开题报告-爬墙机器人总体结构及清洗装置、控制系统硬件设计

XX设计（XX）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班级学号学生姓名指导教师填表日期20XX年04月05日一、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：核工业对核废液贮管进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；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；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；消防部门用于传递救援物资、进行救援工作等；造船行业用于喷涂船体或轮船内壁等；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：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；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：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WCRRVP-II型机器人，采用直角坐标气缸驱动。1998年，有研制成功了WCRRVP-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RobugII；此后又开发了RobugIII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。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：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。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。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。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: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。机械结构设计合理、紧凑、重量轻、可靠性高且负载能力强。移动精度较高，能垂直到达垂直平面的任何地方。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）：