爬墙机器人.doc

1.绪论1.1 爬壁机器人概述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。谢谢朋友对我文章的赏识，充值后就可以下载说明书，我这里还有一个压缩包，里面有相应的word说明书和CAD图纸（零件图、毛坯图、夹具体、装配图）及机械加工工艺卡片。下载后请留上你的邮箱号或QQ号或给我的QQ留言：359615001。1154454794我可以将压缩包送给你。欢迎朋友下次光临！1.2 壁面清洗的发展阶段迄今为止，高大建筑外壁面的清洗方法大致经历了三个阶段: 第一阶段：人工清洗 这种方法的主要特征是:清洗工人被楼顶放下的一根绳子悬在空中，手持水桶或水管对外壁面进行清洗，通常又被称为蜘蛛人清洗。这种方式极其危险，效率也最低。第二阶段：半机械化清洗 这种方法的主要特征是:清洗工人站在从楼顶放下的吊篮中对外壁面进行清洗，吊篮通常配有自动提升装置。通常有两种情况：l 自动提升装置安装在吊篮上，靠清洗工人自己操作使吊篮升降，这种方式的设备通常比较简陋，卷扬系统的控制性能差，楼顶支撑设备只能人工搬动、调整，使用极其不便；l 在楼顶装有大型悬胃吊车，通过楼顶工作人员来操纵缆车的升降，然而这种大型悬臂吊车通常过于庞大，只能在建楼时一次性固定到楼顶上，无法搬运，适应性差。第三阶段：全自动化清洗 这种方法的主要特征是:空中没有工作人品仅依靠楼顶或地面的工作人员遥控操作，这种清洗设备通常称为高层建筑壁面清洗机器人。就目前国内外的研究情况来看，这种机器人主要分为两类：l 第一类是壁面轨道式，通常在建楼时就将壁面轨道安装到外墙壁面上，当进行外壁面清洗作业时，通过固定在楼顶的悬臂吊车装置拖动使清洗机器人沿着壁面导轨上下运动来完成清洗工作，然而安装在外墙壁面的轨道却限制了高楼的结构并大大地影响了整体建筑的外观，同时也限制了清洗机器人的应用范围；l 第二类是真空吸附壁面清洗机器人，依靠真空吸盘将机器人吸附到外墙壁面上，通过自身的移动机构在壁面上运动来完成清洗工作，这种机器人又可分为单吸盘和多吸盘两种吸附移动方式。1.3国内外爬壁清洗机器人的发展状况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。1.3.1 单吸盘真空吸附式爬壁机器人发展状况单吸盘爬壁机器人都是通过一真空吸盘和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、控制简单。但要求壁面有一定平滑度，越障能力低，不适合在复杂壁面上爬行，当遇到较大沟槽和凸凹面时，吸盘负压难以维持。下面介绍各国单吸盘真空吸附式爬壁机器人的发展状况：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。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。1994年，哈尔滨工业大学机器人研究所研究出一种单吸盘机构的全方位遥控检查爬壁机器人，其特点在于将全方位车轮应用于爬壁机器人的行走系统中，解决了壁面移动机器人移向困难和定位精度差的等难题；并且吸附方式采用两个抽风机来实现真空吸附。此后，在上述爬壁机器人的基础上，又研制出用于对瓷砖壁面进行清洗作业的爬壁机器人系统。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。1999年，哈尔滨工业大学机器人研究所又研制出适用于玻璃幕墙清洗的爬壁机器人。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。1.3.2 多吸盘真空吸附式爬壁机器人发展状况由于单吸盘结构对壁面的适应能力比较差，很多研究设计都尝试采用了多个真空吸盘，通过不断的尝试和探索，多吸盘结构得到了较快的发展。下面介绍各国研究多吸盘真空吸附式爬壁机器人的研究成果：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。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。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。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，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。1998-1999年，北京航天大学宗光华教授对框架式多吸盘爬壁机器人进行了研究，并与香港城市大学的S.K.TSO教授联合研制了CLEANBOT-I机器人。1.3.3 磁吸附爬壁机器人发展状况磁吸附爬壁机器人虽然只适用于导磁材料构成的壁面，但能产生较大的吸附力，并且不受壁面凸凹或裂缝的限制。磁吸附式爬壁机器人可以分为电磁体式和永磁体式两种，电磁体式机器人维持吸附力需电能，但控制较为方便；永磁体式机器人不受断电的影响，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附壁面移动机器人多为永磁式。下面介绍各国研究磁吸附爬壁机器人的研究成果：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。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。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。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。哈尔滨工业大学也从事了磁吸附爬壁机器人的研究。然后，上海大学、上海交通大学、北京航空航天大学等也相继开展了这一项研究工作，目前已经取得了阶段性成果。上海交通大学研制开发出测量油罐容积履带式磁吸附爬壁机器人。根据检测需要，机器人上装有位置及姿态传感器，机器人总重146N，可负重200N，行走速度2m/min。哈尔滨理工大学研制开发了测量金属大罐漆膜厚度的轮、履带复合式磁吸附爬壁机器人，该机器人的机构有履带式驱动轮和磁性导向轮两部分组成。1996年到1998年，哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功了多功能履带式罐喷涂检测磁吸附爬壁机器人。多功能履带式磁吸附爬壁机器人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。此后又研制了多功能水冷壁排管爬壁机器人，主要用于对电站锅炉水冷壁排管向火侧表面浮灰的清扫、结焦的清除以及排管壁厚的自动检测，并且能够在检测到壁厚小于预置的极限处发出警报信号、打标记。1.3.4 其它类型的爬壁机器人发展状况磁吸附的爬壁机器人受壁面材料特性的影响，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。1995年，日本宫崎大学的西亮教授研制成功了用螺旋桨驱动的飞行爬壁机器人。该机器人采用汽油发动机驱动两个螺旋桨产生向上的推力和指向壁面的帖附力。1997年，日本宫崎大学又研制开发了一种能够做短暂飞行后帖附在壁面上的爬行机器人。该机器人有两个主螺旋桨提供推升力，八个小螺旋桨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。1998年，东急建设技术研究所开发了绳索牵引式爬壁机器人。该机器人用于检测壁面瓷砖的贴和状况，采用真空吸附方式使机器人帖附在壁面上，利用屋顶两台电机的速度配合，实现机器人在530m2范围内自由移动。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孔状况造成吸盘气体泄露问题，以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：1995年，日本田口斡和石崎笃研制的粘着吸附式微型爬壁机器人。1.4 爬壁清洗机器人研究的技术难点目前,爬壁清洗机器人面临以下几个技术难点:1) 吸附及密封技术面对工作的壁面环境,要求吸附机构必须产生一定的吸附力,并能够维持,使机器人安全可靠地吸附在工作壁面上。2) 移动技术移动机构要小型、高效，使机器人可以在壁面上移动，并可灵活、自动调节行走的速度和方向3) 清洗装置的设计设计安全有效的清洗机构，提高清洗质量，达到任人满意的清洗效果。4) 控制技术必须保证机器人的正确工作，按照相关规划进行清洗作业和路径行走。这些难点是目前阻碍爬壁清洗机器人向实用化方向发展的瓶颈。需要相当长的时间研究加以解决，真正使爬壁清洗机器人能够得以应用，进入市场。1.5 爬壁清洗机器人的应用前景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渐进入了市场，而且我们也必须研究出一种安全可靠、重量轻、效率高、性价比高的爬壁清洗机器人。1.6 爬墙清洗机器人研究内容及目标1.6.1 研究内容本课题主要的研究内容如下：1) 爬壁清洗机器人的总体方案设计。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。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。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。1.6.2 目标1) 机器人能向上、下、左、右四个方向上移动、停留、可以携带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。2. 爬壁清洗机器人系统方案设计本课题的研究目的是为城市高层建筑清洗业提供可以代替人工进行高楼幕墙清洗的专用清洗机器人作业系统，要求开发设计出作业能力强，安全性高的爬壁清洗机器人。因此在保证清洗机器人基本功能的前提下，设计力求结构简单、可靠性高、运行稳定。2.1 技术性能指标 爬壁机器人的结构设计首先要确定机器人的技术性能指标，而技术性能指标是由机器人所要完成的任务确定的。许多技术性能指标之间是相互影响、相互关联的，技术性能指标设定是否合理与机器人的结构设计密切相关。对于爬壁清洗机器人来说，其环境和任务要求是比较明确的，因此需要以此为出发点设计机器人的各项技术性能指标。技术性能设计指标：l 机器人爬行速度：02m/min( 无级可调)移动速度指标的设定主要基于高效性和安全性两个因素考虑的。l 控制方式：无线遥控或程序控制控制系统的功能是对组成机器人各个部分进行的行走，清洗，壁面吸附以及停止。l 吸附方式：负压吸附（正常负压为600mmH2O）吸附方式的确定要综合考虑到机器人的工作环境以及可行性。l 最大有效负载：15Kg爬壁机器人的负载包括本体质量（自质量）和工作负载质量。2.2 爬壁机器人的总体方案设计爬壁清洗机器人应该有以下几部分组成，机器人的本体结构、清洗装置和控制系统机器人三部分。机器人本体结构可以实现机器人在外墙面上安全吸附和移动。在机器人系统中，我们主要采用了气动技术，气动技术主要是利用压缩空气作为能源，采用气缸作为执行元件。除了能源清洁方便外，通过真空元器件产生真空，利用真空吸附盘的吸附作用，可以使机器人在壁面上行走时，可靠的吸附于壁面上。作为世界上最著名的气动元器件生产厂家，Festo公司拥有完善的产品体系，可以任意的方向选择组合，为我们的结构设计提供了充分的选择余地。2.2.1 爬壁清洗机器人的移动方式 爬壁清洗机器人的一关键技术就是要实现移动功能的爬行机构。它是爬壁机器人设计的基础，是其他系统的载体和机器人各种动作得以完成的保证。在进行本体设计之前就必须确定机器人的移动方式。目前爬壁机器人有四种移动方式，一种是框架式本体结构、步行式本体结构、车轮式本体结构、履带式本体结构。本体结构的不同，带来驱动方式、控制方式的不同。移动方式的特点比较如下表：表21 爬壁机器人四种移动方式的比较移动方式概要优点缺点框架式有多层框架组成交替移动或转动固定吸附，吸附能力大，承载能力强，能跨越规则的壁面障碍移动是间歇的，移动速度较慢步行式由多个脚反复吸附、脱落移动的机器人越障及承载能力强，机动性较好，具有很强的壁面适应能力结构复杂，间歇移动，速度慢，当足数、关节多时控制复杂车轮式配置多个车轮，每个车轮有电机驱动速度快，控制简单，容易转向，壁面适应能力强接触面积小，越障能力差履带式由电机驱动履带，推动机器人前进接触面积大，承载能力大，速度快，壁面适应性强履带磨损大，结构复杂，机动性较差，不易转向综合比较目前研究出来的爬壁机器人的各项性能，框架式，轮式和履带式的壁面清洗机器人对壁面清洗这种极限作业有较高的适应性。如果只要求实现壁面二维范围内的全方位运动，同时具有越障功能的话，那么框架式的机器人更显优点。采用框架式实现机器人的移动，一则可以减轻机器人本体的质量，而增加承载负载的能力。二则通过框架的交替，可以容易地实现机器人的直线运动。2.2.2 爬壁清洗机器人吸附方式爬壁机器人要在垂直的壁面上运动，首先要解决的问题就是要使机器人安全吸附在壁面上，而不致脱落，这是爬壁机器人起码的安全性要求。由于机器人的移动机构选择框架式，则吸附多采用多吸盘结构配合比用其它吸附方式更为合适。吸附功能是爬壁机器人必须具备的基本功能。它有两个作用：保证安全使机器人能安全吸附在壁面上和提供机器人运动的作用，两者实现的实质是在机器人和壁面之间产生一定的正压力，从而保证机器人与壁面之间有足够的摩擦力。吸附装置是整个爬壁清洗机器人的核心装置，其产生的吸附力的大小直接关系着爬壁清洗机器人在壁面上工作的稳定性。按吸附方式分类，爬壁机器人主要分为真空吸附、磁吸附、推力吸附三类。真空吸附法是通过真空泵装置，使吸盘内腔产生负压，从而使机器人吸附在壁面上；或者由真空发生器的喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，使周围形成真空，达到吸附的目的。而吸盘又可以分为单吸盘和多吸盘。真空吸附法不受壁面材料限制度优点，但当壁面凸凹不平时容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低。磁吸附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，且对壁面的凸凹适应性强，不存在真空吸附的漏气问题，因而当壁面材料是导磁材料是，使用磁吸附爬壁机器人有它突出的优点。磁吸附法中又可分为永磁体和电磁体两种产生磁力的方式。推力吸附是一种新型的吸附方式，相比真空吸附、磁吸附而言，在爬壁机器人载体方面有很大的创新。使用螺旋桨产生合适当推力，使机器人稳定可靠地贴在壁面上。由于推力能始终指向壁面，机器人可以相对容易地实现越障。三种吸附方式的有缺点如下表所示：表22 爬壁机器人三种吸附方式的比较吸附方式优点缺点吸盘吸附方式单吸盘允许有一定程度的泄漏面积，允许壁面有凸凹，内部可采用低真空方式，移动容易，控制方便，结构简单。吸盘无冗长性，一旦断电，本体将丧失吸附能力，不能跨越较大障碍，负载不大。多吸盘吸盘尺寸小，密封较好，断电时有一定冗余性，负载较大。能跨越一定的障碍，较易控制，运动灵活。结构复杂，转弯较为困难，当壁面有凸凹或裂缝，则将会有真空泄漏。磁铁吸附方式永磁体维持吸附力不需要耗能，安全，负载较大，能跨越一定的障碍。只能在导磁壁面上爬行，步行时磁体与壁面离合需要很大的力电磁体磁铁与壁面间的离合很容易，负载较大，易于控制只能在导磁壁面上爬行，维持吸附力需要耗能，自重大。推力吸附无泄漏问题，对壁面形状、材料适应性强噪音大、体积大、效率低，负载小，难于控制。 综合考虑机器人系统的作业环境和性质，选用多吸盘真空吸附，主要原因如下：由于本课题主要研究的爬壁清洗机器人是针对玻璃幕墙的，玻璃属于非导体材料，采用磁吸附和推力吸附都是不合理的，考虑到机器人系统的使用范围，采用真空吸附是一种合理可行的方式。但是产生真空又有两种常用的方法：真空泵法、射流器法，采用真空泵产生真空需要电机驱动，增加控制难度，而选用真空发生器可以减少驱动源和控制的难度，因此选用真空发生器产生负压的多吸盘吸附。2.2.3爬壁清洗机器人清洗装置 爬壁清洗机器人最主要的功能是完成对壁面进行清洗工作。这项工作是由机器人随身携带的清洗装置完成的。清洗装置是爬壁清洗机器人的关键部分之一，它设计的合理与否直接影响机器人的清洗效果。爬壁清洗机器人的清洗装置通常采用旋转式清洗装置和刮洗式清洗装置。旋转式清洗装置可以连续清洗，工作效率高，但是对于边角的清洗效果不理想。刮洗式清洗装置可以非常有效地清洗幕墙的边角部分，但是需要往复动作，能够较合理的完成清洗质量。由于建筑玻璃表面的污垢成分比较复杂，往往应用一种方法无法解决清洗干净的问题，故该机器人的清洗方式采用物理和化学清洗技术。清洗装置的驱动方式可以采用机械式、气动式、液力式或电气式。因无杆气缸作为框架式的移动结构，同时也是清洗装置的驱动机构，可以减少驱动元件。也就是把清洗刷固定在X向安装板上。2.2.4 爬壁清洗机器人控制方案 控制系统可谓是整个机器人系统中的核心部分，控制系统设计的合理与否直接影响整个机器人系统功能的实现，机器人控制系统应具有较强的可靠性、较高的运行速度以及较好的性能价格比，在满足工作性能要求的基础上体现出经济性的要求。所有的信息需要传送到中央控制器中，然后根据CPU输出的控制信息来控制机器人的运动。综合分析该爬墙机器清洗机器人的设计性能、结构特性、运动规划、以及控制特性，系统最后采用以PLC为主处理器的控制方案。因为与别的控制方式相比，PLC系统具有良好的顺序逻辑控制功能。此外，PLC系统处理能力越来越强，通过功能模块的扩展，可以实现数据采集等功能，而且PLC系统结构紧凑、质量轻、安装方便。本爬壁清洗机器人的控制系统需要完成几个基本的任务，这些任务能够保证机器人基本功能的实现。系统的任务首先是机器人基本运动功能的实现，机器人的基本的运动功能，即向上、向下、向左、向右四个基本动作。这是本机器人系统中最基本的功能，控制系统采集整个气动结构框架中的接近开关、真空压力传感器等的信息，并且按照CPU的输出控制信息给电磁阀，从而驱动真空发生器和两种类型的气缸运动。2.2.5爬壁清洗机器人驱动方案机器人驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。目前机器人常用的驱动方式主要有：机械方式、电气方式、液压方式和气动方式等。这些方式都有各自的优缺点及其各自的使范围。任何一种方式都不是万能的，实际应用中必须对各种技术进行比较，扬长避短，选出最适合的方式或几种方式的组合，以使系统更可靠、更经济、更安全、更简单。各种驱动方式比较如下表所示。 表23 爬壁机器人四种驱动方式的比较类型气压传动液压传动电气传动机械传动驱动力调整小中中极大小大小大驱动力容易容易困难困难驱动速度较快较慢快慢速度稳定性较差良好良好很好响应性负载大时差很好好好构造简单复杂复杂复杂安装自由度很好大中小维护简单较简单专门技术简单过载保护容易较容易困难稍困难控制距离中短短不限短停电对策可可困难稍困难信号转换容易稍困难很容易困难环境要求适应性好不怕振动要求高一般价格便宜稍贵贵一般防暴性很好良好特殊措施良好温度影响小中大小湿度影响注意冷凝水小大小抗震性一般一般差一般工作寿命长一般较短一般 综上所示，相对于气压传动电气传动构造复杂，环境要求高，价格较贵，工作寿命较短；机械传动构造很复杂，工作寿命一般；液压传动构造复杂，价格稍贵，工作寿命一般。因此相对于电气、机械和液压传动，气压传动有下列优点：l 在易燃、易爆、粉尘大、强磁、潮湿、温度变化大、存在腐蚀性气体等恶劣场合，采用气动工作安全可靠；方式l 气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低，使用安全；l 工作介质是空气，来源方便，使用后可直接排至大气，不污染环境；l 由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送；l 气动元件可靠性高、寿命长，气动元件可运行20004000万次；l 易于实现快速的直线往复运动，摆动和高速转动,特别适合实现柔和出力的控制场合；l 气动元件使用和维护都叫简单，介质清洁，管道不易堵塞，亦不存在介质变质，补充，更换等问题；l 设备通用性强，成本低；l 气动控制控制迅速，反应快，可在较短时间内达到所需要的压力和速度在一定的超载运行下也能保证系统安全工作，并且不易发生过热现象。同样气动驱动也有缺点，主要如下：l 气体的工作压力较低，一般小于0.8Mpa，因此与液压系统相比出力较小，只能驱动相对较轻的负载；l 气体的可压缩性造成气动系统的整体刚度很低，抗干扰能力差，不容易实现精确的位置、速度、力等控制；l 工作介质空气没有润滑性，系统中必须采用措施进行给油润滑；l 噪声大，尤其在超声速排气时，需要加装消声器。综合各种驱动方式的利弊，针对特定的工作环境采取合理的驱动方式。本设计中的爬壁清洗机器人的工作环境是垂直的墙面，如果采用液压传动的话，要向高处输送液压液，使用完后还要进行输送或储存，十分不便，而且会增加机器人的自重，从而势必影响爬壁机器人的安全吸附；而采用气动，工作介质是空气，直接就可以从周围提取，空气可以从大气中取之不竭，无介质费用的损失和供应上的困难，可以大大减轻机器人的自重；万一空气泄露，除引起部分能量损失外，不致产生不利于工作的严重影响。作业中爬壁机器人需要的运动形式主要是直线运动，利用气缸的移动正好实现了端到端的直线移动方式，而利用电气、机械和液压传动构造都比较复杂。总之，气动驱动技术在本设计的爬壁清洗机器人中更具明显的优势。另外，气动系统提供了无与伦比的独特优势是能够提供真空，使机器人实现安全可靠的吸附，这应该是本爬壁清洗机器人应用所必需的。值得指出的是本体系系统采用Festo公司的气动产品，产品性能优良，系列齐全，提供了充足的选择空间。2.3 小结 确定了爬壁机器人的行走方式、吸附方式、驱动方式。机器人采用框架式的行走方式，可以较易实现在壁面的运动行走；采用真空吸盘吸附不受壁面材料的限制，适应性强；采用气压驱动可以增加带负载的能力，减轻机器人本体的重量。采用纵横两个互相垂直的结构组来构成机器人的框架结构，能够实现前、后、左、右四个方向上步距一定的移动功能。控制方式:PLC可编程控制器，完成顺序控制。3.爬壁清洗机器人本体设计（台面）爬壁清洗机器人是用来代替人工完成高层建筑外墙面清洗的服务型机器人，它的工作对象是垂直的壁面，工作的任务是将外墙表面清洗干净。针对这样的工作对象和工作任务，要求机器人本体能够吸附在玻璃壁面上，并在其上自主移动，同时完成对高层建筑外墙面的清洗。针对这样的要求，本课题要求设计出合理的爬壁清洗机器人的本体结构。3.1 爬壁清洗机器人本体结构本课题设计的爬壁清洗机器人所采用的框架结构是由横向X和纵向Y两个相互垂直的气缸组成，其中X向和Y向选用Festo公司的DGPL系列的无杆气缸。X和Y向气缸是机器人运动的主要驱动部件，同样也是机器人的结构框架部件，两个气缸彼此垂直，并且安装在一块槽形面板上，该面板作为两个气缸的连接件，同时也作为别的元件的安装平台，此平台平面平行于机器人运动的墙面。在两个气缸的4个端面，分别固定一个安装面板，4块端面安装面板通过一个Z向气缸与吸盘固定面板相连接。与此同时为了方便简洁，于是就在X向两端安装清洗装置。这种结构设计的目的是使该幕墙清洗机器人结构紧凑、运行可靠、重量轻。选择这样的框架结构可以看出，在同样可以实现机器人的壁面移动的设计目标下，达到同样的设计要求，仅仅选用两个无杆气缸。使得机器人的重量减轻，能够选用相对数量较少和面积较小的真空吸盘。从控制角度来看，同样也可以使得控制相对简单。 爬壁清洗机器人由X、Y向两个无杆气缸构成主体框架，可以方便地完成机器人在X-Y平面上的运动；由X、Y方向两组交替吸附的真空吸盘构成吸附装置，配合气缸的运动可以更加方便的实现机器人在垂直壁面上的运动；在X向气缸两端连有两个清洗单元，通过X向的气缸驱动以完成清洗任务。整个机器人的本体结构有如下特点：1). 本设计应用到了模块化设计的思想，本设计的爬壁清洗机器人上所用的气动元气件都是采用了Festo公司的标准化产品，便于管理和控制。2). 结构简单、对称。纵向和横向分别垂直安装结构相同的无杆双作用气缸，其作用是完成机器人本体的向上、向下、向左、向右4个方向的运动。由4个方向的基本动作的组合控制，机器人便可以到达期望机器人运动的目标点。3). 机器人采用十字框架式结构，这种结构的重要特点是，由X、Y向气缸分别构成X方向和Y方向构成的框架作为机器人的结构主体，而X、Y向两个气缸又是这两个方向大驱动元件，两个气缸交替运动，可以实现机器人沿X、Y方向的自主移动功能。实现了机器人主要结构的结构驱动一体化，驱动文件本身就是结构件。这样的设计，可使机器人的结构大大简化，重量大大减轻。4). 在吸盘安装面板上安装了一个Z向吸盘提升气缸，可以轻松的实现机器人的越障，同样也减少了吸盘材料与壁面的摩擦。5). 机器人的擦洗单元直接连接于X向气缸的两端，这样X向气缸既可在机器人的运动中作为移动动作的驱动元件，又可以在擦洗时作为擦洗动作的驱动件，使得此二功能的驱动件合二为一，减少了驱动件的数量。这种擦洗移动的一体化设计，无论从机器人的结构、重量还是成本上来说，都是可取的。6). 可靠的吸附机构，在纵向和横向驱动气缸的4个端面分别安装一个垂直于壁面的安装面板，每块安装板安装4个真空吸盘（布置方式是正方形），当吸盘紧贴时，真空发生器向吸盘提供真空，产生负压吸附力，固定机器人。7). 本机器人采用无杆气缸组成框架式结构，并且两组真空吸盘交替吸附，既可保证吸附的可靠性，又使机器人的移动方式相对简单，控制逻辑也相对简单，提高了系统的可靠性。8). 机器人采用此框架结构使机器人的运动具有如下特性：1) 具有互锁性，也就是说在某一时刻，只能有一个动作在进行，其他的动作都处于锁定的状态。这种状态下的机器人亦指爬壁清洗机器人是做间歇动作的；2) 具有完整性，当机器人某一动作发生时，这个动作必须完整、连贯的进行完成，不能中途停止。3) 具有衔接性，向左、向右、向上、向下4个基本动作开始和结束都处于初始状态。3.2 机器人气动元器件的选择由于本爬壁清洗机器人采用全气动的框架式结构，所以选择合适的气动元器件非常的关键。元器件选择完毕后，在此基础上进行可靠的结构设计和分析。Festo作为世界上最著名的气动元器件生产厂家，该公司拥有完善的产品体系，可以任意的选择组合，为我们的结构设计提供了充分的选择余地。其产品系列全、性能好、在全球市场占有领先地位，受到全球用户的广泛欢迎。基于此，本设计的爬壁清洗机器人大部分的元器件都是选用Festo公司的产品，其最主要的原因是Festo产品模块化程度高，Festo公司根据自身产品特点，运用相关气动技术理论及算法，开发出适合自己产品的一系列应用软件工具，利用这些软件工具，用户可以快速、简单、方便地配置气动元件。本爬壁清洗机器人气动元器件都是Festo公司的产品。系统的气动元器件如下表3-1：表3-1 机器人气动元器件清单序号名称型号数量重量（g）1真空发生器VADMI-95-N222202真空吸盘ESG-80-Eu-HA-G16161413Z向吸盘提升气缸ADVC-12-5-A-P44344X、Y驱动气缸DGPL-32-600-PPV-A-GF-B2223905电磁阀CPE14-M1BH-5J-1/8441156单向节流阀GRLA-1/8-QS-6-D87分气块FR-8-G1/8-420.278分气块QSLV2-G1/8-420.049管接头QS-3/8-6229.010QS-1/8-4448.511真空安全阀ISV-1/8881612气管PLN-6X1-NT T50m5014.73.2.1 X、Y驱动气缸 选择型号：DGPL-32-600-PPV-A-GF-B 数量：2个 DGPL：带导轨无杆气缸； 32：缸径32mm； 600：行程600mm； PPV：可调式气缓冲； A：具有接近开关感测功能； GF：DGPL带导轨气缸可有带滑动轴承型号； B：B系列；作为该爬壁清洗机器人的纵横两个方向的主要框架结构和驱动气缸，该气缸的性能非常重要。采用这种双作用无杆气缸，有利于在有限的空间内安装即可以节省安装空间亦可以减少质量，而且也比较符合本设计的要求。其有关性能参数见下表3-2：表3-2 X、Y气缸的规格说明缸径32mm动作型式双作用行程600 mm保证耐压1.2MPa最高使用压力0.8MPa最低使用压力0.1MPa活塞速度1m/s缓冲型式可调式气缓冲接近开关SME8缓冲长度20mm工作介质过滤压缩空气接口尺寸G1/8轴承类型滑动式温度范围-10C-60C耐腐等级CRC2装配位置任意6bar时理论作用力483N移动质量840g0mm行程移动质量840g0mm行程基本质量2390g3.2.2 短行程气缸 选择型号：ADVC-12-5-A-P 数量：4个 ADVC：紧凑型短行程气缸系列； 12：活塞直径12mm； 5：行程5mm； A：活塞杆是外螺纹连接； P：两端带弹性缓冲环或缓冲板；作为此爬壁清洗机器人吸盘的提升气缸，该气缸的性能也很重要。在每4个吸盘的安装面板上都装配一个Z向的提升气缸，此气缸行程较短且对压力输入响应迅速，能够迅速的提升吸盘，使吸盘脱离壁面。安装尺寸较小，可以节省安装空间。一些相关参数如下。表3-2 Z向短行程气缸的规格说明活塞直径12mm设计结构活塞 活塞杆行程5mm缓冲型式两端带弹性缓冲工作介质过滤压缩空气气动连接M56bar时理论作用力61N温度范围-20C-80C耐腐等级CRC1装配位置任意动作型式双作用移动质量6.6g安装类型带通孔产品质量34g3.2.3真空发生器选择型号：VADMI-95-N 数量：2个 VADMI：VADMI系列紧凑型喷射器；95：气嘴公称通径0.95mm； N：真空开关输出；配合真空吸盘或气爪，此真空发生器能够用于提取并吸住表面光滑及不透气的工件。工件可以在任何位置被吸起。真空发生器的供气由内置式电磁阀控制。随着电磁阀加上电压信号，压缩空气进入真空发生器，于是产生真空。 电磁阀断电时，吸力停止。集成的消声器用以降低排气噪音。其有关性能参数见表3-4：表3-3 真空发生器规格说明结构特点块状结构工作介质润滑或未润滑的压缩空气安装位置任意喷射器特性高真空型安装方式通过壳体上的通孔最大真空度80%工作压力1.5bar-10bar环境温度-20C-80C真空接口螺纹G1/8带螺纹气接口G1/8耐腐等级CRC2材料说明不含铜和聚四氟乙烯3.2.4 真空吸盘 选择型号：ESG-80-Eu-HA-G 数量：16个 ESG：ESG型号系列； 80：吸盘直径80mm； Eu：加深吸盘，材料为聚氨酯； HA：吸盘支架型号； G：气接口型号； 系列吸盘采用模块化结构，具有极为出色的组合能力，吸盘支座和吸盘具有相同的接口尺寸，可根据需要随意组合。其规格参数见表3-5：表3-4 真空吸盘技术参数最小工件直径160mm吸盘直径80mm吸盘容积51.61cm3有效的吸盘直径62.7mm设计结构圆形加深工作介质压缩空气耐腐等级CRC1环境温度-30C-200C70%真空时的起步阻力275N肖氏硬度605与吸盘支架间的关系尺寸5颜色黑色真空接口M101.5吸盘安装件M101.5安装螺纹M101.5吸盘材料聚氨酯3.2.5 CPE电磁阀选择型号：CPE14-M1BH-5J-1/8 数量：4个 CPE：紧凑型电磁阀； 14：电磁阀宽度14mm； M1BH：24VDC，插头适用于KMYZ-9； 5J：两位五通，双电控； 1/8：气接口，内螺纹G1/8；该电磁阀的作用是实现X、驱动气缸的往返运动。其性能特征如下表3-6：表3-6 电磁阀CPE14系列的性能特征阀功能两位五通，双电控控制方式先导控制结构特点滑阀安装位置任意位置密封原理软性排气功能带流量控制手控装置通过工具附件复位、锁定标准额定流量800L/min驱动方式电气的产品重量115g额定尺寸6mm耐腐等级CRC2工作介质压缩空气环境温度- 5C-50C 密封件材料NBR外壳材料压铸铝产品重量115g安装类型带通孔连接接口G1/8线圈特性参数24V DC: 1W3.2.6 单向节流阀选择型号：GRLA-1/8-QS-6-D 数量：4个 GRLA：GRLA型号系列； QS-6：气动连接接口1为QS-6；1/8：气动连接接口2为G1/8； D：D系列的快插接头；低流量、低速时进行精确调节，具有QS快插街头，安装后