爬墙机器人总体结构及清洗装置、控制系统硬件设计【三维UG】【5张CAD图纸、说明书资料齐全】
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三维UG
5张CAD图纸、说明书资料齐全
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爬墙机器人总体结构及清洗装置、控制系统硬件设计 学生姓名: 蔡系文 班级: 030312 指导老师: 袁坤摘要:爬壁清洗机器人是一种能够在垂直壁面上进行清洗作业的移动式服务机器人。它属于极限作业机器人的一种，可以将人从危险的工作中解脱出来，因而在建筑清洗行业有着广泛的用途和很高的使用价值。研究高效、简洁的高楼壁面清洗机器人正是本课题的要求。使用爬壁清洗机器人进行高层建筑幕墙自动清洗，其实现的关键是机器人的移动方式、吸附方式以及清洗技术。本文研究的目的是设计一种面向高层幕墙的可靠、高效、省时、安全的清洗作业系统。因此，如何合理实现爬壁清洗机器人的三大技术是本设计的关键。本文通过对国内外爬壁清洗机器人现状进行了系统的分析与比较，l论文主要论述了爬壁清洗机器人的行走方式、吸附方式、清洗装置、控制系统。首先介绍了国内外爬壁机器人研究现状，阐明本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍了本爬壁清洗机器人总体结构，同样也要求设计出合理高效的清洗装置，并在此基础上着重阐述了爬壁清洗机器人控制系统主要问题及其解决方法，机器人的控制系统主要必须完成对机器人行走、吸附、清洗等的控制，必须具有操作简单、可靠、高效、方便等特点。关键词: 爬壁机器人 清洗 移动吸附机器人控制 指导老师签名:毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：爬墙机器人总体结构及清洗装置、控制系统硬件设计II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：原始资料：爬墙机器人文献20余篇设计技术要求：机器人爬行速度：02m/min( 无级可调)控制方式：无线遥控或程序控制吸附方式：负压吸附（正常负压为600mmH2O）；最大有效负载：15Kg；III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：1、收集有关资料，写出开题报告； 2周(3.26-4.8)2、系统方案设计； 2 周(4.9-4.22)3、总体结构设计（台面）； 2周(4.23-5.6)4、清洗装置设计； 2周(5.7-5.16)5、控制系统硬件设计；3周(5.17-6.8)6、外文翻译(6000实词以上)； 1周(6.9-6.15)7、撰写论文； 1周(6.16-6.22) 、主 要参考资料：1、王茁，张波.壁面爬行机器人本体设计J.吉林化工学院学报，2004,21（4）：78802、谈土力，龚振邦，张海洪等.壁面自动清洗机器人研制J.高技术通报,2003,12(2): 83-873、高学山，徐殿国，王炎.新型壁面清洗机器人的研究与设计J.高技术通报,2004,13(4): 39444、赵兴飞，周忆，石崇辉.气动爬壁机器人设计与计算J.机床与液压,2003,32(3):61625、B.Bahr,Y.Li and M.Najafi.Design and suction cup analysis of a wall climbing robotJ.Computers Elect. Engng.2006,22(3):193-209 航空与机械工程 院（系） 机械设计制造及其自动化专业类 030312 班学生（签名）： 蔡系文日期： 自2007 年 3 月 26 日至2007 年 6 月 22 日指导教师（签名）：袁坤 助理指导教师(并指出所负责的部分)：机械制造 系（室）主任（签名）：附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。毕业设计（论文）题目：爬墙机器人总体结构及清洗装置、控制系统硬件设计院( 系 ) 航空与机械工程学院专业名称 机械设计制造及其自动化班级学号 03031236学生姓名 蔡系文指导教师 袁坤二OO七 年 六 月 毕业设计（论文）开题报告题目爬墙机器人总体结构及清洗装置、控制系统硬件设计 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 03031236学 生 姓 名 蔡系文指 导 教 师 袁坤填 表 日 期 2007 年 04 月 05 日说 明开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。以下填写内容各专业可根据具体情况适当修改。但每个专业填写内容应保持一致。一、选题的依据及意义：爬壁机器人是极限机器人的一个分支，主要在壁面或顶部进行移动作业。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才能实施作业，如：原子能发电站中强发射线下的作业，海底石油勘探等深水作业，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。而爬壁机器人作为其中的主要开发项目得到了蓬勃的发展。目前，国内外已经有相当数量的爬壁机器人投入现场作业，主要应用于以下几个方面：l 核工业 对核废液贮管进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；l 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；l 建筑行业 用于喷涂巨型壁面，安装瓷砖并对瓷砖、玻璃壁面进行清洗等；l 消防部门 用于传递救援物资、进行救援工作等；l 造船行业 用于喷涂船体或轮船内壁等；l 电力行业 对电站锅炉水冷壁管壁厚度的测量等。随着城市建设的发展，越来越多的高层建筑出现在大都市中，并成为城市现代化的基于采光和美观的缘故，许多高层建筑都以玻璃幕墙或其他幕墙为外装饰，但也因此带来了建筑物幕墙的清洗问题。高大建筑物的幕墙清洗是一项繁重而危险的工作。国内外目前使用的方法主要有三种，一种是用绳索直接吊挂清洁工(俗称蜘蛛人)在幕墙上作业，这种方式危险性很大；第二种是靠楼顶轨道车和升降平台承载清洁工进行玻璃窗和壁面的清洗，但这种方式未能根本消除工人的危险，而且系统成本极高；第三种是用安装在楼顶的轨道及吊索系统将擦窗机对准窗户进行自动擦洗。如果采用第三种方式，除了成本高以外，还要求在建筑物设计之初就要将擦窗系统相应结构考虑进去，从而限制了这种方式的使用。目前，玻璃幕墙的清洗主要还是采用人工清洗，国内几乎所有的玻璃幕墙均采用这种方式进行清洗。目前，这种清洗方式存在的缺点不足如下：l 作业周期长，工作效率低。如果人工清洗高层建筑，势必影响清洗效率和影响清洗的质量；l 费用高，易出事故。清洗时人工高空作业，安全性差，而且必须付给清洗工人相应的高费用。随着机器人技术的发展，使得高层建筑幕墙清洗自动化成为可能。对于高层建筑物的幕墙清洗，特别是复杂幕墙的清洗，最好的解决办法是用可在幕墙壁面自由爬行的移动机器人。若能研制成功这类高层建筑幕墙清洗机器人，则不仅能消除人员的高空作业危险和大幅度提高工作效率。另外，由于清洗时间大大缩短，能极大地降低作业费用。随着城市现代化建设步伐的加快，高层建筑越来越多，为美化城市、保持现代化城市的形象和高楼的情节面貌，而建筑物的外壁多采用瓷砖和玻璃幕墙结构，但随之而来的高楼清洗问题又一直困扰着人们。确保在各种恶劣条件下更好地完成清洗任务，成为摆在大楼经营者或清洗公司面前的日益紧迫的事情。高层建筑清洗工作是一项非常繁重、特殊及平凡的工作，在垂直陡壁上进行清洗作业，对人类是非常困难和危险的。爬壁清洗机器人解决了人类在特殊环境下从事危险、繁重体力劳动的难题，为改善劳动环境、保护人身安全及美化城市等方面，开辟了一个新的领域。所以我选择了这个爬壁清洗机器人设计的课题。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：壁面爬行机器人（简称爬壁机器人）作为高空极限作业的一种特殊机器人，越来越受到人们的 ，原因是使用爬壁机器人不仅可以代替人进行危险作业，而且可以把人们从恶劣的环境中解脱出来。目前国内外已有一定数量的爬壁机器人投入现场作业，基础理论研究已逐步完善。机器人如果能够在壁面上自由地移动，并且进行作业，必须具备两大基本机能：吸附功能和移动功能。因此，爬壁机器人主要是按吸附功能和移动功能来进行分类的。爬壁机器人按吸附方式可以分为真空吸附、磁吸附、推力吸附三类。真空吸附又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凹凸不平时，容易是吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附又分为永磁铁和电磁铁两种，要求壁面必须是导磁材料，但它的结构简单，吸附力远大于真空吸附方式，且对壁面的凹凸适应性强，不存在真空吸附漏气的问题，因而当壁面是导磁材料时优先选用磁吸附爬壁机器人。爬壁机器人按移动方式可以分为框架式、车轮式、履带式和脚步式四类。框架式吸附能力大，承载能力强，能跨越规则的壁面障碍；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面的适应性强，着地面积大、不易转弯；脚步式移动速度慢，但承载能力强。不同的吸附方式和移动方式的组合就构成了各式各样的爬壁清洗机器人。下面就上述分类对国内外的爬壁机器人的发展介绍如下：(一) 国外爬壁机器人的发展概况日本作为机器人大国很早就开始了壁面移动机器人的研究，1966年日本大阪府立大学工学部的西亮讲师成功制作了利用风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，并与1975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人。1978年，日本化工机械技术服务株氏社研制开发了两种壁面移动机器人：PC型核电站壁面除污机器人和PD型核电站壁面除污机器人。两种机器人均为单吸盘结构，由抽气泵产生负压。此后，又在这两种机器人的基础上开发出一种“WALKER”的爬壁机器人。“WALKER”有行走能力，它由上下两个行走滚子和左右两个传动带驱动行走，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。但当壁面上有裂缝时，真空难以维持。1982年，日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，用于将旧救护绳等物质搬运到失火的高层楼房，解救被困人员。机器人整个本体作为一个真空吸盘，负压有抽气泵工作产生；内部有两排行走履带，通过履带的速度差实现转向；操纵是在地面上由操纵盒遥控实现的。1984年，东京煤气公司与日立制作所联合开发出一种球形煤气罐检查机器人，是最早的多吸盘爬壁机器人。它是一种多足2脚、框架移动式步行爬壁机器人，内外两个框架上各装有8只吸盘；上有驱动装置，可驱动两框架相对运动。1984年，日本日立制作所研制出足式磁吸附爬壁机器人，有八只脚，均采用永磁体吸附式，内侧四只脚和外侧四只脚在行走过程中交替吸附于壁面上。1988年，日本三菱化工研究所研制出了真空吸附式壁面行走机构“VACS”，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帖紧壁面移动。这种机器人主要作为除尘机械，对壁面进行清洗、喷涂、检查等。1990年，俄国机械科学研究所研制成功一种用于清洗作业的单吸盘爬壁机器人，该机器人采用单吸盘结构，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，真空室四周有密封性良好的弹性材质，工作时最大真空压力为0.007Mpa，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。1991年，日本关西电力综合技术研究所研制开发了“混凝土建筑物的壁面检查机器人”，也是一种履带式真空吸附机器人，特点是：承载能力大，吸附性能好，移动速度较快，但转向较难。1991年，东京大学研制了“NINJA-I”型四足壁面步行机器人，该机器在人有四条腿组成。1993年，研制成功建筑外壁检查、修补机器人，该机器人的特点是移动灵活、速度快、可跨越10mm的障碍、检查幅度600mm。1998年，又研制成功了带有人工腿的“NINJA-II”型机器人。90年代初，英国的RTD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12m/min，能爬行25m，带超声检测与纪录机构，可以自动纪录每隔一定距离的壁厚，该机器人已作为商品销售。1993年，日本工业技术学院研制成功壁面步行机器人，该机器人是由两只五吸盘构成的脚形成，每只脚都可绕另一只脚旋转，这样就形成了机器人的直线和转向移动。1994年，英国南岸大学研制出多足多吸盘气动型爬壁机器人，它是一种框架式结构，安装有两组气缸，可以携带一个小型工业机器人，进行超声检测。1996年，俄国机械科学技术研究所研制成功了WCR RVP-II型机器人，采用直角坐标气缸驱动。1998年，有研制成功了WCR RVP-21型机器人，能够在两个相互垂直的壁面之间跨越行走。1998年，东京工业大学机械与航空工程系研究出一种称为VM的新式吸盘。1998年，日本钢管株氏会社开发出车轮式磁吸附爬壁机器人，可以吸附在各种大型构造物，如：油罐、球形煤气罐、 船舶等壁面上，代替人进行检查或修理等作业。1998年，德国Aalen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，克服了以往履带式真空吸附爬壁机器人的一些缺点。1998年，西班牙CSIC大学的工业自动化研究所研制成功了一种叫做REST的六足爬壁机器人。在机器人的每一条腿上，具有两个半自由度。1998年，英国研制出四足壁面步行机器人Robug II；此后又开发了Robug III型爬壁机器人，它有8只脚，类似于巨型蜘蛛。1998年，美国的卡耐基梅陇大学研制了一种飞机检测飞机表面的爬壁机器人。该机器人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。2000-2001年，美国Ultrastrip公司开发了一种单吸盘吸附式喷漆机器人。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、墙面等壁面进行喷漆作业。2002年，日本三菱重工业公司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20mm以上厚度的磁性结构建筑物上，磁力可达2000N，机器人通过三个驱动轮进行运动，每个轮都装有一个伺服马达，转向是通过前轮实现的，移动速度可达10m/min，喷漆速度为1m3/min。(二) 国内爬壁机器人的发展概况相对外国，国内壁面爬行机器人研究起步较晚。虽然1988年上海大学就开始了爬壁擦窗机器人研究，由于资金有限，进展没有达到预期目标。直到1996年以后，国家自然科学基金、国家“863”计划陆续资助北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、上海大学、上海交通大学等高校，才正式启动壁面移动机器人技术的研究和开发。1997年，上海大学特种机器人技术应用研究室开发了多层框架，多真空吸盘式，伺服电机驱动的壁面移动机器人。该机器人最大工作移动速度7.0m/min，自重50kg，负载能力55kg，越障高度60mm。但由于结构较大，重量大，没有研制配套的清洗装置，因此不能实际应用。2002年，上海大学又研制开发了球形壁面爬行机器人。该机器人采用六足独立移动的结构形式，带有柔性裙边的铰接式真空吸盘，气动驱动形式。但由于重心较高，稳定性差。哈尔滨工业大学也是国内外壁面移动机器人研究较早的单位，在国家“863”智能机器人的支持下，已先后开发出两个系列共5个品种的爬壁机器人。1997年推出CLR-I型瓷砖壁面清洗机器人样机。该机器人采用双轮进行驱动，清洗机构置于吸盘尾部，同时还设有卷扬机，地面支援小车等附属设施。主体下部是一个带有驱动轮的滑动密封式负压吸盘。由于密封装置采用柔性设计，对壁面的适应能力较强，可以在瓷砖壁面或大直径圆柱面上豫东，但越障和面面转换能力较差。1999年在CLR-I的基础上有成功开发了CLR-II型适用用于玻璃幕墙的壁面清洗机器人。该机器人采用单轮驱动，设计了精巧的清洗机构，设置了抬起气缸，避免刷子对已清洗的壁面进行二次污染。北京航空航天大学机器人研究所自1996年以来在国家“863”计划的大力资助下，先后成功研制了WASHMAN，CLEANBOT-I两种爬壁机器人。这两种机器人均由纵、横呈十字交叉的无杆气缸组成本体，可沿纵横自由运动和越障。全气动的驱动方式、重量轻、适合在玻璃壁面上工作。之后又推出了蓝天洁士I、II、III型擦窗机器人。2000年开发研制的灵巧擦窗机器人(三) 爬壁清洗机器人的发展趋势爬壁清洗机器人现在在我国应用还基本上没有展开，可以说是一个空白领域，国外已经在船舶除锈、高楼清洗等多个领域开始应用。而我国目前还在试验阶段，没有具体的产品，国内目前绝大多数高层建筑仍采用吊篮+人工完成清洗工作，因此，爬壁清洗机器人将有十分广阔的应用前景。爬壁清洗机器人也逐步进入了市场，而且我们也必须研究出一种安全可靠、重量轻、效率高、性能价格比高的爬壁清洗机器人。主要的研究方向有如下几点：1研究开发出高效率的爬壁清洗机器人，主要是新开发出清洗装置；2研究开发出对壁面广泛适应性的爬壁清洗机器人，以满足特殊环境的清洗要求；3合理的性价比（性能/价格比）、高可靠性、通用性。三、研究内容： 1) 爬壁清洗机器人的总体方案设计与研究。针对我国目前玻璃幕墙清洗行业的现状，开发出一种结构新颖、安全可靠、重量轻、效率高的爬壁清洗机器人。2) 爬壁清洗机器人本体结构设计研究。对机器人的安装设计做了详细介绍，并画出了爬壁清洗机器人的装配图。3) 爬壁清洗机器人的清洗装置设计研究。通过对清洗的方法与现状进行分析，设计出简单、有效的清洗装置，并对清洗的路径进行了有效的规划。4) 爬壁清洗机器人的控制系统的硬件设计。选择用PLC控制，因PLC系统结构紧凑、质量轻、安装方便。 四、目标、主要特色及工作进度 （一）、目标：本课题设计是针对玻璃壁面为作业对象，要求设计出能爬墙及其自动完成清洗作业的机器人。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辅助部分。一套好的机器人系统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。因此爬壁清洗机器人应具有以下主要功能:1) 机器人能向上、下、左、右四个方向上移动、停留、可以携带辅助工具清洗刷完成对玻璃壁面的清洗作业。2) 机械结构设计合理、紧凑、重量轻、可靠性高且负载能力强。3) 移动精度较高，能垂直到达垂直平面的任何地方。4) 机器人控制灵活、简单、可靠、安全，从而实现机器人的自动化清洗。 （二）、主要特色： 系统工作安全，操作简单，清洗效率高。 （三）、工作进度：1、收集有关资料,写出开题报告； 2周(3.26-4.8)2、系统方案设计； 2 周(4.9-4.22)3、总体结构设计（台面）； 2周(4.23-5.6)4、清洗装置设计； 2周(5.7-5.16)5、控制系统硬件设计；3周(5.17-6.8)6、外文翻译(6000实词以上)； 1周(6.9-6.15)7、撰写论文； 1周(6.16-6.22)五、参考文献1. 王茁，张波.壁面爬行机器人本体设计J.吉林化工学院学报，2004,21（4）：78802. 谈土力，龚振邦，张海洪等.壁面自动清洗机器人研制J.高技术通报,2003,12(2): 83-873. 高学山，徐殿国，王炎.新型壁面清洗机器人的研究与设计J.高技术通报,2004,13(4): 39444. 赵兴飞，周忆，石崇辉.气动爬壁机器人设计与计算J.机床与液压,2003,32(3):61625. 张金刚.基于PC-104总线移动作业机器人结构与控制系统研究.山东科技大学硕士学位论文，2001.46. 吴洪兴，赵言正，高学山.高楼玻璃幕墙清洗机器人作业系统的研究.哈尔滨理工大学学报，2002.87. 张海洪.机器人壁面自动清洗系统的工程研究.上海大学博士论文，2001.028. 成大先.机械设计手册单行本气压传动.北京：化学工业出版社.2004.019. 陈沛富.高楼玻璃幕墙清洗机器人设计研究.重庆大学硕士学位论文.2006.0510. 明仁雄，万会雄.液压与气压传动.北京：国防工业出版社.2003.1011. 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用.重庆：重庆大学出版社，2001.212. Dong Sun *,Jian Zhou,Chiming Lai,S.K. Tso.A visual sensing application to a climbing cleaning robot on the glass surface.2003.1113. B.Bahr,Y.Li and M.Najafi.Design and suction cup analysis of a wall climbing robotJ.Computers Elect. Engng.2006,22(3):193-209目 录1 绪论1.1 爬壁机器人概述(1)1.2 壁面清洗发展阶段(2)1.3 国内爬壁清洗机器人的发展状况(3)1.3.1单吸盘真空吸附式爬壁机器人发展状况(3)1.3.2 多吸盘真空吸附式爬壁机器人发展状况(4)1.3.3 磁吸附爬壁机器人发展状况(5)1.3.3 其它类型爬壁机器人发展状况(6)1.4 爬壁清洗机器人研究的技术难点(6)1.5 爬壁清洗机器人的应用前景(7)1.6 爬墙清洗机器人研究内容及目标(7)1.6.1 研究内容(7)1.6.2 目标(7)2 爬壁清洗机器人系统方案设计2.1 技术性能指标(9)2.2 爬壁机器人的总体方案设计(9)2.2.1 爬壁清洗机器人的移动方式(9)2.2.2 爬壁清洗机器人吸附方式(10)2.2.3 爬壁清洗机器人清洗装置(11)2.2.4 爬壁清洗机器人控制方案(12)2.2.5 爬壁清洗机器人驱动方案(12)2.4 小结(14)3 爬壁清洗机器人本体设计3.1 清洗机器人本体结构(16)3.2 机器人气动元器件选择(17)3.2.1 X、Y驱动气缸(18)3.2.2 短行程气缸(18)3.2.3 真空发生器(18)3.2.4 真空吸盘(20)3.2.5 CPE电磁阀(20)3.2.6 单向节流阀(21)3.4 安装台面设计(21)3.4 安装台面上元器件安装(22)4 清洗装置设计4.1 墙面污垢形成原因(24)4.2 清洗装置整体设计(25)4.2.1 清洗剂的选择(25)4.2.2 喷淋系统的设计(25)4.2.3 清洗刷的设计(26)4.3 爬壁清洗机器人的清洗过程(27)5 机器人控制系统硬件设计5.1 爬壁清洗机器人控制系统概述(31)5.2 PLC特点(31)5.3 机器人控制系统硬件设计(32)5.3.1 PLC选型(33)5.3.2 控制系统主要任务(34)5.3.3 PLC输入/输出端子接线(36)5.4 机器人控制系统程序实现(36)5.4.1 PLC软件系统程序结构(36)5.4.2 PLC接口信号定义(37)5.4.3 初始化程序(38)5.4.4 四个基本动作程序实现(38)5.5 小结(42)6 结论与展望结论与展望(43)参考文献(45)致 谢(46)附录 A梯形图(47)附录 B PLC输入/输出端子接线图(55) 附录 C气动系统中执行元件与控制信号(56)附录 D 英语原文(57)附录 E 中文翻译(73)3The Designing of the Overall Structure , Cleaning Device and Control System of the Climbing Robot Student name : Cai Xiwen Class: 030312Supervisor: Yuan KunAbstract：A climbing robot that provides cleaning service on the glass wall of high-rise buildings is a moving service robot which can do the cleaning job on the vertical walls . It is one of the limit operations that can relieve human beings from hazardous jobs, thus it has a wide range of applications and high value in the cleaning construction industry. Researching efficient, simple wall cleaning robot is the request of the subject.The use of wall-climbing robot for cleaning high-rise building walls automatic cleansing, its realization is the key to the way of move, adsorption and cleaning technology. The purpose of this paper is to design a cleaning system which is reliable, efficient, time-saving and safe. Therefore, how to reasonably achieve the three technologies of the wall-climbing cleaning robots is the key to the design.By the analysis and comparison to internal and external wall-climbing cleaning robot, the paper mainly discusses the way of move, adsorption, cleaning equipment, and control system. In the first place, it introduced the research status of the domestic and abroad wall-climbing cleaning robot and pointed out the purpose and significance of this paper. Then it informed us further of the overall structure of the cleaning of the wall-climbing robots, requesting to design a rational and efficient cleaning device as well. Based on it, it explained the main problems and solutions of the wall-climbing cleaning robot control system. The control system of the robot must be completed for the move of robot, adsorption, cleansing control, and simple, reliable, efficient and convenient features.Keywords: climbing robot cleaning move adsorption robot control Signature of Supervisor:视觉传感器在爬壁清洗机器人中的应用摘要本论文描述了视觉传感器在高楼幕墙清洗机器人中的应用。该机器人利用真空吸盘吸附移动与于玻璃表面，并通过转动机器人灵活的关节以调整机器人的方向。由一个CCD相机和两个激光二极管组成的视觉传感器通常是来测量机器人相对的窗框玻璃表面位置和方向。视觉传感器也用于要定位的清洗位置。本文还讨论了视觉传感器中的数学模型和评价方法。通过实验校准的传感器用于测量机器人的位置和方向，并且测量需要定位清洗的位置。实验结果证明了该方法的有效性。关键字：爬壁机器人；视觉传感； 玻璃清洗； 激光二极管1.引言为减轻人类从事危险的工作,如清洁高楼大厦的玻璃表面、消防抢救、及检查高木板及墙壁等，研发各种服务机器人的需求不断增加。 图1可以表明我们最近开发的攀登机器人系统其目的是利用吸力杯和一个移动转换机制来清洁高楼大厦玻璃。这种机器人最快速度能达到300米/分钟，并有能力跨越裂缝和绕过小于35毫米高80毫米宽的障碍.机器人利用其灵活的腰部可轻易调整自己的方向。要做好玻璃表面上的清洁工作，清扫机器人必须知道什么时候开始或停止的清洁工作， 如何控制方向(或移动方向),及如何越过窗框。因此，有必测量机器人的方向， 机器人和窗框之间的距离, 机器人与污垢处的距离。 最近在7.8中报道了一些关于工程传感系统清洗机器人的文章。在7中，超声波声纳被应用于自动定位。在8中，所谓的合作定位系统提出了重复搜索过程，直至达到目标位置。然而，在玻璃表面爬墙机器人中，许多利用激光和超声波传感器等传统的探测方法，不适用于测量机器人和窗户框的距离。 这是因为窗框的高度通常较低而传感器发出的光柱是难以达到这一高度的，除非架梁正平行于玻璃表面。 由于难以避免的安装错误，传感器通常是很难确保光束平行于玻璃表面。因此，在机器人清洗玻璃表面的应用中，这一问题需要得到解决。1. X向气缸 2. 清洗刷3. 视觉传感器 4. Y向气缸5. 吸盘 6. Z向气缸7. CPU 8. 旋转气缸图1. 爬壁机器人的主体结构 摄像机常常用于机器人的定位，视觉伺服及视觉引导 9-15。Malis 9使用两部相机来进行2-D及5/2-D的视觉伺服且提出了多摄像机视觉伺服方法。不过，使用的一些镜头可能不适合的爬墙机器人，这是因为（1）当使用几个镜头时，很难建立一个大区的交汇点，（2）使用一些相机增加了爬墙机器人的负荷重量,从而影响其安全。基于特征空间分析， 可以用一个相机从一个位置的多方向来确定机器人的位置。这种方法的缺点是测量结果可能随环境变化而变化。 此外，深入的资料可能会遗失并且照相机和目标物体的距离不能用传统的相机测出。 在这项研究中,视觉传感系统已成功地应用于爬墙机器人，它是由一个能够被定位的CCD相机和两个固定在摄影机上的激光二极管组成。 使用单一相机有助于简化安装和减轻整个系统的重量。两架轻型激光器则固定在相机上，是视觉传感器的眼睛 。相机可以调整,以确保发现窗框或污垢处。 有了一只这样的眼睛,机器人和窗框及污垢处的距离就可以测量出来。 有两只的话,就可确定玻璃表面机器人的位置.拟议视觉传感系统有三重优点：第一，视觉传感器可以根据三角理论，轻易而有效地测量出机器人的位置和方向。第二，有两束激光二极管固定其上的照相机使机器人重量增加不及10克，因为图像处理系统安装在地面上的主电脑上 。第三，它提供了电脑视频,操作人可以直接监督机器人的运动。2.机器人系统的结构清洗机器人系统包括一个移动式爬壁机器人,辅助车辆,压缩机和一台电脑,如图2所示。攀登机器人贴在玻璃表面进行清洁工作， 配套机车为其提供电力及清洗液，压缩机当作气源.由于机器人和电脑相联结,操作人可以检查和控制机器人的运作。图2. 清洗机器人系统图3. 爬壁机器人的主要结构先进的爬墙机器人长1220毫米,宽1340毫米, 高370毫米,重量为30公斤. 机器人的身体主要是由两个相互垂直杆缸组成, 如图2所示。水平杆缸长400毫米，垂直的是500毫米。交替发动这两个杆缸 ，机器人就会沿X或Y方向的运动 。如图3所示，有四个较短z杆缸安装在各杆缸两端。伸缩或后退这四个杆缸的横梁, 机器人就可以在z方向运动. 在两杆缸交叉处, 安装了一个转动圆柱，被称为机器人的腰，有了这个机器人就可绕Z支点左右旋转。在水平杆缸的两端安装了两个专门设计的刷子，它们都由一个擦吸系统构成。 该擦拭装置通过配套机车提供的清洗液擦洗脏黑的玻璃表面。吸收系统搜集污水并把它们返回至配套机车进行回收。机器人用吸管袋进行粘连。在机器人的每只脚下都安装了四个直径为100毫米的吸管袋。这16个吸管袋足以承受15公斤的负荷。该机器人采用了平移机制的运动。 随着运作模式的粘,机器人可以完成一系列的提案,包括移动,旋转及穿越障碍。旋转机器人受可调旋转杆缸的控制。机器人每步可绕z支点转动1.6度左右，直到达到预期的态势。该机器人的控制系统的基础是一个主辅电脑。 主计算机(见图 2)总部设在地面并直接受人操纵。 辅计算机嵌于在机器体中如图3所示。 利用安装在机器人上的信号传感器发出的反馈信息，辅助计算机控制机器人的移动和姿态来实现在玻璃表面上的自动导航。通过视觉传感系统及主辅计算机与RS422的连接，主电脑可获取信息，查明机器人的位置。 在紧急情况下,操作员可根据实际情况直接控制机器人。图4. 攀登机器人在商业大厦外的现场演示机器人通过交替吸吮及释放安装在纵横交叉杆缸上的吸管杯来实现移动的。辅助电脑打开或关闭信号来连接或拔下真空发生器的气源, 实现吸吮或释放相应的吸管杯。真空公尺可衡量相关的真空吸管杯和检查机器人的安全性。如果真空吸管杯指数少于40kpa, 主计算机 就收到一条警报信号。图 4描绘了一架先进的清洗机器人攀爬坐落在香港城市广场的一栋商业大厦。3. 视觉传感技术3.1视觉传感硬件系统 视觉传感硬件系统包括一个型号为索尼EVI-d30(j)面向CCD相机, 两根激光二极管及捕获卡,如图5所示. 照相机的控制弦接收来自计算机的指令。 照相机的视频输出舷将视频信号发送到采集卡然后是显示在电脑屏幕上,使操作人可以关注玻璃表面上机器人周围的情况。固定在相机上的两束激光二极管作为传感系统的眼睛, 会释放出两束激光以找到窗框并产生两个激光点。相机和激光二极管的摆放姿态要随电脑改变，确保光源能到达窗框。激光器的发射点是机器人的参考点。参考点到窗框的距离及机器人相对窗框的位置可以通过分析两激光点在平面图上的像素坐标U和V来确定。3.2 位置测量 测量中将会运用到三角理论。 图6（左视图）说明了如何利用视觉传感系统测量机器人的位置。 L表示激光器的发射点，L1是激光射在窗框的点， L2是L1在图像平面上的对应点, 此处就是I表示的中央图形。把相机的焦点看作起点并用F表示，建立一个用F-xbybzb表示的基地坐标，此处xb坐标轴平行于玻璃表面，垂直于窗框, yb坐标轴则与玻璃表面和窗框都平行，zb坐标轴垂直于xb-yb平面，如图6所示。把F为同一起点,可建立另一个被命名为照相机坐标的框架，用F-xyz表示,此处的x轴平行与直线I-F即相机的主要轻支点，y同yb一样都是坐标框架的基础，z垂直于x-y平面。 x0,y0, z0T、x1,y1, z1T x2,y2, z2T分别表示点L, L1 L2的坐标。用U和V表示坐标在图象平面上的坐标，u0,v0为像素中央点I的坐标。因为焦点F位于线L1L2上，则线L1L2可用下式表示： （1） 定义为激光器相对照相机的倾斜角（绕y轴，逆时针）C为泛角（绕z轴，逆时针）。则线LL1就可这样表示： （2） 图5 视觉传感硬件系统 图6 机器人位置的测量从(1)和(2)中我们可以得出的坐标点L1像素坐标u, i.e。 x1,y1, z1T= +x0,y0, z0T （3）其中，其中dx和dy是两个相邻像素在两个方向的图像平面距离, 而F表示焦距。L和L1的距离用|LL1|表示， （4）定义a为相机在基地坐标框架上的倾斜角度。LL1与LL3（平行与xb轴）之间的角度为 （5）那么,点L和窗户框的距离为： （6）把(3)(5)代入(6)中得出像素坐标u,i.e中的d （7）图7. 机器人在玻璃面上同样的，如果机器人与两窗框的距离d1和d2能用拟议视觉传感方法测出，则d也可求出。值得注意是在测量距离时只需要一个激光二极管。3.3 定位测量图8（视图）描述了利用视觉传感系统测量机器人的位置,此时需要两个激光二极管。点A、B分别是激光二级光的发射点1和2。点A1和B1是窗框上相应激光点。 C1和C2是激光二极管1和2相对相机的泛角。分别用xL,yL, zLT和 xR,yR, zRT表示左点A与右点B在相机坐标框架中的位置。在xy平面上，AA1可以用表示为： （8）注意像素坐标的激光点A2在图像平面上是ul和vl。在x-y平面, A2的坐标是(f,dx(u0-ul)。那么 ，线FA1可表示为： （9）结合(8)和(9),可导出点A1的坐标： （10） （11）图8. 机器人定位测量图9. 污垢位置的测量同样，假设xB1和 yB1,，可以推导出点B1的坐标。最后，机器人相对窗框的泛角可得为： （12）图8所示，h表示机器人在玻璃上的位置，基于此机器人才可转动其腰部,以达成预期的态势。3.4 污垢位置的测量 图 9(视图)说明如何运用定位传感系统确定污垢处。 首先,激光二极管扫描整个窗户玻璃面。然后,利用相机和两台激光二极管找到污垢并记录起图象。不需要太多时间去完成这些步骤,因为操作人员可以帮助机器人很快找到污垢,然后向机器人发出进测量指令。二极管是固定在相机上的，它们的相对位置和姿态在获取污垢位置的过程中不能改变。 用3.2部分的同样方法，通过分析激光点在图像平面上的U或V坐标可测出机器人和污垢处的距离。在得出机器人与污垢间距离及相机泛角的基础上，就可确定污垢位置。 4.试验室内实验是测量机器人和窗框的距离，确定机器人位置；测量机器人相对窗框的泛角,以确定该机器人方向；确定污垢位置。在实验中,相机的姿势，泛度(-100度到100度)和倾斜角(-25度到25度),受主计算机的调控。用模式识别技术来确定是否光源到达了窗框以获得对激光点在窗框的图象。4.1机器人位置的测量首先，通过获取机器人在玻璃表面不同标定位置的图象及分析激光点U或V的座标可以标定视觉传感系统。用最小二乘拟合 距离这次机器人和窗框可从刻度为2293mm
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