高层建筑壁面喷涂机器人结构设计

PAGEPAGE1一、本课题的研究目的和意义随着现代科学技术的飞速发展，机器人已越来越多地进入我们的生活领域，以机器人代替人类从事各种单调、重复、繁重、危险以及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。现代机器人一般分为两大类：一类是工业机器人，主要指装配、搬运、焊接、喷漆等机器人；另一类是极限工作机器人，主要指在人难以到达的恶劣环境下代替人工作业的机器人。如：海底资源的勘测开发、空间人造卫星的收发、战场上的侦察和排险、核放射场所的维护、高层建筑的壁面清洗、灭火救助等。在现代都市中，高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。这些高楼的壁面多采用瓷砖和玻璃幕墙作为装饰，有的还要敷设铝塑板等，为使这些装饰材料美观、漂亮，就需要对壁面进行清洗和喷涂作业，以美化市容市貌。目前对高层建筑的清洗或喷涂工作主要是由人工完成的。工人搭乘吊篮或腰系绳索进行高空作业，稍有不慎就会出现事故，造成伤亡。不但如此，人工作业的效率也很低，清洗喷涂一幢大楼有时要耗时数天乃至数十天，耗资巨大。因此，人们迫切希望能设计制造出一种可以代替人工完成高层建筑清洗和喷涂任务的装置。壁面喷涂机器人是以喷涂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喷涂成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大地推动壁面喷涂业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。因此，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。于是作为极限作业机器人重要开发项目之一的壁面爬行机器人近些年来得到了蓬勃的发展，受到了人们越来越多的重视。爬壁机器人是一种极限环境作业的特种机器人。其对高层建筑壁面的清洗、墙面喷涂等垂直壁面作业超出人的极限，而爬壁机器人可以代替人来实现壁面作业及一些高危环境，复杂环境下的作业。它是一种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。爬壁机器人主要用于石化企业对圆柱形大罐进行探伤检查或喷漆处理，或进行建筑物的清洁和喷涂。在核工业中用来检查测厚等，还可以用于消防和造船等行业。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。其中，高层建筑喷涂机器人是一种应用于高层建筑外墙壁表面装饰材料喷涂作业的新型爬壁机器人。近年来，城市市容环境整顿工作越来越引起人们的重视，作为城市面貌的建筑物外表面清理和装饰工作已成为城市环境整顿的工作重点。传统的高层建筑物清洗工作均是由工人高空作业，作业环境差、劳动强度高、工作效率低、清洗价格高。研制开发取代这种低效率、高风险的人工喷涂方式的高层建筑物喷涂机器人，一方面可以大幅度地降低喷涂的价格，另一方面也可以提高喷涂工作效率，减轻喷涂工人的劳动量[1]。图1玻璃壁面清洗机器图2钩爪式爬壁机器人在攀爬墙壁二、壁面喷涂机器人的研究现状，应用背景和发展趋势1国内外的研究发展现状长期以来，人们就想用机器人代替人类在垂直陡壁上爬行，进行各种作业。近年来出现的爬壁机器人，实现了这种理想。机器人由于在垂直陡壁上作业是非常困难和危险的，超越了人的能力极限，所以在国外称此类机器人为极限作业机器人。它一经问世，就受到了各方的重视。日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人，如图3所示。图3车轮式磁吸附爬墙机器人它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m/min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。1989年日本东京工业大学的宏油茂男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，每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。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，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。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较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。调节弹簧的作用有两个：一是为密封圈提供密封所必需的正压力，二是提高气垫对壁面的适应能力，还可起到减震的作用。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，实时检测负压的变化，为调整压力提供依据。设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度，可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，如图4所示，在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过履带（由链条和永磁块组成）使机器人贴附在壁面上。机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行[2]。图4磁吸附爬壁机器人本体结构示意图1966年，日本的西亮教授首次研制成功壁面移动机器人样机，并在大阪府立大学表演成功。这是一种依靠负压吸附的爬壁机器人。随后出现了各种类型的爬壁机器人，到80年代末期已经开始在生产中应用。日本在开发爬壁机器人方面发展最为迅速，主要应用在建筑行业与核工业。日本清水建设公司开发了建筑行业用的外壁涂装与贴瓷砖的机器人，他们研制的负压吸附清洗玻璃面的爬壁机器人，曾为加拿大使馆清洗。东京工业大学开发了无线遥控磁吸附爬壁机器人。在日本通产省"极限作业机器人"国家研究计划支持下，日晖株式会社开发了用于核电站大罐的负压吸附壁面检查机器人。它有两个独立的负压吸盘，可以在遥控下由地面自动爬行到大罐的弧形壁面，作视觉检查与测厚，并可以跨越障碍。日本关西电力株式会社开发了核电站壁面点检的爬壁机器人，移动速度为每分5米，负重50公斤。日立制造所研制了履带式磁吸附检查机器人，带有超声检测装置。由于采用了负荷分散机构，它能够适应各种凹凸不平的曲面和棚顶。英国在爬壁机器人领域取得许多成果。90年代初RTD公司推出了轮式磁吸附爬壁机器人（取名Beetle），已作为商品销售。最高爬行速度达每分12米，可以自动记录每隔一定距离的壁厚，最高爬行高度为25米。英国南岸大学于1994年研制成功多足多吸盘气动型爬壁机器人，可以携带一个小工业机器人（例如PUMA260），进行超声检测。它自重22公斤，负重20公斤。最近来自英国的报道，一种取名为罗布格三号的爬壁机器人在贝德福市作演示。它有8条腿，类似巨型蜘蛛，能负重100公斤，可越障，能将砖放入准确位置，研制者计划将其应用于建筑行业。俄罗期彼得堡国立技术大学也研制成功负压吸附爬壁机器人。我国研究的起步较晚，自90年代以来，有许多单位根据国家经济建设需要，研制成功各种类型与功能的爬壁机器人。上海交通大学研制成功测量大罐容积的磁吸附爬壁机器人。哈尔滨理工大学研制成功测量大罐漆膜厚度的履带复合式爬壁机器人。哈尔滨工业大学研究所在"863计划"支持下，于1994年研制成功核工业用的壁面爬行遥控检查机器人，后又与大庆采油一厂合作，研制成功采油行业中大量使用的储罐防腐用喷吵、喷漆履带式磁吸附爬壁机器人，在现场试验，取得成功[3,4]。喷涂机器人是一种典型的涂装自动化装备。使用机器人进行喷涂作业，工件涂层均匀，重复精度好，工作效率高，能使工人从恶劣的工作环境中解放出来。国际上将机器人应用到喷涂领域已有四十几年的历史，最早将机器人技术应用于喷涂的有美国的minihit公司、fudge公司、德国hatel公司等。随着机器人技术的不断完善，喷涂质量得到显著提高，喷涂机器人在主要的发达国家得到广泛的应用。我国的北京机械工业自动化研究所等科研机构先后对喷涂机器人技术进行深入的研究，取得了不少进展。航天航空部的703所、625所使用热喷涂机器人在实验室进行作业，用来喷涂一些重要而特殊的航空部件。目前在我国，还没有完全意义上的独立生产喷涂机器人的厂家，机器人市场大多为瑞典、日本、韩国等国的生产厂家所垄断。近年来，我国的一些企业积极与高校开展喷涂机器人的项目合作，进一步推动我国喷涂机器人技术的成熟、普及与应用。图5高性能小型喷涂机器人IRB52其紧凑的设计能灵活适应地面、倒置、斜置和壁挂式安装，并且能够在狭小空间内实施涂装自动化。这款机器人体形虽小，但工作范围大，操作灵敏度尤为出色。其卓越的设计使它足以耐受典型喷房的严酷生产环境。IRB

52广泛适用于各类喷涂工艺，包括PU、UV和水性涂料的喷涂。其手腕有效荷重达7千克，可满足单枪、双枪和三枪的各种喷涂解决方案的需求。该机器人还可在多种操作模式下运行，如具备输送链跟踪功能的自动线操作模式，配备滑台或转台的手动操作模式。安装形式的多样化外加前臂纤细、偏移量小等特点，使这款机器人成为狭小空间应用的不二之选；因兼有向后翻转能力，IRB

52可以交替对前后两个支具进行喷涂作业，有效缩短节拍时间。该机器人还具有轻量化的优势，安装方便，尤其适合壁挂、倒置和斜置式安装；其支撑结构在设计上化繁为简，大大减轻了对喷房结构设计的影响。FANUC2008新喷涂产品PaintMate200iA，它的应用的广泛性深受广大行业内人士的青睐。在实际工作中，它可以应用于苛刻的工业条件、洁净室、食物处理、教育、材料清理、装配等多个领域。当前，涂装领域已经是它的用武之地之一。图6FANUC新品喷涂机器人P-50IA，是新一代的紧凑型涂装机器人，主要是针对一般工业喷涂而设计，也适用于晶体涂覆、遮蔽涂覆和涂胶。它是FANUC涂装机器人系列产品中的第九代产品，设计用途就是要在危险的涂装环境中操作。由于其优异的6轴柔性操作系统，可以允许安装多种型号的喷枪和旋杯，满足了包括汽车行业在内的多种产品的全套自动化生产需求。它的基座占地正好是0.25m2的空间，而且可以在墙壁上或天花板上进行安装，这样就能腾出更多的地面空间，使喷房地面更容易清洁。它采用中空手腕的设计，可允许P-50i使用的所有软管都放置于它自身的机械臂之内，从根本上保护它们，防止碰撞，并且给自身提供了更高程度的灵活性。中空手腕设计还减轻了程序计划人员的负担，让他们可以完全把注意力集中于机器人的移动，更加适合工件的喷涂。P-250IA，是FANUC第十一代汽车行业和一般工业用大型喷涂机器人，具有行业中最佳工作区与运动性能。它基于工艺设备的有效集成而设计，中空手腕，外臂可预留齿轮泵用双马达安装空间的选项，外臂的特殊结构，使得喷涂应用设备易于集成，并可选用多重布管路径。J2&J3轴的“翻转”工作能力，可最大限度内提供机器人工作范围与喷涂柔性化；偏置手臂的设计提供了优越的近距离工作能力，配合小型底座，可安装在面积较小的喷房中。它的自重是500KG,为方便安装而设计，是目前行业中最轻的大型机器人。此机器人还具备多种电缆链接选项，链接保护柔性化可使机器人能够倒装。这些特征不仅是最大限度的提高了安装灵活性，还减少了安装成本。它主要能够为汽车产品包括塑料、金属和玻璃纤维部件提供可靠精确的解决方案。2应用实例（1）壁面检查用负压吸附爬壁机器人这台冷试工程样机主要用于检查核废液储罐壁的焊缝缺陷及外观，监测壁厚变化。由于储罐是用不锈钢板焊接成的，不导磁，故采用负压吸附方式。由于需沿焊缝移动，故移动机构采用全方位车轮，由4个电机单独驱动。机器人对控制系统提出如下要求：·维持吸盘负压在一定范围-600mmH2O～-800mmH2O。·全方位移动控制，即能上下、左右、斜行、原地旋转，速度可调，范围为01～2米/分。·实现姿态控制，要求机器人沿焊缝移动时不偏斜。·遥控操作，由于储罐区有放射性物质，故机器人需能遥控。·计算机管理和控制，在CRT上显示各种工况（负压大小、接近距离、电机的工作状态等），并且具有故障报警显示功能。控制系统采用二级计算机控制，上位机采用工业PC机，下位机（执行机）采用STD工控机。（2）喷砂、喷漆用磁吸附爬壁机器人该机器人主要是为石油化工企业储罐喷砂除锈与喷漆防腐使用。金属储罐导磁，故采用永磁吸附。主要特点如下：·采用双履带，永磁体吸附，负重能力超过30公斤。·可在平面或弧形垂直内外壁面上移动作业。·微机控制，有线遥控。·应用广泛，带功能附件后，可用于壁面检测、喷砂、喷漆、焊接之用。·具有防爆功能，可用于喷漆作业[4]。3应用背景目前，国内外已经有了相当数量的爬壁机器人投入现场作业。主要应用如下：（1）核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；（2）石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；（3）建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；（4）消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；（5）造船业：用于喷涂船体的内外壁等。高空立面作业机器人是针对目前高层建筑中大量出现的需人工作业的情况，如幕墙、广告牌的清洁及喷涂等，而研制出的专用自动化设备，这种设备可以达到减轻或替代人工劳动的效果，使作业过程安全、高效。壁面喷涂机器人是一种新型特种机器人，能在高空中危险工作状态下代替人工进行喷涂作业，因此具有广阔的应用前景。国际上机器人在喷绘领域的应用已有20多年的历史。较早运用该技术的有美国的minhit公司、德国的hatel公司、美国的fudge公司等，对机器人和印刷业的发展产生过深远的影响。当时使用的是mk的h16机器人，采用的是气体和液体相结合的流量控制系统。20世纪80年代起，hatel公司在h16机器人上首次采用气压控制的间或流量控制系统，装有抽吸装置的内置阀，可避免初始污染。90年代初，首次在bergerlahr机器人自动喷涂设备上试装了涂料流量控制装置，使喷涂质量有了质的飞跃。随着喷涂机器人的技术不断创新，喷涂精度空前提高，在世界发达国家喷涂机器人得到了广泛的应用。俄罗斯和英国两研究所研制出一种不含电子元件的喷涂机器人，依靠气动力和气动控制信号，借助个钢制和橡胶吸盘行走。能沿着光滑、垂直的墙壁上下、左右移动，手持喷枪，能均匀、精确地在墙壁和天花板上喷涂料。在工作中不怕强电磁场、高温和高强度核辐射。90年代起，随着经济的发展，喷涂机器人在我国也不断得到运用和推广。喷涂机器人方便快捷准确又安全无毒，避免了过去人工喷涂时人接触有毒性的涂料而造成急性或慢性中毒。喷涂机器人的成功应用，给用户带来了非常明显的经济效益。喷涂作业机器人的应用范围越来越广泛，除了在汽车、家用电器和仪表壳体的喷涂作业中大量采用机器人工作外，已在涂胶、铸型涂料、耐火饰面材料、陶瓷制品釉料、粉状涂料等作业中开展应用，现已在高层建筑墙壁的喷涂、船舶保护层的涂覆和炼焦炉内水泥喷射等作业开展了应用研究工作。机器人喷涂作业的自动化程度越来越高，以汽车为例，已由车体外表面多机自动喷涂，发展到多机内表面的成线自动喷涂[5]。图7喷涂机器人在汽车制造业的应用4发展趋势由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处（如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等），因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。（1）吸附装置最近几年，美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个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非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现，壁虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛，每根细毛直径约为200至500纳米，约是人类毛发的直径的十分之一。这些细毛的长度是人类毛发直径的2倍，毛发前端有100～1000个类似树状的微细分枝，每分枝前端有细小的肉趾，这种精细结构使得细毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。虽然每根细毛产生的力量微不足道，但累积起来就很可观。根据计算，一根细毛能够提起一只蚂蚁的重量，而一百万根细毛虽然占地不到一个小硬币的面积，但可以提起二十公斤力的重量。如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时，可吸附住质量为13千克的物体，这相当于两个成人的质量。科学家说，壁虎实际上只使用一个脚，就能够支持整个身体。从壁虎脚的附着力得到的启示可用于研制爬壁机器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，运用类比，模拟和模型方法，通过高分子材料化学，工程材料科学，力学和机械学的交叉研究，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的，经物理改进的极性高分子材料（人造壁虎仿生脚干性粘合剂），并应用精密微机械加工的手段，设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置将适应于各种材质（如玻璃，粉墙和金属等）和任意形状的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。（2）移动方式在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，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：：a靠摩擦力驱动，因而断电后具有自锁功能，不需制动装置；b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；c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[6,7,8]。图8玻璃壁面清洁机器人[9]图中：1水平轴2刷子3视觉传感器4竖直轴5吸盘6Z轴7从动中央处理器8旋转轴三、本课题主要研究内容基于创新设计原理与方法，本次设计要分步骤地按规定完成以下主要内容:通过比较可行方案，拟定高层建筑壁面喷涂机器人的总体结构设计方案；对壁面喷涂机器人的本体机构进行详细结构设计；对壁面喷涂机器人的吸附机构进行详细结构设计；对壁面喷涂机器人的移动机构进行详细结构设计；对壁面喷涂机器人的喷涂机构进行详细结构设计；绘制壁面喷涂机器人的装配图，部装图等；绘制壁面喷涂机器人的部分零件图。四、本课题要研究或解决的问题和采用的办法（一）本课题要研究的问题1壁面喷涂机器人首先要能吸附于壁面而不下滑，实现的方法主要有两种：负压吸附与永磁吸附。（1）负压吸附负压吸附法是通过真空泵装置，使吸盘内腔产生负压，从而使机器人吸附壁面，或者由喷射器经喷咀将压缩空气喷出，使其周围形成真空，吸附在壁面上。吸盘有单吸盘和多吸盘之分。吸盘尺寸的大小与腔内负压和相应的吸附力、机器人重量、摩擦系数等有关，应附合以下二个条件：a不下滑条件，即摩擦力与重力相平衡b不倾倒条件，即转矩平衡由分析可知，增强负压，增大吸盘面积都可以增加负重能力。如果机器人边移动，边吸附，还会遇到吸盘密封技术的难点;如果机器人爬行的是弧形壁面，则更会增加制作难度。已问世的各类负压吸附爬壁机器人都采取了许多措施。（2）磁吸附磁吸附法结构简单，吸附力较大，对壁面凹凸适应性强。它具有两种方式：永磁体和电磁铁。永磁体方式吸附不耗能，安全性高，不受断电影响;缺点是脱离壁面颇费周折。电磁铁方式需通电，容易脱离壁面;缺点是体积大、笨重，断电时有脱离危险。无论那一种磁吸附方式都只适用于导磁性壁面，所以它适用于导磁金属壁面上的各种作业，如石油、煤气等各种钢储罐的维修、检查。真空吸附法不受壁面材料的限制，故应用面较广。图9智能爬壁除锈机器人图10履带式爬壁机器人2要考虑壁面喷涂机器人在壁面上移动的能力。爬壁机器人的移动方式有三种：轮式、履带式、脚式。轮式移动的每个轮子由电机驱动，移动速度较快，行走控制简单，但着地面积小，维持吸附力较困难。履带式移动着地面积大，对于壁面的适应性强，但体积大、结构复杂。脚式移动通过多个脚反复吸附与脱落来移动机器人，移动困难，速度慢，带载能力强。3驱动方式有两种：真空式由气缸驱动，磁吸附式由电动机驱动。气缸和电机不仅质量大，增加机器人本体的重量，而且效率很低，能耗非常大。供电能源：目前机器人的电能供给均采用有缆接电方式或者是较大的蓄电池。有缆方式使机器人的移动不方便，工作受到一定的影响，而且电缆在壁面上产生摩擦，具有一定的危险性；而蓄电池质量大，增加机器人的自身重量，并且供电的时间有限。综上，此次设计的高层建筑壁面喷涂机器人的主体结构大致分为四部分：1机器人主体框架2吸附机构3移动机构4喷涂机构。（二）本课题要解决的问题和采用的办法1选择该壁面喷涂机器人的吸附方式。机器人常见的吸附方式有真空吸附、磁吸附、推力吸附三种。对比这些吸附方式的特点，为利于实现机器人的小型化和轻量化，同时考虑到本体上已存在压缩空气气源，我们研制的壁面移动机器人采用真空吸附方式，由吸盘、空气压缩机、喷射式真空发生器等真空发生设备提供负压吸附力。为了稳定可靠、增强越障能力，采用多吸盘吸附方式。2选择该壁面喷涂机器人的移动方式，并确定其最佳的轨迹路线。爬壁机器人通常采用的移动方式有框架式、足脚式、车轮式和履带式。综合比较目前所研制出来的壁面移动机器人的各项性能，框架式、轮式和履带式载体对建筑壁面这种表面平整、结构化的极限作业环境有较高的适应性，有望成为壁面移动机器人走向实用化的突破口。如果只要求实现在壁面二维范围内的全方位运动，同时要具有越障功能的话，那么框架式的壁面移动机器人就显得更具有商业化前景。3选择动力和驱动方式。由于爬壁机器人在高空中进行工作，驱动与重量效率比是一个很重要的技术指标。目前驱动大部分采用电动和气动两种方式。采用电驱动方式可以利用其良好的控制特性，完成机器人的位置和力的控制。但是壁面移动机器人由于要求其自重要轻，因此，具有很高的输出重量比的气动驱动被越来越广泛地采用。使用气动驱动无污染，而且可以同真空吸附相结合共同使用一个气源，使整个系统的结构简单，但同时也带来了控制上的困难。气动控制已成为气动机器人的关键技术。4主要功能的实现。如爬壁机器人的直线前行、原地转向，和跨越障碍物的功能。5喷涂作业系统与其他系统的协调配合问题。如喷涂剂的持续供应和喷涂机械手臂的控制问题。6充分考虑环境因素的影响。高空作业中环境恶劣，气流冲击，机构的安全等必须重视。另外，设计过程中还会遇到很多实际存在的问题，将在以后的设计过程中研究解决。五、设计总体方案制定要实现机器人在普通壁面上的自由移动，必须具备粘着功能与移动功能。常见粘着功能主要靠吸附即负压吸附实现。根据吸附力量产生装置不同，又可分为真空泵式、喷射器式。移动方式一般有轮式、履带式及足式三种。考虑到吸盘在壁面环境差（如不平整）的情况下容易漏气，稳定性和安全性比较差，因此选用另外一种带有支援系统支持的本体，而通过支援系统来完成机器人本体的移动。针对高层建筑壁面喷涂机器人的工作条件以及壁面平整度原因，经过比较选择了辅助悬吊平台来承载机械手喷涂机构，其上置有导轨，可实现机械手的左右横向移动。而悬吊平台在钢丝绳的作用下实现垂直上下运动，钢丝绳由电动提升机牵引。这样的话，喷涂机械手就实现了在建筑壁面上的坐标定位。喷涂作业是这样实现的：悬挂机器人的钳式悬臂梁靠其头部和尾部通过旋紧装置直接紧固在楼顶的围墙上。通过悬臂梁上的滑轮再分别悬垂二根钢丝绳，在两边钢绳的下端分别和悬吊平台的两端长方形框架连接，在此平台框架的中间连接了两根可供伺服电机平移的槽型轨道，和两根可供机器人平移的槽型轨道，同时在悬吊平台两端的长方形框架上分别安装了电动提升机和安全锁，当电动提升机上行或下行时平台和联结在悬吊平台上的伺服电机和机器人一并跟着上下移动，而当伺服电机沿槽型轨道水平移动时，它由于和机器人相联结所以也就带动机器人一并左右平移。这样机器人就可完成上下左右运行的目的。而机器人局部范围的具体实施动作则由机器人的机械手来完成。在喷涂作业中，机器人支援系统置于建筑物的顶部平台上，由悬挂装置和悬吊平台组成，主要起运输提升机器人本体、缠绕钢丝绳的功能，实现运动控制和喷涂作业的辅助支持。为了适应建筑喷涂高空作业的需要，我们按照模块化、结构化的设计思想，使机器人支援系统的各个组成部分既功能独立，又相互联系构成一个统一的整体，便于装卸、方便运输，减轻了喷涂作业过程中工人拆卸和安装的工作量。本次设计的高层建筑壁面喷涂机器人，其上包括有钳式悬臂梁机构，钢绳悬挂机构和机器人喷涂操作机构。另外有机器人视觉监控机构，可以实现对喷涂作业的管理指挥控制工作，这次设计不作要求。图1喷涂机器人系统构成六、各部分机构结构设计主要部件型号选择：安全锁：LSB30摆臂式安全锁允许载荷大于800kg电动提升机：LTD6.3电机功率1.5kw使用钢丝绳直径为8.3mm供料泵:JZB-2注压式注浆机伺服电机：安川SGMAV型1钳式悬臂梁机构图2悬挂式喷涂机器人系统总体方案示意图（1）钳式悬臂梁是通过悬臂梁的头部（7）和尾部（3）卡在女儿墙上，然后旋紧紧固螺钉（2），使压力传递到垫板（4）和耐力胶垫（11），从而使悬臂梁和墙体牢牢地固定在一起。然后经过滑轮（8）（左右各一个），将起重钢丝绳（14）和安全钢丝绳（13）双双悬下，分别与安全锁（16），电动提升机（29）串联在一起，而电动提升机（29）和安全锁（16）又通过螺栓（36）和悬吊平台（21）的边框相联结。图3悬挂式喷涂机器人系统总体方案示意图（2）2钢绳悬挂机构其中的安全锁（16），电动提升机（29）是通过螺栓（36）和悬吊平台（21）连接在一起，机器人水平移动导轨（37）和伺服电机水平移动导轨（38）的两端，通过螺栓（36）与悬吊平台（21）相联结。当电动提升机（29）上下移动时将带动与其联结的悬吊平台（21）全部上下移动，从而达到机器人垂直定位的目的。在安全绳（13）和起重绳（14）的末端分别安装有配重锤，目的均在于使钢丝绳保持垂直伸展状态，以利于提升机或安全锁上下移动。为使起重绳（14）与墙面保持一定距离，在安全绳（13）和起重绳（14）与墙面之间分别设了一顶杆（12a），在顶杆的头部安装了一吸盘（12），以使起重绳和安全绳与墙面保持一相对距离。顶杆与绳之间通过滑环活动联结。安全锁起到使导轨和悬吊平台处于平衡和安全状态。3机器人操作机构喷涂机械手是喷涂机器人的具体执行部件，按照喷涂作业的工艺要求，喷涂机械手应具有以下基本功能:（1）往复运动功能，尽可能扩大喷