（机械电子工程专业论文）壁面清洗机器人的运动控制系统设计.pdf

中文摘要 摘要 机器人是传统的机构学与现代电子自动化技术相结合的产物，是计算机科学、 控制论、机械学、电子技术等多学科综合性的高科技产物，是典型的机电一体化 产品。它是一种仿人操作，可使用于各种复杂环境。机器人技术的出现和发展， 不但可以部分取代人完成各种恶劣环境下的工作，而且将对人类社会产生深远的 影响。 壁面清洗机器人是极限作业机器人的一个分支，其目的是代替人类，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。自从二十世纪六十年代出现以来，受到人们的 广泛关注。本文所研究的壁面清洗机器人是用于对光滑的建筑壁面进行清洗的爬 行机器人，具有一定实用价值和应用前景。 本文首先介绍了国内外壁面清洗机器人研究现状，阐明了本课题研究的目的、 意义。针对壁面作业的特殊情况，提出了一种真空式吸附、框架结构的壁面清洗 机器人系统。该机器人采用真空发生器产生真空吸附力，由地面空压机产生高压 空气推动机器人本体上的气缸实现机器人的平面运动以及腿部的伸缩运动。机器 人本体上装有清洗装置，它可以对机器人经过的路径进行清洗。该机器人具有自 动和手动两种操作方式，操作简单方便，工作效率高。可以把人从危险的高空极 限作业中解脱出来。 壁面清洗机器人的安全吸附和灵活移动是保证高效率清洗的前提条件。为此 本文重点进行了机器人的本体结构设计和气路设计，提出了可以相对转动和平动 的上下两层的框架结构，解决了灵活移动问题；为了保证可靠吸附，支撑上下框 架的腿部安装有真空吸盘，吸盘内部装有压力传感器，当吸附不牢固时另外一组 吸盘就不会脱离吸附壁面。对控制系统设计，立足于操作方便、能实现自动和手 动两种工作模式，本文采用了编程简便、工作可靠、有良好的人机界面的可编程 控制器( p l c ) 。另外还进行了吸附可靠性计算、动力学分析等一系列设计计算。 该种机器人结构简单新颖、控制方便、擦洗效率高。 关键词：壁面清洗机器人，真空吸附，可编程控制器 英文摘要 a b s t r a c t r o b o ti sap r o c l u e to f t r a d i t i o n a lm e c h a n i s ma n dn ) d 锄e l e c t r o n i ca u t o m a t i z a t i o n t e e l m o l o g y , a n di t i s as y n t h e t i ch i s ht e e l m o l o g yr e s u l to fm a n ys u b j e c t ss u e l aa s e o m l m t e rs c i e n c e ) e y b e m e t i e s ，m e c h a n i c s , i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dd e e l r o n i e i ti sa t y p i c a lp r o d u c to fn l e c h a l l o n i c f l t i ti st h ea u t o m a t i ce q u i p m e n tw h i c h 锄i m i t a t et h e a c t i o no f m a n k i n d , i ti sp e c i f l ea n ds u i t a b l ef o r m a n y k i n d so f c o m p l i c a t e de n v i r o n m e n t t h e8 p p c a , a l l c ea n dd e v e l o p m e n to fr o b o tt e c h n o l o g yw i l ln o to n l yr e p l a c em a l lt od o w o i l r 圆t h a tu n d e rt e r r i b l ec o n d i t i o n s , b u ta l s ob r i n gp r o f o u n di n f l 蝴t ot h el i f eo f h u m a ns o c i e t y a w a l l - c l e a n i n gr o b o ti so f r o b o t sf o rl i m i t e do p e r a t i o n , a i m i n gt ot a k et h ep l a c eo 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 se n v i r o n m e n t ss u c h 勰m l e 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 la 蛐叫p r i s 髂，a r c h i t e c t u r e , f i r ef i g h t i n ga n ds h i p b u i l d i n ge t e i th a sa w i d e a 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 e a n i n gr o b o t sh a v eg r e a t l yp r o v o k e dw o r d w i d ea l t e n t i o nc v c l s i n c ei tw a sb o r ni nt h e1 9 6 0 s aw a l l - c l e a n i n gr o b o td i s c u s s e di n t h i st h e s i si st h er o b o tt h a ts w e e p ss h c kv e r t i c a lw a l l , i th a sf l o m l 。p r a c t i c a lv a l u ea n d a p p l i c a b l ef o r e g r o u n d t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h ed o m e s t i ca n do v l g * i s e l i sr e s e a r e l as i t u a t i o no f w a l l - c l e a n i n gr o b o t , a n de x p o u n d e dt h i sa r t i c l e s r e a r e l ag o a la n dt h es i g n i f i c a n t a i ma tt h es p e c i a lc i r c u m s t a n c e , o n et y p eo fw a l l - c l e a n i n gr o b o tw a sr , r o p o s e c kt h i s t y p eo f r o b o ta d o p t sv l l c u u ms u c t i o nc u p 、鼬es t r u e t u 佗t h i sr o b o tu 潮t h e v f l c ! u u i n g e n e r a t o rt og a i na d s o r bp o w e r t h ec o m p r e s s e da i rp r o d u c e db yc o m p r e s s o ro nt h e g r o u n d 啪d r i v et h ec y l i n d e rt og e tp l a n em o t i o na n de , x t e n d0 1 e o n l r a e t i o nm o t i o no f t h el e g s a c l e a n i n gh e a d 硼矗x e do i lt h er o b o tb o d y i tc 趾d e a nt h ea r 翰a r o u n dt h e m o v i n gr o u t eo fr o b o t t h er o b o th a sa u t o m a t i ca n dm a n u a lo p e r a t i n gm o d e t h e o p e r a t i o ni 8s i m p l ea n dc o n v e n i e n t t h er o b o t sw o r k i n ge t t i e i e n e yi sv e r yh i g h i tc 趾 e x t r i c a t et h ep e r s o nf r o mt h ed a n g e r o u sw o r k t h es a f ea d s o r p t i o na n dt h ea g i l em o t i o no f w a l l - c l e a n i n gr o b o t 啪t h eg u a r a n t e e o fh i g he f f i c i e n c y f o rt h i s ，t h er o b o tb o d ys t r u c t u r a ld e s i g na n da i rc i r c u i td e s i g nw i l l s e m p h a s i z e d i n t h i s a r t i c l e a t y p e o f f l a m e e o r t f i g u r a d o n w a s p r o p o s e d , i t c 趾r o t a t e a n d m o v er e l a t i v e l y , t h er e q u e s to fa g i l em o t i o nw a ss a t i s f i e d f o rt h es a f ea d s o r p t i o n , s e v e r a lv a c u u ms u c t i o nc u p sw e r ef i x e do nt h el e go ft w of l a m e s t h e r e 躺p r e s s u r e s e n s o ri ng u c t i o nc u p r o b o tc 姐ti n o v t ：w h e no l l eg r o u po fs u c t i o nc u p s 刮姐删o ni s i n 重壅奎堂堡主堂垡垒壅 n o te n o u g hl a r g e t h e n t r o ls y s t e md e s i g nb a s e do nt h ec a s eo fo p e r a t i o na n d c a n r e a l i z e 卸叫o m 硝co rt h em a n u a lt w ok i n do fw o r km o d e t h er o b o ti nt h i sa r t i c l e e m p l o y st h ep r o g r a m m a b l ec 自n e f i tp r o g r a m m i n ge a s i l y , w o r kr e l i a b l y , a n dh a s a g o o dm a n - m a c h i n e c o n t a c ts u r f a c e m o r e o v e rw ea l s oh a v ec a r r i e do na s e r i e so fd e s i g n c a l a 1 l 埘o ni n c l u d et h ea d s o 删o nr e l i a b i l i t yc o m p u t a t i o na n dd y n a m i c sa n a l y s i s t h i s r o b o th a sas i m p l en o v e lc o n f i g u r a t i o n , ac o n v e n i e n tc o n 灯o la n dh i g he f f i c i e n c y c l e a n i n 晷 k e y w o r d s ：w a l l - c l e a n i n gr o b o t , v a c u u ms u c t i o n , t h ep r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r 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及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆盍堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：f 3 咩麓签字日期：伊 年j 月 学位论文版权使用授权书 尹 本学位论文作者完全了解 重废盔堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂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，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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 冈鳓 签字日期：叫年r 月7 7 日 导师 辩醐明盯月7 日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 机器人这个词最早是由捷克剧作家卡雷尔凯培尔( 国r e lc a s k ) 提出，它体现 了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够 代替人去进行各种工作。国际i s o 组织对机器人的定义是机器人是一种自动的、 位置可控制的、具有编程能力的多功能机械手”。而在我国。蒋新松院士曾建议把 机器人定义为一种拟人功能的机械电子装置【l 】。 机器人是一个复杂的系统，它是涉及到电子学、机械工程、控制理论、人工 智能、仿生学、力学等多种学科相交叉以及计算机技术、传感器技术、控制技术、 电子技术、驱动技术等多种技术相融合的边缘学科。从某种意义上说，机器人技 术水平在一定程度上是一个国家工业生产能力和科学技术水平的综合体现，因此， 机器人技术是世界范围内学术研究最活跃的领域之一。随着科学技术的迅猛发展 和人类生产生活需求的不断增长，机器人技术得到了广泛的应用，机器人己经成 为高技术领域内具有代表性的战略研究目标。机器人在实现太空行走作业的同时， 己逐步渗透到人类生活的各个方面，并产生了巨大的社会经济效益。机器人技术 的出现和发展，不仅使传统的工业生产面貌发生了根本性的转交，而目对人类的 社会生活亦将产生深远的影响。 爬壁机器人是极限作业机器人的一个分支，主要在壁面或高空进行移动作业。 由于现代社会中，有许多作业场合对人身体有较大的伤害或者根本就不适合人亲 自去做，如：原子能发电站中强放射线下的作业，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日俱增。而爬壁机 器人作为人类的替代，它的重要性越来越得到了人类的认可。目前，国内外已经 有相当数量的爬壁机器人投入现场作业，主要集中在以下几个行业田： 核工业对核废液贮管进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等 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 建筑行业用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并对瓷砖、玻璃壁面进行清洗等 消防部门用于传递救援物资，进行救援工作等 造船行业用于喷涂船体或轮船内壁等 电力行业对电站锅炉水冷壁管壁厚度的测量等 本文所研究的壁面清洗机器人即为爬壁机器人在建筑行业中的应用，主要用 于对高大建筑物光滑外壁的清洗。 重庆大学硕士学位论文 1 2 课题背景与意义 随着城市经济的发展和人口的增加，为了节省土地资源，在城市中出现了越 来越多的高层建筑。各种各样的摩天大楼成为了现代都市中一道亮丽的风景。在 建筑业，由于玻璃的采光性好，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，没有玻璃覆盖的地方也多用瓷砖覆盖，因 此大多建筑物都具有光滑的外表面。为了保证建筑外观的整洁美丽，时间一长，就 需要对壁面进行清洗，以美化市容市貌。许多开放性城市都规定，每年应对高层建 筑清洗若干次。这使得清洗任务十分繁重。 目前国内外清洗高楼玻璃窗主要采用两种方法 3 j ：一种是用安装在楼顶的轨道 及吊索系统将擦窗机对准窗户自动擦洗。采用这种方式，要求在建筑物设计之初 就将擦窗系统考虑进去，而且它无法适应阶梯状造型的壁面，这就限制了这种方 法的使用。第二种方式清洗工人搭乘吊篮、升降平台或直接腰系绳索，进行高空 擦洗。虽然简便易行，但劳动强度大，工作效率低，稍有不慎还就会出现坠落事 故，造成伤亡，人工作业的效率也很低。随着人类社会的不断进步，科学技术的 日益发展，人们对生活质量和工作环境的要求越来越高，为了提高清洗效率并且 把清洗工人从恶劣的工作环境中解脱出来，亟待开发一种自动清洗作业系统。 壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人。它的出现将极 大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产率，也必将极大地 推动清洗业的发展，带来相当的社会效益和经济效益。因此，壁面清洗机器人有 着良好的应用前景。 1 3 国内外壁面清洗机器人的研究现状 壁面清洗机器人由一个可以在壁面上自由移动的平台和在其上面搭载的清洗 机构组成，自由移动的平台是壁面清洗机器人的主体，所以壁面清洗机器人的发 展是与壁面移动机器人的发展密不可分的。 1 3 1 国外研究现状 壁面移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世 界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。早在1 9 6 6 年，在大阪府 立大学工学部任讲师的西亮利用电风扇进气侧低压空气产生的负压作为吸附力制 作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机。1 9 7 5 年，已经身为宫崎大学工学院部 教授的西亮又制作了以实用化为目标的二号样机，这是个单吸盘结构，靠轮子行 走的壁面移动机器人。从此以后各国著名的大学、研究所、公司纷纷投入力量广 泛开展用于极限作业的壁面移动式机器人的研究1 4 1 1 5 6 。 2 1 绪论 1 9 7 8 年，化工机械技术服务株式会社制作了一种叫w a l k e f 的壁面移动机器人 川，如图1 1 所示。该机器人采用了单吸盘结构。用真空泵产生负压，行走机构采 用上下两个行走滚子和左右两条行走皮带的驱动。滚子和皮带自然组成一个真空 腔体。转向通过左右滚轮和皮带的速度差来实现。w a l k e r 既有吸附功能又有行走 功能。但它有一个严重的缺点，即：壁面上有裂缝时，真空难以维持。 图1 2 所示为关西电力株式会社研制的真空吸附履带式结构壁面移动机器人。 利用均布于履带和车体底部的吸盘，该机器人可以实现直线运动和转向运动，但 越障和面面转换能力差。 图1 1 啊b m 矿栅器人 f i 9 1 1 w a ) k e l ， r o b o t 图1 3 双车体壁面移动机器人 f i g1 3d o u b l e b o d y w a l l - z l e a n i n g r o b o t 图1 2 履带式壁面移动机器人 f i g1 2t r a c kw a l lc l t m b 迦r o b o t 图1 4 爬壁机器人概念模型 f i 9 1 4c m 鹎p i i m o d e lo f w a l l - c l e a n i n gr o b o t 图1 3 为日本日挥株式会社佐藤多秀研制的负压吸盘吸附、双吸盘结构的轮式 壁面移动机器人i s 1 9 1 。该机器人由前后吸盘和中间载物平台通过连杆和转动关节联 重庆大学硕士学位论文 接组成。其吸盘采用负压吸盘的形式，吸盘与壁面接触的密封气囊具有滑动密封 效果，在机器人运动过程中，起到维持吸盘内负压的作用。前后吸盘各装有四个 车轮，当吸盘内产生负压时，吸盘通过车轮附着于壁面。八个车轮中位于机器人 前后两端的四个分别由电机独立驱动。当同一吸盘上的两个驱动电机转速不同时， 吸盘的移动方向将发生变化，实现机器人的转向。前后连杆与载物平台之间的两 个转动关节上各安装有大输出扭矩的电机。此电机的动作，配合吸盘的吸附与放 松，可以实现机器人构形的变化，从而完成越障等功能。 图1 4 是日本宫崎大学设计的推力吸附机器人【1 0 】i l l 】【嘲，相对真空吸附、磁吸 附而言，在爬壁机器人载体方面有很大的创新。它不依靠吸力，而是借鉴了航空 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在壁面 上。由于推力始终指向壁面，机器人可以相对容易地实现越障。 另外日本东京消防厅所属的消防科学研究所研制出了一种：急救攀援机器人”， 它是一种单吸盘结构，行走方式为履带式。转向是通过两个履带的速度差来实现 的。 东京煤气公司同日立制作所共同开发研制的球形煤气罐自动检查机器人，是 一种步行式机器人，主要用于自动检查处于工作状态的球形煤气罐焊缝，它的内 外两个框架上各装有呈放射状的八只带吸盘的脚，脚的上下运动由安装在每个脚 上的气缸来控制，内外框架的相对运动则借助传动机构由直流伺服阀来完成，这 种结构的特点是带载能力强。 日本国际机器人公司研制的用于清洗窗户的“空中勇士”也是采用脚步式行走 的，它有主从两个本体，两个本体上各装有可伸缩的三只脚，脚的端部装有吸盘， 可以用三点支撑交互地在壁面上吸附来做升降和横向移动。 图1 5 r o l m g h i 机器人 f i s l 5 撕r o b o t 4 图1 6 黜 b 昭想象图 f i 9 1 6a n a r t i s t sh 舯嚣| i o no f r o b u g 1 绪论 英国的朴次茅斯大学设计了一种称作r d b 昭的机器人，有类似蜘蛛的腿脚， 脚部带有吸盘，也可以沿壁面爬行，其中r o b u g 【1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 7 1 1 町型是由八只脚组 成的，每只脚都有自己的微处理器，都是由气驱动，每个脚的根部都有一个吸盘。 机械上同步的4 条腿作为一组，由两组气缸驱动，反复地起着支撑和复位的作用。 与以往不同的是机器人控制其装在每条腿上，通过遥控机器人可沿任意方向行走， 如图1 5 、图1 6 所示 除此之外朴次茅斯大学还针对不同的使用要求设计了b i g f o o t 、t o a d 、t h e n e r o s e r i e sv e h i c l e s 、t r i c o t 等爬壁机器人 意大利的卡塔尼亚大学研制a l i c i a 系列机器人主要应用于壁面检测其中 a l i c i a 2 型机器人如图1 7 所示，主要由一个吸盘和两个轮子组成，吸盘用来吸附 于墙壁表面，两个轮子分别由两个直流电机驱动，可以实现灵活转向。这种机器 人最大缺点就是越障能力差，为了更好的越障新开发的a l i c i a 3 则体现了一种新颖 的设计思路，它的基本结构由三个a l i c i a 2 组成，每两个之间由一杆连接起来，越 障时两个吸附一个在杆的作用下抬起，轻松实现越障。具体如图1 8 所示，这种设 计使越障能力大大提高。 图1 9 为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机器人 s 姆w l 曲酽舭引，该机器人的移动由两组l 型框架相对滑动，交替吸附来实现，每组 框架有三只脚掌，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。 图1 7a l i c i a 2 机器人 啦1 7 a l i c i a 2r o b o t 5 图1 8a l i c i a 3 机器人 f i s l 8a h c i a 3r o b o t 重庆大学硕士学位论文 图1 9s k y w a s h 口机器人 f i g t 9s k y w a s h r o b o t 图1 1 0 a n d i 的十字架结构 f i 9 1 1 0s p i n ee n db r i d g e 鼬瑚伽嗜o f a n d i 1 9 9 0 年卡内基梅隆大学的w o l f e 在联邦航空局发起的航空器老化研究计划 ( a g i n g a i w m f l 鼬s 鲫n c h p r o g r a m ) 的资助下，研制了一种基于十字几何结构的直 动式壁面移动机器人a n d i 2 0 1 ( 图1 1 0 ) a n d i 首次采用由龙骨和横梁构成的 十字构型，巧妙地将机器人运动和任务结合起来，不仅提高机器人工作效率，而 且使结构大为简化。该机器人的横梁沿龙骨滑动并通过足端的吸盘交替吸附壁面 实现粱式步行( b e a mw a l k ) ，检测用的涡流探测器安装在横梁上，横梁沿龙骨运动 的同时探测器也完成了对壁面的扫描。该机器人还安装了4 个摄像头，从头至尾 沿龙骨排成一列，其中紧邻探测器的一个摄像头为广角镜头且位置最高，可实现 机器人导航、避障和监控。 显然，该机器人的最大成就是首次将十字构型引入到机器人的构型中来，w b 埝 等人还以此申请了专利保护。这种构型在实现机器人步行、越障等基本功能的同 时大大简化了控制算法，提高了机器人的运行速度和可靠性。如果将这种结构稍 加改进还可以使机器人具有面面转换和全方位运动功能，后文提到的蓝天洁士” 系列清洗机器人就是此基础发展起来的。 德国的f r a l m h o f e r 研究所研制了一种名为s m z u s d 2 1 】壁面清洗机器人如图 1 1 1 ，该种机器人作业时在机器人上方的建筑物顶部有一个随动小车，该小车除了 起一个安全作用外，还是机器人侧移的定位装置，机器人只能做上下运动，左右 运动靠随动小车牵引实现。爬行机构是基于两对线形的模块上的，每个模块装有 几个真空吸盘，每对模块由一个伺服电机驱动。 1 9 9 0 年以来，西班牙c s i c 大学的工业自动化研究所研制出了两种磁吸附爬 壁机器人，自由推进式的爬壁机器人由两个运动链组成，末端带有两个电磁吸附 6 1 绪论 图1 1 1s i r i u s c 机器人 f i 9 1 1 1 $ i r i u $ cr o b o t 图1 1 2r e s t 机器人 f i 9 1 1 2r e s t r o b o t 单元。机器人有三个关节，各由一个直流电机、齿轮驱动，每个关节最大旋转角 速度为1 3 0 度秒，运动链长为2 0 0 毫米，机器人自重6 千克。六足爬壁机器人眦s r 如图1 1 2 所示，每条腿都有两个旋转自由度和一个垂直移动平面的棱柱形被动收 缩自由度，各由电机、齿轮驱动，控制器安装在机器人本体上 2 2 1 。 加拿大u n i v e r s i t yo fb r i t i s hc o l u m b i a 研制的用于玻璃窗清洗的移动机器人 w m d o w w a s h e r 也采用了十字构型( 见图1 1 3 ) 。水平臂和垂直臂呈十字布置，通 过电机驱动实现两个方向的运动，两个臂都装有吸盘组，机器人通过吸盘组的交 替吸附和臂的相对运动实现水平和垂直方向的运动，四个圆刷分别安装在垂直臂 的两端，当机器入沿垂直方向运动的同时进行玻璃壁面清洗。g r m d o w w a s h e f 采用 电动驱动真空吸附方式，有效地避开全气动驱动方式所面临的驱动力不足和气动 位置伺服精度问题【捌。 图1 1 3w m d o w w 址e f 机器人 f i 9 1 1 3g r m d o w w a s h e r r o b o t 另外，近年来由于纳米技术的发展和仿生学原理进一步完善，壁面移动机器 7 重庆大学硕士学位论文 人研究出现了一些新特征，很多研究人员试图借助纳米技术寻找新的突破口。波 特兰刘易斯克拉克学院( l e w i s & c l a r kc o l l e g e ) 的k e l l a r a u t t m m 研究表明：壁 虎之所以能够安全可靠地吸附于极其光滑或粗糙的任何壁面，是因为壁虎的足端 与壁面存在分子作用力，如范德华力，并且力的大小与壁虎足端接触壁面的面积 有关，通过控制对壁面的压力大小改变足端与壁面的接触面积获得不同的吸附力， 实现自如的吸附和脱开。基于上述原理k e l l a ra u t u m n 研制成功了一种用于壁面 移动机器人的仿生壁虎足端，足端的材料是人造丝，人造丝分离出来的微米至纳 米级末梢的端部形状类似于扫帚或微吸盘状。 1 3 2 国内研究现状 我国研究和开发机器人始于七十年代初期。1 9 7 5 年在北京举办的日本科技展 览会上，川崎重工业公司首先在中国展出了工业机器人( u n i m a t e ，2 0 0 0 型搬运机 器人) ，以此为起点，我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。北京自动化研究所、 上海交大、沈阳自动化所、大连组合机床所、广州机床所等十几个单位纷纷开始 研制机器人。 我国自行设计并研制的第一台壁面爬行式遥控检查机器人( b h 1 型) 诞生在 哈尔并工业大学机器人研究所，它是为我国的核电事业而研制的，主要用于对核 废料储罐进行安全情况检查( 检查方法为超声波探伤及测厚) 。b h - 1 型爬壁机器 人的特点是它的行走机构采用了一种新结构的轮子一全方位轮，这是瑞典 m e c a n u m 公司的新技术。哈尔滨工业大学从1 9 8 8 年开始在国家“8 6 3 ”高技术的 支持下先后研制了两种爬壁机器人 2 5 2 6 1 1 2 7 x 2 s 。1 9 9 6 年研制成功的多功能履带式 罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人如图1 1 4 ，是针对石油企业的储油、储水钢罐， 定期喷砂除锈、喷漆防腐、涂层厚度进行检测等工作进行研制的。哈工大研制的 另一种机器人是单吸盘轮式驱动爬壁机器人如图1 1 5 ，该真空吸附式机器人采用 全方位车轮机构，实现了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，该机器人自重2 0 千克，负载能力1 5 千克，移动速度0 - 2 米份 钟，采用微机控制和有线遥控。 北京航空航天大学自1 9 9 6 年起先后研制开发了w h s h m 、c l e a n b o t 、 s k y c i e a n 【凹】【3 0 】【3 ”、灵巧型擦窗机器人”、“吊篮式擦窗机器人”、蓝天洁宝等 一系列幕墙清洗机器人样机，这三种均为全气动清洗机器人，采用十字框架构型， 为自主步行移动机器人，如图1 1 6 、1 1 7 、1 1 8 所示。所有运动件均由气缸驱动， 主体由x 、y 两个无杆气缸构成，驱动件与结构件一体化的设计使机器人结构紧 凑。 8 1 绪论 圈1 1 4 履带式磁吸附机器人 f j 9 1 1 4 r o b o t w i t h m 唱叫如p e d r a i l 图1 1 5 壁面爬行检测机器人 f i 9 1 1 5 w a l l - c l e e n i n g r o b o t f m i i s p e c t i o n 可伸缩的腿部安装有真空吸盘，随着腿部的交替吸附和主气缸的运动，机器人可 以实现在玻璃幕墙上的纵向和横向自主运动和越障。其中c l e a n b o t 与 s k y c l e a n e r 在两个主气缸之间配备有腰关节，当机器人发生偏斜时，可以通过 纠偏运动使其回到正常状态。s k y c 援m 狼吸盘与腿部采用微动铰链连接，机器 人可克服玻璃面上2 度折角变化。“灵巧型擦窗机器人 类似于佐藤多秀研制的双车 体机器人( 见图1 3 ) ，但重量相对要小的多，仅有2 0 k g ，尺寸为0 4 r e x 0 8 m 0 2 m ( 宽 长高) 。“吊篮式擦窗机器人”则模拟人手擦窗的方式进行作业。“蓝天洁宝 属于 被动式清洗机器人，结构简单，工作效率高，这几种壁面清洗机器人都具有很高 的实用价值。 图1 1 6w h s i - i m a n 机器人 硒9 1 1 6 w h s h m a n r o b o t 图1 1 7 a 且心酗r 机器 p 培1 1 7 r o b o t 图1 墙s k y c l e 】妊弧胡j 曙人 f i g t 1 8s kc l e a n e r r o b o t 上海大学特种机器人技术应用研究室先后开发研制了多层框架、多真空吸盘 式爬壁机器人系列【3 习。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，最大 9 重庆大学硕士学位论文 工作移动速度7 0 m r a 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。 北京清华大学机器人与自动化实验室研制的大型油罐自动检测系统 t h - - - c l i m b e r 妒3 】以磁吸附爬壁机器人为载体。本体左右侧各有前后两个带轮，分 别与装有永磁体块的履带啮合，构成运动部件机器人采用后驱动方式，也即以 两个后轮( 图中为上方两个轮) 为主驱动轮，它们分别由一台直流伺服电机通过谐波 减速器驱动在本体正对壁面一侧，装有涡流检测组件，该组件通过直流小电机 和同步带机构带动涡流探头在垂直于机器人运动路线的方向上往复移动，换向动 作靠继电器和行程开关实现。该机器人能自动纠正运动路径的偏差、自动识别本 体所处的位置( 主要是判断本体是否运动至罐顶或罐底) 具备了一定的智能。 浙江工业大学的机电学院也在爬壁机器人的研制方面取得了一定的成果，目 前他们正在研制一种基于气动柔性驱动器的小型多吸盘爬壁机器人。该多吸盘真 空吸附式爬壁机器人能够在地面及平整的壁面上直线爬行与弯曲爬行，主要由吸附 机构，驱动机构和提升装置组成。吸附机构由5 个吸盘及5 个真空发生器组成，时 刻保持三个以上的吸盘吸附。机器人尺寸为1 5 0m mx 1 0 0m mx 9 0 m m ，重5 0 0g 跚。 香港城市大学也对爬壁机器人进行了积极的探索研究，他们开发出一种十字 形框架结构的全气动壁面爬行机器人1 3 5 ，如图1 1 9 所示该机器人系统由移动的 图1 1 9 爬壁机器人的主体结构 f i 9 1 1 9m a i ns 瞎口田m oo f t h ec l h n b 啦r o b o t l o 1 绪论 爬壁机器人、供应小车、空压机、控制计算机等组成。机器人本体长1 2 2 0 n m a , 宽 1 3 4 0 r a m ，高3 7 0 r a m , 重3 0 k g 。机器人本体主要有两个垂直正交的气缸组成，靠着 两个气缸的伸缩实现机器人本体的前后左右移动。为了防止方向上的累积误差， 该机器人还有一个由摆动气缸组成的腰关节，以实现对方向误差的校正，机器人 的越障功能是靠安装在机器人水平和垂直气缸端部的四个垂直于壁面的气缸来实 现的，它的伸缩可以让机器人抬起腿部、越过障碍。清洗装置位于水平气缸的两 端，靠水平气缸的伸缩实现左右擦洗。机器人的四条腿上有1 6 个吸盘，靠这些吸 盘机器人可以吸附在壁面上。它的视觉系统由一个c c d 摄像机和两个激光二极管 组成，通过视觉系统机器人可以测量本身相对于窗框架的方位；视觉系统也可以 判定工作表面的脏污状况、以及是否需要擦洗；还可以确定污点的位置，引导机 器人去擦洗。该机器人采用十字形框架结构，真空吸附，气压驱动。从整体上看 结构简单适用、活动灵活、能自主识别判断，是一款不错的设计。但存在的缺点 是因为清洗装置安装的位置和水平气缸自身活动的范围所限，机器人运动过的路 径上擦洗比较困难，存有盲区，另外整体刚性也有些差。 综合比较目前所研制出来的壁面移动机器人的各项性能，并结合壁面清洗机 器人的工作环境，框架式、足式、气动吸附的载体对玻璃壁面这种表面平整、结 构化对极限作业环境有较高的适应性，并且具有一定的越障能力，但考虑到足式 的爬壁机器人结构比较复杂，会导致机器人本体较重，而玻璃窗的承受能力又有一 定的限制，最终使带载能力下降所以框架式、真空吸附的载体有望成为壁面移动机 器人走向实用化的突破口。具有较好的商业前景。 1 4 各种类型壁面移动机器人的性能比较和分析 从上面国内外壁面机器人发展状况可以看出，壁面移动机器人要实现在壁面 的作业，必须具有两个功能：吸附功能和移动功能。按照吸附方式的不同壁面移 动机器人可以分为磁吸附式、真空吸附式和推力吸附式( 飞行式) 。各种吸附方式 的优缺点如表1 1 所示。按载体结构形式的不同，壁面移动机器人可分为：轮式、 履带式、脚步式、框架式四种，它们的优缺点如表1 2 所示。这些不同的吸附方式 和不同的移动方式可以进行多种组合，构成多种风格的壁面移动机器人。真空吸 附式是通过面接触方式紧贴于一般的壁面上，通常对壁面无特殊要求。而磁吸附 式要求工作壁面必须是导磁材料，这对其应用增加了很大的局限性，对于本课题 而言，壁面是玻璃或者瓷砖并非导磁材料所以磁吸附方式就不予考虑。 推力吸附机器人的主要优点是它能适应各种壁面且具有理论上较强的避障能 力。但这种机器人负重能力非常差，带载后对机器人动力特性影响很大，并且这 种机器人噪声很大，控制不易。距离实际的应用还有较大差距。 重庆大学硕士学位论文 表1 1 壁面移动机器人几种吸附方式的比较 t a b l e l 1 t h e c o m p a r i s o n o f t h e a b s o r p t i o n s c h e m e s o f w a l l - c l e a n i n g r o b o t 吸附方式优点缺点 要求壁面有一定的平滑度，越 容易实现小型化、轻量化且结 障能力低，对于复杂壁面环境 单吸盘 构简单、易于控制不适应，遇到缝隙或者凹凸面 真空吸附式 时负压难以维持 吸盘尺寸小，密封性较好，吸 吸盘的增多会带来结构的复 多吸盘附稳定可靠，越障能力和带负 杂化，控制也增加了难度 载能力均较强。 能产生较大的吸附力，不受壁只能在导磁壁面上爬行，步行 永磁体 面凹凸或裂缝的限制，不消耗时磁体与壁面脱离需要较大 电能，不受断电影响的力 磁吸附式 能产生较大的吸附力，不受壁只能在导磁壁面上爬行，维持 电磁体面凹凸或裂缝的影响，控制较吸附力需要耗能，电磁体本身 为方便重量很重 无泄漏问题，对壁面形状、材负载小，难于控制，噪音很大， 推力吸附式 料适应能力强体积大效率低 表1 2 壁面移动机器人几种载体结构的比较 载体结构形式 优点缺点 着地面积小，维持吸附力比较 车轮式移动速度快，行走控制简单 困难 体积大，结构复杂，转弯较为 履带式对壁面适应能力强，着地面积大 困难，重量较大 对壁面适应能力、越障能力和带移动速度慢，动作有间歇性， 脚步式 载能力均较强结构复杂，控制难度大 结构简单，刚性较好，控制方便， 框架式移动速度慢，有间歇性， 越障能力和带载能力均较强 对于单吸盘真空吸附式壁面移动机器人，吸附真空度的保持主要依赖于密封 1 绪论 装置来维持。故而，壁面状况对真空度的保持影响较大。且密封装置在机器人壁 面移动时一般与壁面存在相对滑动，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，安全性差。尽管随着研究的深 入，有人提出了一种新的“自适应式多真空室吸盘郴6 】。这种吸盘的特点是在一组 真空室中，当部分真空室由于空气泄漏会自行封闭，而其他真空室仍正常工作来 提供机器人所需要的吸附力。这虽然在一定程度上提高了单吸盘机器人对壁面的 适应性，但越障能力低的问题仍没有根本解决。多吸盘真空吸附式壁面移动机器 人则克服了单吸盘的缺点，对壁面的适应能力和带载能力均有较大提高。虽然多 吸盘增加了结构的复杂性和控制的难度，但在本课题中，相对于单吸盘机器人自 身不易克服的壁面适应能力和负载能力差的状况而言，这种结构不能不说是一种 很好的解决方案。 在移动方式的选择上，车轮式和履带式移动方式虽然有各自的优点，但在本 课题中我们研究的机器人是工作在瓷砖或者玻璃墙幕上的，窗户的框架虽然不高 但对于这两种移动方式来说仍然难以逾越。脚步式机器人虽然对壁面的适应能力 很强，带载能力也不错，但其结构一般都非常复杂，由于各种关节都需采用电机， 所以自身重量较大，自由度很多，控制起来难度大。框架式结构不但具有脚步式 机器人的优点而且结构简单、控制方便、重量较轻。虽然这种移动方式移动速度 慢、动作不连贯，但对于清洗工作而言这种速度限制并不是问题，至于动作的不 连贯对于擦洗来说也没有影响。 1 5 课题的主要研究内容及技术要求 壁面清洗爬壁机器人是一个实用性很强的研究项目。自从本世纪六十年代以 来，爬壁机器人及其相关技术和受到人们的广泛关注，但是，大都是进行了一些 试验性质的研究，其相关的理论分析尚不成熟，结构设计虽然百花齐放，但真正 能用于实际工作的确很少。作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工作具有简单、 重复的特点，比较适合机器人自主工作，但要实现机器人的自主移动，对于机器 人的研究仅仅停留在试验阶段是不够的，而且其运动学及动力学的分析则是必不 可少的。因此本文从理论与实践相结合的方面进行下面的研究工作。 壁面清洗机器人的本体结构设计根据机器人工作的现场实际，采用真空 吸附、气压驱动的框架式结构，有效地满足负载能力、速度、越障、抗倾覆要求