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1、 墻壁清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì) 第一章 緒論 1.1 課題的背景、目的及意義[1] 壁面清洗爬壁機(jī)器人屬于移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人的一種，可在垂直壁面或頂部移動(dòng)，完成其外表面的清洗作業(yè)。在工業(yè)機(jī)器人問世30多年后的今天，它已被世人看作是一種生產(chǎn)工具，在制造、裝配及最近在服務(wù)行業(yè)，機(jī)器人的應(yīng)用取得了明顯的進(jìn)步，由于傳感器、控制、驅(qū)動(dòng)及材料技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，通過智能機(jī)器人系統(tǒng)，首次在制造業(yè)領(lǐng)域以外開辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域，讓自主機(jī)器人作為“人的助手”，使人們的生活質(zhì)量得以提高。目前在許多領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行

2、了很大的努力來開發(fā)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，并力爭(zhēng)在較大范圍內(nèi)使用它們。這些機(jī)器人系統(tǒng)盡管有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，但它們所從事的工作則僅限于以下幾種： 1.維護(hù)保養(yǎng) 2.修理 3.運(yùn)輸 4.清洗 5.保安及救援 6.數(shù)據(jù)采集 7.其它 在服務(wù)行業(yè)使用的機(jī)器人，要求所提供的服務(wù)技術(shù)含量較高，實(shí)現(xiàn)的可能性較大，還要求它的市場(chǎng)潛力大，對(duì)用戶有使用價(jià)值，對(duì)經(jīng)營(yíng)者有經(jīng)濟(jì)效益。與普通工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域不同，服務(wù)機(jī)器人是一種只適合于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過程的機(jī)器人系統(tǒng)。物體及平面清洗用的機(jī)器人是急待開發(fā)的服務(wù)機(jī)器人之一?，F(xiàn)代城市高樓林立，以15－30層樓居多，高達(dá)近百米，壁面多數(shù)采用瓷磚結(jié)構(gòu)和玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，

3、有的還敷設(shè)塑鋁板等，常年裸露在外，需要進(jìn)行許多壁面維護(hù)工作。目前這類工作仍由清洗工人搭乘吊纜進(jìn)行高空作業(yè)來完成，既危險(xiǎn)、工作效率又低，對(duì)人身安全、玻璃壁面都有很大的威脅性，如圖1－1所示。越來越多的高層建筑在設(shè)計(jì)初期便將清洗問題考慮在內(nèi)，尤其是很多瓷磚、玻璃壁面表面平整、不大的障礙，非常適合于采用壁面清洗機(jī)器人進(jìn)行清洗。 爬壁清洗機(jī)器人的使用將大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，具有一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景。該項(xiàng)目的研制成功，將會(huì)實(shí) 現(xiàn)清洗作業(yè)的自動(dòng)化，給清洗作業(yè)帶來一次新的革命。同時(shí)通過更換周邊設(shè)備可適應(yīng)其它的操作任務(wù)，其主要系統(tǒng)壁面移動(dòng)機(jī)器人載體

4、可深入應(yīng)用到核工業(yè)、石化、消防、造船等行業(yè)，機(jī)器人裝備攝像機(jī)、超聲波傳感器等可對(duì)核廢液儲(chǔ)罐、輪船等建筑物外壁進(jìn)行檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等，若裝備噴砂、噴漆機(jī)構(gòu)可對(duì)金屬罐壁進(jìn)行噴砂除銹、噴漆防腐等操作，還可噴涂巨幅壁畫，裝上溫度傳感器、攝像機(jī)等可從高樓上對(duì)火情作出判斷，傳遞救援物資等。 圖1－1工人清洗建筑高層壁面 1.2 爬壁機(jī)器人的分類及特點(diǎn) 機(jī)器人能夠在壁面上自由移動(dòng)并且進(jìn)行作業(yè)，必須具備三大機(jī)能，即吸附機(jī)能、移動(dòng)機(jī)能、作業(yè)機(jī)能，爬壁機(jī)器人主要按吸附和移動(dòng)機(jī)能來進(jìn)行分類。 1） 按照吸附機(jī)能分類，爬

5、壁機(jī)器人可分為：真空吸附、磁吸附和推力吸附三類。 真空吸附是通過真空發(fā)生裝置，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓，機(jī)器人利用吸盤內(nèi)外的壓力差貼附在壁面上。真空吸附法由于不受壁面材質(zhì)的限制，適應(yīng)范圍廣，但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)吸盤容易漏氣，從而吸附力下降，承載能力降低。 磁吸附法要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸附力大，對(duì)壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附法的漏氣問題，因而當(dāng)壁面材料導(dǎo)磁時(shí)，使用磁吸附式爬壁機(jī)器人有它突出的優(yōu)點(diǎn)，磁吸附法又分為永磁體和電磁體兩種產(chǎn)生磁力的方式。 推力吸附借鑒力航空技術(shù)，使用螺旋槳或涵道風(fēng)扇產(chǎn)生合適的推力，使機(jī)器人穩(wěn)定、可靠的貼附在壁面上，并在壁面上移動(dòng)。這種吸附方式具有壁面

6、適應(yīng)性好，越障容易等優(yōu)點(diǎn)，但控制系統(tǒng)復(fù)雜。這種吸附方式的典型代表是日本西亮教授1990年推出的一種推進(jìn)型壁面移動(dòng)機(jī)器人。 三種吸附方式的具體比較見表1－2. 表1–2 爬壁機(jī)器人三種吸附方式的比較 吸附方式 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 真 空 吸 附 單吸盤 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，允許有一定程度的泄露 吸盤無冗余性，一旦斷電本體將喪失吸附能力 多吸盤 吸盤尺寸小，密封性好，斷電時(shí)有一定的冗余度 壁面如有凹凸或裂縫，則將會(huì)有真空泄露 磁 力 吸 附 永磁式 維護(hù)吸附力不需要耗電能，安全可靠 步行時(shí)磁體與壁面離合需很大的力 電磁式 磁體與壁面的離合容

7、易 維持吸附力需要耗電能，電磁體本身重量很重 推力吸附 無泄露問題，對(duì)壁面形狀、材質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，越障容易 控制復(fù)雜、噪聲大、體積大、效率低 2） 按照移動(dòng)方式分類 爬壁機(jī)器人可分為車輪式、履帶式、腳足式。三種移動(dòng)方式的比較見表1－3. 表1–3 爬壁機(jī)器人三種移動(dòng)方式的比較 移動(dòng)方 式 車輪式 履帶式 腳足式 概要 配置多個(gè)車輪，每個(gè)車輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng) 由電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)無軌道履帶，推動(dòng)機(jī)器人 由多個(gè)腳的反復(fù)吸附、脫落移動(dòng)機(jī)器人 特點(diǎn) 簡(jiǎn)單，著地面積小，維持一定的摩擦力較困難，越障能力差 著地面積大，承載能力大，移動(dòng)速度快，壁面適應(yīng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜

8、，轉(zhuǎn)彎困難，履帶磨損大 移動(dòng)是間歇的，速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；壁面適應(yīng)能力好，越障能力強(qiáng)，承載能力大 不同的貼附方式和移動(dòng)方式可以組成多種不同功能和用途的爬壁機(jī)器人，如負(fù)壓吸附 車輪式爬壁機(jī)器人，負(fù)壓吸附履帶式爬壁機(jī)器人，負(fù)壓吸附多足式爬壁機(jī)器人等。每一種形式的爬壁機(jī)器人都各有其特點(diǎn)，分別適用于不同的場(chǎng)合，選用時(shí)需根據(jù)具體的使用條件進(jìn)行不同的選擇。 1.3 爬壁機(jī)器人的用途[2] 近幾年來，機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。其中，爬壁機(jī)器人是能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置，越來越受到人們的重視。概括起來。爬壁機(jī)器人主要用于：

9、（1） 核工業(yè)：對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等； （2） 石化企業(yè):對(duì)立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐； （3） 建筑行業(yè)：噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃等； （4） 消防部門：用于傳遞救援物資，進(jìn)行救援工作； （5） 造船業(yè)：用于噴涂船體的內(nèi)外壁等。 1.4 爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況 1.4.1國(guó)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況 1.真空吸附爬壁機(jī)器人發(fā)展概況 〈1〉單吸盤爬壁機(jī)器人發(fā)展概況 1966年，日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部的西亮講師成功研制了世界上第一臺(tái)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)，并于1975年制作了以實(shí)用化為目標(biāo)的第二號(hào)樣機(jī)，如

10、圖1－4所示。該機(jī)器人采用單個(gè)大吸盤結(jié)構(gòu)，利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓作用產(chǎn)生吸附力，使機(jī)器人可靠貼附在壁面上；利用履帶機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人在垂直壁面上的移動(dòng)功能。 1990年，俄國(guó)機(jī)械科學(xué)研究院研制成功了一種用于清洗作業(yè)的單吸盤爬壁機(jī)器人，如圖1－5所示。它采用單吸盤結(jié)構(gòu)，吸盤內(nèi)有移動(dòng)結(jié)構(gòu)、清洗作業(yè)裝置以及控制單元。真空由直接與真空室相連的螺旋風(fēng)扇形成，真空室四周圍有密封性良好的彈性材質(zhì)，工作時(shí)最大真空壓力為0.007MPa，兩對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的車輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向機(jī)能，在機(jī)器人本體上裝有用來控制、調(diào)節(jié)真空吸盤真空度的真空傳感器。

11、圖1–4西亮的二號(hào)機(jī)器人 圖1–5俄國(guó)的清洗機(jī)器人 綜上所述，單吸盤爬壁機(jī)器人都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即皆有與壁面間存在相對(duì)滑動(dòng)的單一真空吸盤或是機(jī)器人自身機(jī)殼的密封裝置同壁面形成一個(gè)真空室，這種形式的爬壁機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制；但要求壁面有一定的平滑度，越障能力差，對(duì)于復(fù)雜壁面環(huán)境或者遇到較大的溝槽、凹凸時(shí)，吸盤內(nèi)的負(fù)壓難以維持，且由于存在相對(duì)滑動(dòng)，吸盤裙邊磨損厲害。 〈2〉多吸盤爬壁機(jī)器人發(fā)展概況 1982年，日本宮崎大學(xué)的西亮教授研制出了雙足爬壁機(jī)器人，如圖1－6所示。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)復(fù)雜壁面環(huán)境具有良好的

12、適應(yīng)性，它是靠安裝在腿末端的吸盤產(chǎn)生的吸附力貼附在壁面上的，吸盤內(nèi)的負(fù)壓由抽風(fēng)機(jī)產(chǎn)生；通過兩條腿的交替吸附實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面上的移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)通過腳腕的傾斜與圓規(guī)腳開閉的適當(dāng)組合，便可以翻越一定高度的臺(tái)階，進(jìn)而再與腳腕的回轉(zhuǎn)相組合，就能實(shí)現(xiàn)多種壁面環(huán)境下的移動(dòng)。但由于腿長(zhǎng)、重心高，在垂直壁面或天花板移動(dòng)時(shí)，有一定的危險(xiǎn)性。 近幾年來，英國(guó)南岸大學(xué)繼研制出四足壁面步行機(jī)器人RobugⅡ后，又開發(fā)了Robug Ⅲ型爬壁機(jī)器人，如圖1－7所示。該機(jī)器人有八條腿，類似巨型蜘蛛，研制者計(jì)劃用于搶險(xiǎn)營(yíng)救工作中。Robug Ⅲ能進(jìn)行地面到壁面、壁面到天花板等多種工作面之間的轉(zhuǎn)換，能夠跨越樓梯等障礙。

13、 圖1–6雙足機(jī)器人 圖1–7 RobugⅢ爬壁機(jī)器人 綜上所述，多吸盤真空吸附式爬壁機(jī)器人，負(fù)載能力較大，對(duì)壁面適應(yīng)能力好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制不方便。 2.磁吸附爬壁機(jī)器人發(fā)展概況 如果壁面材料為導(dǎo)磁材料時(shí)，采用磁吸附有很大的優(yōu)點(diǎn)。 1984年，日本日立制作所的內(nèi)藤紳司等人研制了腳式磁吸附爬壁機(jī)器人，如圖1－8所示。它配有永磁體的8只腳，通過內(nèi)側(cè)四只腳和外側(cè)四只腳的交替吸附于壁面，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面上的前進(jìn)后退移動(dòng)，通過內(nèi)框和外框之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，每條腿對(duì)于壁面可以作直線運(yùn)

14、動(dòng)。 日本鋼管株式會(huì)社開發(fā)了車輪型磁吸附爬壁機(jī)器人，如圖1－9所示。它可以吸附在各種大型構(gòu)造物上，如：油罐、船體等，用于代替人工進(jìn)行檢查或修理作業(yè)，兩臺(tái)直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右兩組車輪單元，手臂用來夾持作業(yè)工具，機(jī)器人靠磁性車輪貼附在壁面上，具有行走平穩(wěn)，移動(dòng)速度快，壁面適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 圖1–8腳式磁吸附爬壁機(jī)器人 圖1–9車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人 3.其他類型的爬壁機(jī)器人發(fā)展概況 磁吸附式的爬壁機(jī)器人受壁面材料特性的限制，真空吸附式的爬壁機(jī)器人受壁面凹凸和多孔狀況的限制，為進(jìn)一步解脫種種限制，人們研制了其他形式的機(jī)器人，如飛行式爬壁

15、機(jī)器人、繩索牽引式爬壁機(jī)器人等。1995年，日本宮崎大學(xué)的西亮教授研制成功了用螺旋槳驅(qū)動(dòng)的飛行爬壁機(jī)器人，如圖1－10所示。該機(jī)器人采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生向上的推力和指向壁面的貼附力。1997年，他們又開發(fā)了一種能夠作短暫飛行后貼附在壁面上的爬壁機(jī)器人，如圖1－11所示。該機(jī)器人有兩個(gè)主螺旋槳提供推升力，八個(gè)小螺旋槳控制機(jī)器人的飛行姿態(tài)，該機(jī)器人幾乎能夠在任何工況下進(jìn)行工作，用無線電進(jìn)行遙控操作。 圖1–10推力型爬壁機(jī)器人 圖1–11飛行機(jī)器人 1.4.2國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況 上海大學(xué)特

16、種機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究室研制開發(fā)了多層框架、多真空吸盤式爬壁機(jī)器人系列，如圖1－12所示。該機(jī)器人由三層框架組成，內(nèi)外框分別可以相對(duì)于中間框架作直線運(yùn)動(dòng)，中間框架帶著外框架可作相對(duì)于內(nèi)框架的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)外框架上各裝備有四個(gè)真空吸盤，通過內(nèi)外吸盤的交替吸附使機(jī)器人在壁面上自由運(yùn)動(dòng)。 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制了壁虎系列爬壁機(jī)器人,如圖1－13所示.該機(jī)器人采用雙層十字框架本體結(jié)構(gòu),通過十字框架中間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),完成機(jī)器人的上下、左右運(yùn)動(dòng)，八只吸盤分兩組與十字框架相連，通過吸盤的交替吸附實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的貼附和移動(dòng)功能，通過吸盤相對(duì)于壁面伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障功能。該機(jī)器人系統(tǒng)是針對(duì)清洗高大建筑

17、物的目的開發(fā)的。 圖1–12壁面清洗機(jī)器人 圖1–13十字框架型壁面清洗機(jī)器人 1.5 壁面清洗技術(shù)的發(fā)展概況 壁面清洗機(jī)器人的技術(shù)關(guān)鍵在于爬壁機(jī)器人技術(shù)（包括壁面吸附技術(shù)和壁面移動(dòng)技 術(shù)）、清洗作業(yè)技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)與作業(yè)技術(shù)的集成等。要解決壁面自動(dòng)清洗問題，開展清洗作業(yè)系統(tǒng)本身的研究是十分必要的。要解決壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)用化問題，關(guān)鍵在于清洗效率和清潔度問題，要開展壁面清洗全部過程一起研究。 壁面清洗裝置從人工的“抹布＋清洗液”方式發(fā)展到現(xiàn)在提出的實(shí)現(xiàn)壁面自動(dòng)清洗

18、，有很大的難度?，F(xiàn)在樓宇壁面的清洗作業(yè)一般是由人工抹洗作業(yè)或利用吊纜作業(yè)完成的。隨著高層建筑的興起，市場(chǎng)對(duì)壁面清洗機(jī)器人的需求正日益增強(qiáng)，目前世界上多家研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行這方面的研究。 日本BE公司研制成功了一種固定軌道式全自動(dòng)擦窗機(jī)器人，如圖1－14所示。它以預(yù)先鋪設(shè)在壁面上的導(dǎo)軌為約束以及路徑引導(dǎo)，靠安裝在樓頂?shù)奈蓓斝≤噥韺?shí)現(xiàn)水平和垂直移動(dòng)，清洗機(jī)構(gòu)帶有多個(gè)旋轉(zhuǎn)盤刷，清洗速率1～10m/min,清洗方式為：水噴淋＋盤刷刷洗＋刮板刮洗方式，清洗高度可達(dá)250m,清洗窗幅范圍：500～3600mm，可跨越200mm的障礙。該設(shè)備的自動(dòng)化程度和效率都很高，價(jià)格也很昂貴，另外，該設(shè)備是針對(duì)每一座建

19、筑物的，要求在建筑物設(shè)計(jì)之初就將擦洗系統(tǒng)考慮進(jìn)去，鋪設(shè)相應(yīng)的軌道，它無法適應(yīng)階梯狀造型的壁面，也不能適用于已經(jīng)使用的沒有鋪設(shè)軌道的樓宇。 德國(guó)IPA也研制成功了一種清洗建筑物玻璃壁面的自動(dòng)系統(tǒng)，如圖1－15所示。該機(jī)器人的清洗作業(yè)裝置懸掛在水平的橫向?qū)к壣?，可沿?dǎo)軌左右移動(dòng)，橫向?qū)к壙裳卮怪睂?dǎo)槽上下移動(dòng)，從而完成對(duì)整塊玻璃的清洗。 圖1–14固定軌道式自動(dòng)清洗裝置 圖1–15 IPA壁面自動(dòng)清洗系統(tǒng) 壁面清洗機(jī)器人的研制猶如雨后春筍，新的設(shè)計(jì)方案層出不窮。在目前，壁面清洗機(jī)器人面臨幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)

20、： 1）吸附及密封技術(shù)：面對(duì)復(fù)雜的壁面環(huán)境，要求吸附機(jī)構(gòu)必須產(chǎn)生一定的吸附力，并能夠維持之，使機(jī)器人安全可靠地吸附在工作壁面上。 2）移動(dòng)技術(shù)：移動(dòng)機(jī)構(gòu)要小型、高效，使機(jī)器人可以在壁面上移動(dòng)，并可靈活、自如調(diào)節(jié)行走的速度和方向，具有較強(qiáng)的越障能力。 3）控制技術(shù)：必須保證信號(hào)通訊的實(shí)時(shí)性，可靠性?？刂茩C(jī)器人的整體工作，進(jìn)行故障診斷和綜合管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各部分的協(xié)調(diào)工作和配合。 4）清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)安全有效的清洗機(jī)構(gòu)，識(shí)別清洗質(zhì)量，達(dá)到令人滿意的清洗效果。 這些難點(diǎn)是目前阻礙壁面清洗機(jī)器人向?qū)嵱没较虬l(fā)展的瓶頸。需要相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間加以解決。 1.6 本文的主要研究?jī)?nèi)容 “墻壁清潔

21、機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)”研究的目標(biāo)是為城市樓宇清潔提供一種能夠進(jìn)行高樓瓷磚壁面和玻璃墻幕面清洗的自動(dòng)化設(shè)備，具體研究了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 1）機(jī)器人的移動(dòng)技術(shù)。機(jī)器人要完成自動(dòng)清洗壁面的任務(wù)，必須具有在保持機(jī)體姿態(tài)不變的情況下，能夠在壁面上移動(dòng)的功能，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是運(yùn)動(dòng)機(jī)能的實(shí)現(xiàn)方式和運(yùn)動(dòng)控制。 2）機(jī)器人的吸附技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿壁面的垂直運(yùn)動(dòng)，必須使機(jī)器人能夠可靠的貼附于墻面，從而才能進(jìn)行清洗作業(yè)。 3）機(jī)器人清洗作業(yè)裝置。清洗裝置設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到清洗作業(yè)的效果。設(shè)計(jì)一種在沖洗、刷洗和刮洗之間能互換的壁面清洗作業(yè)裝置，以實(shí)現(xiàn)徹底高效的清洗壁面的目的，并且能夠收集清洗后形成的污水

22、，防止污水再次污染已被清洗過的壁面。 4）機(jī)器人的控制系統(tǒng)研制。控制系統(tǒng)要適應(yīng)清洗作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，必須保證高可靠性、制作方便等功能。采用可靠性高的工業(yè)用PLC作為機(jī)器人的主控制器，主控制器安裝在機(jī)器人本體上，操作者在地面進(jìn)行遙控操作。 第二章 墻壁清潔機(jī)器人的方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)方案的確定[6] 近年來城市建設(shè)迅速發(fā)展，高層建筑如雨后春筍，迅速拔地而起，隨之帶來的是如何保持壁面的清潔問題。為解決這一問題，市場(chǎng)上也相繼出現(xiàn)了不同的壁面清洗作業(yè)的自動(dòng)化工具。有靠磁吸附的爬壁機(jī)器人，有氣動(dòng)多吸盤的爬壁機(jī)器人等等。其實(shí)要研制高層建筑壁面清洗爬壁機(jī)器人的

23、技術(shù)難度很大，這是因?yàn)椋? 1.建筑物外墻結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，材料多種多樣。設(shè)計(jì)一種能適應(yīng)多種建筑結(jié)構(gòu)外形和材料的機(jī)器人是十分困難的。 2.壁面有溝縫和凸起物。為了實(shí)現(xiàn)既吸附可靠又移動(dòng)靈活的爬壁機(jī)器人，需要解決諸如密封技術(shù)、跨越技術(shù)、移動(dòng)技術(shù)等問題。 3.遙控技術(shù)。由于高層建筑物的樓層都很高，如何進(jìn)行遙控，采用有線方案還是無線方案。 4.高效清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。清洗壁面的工藝必需高效合理，適應(yīng)這種工藝的清洗機(jī)構(gòu)必需輕巧、實(shí)用。為減輕機(jī)器人負(fù)荷，清洗機(jī)構(gòu)在不使用是需要抬起。 5.控制系統(tǒng)的小型化。由于在室外使用，機(jī)構(gòu)越少越好。如果系統(tǒng)帶一個(gè)大的控制柜到現(xiàn)場(chǎng)，很不方便。如果能使之小型化、直接由機(jī)器人

24、自帶，減少一個(gè)控制柜，必然有很大的實(shí)用價(jià)值。 總之，要研制一臺(tái)工程實(shí)用的壁面清洗機(jī)器人決非易事。 2.1.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表2－1： 表2－1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照 內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 輸出功率 很大，壓力范圍為50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達(dá)Pa 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不

25、易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危

26、險(xiǎn) 防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差 對(duì)環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染 排氣時(shí)有噪聲 無 在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等 成本 液壓元件成本較高

27、 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 經(jīng)過以上的比較，故本設(shè)計(jì)采用氣壓的驅(qū)動(dòng)方式。 2.1.2控制方式的選擇 由于機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)遙控的控制方式，故選擇PLC控制。PLC作為用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的專用計(jì)算機(jī)，與商用、家用微機(jī)不同。由于控制對(duì)象的復(fù)雜性、使用環(huán)境的特殊性和工作運(yùn)行的連續(xù)性，使PLC在設(shè)計(jì)上有許多特點(diǎn)： 1. 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 2. 適應(yīng)性好 3. 豐富的I/O模塊 4. 編程簡(jiǎn)單、直觀 5. 采用模塊化結(jié)構(gòu) 6. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試周期短 在經(jīng)過二十多年的發(fā)展，PLC由于這些特點(diǎn)已經(jīng)滲透到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，

28、而且功能越來越完善，不僅有邏輯控制、順序控制，還有PID控制，數(shù)據(jù)處理及通訊和聯(lián)網(wǎng)等的能力。 2.1.3清洗方式的選擇 等離子清洗技術(shù)、超聲波清洗技術(shù)、激光清洗技術(shù)以及高壓誰射清洗技術(shù)是近年發(fā)展起來的新型清洗技術(shù)。等離子清洗技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性好、無環(huán)境污染的特點(diǎn)，但主要用于去除油脂的碳水化合物污垢。超聲波清洗技術(shù)具有清洗速度快、質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)特別適合復(fù)雜表面的清洗，但清洗過程中產(chǎn)生的噪聲非常大，且對(duì)清洗對(duì)象表面具有很大的局部沖擊力，并要求被清洗的表面充分接觸清洗介質(zhì)，從而大大限制其應(yīng)用范圍。激光清洗技術(shù)是一種“綠色”清洗技術(shù)，具有無污染、無噪聲的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)清洗對(duì)象以及污染的激光吸收系數(shù)有嚴(yán)

29、格要求，當(dāng)污染成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，難以一次性清除干凈，同時(shí)對(duì)激光頻率和能量大小的控制要求很高。隨著高壓水泵技術(shù)的日臻成熟，高壓水射流清洗技術(shù)也有了很快的發(fā)展，該技術(shù)的特點(diǎn)是清洗速度快、效率高、效果好，但能源利用率較低、耗水量大，限制了其在壁面清洗機(jī)器人中的應(yīng)用。 機(jī)械力清洗是一種成熟可靠的清洗方法，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗工藝，非常適合于壁面清洗機(jī)器人的清洗。 2.2 機(jī)器人系統(tǒng)的組成 墻壁清潔機(jī)器人系統(tǒng)的首要目標(biāo)是機(jī)器人系統(tǒng)爬行的可靠和靈活、清洗作業(yè)裝置的高效率，在此基礎(chǔ)上，盡可能使系統(tǒng)小型化、輕量化、操作合理方便，并且有較高的爬升和壁面適應(yīng)能力。其機(jī)器人系統(tǒng)的總體簡(jiǎn)圖如圖2－2所示，主要包括爬

30、壁機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、清洗作業(yè)裝置、固定夾緊裝置四大部分。 圖2－2 機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 2.2.1.機(jī)器人本體 墻壁清潔機(jī)器人本體是機(jī)器人壁面自動(dòng)清洗系統(tǒng)的核心部分，包括移動(dòng)裝置和清洗裝置。本系統(tǒng)采用氣缸推動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿壁面的上下移動(dòng)。采用兩個(gè)雙作用氣缸，垂直安裝，缸體和活塞分別固定，從而來推動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的向上爬升。它的整個(gè)爬升距離于刷子的長(zhǎng)度一樣，依靠無桿氣缸活塞塊的移動(dòng)來帶動(dòng)滑塊，在滑塊上安裝有刷子，從而使刷子左右移動(dòng)，達(dá)到清洗壁面的目的。 2.2.2.清洗作業(yè)裝置 清洗作業(yè)裝置是進(jìn)行壁面清洗作業(yè)的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由供水裝置、滾刷、污水存儲(chǔ)箱等機(jī)構(gòu)組

31、成。從提高清洗效率和效果的角度考慮，我們采用滾刷刷洗的清洗作業(yè)方式，為防止清洗后形成的污水再次污染壁面，必須及時(shí)回收污水，從污水回收和機(jī)構(gòu)的緊湊角度 考慮，我們把清洗作業(yè)裝置安裝在下底板上。整個(gè)污水回收裝置是簸箕形的，當(dāng)刷子洗刷的時(shí)候，接水裝置就緊靠墻壁上，回收污水，然后經(jīng)由排水管流回地面的污水存儲(chǔ)箱。 2.2.3.夾緊固定裝置 整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)是竄在兩根鋼絲繩上的，上下左右共有八個(gè)雙作用氣缸。當(dāng)上面的四個(gè)氣缸松開時(shí)，整個(gè)機(jī)器人的上半部分，包括無桿氣缸和清洗裝置就由中間的兩個(gè)雙作用推動(dòng)著向上爬升，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到終端時(shí)，四個(gè)氣缸又夾緊鋼絲繩。然后下面的四個(gè)氣缸接著松開，由中間的氣缸的缸

32、體拉著下面的整個(gè)底板上升，上升到終端時(shí)，四個(gè)氣缸就馬上也夾緊。 第三章 墻壁清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)組成 墻壁清潔機(jī)器人本體是執(zhí)行高樓外墻壁面清洗任務(wù)的移動(dòng)平臺(tái)和任務(wù)搭載平臺(tái)，是機(jī)器人壁面自動(dòng)清洗系統(tǒng)的核心部分，要求移動(dòng)靈活，安全可靠，小巧輕量，其設(shè)計(jì)的好壞是評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的墻壁清潔機(jī)器人有一下3部分組成： 1.機(jī)器人的整體移動(dòng)部分 2.機(jī)器人的定位夾緊部分 3.機(jī)器人的清洗作業(yè)部分 壁面清洗機(jī)器人的基本功能是吸附功能和行走功能，因?yàn)楣ぷ鞅诿鏁?huì)

33、有凹凸不平的情況，工作環(huán)境比較復(fù)雜，因此對(duì)壁面機(jī)器人有以下幾點(diǎn)要求： （1）應(yīng)具有一定的吸附力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機(jī)器人的重力，防止墜落； （2）應(yīng)保持一定的驅(qū)動(dòng)力，能夠使機(jī)器人在壁面上自由移動(dòng)； （3）具有一定的抗傾覆能力，由于作業(yè)環(huán)境和作業(yè)性質(zhì)的特殊性，機(jī)器人必須要有一定的適應(yīng)壁面凹凸不平的能力。 因此針對(duì)上述要求，進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)器人的行走方式和吸附方式的設(shè)計(jì)。 3.2 爬壁機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)[8] 3.2.1.需實(shí)現(xiàn)的功能 1）行走功能 在粉墻、玻璃等墻面上通過遙控操作實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)。 2) 吸附功能 工作時(shí)能可靠貼附于壁面。 3）

34、越障功能 移動(dòng)過程中可以越過一定的窗框類規(guī)則障礙。 3.2.2.爬壁機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)形式 從第一章的論述中可以知道，機(jī)器人在垂直陡壁上進(jìn)行清洗作業(yè)是十分困難的，特別是高層建筑壁面形狀復(fù)雜，且瓷磚壁面和玻璃幕壁面都有溝槽。爬壁機(jī)器人具有許多不同的結(jié)構(gòu)形式，如：?jiǎn)挝P真空負(fù)壓輪式爬壁機(jī)器人，單吸盤真空負(fù)壓履帶式爬壁機(jī)器人，多吸盤真空吸附或磁吸附框架式爬壁機(jī)器人，推力附著式爬壁機(jī)器人等等。在本課題的研 究中，由于機(jī)器人壁面自動(dòng)清洗系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境是城市高層建筑的外墻面，一般為非導(dǎo)磁材質(zhì)，從吸附吸附方式上考慮，現(xiàn)有的技術(shù)一般為真空吸附、推力貼附、粘著吸附和固定導(dǎo)軌約束。推力貼附結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難，

35、還處于應(yīng)用研究階段，技術(shù)不成熟；粘著吸附的移動(dòng)機(jī)理和粘著劑研制尚處于研究階段，技術(shù)很不成熟；固定軌道約束方式現(xiàn)階段在某些高樓上有應(yīng)用，如上海的金茂大廈，但這種方式必須在建造高樓時(shí)就把樓宇的清洗考慮進(jìn)去，顯然不適應(yīng)用于造樓時(shí)沒有預(yù)設(shè)軌道的樓宇，而且鋪設(shè)軌道的成本也是相當(dāng)高的。為適應(yīng)高層建筑壁面的外形和材質(zhì)，所以綜合考慮，本爬壁機(jī)器人采用鋼絲繩懸吊的形式。墻壁清潔機(jī)器人本體是壁面自動(dòng)清洗系統(tǒng)的重要組成部分，它主要用來攜帶清洗作業(yè)裝置在壁面上移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的清洗。機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)采用了氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3－1所示。它是依靠?jī)蓚€(gè)雙作用氣缸，缸體和活塞分別固定，依靠氣體的推了來使機(jī)器人的整

36、體向上爬升。 圖3－1本體移動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 3.3 機(jī)器人的定位夾緊結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的定位夾緊裝置是用來使機(jī)器人的本體保持穩(wěn)定的姿態(tài)，從而能進(jìn)行平穩(wěn)、可靠的清洗工作。另外也起到防止機(jī)器人掉落的作用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3－2所示。 圖3－2夾緊裝置簡(jiǎn)圖 3.4 機(jī)器人的清洗裝置結(jié)構(gòu) 3.4.1.機(jī)器人實(shí)現(xiàn)有效清洗的條件 無論是人工清洗還是機(jī)器人清洗，有時(shí)不可能只用一種方法，而是幾種方法的混合。機(jī)器人清洗不同于人工清洗，由于是自動(dòng)化設(shè)備，其清洗過程是在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中一次完成的，因此會(huì)涉及以下一些問題： 1.

37、清洗的潔凈度。如何獲取“潔凈度”信息以及如何利用這一反饋信息控制清洗機(jī)構(gòu)來達(dá)到干凈清洗的目的。 2.清洗壓力的控制與檢測(cè)。清洗時(shí)必須具有一定的壓力，并且壓力要隨著清洗機(jī)構(gòu)的工作實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或者被動(dòng)控制。 3.清洗機(jī)構(gòu)的多功能、一體化設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)在的研究方向和市場(chǎng)需要，清洗裝置必須集洗刷、噴水、污水回收等一體化。 對(duì)于清洗機(jī)器人，它的設(shè)計(jì)原則是：清洗要達(dá)到清洗表面質(zhì)量的一致性和高清洗效率。此外設(shè)計(jì)清洗機(jī)構(gòu)時(shí)，還要考慮清洗機(jī)構(gòu)與機(jī)器人本體的相互匹配性以及在實(shí)際工作環(huán)境下的可操作性。 清洗作業(yè)系統(tǒng)是壁面清洗作業(yè)的執(zhí)行系統(tǒng)，由無桿氣缸、刷子、滑塊、污水回收裝置 組成，其簡(jiǎn)圖如圖3－3所示。

38、 圖3－3清洗裝置簡(jiǎn)圖 3.4.2.滾刷結(jié)構(gòu) 壁面清洗機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象是高樓大廈的外墻面。常見的大廈外墻多以平面、柱面、錐面等規(guī)則幾何現(xiàn)狀組成。其中平直壁面是最為量大而廣的，因此我選擇滾刷作為它的清洗方式。如圖3－4所示，滾刷的長(zhǎng)度L=300mm,豬鬃通過粘膠固定在尼龍筒壁的穿制孔中。地面通過水管把水送到滾刷上，然后依靠滾刷的滾動(dòng)來刷洗墻面。 圖3－4滾刷結(jié)構(gòu) 3.4.3.污水處理系統(tǒng) 滾刷擦洗壁面后，在壁面上會(huì)有殘留液珠。殘留液珠中存在大量的礦質(zhì)微粒，為保證清洗完的壁面不再受到二次污染，在滾刷下面設(shè)計(jì)有接水槽。污水流進(jìn)接水槽后，在通過水管流回地面的污水箱中。 3.

39、4.4.清洗工藝分析 清洗作業(yè)的指標(biāo)主要有三個(gè)： 1） 清洗速度。清洗速度以每分鐘的清洗面積來衡量，由于滾刷的長(zhǎng)度對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)好的清洗機(jī)器人而言是定值，所以考慮該指標(biāo)只需檢測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)速度即可。 2） 清洗作業(yè)過程的順利性和連續(xù)性。該指標(biāo)可以從清洗作業(yè)的直觀得出，主要考察機(jī)器人越障時(shí)的工作情況。 3） 清洗的清晰度。壁面清晰度既受清洗機(jī)器人各參量的變化的影響，同時(shí)也受外界因素的影響。當(dāng)壁面清晰度達(dá)到一定程度時(shí)，周圍環(huán)境因素占主導(dǎo)地位，此時(shí)，通過提高清洗的清晰度已失去實(shí)際意義。所以我們以環(huán)境中肉眼認(rèn)可的清晰度為標(biāo)準(zhǔn)，采用比較檢測(cè)法，來認(rèn)定清洗質(zhì)量的合格與否。

40、 第四章 墻壁清潔機(jī)器人氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 氣動(dòng)原件的選擇 4.1.1.氣缸的選擇[4][7] 1.2.1 安裝形式的選擇 安裝形式由安裝位置、使用目的等因素決定。在一般場(chǎng)合下，多用固定安裝方式：軸向支座（MS式）前法蘭（MF式）、后法蘭（MF式）等；在要求活塞直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又要缸體作較大圓弧擺動(dòng)，可選用尾部耳軸（MP或MP式）和中間軸銷（MT式）等安裝方式；如需要在回轉(zhuǎn)中輸出直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可采用回轉(zhuǎn)氣缸。有特殊要求時(shí)，可選用特殊氣缸。 1.2.2 輸出力的大小 根據(jù)工作機(jī)構(gòu)所需力的大小，考慮氣缸載荷率確定活塞桿上的推力和拉力，從而確定氣

41、缸內(nèi)徑。 氣缸由于其工作壓力較小（0.4～0.6MPa），其輸出力不會(huì)很大，一般在10000N（不超過2000N）左右，輸出力過大其體積（直徑）會(huì)太大，因此在氣動(dòng)設(shè)備上應(yīng)盡量采用擴(kuò)力機(jī)構(gòu)，以減小氣缸的尺寸。 1.2.3 氣缸行程 氣缸（活塞）行程與其使用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機(jī)構(gòu)，為保證夾緊效果，必須按計(jì)算行程多加10～20mm的行程余量。 1.2.4 氣缸的運(yùn)動(dòng)速度 氣缸的運(yùn)動(dòng)速度主要由所驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)構(gòu)的需要來決定。 要求速度緩慢、平穩(wěn)時(shí)，宜采用氣液阻尼缸或采用節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速的方式有：水平安裝推力載荷推薦用

42、排氣節(jié)流；垂直安裝升舉載荷推薦用進(jìn)氣節(jié)流。用緩沖氣缸可使缸在行程終點(diǎn)不發(fā)生沖擊現(xiàn)象，通常緩沖氣缸在阻力載荷且速度不高時(shí)，緩沖效果才明顯。如果速度高，行程終端往往會(huì)產(chǎn)生沖擊。 1）推動(dòng)機(jī)器人上升的氣缸 此氣缸是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上升與下降的，共有2個(gè)氣缸。它的缸體和活塞桿分別固定在 上下的導(dǎo)軌和底板上。當(dāng)機(jī)器人需上升時(shí)，無桿腔進(jìn)氣，氣體推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使整個(gè)機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)，接著有桿腔進(jìn)氣，再把機(jī)器人的下半部分拉上來。故需選擇雙作用氣缸。選擇QGAⅡ系列的氣缸。缸徑選擇50mm，行程范圍在0～500mm，最高工作壓力為1MPa,理論推力為790N。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)定它的行程為300mm，運(yùn)動(dòng)速度

43、為0.05m/s，采用后法蘭式垂直安裝。 2) 夾緊氣缸 此氣缸是用來夾緊鋼絲繩的，從而達(dá)到固定機(jī)器人的目的，這樣清洗機(jī)器人在工作能才能保持位置的固定，上下共8個(gè)氣缸。采用軸向支座MS1式的安裝形式，上面安裝在導(dǎo)軌上，下面安裝在底板上。當(dāng)當(dāng)上面的4個(gè)氣缸松開鋼絲繩時(shí)，機(jī)器人就可以向上爬升，運(yùn)動(dòng)終了時(shí)，氣缸再夾緊。接著下面的4個(gè)氣缸松開，讓機(jī)器人的底板也拉上升，完后4個(gè)氣缸再夾緊。故選擇雙作用氣缸，型號(hào)為QAⅡ系列，缸徑為50mm，行程范圍在0～500mm，最高工作壓力為1MPa，理論推力為790N。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)定它的行程為50mm，運(yùn)動(dòng)速度為0.05m/s。 3) 收縮刷子的氣缸 此

44、氣缸是用來使刷子伸出和收回的，共1個(gè)氣缸。當(dāng)要清洗墻面時(shí)，氣缸伸出，從而使刷子貼于墻面，準(zhǔn)備清洗。當(dāng)不執(zhí)行清洗工作是，氣缸的活塞桿帶動(dòng)刷子一起收回。它的安裝形式采用后法蘭式，它的氣缸的型號(hào)與夾緊缸相同。 4) 接水裝置的氣缸 此氣缸是用來使接水裝置伸出和收回的，共2個(gè)氣缸。當(dāng)刷子清洗墻面時(shí)，兩個(gè)氣缸就一起帶動(dòng)接水裝置伸出，使其貼附于墻面接收污水。當(dāng)刷子不清潔時(shí)，氣缸也就帶動(dòng)接水裝置收回來。它的安裝形式采用后法蘭式，型號(hào)和缸徑也于夾緊缸相同。 5）帶動(dòng)刷子左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣缸 此氣缸是用來帶動(dòng)刷子左右往復(fù)移動(dòng)的，從而使刷子達(dá)到清洗墻面的作用，共2個(gè)。選用無桿氣缸，型號(hào)為DGPL－32－PP

45、V－A－B，缸徑為32mm，行程為2000mm，運(yùn)動(dòng)速度為0.05m/s。它的安裝是靠?jī)蓧K板固定再導(dǎo)軌上的。 4.1.2.閥類零件的選擇 閥A、B、E均相同，選用SR561－CN 閥D、F選用SR561- DN 閥C選用SR550－RN 4.1.3.空壓機(jī)的選擇[3] 選擇空壓機(jī)的根據(jù)是氣動(dòng)系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量?jī)蓚€(gè)主要參數(shù)。 氣缸E單個(gè)的耗氣量q為： t===6s q===0.00009813 m/s 氣缸A、B、D、F相同，它的單個(gè)的耗氣量為： t===1s q===0.00009813 m/s 氣缸C的單個(gè)的耗氣量為： t==＝40s q==＝0.000

46、04019 m/s q=q=(2q+4q＋2q)＝0.004 m/s q=kkq=0.5×1.2×1.4×0.004=0.0036 m/s＝0.216 m/min 選擇空壓機(jī)型號(hào)為：VD2.2 4.2 機(jī)器人動(dòng)作循環(huán)要求 根據(jù)墻壁清潔機(jī)器人的工作要求，擬定它的動(dòng)作順序如下： 圖4－1機(jī)器人氣動(dòng)系統(tǒng)圖 機(jī)器人的實(shí)際動(dòng)作詳述： （1） 開始 （2） 機(jī)器人的污水回收裝置（氣缸A）伸出 （3） 機(jī)器人的清洗工具刷子（氣缸B）伸出 （4） 無桿氣缸C動(dòng)作，帶動(dòng)刷子左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到洗刷墻面的作用 （5） 洗刷完畢，刷子（氣缸B）收回 （6） 接

47、水裝置（氣缸A）跟著收回 （7） 上位的夾緊缸（氣缸D）松開 （8） 氣缸E的活塞桿動(dòng)作，推動(dòng)機(jī)器人的上半部分運(yùn)動(dòng) （9） 氣缸E的活塞運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)，接著上位的夾緊缸（氣缸D）跟著夾緊鋼絲繩 （10） 下位的夾緊缸（氣缸F）松開 （11） 氣缸E的缸體動(dòng)作，拉動(dòng)機(jī)器人的下半部分運(yùn)動(dòng) （12） 氣缸E的缸體運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)，接著下位的夾緊缸（氣缸F）立刻夾緊鋼絲繩 （13） 接著機(jī)器人又開始新一輪的清洗工作（循環(huán)到開始步驟） 第五章 墻壁清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 機(jī)器人的控制要求 控制系統(tǒng)是爬壁清洗機(jī)器人的核心部分，采用PLC主控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成對(duì)爬壁機(jī)器人的行走和定位

48、、清洗作業(yè)裝置的控制，對(duì)控制系統(tǒng)的總體要求為: 1) 機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的控制；中間兩個(gè)稍大的控制機(jī)器人上升的雙作用氣缸；八個(gè)夾緊用的雙作用氣缸。 2) 清洗裝置的控制；兩個(gè)帶動(dòng)刷子左右移動(dòng)的無桿氣缸的控制；一個(gè)帶動(dòng)刷子收縮的雙作用氣缸的控制。 3）污水回收裝置的控制；兩個(gè)帶動(dòng)接水裝置伸縮的雙作用氣缸的控制。 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循可靠、小型化、輕量化、便于操作維護(hù)的設(shè)計(jì)思想。采用PLC控制完成動(dòng)作命令，是機(jī)器人系統(tǒng)的主控系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)直接安裝在爬壁機(jī)器人本體上，隨機(jī)器人一起上下運(yùn)動(dòng)，使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為緊湊。機(jī)器人的工作空間為幾十米或近百米的高樓外壁面，因此，必須對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙控

49、操作，實(shí)現(xiàn)人對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。 5.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[5] 圖5－1控制系統(tǒng)的硬件原理圖 控制系統(tǒng)由下位主控計(jì)算機(jī)、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)及上下位機(jī)之間的無線射頻通訊三部分組成，如圖5－1所示。本機(jī)器人系統(tǒng)下位主控器采用的是可編輯邏輯控制器（programmable controller,以下簡(jiǎn)稱為PLC），它被直接安裝在機(jī)器人本體上，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人具體動(dòng)作的控制，同時(shí)采集機(jī)器人各個(gè)時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，傳送給上位機(jī)。之所以選擇PLC為下位主控器是由爬壁機(jī)器人的控制要求和PLC的特點(diǎn)決定的，工業(yè)控制經(jīng)驗(yàn)表明PLC是一種高可靠性。良好適應(yīng)性的模塊化控制器。 5.3 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)[9

50、][10] 5.3.1 PLC的選型 由于機(jī)器人控制系統(tǒng)為一小型控制系統(tǒng)，因此可以選用小型PLC.另外要實(shí)現(xiàn)上下兩級(jí)計(jì)算機(jī)間的信息交換，PLC應(yīng)該具有通訊功能.CQM1型PLC是OMRON公司推出的一種小型PLC，它的CPU單元本身帶有RS-232C接口，可以不配備專用通訊模塊，用RS232電纜直接與計(jì)算機(jī)連接，因此我們選用OMRON公司的CQMI型PLC.它的基本組成如圖5－3所示.它采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，它的電源、CPU.輸入輸出口都有標(biāo)準(zhǔn)模塊，容易擴(kuò)展，而且結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小 在本機(jī)器人系統(tǒng)中，PLC作為下位機(jī)控制單元，其輸入主要為各接近開關(guān)和操作按鈕開關(guān).輸出主要為各個(gè)電磁換向閥的

51、輸出信號(hào).這些開關(guān)決定PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù).總共所需要的輸入點(diǎn)數(shù)為13點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為12點(diǎn)，考慮到以后擴(kuò)展的需要，我們選用一塊16點(diǎn)晶體管輸出模塊和一塊16點(diǎn)輸入模塊。 5.3.2 系統(tǒng)資源配置 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，I/O分配如表5－2 表5－2 輸 入 設(shè) 備 輸 入 地 址 輸 出 設(shè) 備 輸 出 地 址 停止按鈕SB1 I100 A缸上升電磁閥YA1 Q201 啟動(dòng)按鈕SB2 I101 A缸下降電磁閥YA2 Q202 A缸的上工位信號(hào)a1 I102 B缸上升電磁閥YB1 Q203 B缸的上工位信號(hào)b1 I103 B缸下降電磁閥YB

52、2 Q204 C缸的右工位信號(hào)c1 I104 C缸動(dòng)作電磁閥YC1 Q205 B缸的下工位信號(hào)b0 I105 D缸夾緊電磁閥YD1 Q206 A缸的下工位信號(hào)a0 I106 D缸松開電磁閥YD2 Q207 D缸的松開信號(hào)d0 I107 E缸上升電磁閥YE1 Q208 E缸的上工位信號(hào)e1 I108 E缸下降電磁閥YE2 Q209 D缸的夾緊信號(hào)d1 I109 F缸夾緊電磁閥YF1 Q210 F缸的松開信號(hào)f0 I110 F缸松開電磁閥YF2 Q211 E缸的下工位信號(hào)e0 I111 F缸的夾緊信號(hào)f1 I112

53、 5.3.3 外部電路接線圖 5.3.4 梯形圖 第六章 結(jié)論與展望 6.1 結(jié)論 機(jī)器人是當(dāng)今世界各國(guó)加大力度研究的前沿科學(xué)，它綜合了機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，在某種意義上體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家科技的發(fā)展水平?！皦Ρ谇鍧崣C(jī)器人”主要用于城市高樓外墻面的清洗作業(yè)。它的研制成功有助于實(shí)現(xiàn)建筑清洗行業(yè)的自動(dòng)化，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低成本，有著很高的推廣價(jià)值。 在本文的研究過程中，作者閱讀了大量的文獻(xiàn)資料，了解國(guó)內(nèi)外“爬壁機(jī)器人”的概況。在了解社會(huì)對(duì)清

54、潔機(jī)器人的需求的基礎(chǔ)上，針對(duì)爬壁機(jī)器人的移動(dòng)和監(jiān)控特有的問題，進(jìn)行了系列的研究。在指導(dǎo)老師的的指導(dǎo)下，本文獨(dú)立的完成了以下幾方面的內(nèi)容： 1） 研制了壁面清洗機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了其在壁面的垂直移動(dòng)能力。并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便、可靠。 2） 研制了壁面清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)，成功的實(shí)現(xiàn)了上下兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，對(duì)機(jī)器人的控制可以直接使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 3） 在壁面的清洗技術(shù)上，本文研制的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)不同清洗功能的轉(zhuǎn)換。根據(jù)實(shí)際需要，可以把刷子換成其他如噴漆、沖洗等等。 6.2 展望 爬壁機(jī)器人是能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械

55、裝置，越來越受到人們的重視。目前我國(guó)的高樓清洗都是人工作業(yè)，采用清洗機(jī)器人后，可實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)的自動(dòng)化，并提高作業(yè)的安全性，具有主要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。 清洗機(jī)器人的研發(fā)涉及機(jī)器人、人工智能、傳感、控制、視覺、環(huán)境識(shí)別、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法等諸多知識(shí)，是多學(xué)科交叉綜合的結(jié)果。此外，還涉及構(gòu)成各類機(jī)器人自身服務(wù)功能的各項(xiàng)專有技術(shù)。因此要想滿足市場(chǎng)需要，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)必須要有所突破。 1.建筑外墻壁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為壁面清洗機(jī)器人的適應(yīng)性和實(shí)用性帶來很大的難度。而如何開發(fā)一種具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力的壁面清洗機(jī)器人將是今后研究的主要課題。 2.由于現(xiàn)有附著裝置受到各種客觀條件的制約，往往需要在建筑的頂端設(shè)置保

56、險(xiǎn)裝置，從而大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的制造和應(yīng)用成本，限制了壁面清洗機(jī)器人的應(yīng)用。因此，新型高可靠性的附著技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，對(duì)壁面清洗機(jī)器人的應(yīng)用無疑具有很大的推動(dòng)作用。 3.機(jī)器人載體設(shè)計(jì)中的通用性技術(shù)的深入研究，如吸附技術(shù)、能源供給技術(shù)、新材料、多傳感器融合技術(shù)等，使壁面清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)做到面向?qū)ο笈c通用性相結(jié)合。 4.對(duì)清洗裝置和清洗方式與機(jī)器人路徑規(guī)劃器之間的關(guān)系問題應(yīng)作深入的探討，找到適合于機(jī)器人作業(yè)的清洗方式。 5.不依賴于具有載體結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制體系結(jié)構(gòu)的建立，所得結(jié)論將對(duì)極限環(huán)境自主移動(dòng)機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。 6.建立具有更廣泛意義上的壁面清洗機(jī)器人作業(yè)安全性、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定

57、性分析方法。 清洗機(jī)器人的特點(diǎn)是安全、高效、價(jià)格適中，但由于工作任務(wù)的個(gè)性化，清洗作業(yè)的自動(dòng)化仍面臨著對(duì)象化的巨大挑戰(zhàn)。從總體上看，各國(guó)在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和清洗功能的技術(shù)理論和實(shí)踐上仍需要經(jīng)歷一段成熟期。 不管起步多么艱難，清洗機(jī)器人正在逐步的切入市場(chǎng)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)看到了曙光，相信在不久的將來，清洗機(jī)器人將取代人力，成為清洗行業(yè)的主力軍，也必將吹向服務(wù)型機(jī)器人大批進(jìn)入市場(chǎng)的號(hào)角。 后 記 本論文是在楊老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選

58、擇到項(xiàng)目的最終完成，楊老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。 經(jīng)過兩個(gè)月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起做設(shè)計(jì)的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師。楊老師平時(shí)教學(xué)工作繁忙，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期的檢查，后期的詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。除了敬佩楊老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次要感謝我們同一組的同學(xué)們

59、，正是有了他們的支持和鼓勵(lì)，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。 參 考 文 獻(xiàn) [1].張海洪著，機(jī)器人壁面自動(dòng)清洗系統(tǒng)的工程研究，上海大學(xué)出版社，2003 [2].陳懇編著，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，2006 [3].機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版第4冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [4].FESTO公司，氣動(dòng)產(chǎn)品樣本，第28版 [5].丁學(xué)恭編著，機(jī)器人控制研究，浙江大學(xué)出版社，2006 [6].蔣新松著，機(jī)器人與工業(yè)自動(dòng)化，河北教育出版社，2003 [7].路甬祥主編，液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，2002 [8].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典編委會(huì)編著，中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典，第4 卷，江西科學(xué)技術(shù)出版社 2002.1 [9].余永權(quán)，汪明慧，黃英編著，單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，2003 [10].劉高鎖主編，單片機(jī)實(shí)用技術(shù)，清華大學(xué)出版社，2004 33