一种双负压吸盘壁面清洗机器人及其控制系统研究.pdf
基于PLC的机器人本体设计(论文+DWG图纸+外文翻译+文献综述+开题报告)
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基于PLC的机器人本体设计(论文+DWG图纸+外文翻译+文献综述+开题报告),基于,PLC,机器人,本体,设计,论文,DWG,图纸,外文,翻译,文献,综述,开题,报告
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机 械 设 计 与 制 造 一7 6 一 Ma c hi n e r y De s i g n&Manuf acture 第 9期 2 0 0 5年 9月 文 章 编 号 : 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 0 5 ) 0 90 0 7 60 3 一种 双 负 压 吸 盘 壁 面 清 洗 机 器 人 及 其 控 制 系 统 研 究 张澎涛钱志源 付庄赵言正 ( 上海交通大学机器人研究所。上海2 0 0 0 3 0 ) S t u d y o n a wa l l c l e a n i n g r o b o t wi t h du a I s u c t i o n c u p s a n d i t s c o n t r o I s y s t e m Z H A N G P e n g t a o ,Q I A N Z h i y u a n ,F U Z h u a n g ,Z H A O Y a nz h e n g ( R e s e a r c h i n s t i t u t e o f R o b o t i c s , S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 , C h i n a ) 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一一 一一一一 60 【 摘要】 介绍了一种壁面适应性较强, 能跨越水平窗框类障碍的双吸盘吸附式玻璃壁面清洗机器 ; 人系 统, 对其控制系 统进行了 研究, 并对机器 人的越障过程进行了分 析。 -L,表明, 该清洗机器人机 i 构简单、 控制可靠、 清洗效果好, 具有一定推广价值。 ; 关键词: 清洗机器人; 双负压吸盘; 越障; P L C ; 单片机; 无线通信 ; 【 A b s t r a c t 】 A g l a s s c u t r a in w a ll c le a n i n g r o b o t w i t h d u a l s u c t io n c u p s is d e v e l o p e d i n t h is p a p e r r o b o t c a n c r o s s h o r o n ta l w i n d o w f r a m e s a n d h a s g o o d a d a p t a b i l it y t o w a ll s 咖c e s c o n t r o l s y s t e m h a s 2 b e e n s t u d i e d a nd t h e p r o c e d u r e o f c r o s s i n g h o r iz o n t a l w i n d o w f r a m e h as b e e n a n a ly z e d T h e e x p e r i m e n t s i d e m o n s t r a t e d t h a t t h e r o b o t c a n b e p u t in t o p r a c t i c e d u e to t h e s i m p l e mec h a n is m , r o b u s t c o m t r o l a nd g o o d 2 O Y 2 le a n in g p e r, 口 眦 巴 3 2 K e y w o r d s : Wa ll c l e a n i n g r o b o t ; D u a l s u c t i o n c u p s ; C r o s s i n g o b s t a c l e s ; P L C ; S i n g le c h ip ; ; 2 W ir e le s s c 。 m m u n c ia ti。 n 3 o 。 ,_ o o o oo o o oooo o o o oooo o o o o ooo o o o。 。 。 。 。 。 。 。 o o 。 o o o。 。 。 。 。 。 ooo o o o 中图分类号 : T P 2 4 2 3 文献标识码 : A 1引言 采用玻璃幕墙作为外防护结构的高层建筑 ,因其采光性 好 、 保温、 防潮 、 实用美 观等优点 , 近年来我 国大 中城市 日渐增 多。但高楼玻璃幕墙需要定期清洗,传统的人工清洗方式既危 险、效率又低且成本高。国内外已经研究了一些用于高楼玻璃 幕墙清洗的爬 壁机器人模 型 【 1 3 , 但 目前都还没有实用 化。 究其原因,机器人的壁面适应性和越障能力等关键问题制约了 清洗 机器人 的发展 。因此 , 针对现有清洗机技术上 的不足 , 我们 研制了一种能够跨越水平窗框类障碍的双负压吸盘高楼壁面 清洗 机器人 ,本文介绍了该清洗机器人系统并对其控制 系统进 行了研究。 2壁面清洗机器人系统 清洗机器人系统由楼顶起吊系统、机器人本体和地面遥控 装置三部分组成 ,见图 1 。机器人本体在楼顶起吊系统的牵引 来 稿 日期 : 2 0 0 41 23 0 下 ,当吸盘吸附于壁面时 ,依靠 自身重力下滑并同时完成 清洗 作业。本体结构示意图见图2 , 主要由双吸盘负压吸附机构、 密 封机构、 清洗机构、 水循环回收机构、 障碍检测机构及洁面机构 组成。两吸盘可相对于负压发生室伸出和缩回,并由其内部闸 片控制与负压发生室间的气路通断。在风机运行时,当通过左 右两个 滑动套筒 与真空发 生室连通气 路且 内部 闸片均 开启 的 两个吸盘分别在各 自气缸驱动下伸出,平整贴近玻璃壁面时, 依靠密封机构,便在负压发生室及两吸盘的封闭空间内产生负 压 ,清洗机本体便在负压作用下吸附于玻璃壁面,从而使本体 在清洗刷高速旋转时获得垂直于壁面的抽打力。楼顶起吊系统 主要由卷扬机、 钢丝绳、 移动小车、 固定轨道、 支撑架、 控制柜组 成 , 用来协调清洗机本体重力下滑移动、 并完成提升、 横移、 高 度计量及安全保护作用。地面遥控装置主要由控制箱体 、操作 面板 、 无线视频监视器 、 无线通讯模 块及 控制单元组成 , 通过无 线监控的方式向清洗机本体、楼顶起吊系统发出各种动作指 令, 并可通过无线视频监视器实时监视壁面清洗效果。 ( 2 ) 几何参数对层板的流阻特性和冷却特性有较大影响: 通 道高度越大, 冷效越低; 扰流柱直径越大, 冷效越高; 相同的冷气 密流下, 开孔率对冷效影响不大。 参考文献 1 R o l l s R o y c e Ae ros p a c e G r o u p 喷 气发动机第 四版 【 M】 北京 : 罗尔斯 一罗伊斯公司技术 出版物部 , 1 9 8 6 : 3 73 8 2桂忠楼 , 张鑫华, 钟振纲等 高效冷却单晶涡轮 叶片制造技术 的发展 【 J 】 航空工程与维修, 1 9 9 8 , ( 2 ) : l l l 3 3全栋梁 刘松龄 李江海 层 板冷却结 构强化换热机理研究 【 J 】 航空 动力学 报, 2 0 0 4 , 1 9 ( 6 ) : 4全栋梁 , 邯新华 , 刘松龄等 多孔层板冷却有效性的研究 【 J 航空动 力学报 , 2 0 0 4 , 1 9 ( 4 ) : 5 2 0 5 2 4 5全栋 梁 , 刘松龄 , 李江海等 层板冷却特性的实验与数值 模拟 【 J 推 进技术 , 2 0 0 4, 2 5 ( 2 ) : 1 3 4一l 3 8 维普资讯 第9 期 张澎涛等: 一种双负压吸盘壁面清洗机器人及其控制系 统研究 二 ! ! 二 图 1机器人系统不 意图 1 楼顶起吊系统 2 机器人本体 3 地面遥控装置 3控制系统设计 由于清洗 机器 人工 作环境 的特殊性 ,要求控制系统具有可 靠性高 , 抗干扰能力强 , 易于 功能扩展等特点。控制系统 由清洗 机本体控制系统、楼顶起吊控制系统及地面遥控系统三部分组 成。系统工作时 , 地面遥控系统完成机器人 的任务调度 , 操作人 员通过键盘输入控制指令,经无线通信系统传输给机器人本体 控制器和楼顶起吊系统控制器,机器人在本体控制器的控制下 完成吸附、 清洗、 越障等动作并由楼顶卷扬机牵引下滑运动。机 器人本体和楼顶机构上的多种传感器实时采集系统工作状态 信息进行处理 , 完成 自主规划, 实现智能控制, 并把信息实时传 输给地面遥控系统 , 操作人员通过这些信息实时掌握机器人的 工作状态 ,在机器人发生意外情况时 ,地面操作 人员可 以及时 发出控制命令 。图 3是机器人控制系统功能框 图。 图 2机器人本体 1 负压发生室2 水箱3 2 O气缸4 下吸盘5 清洗电机 6 、7 、8 、 l 9 光电传感器9 滚刷l O 、l 3 气缸l 1 闸片l 2 接水板l 4 上 吸盘l 5 刮水板l 6 气缸l 7 摄像头 l 8 风机 鬯 一一 地面遥控系统 机器人本体控制系统 厂一一 二二一二二二二 - = 二二= = = - 蓦 簧 蔷 信 息 交 换 令分析1 := 0 1 直接控 L一J 图 3控制系统功能框图 3 1控制系统硬件构成 根据系统功能要求, 控制系统硬件框图见图 4 。楼顶起吊安 全控制系统和本体控制系统均选用西门子 s 7 2 2 6可编程逻辑 控制器 ( P L C ) 。该 P L C具有可靠性高, 抗干扰能力强, 通信能力 强, 组装灵活和方便扩展等特点, 能够很好的满足控制系统的要 求。P L C特殊的循环扫描机制。 对输入输出信号及执行过程中信 息的集中批处理, 使得系统能够实时感知各种信息, 并得到及时 可靠的处理。地面遥控系统选用性能可靠、价格低廉的5 1 单片 机作为主控制器, 完成遥控功能。无线数据传输模块作为无线通 信设备, 通过串E l 实现单片机和 P L C间的数据通信。 橙 贞 卷扬机控制系统 厂二二二一 二 二二二二=二二= 图 4控制系统硬件框 图 楼顶控制系统有手动和 自动两种工作方式 ,由变频器控制 卷扬机三相交流电机和横向移动电机, 完成机器人上升、 下降、 沿固定轨道移动等功能, 速度可调节, 并由旋转编码器检测。各 控制信号均通过 P L C进行集中处理 , 并将状态信息传输给地面 遥控系统 。 本体控制系统主要完成双吸盘吸附机构、负压闭环控制、 清洗机构、 无线通讯、 障碍检测、 越障规划、 水位检测、 气动元件 等的控制。直流伺服电机、 风机、 水泵、 气动元件、 电磁阀等作为 执行装置。负压由两个风机产生,并由单相交流调压模块调节 风机转速,清洗刷由直流伺服电机及其驱动器经同步带驱动并 可调速 ,水循 环回收机构主要是 控制水泵 实现水 的循环 、过 滤 和回收再利用。控制器通过对多种传感器信号的处理,完成对 机器人吸附、 清洗、 越障等的规划和控制。负压传感器用以检测 吸盘内负压, 经由E M2 3 5 模数转换模块检测进入 P L C ,实现负 压闭环控制。4组光电传感器用于分别检测下吸盘、 接水板、 上 吸盘和刮水板是否接近清洗机器人移动前方水平窗框类障碍, 由控制系统决定越障动作时机,依次控制以上四个部件的气动 装置缩回和伸出, 从而实现整个越障过程。张力传感器用于检 测缆绳的张紧程度,判断当前机器人移动状态,防止吸盘内部 负压过大造成不能移动。此外,液位传感器用来检测水箱内水 位, 在供水不足时, 通知地面遥控系统。 地面遥控单元 C P U按照操作面板按键指令通过无线通讯 模块向清洗机本体以及楼顶安全装置发出控制命令,并由液晶 显示器显示当前机器人工作状态。 一 赭 坚 日 维普资讯 一78 一 No 9 机械 设 计 与书 】 造 S e p 2 0 0 5 3 2风机转速闭环控制 机器人在清洗作业过程中,要求内部负压既能使机器人可 靠吸附在壁面上,又能保证机器人在自身重力作用下能平稳下 滑。 但高楼玻璃壁面状况复杂, 尤其在遇到不同宽度窗缝、 密封胶 条、 跨越障碍、 以及邻近玻璃并不完全平整时, 负压会发生较大变 化。 加上密封装置可能失效、 壁面摩擦系数不均等情况, 都需要对 处于动态变化中的负压进行闭环控制,从而保证机器人能可靠、 安全工作。风机电机为交直流两用申激电机, 可通过调节两端供 电电压来改变风机转速, 进而改变吸盘内负压, 负压值由负压传 感器检测, 控制器使用 P I D算法实现负压的闭环控制, 确保吸盘 对壁面的适应性能力。 图5是机器人遭遇不同宽度窗缝时的负压 响应曲线, 图6是吸盘内负压的 P I D闭环控制框图。 3 ,、2 5 曼 2 营 曩1 0 5 一J _ _ L A - 1 r _ 2 5 2 善 善 , 0 5 0 - I ; i _ 山 : 2 3 0 1 2 3 时同q s l 时何q s 1 图5机器人遭遇不同宽度窗缝时的负压响应曲线 3 3无线通信系统 无线通信系统负责地面主控制器与楼顶、本体控制器间的 通信。 机器人的可靠工作要求无线通信系统必须具有可靠性高、 抗干扰能力和实时性好的特点。无线数据收发模块采用 F S K调 质方式和前向纠错信道编码技术, 抗干扰能力强, 误码率低, 有 效传输距离远。s 7 2 2 6提供基于开关量的自由口通信协议 , 在 该模式下, 通过梯形图程序调用接收中断、 发送中断、 发送指令 和接受指令程序来实现通信操作, 实现各控制器的数据通信。 豳 6风机转速 P I D圃环控制框图 4越障过程规划 为了跨越水平窗框内障碍,四组光电传感器分别安装在靠 近机器人下吸盘、 接水板、 上吸盘和刮水板适当位置处。当机器 人清洗下滑时,各传感器组检测到障碍后发出电信号,经 P L C 控制相应电磁阀, 由气缸驱动相应运动件缩回以避开障碍, 越障 后再依次伸出。图 7为清洗机器人越障过程示意图, 步骤如下: 光电传感器 I 检测到障碍, 下吸盘内闸片关闭, 使下吸盘与负 压发生室气路隔断, 下吸盘负压消失, 下吸盘缩回。 此时机器人 仍在下滑; 光电传感器 I I 检测到障碍, 下吸盘伸出。 下吸盘内 闸片打开, 与负压发生室连通 , 下吸盘产生负压, 同时, 接水板缩 回; 接水板经延时( 延时时间跟机器人下移速度有关) 后伸出: 光电传感器 检测到障碍, 上吸盘内闸片关闭, 与负压发生 室气路隔断, 负压消失 , 上吸盘缩回; 光电传感器 检测到障 碍, 刮水板缩回; 经过延时 , 上吸盘伸出, 内闸片打开, 导通负 压发生室, 上吸盘内产生负压; 再经延时, 刮水板伸出, 从而机 器人完成越障过程, 开始清洗当前壁面区域。在越障过程中, 清 洗刷因其柔性不需要缩回, 并能清洗窗框。目前限于机构尺寸, 机器人能跨越2 3英寸高的水平窗框类障碍。 图 7机 器人越 障过程示意图 I 窗框障碍 2 玻璃幕墙 3 光电传感器 4 下吸盘 5 下吸盘驱动 气缸 6 光电传感器 7 接水板8 接水板驱动气 缸 9 滚刷l O 光 电传 感器 I 1 上 吸盘l 2 上 吸盘驱 动气缸l 3 光电传 感器 I V l 4 刮水板 l 5 刮水板驱动气缸l 6 负压发生室 5实验与结论 经过现场实验 ( 见图 8 ) ,证明机器人依靠重力驱动,边吸 附、 边下滑、 边清洗的机构设计 原理是可行的。该清洗机器人 能平整吸附于玻璃壁面,能以 较平稳姿态下滑并具备姿态 自 调整能力 。此外 机器 人对窗缝 或胶条引起的泄漏有一定适应 能力, 并能跨越障碍, 清洗效果 较好, 机构简单可靠。 今后将在 机构进一步的设计优化、产品 化、吸盘壁面适应性控制算法 上进行深入研究从而推向实 用化。 参考文献 图 8试验照片 l Wa n g Ya n , L i u S h u l i a n g , Xu Di a n g u o e t c 。De v e l o p me nt a p p l i c a t i o n o f wa l l c l i mb i n g mbot s ,P r o cee d i n g s o f I E EE I n te r n a ti o n a l C o n f e r e n c e o n Ro b o ti c s and Au t o ma ti
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