新型载体高楼壁面清洗机器人

天津大学
硕士学位论文
新型载体高楼壁面清洗机器人
姓名：郭秀丽
申请学位级别：硕士
专业：机械设计及理论
指导教师：郭玉申;洪鹰
20050101
摘
要

使用壁面清洗机器人进行高层建筑壁面自动清洗，其关键技术为机器人的载
体方式及清洗技术。本文研究的目的是设计一种更可靠，适应面更广的高层建筑
清洗作业系统，以提高清洗效率，彻底改善清洗人员的工作条件，该机器人因此
具有极高的推广应用价值。
本文作者通过查阅大量国内外文献资料，对国内外爬壁机器人包括壁面清洗
机器人的技术研究现状进行系统分析，提出一种新型的载体方式，并基于技术实
现的考虑，深入分析了该机器人在理论和实际开发中存在的技术难点，研制了串
联索控壁面清洗机器人。所研制的机器人具有较强的楼面适应能力，清洗效率高，
清洗效果好，节约用水，可靠性高等特点。
串联索控方式的壁面清洗机器人由载体机构、清洗机构、张力控制机构三部
分组成，清洗机构又包括清洗作业装置、风机推进装置、液压顶起装置、底轮机
构。本文进行了该清洗机器人的结构设计，并在此基础上对机器人进行了运动分
析及上行工作过程中的动力学分析，充分考虑了高空风力的作用，提出了机器人
运行走偏的补偿方法。
另外，对壁面清洗机器人的控制方案进行了初步研究。根据机器人的结构及
运动特点，采用分布式控制方式，并对主要硬件进行了选型，保证了清洗机器人
系统整体可靠性、实用性。
机器人载体方式一直是爬壁机器人亟待解决的问题，本文有针对性地对串并
联索控方式进行了分析，为此类载体方式机器人的设计提供了理论依据，对其他
类型的机器人设计也有一定的借鉴作用。

关键词：爬壁机器人清洗机器人载体方式
串联索控
结构设计
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学位论文作者签名：孰奄丽导师签名：
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第～章绪论
１．１课题研究背景
第一章绪论

壁面清洗爬壁机器人（Ｗａｌｌ．Ｃｌｅａｎｉｎｇ
Ｒｏｂｏｔ）属于移动式服务机器人（Ｓｅｒｖｉｃｅ
Ｒｏｂｏｔ）的一种…，可在垂直壁面及屋顶移动（ＣｌｉｍｂｉｎｇａｎｄＷａｌｋｉｎｇ
Ｒｏｂｏｔ）进行
物体表面的清洗作业。在服务行业使用的机器人，要求所提供的服务技术含量较
高，实现的可能性较大，它的市场潜力大，对用户有使用价值，对经营者有经济
效益。与普通工业机器人领域不同，服务机器人是一种只适合于具体的方式、环
境及任务过程的机器人系统。清洗用的机器人就是近期急待开发的服务机器人之
一，而高楼壁面清洗机器人同时作为爬壁机器人的一个分支，越来越受到人们的
重视，原因是爬壁机器人作为高空极限作业的一种自动机械装置，可以代替人进
行危险作业，把人们从恶劣的工作环境中解脱出来。日本对爬壁机器人的研究处
于领先水平，早在１９８３年，日本通产省就制定了“极限条件下作业机器人”的
国家研究计划［２】，其中爬壁机器人被列为主要研究开发项目。目前国内外已有一
定数量的爬壁机器人投入现场作业。
人类社会不断进步，科学技术曰益发展，人们对生活质量和工作环境的要
求越来越高，现代城市高楼林立，大厦壁面很多采用瓷砖结构或玻璃幕墙结构，
常年裸露在外，必须进行维护清洁。长期以来，高楼大厦的外墙壁清洗，都是“一
桶水、一根绳、一块板”的作业方式。迄今为止，大楼壁面清洗的自动化设备尚
未得到很好解决，这类工作仍由人工搭乘吊蓝吊凳进行高空作业来完成（如图
１．１所示是目前几乎所有玻璃幕墙建筑物清洁外表面的方法），高空气流使吊蓝和
工作人员难以平衡，对人身安全和大楼壁面构成很大的威胁（如图１－２所示青年
时报于２００４年４月５日刊在第四版显著位置的一篇报道），并且这种作业方式效
率低、成本高。越来越多的高层建筑在设计初期便将清洗问题考虑在内，尤其是
很多瓷砖、玻璃壁面表面平整、无大的障碍，如图１—３所示，非常适合采用壁面
清洗机器人进行清洗。
清洗爬壁机器人的使用将大大改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有
一定的社会、经济意义和广阔的应用前景。而目前用于这方面的设备上没有得到
很好的解决，尤其在载体方式方面，世界上有很多国家都开展了这方面的研究工
作。因此，本论文展开了新型载体方式高层建筑清洗爬壁机器人系统的研究，本
课题项目的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命，
也为爬壁机器人载体方式提供了一种新的思路。
第一章绪论
图１－１清洗高层建筑壁面
ＣｌｅａｎｉｎｇｔｈｅＷａｌｌｏｆＨｉｇｈ－ｒｉｓｅＢｕｉｌｄｉｎｇ

图１．２青年时报报道
Ａ
ＲｅｐｏｒｔｏｆｔｈｅＹｏｕｔｈＴｉｍｅｓ１．２ｌ皂壁机器人的分类及特点图１－３高层建筑的全封闭玻璃幕墙ＣｌｏｓｅｄＥｎｔｉｒｅｌｙＧｌａｓｓＷａｌｌｏｆＨｉｇｈ—ｒｉｓｅＢｕｉｌｄｉｎｇ

机器人能够在壁面上自由移动并且进行作业，必须具备三大功能，即吸附功
能、移动功能、作业功能，吸附与移动功能即决定于机器人载体方式，现有爬壁
机器人主要按吸附和移动功能来进行分类的【ｌＪ【２Ｊ【３Ｊ。
１．按照吸附功能分类，爬壁机器人可分为：真空吸附、磁吸附和推力吸附
三类。真空吸附法是通过真空发生装置，使吸盘内腔产生负压，机器人利用吸盘
内外的压力差贴附在壁面上。真空吸附法由于不受壁面材质的限制，适应范围广，
但当遇到壁面接缝时吸盘易漏气，从而吸附力下降，承载能力降低。
磁吸附法要求壁面必须是导磁材料，但它结构简单、吸附力大，对壁面的凹凸适
应性强，不存在真空吸附法的漏气问题，因而当壁面材料导磁时，使用磁吸附式
爬壁机器人有它突出的优点。磁吸附法分为永磁体和电磁体两种产生磁力的方
式。
推力吸附借鉴了航空技术，使用螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力，使机
器人稳定、可靠地贴附壁面上，并在壁面上移动。这种吸附方式具有壁面适应性
好，越障容易等优点，但控制系统复杂。这种吸附方式的典型代表是日本西亮教
授１９９０年推出的一种推进型壁面移动机器人。
２．按移动方式分类爬壁机器人可分为车轮式、履带式、脚足式。
２．按移动方式分类爬壁机器人可分为车轮式、履带式、脚足式。