（机械电子工程专业论文）玻璃幕墙清洗机器人控制系统研究.pdf

摘要 高层建筑物的壁面目前大部分还是由人工进行清洗，不仅效率低、工作环境 恶劣，而且还容易出事故。壁面清洗机器人是一种极限条件下作业的机器人，它 能够在垂直的壁面上爬行并能够有效地完成清洗作业。它对于解决目前日益严重 的高楼大厦壁面清洗问题有着很大的价值，使用它能够大大提高清洗工作效率， 降低费用开支，彻底改善清洗人员的工作条件，实现高楼外墙清洗的自动化，具 有很好的市场潜力和实用价值。本文主要介绍了壁面清洗机器人的控制系统及采 用上位计算机对机器人控制的方法。在阅读大量的文献基础上，理论联系实际， 研制出的爬壁机器人具有体积小，重量轻，吸附力强，操作简单、方便等的特点。 本文首先介绍了国内外爬壁机器人研究现状，阐明了本课题研究的目的、意 义。然后进一步介绍本爬壁机器人总体结构，并在此基础上着重阐述了壁面清洗 机器人控制系统主要问题及其解次方法。 机器人的控制系统主要须完成对机器人行走、吸附、清洗、安全等的控制， 必须具有操作简单、方便等的特点。我们采用的是上位计算机和p l c 两级控制方 式。上位机系统主要用来完成对机器人运动控制运算、位姿控制运算、信息存储、 离线仿真、状态可视化处理，并对p l c 发出一系列的命令，最终实现对机器人的 实时监控。下位机( p l c ) 主要是完成输出控制、数据采集、状态判别及实时向 上位机传输机器人的工作状态等工作。对机器人的操作可以使用计算机直接控 制，也可以通过控制柜进行控制 文章的最后介绍了该爬壁机器人实验情况，实验结果表明该爬壁机器人可以 很好地完成壁面清洗作业，而且移动灵活，吸附可靠 关键词：爬壁机器人；上位计算机；可编程控制器 a b s t r a c t e v e nt op r e s e n t ，a l lt h ew o r ko fs k y s c r a p e r s c l e a n i n gi sd o n eb yw o r k e r s i ti sa h a r dw o r ku n d e rh o r r i b l ee n v i r o n m e n tw i t hl o we f f i c i e n c y ，m o r e o v e ri ti sd a n g e r o u s w a l l c l i m b i n gr o b o t i sak i n do fm o b i l er o b o t ，w h i c hc a nc l i m bo nt h es u r f a c eo f b u i l d i n ga n dc l e a n i n gi t i ta l w a y s w o r k si nav a r i e t yo ff i e l d ss u c ha sn u c l e a ri n d u s t r y p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , e t c ，i t i sw o r t hm a k i n gu s eo fi tb e c a u s eo fi t s r e l e a s i n g h u m a nf r o mb u r d e n s o m em a n u a la n dh o r r i b l e e n v i r o n m e n t ，i m p r o v i n g w o r k e f f i c i e n c ya n dc u t t i n gd o w nc l e a n i n gf a r e t h i sp a p e rg i v e st h ec o n t r o ls y s t e mo f t h i s c l i m b i n gr o b o ta n d t h em e t h o do fs u p e r c o m p u t e rc o n t r 0 1 b a s e do nr e a d i n gal o to f b i b l i o g r a p h i e s ，w ed e s i g n e daw a l l c l i m b i n gr o b o tw h i c h c a nm o v ea r o u n df r e e l ya n d a b s o r bw a t e rl e f to nt h ew a l l ；f u r t h e r m o r e ，t h eo p e r a t i o no ft h i sr o b o ti s e a s ya n d c o n v e n i e n t i nt h i sp a p e r , a tf i r s t ，r e s e a r c hc o n d i t i o no ft h i sr o b o ti si n t r o d u c e d a n dt h e n ，i t l a y s o u tt h ep u r p o s ea n di m p o r t a n c eo ft h i s s u b j e c t f i n a l l y , a f t e ri n t r o d u c i n gt h i s r o b o t sw h o l em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h ek e y t e c h n o l o g yi nc o n t r o ls y s t e mo f t h i sr o b o t i sl i s t e da n dt h em e t h o d so fs o l v et h e s ep r o b l e m sa r ee x p o u n d e d t h ec o m p u t e ri su s e dt oa c h i e v ep a t hp l a n n i n g ，c o m p l e t ep o s i t i o na n ds t a n c e o p e r a t i o n ，e t c a tt h es a m et i m e ，i td i s p l a y st h er o b o t sp o s i t i o na n ds t a n c e 、s e n d sa s e r i e so fo r d e rt op l c t h ep l ci s d e s i g n e d t oc o n t r o li t s o u t p u t ，g a t h e rd a t a ， d i s t i n g u i s hr o b o t ss t a t ea n ds e n di tt os u p e r - c o m p u t e r t h er o b o tc a l lb ec o n t r o l l e db y c o n t r o lb o xo rb y c o m p u t e rd i r e c t l y f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft h ec l i m b i n gr o b o ta r ei n t r o d u c e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h er o b o tc a nd o e x c e l l e n t l yw o r k o n c l e a n i n g w a l l so f h i g hb u i l d i n g s ，a tt h e s a m et i m e ，i tc a nt u m f r e e l ya n da t t a c ht h ew a l lr e l i a b l y k e y w o r d s ：w a i l c l i m b i n gr o b o t ；s u p e r - c o m p u t e r ；p l c ； 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：盏) 鸯日期逊望嗑! y 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盏! 鸯导师签名：罐粤坐日期：逊芏：之；拶 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 在现代都市中，高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一 道亮丽的风景。这些高楼的壁面多采用瓷砖和玻璃慕墙作为装饰，有的还要敷设 铝塑板等，这些装饰材料美观、漂亮，但是时间一长，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，每年应对高楼清洗若干次。可见清洗高层 建筑将来可能会成为各清洁公司的主要业务。长期以来，对高层建筑的清洗工作 主要是由人工完成的。清洗工人搭乘吊蓝或腰系绳索进行高空擦洗，稍有不慎就 会出现事故，造成伤亡。不但如此，人工作业的效率也很低，清洗一幢大楼有时要 耗时数天乃至十天，耗资巨大。因此，人们迫切希望能设计制造出一种可以代替人 工完成高层建筑清洗任务的装置。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， 提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效 益。因此，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。 1 2 爬壁机器人的分类 壁面清洗机器人是以爬壁机器人为基础开发出来的，是爬壁机器人的用途之 一。机器入能够在壁面上自由移动，必须具备两大机能，即吸附机能、移动机能 i l l 3 1 ，一般来讲，爬壁机器入主要按吸附和移动机能来进行分类。 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。 按照移动方式分类，爬壁机器入可分为车轮式、履带式、多层框架式和腿足 式。 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。如单吸盘真空负压式爬壁机器人，负压吸附履带式爬壁机器人，电磁吸附多 足式爬壁机器人，永磁吸附车轮式壁面移动机器人，靠螺旋桨产生推力的推力附 着轮式壁面移动机器人等。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。鉴于建筑物壁面的 非导磁性，所以壁面清洗机器人多采用真空吸附方式，由风扇、空气压缩祝等真空 发生设备在机器人和墙壁的接触面间形成负压，依靠压差使机器人吸附在墙壁 l 。 第一章绪论 1 3 国外爬壁机器人的发展概况 1 3 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 1 9 6 6 年，日本大坂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 4 1 - i 。；i ，如图1 - 1 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。 图1 - 1 西亮的二号机器 图卜2“w a l k e r ”机器人 图1 - 3 瓷砖检测机器 1 9 7 8 年开始，日本化工机械技术服务株式会社研制成功了一种爬壁机器人， 用于清扫核电站炉心内壁面上的附着物。该机器人采用单吸盘结构，由抽气泵产 生负压，吸盘周围是弹性物质，以顺应壁面的凹凸，但自身无行走能力，靠其上 面的绞车拖动，所以它只是初级的壁面移动机器人，但工作可靠。此后，该公司 又研制了一种叫做“9 8 l k e r ”的爬壁机器人”1 ，如图卜2 所示。“w a l k e r ”自 身具有行走能力，它由上下两个行走滚子和左右两个行走带驱动行走，真空室由 滚子和皮带自然围成，通过左右滚轮和皮带的速度差实现转向。 日本的竹中工务店也研制开发了单吸盘真空吸附式壁面诊断机器人。，它采 用直接与真空室相连通的排风扇产生负压，使机器人贴附在壁面上，在吸盘内部 有两条行走履带，通过履带的速度差实现转向，机器 人本体上装有检测壁面瓷砖贴合情况的振动传感器， 如图卜3 所示。 19 9 0 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“”。”1 ，如图卜4 所示。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，工作时最大真空压力为0 0 0 7 m p a ，两对独立驱 围1 4 俄国清洗机器人 第一章绪论 动的车轮实现机器人在壁面的移动和转向机能。 2 0 0 0 - 2 0 0 1 年，美国u l t r as tr i p 公司开 发了一种单吸盘吸附轮式喷漆机器人“，如 图卜5 所示。该机器人利用中央吸盘吸附在 壁面上，电机驱动车轮带动机器人运动，机 器人本体上装有喷头，实现对船体、墙面等 壁面的喷漆作业。 综上所述，单吸盘爬璧机器人都有一个 共同的特点，即皆有与璧面间存在相对滑动图卜5 喷漆机器人 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 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。 198 8 年，日本化工机械技术服务株式会社在成功研制“w a l k e r ”机器入的 基础上，研制成功了多吸盘履带式真空吸附爬壁机器人“v a c s ”“”，如图卜6 所示。它的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；而当吸附室与 壁面脱离时，能自动与真空管路断开而连接大气。每个吸附室的真空均由各自的 真空发生器产生。“v a c s ”左右各有一条履带，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移动 连续、吸盘不易磨损、对壁面适 应性强等优点。但是，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” z 6 l ，如图1 7 所示。 图卜6 “v a c s ”爬壁机墨人 田卜7 壁面诊断机器人 i9 9 2 年，n a g o y a 大学开发 了多吸盘可变结构履带移动式爬壁机器人“”，如图1 - 8 所示。该机器人在变结构 的履带上配备有多个真空吸盘，多个吸盘集中供气，由特殊设计的机械式接触阀， 第一章绪论 保证吸盘与壁面接触时，吸盘与真空发生装置相连，吸盘与壁面脱离时，吸盘与 大气相连；机器人本体上装有驱动电机、转向电机和改变履带形状的变形电机， 通过三个电机的不同组合，机器人能够在曲面上的稳定可靠爬行，并且可以改变 运动方向，翻越障碍等。 1 9 93 年，日本工业技术院的似野智昭研制了另一种形式的壁面步行机器人 “，如图1 9 所示。该机器人由两条足端装有五个吸盘的腿足机构组成，每条腿 可以绕另一条腿旋转，不同的旋转角度就形成了机器人的直线和转向运动。机器 人可以在壁面上实现金方位移动和越过一定高度的障碍。 图卜8 可变结构履带式爬壁机器人 圈卜9 日本工业技术院的爬壁机器人 世界上除日本之外，其他国家也开发了多种爬壁机器人。19 8 6 午美国国际 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 “，如图卜l0 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。 i9 98 年，美国的卡耐基梅陇大学的 m els i e g el 等人研制了一种用于检测飞机 机身外表面的多吸盘真空吸附式爬壁机器 人，如图i - 1 1 所示“。该机器入采用十字 框架式结构，十字框架之间可以相对滑动， 完成机器人的前后、左右运动。该机器人 带有三维立体视觉检测器、涡流探头等检 测设备，采用上位机遥控操作。 19 98 年，英国f o r t m o u t h 大学也开 圈l - 1 0 “s k y w a s h e r ”爬壁清洗机器人 发了一种框架式多吸盘爬壁机器人“”，其目的是检查和清扫核电站煤气管道连接 段，如图1 - 12 所示。 4 第一章绪论 固卜1 i 飞机表面检壹爬壁机器人 图卜1 2 框架武爬壁机器人 英国南岸大学从八十年代以来，一直致力于爬壁机器人的研究，1 9 9 4 年研制 成功了多足真空吸附式爬壁机器人，进行 超声无损检查。近几年来，南岸大学继研 制出四足壁面步行机器人r o b u gi i 后，又 开发了r o b u gi i i 型爬壁机器人。“”，如图 1 - 13 所示。该机器人有八条腿，类似巨型 蜘蛛。r o b u gi i i 可负重1o o k g ，能进行地 面到壁面、壁面到天花板等多中工作面之 间的转换，能够跨越楼梯等障碍。 圈卜13r o b u g 川爬壁机器 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。 1 3 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。 19 8 4 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 ”1 ，如图卜1 4 所示。它配有8 只永磁体脚，通过内侧四只脚和外侧四只脚的 交替运动及内框和外框之间的相对转动，实现机器人的前后运动及转向。 日本钢管株式会社( n k k ) 开发了车轮型磁吸附爬壁机器人，如图卜1 5 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。 1 9 9 9 年，英国凤凰公司研制了一种用于焊缝无损探伤的爬壁机器人”1 ，如 ”国唆 固l t4 脚式融吸附爬壁机器人囤卜1 5 车轮式磁吸附爬壁机器人固卜1 6 框架式碰吸附爬壁机器人 第一章绪论 图卜16 所示。该机器人采用永磁体车轮贴附在壁面上，并通过电机驱动车轮带 动机器人运动，机器人本体带有六个超声探头和检查结果记录装置。 车轮式磁吸附爬壁机器人虽然移动速度较快， 但有效的磁体只是车轮的一小部分，步行式磁吸附 爬壁机器人虽然吸附力较大，但移动速度很慢，综 合考虑吸附力和行走速度，1 98 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。，如图1 - 1 7 所示。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。 l _ 3 3 其他类型的爬壁机器人发展概况 图1 - 17 吸盘式磁吸附爬壁机器人 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。 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”“，如图卜1 8 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。19 97 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1 - 19 所示。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。 19 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“”，如图卜20 所示。该机器人用于检测壁面瓷砖的贴合状况，自重3 2 k g ，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。 二2 圈卜i8 推力型爬壁机器人 围卜19 飞行机器人 图1 2 0 绳索牵引式爬壁机器人 6 者 = 气一 i 。焉一葡茧 第一章绪论 1 4 国内爬壁机器人的发展概况 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 19 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，目前已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 开发了多层框架、多真空吸盘式爬壁机器人系列 ”。”1 ，如图1 - 2 1 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 交替吸附使机器入在壁面上自由运动，最大工作移 动速度7 o m m i n ，自重5 0 k g ，负载能力55 k g ，越 障高度6 0 m m ，采用无线射频遥控操作。 固卜2 l 壁面清洗机器人 20 0 1 年，该机器人研究室又开发成功了一种新型 单吸盘轮式爬壁清洗机器人”。”，如图1 - 2 2 。该机 器人本体上的4 个抽风机直接与真空室相通，通过抽 风机产生负压使机器人吸附在壁面上，真空室四周围 有良好密封的弹性裙边以适应墙壁的凹凸不平。清洗 装置直接安装在真空室内，结构更加紧凑。本体四角 装有具有自主知识产权的全方位越障车轮组，使机器 圉卜2 2 爬壁清洗机器人人能够全方位移动并能翻越诸如窗框类等障碍。采用 上位计算机和p l c 两级控制方式，p l c 控制器直接安 装在机器人本体上，通过上位计算机或遥操作盒进行控制。机器人自重1 2 0 k g ， 最大行走速度3 6 m m i n ，最大越障高度6 0 r a m ，清洗速率19 4 m 2 h ，计算机、遥操作 盒两级控制。 2 0 0 2 年，上海大学特种机器人应用研究室 又成功开发了一种球形壁面爬壁机器人“”。， 如图卜23 。该机器人为多吸盘腿足式爬壁机器 人，每条腿足部都装有吸盘，使机器人可靠吸 附在球形壁面上，采用气压传动驱动方式，计 算机、p l c 两级控制，机器人自重2 5 k g ，最大 间歇移动速度1 2 m m i n ，球面上最大翻越高度为 3 3 0 m m 。 匿l 一2 3 球形壁面爬壁机器人 哈尔滨工业大学先后研制了两种类型的爬 第一章绪论 壁机器人”5 ”1 ，一种是单吸盘轮式驱动爬壁机器人，如图卜2 4 所示；另一种是 磁吸附履带式爬壁机器人，如图1 - 25 所示。真空吸附式爬壁机器人采用全方位 车轮机构，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 k g ，负载能力15 k g ，移动速度o - 2 m m i n ，采用微机控制和 有线遥控。磁吸附履带式爬壁机器人采用里圆弧形的永磁体提供贴附力，由电机 驱动左右履带实现机器人的移动。 围卜2 4 肇面爬行检测机幂人图卜25 盾带式磁吸附机幂 圈卜2 6 壁面清洗机器人 2 0 0 0 年，哈工大机器人研究所在原开发的壁面清洗机器人的基础上( 如图 卜2 6 ) ”。与中国蓝星化学清洗总公司合作成功开发了 “蓝色超人”壁面清洗机器人”，如图1 - 2 7 所示。该机 器人为单吸盘吸附式，吸盘周围围有弹性密封裙边，真空 室内装有轮式移动机构，可翻越10 - 2 0 m m 的障碍，采用遥 操作方式。 图卜2 7 蓝辛超 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“”“5 ”，如图1 - 2 8 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大建筑物 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 - 2 9 所示。 它借鉴了航空技术，机器入主体部分为一涵道风扇，由电机驱动产生指向壁面的 图1 - 2 8 十字框架型壁面清冼机器人图卜2 9 绳索牵引擦窗机器人图卜3 0 灵巧型擦宙机器人 第一章绪论 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， 2 0 0 1 年，该机器人研究所开发了一种灵巧型擦窗机器人”“，如图卜3 0 所示。 该机器人本体结构采用具有负压吸附装置的履带式驱动的双车体结构，能够实现 越障和面面转换功能。 20 0 2 年，该机器人研究所为上海科技馆开发生产 了“蓝天洁士”玻璃幕墙清洗机器人”，如图卜3 1 所 示。该机器人由楼顶随动分系统、地面支援分系统和 机器人本体三部分组成。楼顶随动分系统位于幕墙顶 端，通过钢丝绳与机器人头部连接，保护机器人的安 全。地面支援分系统位于地面，通过多种管缆与机器 人尾部连接，为机器人提供电、气、水，并能将机器 圉卜3 1 蓝天洁士 人清洗玻璃时的污水从壁面回收到车内的污水净化装 置中，进行循环使用。机器人本体由两个主气缸构成机器框架，可伸缩腿部安装 有真空吸盘。随着腿部的交替吸附和主气缸的运动，机器人可阻在玻璃幕墙上的 纵向和横向自主运动。纵向气缸两端各安装有一个可伸缩的清洗条刷。条刷具有 喷水、刮擦、污水回收等功能。当刷子伸出时，随着气缸的往复运动，即可完成刷 子的擦洗动作。 上海交通大学研制了履带式磁吸附爬壁机器人 “”。6 ”，如图1 - 3 2 所示。该机器人用于测量储油罐 中油品的容积，根据测量要求，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，自重1 4 6 k g ，负载能力2 0 k g ， 行走速度2 m m i n ，定位精度：i m 行程其偏差小于 1o m m 。 目卜3 2 油罐寐张删量用肥驻期熙人 1 5 壁面自动清洗机器人的研究现状与发展方向 目前壁面自动清洗机器人已成为国内外的一个研究热点。国外在这方面比较 有代表性的有日本通产工业技术设计院、日本三菱电机公司、美国国际机器人技 术公司、英国朴茨茅斯理工学院等，国内比较有代表性的有哈尔滨工业大学、北 京航空航天大学、上海大学等。目前国内外开发出的壁面自动清洗机器人归纳起 来主要有两种类型：一种是为研究而研制的实验性壁面清洗机器人，另一种是为 应用而开发的实用性壁面清洗机器人。从实用化和产业化的角度出发，壁面清洗 机器人的主要研究技术方向为： i 、高清洗效率的壁面清洗机器人。一方面开发出新的壁面清洗装置，清洁、 9 第一章绪论 高效的清洗壁面；另一方面开发出高效的清洗装置的载体( 即机器人本体) ，提 高机器人的机动性、灵活性。 2 、对壁面广泛适应性的清洗机器人，以满足特殊壁面的清洗要求如阶梯状 表面、倾斜面、球型面等外墙面。 3 、合理的性价比、高可靠性和通用性的壁面清洗机器人。 1 6 论文的研究内容 本论文的研究工作是结合上海市教委曙光计划项目( 0 1 s g 4 4 )“壁面自动 清洗机器人关键技术研制”来开展的，该项目的研制成功将会实现楼宇壁面清洗 作业的自动化，实现壁面自动清洗机器人的小型化、轻量化及产业化。 根据项目的研究目标和研究内容，本学位论文的研究内容主要针对： 1 、爬壁清洗机器人的总体分析，针对爬壁机器人的作业情况和要求，对该 系统进行总体分析，包括机器人本体、清洗装置、安全保险装置以及控制系统等。 2 、控制系统总体分析、设计、制作。包括下位机的硬件控制部分的设计和 制作，下位机p l c 软件部分的设计，上位机v c 软件部分的设计以及上下位机通 讯部分的设计。 3 、对机器人的实时监控。上位机能实时获取机器人的状态，并在监控界面 动态显示出来，要求及时、准确。对误操作以及在机器人出现故障的时候能进行 报警处理。 4 、工程实验样机的调试、实验，研制一台工程实用样机，以验证论文工作 的正确性和有效性。其技术指标为： 爬行速度：4 1 0 m m i n 爬行高度：1 o o m 清洗速率：10 0 1 50m 2 h 移动时能够跨越3 0 n u n 左右的窗框类障碍 控制方式：上位机与p l c 两级控制 10 第二章机器人壁面自动清洗系统的总体设计 第二章机器人壁面自动清洗系统的总体设计 2 1 引言 本课题研究的是为城市高楼大厦提供一种壁面自动清洗的爬壁机器人系 统。在满足使机器人系统移动可靠和灵活、清洗作业装置的高效率的前提下，尽 可能使系统小型化、轻量化、操作合理方便，并且具有较好的壁面适应能力。 2 2 机器人总体构成 为实现机器人高效率清洁壁面，机器人必须具有在壁面上的吸附功能和移 动功能，此外，还要有相应的清洗作业功能。因此，机器人壁面自动清洗系统的 总体结构主要包括即机器人本体移动系统、清洗作业装置、控制系统和安全保险 装置四大部分，如图2 - 1 所示。 高压清洗机 屋顶随动小车 真空密封系统 清洗系统 移动系统 污水收集箱 控制系统 7 位机 图2 - 1 机器人壁面自动清洗系统结构总图 本文需要讲述该机器人的控制系统，因此首先必须了解它的机械结构，本章 中将先对该机器人的总体机械结构作简略说明，然后对控制系统部分进行总体介 绍。 第二章机器入壁面自动清洗系统的总体设计 2 3 机器人壁面自动清洗系统的机械设计 2 。3 i 机器人本体移动系统 爬壁机器人系统是壁面自动清洗机器人的核心部分，考虑到清洗机器人的 作业环境和性质，我们选用双吸盘、真空负压吸附、车轮行走方式的爬壁机器人。 机器人本体移动系统主要由移动机构、吸附装置两部分组成 1 、移动机构 为完成壁面清洗作业任务，机器人的行走机构必须能够实现在保持机器人机 体姿态不变的前提下，使机器人能够在壁面上作前进、后退、转向等运动，即机 器人具有全方位移动功能，同时在壁面上存在一定高度的规则障碍，如：窗框等， 因此，为保证机器人连续作业，行走机构需具有一定的越障功能。并且从机器人 小型化、轻量化的角度考虑，移动机构又不能过于复杂和庞大。为了提高清洗效 率，我们对机器人的工作路径进行了规划，决定采用“s ”形路线( 即从楼底直 线运动到楼顶，侧移一个工作位置，然后再直线运动到楼底) 。这样，机器人在 清洗作业过程中，只需要上行、下行及侧移三种运动，所以我们决定采用两后轮 驱动来实现机器人的前进、后退运动，通过楼顶小车的侧向运动来实现机器人的 侧移。 2 、吸附装置 该装置采用高速离心式风机迅速地将真空吸盘内的空气吸出形成负压并维 持真空吸盘腔内负压的稳定。采用的高速风机自重小、排气量大、真空度高，每 分钟的排气量为2 6 m 3 ，真空负压最大为15 k p a 。 实现真空吸附的关键不仅仅需要真空负压的产生，更重要的还有负压的维 持，密封装置的主要功能是维持真空室内的真空负压，从而使机器人可靠地贴附 在壁面上，且可以在壁面上移动。由于高层建筑物的外壁面不是很光滑和平整的， 存在缝隙或凸起，若不能保证吸盘与壁面之间的良好密封，则吸盘内的真空就不 能保持；并且当吸盘翻越障碍时，真空室内的真空负压会丧失很多甚至完全丧失， 爬壁机器人则不能正常工作，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，密封装置的设计是真空吸附式爬壁机器人研制过程中必须解块的 关键技术之一。 基于以上考虑，我们采用双吸盘上下方式布置的密封机构。 第二章机器人壁面自动清洗系统的总体设计 1 。杆端关节轴承 2 裙违巢 3 胶槲随 4 u 形板 5 密封环 6 调节螺母 7 。弹簧 8 线性轴承 9 导抒 图2 - 2 弹簧胶棉组合式密封机构 双吸盘真空吸附式爬壁机器人在壁面上移动时，每一吸盘上的密封圈都与壁 面之间存在相对运动，这就要求密封装置必须适应壁面的一定程度的凹凸不平， 实现吸盘的可靠密封，又要求密封圈具有一定的耐磨性和使用寿命。针对对密封 装置的特定要求，我们采用弹簧+ 胶棉组合式密封机构，如图2 - 2 所示。所选胶 棉是采用德国技术以p v a 为材料制成，具有强力吸水、韧性好，耐用性强等特点。 胶棉浸湿后具有很好的弹塑性能，能较好地填补胶棉和壁面间的缝隙，达到适应 壁面小凹凸的要求，而且采用了“软着落”的接触密封方式也能增加吸盘对壁面 形状的适应性，胶棉与壁面之间的接触压力可以通过弹簧来调定和维持，这样通 过胶棉的微小变形和弹簧的大交形的组合，可以保证吸盘既能很好地适应壁面的 微小凹凸，又能保证在越障时，吸盘能顺利翻越障碍。由于采用了上下分布的两 个吸盘，所以当一个吸盘翻越障碍时，即使该吸盘内的真空丧失，依靠另一个吸 盘的作用，机器人仍然能够可靠的吸附在壁面上不会滑落或倾覆。 2 3 2 清洗作业装置 由于被清洗壁面的多样性，不同的 壁面要求具有不同的清洗作业方式和清 洗工艺，从基于“有限目标”和“实用 可靠”的原则出发，确定清洗对象为量 大面广的铅直平壁面，由此，我们研究 和开发了相应的清洗作业装置。如图2 - 3 1 滚刷电机 2 污水箱 3 本体支架 4 刮水板 5 滚刷 6 喷嘴 7 同步带 8 密封裙边 图2 - 3 清洗装置结构图 第二章机器人壁面自动清洗系统的总体设计 所不。 为提高机器人清洗作业的效果和效率，我们采用了冲洗、刷洗、刮洗联合作 用的清洗作业方式。首先，以高压水冲洗壁面，除去壁面上附着力较小的污垢并 浸润壁面，随后由滚筒刷刷洗壁面，利用滚刷鬃毛与壁面之间的摩擦力除去附着 力较大的污垢，然后，由刮水板刮除残留的液滴，防止液滴水份蒸发后析出的矿 物离子挂花壁面，最后，清洗形成的污水由刮水板引导通过排水管排入污水箱。 整个清洗作业系统包括滚刷、喷淋、刮水、污水回收和重复使用五部分。 由于壁面清洗机器人在清洗作业时，污水的及时回收是个关键问题。如果不 把清洗室与真空室隔离，在清洗室内的水基本上呈水雾状态，不易凝结，大部分 水雾就会被抽风机抽出，直接排放到大气中；同时，因为清洗室是真空状态，清 洗壁面后形成的污水不能直接排到污水箱，还要增加诸如导气管等装置来收集污 水，不仅回收效果差而且不利于机器人的小型化、轻量化。所以我们将整个清洗 作业系统被安置在真空室之间的清洗室里，使清洗室与真空室隔离。 针对壁面的不同污染程度，冲洗时，高压水中可以添加不同的清洗剂，实现 对附着力较大的壁面污物泡软和分化作用，以利于下一步的清洗作业。 2 。3 3 安全保险装置 安全保险装置能够在机器人突然掉电或发生意外从壁面脱落时，起到保护作 用，并承受机器人系统的部分重量和屋顶悬挂下来的水管和电缆的重量，这样， 从理论上讲机器人的工作高度是不受限制的。它主要包括屋顶随动小车、卷扬机 构和钢丝绳几部分。为适应不同的屋檐突出，并能在相邻壁面之间连续移动，采 用保险杆倾斜角可调节的结构形式。在机械上采用蜗轮蜗杆传动结构，保证反向 传动的自锁。 2 4 机器人壁面自动清洗系统的控制系统总体设计 爬壁清洗机器人系统的控制系统是机器人的核心部分，采用两级控制结 构，包括上位机监控系统、下位p l c 控制系统。其主要功能是通过上位计算机来 控制下位计算机完成机器人在壁面的吸附、移动控制。其中上位机部分由v c 语 言编写，用来完成各电机的运动命令的生成、读取机器人运动状态、进行机器人 的动态仿真同时实时显示出机器人的运动状态。而下位机p l c 部分完成对驱动元 器件控制、获取机器入的状态信息。根据上、下位机在监控系统的功能分工，两 者之间需要传递的数据有动作命令和状态信息。 具体的控制对象包括： 1 ) 机器人移动系统的控制 靠轮驱动电机的控制 1 4 第二章机器入壁面自动清洗系统的总体设计 2 ) 机器人吸附系统和清洗装置的控制 抽风机的开闭 高压水泵的启动、停止 滚刷的旋转和停止 3 ) 屋顶随动车的控制 屋顶电机的速度控制 屋顶绞车行走电机的启动、关闭 控制系统的具体要求： 1 ) 控制系统小型、轻量化、高可靠性 2 ) 移动机能由电控柜或上位机控制靠轮电机和屋顶卷扬绞车协调动作，实现 机器人在壁面上的移动。 3 ) 吸附机能通过电控柜或上位机控制抽风机的启动、停止和调速，实现机器 人可靠贴附在壁面上，保证车轮组的车轮紧贴壁面，胶棉密封裙边与壁面良 好贴合。 4 ) 作业功能通过电控柜或上位机控制高压水泵开关、滚刷电机的开关，机器 人完成清洗壁面的任务。 5 ) 监控功能机器人的状态可以实时的在上位计算机屏幕上进行实时显示，并 能通过上位机进行操作控制。 6 ) 控制系统应有恰当的冗余，保证操作系统出现故障时，能通过冗余系统把机 器人安全放至地面进行维修。 7 ) 下位机的动作执行和信号处理与传输功能，下位机要能够根据与上位机约定 好的通讯协议，实时的上位机反馈机器人在运动过程中的状态信息，同时执 行上位机发送来的动作命令。下位机采用可靠性较高的工业用p l c ，完成动 作命令的控制，是机器人系统的从控部分。该系统没有安装在机器人本体上， 可以减轻机器人本体的重量。 爬壁机器人控制采用两级计算机系统进行控制。选用计算机操作还是电控柜 按钮操作由计算机监控界面上的按钮决定，默认情况下是由电控柜。当使用计算 机控制时，计算机通过r s 23 2 一c 电缆与p l c 连接进行通讯，将命令传输到p l c ， p l c 接收到计算机的命令控制机器人运动，在机器人状态发生改变后发出返回信 号，传送到计算机，完成两者间的通讯。使用电控柜按钮进行控制时，直接控制 p l c 的输入口。p l c 收到控制按钮或计算机的执行命令后，做出相应的动作，控 制各个电机的动作，并将机器人状态实时传输给计算机，由上位机对机器人状态 进行监控。 第二章机器人壁面自动清洗系统的总体设计 2 5 本章小结 本章从总体上介绍了机器人壁面自动清洗系统的总体组成以及各个组成部 分之间的相互关系。由于本文主要是介绍机器人的控制系统，因此首先应该了解 它的机械结构。在介绍机器人本体部分，为论文后几章的控制系统作好铺垫。本 章提出了对整个机器人控制系统的技术要求，并介绍了控制系统总体的实现方 式。 第三章机器人下位控割系统硬件设计 第三章机器人下位控制系统硬件设计 3 1 引言 本爬壁机器人控制系统由上位机和p l c 二部分组成。本机器人下位控制采用 的是可编程控制器，以下简称为p l c 。为了减轻机器人重量，简化系统，它与机 器人本体分离，安装在地面上的电气控制柜中，对机器人具体运动动作( 如具体 某个电机的起停等等) 的控制，同时采集机器人各个时刻运动状态，传送给上位 机。控制系统整体硬件原理图如图3 - 1 所示。 上位计算机 【电源模块c p u 模块输入模块输出模块 图3 1 控制系统硬件原理图 之所以选择p l c 为下位主控制器是由壁面清洗机器人的控制要求和p l c 的特 点决定的，工业控制经验表明p l c 是一种高可靠性、良好适应性的模块化控制器。 “可编程控剁器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用丙设 计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出 控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按有关工业 控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”p l c 是专为工业环境 应用而设计制造的计算机，它具有丰富的输入输出接1 ：3 ，并具有较强的驱动能 力。 p l c 是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，是毗微处理器为核心，综 合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术，用面向控制对象，面向控制过程的 “自然语言”编程，简单易懂、操作方便、适应工业环境、可靠性高的新一代通 用工业控制装置“”。目前，p l c 易于实现数据采集，处理、控制，可组成集散型 国际电工委员叁( i e c ) 于i9 87 年2 月通过的对n , c 的定义 1 7 第三章机器人下位控制系统硬件设计 控制系统，可以充当分层式控制处理系统的中下层设备。p l c 业已成为现代工业 控制三大支柱。 3 2p l c 的特点 p l c 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p l c 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 经过二十多年的发展，p l c 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、定时控制、顺序控制，还具有p i d 控制， 数据处理及通讯和联网等的能力。 3 3 p l c 选型 要使机器入能够上下两级计算机进行控制，p l c 与计算机问必须可以进行 通讯。c p m 2 a 型p l c 是 o b l r o n 公司推出的一种 p l c ，由于它的c p u 单元本 身带有r s 一23 2 c 接口，可 以不配备专用通讯模块， 用r s 2 3 2 一c 电缆直接与计 算机连接，因此我们选用 o m r o n 公司的c p m 2 a 型 图3 - 2p l c 组成示意图 p l c 。它的基本组成如图3 - 2 所示。它采用的是模块化结构，它的电源、c p u 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。 p l c 的输入输出模块选择要根据系统所需的输入输出点数来确定。在本机 器人系统中，p l c 作为下位机控制单元，其输入主要为接近开关和操作按钮开关 的开关量。输出主要为各个电机和指示灯的开关量。这些开关量决定p l c 输入输 出点数。 1 8 箜三主垫墨! 垡丝型墨堕堡堡堡笪 输出点 元器件数或 元器件或功能 每个元器件所需点数所需点数 功能数 靠轮电