畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 課題名稱 玻璃清潔機器人設(shè)計 院系名稱 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 學(xué)生姓名 一． 課題的意義 清洗工人搭乘吊籃、升降平臺或者直接腰系繩索，進行高空擦洗。雖然簡便易行，但勞動強度大，工作效率低，稍有不慎還就會出現(xiàn)墜落事故，造成傷亡，人工作業(yè)的效率也很低。隨著人類社會的不斷進步，科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人們對生活質(zhì)量和工作環(huán)境的要求越來越高，為了提高清洗效率并且把清洗工人從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來，有待開發(fā)一種自動清洗作業(yè)系統(tǒng)。 玻璃清潔機器人是一種實用性很強的裝置。自從本世紀六十年代以來，爬壁機器人及其相關(guān)技術(shù)的研究受到了人們廣泛的關(guān)注，但是大都只是進行了一些實驗性質(zhì)的研究，其相關(guān)的理論分析還不成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然百花齊放，但真正能用于實際工作的卻很少。作為清洗用的爬壁機器人來說，其清洗工具具有簡單、重復(fù)的特點，比較適合機器人的自主工作，玻璃清潔機器人是以清洗高層建筑為目的的壁面移動機器人，它的出現(xiàn)將會極大地降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，同時提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當?shù)慕?jīng)濟效益和社會效益。因此，玻璃清潔機器人具有良好的應(yīng)用前景。 二．本課題的主要研究內(nèi)容 課題主要內(nèi)容及技術(shù)參數(shù) 課題主要內(nèi)容： （1）完成壁面移動機構(gòu)設(shè)計和相關(guān)計算，真空吸附、氣壓驅(qū)動的框架式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，清洗作業(yè)裝置的設(shè)計； （2）氣動系統(tǒng)的設(shè)計； 玻璃清潔機器人的技術(shù)參數(shù)列表： （1）爬行速度：4-10m/min （2）爬行高度：0-100m （3）清洗速率：100-150mz/h （4）越障高度：50mm （5）控制方式：PLC控制 （6）本體重量：20kg （7）負載能力：15kg （8）移動方式：腳步移動式 三．所屬領(lǐng)域的發(fā)展狀況 壁面移動機器人是能夠在垂直的壁面上進行移動的一種機器人，在機械上有顯著成就的日本壁面移動機器人的研究方面尤其積極。1966年，大阪府立大學(xué)工學(xué)部的講師西亮就已經(jīng)用電風扇的進氣一側(cè)的低壓空氣所產(chǎn)生的負壓來產(chǎn)生吸附力，從而制造了壁面移動機器人的原理樣機。1975年，升為宮崎大學(xué)工學(xué)部教授的西亮制作了二號樣機，該樣機為單吸盤結(jié)構(gòu)，并且使用輪子作為行走方式的爬壁機器人。1978年，化工機械技術(shù)服務(wù)株式會社制造了名為Walker的爬壁機器人，這個爬壁機器人使用單吸盤結(jié)構(gòu)，用真空泵產(chǎn)生負壓來產(chǎn)生吸附力，由兩個滾子和兩條用來行走的皮帶組成行走機構(gòu)，滾子和皮帶能夠形成真空的腔體。該爬壁機器人的轉(zhuǎn)向是由兩個滾子和皮帶的速度之間的差來完成的。該機器人由一個嚴重的缺點，當壁面上出現(xiàn)裂縫時，它的真空便很難維持。 圖1-1 Walker機器人 關(guān)西電力株式會社制造的履帶式壁面移動機器人利用均勻分布在履帶上及本體底部的吸盤來完成直線和轉(zhuǎn)向運動，但是越障能力較差。 圖1-2 履帶式壁面移動機器人 日本日揮株式會社的佐藤多秀研發(fā)制造了一種利用負壓吸盤來吸附的雙吸盤結(jié)構(gòu)輪式爬壁機器人，該機器人由前后兩個吸盤以及中間的本體結(jié)構(gòu)組成。吸盤與壁面由密封的氣囊來接觸，該密封氣囊在機器人運動時能夠維持吸盤內(nèi)部的吸附壓力。在機器人的前后兩個吸盤上各自安裝有四個輪子，吸盤通過安裝在其內(nèi)部的輪子來進行吸附。前后兩端的輪子分別由一個電機來控制，通過同一個吸盤上的兩個電機的不同轉(zhuǎn)速來改變機器人的運動方向。 圖1-3 輪式壁面移動機器人 日本宮崎大學(xué)研制的推力吸附機器人借鑒了航空航天的技術(shù)，利用螺旋槳或者涵道風扇來產(chǎn)生推力，從而讓機器人吸附在壁面上，并且吸附穩(wěn)定可靠。由于螺旋槳或涵道風扇所產(chǎn)生的推力是指向壁面的，因此該機器人能夠非常容易地跨越障礙。 圖1-4 推力吸附機器人概念模型 日本東京消防廳所屬的消防科學(xué)研究所研究制造了一種用作急救的攀援機器人，該機器人是采用單吸盤的履帶式結(jié)構(gòu)的爬壁機器人，通過履帶間的速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。東京煤氣公司與日立制作所研發(fā)了一種用來檢查工作時的球形煤氣罐的焊縫的壁面爬行機器人，該機器人采用步行式的行走機構(gòu)，機器人的內(nèi)外兩個框架上各自裝了八個帶吸盤的腳，由裝在腳上的氣缸來控制腳的伸縮，兩個框架的相對運動是由直流伺服閥通過傳動機構(gòu)來實現(xiàn)的，該結(jié)構(gòu)具有帶負載能力強的優(yōu)點。日本國際機器人公司研發(fā)的名為空中勇士的玻璃清潔機器人使用了腳步式的行走機構(gòu)，該機器人由兩個本體組成，各自安裝有三只腳，三只腳可以進行伸縮運動，每只腳的端部都裝有吸盤，通過兩個本體上的腳的交互吸附來實現(xiàn)機器人的移動。 英國的樸茨茅斯大學(xué)研制了名為Robug的爬壁機器人，該機器人的腳借鑒了蜘蛛腳的結(jié)構(gòu)，每個腳上都裝有吸盤，通過吸盤吸附壁面從而在壁面上進行移動。Robug III型爬壁機器人有八只腳，在每只腳上都安裝了微處理器和吸盤。采用氣缸對腳進行驅(qū)動。該機器人與其它機器人最大的不同是每條腿上都裝有控制器，通過對機器人的遠程遙控可以控制機器人往任何方向移動。另外樸茨茅斯大學(xué)還設(shè)計了Bigfoot、Toad、The Nero Series Vehicles、Tribot等多種壁面爬行機器人，這些壁面爬行機器人都是根據(jù)使用要求的不同而被設(shè)計出來的。 圖1-5 Robug III機器人 意大利卡塔尼亞大學(xué)研發(fā)制造的Alicia系列機器人是用來對壁面進行檢測的爬壁機器人，其中Alicia2型機器人由一個吸盤和兩個輪子所組成，吸盤的作用是對壁面進行吸附，使用兩個直流電機來控制兩個輪子，從而能夠使轉(zhuǎn)向更加的靈活。該爬壁機器人最大的缺點就是越障能力較差，而Alicia3型機器人正是由于越障能力差這種缺點而被開發(fā)出來的，該型號機器人由三個Alicia2型機器人組成，兩兩間用一根桿來連接，要進行越障動作時其中兩個機器人吸附另外一個機器人抬起便能輕松地實現(xiàn)越障功能。 圖1-6 Alicia3機器人 1986年，美國國際機器人公司研發(fā)制造了名為SkyWasher的壁面爬行機器人，該機器人用來對摩天大樓進行清洗。它由兩組L型的框架相對地進行滑動以及交替地吸附來實現(xiàn)移動功能，在每組框架上都裝有三個腳掌，每個腳掌上還安裝有兩個真空吸盤，真空吸盤能夠與壁面進行相對的直線運動，該機器人還可以實現(xiàn)橫向的移動，并且具有一定的越障能力。 圖1-7 SkyWasher機器人 1990年，美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Wolfe研發(fā)制造了一種以十字幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的直動式壁面移動機器人ANDI。該機器人采用了由龍骨和橫梁構(gòu)成的十字構(gòu)型，在簡化結(jié)構(gòu)的同時提高了爬壁機器人的工作效率。機器人的橫梁沿著龍骨滑動并且通過足部的吸盤對壁面交替進行吸附來實現(xiàn)梁式行走，在橫梁+上裝有渦流探測器，能夠起到檢測的作用，在橫梁沿著龍骨運動的同時能夠使探測器對壁面進行掃描。這種機器人還裝有四個攝像頭，沿著龍骨排成一排，四個攝像頭中緊鄰探測器的攝像頭為廣角鏡頭并且處在最高的位置，能夠在監(jiān)控機器人的同時進行導(dǎo)航和避開障礙等動作。這種機器人第一次將十字構(gòu)型用到機器人結(jié)構(gòu)當中，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)爬壁機器人的移動和越障功能，更能夠簡化控制的算法，從而提高爬壁機器人的工作效率和工作可靠性。 圖1-8 ANDI爬壁機器人 德國的Fraunhofer研究所研發(fā)制造的SIRIUSC玻璃清潔機器人在工作時在機器人工作的建筑物的頂部有一個隨動小車，這個小車除了起到安全的作用外，還能夠?qū)ΣＡ鍧崣C器人的側(cè)向移動進行控制，由于該玻璃清潔機器人只有上下運動的功能，隨動小車則用來控制機器人的左右運動。該機器人的移動機構(gòu)是由兩個線性模塊組成的，在每個模塊上都安裝了真空吸盤，模塊采用伺服電機進行控制。 圖1-9 SIRIUSC玻璃清潔機器人 從1990年開始，西班牙的CSIC大學(xué)的工業(yè)自動化研究所研發(fā)制造了兩種不同的磁吸附壁面爬行機器人。一種是推進式壁面爬行機器人，該機器人由兩個運動鏈所組成，運動鏈的末端有兩個電磁吸附元件。該機器人由三個關(guān)節(jié)組成，每個關(guān)節(jié)由一個直流電機和齒輪進行驅(qū)動，最大旋轉(zhuǎn)角速度為130度/秒，運動鏈的長度為200毫米，機器人本體重6千克。另一種是名為REST的壁面爬行機器人，該機器人有六條腿，每條腿由電機和齒輪進行驅(qū)動，機器人的控制器裝在本體上。 圖1-10 REST爬壁機器人 加拿大的University of British Columbia研發(fā)制造的名為Window Washer的爬壁機器人主要用于清洗玻璃窗，該機器人也采用了十字構(gòu)型，其水平臂和垂直臂呈十字形分布，通過電機的驅(qū)動來實現(xiàn)兩個方向的運動，水平臂和垂直臂上都安裝有吸盤組，通過吸盤組交替進行吸附與兩臂的相對運動機器人能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向和水平方向的移動，機器人有四個圓盤刷，兩個一組分別安裝于垂直臂的兩端，機器人沿著垂直方向運動時對壁面或玻璃進行清洗。該機器人的吸附方式采用了用電動來驅(qū)動的真空吸附式，能夠改善采用全氣動的驅(qū)動方式的機器人的氣動位置的伺服精度以及驅(qū)動力不夠的問題。 圖1-11 Window Washer機器人 國內(nèi)玻璃清潔機器人的研究現(xiàn)狀 在我們國家從七十年代的初期開始研究以及開發(fā)機器人，1975年，川崎重工業(yè)公司在北京舉辦的日本科技展覽會上展出了Unimate-2000型的搬運機器人，從此在我國便掀起了第一個機器人的研究浪潮，許多單位都開始了對機器人的研制。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的機器人研究所研發(fā)設(shè)計了我國的第一臺爬壁式遙控檢查機器人，它主要用來對核廢料儲罐的安全情況進行檢查，該機器人的特點為用了一種稱為“全方位輪”的新結(jié)構(gòu)輪子作為行走的機構(gòu)，這是瑞典的MECANUM公司的全新的技術(shù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)從1988年起研發(fā)制造了兩種壁面爬行機器人，1996年研發(fā)成功的多功能履帶式罐壁噴涂檢測磁吸附爬壁機器人是針對石油企業(yè)的儲油和儲水鋼罐定期噴砂除銹、噴漆防腐及涂層厚度等進行檢測工作而研發(fā)制作的；哈爾濱工業(yè)大學(xué)所研發(fā)制造的另外一種機器人是一種單吸盤的輪式爬壁機器人，該機器人為真空吸附式，并且采用了全方位的車輪結(jié)構(gòu)，在機器人本體的方向位置不改變的狀況下可以沿著任意的直線方向進行運動，這種機器人本體重量為20千克，能夠負載15千克，移動速度為0-2米/分鐘，控制系統(tǒng)采用了微機控制與遙控。 圖1-12 多功能履帶式罐壁噴涂檢測磁吸附爬壁機器人 圖1-13 單吸盤輪式驅(qū)動爬壁機器人 北京航空航天大學(xué)從1996年開始先后研發(fā)制造了WHSHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、靈巧型擦窗機器人、吊籃式擦窗機器人以及藍天潔寶等等一系列的清洗機器人，前三種玻璃清潔機器人都是全氣動式的自主步行移動清洗機器人，采用了十字框架結(jié)構(gòu)，機器人上所有的部件都是由氣缸來驅(qū)動的，十字框架結(jié)構(gòu)由兩個無桿氣缸組成，這樣的玻璃清潔機器人有著結(jié)構(gòu)緊湊的特點。機器人在可以伸縮的腿部上裝有真空吸盤，能夠通過腿部交替的吸附以及氣缸的運動在玻璃幕墻或壁面上進行橫向或者縱向的運動以及實現(xiàn)越障功能。CLEANBOT和SKYCLEANER這兩種清洗機器人在兩個主要氣缸之間設(shè)置了腰關(guān)節(jié)，在機器人發(fā)生偏斜的時候能夠通過糾偏運動讓機器人回到正常運動的狀態(tài)，SKYCLEANER機器人的腿部與吸盤采用了微動鉸鏈連接，可以克服玻璃面上的二度折角變化。靈巧型擦窗機器人重量只有20kg，尺寸為0.4m×0.8m×0.2m（寬×長×高）。吊籃式擦窗機器人通過模擬人類的手擦窗的動作來進行清洗作業(yè)，藍天潔寶是一種被動式的清洗機器人，它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高等特點。 圖1-14 WHSHMAN機器人 圖1-15 CLEANBOT機器人 圖1-16 SKYCLEANER機器人 北京清華大學(xué)的機器人與自動化實驗室研發(fā)制作出名為TH-ClimberI的大型油罐的自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以磁吸附式壁面爬行機器人作為載體的，在磁吸附式壁面爬行機器人的左右兩邊各自裝了兩個帶輪，兩個帶輪以前后分布，分別與安裝了永磁塊的履帶進行嚙合，從而組成了機器人的移動機構(gòu)。這種機器人采用了以兩個后輪為主驅(qū)動輪的驅(qū)動方式，由一臺直流伺服電機通過諧波減速器來帶動后輪。在磁吸附式壁面爬行機器人的面對壁面的一邊安裝了渦流檢測組件，這種組件通過直流電機與同步帶機構(gòu)來帶動渦流探頭在垂直于機器人運動路線的方向上來回地進行移動，通過繼電器及行程開關(guān)來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向。這種機器人能夠自動糾正運動路線上的偏差并且識別出機器人當前所在的位置，是一種擁有一定智能的爬壁機器人。 上海大學(xué)的特種機器人技術(shù)應(yīng)用研究室研發(fā)制造了多真空吸盤的多層框架式壁面爬行機器人，這種機器人擁有三層框架，上下兩個框架都能夠與中間框架進行相對的直線運動，中間框架則可以帶動上框架一起與下框架作相對的旋轉(zhuǎn)運動，在上下兩個框架上分別安裝了四個真空吸盤，可以通過上下框架的吸盤的交替吸附實現(xiàn)機器人在壁面上的移動，該機器人的最大移動速度為7m/min，機器人本體重量為50kg，負載能力為55kg，能夠越過高為60mm的高度，控制系統(tǒng)采用了無線射頻的遙控操作。 浙江工業(yè)大學(xué)的機電學(xué)院正在自行研發(fā)一種以氣動柔性驅(qū)動器為基礎(chǔ)的小型多吸盤式壁面爬行機器人，這種壁面爬行機器人采用真空吸附，可以實現(xiàn)在平地或壁面上進行直線或彎曲的爬行。該機器人的結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動裝置、吸附裝置以及提升裝置構(gòu)成。吸附裝置包括五個吸盤以及相同數(shù)量的真空發(fā)生器，運動時保持三個以上的吸盤同時進行吸附。 香港城市大學(xué)研制了一種十字架構(gòu)的全氣動式爬壁機器人，這種壁面爬行機器人由壁面爬行機器人本體、供應(yīng)小車、空壓機以及控制器組成，本體長度為1220mm，寬為1340mm，高度為370mm，機器人本體重量為30kg。該機器人的本體由兩個垂直正交的氣缸所組成，通過兩個垂直正交的氣缸的伸縮來實現(xiàn)機器人在各個方向上的移動，這種機器人還有一個由擺動氣缸所組成的腰關(guān)節(jié)，用來校正方向上的誤差。在機器人的水平和垂直氣缸的端部安裝有4個垂直于壁面的氣缸作為機器人的腿部，通過機器人的4條退的伸縮來完成機器人的越障動作。機器人的清洗裝置安裝在水平氣缸的兩側(cè)，清洗裝置能夠通過水平氣缸的伸縮運動來實現(xiàn)對左右方向的清洗工作。機器人的每條腿上都安裝有4個吸盤，機器人通過這些吸盤對壁面進行吸附，從而保證機器人不會滑落。機器人可以通過由一個CCD攝像機和兩個激光二極管所組成的視覺系統(tǒng)來測量其本體與窗戶的相對位置，視覺系統(tǒng)還具有識別工作表面的衛(wèi)生情況以及確定要清洗的位置的功能。這種機器人由于采用了十字架構(gòu)以及真空吸附，并且采用氣壓來進行驅(qū)動，因此結(jié)構(gòu)簡單，靈活性好，但是存在著清洗的盲區(qū)，以及整體的剛性比較差等缺點。 圖1-17 十字型架構(gòu)的全氣動式爬壁 四．研究的總體方案 1.行走機構(gòu)的設(shè)計 2.轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計 3.吸附裝置的選取 4.玻璃清潔機器人的框架以及吸盤安裝板的設(shè)計 5.控制閥及其它氣動元件的選取 6. 氣路的設(shè)計 五．參考文獻 [1] 王鵬．壁面自動清洗機器人關(guān)鍵技術(shù)研究．上海：上海大學(xué)，2004-02-01 [2] 代智勇．爬壁機器人模型設(shè)計、實驗及研究．上海：上海水產(chǎn)大學(xué)，2004-01 [3] 趙興飛．氣驅(qū)爬壁機器人理論與實驗研究．重慶：重慶大學(xué)，2004-05 [4] 張越．國內(nèi)外壁面移動式機器人的發(fā)展概況．唐山工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報，1994(1) [5] 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