爬壁清洗机器人设计-真空吸盘式【全套含CAD图纸+文档全套资料】
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上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 爬壁清洗机器人设计 学 院 机械学院 专 业 机械电子工程（机电一体化） 班 级 BJ0807 学 号 04 姓 名 阎骁亮 指导教师 孙渊 定稿日期： 2011 年 12月10 日10爬壁清洗机器人设计1 选题背景及其意义随着社会的不断发展，科学技术的迅猛发展，人类社会的不断进步，现代都市的摩天大楼越建越多，越建越高，而城市的灰尘污染也越发严重，在这样的背景下，人类需要依靠升降机平台来逐层地清洗大楼壁面，不但浪费时间和劳动力，而且人类在清洗大楼壁面的环境越来越恶劣和危险，本课题来自于社会实际的需求，采用爬壁机器人进行擦洗，降低清洗工人的劳动强度，提高工作效率，特别是提高安全性。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，也必将极大的推动清洗业的发展，带来相当的社会效益和经济效益。因此，壁面清洗机器人的设计和研究有着良好的应用前景。2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）爬壁机器人是指可以在垂直墙壁上攀爬并完成作业的自动化机器人。爬壁机器人又称为壁面移动机器人，因为垂直壁面作业超出人的极限，因此在国外又称为极限作业机器人。爬壁机器人必须具备吸附和移动两个基本功能，而常见吸附方式有负压吸附和永磁吸附两种。其中负压方式可以通过吸盘内产生负压而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式则有永磁体和电磁铁两种方式，只适用于吸附导磁性壁面。此次设计的爬壁机器人主要针对建筑物外壁清洗作业。日本在爬壁机器人研究上发展迅速，中国也于20世纪90年代以来进行类似的研究。这些年来，机器人在各个领域中获得到了相当广泛的应用和发展，这当中，爬壁机器人是能够代替人类在垂直的陡壁上进行工作的机器人，他作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。高层壁面清洗机器人是一种实用性很强的研究项目，自从20世纪60年代以来，爬壁机器人及其相关技术受到人们的广泛关注。作为高层建筑清洗用的爬壁机器人来说，结构设计虽然百花齐放，但是真正能用于实际工作方面的具体设计并不多。爬壁机器人最基本的两个功能是在壁面上的吸附功能和移动功能。普通的传统的爬壁机器人按吸附功能分类能分成真空吸附和磁吸附这两种类型：真空吸附又可分为单吸盘式和多吸盘式两种结构性形式，具有不受壁面材料限制的优点，但是遇到壁面不平整时，容易使吸盘漏气，使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种类型，电磁体式维持吸附力需要电力，但是控制比较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但是控制比较麻烦。磁吸附方式能在凹凸不平的避免上工作且适应性强，吸附力远大于真空吸附方式，而且不存在漏气的问题，但是对材料的选择则必须是导磁材料，所以大大的限制了机器人的应用范围。日本应用技术研究所研制出车轮式磁吸附爬壁机器人，如图1所示。图1 车轮式磁吸附爬壁机器人这种爬壁机器人靠磁性的车轮对壁面产生吸附力，其主要特征为：行走稳定且速度快，最高速度可以达到9m/min，能适应各种形状的壁面，而且能不损坏壁面的油漆。1989年日本东京大学的宏油茂研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，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，个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。图2 履带吸盘式爬壁清洗机器人图3 气动多吸盘爬壁机器人我国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。单吸盘轮式壁面移动机器人，有吸附机构和移动机构两大部分移动机构由电机、减速器、车轮构成，吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。真空泵是产生负压的装置，其功能是不断的从负压腔内抽出空气，使负压腔内产生一定的真空度。为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。由于气囊密封装置具有良好的弹性，当遇到壁面出现凹凸不平时，能够通过气囊的变形来减小缝隙的大小，让爬壁机器人具有一定的越过障碍物的能力，气囊的充其量由调节阀来控制，调节弹簧的功能有两个：1、为密封圈提供密封所必需的正压力；2、提高气垫对壁面的适应能力，还可以起到减震的作用。负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的改变，为调节压力提供依据。设置压力调节阀改变机器人本体的改变，可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。由于传统的爬壁机器人在很多方面有不足之处（如对壁面材料和形状的适应性不强，跨越障碍物的能力不足，体积较大，质量较重等），因此，在未来的发展中，爬壁机器人的结构应该向实用化的方向发展。（1） 吸附装置最近几年，美国、英国、俄罗斯等国的研究小组揭示了壁虎爬壁的秘密，就是分子间的作用力-范德华力。范德华力是中性分子彼此距离肥肠近时产生的一种微弱的电磁引力。从壁虎脚的附着力得到启发可用于研制爬壁机器人。在分析过程中，运用类比、模拟和模型方法，通过高分子化学材料，工程材料科学，力学和机械学的交叉研究，或许有一天能研制出与壁虎脚趾表面结构相类似的，经物理改进的高分子材料。如果这种装置能成功地研制出，将对将来爬壁机器人在生活中的应用踏出坚实的一步。（2） 移动方式在爬壁机器人的设计中，轮式和履带式的移动方式已经获得了广泛的应用，但是足式移动具有以上两种方式所没有的优点。足式移动的方式可以使机器人在作业过程中越过相对较大的障碍物，并且足式移动的方式有较多的自由度，是机器人变得更加地灵活，对凹凸不平的复杂壁面有较强的适应能力。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，能够在可达到的范围内选择最好的支撑点，即便是表面极度复杂，极度不平整的壁面也能够依靠选择最佳的支撑点达到行走自如的程度。因此，足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。（3） 驱动设备传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用化的要求，为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密度的新型电机。微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件，研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的，而且要求微特电机技术的发展，满足机器人智能化、可靠、灵活、长寿命的需要。因此爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为朝高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料（压电陶瓷）的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特的运行机理，超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点：(1靠) 摩擦力驱动，因而断电后具有自锁功能，不需制动装置；(2)转矩密度大，低速下可产生大转矩，不需齿轮减速机构因而体积小、质量轻、控制精度高、响应速度快；(3)运行无噪声，不产生也不接受电磁干扰等。正是由于超声波电机具有众多优点，所以它在爬壁机器人上将有非常好的实用价值。（4） 能源问题迫切的需要探索出一种新的能源，体积小、供电性能强的电池，或者通过遥控途径对机器人提供能量和控制信号。目前国内外正对此进行积极研究，这方面日本取得了较大的成果。日本已经较为成功的将微波技术应用到一台无线机器人上，该技术成功的应用将会使爬壁机器人的运动范围得到较大的扩展。3 研究内容（1）爬壁移动机构设计和相关计算，清洗作业装置的设计包括滚刷、喷淋和去污系统等（2）气动系统设计（3）PLC控制系统设计4 研究方案4.1 总体方案根据爬壁清洗机器人清洗作业的要求，机器人首先必须具备清洗作业功能和控制功能，此外清洗爬壁机器人还必须在高层建筑物表面进行吸附和移动，因此清洗爬壁机器人系统应包括机器人清洗系统、爬壁系统和控制系统三大部分。（1） 爬壁清洗机器人设计清洗系统设计高层建筑壁面的污垢主要是大气污垢，清洗系统是爬壁清洗机器人的重要组成部分之一，考虑爬壁清洗机器人代替人工进行有效率的清洗工作，因此采用机械力清洗作用方式，即采用冲洗、刷洗。刮洗联合作用的方式。喷淋冲洗壁面，便于除去壁面上附着力较小的污垢并浸润壁面；电机通过同步传动齿形带带动滚刷旋转，通过滚刷刷洗，便于除去壁面上附着力较大的污垢。刮板可以刮净和回收残留在壁面的液滴，通过污水管进入污水箱。整个清洗作业系统包括滚刷系统、喷淋系统和去污系统。清洗系统如图4所示。图4 爬壁清洗机器人清洗系统设计简图1 电动机 2 机架 3喷水头 4 滚刷（2） 爬壁清洗机器人爬壁吸附系统设计机器人移动吸附系统是爬壁清洗机器人的核心部分，由移动系统和吸附系统组成，在机器人工作过程中携带机器人的清洗系统，吸附在建筑物壁面上，实现对建筑物壁面清洗的功能。机器人主体部分由可以相互平移的两个呈十字型的框架构成，其中任意一个框架可以相对另一个进行平移，每个框架成组配备可独立控制的腿足结构。腿足结构具有一个主动直动关节。随着腿部的交替吸附和框架主体的相对运动，机器人实现壁面自由移动功能。框架制结构主要依赖于本体自由度与腿足自由度的结构，各部分结构简单，满足灵活性和机动性的要求。另外，由于设计要求机器人能跨越50mm的障碍，因此在腿足部分要求有抬高至少50mm的能力。平面移动机构如图5所示。图5 爬壁清洗机器人爬壁吸附系统设计1、2 十字框架 3 X向气缸 4 Y向气缸 5 清洗系统 6 吸盘组建筑物壁面材料虽然多样化，但是大多数都是非导磁材料，如玻璃、瓷砖和涂料等，因此吸附方式采用真空吸附。单个吸盘虽然结构简单，容易控制，但是会降低机器人在移动过程中的越障能力和可靠性，而吸盘组结构形式有利于利用洗盘的弹性变形，提高越障能力，保证吸盘与壁面的吸附，提高机器人工作的安全性和可靠性。十字框架结构使机器人整体结构紧凑，可以保证机器人的整体刚度，在移动吸附过程中，使机器人可以自由移动。（3） 爬壁清洗机器人控制系统设计控制系统是爬壁清洗机器人的关键部分，采用PLC控制，来完成对机器人本体的吸盘脱离、本体移动、吸盘吸附、本体越障和清洗的顺序控制。为了控制方便、操作简便，控制器PLC固定在机器人本体上，通过自动控制和手动控制对机器人的整体进行控制，实现机器人个部分的协调工作和配合。4.2详细的壁面清洗机器人的技术参数列表（1） 爬行速度：5-8m/min（2） 爬行高度：0-80m（3） 清洗速率：100-150m/h（4） 越障高度：50mm（5） 控制方式：PLC控制（6） 本体重量：20kg（7） 负载重量：15kg（8） 移动方式：脚步行进时5 进度计划2011年11月16日- 2011年12月30日：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。2012年1月1日- 2012年2月28日： 结构设计及相关计算，完成装配图、部件、零件图2012年3月1日- 2012年3月30日： 液压系统设计2012年4月1日- 2012年4月30日： PLC控制系统设计2012年5月1日- 2012年5月30日： 撰写毕业论文2012年6月1日- 2012年6月10日： 毕业答辩准备和答辩。参考文献1爬壁机器人的现状与发展 The Current Situation and Development of the Wall-Climbing Robot （辽宁石油化工大学信息工程学院，辽宁抚顺 113001） 肖立，佟仕忠，丁启敏，吴俊生2真空吸盘式爬壁清洗机器人的研究与开发 姬国钊、张世伟、王奇斌、李俊秀、王卓（东北大学，辽宁 沈阳 110004）3一种新型高楼清洗爬壁机器人的设计 高九岗， 吴神丽， 李宏穆 （成都理工大学核技术与自动化工程学院， 四川成都610059）4爬壁机器人气动位置伺服控制研究 张厚祥 刘荣 王巍 宗光华 ( 北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京100083)5气动多吸盘爬壁机器人 孙锦山, 杨庆华, 阮健 Pneumatic Mult-i suckered Wal-l climbing Robot SUN Jin-shan, YANG QING-hua,RUAN Jian ( 浙江工业大学机电学院, 浙江杭州 310014)6阎军涛 壁面清洗机器人的运动控制系统设计D 重庆：重庆大学， 2007 7李华斌. 气动PWM 位置控制及擦玻璃机器人控制系统研究 D . 北京: 北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 19988郭成. 微型爬壁机器人研究的关键技术J. 制造业自动化, 2004(7).9李华峰. 超声波电机控制技术进展J. 微特电机, 2001(2).10张思明. 微特电机在机器人中的应用与发展J. 世界电子元器件. 2002(3).11徐小云. 六足移动式微型仿生机器人的研究J. 机器人, 2002(5).12潘沛霖, 韩秀琴. 日本爬壁机器人研究现状J. 机器人, 1994(6).13刘淑霞, 王炎. 爬壁机器人技术的应用J. 机器人, 1999(2).14杨庆华, 张立彬, 阮健. 气动弯曲关节的特性研究J . 工程设计学报, 2002, 9( 3) .15 于海斌, 朱云龙. 可集成的制造执行系统. 计算机集成制造系统CIMS, 2000, 6( 6) : 1 6.16Vijayan and Jaikumar. Manufacturing Execut ion Systems. Comput er World, 2000, 34( 3
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