爬墙机器人

爬墙机器人 1.绪论 1.1 爬壁机器人概述 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; 对电站锅炉水冷壁管壁厚度的测量等。 , 电力行业 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。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 - 1 - 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。 谢谢朋友对我文章的赏识，充值后就可以下载说明书，我这里还有一个压缩包，里面有相应的word说明书和CAD图纸(零件图、毛坯图、夹具体、装配图)及机械加工工艺卡片。下载后请留上你的邮箱号或QQ号或给我的QQ留言:359615001。1154454794我可以将压缩包送给你。欢迎朋友下次光临～ 1.2 壁面清洗的发展阶段 迄今为止，高大建筑外壁面的清洗方法大致经历了三个阶段: 第一阶段:人工清洗 这种方法的主要特征是:清洗工人被楼顶放下的一根绳子悬在空中，手持水桶或水管对外壁面进行清洗，通常又被称为蜘蛛人清洗。这种方式极其危险，效率也最低。 第二阶段:半机械化清洗 这种方法的主要特征是:清洗工人站在从楼顶放 下的吊篮中对外壁面进行清洗，吊篮通常配有自动提升装置。通常有两种情况: , 自动提升装置安装在吊篮上，靠清洗工人自己操作使吊篮升降，这种方式的设 备通常比较简陋，卷扬系统的控制性能差，楼顶支撑设备只能人工搬动、调整， 使用极其不便; , 在楼顶装有大型悬胃吊车，通过楼顶工作人员来操纵缆车的升降，然而这种大 型悬臂吊车通常过于庞大，只能在建楼时一次性固定到楼顶上，无法搬运，适 应性差。 第三阶段:全自动化清洗 这种方法的主要特征是:空中没有工作人品仅依靠楼顶或地面的工作人员遥控操作，这种清洗设备通常称为高层建筑壁面清洗机器人。就目前国 - 2 - 内外的研究情况来看，这种机器人主要分为两类: , 第一类是壁面轨道式，通常在建楼时就将壁面轨道安装到外墙壁面上，当进 行外壁面清洗作业时，通过固定在楼顶的悬臂吊车装置拖动使清洗机器人沿着 壁面导轨上下运动来完成清洗工作，然而安装在外墙壁面的轨道却限制了高楼 的结构并大大地影响了整体建筑的外观，同时也限制了清洗机器人的应用范 围; , 第二类是真空吸附壁面清洗机器人，依靠真空吸盘将机器人吸附到外墙壁面 上，通过自身的移动机构在壁面上运动来完成清洗工作，这种机器人又可分为 单吸盘和多吸盘两种吸附移动方式。 1.3国内外爬壁清洗机器人的发展状况 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。 1.3.1 单吸盘真空吸附式爬壁机器人发展状况 单吸盘爬壁机器人都是通过一真空吸盘和壁面形成一个真空室。这种形式的爬壁机器人可实现小型化、轻量化、结构简单、控制简单。但要求壁面有一定平滑度，越障能力低，不适合在复杂壁面上爬行，当遇到较大沟槽和凸凹面时，吸盘负压难以维持。下面介绍各国单吸盘真空吸附式爬壁机器人的发展状况: 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。 - 3 - 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。 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。 1994年，哈尔滨工业大学机器人研究所研究出一种单吸盘机构的全方位遥控检查爬壁机器人，其特点在于将全方位车轮应用于爬壁机器人的行走系统中，解决了壁面移动机器人移向困难和定位精度差的等难题;并且吸附方式采用两个抽风机来实现真空吸附。此后，在上述爬壁机器人的基础上，又研制出用于对瓷砖壁面进行清洗作业的爬壁机器人系统。 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。 1999年，哈尔滨工业大学机器人研究所又研制出适用于玻璃幕墙清洗的爬壁机器人。 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。 1.3.2 多吸盘真空吸附式爬壁机器人发展状况 由于单吸盘结构对壁面的适应能力比较差，很多研究设计都尝试采用了多个真空吸盘，通过不断的尝试和探索，多吸盘结构得到了较快的发展。下面介绍各国研究多吸盘真空吸附式爬壁机器人的研究成果: 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 - 4 - 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。 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。 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。 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WCR RVP-II型机器人，采用直角坐标气缸驱动。1998年，有研制成功了WCR RVP-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，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Robug II;此后又开发了Robug III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。 1998-1999年，北京航天大学宗光华教授对框架式多吸盘爬壁机器人进行了研究，并与香港城市大学的S.K.TSO教授联合研制了CLEANBOT-I机器人。 1.3.3 磁吸附爬壁机器人发展状况 磁吸附爬壁机器人虽然只适用于导磁材料构成的壁面，但能产生较大的吸附力，并 - 5 - 且不受壁面凸凹或裂缝的限制。磁吸附式爬壁机器人可以分为电磁体式和永磁体式两种，电磁体式机器人维持吸附力需电能，但控制较为方便;永磁体式机器人不受断电的影响，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附壁面移动机器人多为永磁式。下面介绍各国研究磁吸附爬壁机器人的研究成果: 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。 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。 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。 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 3可达10m/min，喷漆速度为1m/min。 哈尔滨工业大学也从事了磁吸附爬壁机器人的研究。然后，上海大学、上海交通大学、北京航空航天大学等也相继开展了这一项研究工作，目前已经取得了阶段性成果。 上海交通大学研制开发出测量油罐容积履带式磁吸附爬壁机器人。根据检测需要，机器人上装有位置及姿态传感器，机器人总重146N，可负重200N，行走速度2m/min。 哈尔滨理工大学研制开发了测量金属大罐漆膜厚度的轮、履带复合式磁吸附爬壁机器人，该机器人的机构有履带式驱动轮和磁性导向轮两部分组成。 1996年到1998年，哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功了多功能履带式罐喷涂检测磁吸附爬壁机器人。多功能履带式磁吸附爬壁机器人针对石油企业的储油、储水钢罐，定期喷砂除锈、喷漆防腐、涂层厚度进行检测等工作进行研制的。此后又研制了多功能水冷壁排管爬壁机器人，主要用于对电站锅炉水冷壁排管向火侧表面浮灰的清扫、结焦的清除以及排管壁厚的自动检测，并且能够在检测到壁厚小于预置的极限处发出警报信号、打标记。 1.3.4 其它类型的爬壁机器人发展状况 磁吸附的爬壁机器人受壁面材料特性的影响，真空吸附式的爬壁机器人受壁面凹凸和多孔状况的限制，为进一步解脱种种限制，人们研制了其他形式的机器人，如飞行式爬壁机器人、绳索牵引式爬壁机器人等。 - 6 - 1995年，日本宫崎大学的西亮教授研制成功了用螺旋桨驱动的飞行爬壁机器人。该机器人采用汽油发动机驱动两个螺旋桨产生向上的推力和指向壁面的帖附力。 1997年，日本宫崎大学又研制开发了一种能够做短暂飞行后帖附在壁面上的爬行机器人。该机器人有两个主螺旋桨提供推升力，八个小螺旋桨控制机器人的飞行姿态，该机器人几乎能够在任何工况下进行工作，用无线电进行遥控操作。 1998年，东急建设技术研究所开发了绳索牵引式爬壁机器人。该机器人用于检测壁面瓷砖的贴和状况，采用真空吸附方式使机器人帖附在壁面上，利用屋顶两台电机的速 2度配合，实现机器人在530m范围内自由移动。 ， 粘着剂吸附方式主要针对真空吸附方式中存在的壁面凹凸和多孔状况造成吸盘气体泄露问题，以磁吸附方式中存在的壁面材料特性的问题，采用粘着剂的粘力来实现爬壁机器人的吸附机能。粘着剂吸附式爬壁机器人的典型代表是:1995年，日本田口斡和石崎笃研制的粘着吸附式微型爬壁机器人。 1.4 爬壁清洗机器人研究的技术难点 目前,爬壁清洗机器人面临以下几个技术难点: 吸附及密封技术 1) 面对工作的壁面环境,要求吸附机构必须产生一定的吸附力,并能够维持,使机器 人安全可靠地吸附在工作壁面上。 2) 移动技术 移动机构要小型、高效，使机器人可以在壁面上移动，并可灵活、自动调节行走 的速度和方向 3) 清洗装置的设计 设计安全有效的清洗机构，提高清洗质量，达到任人满意的清洗效果。 4) 控制技术 必须保证机器人的正确工作，按照相关规划进行清洗作业和路径行走。 这些难点是目前阻碍爬壁清洗机器人向实用化方向发展的瓶颈。需要相当长的时间研究加以解决，真正使爬壁清洗机器人能够得以应用，进入市场。 1.5 爬壁清洗机器人的应用前景 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渐进入了市场，而且我们也必须 - 7 - 研究出一种安全可靠、重量轻、效率高、性价比高的爬壁清洗机器人。 1.6 爬墙清洗机器人研究内容及目标 1.6.1 研究内容 本课题主要的研究内容如下: 1) 爬壁清洗机器人的总体设计。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。 2) 爬壁清洗机器人本体结构设计。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。 3) 爬壁清洗机器人的清洗装置设计。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。 4) 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。 1.6.2 目标 1) 机器人能向上、下、左、右四个方向上移动、停留、可以携带清洗刷完成对玻 璃壁面的清洗作业。 2) 机械结构设计合理、紧凑、重量轻、可靠性高且负载能力强。 3) 移动精度较高，能垂直到达垂直平面的任何地方。 4) 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。 - 8 - 2. 爬壁清洗机器人系统方案设计 本课题的研究目的是为城市高层建筑清洗业提供可以代替人工进行高楼幕墙清洗的专用清洗机器人作业系统，要求开发设计出作业能力强，安全性高的爬壁清洗机器人。因此在保证清洗机器人基本功能的前提下，设计力求结构简单、可靠性高、运行稳定。 2.1 技术性能指标 爬壁机器人的结构设计首先要确定机器人的技术性能指标，而技术性能指标是由机器人所要完成的任务确定的。许多技术性能指标之间是相互影响、相互关联的，技术性能指标设定是否合理与机器人的结构设计密切相关。对于爬壁清洗机器人来说，其环境和任务要求是比较明确的，因此需要以此为出发点设计机器人的各项技术性能指标。技术性能设计指标: , 机器人爬行速度:0,2m/min( 无级可调) 移动速度指标的设定主要基于高效性和安全性两个因素考虑的。 , 控制方式:无线遥控或程序控制 控制系统的功能是对组成机器人各个部分进行的行走，清洗，壁面吸附以及停止。 , 吸附方式:负压吸附(正常负压为,600mmHO) 2 吸附方式的确定要综合考虑到机器人的工作环境以及可行性。 - 9 - , 最大有效负载:?15Kg 爬壁机器人的负载包括本体质量(自质量)和工作负载质量。 2.2 爬壁机器人的总体方案设计 爬壁清洗机器人应该有以下几部分组成，机器人的本体结构、清洗装置和控制系统机器人三部分。机器人本体结构可以实现机器人在外墙面上安全吸附和移动。 在机器人系统中，我们主要采用了气动技术，气动技术主要是利用压缩空气作为能源，采用气缸作为执行元件。除了能源清洁方便外，通过真空元器件产生真空，利用真空吸附盘的吸附作用，可以使机器人在壁面上行走时，可靠的吸附于壁面上。作为世界上最著名的气动元器件生产厂家，Festo公司拥有完善的产品体系，可以任意的方向选择组合，为我们的结构设计提供了充分的选择余地。 2.2.1 爬壁清洗机器人的移动方式 爬壁清洗机器人的一关键技术就是要实现移动功能的爬行机构。它是爬壁机器人设计的基础，是其他系统的载体和机器人各种动作得以完成的保证。在进行本体设计之前就必须确定机器人的移动方式。目前爬壁机器人有四种移动方式，一种是框架式本体结构、步行式本体结构、车轮式本体结构、履带式本体结构。本体结构的不同，带来驱动方式、控制方式的不同。移动方式的特点比较如下表: 表2,1 爬壁机器人四种移动方式的比较 移动方式 概要 优点 缺点 有多层框架组成交固定吸附，吸附能力大，承移动是间歇的，移动 框架式 替移动或转动 载能力强，能跨越规则的壁速度较慢 面障碍 由多个脚反复吸越障及承载能力强，机动性结构复杂，间歇移 步行式 附、脱落移动的机较好，具有很强的壁面适应动，速度慢，当足数、 器人 能力 关节多时控制复杂 配置多个车轮，每速度快，控制简单，容易转接触面积小，越障能车轮式 个车轮有电机驱动 向，壁面适应能力强 力差 由电机驱动履带，接触面积大，承载能力大，履带磨损大，结构复 履带式 推动机器人前进 速度快，壁面适应性强 杂，机动性较差，不 易转向 综合比较目前研究出来的爬壁机器人的各项性能，框架式，轮式和履带式的壁面清洗机器人对壁面清洗这种极限作业有较高的适应性。如果只要求实现壁面二维范围内的全方位运动，同时具有越障功能的话，那么框架式的机器人更显优点。采用框架式实现机器人的移动，一则可以减轻机器人本体的质量，而增加承载负载的能力。二则通过框 - 10 - 架的交替，可以容易地实现机器人的直线运动。 2.2.2 爬壁清洗机器人吸附方式 爬壁机器人要在垂直的壁面上运动，首先要解决的问题就是要使机器人安全吸附在壁面上，而不致脱落，这是爬壁机器人起码的安全性要求。由于机器人的移动机构选择框架式，则吸附多采用多吸盘结构配合比用其它吸附方式更为合适。吸附功能是爬壁机器人必须具备的基本功能。它有两个作用:保证安全使机器人能安全吸附在壁面上和提供机器人运动的作用，两者实现的实质是在机器人和壁面之间产生一定的正压力，从而保证机器人与壁面之间有足够的摩擦力。吸附装置是整个爬壁清洗机器人的核心装置，其产生的吸附力的大小直接关系着爬壁清洗机器人在壁面上工作的稳定性。 按吸附方式分类，爬壁机器人主要分为真空吸附、磁吸附、推力吸附三类。 真空吸附法是通过真空泵装置，使吸盘内腔产生负压，从而使机器人吸附在壁面上;或者由真空发生器的喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，使周围形成真空，达到吸附的目的。而吸盘又可以分为单吸盘和多吸盘。真空吸附法不受壁面材料限优点，但当壁面凸凹不平时容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低。 磁吸附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，且对壁面的凸凹适应性强，不存在真空吸附的漏气问题，因而当壁面材料是导磁材料是，使用磁吸附爬壁机器人有它突出的优点。磁吸附法中又可分为永磁体和电磁体两种产生磁力的方式。 推力吸附是一种新型的吸附方式，相比真空吸附、磁吸附而言，在爬壁机器人载体方面有很大的创新。使用螺旋桨产生合适当推力，使机器人稳定可靠地贴在壁面上。由于推力能始终指向壁面，机器人可以相对容易地实现越障。三种吸附方式的有缺点如下表所示: 表2,2 爬壁机器人三种吸附方式的比较 吸附方式 优点 缺点 允许有一定程度的泄漏面积，允吸盘无冗长性，一旦断电，本体 许壁面有凸凹，内部可采用低真将丧失吸附能力，不能跨越较大吸 单吸盘 空方式，移动容易，控制方便，障碍，负载不大。 盘 吸 结构简单。 附 吸盘尺寸小，密封较好，断电时结构复杂，转弯较为困难，当壁方 有一定冗余性，负载较大。能跨面有凸凹或裂缝，则将会有真空多吸盘 式 越一定的障碍，较易控制，运动泄漏。 灵活。 - 11 - 维持吸附力不需要耗能，安全，只能在导磁壁面上爬行，步行时磁铁永磁体 负载较大，能跨越一定的障碍。 磁体与壁面离合需要很大的力 吸附磁铁与壁面间的离合很容易，负只能在导磁壁面上爬行，维持吸方式 电磁体 载较大，易于控制 附力需要耗能，自重大。 无泄漏问题，对壁面形状、材料噪音大、体积大、效率低，负载推力吸附 适应性强 小，难于控制。 综合考虑机器人系统的作业环境和性质，选用多吸盘真空吸附，主要原因如下:由于本课题主要研究的爬壁清洗机器人是针对玻璃幕墙的，玻璃属于非导体材料，采用磁吸附和推力吸附都是不合理的，考虑到机器人系统的使用范围，采用真空吸附是一种合理可行的方式。但是产生真空又有两种常用的方法:真空泵法、射流器法，采用真空泵产生真空需要电机驱动，增加控制难度，而选用真空发生器可以减少驱动源和控制的难度，因此选用真空发生器产生负压的多吸盘吸附。 2.2.3爬壁清洗机器人清洗装置 爬壁清洗机器人最主要的功能是完成对壁面进行清洗工作。这项工作是由机器人随身携带的清洗装置完成的。清洗装置是爬壁清洗机器人的关键部分之一，它设计的合理与否直接影响机器人的清洗效果。爬壁清洗机器人的清洗装置通常采用旋转式清洗装置和刮洗式清洗装置。旋转式清洗装置可以连续清洗，工作效率高，但是对于边角的清洗效果不理想。刮洗式清洗装置可以非常有效地清洗幕墙的边角部分，但是需要往复动作，能够较合理的完成清洗质量。 由于建筑玻璃表面的污垢成分比较复杂，往往应用一种方法无法解决清洗干净的问题，故该机器人的清洗方式采用物理和化学清洗技术。 清洗装置的驱动方式可以采用机械式、气动式、液力式或电气式。因无杆气缸作为框架式的移动结构，同时也是清洗装置的驱动机构，可以减少驱动元件。也就是把清洗刷固定在X向安装板上。 2.2.4 爬壁清洗机器人控制方案 控制系统可谓是整个机器人系统中的核心部分，控制系统设计的合理与否直接影响整个机器人系统功能的实现，机器人控制系统应具有较强的可靠性、较高的运行速度以及较好的性能价格比，在满足工作性能要求的基础上体现出经济性的要求。所有的信息需要传送到中央控制器中，然后根据CPU输出的控制信息来控制机器人的运动。 综合分析该爬墙机器清洗机器人的设计性能、结构特性、运动规划、以及控制特性，系统最后采用以PLC为主处理器的控制方案。因为与别的控制方式相比，PLC系统具有良好的顺序逻辑控制功能。此外，PLC系统处理能力越来越强，通过功能模块的扩展， - 12 - 可以实现数据采集等功能，而且PLC系统结构紧凑、质量轻、安装方便。 本爬壁清洗机器人的控制系统需要完成几个基本的任务，这些任务能够保证机器人基本功能的实现。系统的任务首先是机器人基本运动功能的实现，机器人的基本的运动功能，即向上、向下、向左、向右四个基本动作。这是本机器人系统中最基本的功能，控制系统采集整个气动结构框架中的接近开关、真空压力传感器等的信息，并且按照CPU的输出控制信息给电磁阀，从而驱动真空发生器和两种类型的气缸运动。 2.2.5爬壁清洗机器人驱动方案 机器人驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。目前机器人常用的驱动方式主要有:机械方式、电气方式、液压方式和气动方式等。这些方式都有各自的优缺点及其各自的使范围。任何一种方式都不是万能的，实际应用中必须对各种技术进行比较，扬长避短，选出最适合的方式或几种方式的组合，以使系统更可靠、更经济、更安全、更简单。各种驱动方式比较如下表所示。 表2,3 爬壁机器人四种驱动方式的比较 类型 气压传动 液压传动 电气传动 机械传动 驱动力调整 小~中 中~极大 小~大 小~大 驱动力 容易 容易 困难 困难 驱动速度 较快 较慢 快 慢 速度稳定性 较差 良好 良好 很好 响应性 负载大时差 很好 好 好 构造 简单 复杂 复杂 复杂 安装自由度 很好 大 中 小 维护 简单 较简单 专门技术 简单 过载保护 容易 较容易 困难 稍困难 控制距离 中短 短 不限 短 停电对策 可 可 困难 稍困难 信号转换 容易 稍困难 很容易 困难 环境要求 适应性好 不怕振动 要求高 一般 价格 便宜 稍贵 贵 一般 防暴性 很好 良好 特殊措施 良好 - 13 - 温度影响 小 中 大 小 湿度影响 注意冷凝水 小 大 小 抗震性 一般 一般 差 一般 工作寿命 长 一般 较短 一般 综上所示，相对于气压传动电气传动构造复杂，环境要求高，价格较贵，工作寿命较短;机械传动构造很复杂，工作寿命一般;液压传动构造复杂，价格稍贵，工作寿命一般。因此相对于电气、机械和液压传动，气压传动有下列优点: , 在易燃、易爆、粉尘大、强磁、潮湿、温度变化大、存在腐蚀性气体等恶劣场合， 采用气动工作安全可靠;方式 , 气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低，使用安全; , 工作介质是空气，来源方便，使用后可直接排至大气，不污染环境; , 由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送; , 气动元件可靠性高、寿命长，气动元件可运行2000~4000万次; , 易于实现快速的直线往复运动，摆动和高速转动,特别适合实现柔和出力的控制场 合; , 气动元件使用和维护都叫简单，介质清洁，管道不易堵塞，亦不存在介质变质， 补充，更换等问题; , 设备通用性强，成本低; , 气动控制控制迅速，反应快，可在较短时间内达到所需要的压力和速度 在一定的超载运行下也能保证系统安全工作，并且不易发生过热现象。 同样气动驱动也有缺点，主要如下: , 气体的工作压力较低，一般小于0.8Mpa，因此与液压系统相比出力较小，只能驱 动相对较轻的负载; , 气体的可压缩性造成气动系统的整体刚度很低，抗干扰能力差，不容易实现精确 的位置、速度、力等控制; , 工作介质——空气没有润滑性，系统中必须采用措施进行给油润滑; , 噪声大，尤其在超声速排气时，需要加装消声器。 综合各种驱动方式的利弊，针对特定的工作环境采取合理的驱动方式。本设计中的爬壁清洗机器人的工作环境是垂直的墙面，如果采用液压传动的话，要向高处输送液压液，使用完后还要进行输送或储存，十分不便，而且会增加机器人的自重，从而势必影 - 14 - 响爬壁机器人的安全吸附;而采用气动，工作介质是空气，直接就可以从周围提取，空气可以从大气中取之不竭，无介质费用的损失和供应上的困难，可以大大减轻机器人的自重;万一空气泄露，除引起部分能量损失外，不致产生不利于工作的严重影响。作业中爬壁机器人需要的运动形式主要是直线运动，利用气缸的移动正好实现了端到端的直线移动方式，而利用电气、机械和液压传动构造都比较复杂。总之，气动驱动技术在本设计的爬壁清洗机器人中更具明显的优势。另外，气动系统提供了无与伦比的独特优势是能够提供真空，使机器人实现安全可靠的吸附，这应该是本爬壁清洗机器人应用所必需的。值得指出的是本体系系统采用Festo公司的气动产品，产品性能优良，系列齐全，提供了充足的选择空间。 2.3 小结 确定了爬壁机器人的行走方式、吸附方式、驱动方式。机器人采用框架式的行走方式，可以较易实现在壁面的运动行走;采用真空吸盘吸附不受壁面材料的限制，适应性强;采用气压驱动可以增加带负载的能力，减轻机器人本体的重量。采用纵横两个互相垂直的结构组来构成机器人的框架结构，能够实现前、后、左、右四个方向上步距一定的移动功能。控制方式:PLC可编程控制器，完成顺序控制。 - 15 - 3.爬壁清洗机器人本体设计(台面) 爬壁清洗机器人是用来代替人工完成高层建筑外墙面清洗的服务型机器人，它的工作对象是垂直的壁面，工作的任务是将外墙表面清洗干净。针对这样的工作对象和工作任务，要求机器人本体能够吸附在玻璃壁面上，并在其上自主移动，同时完成对高层建筑外墙面的清洗。针对这样的要求，本课题要求设计出合理的爬壁清洗机器人的本体结构。 3.1 爬壁清洗机器人本体结构 本课题设计的爬壁清洗机器人所采用的框架结构是由横向X和纵向Y两个相互垂直的气缸组成，其中X向和Y向选用Festo公司的DGPL系列的无杆气缸。X和Y向气缸是机器人运动的主要驱动部件，同样也是机器人的结构框架部件，两个气缸彼此垂直，并且安装在一块槽形面板上，该面板作为两个气缸的连接件，同时也作为别的元件的安装平台，此平台平面平行于机器人运动的墙面。在两个气缸的4个端面，分别固定一个安装面板，4块端面安装面板通过一个Z向气缸与吸盘固定面板相连接。与此同时为了方便简洁，于是就在X向两端安装清洗装置。这种结构设计的目的是使该幕墙清洗机器人结构紧凑、运行可靠、重量轻。 - 16 - 选择这样的框架结构可以看出，在同样可以实现机器人的壁面移动的设计目标下， 达到同样的设计要求，仅仅选用两个无杆气缸。使得机器人的重量减轻，能够选用相对 数量较少和面积较小的真空吸盘。从控制角度来看，同样也可以使得控制相对简单。 爬壁清洗机器人由X、Y向两个无杆气缸构成主体框架，可以方便地完成机器人在 Y方向两组交替吸附的真空吸盘构成吸附装置，配合气缸的X-Y平面上的运动;由X、 运动可以更加方便的实现机器人在垂直壁面上的运动;在X向气缸两端连有两个清洗单 元，通过X向的气缸驱动以完成清洗任务。整个机器人的本体结构有如下特点: 1). 本设计应用到了模块化设计的思想，本设计的爬壁清洗机器人上所用的气动元 气件都是采用了Festo公司的标准化产品，便于管理和控制。 2). 结构简单、对称。纵向和横向分别垂直安装结构相同的无杆双作用气缸，其作 用是完成机器人本体的向上、向下、向左、向右4个方向的运动。由4个方向 的基本动作的组合控制，机器人便可以到达期望机器人运动的目标点。 3). 机器人采用十字框架式结构，这种结构的重要特点是，由X、Y向气缸分别构 成X方向和Y方向构成的框架作为机器人的结构主体，而X、Y向两个气缸 又是这两个方向大驱动元件，两个气缸交替运动，可以实现机器人沿X、Y方 向的自主移动功能。实现了机器人主要结构的结构——驱动一体化，驱动文件 本身就是结构件。这样的设计，可使机器人的结构大大简化，重量大大减轻。 4). 在吸盘安装面板上安装了一个Z向吸盘提升气缸，可以轻松的实现机器人的 越障，同样也减少了吸盘材料与壁面的摩擦。 5). 机器人的擦洗单元直接连接于X向气缸的两端，这样X向气缸既可在机器人 的运动中作为移动动作的驱动元件，又可以在擦洗时作为擦洗动作的驱动件， 使得此二功能的驱动件合二为一，减少了驱动件的数量。这种擦洗——移动的 一体化设计，无论从机器人的结构、重量还是成本上来说，都是可取的。 6). 可靠的吸附机构，在纵向和横向驱动气缸的4个端面分别安装一个垂直于壁面 的安装面板，每块安装板安装4个真空吸盘(布置方式是正方形)，当吸盘紧 贴时，真空发生器向吸盘提供真空，产生负压吸附力，固定机器人。 7). 本机器人采用无杆气缸组成框架式结构，并且两组真空吸盘交替吸附，既可保 证吸附的可靠性，又使机器人的移动方式相对简单，控制逻辑也相对简单，提 高了系统的可靠性。 8). 机器人采用此框架结构使机器人的运动具有如下特性: 1) 具有互锁性，也就是说在某一时刻，只能有一个动作在进行，其他的动作 - 17 - 都处于锁定的状态。这种状态下的机器人亦指爬壁清洗机器人是做间歇动 作的; 2) 具有完整性，当机器人某一动作发生时，这个动作必须完整、连贯的进行 完成，不能中途停止。 3) 具有衔接性，向左、向右、向上、向下4个基本动作开始和结束都处于初 始状态。 3.2 机器人气动元器件的选择 由于本爬壁清洗机器人采用全气动的框架式结构，所以选择合适的气动元器件非常的关键。元器件选择完毕后，在此基础上进行可靠的结构设计和分析。 Festo作为世界上最著名的气动元器件生产厂家，该公司拥有完善的产品体系，可以任意的选择组合，为我们的结构设计提供了充分的选择余地。其产品系列全、性能好、在全球市场占有领先地位，受到全球用户的广泛欢迎。基于此，本设计的爬壁清洗机器人大部分的元器件都是选用Festo公司的产品，其最主要的原因是Festo产品模块化程度高，Festo公司根据自身产品特点，运用相关气动技术理论及算法，开发出适合自己产品的一系列应用软件工具，利用这些软件工具，用户可以快速、简单、方便地配置气动元件。 本爬壁清洗机器人气动元器件都是Festo公司的产品。系统的气动元器件如下表3-1: 表3-1 机器人气动元器件清单 序号 名称 型号 数量 重量(g) 1 真空发生器 VADMI-95-N 2 2220 ， ，2 真空吸盘 ESG-80-Eu-HA-G 16 16141 ，3 4 434 Z向吸盘提升气缸 ADVC-12-5-A-P 4 X、Y驱动气缸 DGPL-32-600-PPV-A-GF-B 2 22390 ， ，5 电磁阀 CPE14-M1BH-5J-1/8 4 4115 6 单向节流阀 GRLA-1/8-QS-6-D 8 7 分气块 FR-8-G1/8-4 2 0.27 8 分气块 QSLV2-G1/8-4 2 0.04 9 QS-3/8-6 2 29.0 ，管接头 10 QS-1/8-4 44 8.5 11 真空安全阀 ISV-1/8 8 816 ，12 气管 PLN-6X1-NT T 50m 5014.7 ， - 18 - 3.2.1 X、Y驱动气缸 选择型号:DGPL-32-600-PPV-A-GF-B 数量:2个 DGPL:带导轨无杆气缸; , 32:缸径32mm; 600:行程600mm; PPV:可调式气缓冲; A:具有接近开关感测功能; GF:DGPL带导轨气缸可有带滑动轴承型号; B:B系列; 要框架结构和驱动气缸，该气缸的性能作为该爬壁清洗机器人的纵横两个方向的主 非常重要。采用这种双作用无杆气缸，有利于在有限的空间内安装即可以节省安装空间亦可以减少质量，而且也比较符合本设计的要求。其有关性能参数见下表3-2: 表3-2 X、Y气缸的规格说明 ,缸径 32mm 动作型式 双作用 行程 600 mm 保证耐压 1.2MPa 最高使用压力 0.8MPa 最低使用压力 0.1MPa 活塞速度 1m/s 缓冲型式 可调式气缓冲 接近开关 SME8 缓冲长度 20mm 工作介质 过滤压缩空气 接口尺寸 G1/8 ::轴承类型 滑动式 温度范围 -10C-60C 耐腐等级CRC 2 装配位置 任意 6bar时理论作用力 483N 移动质量 840g 0mm行程移动质量 840g 0mm行程基本质量 2390g 3.2.2 短行程气缸 选择型号:ADVC-12-5-A-P 数量:4个 ADVC:紧凑型短行程气缸系列; , 12:活塞直径12mm; 5:行程5mm; A:活塞杆是外螺纹连接; P:两端带弹性缓冲环或缓冲板; 作为此爬壁清洗机器人吸盘的提升气缸，该气缸的性能也很重要。在每4个吸盘的安装面板上都装配一个Z向的提升气缸，此气缸行程较短且对压力输入响应迅速，能够 - 19 - 迅速的提升吸盘，使吸盘脱离壁面。安装尺寸较小，可以节省安装空间。一些相关参数如下。 表3-2 Z向短行程气缸的规格说明 ,活塞直径 12mm 设计结构 活塞 活塞杆 行程 5mm 缓冲型式 两端带弹性缓冲 工作介质 过滤压缩空气 气动连接 M5 6bar时理论作用力 61N 温度范围 -20:C-80:C 耐腐等级CRC 1 装配位置 任意 动作型式 双作用 移动质量 6.6g 安装类型 带通孔 产品质量 34g 3.2.3真空发生器 选择型号:VADMI-95-N 数量:2个 VADMI:VADMI系列紧凑型喷射器; 95:气嘴公称通径0.95mm; N:真空开关输出; 配合真空吸盘或气爪，此真空发生器能够用于提取并吸住表面光滑及不透气的工件。工件可以在任何位置被吸起。真空发生器的供气由内置式电磁阀控制。随着电磁阀加上电压信号，压缩空气进入真空发生器，于是产生真空。 电磁阀断电时，吸力停止。集成的消声器用以降低排气噪音。其有关性能参数见表3-4: 表3-3 真空发生器规格说明 结构特点 块状结构 工作介质 润滑或未润滑的压缩空气 安装位置 任意 喷射器特性 高真空型 安装方式 通过壳体上的通孔 最大真空度 80% ::工作压力 1.5bar-10bar 环境温度 -20C-80C 真空接口螺纹 G1/8 带螺纹气接口 G1/8 耐腐等级CRC 2 材料说明 不含铜和聚四氟乙烯 3.2.4 真空吸盘 选择型号:ESG-80-Eu-HA-G 数量:16个 ESG:ESG型号系列; , 80:吸盘直径80mm; Eu:加深吸盘，材料为聚氨酯; - 20 - HA:吸盘支架型号; G:气接口型号; 系列吸盘采用模块化结构，具有极为出色的组合能力，吸盘支座和吸盘具有相同的接口尺寸，可根据需要随意组合。其规格参数见表3-5: -4 真空吸盘技术参数 表3 最小工件直径 160mm 吸盘直径 80mm 3吸盘容积 51.61cm 有效的吸盘直径 62.7mm 设计结构 圆形加深 工作介质 压缩空气 耐腐等级CRC 1 环境温度 -30C-200C ::70%真空时的起步阻力 275N 肖氏硬度 605 ,与吸盘支架间的关系 尺寸5 颜色 黑色 真空接口 M101.5 吸盘安装件 M101.5 ，，安装螺纹 M101.5 吸盘材料 聚氨酯 ， 3.2.5 CPE电磁阀 选择型号:CPE14-M1BH-5J-1/8 数量:4个 CPE:紧凑型电磁阀; 14:电磁阀宽度14mm; M1BH:24VDC，插头适用于KMYZ-9; 5J:两位五通，双电控; 1/8:气接口，内螺纹G1/8; 该电磁阀的作用是实现X、驱动气缸的往返运动。其性能特征如下表3-6: 表3-6 电磁阀CPE14系列的性能特征 阀功能 两位五通，双电控 控制方式 先导控制 结构特点 滑阀 安装位置 任意位置 密封原理 软性 排气功能 带流量控制 手控装置 通过工具附件复位、锁定 标准额定流量 800L/min 驱动方式 电气的 产品重量 115g 额定尺寸 6mm 耐腐等级CRC 2 ::工作介质 压缩空气 环境温度 - 5C-50C 密封件材料 NBR 外壳材料 压铸铝 产品重量 115g 安装类型 带通孔 连接接口 G1/8 线圈特性参数 24V DC: 1W 3.2.6 单向节流阀 - 21 - 选择型号:GRLA-1/8-QS-6-D 数量:4个 GRLA:GRLA型号系列; QS-6:气动连接接口1为QS-6; 1/8:气动连接接口2为G1/8; D:D系列的快插接头; 低流量、低速时进行精确调节，具有QS快插街头，安装后可绕旋入轴自由旋转。该型号的单向节流阀规格参数如表3-7: 表3-7 单向节流阀规格参数 阀功能 单向节流阀功能，用于排气 装配位置 任意 气接口1 QS-6 安装类型 有螺纹的 节流向额定流量 185L/min 工作压力 0.2-10bar :单向节流额定流量 160-240L/min 环境温度 -10-60C 气接口2 G1/8 产品重量 22g 调节元件 开槽头螺丝 最大紧固扭矩 3Nm 3.4 安装台面设计 除了机器人系统中的气动元器件以外，系统中还包括了PLC控制器和传感器，但是本设计的爬壁清洗机器人的传感器都是集成在气动元器件本身，比如X、Y驱动气缸以及4个真空吸盘提升气缸的行程开关便安装在缸身，2个真空压力开关则是真空发生器组合的一部分。这些集成元件有利于减少系统的复杂度、减轻重量、提高系统的整体可靠性。 为了能够把以上各个部分可靠的连接起来，构成一个有机的整体，还必须设计一些附加的连接配件。这些配件采用铝合金的结构，铝合金的特点是，比重小，强度却很高。与以往采用铁质材料不同，采用铝合金结构以后，系统的重量大大降低，有效的提高了机器人运动时的承载能力。设计的连接配件主要包括如下几个部分: (1).元器件安装板:数量为1，这个面板是结构设计和安装的重要环节，一方面是纵横X、Y两个驱动气缸连接安装的其中一块面板，另一方面也为别的元器件提供了安装平台，比如电磁阀、真空发生器、分气块等。通过对其进行合理的设计，可以保证各个零部件的安装结构紧凑、合理、占用空间少。(图见零件图) (2).横向X气缸端面安装板:数量为2，位于横向X气缸的两个端面，并且垂直安装。这个安装面板为横向的真空吸附机构提供了连接平台，而且也为横向气缸上安装的Z向提升气缸提供了连接平台。 - 22 - (3).纵向Y气缸端面安装板:数量为2，位于纵向Y气缸的两个端面，并且垂直安装。这个安装面板为纵向的真空吸附机构提供了连接平台，而且也为横向气缸上安装的Z向提升气缸提供了连接平台。 (4).X、Y气缸连接件:数量为1，设计形状为耳朵型，是连接X、Y气缸的重要连 、Y气缸得以垂直安装，加上元器件安装板使得X、Y两个气缸连接成一个整接件，使X 体。(图见零件图) (5).X向吸盘安装板:数量为2，是X向8个吸盘安装面板同样也是Z向提升气缸的连接件，同样也为清洗刷的安装提供了安装平台。 (6).Y 向吸盘安装板:数量为2，是Y向8个吸盘安装面板同样也是Z向提升气缸的连接件。 3.5 安装台面上元器件安装 机器人结构的安装就是把所有的元器件可靠的安装连接起来。在设计阶段，根据 机器人结构和功能的要求，选择好各种气动元器件和控制元件，同时也根据这些元器 件的安装尺寸来设计好连接配件。因为机器人最终要在实际的环境中运行，在气压驱 动和重力作用下，机器人系统的各部分将受到各种力的作用，所以对机器人的设计和 安装提出安装精确、结构稳定、可靠等要求。根据系统的设计要求和设计过程，接下 来从几个方面来详细的介绍机器人系统的详细安装过程。 机器人装配完成以后的尺寸为1148mm1148mm281mm,其详细的装配见图纸。下面，， 介绍元器件安装面板上的安装位置，以及元器件安装在哪个位置。 图3-1 元器件安装板上安装位置 为了节省安装空间和使元器件的布置整齐有序，将所有的元器件都布置在同一块面 - 23 - 板上。根据各元器件的安装条件，设计出本面板380mm156mm5mm。本机器人需要四，， 个电磁阀，安装时叠在一起通过通孔的安装，通孔直径为4mm。型号为FR-8-G1/8-4分气块1，2安装是通过螺栓来固定在面板上。型号为ADVC-12-5-A-P分气块3，4的安装也是通过螺栓连接。2个真空发生器也是通过通孔叠在一起安装固定在面板上。1处为PLC直径为4.5的安装孔。X气缸安装是指X气缸的滑块上直径为6安装孔。 4(清洗装置的设计 清洗装置是进行壁面清洗作业的具体执行机构，是任何清洗服务机器人的核心部分。爬壁机器人本体实际上是一个任务执行装置的载体，在机器人系统实现了壁面吸附和行走功能之后，还应该有一定的作业功能，即携带相应当功能配件完成特定的作业任务。本课题研究爬壁清洗机器人的最终目标是:设计出高层建筑外墙面的自动清洗的服务机器人。通过爬壁机器人携带相应的清洗作业装置，代替人工完成清洗建筑外墙面的清洗作业任务。在解决了吸附和行走功能以后，机器人自动清洗壁面的关键技术在于清洗系统的研究。 4.1墙面污垢的形成原因 建筑物外墙承受着自然界的侵蚀，可谓饱经风霜。首先是太阳的照射。对于任何材料来说，日光的长期暴晒是造成污染和侵蚀的重要外界原因之一。紫外线等极有危害的射线、太阳直射下的高温及四季温差又使建筑物表面材料老化，失去光泽，变得极易受污染。例如，金属材料的锈蚀和塑料合成材料的老化;水泥材料的开裂;外墙涂料的变 - 24 - 色脱落。阳光照射是不可避免的，是建筑物外墙造成污染的直接原因。其次是风雨的侵蚀。这对高层建筑物来说更为严重，越高风越大。风中带着灰沙、尘埃，雨雪中还可能带有冰雹。风沙雨雪的冲刷除了使材料受到损坏外，在建筑物表面必然留下痕迹，水纹中粘附着固体污垢。工业现代化加重了大气的污染，尤其是在大都市中，汽车尾气和工业废气的超标排放，使空气中的二氧化碳和二氧化硫增多，一般称为城市酸雨，在建筑物外表造成强烈的局部侵蚀。建筑物外墙上所粘附的污垢，一般情况下与建筑物表面的结合很牢，因为结合不牢的污垢已经被风雨冲刷下去了，剩下的污垢可以大致分为如下几类: , 以库仑力与墙壁结合的灰尘; , 靠有机物粘附在墙壁上的灰尘、纸屑树叶和其他固体污垢; , 以高速飞行后碰撞到墙壁上，死后又粘附在墙壁上的昆虫、小鸟残骸; , 大气污染，在外墙表面形成的锈斑; , 含有机物和无机盐的雨水冲刷后留下的水纹; , 从屋顶留下的雨水夹带的污垢; , 油污; , 烧煤的煤灰 ; , 汽车尾气的排放; , 酸性物资(含SO和HS的物资); 22 建筑的表面粘上灰尘使建筑的外观受到极大的影响，因此，经常性的清洗变得越来越重要,为了降低人工清洗的高成本和高风险，以及提高清洗效率和降低成本必须设计出高效而价格适中的机器人清洗装置。 4.2 清洗装置的总体设计 为了实现机器人自动清洗壁面，清洗装置的必须具有相当的自动化程度。在选择具体实现机构的形式必须从清洗效果、清洗效率、机构实现的难易程度等多方面作综合的考虑。 一般而言，清洗作业方式有冲洗、刷洗等，为提高机器人清洗作业的效果和效率，本课题采用了冲洗和刷洗联合作业的方式。首先，以高压水冲洗壁面，除去壁面上附着力较小的污垢并浸润壁面;然后，由清洗刷刷洗壁面，利用清洗刷的鬓毛与壁面之间的摩擦力除去附着力较大的污垢。 整个清洗装置设计应该包括清洗剂的选择、喷淋系统的实现以及清洗刷的设计。针对壁面的不同污染程度，冲洗时，高压水中可以添加不同的清洗剂，实现对附着力较大 - 25 - 的壁面污物以及不同的污染源的清洗作用。 4.2.1 清洗剂的选择 为了完成对壁面的清洗，针对不同的污垢形成原因，选择合理的一种清洗剂或者几种清洗剂的组合是是很有必要的，下面就一些常用的清洗剂介绍如下: (1)表面活性剂 当玻璃表面附着少量污垢时，先使用表面活性剂，之后用清水冲洗。其主要成分是1.0%的壬基酚聚氧乙烯醚、2.0%的椰子油二乙醇酸胺、0.1%的乙二胺四乙酸二钠盐和水。 (2)有机溶剂 当玻璃附着较多油性污垢时，以有机溶剂为主成分的清洗剂去污特别有效。主要成分是35.0%的异丙醇、0.5%的壬基酚聚氧乙烯醚、8.0%的二甘醇聚氧乙烯醚和水。 (3)碱性水溶液 这种清洗剂具有很强的去污能力，但会对玻璃及周围其他物质造成腐蚀。 (4)研磨吸附型清洗剂 使用这种清洗剂擦洗玻璃时，有机溶剂溶解下来的污垢被吸附剂颗粒吸附，待溶剂挥发干燥后，粉末状吸附剂很容易从玻璃表面去除。其主要成分是5%的活性白土和3%的Si02细粉。 4.2.2 喷淋系统的设计 根据上面对外墙表面污垢的成因分析，无论是人工清洗还是机器人清洗，有时不可能只用一种方法，而是几种方法的混合。机器人清洗不同于人工清洗，由于机器人是自动化设备，其清洗过程是在机器人运动过程中一次完成的。由于建筑物的外墙表面的污垢成分比较复杂，往往应用一种方法无法解决清洗干净的问题，故该机器人的清洗方式采用组合清洗方法，先高压冲洗壁面配以高效清洗剂。 通过楼顶集水箱放置水管接至机器人本体的喷管上，这就实现了机器人的喷淋系统。水箱根据要求配制相关的清洗剂，达到清洗的目的。 4.2.3 清洗刷的设计 爬壁清洗机器人最主要的功能是对墙面进行清洗工作。这项工作是由机器人随机携带的清洗装置完成的。清洗装置是壁面清洗机器人的关键部分之一，它设计的合理与否直接影响机器人的清洗效果。壁面清洗机器人的清洗装置通常采用旋转式清洗装置和刮洗式清洗装置。旋转式清洗装置可以连续清洗，工作效率高，但是对于边角的清洗效果不理想。刮洗式清洗装置可以非常有效地清洗幕墙的边角部分，需要往复动作，但是能够较合理的完成清洗质量。 为了方便的对清洗刷进行控制以及减少机器人的重量，本设计的清洗刷结构简单。 - 26 - 将清洗刷布置在X向气缸的两端，节省了对清洗刷的驱动源，只需要X驱动气缸运动的同时也在进行对壁面的清洗工作。本设计的清洗刷有两部分，一是刷子与吸盘面板的连接件;二是刷毛固定面板。其中刷毛的材料为猪鬓，刷毛连接件为塑料。而刷子与吸盘面板的连接件是铝合金材料。 图4-1 清洗刷连接件 图4-2 清洗刷刷毛固定件 4.3 爬壁清洗机器人的清洗过程 在设计的爬壁清洗机器人系统中，对爬壁清洗机器人的清洗过程进行合理的规划是有很重要意义的，也为控制打下一定的基础。为了使机器人的擦洗效率得以提高，进行清洗过程的规划应该使整个工作区域过程中动作最少，单位面积的擦洗面积最大。 - 27 - 在进行爬壁清洗机器人的清洗过程的规划时应做到不对环境和已清洗的玻璃壁面造成二次污染，这就要求机器人的擦洗路径应从上向下进行。路径规划如图4-3所示。 图4-3 机器人的行走路径 在擦洗过程中，采用合理的覆盖和搭接处理是必要的，这对于工作效率的提高和保证擦洗质量都是必要的。下面以一个周期的工作过程进行详细的图解说明。 机器人的作业是由X、Y气缸相互协调完成，而且各个动作之间都存在动作的约束。图中实心吸盘为工作状态，空心吸盘为非工作状态。斜线阴影部分为擦洗过的区域。 图4-3为作业的初始位置，此时Y向吸盘提供真空，处于工作状态，X向吸盘处自由状态。 图4-4 作业位置A 在图4-4作业位置B中，X向气缸向做运动满行程。 - 28 - 图4-5 作业位置B 在图4-5作业位置C中，Y向气缸滑快向上运动满行程，X向气缸处于自由状态，准备在图示位置进行清洗作业。 图4-6 工作位置C 在图4-6作业位置D中，首先重复位置B中的动作，然后在X吸盘吸附的情况下，Y向吸盘处于自由状态。这时，X吸盘处于工作状态而Y吸盘处于自由状态。接着，X向气缸滑块向左滑动，到达极限位置后，Y向吸盘吸附。如图4-7作业位置E。 图4-7 工作位置D - 29 - 图4-8 工作位置E 如图4-8所示，重复作业位置B的动作。 图4-9工作位置F 如图4-9，重复作业位置C中的动作。 图4-10 工作位置G 图4-10，重复作业位置D中的动作。至此为止，爬壁清洗机器人完成了一个清洗作业的操作。由位置A到H的一系列动作反复执行可以完成水平方向的清洗工作。 - 30 - 图4-11 工作位置H 5. 机器人控制系统硬件设计 控制系统是爬壁清洗机器人的神经中枢，负责完成对爬壁清洗机器人的行走、吸附、清洗装置的控制，本机器人是采用可编程控制器PLC控制的，它直接安装在机器人本体上，对机器人的具体动作进行控制，因此，对控制系统的总体要求为: 1. 实现机器人在壁面上全方位的移动，机器人的最大移动速度是2m/min，机器人 的移动速度是无级可调; 2. 控制X、Y向吸盘的交替吸附，配合控制气缸使机器人能方便、安全的移动; - 31 - 3. 控制吸盘提升气缸，使机器人吸盘抬起方便移动; 4. 控制X向气缸的运动也就是控制了清洗刷在壁面上的清洗作业; 5. 控制系统小型、轻量化、高可靠性，操作灵活、方便、便于操作人员的使用; 5.1爬壁清洗机器人的控制系统概述 在本爬壁清洗机器人的重要特性是采用全气动的框架结构。从运动的元器件选择来看，其中的X、Y向无杆气缸、真空吸盘提升的4个短行程气缸、电磁阀、接近开关、真空开关等都是提供数字量接口也就是说本系统的输入量都是开关量。从运动的规划上来，机器人的运动主要是几个基本动作的组合，向上、向下、向左、向右，这些动作可以看成气缸和真空吸盘交替运动，从而实现机器人在壁面上的运动。 对于气动驱动的控制系统来说，可以有气动逻辑控制、可编程控制器控制和计算 机控制多种。逻辑控制是传统的气动控制方法，但它的控制方法与气路的设计有很大 的关系，一般来说系统设计好了，其动作顺序也固定了，并且逻辑控制需要的附加元 器件也较多;可编程控制器控制可以适应于顺序控制系统中，其控制通过编程来实现， 所以控制灵活多变，但其对于要用到控制算法时的处理能力比较差;计算机的数学计 算能力强，但是较之PLC系统，系统构成相对较复杂。 可编程序控制器简称PLC，是一种以计算机的中央处理器为基础，综合了电子技术，通讯技术和自动控制技术而开发的工业控制产品，其功能强、成本低、编程简单、体积小、可靠性极高、使用非常方便的巨大优越性，已广为工程技术人员所熟知，它是当今世界最重要的、最可靠、应用场合最广泛的工业控制装置之一，除具有必要的算术功能外，还可构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集和控制、图形工作站等的综合控制系统.其以自身的高可靠性和适应工业恶劣环境的能力，自问世以来，就以迅雷不及掩耳之势迅速占领工业自动化的各个领域，它作为一种性能超群的自控产品，与机械、电气、液压、气动、仪表和计算机相结合组成的机电一体化全过程自动控制系统，表现出无可比拟的柔性和可靠性，以PLC作为其控制系统核心的机电一体化集成自动化控制的生产线设备，必将主导二十一世纪自动控制、不断的发展和进步设备制造、过程控制和大规模自动生产控制领域，并得到广泛的、不断的发展和进步。 本爬壁清洗机器人系统主要是动作的顺序逻辑控制，综合分析该爬壁清洗机器人的设计性能、结构特性、运动规划、以及控制特性，系统最后采用以PLC为控制方案。下图为PLC控制系统框图: - 32 - 图5-1 PLC控制系统框图 5.2 PLC的特点 PLC作为用于工业生产过程控制的专用计算机，与商用、家用微机不同。由于控制对象的复杂性、使用环境的特殊性和工作运行的连续性，使PLC在设计上有很多的特点: 1). 可靠性高。在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部 2分的用户程序都采用EPROM存储，一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以 上。 2). 控制功能强。PLC所采用的CPU一般具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其 复杂控制功能和联网通信等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到 极大的加强。 3). 编程方便易学。第一编程语言(梯形图)是一种图形编程语言，与多年来工业出现 常使用的继电器控制非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。 4). 适用于恶劣的工业环境。采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的 应用场合。 5). 与外部设备连接方便。采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子 功能适合于多种电气规格。 6). 体积小、重量轻、功耗低。 7). 性价比高。与其他控制方式相比，性价比较高。 8). 模块化结构，扩展能力强。根据现场需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号PLC 可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。 9). 维修方便，功能更改灵活。程序的修改就意味着控制功能的修改，因此功能的修改 非常的灵活。 经过二十多年的发展，PLC由于这些特点已经渗透到工业控制的各个领域。而且功能越来越完善，不仅有逻辑控制、定时控制、顺序控制，还具有PID控制，数据处理及 - 33 - 通讯和联网等的能力。 5.3 机器人控制系统硬件设计 5.3.1 PLC的选型 PLC作为机器人的控制单元，其输入主要为接近开关和操作按钮开关的开关量。本机器人中使用的真空压力传感器的输入信号反应气动系统中真空吸盘中的压力是否在正常范围，而X、Y向气缸两端的传感器也是作为接近开关使用的，总之输入的都是开关量。而输出为电磁阀的线圈。这开关量决定了PLC输入输出的点数，总共所需要的输入点数为18点，输出点数为12点。一般PLC的输入输出点数在选择时都要稍多一点。但一般输入输出多出3-5点。 从上分析可知本机器人控制系统为一小型的控制系统，因此选用小型PLC。选用的是日本三菱公司的FX2系列的FX2N-48MR，该系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块、特殊功能模块和编程器等构成。基本单元中包含CPU、存储器、I/O电路和电源，是PLC系统的主要部分;扩展单元是用于增加I/O点数，其内部设有电源;扩展模块用于增加I/O点数和改变I/O比例，模块内部没有电源。 FX2N-48MR型号的PLC基本组成如图5-2: 图5-2 PLC组成示意图 PLC选择型号为FX2N-48MR，其中:FX2N——三菱公司PLC的FX2N系列;48——总的输入输出(I/O)点数; M——单元功能; R——继电器输出; 机器人系统选用PX2N系列PLC的原因如下: 1). FX2N系列PLC配置灵活，除主机单元外，还可以扩展I/O模块、A/D模块、D/A模块和 其他功能模块。除本系统设计所需要的I/O28点(输入16点，输出12点)。主机采用 小型化FX2N-48MR基本单元。 2). FX2N系列PLC指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。 3). FX2N系列PLC可用内部辅助器M、状态器S、定时器T、寄存器D、计数器C的功能和数 量满足了系统的需要。 - 34 - 4). FX2N系列PLC的体积比PX2系列PLC小50%以上，但控制功能和性能相同。 5). FX2N系列编程，可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司专用编程软件进行编辑。 本PLC型号的安装尺寸为220mm90mm40mm，有4Φ4.5的安装孔。 ，，， 5.3.2 控制系统的主要任务 本爬壁清洗机器人的控制系统需要完成几个基本任务，这些任务能够保证机器人基本功能的实现。首先就要实现机器人的移动功能，即向上、向下、向左、向右四个基本动作。通过这几个基本动作的组合，机器人便可以达到壁面上的任意位置。本爬壁清洗机器人的驱动系统原理图如下: 图5-3 驱动系统原理图 为了实现这样的运动目标，PLC控制器把系统中的所有元器件的信息集起来，按照一定的控制方法来实现这些功能。这些元器件在表5-1中列出，包括了执行元件、控制元件以及相应的开关量 表5-1 基本动作控制信息统计表 名称 编号 数量 横 执行元件 X横向驱动气缸 X 1 - 35 - X真空吸盘提升气缸 A，B 2 真空吸盘 V1-V8 8 向 真空供给阀 Z1 1(共1点) PLC输出控制元 真空破坏阀 Z2 1(共1点) 件 电磁阀 Z3，Z4 2(共4点) X气缸接近开关 XN0-XN1 2(共2点) PLC输入传感器 吸盘提升气缸行程开关 A0-A1，B0-B1 4(共4点) 真空压力开关 S1 1(共1点) Y横向驱动气缸 Y 1 执行元件 Y真空吸盘提升气缸 C，D 2 真空吸盘 V9-V16 8 纵 真空供给阀 Z5 1(共1点) PLC输出控制元 真空破坏阀 Z6 1(共1点) 件 电磁阀 Z7，Z8 2(共4点) 向 Y气缸接近开关 YN0-YN1 2(共2点) PLC输入传感器 吸盘提升气缸行程开关 C0-C1，D0-D1 4(共4点) 真空压力开关 S2 1(共1点) 这四个基本工作的特点是，都是一些元器件动作的组合，比如气缸的运动、真空的释放和建立、吸盘的提升与放下等等，动作的执行是通过继电器启动相应的电磁阀，对于气缸的到位可以通过接近开关来检测和感应，真空的建立则可以通过真空压力开关来检测和感应。综合整个系统的特点，这些动作有序的组合，正是发挥PLC控制器顺序逻辑控制优势的地方。 为了实现这一基本功能，需要使用到的PLC输入和输出点数统计如下:数字量输入:16，数字量输出:12。 5.3.3 PLC输入/输出端子接线 画出安装接线图是必要的。因为不同的输入信号经输入接口连接到PLC输入端，将使输入等效继电器是通电还是断电，就完全取决于实际接线了。知道它们的安装接线关系对设计梯形图是至关重要的。否则，有可能把逻辑关系搞反，导致控制系统出错。这时需借助于安装接线图，以理清关系;另外，对照实际接线图来设计梯形图，思路会更清晰，不仅可以加快速度，而且不易出错。PLC输入/输出端子接线图如下: - 36 - 图5-4 PLC输入/输出端子接线图 5.4机器人控制系统程序实现 5.4.1 PLC软件系统程序结构 硬件系统是控制功能赖以实现的物质基础，软件则是控制系统协调各部件完成控制功能的神经中枢，软件设计的目标是依据需要完成整体功能以最优的方式把软件的各个部分内容有机组织起来，是整个系统具有较高的运行效率、可靠性和操作的实用性。本爬壁清洗机器人控制系统的软件设计采用模块化结构设计思想，系统的基本模块则按照系统的功能进行划分，每个模块的功能相对独立，且各个模块之间又通过某种方式有机联系在一起。本PLC控制系统的软件结构如下图所示: - 37 - 图5-5 控制系统软件结构 从图中可以看出，该软件系统主要包括以下几个部分:(1)初始化程序;(2)向左运动程序;(3)向右运动程序;(4)向上运动程序;(5)向下运动程序。这几个功能模块涵盖了本爬壁清洗机器人控制系统的所有功能。首先初始化程序重要是完成系统的初始化准备工作，在机器人系统每一次工作的时候运行一次，保证机器人处于一个正常的开端。 而四个子模块可以实现机器人的四个基本运动。 5.4.2 PLC接口信号的定义 系统中控制命令信息、传感器信息以及控制输出信息等需要首先连接到PLC控制系统中，并分配相应的输入输出逻辑映射继电器标志。 表5-2 输入地址分配表(共16点) 输入端子输入信号 说明 号 X0 无 PLC启动按扭 X1 无 PLC停止按扭 X2 X0 X向无杆气缸左移 X3 X1 X向无杆气缸右移 X4 A0 X向吸盘提升气缸伸出 - 38 - X5 B0 X6 A1 X向吸盘提升气缸缩回 X7 B1 X8 C0 Y向吸盘提升气缸伸出 X9 D0 X10 C1 Y向吸盘提升气缸缩回 X11 D1 X12 Y0 Y向无杆气缸下移 X13 Y1 Y向无杆气缸上移 X14 S1 X向吸盘真空压力开关 X15 S2 Y向吸盘真空压力开关 表5-3 输出地址分配表(共12点) 输出端子号 执行元件 说明 YO 1DT 控制X向气缸换向的电磁阀 Y1 2DT Y2 3DT 控制X向吸盘提升气缸换向的电磁阀 Y3 4DT Y4 5DT 控制Y向吸盘提升气缸换向的电磁阀 Y5 6DT Y6 7DT 控制Y向气缸换向的电磁阀 Y7 8DT Y8 9DT 破坏X向吸盘的真空的电磁阀 Y9 10DT 产生X向吸盘的真空的电磁阀 Y10 11DT 破坏Y向吸盘的真空的电磁阀 Y11 12DT 产生Y向吸盘的真空的电磁阀 5.4.3 初始化程序 初始化程序可以使机器人处于运动前的静止状态，即横向与纵向气缸分别处于中间状态，横向与纵向吸盘提升气缸处于伸出状态，然后真空发生器向横向与纵向吸盘提供真空，并使得机器人固定在墙面上。机器人在壁面上的运动就是四个基本动作的组合， 即向上、向下、向左、向右四个基本动作，其中四个基本动作都是在静止状态下进行切换的。表格5-4给出了系统初始化动作。 表5-4 系统的初始化动作 序号 动作 动作完成信号 X气缸向左 X1 1 X气缸向右 XN0 2 Y气缸向上 YN0 - 39 - Y气缸向下 Y1 横向吸盘提升气缸缩回 A0，BO 3 横向吸盘提升气缸伸出 A1，B1 纵向吸盘提升气缸缩回 C0，D0 4 纵向吸盘提升气缸伸出 C1，D1 横向吸盘提供真空 S1 5 纵向吸盘提供真空 S2 5.4.4 四个基本动作的程序实现 由于结构设计的对称性，因此4个基本动作的程序设计具有对称类似性。具体的设计是根据四个基本动作进行分析，每个基本动作又可以分为两种情况，分别处在气缸极限位置两端的两种情况。先介绍每个基本动作的动作序列，然后画出梯形图。 (梯形图见附录A) 1).向左运动动作分析 这时纵向气缸的状态对于横向动作的实现不构成任何影响。向首先分析向左运动， 左运动开始于上一个动作结束后的停止状态。向左运动开始前，横向驱动气缸X有两种状态，一是处左极限位X0和二是处在右极限位X1，对应的也有两组动作序列。首先以 -5: 机器人在左极限位X0初始状态为例，其动作序列如表5 图5-5 向左运动的动作序列(X0) 序号 动作说明 控制说明 动作结束标志 1 横向吸盘释放真空 通过定时器T0 T0 2 横向吸盘提升气缸缩回 A0，B0 3 横向驱动气缸X向左运动 XN1 4 横向吸盘提升气缸伸出 A1，B1 5 横向吸盘提供真空 S1 6 纵向吸盘释放真空 通过定时器T1 T1 7 纵向吸盘提升气缸缩回 C0，DO 8 横向气缸滑块向左运动 XN0 9 纵向吸盘提升气缸伸出 C1，D1 10 纵向吸盘提供真空 S2 分析以上的动作序列可以看出，第3和第8个动作是机器人移动的关键，其余动作都是辅助动作。第3个动作的特点是，纵向气缸不动，横向气缸缸身相对地面的运动。第8个动作的特点是，横向气缸的滑块带动纵向气缸向左运动。通过这两个动作，最终实现了机器人整体向左运动。 如果横向气缸的初始状态处于右极限位置X1处，则要完成向左运动，其运动序列 - 40 - 如下表5-6: 表5-6 向左运动的动作序列(X1) 序号 动作说明 控制说明 动作结束标志 1 纵向吸盘释放真空 通过定时器T1 T1 2 纵向吸盘提升气缸缩回 C0，D0 3 横向气缸滑块向左运动 XN0 4 纵向吸盘提升气缸伸出 C1，D1 5 纵向吸盘提供真空 S2 6 横向吸盘释放真空 通过定时器T0 T0 7 横向吸盘提升气缸缩回 A0，B0 8 横向气缸向左运动 XN1 9 横向吸盘提升气缸伸出 A1，B1 10 横向气缸提供真空 S1 2).向右运动动作分析 向右运动的运动机理与向左运动相似。向右运动同样也是开始于上一个动作结束时的停止状态。根据动作开始时横向X气缸的初始状态，该动作的动作序列也有不同。以X气缸处于右极限位置X1为初始状态为例，其实现向右动作的动作序列如表5-7所示: 表5-7 向右运动动作序列(X1) 序号 动作说明 控制说明 动作结束标志 1 横向吸盘释放真空 通过定时器T0 T0 2 横向吸盘提升气缸缩回 A0，B0 3 横向气缸向右运动 XN0 4 横向吸盘提升气缸伸出 A1，B1 5 横向吸盘提供真空 S1 6 纵向吸盘释放真空 通过定时器T1 T1 7 纵向吸盘提升气缸缩回 C0，D0 8 横向气缸滑块向右运动 XN1 9 纵向吸盘提升气缸伸出 C1，D1 10 纵向吸盘提供真空 S2 以上动作序列中，第3和第8个动作是机器人移动的关键，其余动作是辅助动作。如果以横向气缸X处于左极限位置X0处为初始状态，若要完成向右的动作，其动作序列如下表5-所示: 表5-8 向右动作序列(X0) - 41 - 序号 动作说明 控制说明 动作结束标志 1 纵向吸盘释放真空 通过定时器T1 T1 2 纵向吸盘提升气缸缩回 C0，D0 3 横向气缸滑块向右运动 XN1 4 纵向气缸提升气缸伸出 C1，D1 5 纵向吸盘提供真空 S2 6 横向吸盘释放真空 通过定时器T0 T0 7 横向吸盘提升气缸缩回 A0，B0 8 横向气缸向右运动 XN0 9 横向吸盘提升气缸伸出 A1，B1 10 横向吸盘提供真空 S1 3).向上运动动作分析 每个动作的启动都是从停止状态开始的，对于启动前的停止状态，纵向驱动气缸Y可能有两种可能状态:上极限位置Y1，下极限位置Y0。横向气缸的状态对于完成纵向的上和下的动作是没有任何影响的，关键是纵向气缸的两种不同状态，将导致不同的动作顺序。首先以纵向气缸处于上极限位置Y1的初始状态为例进行分析，在这种状态下 -9的动作序列: 完成一个向上的动作需要完成下表5 表5-9 向上运动动作序列(Y1) 序号 动作说明 控制说明 动作结束标志 1 纵向吸盘释放真空 通过定时器T1 T1 2 纵向吸盘提升气缸缩回 C0，DO 3 纵向气缸向上运动 YN0 4 纵向吸盘提升气缸伸出 C1，D1 5 纵向吸盘提供真空 S2 6 横向吸盘释放真空 通过定时器T0 T0 7 横向吸盘提升气缸缩回 A0，B0 8 纵向气缸的滑块向上运动 YN1 9 横向吸盘提升气缸伸出 A1，B1 10 横向吸盘提供真空 S1 如果以纵向气缸处于下极限位置Y0为初始状态是，要完成向上的运动，其动作序列如下表5-10所示: 表5-10 向上运动动作序列(Y0) 序号 动作说明 控制说明 动作结束标志 1 横向吸盘释放真空 通过定时器T0 T0 2 横向吸盘提升气缸缩回 A0，B0 3 纵向气缸的滑块向上运动 YN1 - 42 - 4 横向吸盘提升气缸伸出 A1，B1 5 横向吸盘提供真空 S1 6 纵向吸盘释放真空 通过定时器T1 T1 7 纵向吸盘提升气缸缩回 C0，D0 8 纵向气缸向上运动 YN0 9 纵向吸盘提升气缸伸出 C1，D1 10 纵向吸盘提供真空 S2 4).向下运动动作分析 当纵向气缸处在下极限位置Y0的初始状态时，其实现向下动作的序列如表5-11所示: 表5-11 向下动作的序列(Y0) 序列 动作说明 控制说明 动作结束标志 1 纵向吸盘释放真空 通过定时器T1 T1 2 纵向吸盘提升气缸缩回 C0，D0 3 纵向气缸向下运动 YN1 4 纵向吸盘提升气缸伸出 C1，C1 5 纵向吸盘提供真空 S2 6 横向吸盘释放真空 通过定时器T0 T0 7 横向吸盘提升气缸缩回 A0，B0 8 纵向气缸滑块向下运动 YN0 9 横向吸盘提升气缸伸出 A1，B1 10 横向吸盘提供真空 S1 当纵向气缸处在上极限位置Y1的初始状态时，其实现向下动作的序列如表5-12所示: 表5-12 向下动作的序列(Y1) 序号 动作说明 控制说明 动作结束标志 1 横向吸盘释放真空 通过定时器T0 T0 2 横向吸盘提升气缸缩回 A0，B0 3 纵向气缸滑块向下运动 YN0 4 横向吸盘提升气缸伸出 A1，B1 5 横向吸盘提供真空 S1 6 纵向吸盘释放真空 通过定时器T1 T1 7 纵向吸盘提升气缸缩回 C0，D0 8 纵向气缸向下运动 YN1 9 纵向吸盘提升气缸伸出 C1，C1 10 纵向吸盘提供真空 S2 5.5 小结 - 43 - 本爬壁清洗机器人采用的是PLC控制系统，其中PLC控制器的重量轻、体积小，便于减少机器人的质量节省安装空间。PLC控制器把机器人系统中众多的开关量信息集中起来，实现了机器人各项功能所需要动作的顺序逻辑控制。 6. 结论和展望 爬壁清洗机器人综合了机器人机构学、运动学、动力学、机械设计、计算机控制、软件编制和硬件设计等多学科领域的知识，它的应用实现了高层建筑幕墙清洗作业的自动化，而且有助于减轻工人的劳动强度、降低成本，有着很高的推广和研究价值。 本论文从爬壁清洗机器人的本体结构设计、清洗装置的设计、控制系统硬件设计等方面进行设计研究，取得了如下结果: 1. 本课题设计的爬壁清洗机器人与同类的清洗机器人相比，具有附属设备少、结构紧 凑、移动速度较快、工作效率高的特点。采用多吸盘两气缸的结构，既保证了机器 人稳定安全的吸附，同样也可以获得较高的清洗效率。 2. 本机器人采用十字框架结构，有X、Y向气缸分别构成X方向和Y方向的结构主体， 而X、Y向两个气缸又是这两个方向的驱动元件，也就是驱动元件本身就是结构件。 这样的设计使机器人的结构大大简化，重量也大大减轻。 3. 机器人的清洗装置直接安装于X向气缸的两端，这样X向气缸既可在机器人的运动 中作为移动动作的驱动，又可在清洗壁面时作为清洗动作的驱动件，使两者功能合 二为一，减少驱动数量。 4. 采用无杆气缸组成的框架式结构，并且通过吸盘支架上的吸盘提升短行程气缸交替 提升吸盘。使两组真空吸盘交替吸附，既可保证吸附的可靠性，又使机器人的移动 方式相对简单，控制逻辑也相对简单，提高了系统的可靠性。 5. 机器人的运动包括向上、向下、向左、向右四个基本动作。每个动作都是气缸和吸 盘组成的动作序列。通过这几个动作的组合，机器人便可以到达垂直平面的任意位 置，从而实现了机器人的基本运动功能。 6. 在吸盘的安装板上装有Z向的吸盘提升短行程气缸，能有效的实现避障。 - 44 - 7. 清洗机器人所采用的驱动源是气动，不仅可以减少驱动的元件，也就是减少了其他 的驱动所带来的重量问题。而且气动的工作介质是空气，来源方便，使用后可直接 排至大气，不污染环境。 8. 机器人的驱动系统是采用了气动技术，分为真空气动和气缸驱动。真空气动是实现 机器人运动过程中真空的产生和破坏，为机器人在壁面上工作提供了可靠的吸附力。 气缸驱动则实现了横向和纵向驱动气缸及相应的吸盘驱动气缸的驱动，为机器人的 运动提供了动力能源。 9. 对清洗机器人的清洗规划做了详细的分析，并且简化了清洗刷的设计，有助于优化 控制部分的设计，实现了控制简单方便。 10. 在对清洗机器人系统分析的基础上，讨论了机器人的控制方案，构建了控制系统的 硬件。清洗机器人的控制系统是整个机器人的控制核心，采用可编程控制器(PLC)， PLC控制器把机器人系统中众多的开关量信息集中起来，实现了机器人各项功能所 需动作的顺序逻辑控制。 综上所述，爬壁清洗机器人的设计已经走上了正轨同样也取得了阶段性的成果，在未来的爬壁清洗机器人会越来越趋向于: 1. 结构简单、质量轻、可靠性高、操作简单; 2. 控制系统小型化; 3. 能够适应复杂的壁面环境并能作出相应的动作; 4. 有专用设计转向面向大众的设计; 总的来说，随着经济的发展和人们生活水平的提高，高层建筑的清洗也会变得越来越重要，高层建筑的清洗自动化和现代化就变为必然，机器人技术的应用在此领域也将会得到逐步的体现。高性能、高可靠性、高效性、操作简单、质量轻、适应能力强的爬壁清洗机器人产品也会随着自动化技术、传感技术、无线遥控技术以及通讯业的迅速发展而得到充分的发展，不久的将来，由人类从事的高空极限作业也将被爬壁清洗机器人所取代。 参考文献 [1]. 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):78,80 [2]. 谈土力，龚振邦，张海洪等.壁面自动清洗机器人研制 [J] .高技术通报,2003,12(2): 83-87 [3]. 高学山，徐殿国，王炎.新型壁面清洗机器人的研究与设计 [J] .高技术通报,2004,13(4): 39,44 - 45 - [4]. 赵兴飞，周忆，石崇辉.气动爬壁机器人设计与计算 [J].机床与液压,2003,32(3):61,62 [5]. 张金刚.基于PC-104总线移动作业机器人结构与控制系统研究.山东科技大学硕士学位论文， 2001.4 [6]. 吴洪兴，赵言正，高学山.高楼玻璃幕墙清洗机器人作业系统的研究.哈尔滨理工大学学报， 2002.8 [7]. 张海洪.机器人壁面自动清洗系统的工程研究.上海大学博士论文，2001.02 [8]. 成大先.机械设计单行本气压传动.北京:化学工业出版社.2004.01 [9]. 陈沛富.高楼玻璃幕墙清洗机器人设计研究.重庆大学硕士学位论文.2006.05 [10]. 明仁雄，万会雄.液压与气压传动.北京:国防工业出版社.2003.10 [11]. 邱公伟.可编程序控制器应用技术.北京:机械工业出版社，2000 [12]. 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用.重庆:重庆大学出版社，2001 [13]. 周万珍，高鸿斌.PLC分析与设计应用.北京:电子工业出版社，2004.1 [14]. 周恩涛.可编程控制器原理及其在液压系统中的应用.北京:机械工业出版社，2003.2 [15]. 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