图 s k e t c ho f f o r c e a n a l y s i su s i n g t r a v e l l i n g b l o c k 由式( 2 - 3 ) ，分别估算两种情况下的钢丝绳直径，如直接连接时 d = 8 m m ，p = 2 4 8 k g 1 0 0 m ，使用动滑轮时d = 5 m m ，p = 9 6 8 k g 1 0 0 m 。分 析结果证明使用动滑轮虽然可减轻钢索绳的重量，但变形几乎增加了3 0 左右， 大的变形更不利于我们的问题解决，不采用此连接形式。 2 3 串联索控方式 串联索控方式是一种在楼顶安装轨道，由钢丝绳拉索牵引清洗本体，并且 另有钢丝绳拉索作为垂直地面的辅助轨道，可沿楼顶轨道行走的小车承载拉索收 放机构，下端有辅助轨道拉索的张力控制机构并配合小车平移的形式。这种载体 方式的机器人机构都集中在一条狭窄的竖直面内，只要使小车轨迹为适应楼面的 曲线，该机器人就可以用来清洗曲面楼面了。串联索控方式的清洗机器人主要由 以下几部分组成，如图2 5 所示。 机械系统： 1 、清洗机构实现壁面的清洗。 2 、张力控制机构实现辅助轨道拉索的支撑，并配合载体小车水平移动。 3 、载体机构携带缆绳收放机构。 第二章清洗机器人总体方案设计 1 、 2 、 3 、 移。 4 、 控制系统： 载体机构子系统用于控制载体机构并搭载主控机。 清洗机构子系统负责清洗过程控制与清洗本体轨迹修正。 张力控制机构子系统负责辅助轨道张力控制及协调与载体小车的同步平 遥控系统实现遥控操作，遥控距离达到1 0 0 m 以上。 柯 7 77777 77 图2 5 串连索控方式简图 s k e t c ho f s e r i a l c a b l ec o n t r o lf a s h i o n 张力控制机构与楼顶的载体机构共同将辅助轨道拉索拉紧，楼顶载体机构 轨道上的载体小车与下方张力控制机构的配合平移带动辅助轨道左右移动，从而 带动清洗机构的平移，利用控制牵拉清洗机构的钢丝绳拉索的收放来控制清洗机 构的上下运动。在这种方案中，辅助轨道钢丝绳中的拉索力只需在清洗工作允许 的风作用下不致引起拉索大的振动，3 0 0 0 n 的拉索力能够满足此要求，而承载本 体的拉索力只需承载本体重力及惯性力，最大值约为4 9 0 n ，因而可大大减小钢 丝绳支点结构，便于将轨道做成适应楼面的形状，扩大了清洗机器人的使用范围。 2 3 5 清洗机构 清洗机构是进行壁面清洗作业的具体执行机构，由清洗作业装置，底轮行走 机构，风机推进装置，液压顶起装置等机构组成。它依靠与本体上部相连的钢丝 绳拉索上下移动，同时辅助轨道拉索通过耐磨材料穿过清洗本体，限定了其水平 方向上的自由度，理论上清洗机器人的移动速度是不受限制的，但清洗作业装置 的工作速度必须与移动速度相匹配。在第三章中，将对清洗机构的具体结构设计 第二章清洗机器人总体方案设计 进行详细的描述。 2 3 6 载体机构 载体机构是由固定于楼顶的可变化曲率的链条轨道，以及可在上面行走的小 车组成。小车主要携带拉索卷筒收放机构，包括辅助轨道拉索收放机构和提升本 体拉索的卷筒收放机构，辅助轨道拉索收放机构起到拉紧拉索的作用，并与搂底 部的张力控制机构共同控制清洗机构水平方向的运动，提升本体拉索的卷筒收放 机构在清洗机构上下运动时起到收放牵拉本体钢丝绳的作用。如图2 - 6 所示，载 体机构的机构简图。 1 拉索支架2 ，j 、车驱动轮电机3 辅助轨道拉索卷筒4 小车底板5 车轮6 轨道 7 导轨8 丝杠9 牵拉拉索卷筒 图2 - 6 载体机构简图 f i g u r eo f c a r r i e rf r a m e w o r k 下面将对载体机构中某些关键技术部分结构做简单介绍。 2 3 6 1 轨道结构 整个轨道结构是由轨道支撑和轨道两部分组成的，轨道支撑可以根据楼面形 状以一定曲线形式固定在楼顶，因为轨道与轨道支撑上都各有很多安装孑l ，这样 可以将轨道灵活的固定于轨道支撑上，链条从轨道上的链槽中穿过，从而链条按 照轨道的形状被拉紧，载体小车沿着链槽中的链条行走，载体车轮与轨道关系如 第二章搏溉机器a 总体方案设计 图2 7 所不。 小车的两组车轮，上边车轮没有自主驱动能力，负责承担小车重量并防止小 车戆籁覆；下边鹣水平车轮有一边是农链稽中譬亍走的，冀枣麴一个车轮其存熬主 驱动毙力。因馥，j 、车只有一个方囱弱霸藏麦，徐证载舔，j 、车静稳定蔚行。 2 3 6 2 小车底槭结构 由于轨道具有的小曲率，小车结构必须能够适应小的转弯，而车身本身的鬃 瞧不能满足转弯要求，因此将小车底部汲诗残翅图2 - 8 掰示的结构，小车底缀与 轮支撑之阕霞嗣辜蠡骚谈，选霸吴畜缀畿鹣菝矮覆麓力匏交叉滚子辘承，馥逶凌鞔 道形状，使小车顺利行走。该机器人能够适应曲率大于1 1 5 的弧形楼面。 图2 7 车轮与轨道关系示意图 s k e t c ho f r e l a t i o no f w h e e la n dt r a m m 嬲 轮 轮 图2 - 8 小车底板结构简图 s k e t c ho f t h ed o l l ym o t h e r b r o a d 2 3 。6 3 拉索收放结构 为了做到拉索的顺利收放，该机器人举拉用的拉索收放机构除了与载体小车 一起行走外，还簧与小车有一定的相对运动，这样，工作过程中才能做好钢熬缆 缆的捧线工作。溺j 墩采蠲图2 - 9 掰示的带有导软的结构，根据条乎 选择馨孰 b n k l 0 0 4 2 5 ，辜囊纛经1 0 m m , 导程4 r m n 。赣萌软遵拉索与露羧本谆拉素都是瑟缀 独立的钢丝绳，如阉所示，电动机带动的阉一卷筒被分成三部分，两端是钢熊缝 的收放，中间是机构的电缆的收放，这样可以更有效利用灞筒，简化结构，节省 空间。两个收放机构结构可以相同，而尺寸有所不同。牵控清洗本体用的钢熊绳 控索中拉力小，弼辩要牧放的拉索较长，因此可以具有较大豹直径，为5 0 0 m m ， 驭减枣其长疫；露辘秘辘道控素中粒力大，浚敖长废枣，为缓惫礁容荔满是转滚 第二章清洗机器人总体方案设计 要求，卷简直径不宜太大，为1 0 0 r a m 。 1 。交流饲照奄辍2 集电滢拜3 鹰轮减速4 ，拉索卷麓5 瞧凌卷篱6 拉索卷筵 7 丝杠8 导轨 图2 - 9 褥筒机构简图 s k e t c ho fs c r o l lf r a m e w o r k 2 3 。7 张力控涮壤糖 张力控制机构主要由以真空泵为真空源的大吸盘及行走系统组成，行走系统 具有独立驱动的轮结构，吸盘中内置磁粉离合器，可使辅助轨道拉索中的承载力 始终满足要求。另外，在吸盘装置附避安装真空表和真空开关，用于监测泵和系 统豹运行情况，确保机器入安全工作。该机擒配合载体机构中的小车移动实现清 洗凝掩懿承孚运凌，本张力控割穰稳麓我瓣系统嚣爱予敬往蕤壁凝器入结秘审瓣 吸盘，它只是作为披索辅助轨道的一个支撑点，其真空度舞求大大降低。该机擒 主要组成如图2 ，1 0 所示。 1 ，磁粉离合嚣2 _ 真空泵3 支撑框4 驱动轮5 吸盘6 驱动轮电机7 稍丝绳拉索进口 图2 - 1 0 强力控制机构簿图 f i g u r eo f t e n s i l ef o r c ec o n t r o lf r a m e w o r k 1 7 - 第二章清洗机器人总体方案设计 该清洗机器人中的吸盘需要吸附的是平面或小曲率的弧面，因此选用结构简 单的普通吸盘，橡胶部分的形状为碗状。 驱动轮部分主要负责水平方向的行走，交流伺服电机同时驱动两个轮子，做 到与载体机构同步移动，轮子布置情况如图2 】l 所示。 2 4 小结 图2 - 1 1 轮子布置图 s k e t c ho f w h e e l sd i s t r i b u t i n g 本章主要介绍了壁面清洗机器人设计过程中索控方式的两种总体方案。详细 描述了每种方案的组成部分，以及部分分析过程。索控方式提高了清洗机器人的 可靠性，并联索控方式有通常并联机器人的优点，运动灵活，但控制困难，尤其 在本工作环境下，拉索承载力大，难以达到机器人的设计要求；串联索控方式控 制简单，更加安全可靠，并可在设计过程中考虑弧形玻璃壁面的擦洗，扩大该机 器人适用范围，使其更具有实用性。 本论文考虑到以上索控方式的特点，决定采用串联索控方式方案，在以后的 章节中对该机器人进行了详细设计与分析。本文对方案做出的分析与取舍是后面 的详细设计的前提。 工 第三章机器人清洗机构设计 3 1 引言 第三章机器人清洗机构设计 清洗机构是进行壁面清洗作业的具体执行机构，是任何清洗服务机器人的核 心部分。本项目中清洗本体由清洗作业装置，底轮换向装置，风机推进装置，液 压顶起装置等机构组成。清洗作业装置又由供水装置、喷雾喷嘴、滚刷、刮板、 污水回收等机构组成底轮换向装置只具有转向功能，风机推进装置产生指向壁 面的推力，液压顶起装置使清洗装置不工作时离开壁面一段距离，使滚刷及刮板 恢复变形。对于机器人清洗效率的高低及清洗效果的好坏，清洗本体起着举足轻 重的作用。 本章对清洗机构设计过程需解决的主要问题进行了详细全面的分析并进行 了具体设计。图3 1 为清洗机构的总体外观图。 1 水箱2 清洗本体框架3 水泵4 风机5 底轮机构6 交流伺服电机7 液压装置 图3 - 1 清洗机构外观图 f i g u r eo f c l e a n i n gf r a m e w o r k 第三章机器人清洗机构设计 3 2p r o f _ f i g i n e