墻壁清潔機器人.doc

墻壁清潔機器人的設(shè)計第一章 緒論1.1 課題的背景、目的及意義1壁面清洗爬壁機器人屬于移動式服務(wù)機器人的一種，可在垂直壁面或頂部移動，完成其外表面的清洗作業(yè)。在工業(yè)機器人問世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)，機器人的應(yīng)用取得了明顯的進步，由于傳感器、控制、驅(qū)動及材料技術(shù)領(lǐng)域的進步，通過智能機器人系統(tǒng)，首次在制造業(yè)領(lǐng)域以外開辟了機器人應(yīng)用的新領(lǐng)域，讓自主機器人作為“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)進行了很大的努力來開發(fā)服務(wù)機器人系統(tǒng)，并力爭在較大范圍內(nèi)使用它們。這些機器人系統(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.維護保養(yǎng)2.修理3.運輸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)使用的機器人，要求所提供的服務(wù)技術(shù)含量較高，實現(xiàn)的可能性較大，還要求它的市場潛力大，對用戶有使用價值，對經(jīng)營者有經(jīng)濟效益。與普通工業(yè)機器人領(lǐng)域不同，服務(wù)機器人是一種只適合于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過程的機器人系統(tǒng)。物體及平面清洗用的機器人是急待開發(fā)的服務(wù)機器人之一?，F(xiàn)代城市高樓林立，以1530層樓居多，高達近百米，壁面多數(shù)采用瓷磚結(jié)構(gòu)和玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，有的還敷設(shè)塑鋁板等，常年裸露在外，需要進行許多壁面維護工作。目前這類工作仍由清洗工人搭乘吊纜進行高空作業(yè)來完成，既危險、工作效率又低，對人身安全、玻璃壁面都有很大的威脅性，如圖11所示。越來越多的高層建筑在設(shè)計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器人進行清洗。爬壁清洗機器人的使用將大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率，具有一定的社會、經(jīng)濟意義和廣闊的應(yīng)用前景。該項目的研制成功，將會實現(xiàn)清洗作業(yè)的自動化，給清洗作業(yè)帶來一次新的革命。同時通過更換周邊設(shè)備可適應(yīng)其它的操作任務(wù)，其主要系統(tǒng)壁面移動機器人載體可深入應(yīng)用到核工業(yè)、石化、消防、造船等行業(yè)，機器人裝備攝像機、超聲波傳感器等可對核廢液儲罐、輪船等建筑物外壁進行檢查、測厚及焊縫探傷等，若裝備噴砂、噴漆機構(gòu)可對金屬罐壁進行噴砂除銹、噴漆防腐等操作，還可噴涂巨幅壁畫，裝上溫度傳感器、攝像機等可從高樓上對火情作出判斷，傳遞救援物資等。 圖11工人清洗建筑高層壁面1.2 爬壁機器人的分類及特點 機器人能夠在壁面上自由移動并且進行作業(yè)，必須具備三大機能，即吸附機能、移動機能、作業(yè)機能，爬壁機器人主要按吸附和移動機能來進行分類。1） 按照吸附機能分類，爬壁機器人可分為：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)生負壓，機器人利用吸盤內(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)簡單、吸附力大，對壁面的凹凸適應(yīng)性強，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，使用磁吸附式爬壁機器人有它突出的優(yōu)點，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，使機器人穩(wěn)定、可靠的貼附在壁面上，并在壁面上移動。這種吸附方式具有壁面適應(yīng)性好，越障容易等優(yōu)點，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年推出的一種推進型壁面移動機器人。三種吸附方式的具體比較見表12.表12 爬壁機器人三種吸附方式的比較吸附方式優(yōu) 點缺 點真空 吸 附單吸盤結(jié)構(gòu)簡單，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，斷電時有一定的冗余度壁面如有凹凸或裂縫，則將會有真空泄露磁 力 吸 附永磁式維護吸附力不需要耗電能，安全可靠步行時磁體與壁面離合需很大的力電磁式磁體與壁面的離合容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，對壁面形狀、材質(zhì)適應(yīng)性強，越障容易控制復(fù)雜、噪聲大、體積大、效率低2） 按照移動方式分類 爬壁機器人可分為車輪式、履帶式、腳足式。三種移動方式的比較見表13.表13 爬壁機器人三種移動方式的比較移動方 式車輪式履帶式腳足式概要配置多個車輪，每個車輪由電機驅(qū)動，帶動機器人移動由電機驅(qū)動兩個無軌道履帶，推動機器人由多個腳的反復(fù)吸附、脫落移動機器人特點簡單，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，移動速度快，壁面適應(yīng)能力強，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎困難，履帶磨損大移動是間歇的，速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；壁面適應(yīng)能力好，越障能力強，承載能力大 不同的貼附方式和移動方式可以組成多種不同功能和用途的爬壁機器人，如負壓吸附車輪式爬壁機器人，負壓吸附履帶式爬壁機器人，負壓吸附多足式爬壁機器人等。每一種形式的爬壁機器人都各有其特點，分別適用于不同的場合，選用時需根據(jù)具體的使用條件進行不同的選擇。1.3 爬壁機器人的用途2 近幾年來，機器人在各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。其中，爬壁機器人是能夠在垂直陡壁上進行作業(yè)的機器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動機械裝置，越來越受到人們的重視。概括起來。爬壁機器人主要用于：（1） 核工業(yè)：對核廢液儲罐進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等；（2） 石化企業(yè):對立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進行檢查或噴砂除銹、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 爬壁機器人的發(fā)展概況1.4.1國外爬壁機器人的發(fā)展概況1.真空吸附爬壁機器人發(fā)展概況 1單吸盤爬壁機器人發(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垂直壁面移動機器人的原理樣機，并于1975年制作了以實用化為目標(biāo)的第二號樣機，如圖14所示。該機器人采用單個大吸盤結(jié)構(gòu)，利用電風(fēng)扇進氣側(cè)低壓作用產(chǎn)生吸附力，使機器人可靠貼附在壁面上；利用履帶機構(gòu)實現(xiàn)爬壁機器人在垂直壁面上的移動功能。1990年，俄國機械科學(xué)研究院研制成功了一種用于清洗作業(yè)的單吸盤爬壁機器人，如圖15所示。它采用單吸盤結(jié)構(gòu)，吸盤內(nèi)有移動結(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)，工作時最大真空壓力為0.007MPa，兩對獨立驅(qū)動的車輪實現(xiàn)機器人在壁面的移動和轉(zhuǎn)向機能，在機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。 圖14西亮的二號機器人 圖15俄國的清洗機器人 綜上所述，單吸盤爬壁機器人都有一個共同的特點，即皆有與壁面間存在相對滑動的單一真空吸盤或是機器人自身機殼的密封裝置同壁面形成一個真空室，這種形式的爬壁機器人可實現(xiàn)小型化、輕量化、結(jié)構(gòu)簡單、易于控制；但要求壁面有一定的平滑度，越障能力差，對于復(fù)雜壁面環(huán)境或者遇到較大的溝槽、凹凸時，吸盤內(nèi)的負壓難以維持，且由于存在相對滑動，吸盤裙邊磨損厲害。2多吸盤爬壁機器人發(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器人，如圖16所示。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單，對復(fù)雜壁面環(huán)境具有良好的適應(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)的負壓由抽風(fēng)機產(chǎn)生；通過兩條腿的交替吸附實現(xiàn)機器人在壁面上的移動，移動時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階，進而再與腳腕的回轉(zhuǎn)相組合，就能實現(xiàn)多種壁面環(huán)境下的移動。但由于腿長、重心高，在垂直壁面或天花板移動時，有一定的危險性。近幾年來，英國南岸大學(xué)繼研制出四足壁面步行機器人Robug后，又開發(fā)了Robug 型爬壁機器人，如圖17所示。該機器人有八條腿，類似巨型蜘蛛，研制者計劃用于搶險營救工作中。Robug 能進行地面到壁面、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。 圖16雙足機器人 圖17 Robug爬壁機器人綜上所述，多吸盤真空吸附式爬壁機器人，負載能力較大，對壁面適應(yīng)能力好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制不方便。2.磁吸附爬壁機器人發(fā)展概況如果壁面材料為導(dǎo)磁材料時，采用磁吸附有很大的優(yōu)點。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器人，如圖18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，實現(xiàn)機器人在壁面上的前進后退移動，通過內(nèi)框和外框之間的相對轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向，每條腿對于壁面可以作直線運動。日本鋼管株式會社開發(fā)了車輪型磁吸附爬壁機器人，如圖19所示。它可以吸附在各種大型構(gòu)造物上，如：油罐、船體等，用于代替人工進行檢查或修理作業(yè)，兩臺直流電機分別驅(qū)動左右兩組車輪單元，手臂用來夾持作業(yè)工具，機器人靠磁性車輪貼附在壁面上，具有行走平穩(wěn)，移動速度快，壁面適應(yīng)能力強等特點。 圖18腳式磁吸附爬壁機器人 圖19車輪式磁吸附爬壁機器人3.其他類型的爬壁機器人發(fā)展概況 磁吸附式的爬壁機器人受壁面材料特性的限制，真空吸附式的爬壁機器人受壁面凹凸和多孔狀況的限制，為進一步解脫種種限制，人們研制了其他形式的機器人，如飛行式爬壁機器人、繩索牽引式爬壁機器人等。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)動的飛行爬壁機器人，如圖110所示。該機器人采用汽油發(fā)動機驅(qū)動兩個螺旋槳產(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器人，如圖111所示。該機器人有兩個主螺旋槳提供推升力，八個小螺旋槳控制機器人的飛行姿態(tài)，該機器人幾乎能夠在任何工況下進行工作，用無線電進行遙控操作。 圖110推力型爬壁機器人 圖111飛行機器人1.4.2國內(nèi)爬壁機器人的發(fā)展概況上海大學(xué)特種機器人技術(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器人系列，如圖112所示。該機器人由三層框架組成，內(nèi)外框分別可以相對于中間框架作直線運動，中間框架帶著外框架可作相對于內(nèi)框架的回轉(zhuǎn)運動，內(nèi)外框架上各裝備有四個真空吸盤，通過內(nèi)外吸盤的交替吸附使機器人在壁面上自由運動。北京航空航天大學(xué)機器人研究所研制了壁虎系列爬壁機器人,如圖113所示.該機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運動,完成機器人的上下、左右運動，八只吸盤分兩組與十字框架相連，通過吸盤的交替吸附實現(xiàn)機器人的貼附和移動功能，通過吸盤相對于壁面伸縮運動，實現(xiàn)機器人的越障功能。該機器人系統(tǒng)是針對清洗高大建筑物的目的開發(fā)的。 圖112壁面清洗機器人 圖113十字框架型壁面清洗機器人1.5 壁面清洗技術(shù)的發(fā)展概況壁面清洗機器人的技術(shù)關(guān)鍵在于爬壁機器人技術(shù)（包括壁面吸附技術(shù)和壁面移動技術(shù)）、清洗作業(yè)技術(shù)以及機器人技術(shù)與作業(yè)技術(shù)的集成等。要解決壁面自動清洗問題，開展清洗作業(yè)系統(tǒng)本身的研究是十分必要的。要解決壁面清洗機器人系統(tǒng)的實用化問題，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)在提出的實現(xiàn)壁面自動清洗，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，市場對壁面清洗機器人的需求正日益增強，目前世界上多家研究機構(gòu)都在進行這方面的研究。日本BE公司研制成功了一種固定軌道式全自動擦窗機器人，如圖114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≤噥韺崿F(xiàn)水平和垂直移動，清洗機構(gòu)帶有多個旋轉(zhuǎn)盤刷，清洗速率110m/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250m,清洗窗幅范圍：5003600mm，可跨越200mm的障礙。該設(shè)備的自動化程度和效率都很高，價格也很昂貴，另外，該設(shè)備是針對每一座建筑物的，要求在建筑物設(shè)計之初就將擦洗系統(tǒng)考慮進去，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IPA也研制成功了一種清洗建筑物玻璃壁面的自動系統(tǒng)，如圖115所示。該機器人的清洗作業(yè)裝置懸掛在水平的橫向?qū)к壣?，可沿?dǎo)軌左右移動，橫向?qū)к壙裳卮怪睂?dǎo)槽上下移動，從而完成對整塊玻璃的清洗。 圖114固定軌道式自動清洗裝置 圖115 IPA壁面自動清洗系統(tǒng)壁面清洗機器人的研制猶如雨后春筍，新的設(shè)計方案層出不窮。在目前，壁面清洗機器人面臨幾個技術(shù)難點：1）吸附及密封技術(shù)：面對復(fù)雜的壁面環(huán)境，要求吸附機構(gòu)必須產(chǎn)生一定的吸附力，并能夠維持之，使機器人安全可靠地吸附在工作壁面上。2）移動技術(shù)：移動機構(gòu)要小型、高效，使機器人可以在壁面上移動，并可靈活、自如調(diào)節(jié)行走的速度和方向，具有較強的越障能力。3）控制技術(shù)：必須保證信號通訊的實時性，可靠性。控制機器人的整體工作，進行故障診斷和綜合管理，實現(xiàn)機器人各部分的協(xié)調(diào)工作和配合。4）清洗機構(gòu)的設(shè)計：設(shè)計安全有效的清洗機構(gòu)，識別清洗質(zhì)量，達到令人滿意的清洗效果。這些難點是目前阻礙壁面清洗機器人向?qū)嵱没较虬l(fā)展的瓶頸。需要相對長的時間加以解決。1.6 本文的主要研究內(nèi)容“墻壁清潔機器人作業(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行高樓瓷磚壁面和玻璃墻幕面清洗的自動化設(shè)備，具體研究了以下幾個方面的內(nèi)容：1）機器人的移動技術(shù)。機器人要完成自動清洗壁面的任務(wù)，必須具有在保持機體姿態(tài)不變的情況下，能夠在壁面上移動的功能，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是運動機能的實現(xiàn)方式和運動控制。2）機器人的吸附技術(shù)。為實現(xiàn)機器人沿壁面的垂直運動，必須使機器人能夠可靠的貼附于墻面，從而才能進行清洗作業(yè)。3）機器人清洗作業(yè)裝置。清洗裝置設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到清洗作業(yè)的效果。設(shè)計一種在沖洗、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，防止污水再次污染已被清洗過的壁面。4）機器人的控制系統(tǒng)研制?？刂葡到y(tǒng)要適應(yīng)清洗作業(yè)的現(xiàn)場工作環(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作為機器人的主控制器，主控制器安裝在機器人本體上，操作者在地面進行遙控操作。第二章 墻壁清潔機器人的方案設(shè)計2.1 設(shè)計方案的確定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，市場上也相繼出現(xiàn)了不同的壁面清洗作業(yè)的自動化工具。有靠磁吸附的爬壁機器人，有氣動多吸盤的爬壁機器人等等。其實要研制高層建筑壁面清洗爬壁機器人的技術(shù)難度很大，這是因為：1.建筑物外墻結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，材料多種多樣。設(shè)計一種能適應(yīng)多種建筑結(jié)構(gòu)外形和材料的機器人是十分困難的。2.壁面有溝縫和凸起物。為了實現(xiàn)既吸附可靠又移動靈活的爬壁機器人，需要解決諸如密封技術(shù)、跨越技術(shù)、移動技術(shù)等問題。3.遙控技術(shù)。由于高層建筑物的樓層都很高，如何進行遙控，采用有線方案還是無線方案。4.高效清洗機構(gòu)的設(shè)計。清洗壁面的工藝必需高效合理，適應(yīng)這種工藝的清洗機構(gòu)必需輕巧、實用。為減輕機器人負荷，清洗機構(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，機構(gòu)越少越好。如果系統(tǒng)帶一個大的控制柜到現(xiàn)場，很不方便。如果能使之小型化、直接由機器人自帶，減少一個控制柜，必然有很大的實用價值?？傊?，要研制一臺工程實用的壁面清洗機器人決非易事。2.1.1驅(qū)動方式的選擇機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表21：表21三種驅(qū)動方式的特點對照內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率很大，壓力范圍為50140Pa大，壓力范圍為4860Pa，最大可達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，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(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)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。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)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。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機易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無在工業(yè)機器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對環(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)計采用氣壓的驅(qū)動方式。2.1.2控制方式的選擇由于機器人需要實現(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)過程控制的專用計算機，與商用、家用微機不同。由于控制對象的復(fù)雜性、使用環(huán)境的特殊性和工作運行的連續(xù)性，使PLC在設(shè)計上有許多特點：1. 可靠性高、抗干擾能力強2. 適應(yīng)性好3. 豐富的I/O模塊4. 編程簡單、直觀5. 采用模塊化結(jié)構(gòu)6. 系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試周期短在經(jīng)過二十多年的發(fā)展，PLC由于這些特點已經(jīng)滲透到工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，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)濟性好、無環(huán)境污染的特點，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，同時特別適合復(fù)雜表面的清洗，但清洗過程中產(chǎn)生的噪聲非常大，且對清洗對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，但對清洗對象以及污染的激光吸收系數(shù)有嚴(yán)格要求，當(dāng)污染成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，難以一次性清除干凈，同時對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器人中的應(yīng)用。機械力清洗是一種成熟可靠的清洗方法，易于實現(xiàn)自動化清洗工藝，非常適合于壁面清洗機器人的清洗。2.2 機器人系統(tǒng)的組成墻壁清潔機器人系統(tǒng)的首要目標(biāo)是機器人系統(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。其機器人系統(tǒng)的總體簡圖如圖22所示，主要包括爬壁機器人本體、控制系統(tǒng)、清洗作業(yè)裝置、固定夾緊裝置四大部分。 圖22 機器人系統(tǒng)簡圖2.2.1.機器人本體墻壁清潔機器人本體是機器人壁面自動清洗系統(tǒng)的核心部分，包括移動裝置和清洗裝置。本系統(tǒng)采用氣缸推動方式來實現(xiàn)機器人沿壁面的上下移動。采用兩個雙作用氣缸，垂直安裝，缸體和活塞分別固定，從而來推動整個機器人的向上爬升。它的整個爬升距離于刷子的長度一樣，依靠無桿氣缸活塞塊的移動來帶動滑塊，在滑塊上安裝有刷子，從而使刷子左右移動，達到清洗壁面的目的。2.2.2.清洗作業(yè)裝置清洗作業(yè)裝置是進行壁面清洗作業(yè)的具體執(zhí)行機構(gòu)，由供水裝置、滾刷、污水存儲箱等機構(gòu)組成。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，必須及時回收污水，從污水回收和機構(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。整個污水回收裝置是簸箕形的，當(dāng)刷子洗刷的時候，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箱。2.2.3.夾緊固定裝置 整個機器人系統(tǒng)是竄在兩根鋼絲繩上的，上下左右共有八個雙作用氣缸。當(dāng)上面的四個氣缸松開時，整個機器人的上半部分，包括無桿氣缸和清洗裝置就由中間的兩個雙作用推動著向上爬升，當(dāng)活塞運動到終端時，四個氣缸又夾緊鋼絲繩。然后下面的四個氣缸接著松開，由中間的氣缸的缸體拉著下面的整個底板上升，上升到終端時，四個氣缸就馬上也夾緊。第三章 墻壁清潔機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 機器人的總體結(jié)構(gòu)組成墻壁清潔機器人本體是執(zhí)行高樓外墻壁面清洗任務(wù)的移動平臺和任務(wù)搭載平臺，是機器人壁面自動清洗系統(tǒng)的核心部分，要求移動靈活，安全可靠，小巧輕量，其設(shè)計的好壞是評價整個系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本文設(shè)計的墻壁清潔機器人有一下3部分組成：1.機器人的整體移動部分2.機器人的定位夾緊部分3.機器人的清洗作業(yè)部分 壁面清洗機器人的基本功能是吸附功能和行走功能，因為工作壁面會有凹凸不平的情況，工作環(huán)境比較復(fù)雜，因此對壁面機器人有以下幾點要求： （1）應(yīng)具有一定的吸附力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機器人的重力，防止墜落； （2）應(yīng)保持一定的驅(qū)動力，能夠使機器人在壁面上自由移動； （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。 因此針對上述要求，進行機器人的設(shè)計主要是對機器人的行走方式和吸附方式的設(shè)計。3.2 爬壁機器人本體結(jié)構(gòu)83.2.1.需實現(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現(xiàn)自由移動。2) 吸附功能 工作時能可靠貼附于壁面。3）越障功能 移動過程中可以越過一定的窗框類規(guī)則障礙。3.2.2.爬壁機器人本體結(jié)構(gòu)形式從第一章的論述中可以知道，機器人在垂直陡壁上進行清洗作業(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。爬壁機器人具有許多不同的結(jié)構(gòu)形式，如：單吸盤真空負壓輪式爬壁機器人，單吸盤真空負壓履帶式爬壁機器人，多吸盤真空吸附或磁吸附框架式爬壁機器人，推力附著式爬壁機器人等等。在本課題的研究中，由于機器人壁面自動清洗系統(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，還處于應(yīng)用研究階段，技術(shù)不成熟；粘著吸附的移動機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就把樓宇的清洗考慮進去，顯然不適應(yīng)用于造樓時沒有預(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，本爬壁機器人采用鋼絲繩懸吊的形式。墻壁清潔機器人本體是壁面自動清洗系統(tǒng)的重要組成部分，它主要用來攜帶清洗作業(yè)裝置在壁面上移動以實現(xiàn)對壁面的清洗。機器人的移動系統(tǒng)采用了氣動的驅(qū)動方式，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖31所示。它是依靠兩個雙作用氣缸，缸體和活塞分別固定，依靠氣體的推了來使機器人的整體向上爬升。圖31本體移動結(jié)構(gòu)簡圖3.3 機器人的定位夾緊結(jié)構(gòu)機器人的定位夾緊裝置是用來使機器人的本體保持穩(wěn)定的姿態(tài)，從而能進行平穩(wěn)、可靠的清洗工作。另外也起到防止機器人掉落的作用。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖32所示。 圖32夾緊裝置簡圖3.4 機器人的清洗裝置結(jié)構(gòu)3.4.1.機器人實現(xiàn)有效清洗的條件無論是人工清洗還是機器人清洗，有時不可能只用一種方法，而是幾種方法的混合。機器人清洗不同于人工清洗，由于是自動化設(shè)備，其清洗過程是在機器人運動過程中一次完成的，因此會涉及以下一些問題：1.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構(gòu)來達到干凈清洗的目的。2.清洗壓力的控制與檢測。清洗時必須具有一定的壓力，并且壓力要隨著清洗機構(gòu)的工作實現(xiàn)主動或者被動控制。3.清洗機構(gòu)的多功能、一體化設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)在的研究方向和市場需要，清洗裝置必須集洗刷、噴水、污水回收等一體化。對于清洗機器人，它的設(shè)計原則是：清洗要達到清洗表面質(zhì)量的一致性和高清洗效率。此外設(shè)計清洗機構(gòu)時，還要考慮清洗機構(gòu)與機器人本體的相互匹配性以及在實際工作環(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，其簡圖如圖33所示。圖33清洗裝置簡圖3.4.2.滾刷結(jié)構(gòu)壁面清洗機器人的作業(yè)對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34所示，滾刷的長度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來刷洗墻面。圖34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)計有接水槽。污水流進接水槽后，在通過水管流回地面的污水箱中。3.4.4.清洗工藝分析清洗作業(yè)的指標(biāo)主要有三個：1） 清洗速度。清洗速度以每分鐘的清洗面積來衡量，由于滾刷的長度對于一個設(shè)計好的清洗機器人而言是定值，所以考慮該指標(biāo)只需檢測機器人的移動速度即可。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，主要考察機器人越障時的工作情況。3） 清洗的清晰度。壁面清晰度既受清洗機器人各參量的變化的影響，同時也受外界因素的影響。當(dāng)壁面清晰度達到一定程度時，周圍環(huán)境因素占主導(dǎo)地位，此時，通過提高清洗的清晰度已失去實際意義。所以我們以環(huán)境中肉眼認可的清晰度為標(biāo)準(zhǔn)，采用比較檢測法，來認定清洗質(zhì)量的合格與否。第四章 墻壁清潔機器人氣動系統(tǒng)設(shè)計4.1 氣動原件的選擇4.1.1.氣缸的選擇471.2.1 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)運動的同時又要缸體作較大圓弧擺動，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)運動，可采用回轉(zhuǎn)氣缸。有特殊要求時，可選用特殊氣缸。1.2.2 輸出力的大小根據(jù)工作機構(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，從而確定氣缸內(nèi)徑。氣缸由于其工作壓力較?。?.40.6MPa），其輸出力不會很大，一般在10000N（不超過2000N）左右，輸出力過大其體積（直徑）會太大，因此在氣動設(shè)備上應(yīng)盡量采用擴力機構(gòu)，以減小氣缸的尺寸。 1.2.3 氣缸行程氣缸（活塞）行程與其使用場合及工作機構(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，尤其用于夾緊等機構(gòu)，為保證夾緊效果，必須按計算行程多加1020mm的行程余量。 1.2.4 氣缸的運動速度氣缸的運動速度主要由所驅(qū)動的工作機構(gòu)的需要來決定。要求速度緩慢、平穩(wěn)時，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排氣節(jié)流；垂直安裝升舉載荷推薦用進氣節(jié)流。用緩沖氣缸可使缸在行程終點不發(fā)生沖擊現(xiàn)象，通常緩沖氣缸在阻力載荷且速度不高時，緩沖效果才明顯。如果速度高，行程終端往往會產(chǎn)生沖擊。1）推動機器人上升的氣缸此氣缸是實現(xiàn)機器人的上升與下降的，共有2個氣缸。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)機器人需上升時，無桿腔進氣，氣體推動活塞桿運動，從而使整個機器人向上運動，接著有桿腔進氣，再把機器人的下半部分拉上來。故需選擇雙作用氣缸。選擇QGA系列的氣缸。缸徑選擇50mm，行程范圍在0500mm，最高工作壓力為1MPa,理論推力為790N。在本設(shè)計中，設(shè)定它的行程為300mm，運動速度為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，從而達到固定機器人的目的，這樣清洗機器人在工作能才能保持位置的固定，上下共8個氣缸。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個氣缸松開鋼絲繩時，機器人就可以向上爬升，運動終了時，氣缸再夾緊。接著下面的4個氣缸松開，讓機器人的底板也拉上升，完后4個氣缸再夾緊。故選擇雙作用氣缸，型號為QA系列，缸徑為50mm，行程范圍在0500mm，最高工作壓力為1MPa，理論推力為790N。在本設(shè)計中，設(shè)定它的行程為50mm，運動速度為0.05m/s。3) 收縮刷子的氣缸此氣缸是用來使刷子伸出和收回的，共1個氣缸。當(dāng)要清洗墻面時，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個氣缸。當(dāng)刷子清洗墻面時，兩個氣缸就一起帶動接水裝置伸出，使其貼附于墻面接收污水。當(dāng)刷子不清潔時，氣缸也就帶動接水裝置收回來。它的安裝形式采用后法蘭式，型號和缸徑也于夾緊缸相同。5）帶動刷子左右往復(fù)運動的氣缸此氣缸是用來帶動刷子左右往復(fù)移動的，從而使刷子達到清洗墻面的作用，共2個。選用無桿氣缸，型號為DGPL32PPVAB，缸徑為32mm，行程為2000mm，運動速度為0.05m/s。它的安裝是靠兩塊板固定再導(dǎo)軌上的。4.1.2.閥類零件的選擇閥A、B、E均相同，選用SR561CN閥D、F選用SR561- DN閥C選用SR550RN4.1.3.空壓機的選擇3選擇空壓機的根據(jù)是氣動系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量兩個主要參數(shù)。氣缸E單個的耗氣量q為：t=6sq=0.00009813 m/s氣缸A、B、D、F相同，它的單個的耗氣量為：t=1sq=0.00009813 m/s氣缸C的單個的耗氣量為：t=40sq=0.00004019 m/sq=q=(2q+4q2q)0.004 m/sq=kkq=0.51.21.40.004=0.0036 m/s0.216 m/min選擇空壓機型號為：VD2.24.2 機器人動作循環(huán)要求根據(jù)墻壁清潔機器人的工作要求，擬定它的動作順序如下：圖41機器人氣動系統(tǒng)圖機器人的實際動作詳述：（1） 開始（2） 機器人的污水回收裝置（氣缸A）伸出（3） 機器人的清洗工具刷子（氣缸B）伸出（4） 無桿氣缸C動作，帶動刷子左右往復(fù)運動，達到洗刷墻面的作用（5） 洗刷完畢，刷子（氣缸B）收回（6） 接水裝置（氣缸A）跟著收回（7） 上位的夾緊缸（氣缸D）松開（8） 氣缸E的活塞桿動作，推動機器人的上半部分運動（9） 氣缸E的活塞運動到終點，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的缸體動作，拉動機器人的下半部分運動（12） 氣缸E的缸體運動到終點，接著下位的夾緊缸（氣缸F）立刻夾緊鋼絲繩（13） 接著機器人又開始新一輪的清洗工作（循環(huán)到開始步驟）第五章 墻壁清潔機器人控制系統(tǒng)設(shè)計5.1 機器人的控制要求 控制系統(tǒng)是爬壁清洗機器人的核心部分，采用PLC主控系統(tǒng)，負責(zé)完成對爬壁機器人的行走和定位、清洗作業(yè)裝置的控制，對控制系統(tǒng)的總體要求為:1) 機器人移動系統(tǒng)的控制；中間兩個稍大的控制機器人上升的雙作用氣缸；八個夾緊用的雙作用氣缸。2) 清洗裝置的控制；兩個帶動刷子左右移動的無桿氣缸的控制；一個帶動刷子收縮的雙作用氣缸的控制。3）污水回收裝置的控制；兩個帶動接水裝置伸縮的雙作用氣缸的控制。機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計遵循可靠、小型化、輕量化、便于操作維護的設(shè)計思想。采用PLC控制完成動作命令，是機器人系統(tǒng)的主控系統(tǒng)。該機器人系統(tǒng)直接安裝在爬壁機器人本體上，隨機器人一起上下運動，使得整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為緊湊。機器人的工作空間為幾十米或近百米的高樓外壁面，因此，必須對機器人進行遙控操作，實現(xiàn)人對機器人的遠程控制。5.2 機器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計5圖51控制系統(tǒng)的硬件原理圖控制系統(tǒng)由下位主控計算機、上位監(jiān)控計算機及上下位機之間的無線射頻通訊三部分組成，如圖51所示。本機器人系統(tǒng)下位主控器采用的是可編輯邏輯控制器（programmable controller,以下簡稱為PLC），它被直接安裝在機器人本體上，實現(xiàn)對機器人具體動作的控制，同時采集機器人各個時刻運動狀態(tài)，傳送給上位機。之所以選擇PLC為下位主控器是由爬壁機器人的控制要求和PLC的特點決定的，工業(yè)控制經(jīng)驗表明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9105.3.1 PLC的選型由于機器人控制系統(tǒng)為一小型控制系統(tǒng)，因此可以選用小型PLC.另外要實現(xiàn)上下兩級計算機間的信息交換，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電纜直接與計算機連接，因此我們選用OMRON公司的CQMI型PLC.它的基本組成如圖53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，容易擴展，而且結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小在本機器人系統(tǒng)中，PLC作為下位機控制單元，其輸入主要為各接近開關(guān)和操作按鈕開關(guān).輸出主要為各個電磁換向閥的輸出信號.這些開關(guān)決定PLC輸入輸出點數(shù).總共所需要的輸入點數(shù)為13點，輸出點數(shù)為12點，考慮到以后擴展的需要，我們選用一塊16點晶體管輸出模塊和一塊16點輸入模塊。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52表52輸 入 設(shè) 備 輸 入 地 址 輸 出 設(shè) 備輸 出 地 址停止按鈕SB1I100A缸上升電磁閥YA1Q201啟動按鈕SB2I101A缸下降電磁閥YA2Q202A缸的上工位信號a1I102B缸上升電磁閥YB1Q203B缸的上工位信號b1I103B缸下降電磁閥YB2Q204C缸的右工位信號c1I104C缸動作電磁閥YC1Q205B缸的下工位信號b0I105D缸夾緊電磁閥YD1Q206A缸的下工位信號a0I106D缸松開電磁閥YD2Q207D缸的松開信號d0I107E缸上升電磁閥YE1Q208E缸的上工位信號e1I108E缸下降電磁閥YE2Q209D缸的夾緊信號d1I109F缸夾緊電磁閥YF1Q210F缸的松開信號f0I110F缸松開電磁閥YF2Q211E缸的下工位信號e0I111F缸的夾緊信號f1I1125.3.3 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)論機器人是當(dāng)今世界各國加大力度研究的前沿科學(xué)，它綜合了機械、電子、控制、計算機等多學(xué)科領(lǐng)域的知識，在某種意義上體現(xiàn)著一個國家科技的發(fā)展水平?！皦Ρ谇鍧崣C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現(xiàn)建筑清洗行業(yè)的自動化，減輕工人的勞動強度，降低成本，有著很高的推廣價值。在本文的研究過程中，作者閱讀了大量的文獻資料，了解國內(nèi)外“爬壁機器人”的概況。在了解社會對清潔機器人的需求的基礎(chǔ)上，針對爬壁機器人的移動和監(jiān)控特有的問題，進行了系列的研究。在指導(dǎo)老師的的指導(dǎo)下，本文獨立的完成了以下幾方面的內(nèi)容：1） 研制了壁面清洗機器人的移動系統(tǒng)，實現(xiàn)了其在壁面的垂直移動能力。并且結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便、可靠。2） 研制了壁面清洗機器人的控制系統(tǒng)，成功的實現(xiàn)了上下兩級計算機控制系統(tǒng)對機器人進行控制，對機器人的控制可