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

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ＡＲｅｐｏｒｔｏｆｔｈｅＹｏｕｔｈＴｉｍｅｓ１．２ｌ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。

第一章绪论

附室与壁面脱离时，能自动与真空管路断开而连接大气。“ＶＡＣＳ”左右的两条履带中间有一个中央吸盘，用以实现机器人大角度转向，这种结构的爬壁机器人具有如下三大优点：移动是连续的；吸盘与壁面间没有相对滑动，吸盘不易磨损；对壁面的适应性强。其缺点是：机构复杂，转弯不易。日本关西电力综合技术研究所已采用该技术做出了“混凝土建筑物的壁面检查机器人”。

世界上除日本之外，其他国家也开发了多种爬壁机器人。１９８６年美国国际机器人公司研制了用于清洗摩天大楼的爬壁移动机器人ＳＫＹＷＡＳＨＥＲ，如图１－４所示。该机器人的移动由两组Ｌ型手臂相对滑动，交替吸附来实现，每组手臂有三只脚掌，每只脚掌上有两只真空吸盘，吸盘相对于壁面可以作直线运动，该机器人允许横向移动，并可跨越一定高度的障碍。

１９９４年，美国Ｗｉｃｈｉｔａ＇Ｊ＋｝立大学的Ｂ．Ｂａｈｒ等人研制成功了ＲＯＳＴＡＭ—ＩＩＩ多吸盘真空吸附式爬壁机器人。

１９９５年，佛如里达大学的ＰｈｉｌｌｉＰＤ．Ａｄｓｉｔ等人研制了多吸盘框架式爬壁机器人。该机器人是针对检查核反应堆来设计的，机器人主要有真空系统、回转、直线运动系统和作业系统构成。

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。机器人采用动物型腿，在每条腿上具有两个半自由度，即两个旋转自由度和半个垂直于移动平面的棱柱形被动伸缩自由度。同年，德国Ａａｌｅｎ商业技术学院研制成功了一种单履带多吸盘的清洗爬壁机器人，如图１．５所示。

综上所述，多吸盘真空吸附式爬壁机器人，负载能力大，对壁面适应能力好，但其结构比较复杂，控制不方便。

图ｌ－４“Ｓｋｙｗａｓｈｅｒ”爬壁清洗机器人

“ＳｋｙＷａｓｈｅｉ＂’ＣｌｅａｎｉｎｇＲｏｂｏｔ１．３．２磁吸附庭壁机器人发展概况图１－５德国的履带式清洗机器人ＣｒａｗｌｅｒＲｏｂｏｔｏｆＧｅｒｍａｎｙ

如果壁面材料为导磁材料时，采用磁吸附有很大的优点。

１９８４年，日本制作所的内藤绅司等人研制了脚式磁吸附爬壁机器人。

第一章绪论

１．４国内爬壁机器人发展状况

在国内爬壁机器人的研究虽然起步比较晚，但发展比较迅速，上海大学从１９８７年开始在上海市科委和国家８６３的支持下，率先从事爬壁机器人的研究。此后，哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学等单位也相继开展了这方面的研究，目前己取得了阶段性的成果。

上海大学特种机器人技术应用研究室开发研制了多层框架、多真空吸盘式爬壁机器人系列，如图１－９所示。由三层框架组成，内外框分别可以相对于中间框架作直线运动，中间框架带着外框架可作相对于内框架的回转运动，内外框架上各装备有四个真空吸盘，通过内外吸盘的交替吸附使机器人在壁面上自由运动。

哈尔滨工业大学先后研制了两种类型的爬壁机器人，一种是单吸盘轮式驱动爬壁机器人。另一种是磁吸附履带式爬壁机器人。真空吸附式爬壁机器人采用全方位车轮机构，微机控制和有线遥控，在机器人本体方位保持不变的情况下，机器人能够沿任意直线方向移动。在此基础上，目前又开发了一套用于壁面清洗作业的爬壁机器人系统，采用单吸盘结构与独立驱动的两轮移动机构，机器人运动更加灵活，其采用电力载波遥控操作。

北京航空航天大学机器人研究所研制了壁虎系列爬壁机器人，如图１．１０所示。该机器人采用双层十字框架本体结构，通过十字框架之间的相对运动，完成机器人的上下、左右运动，八只吸盘分两组与十字框架相连，通过吸盘的交替吸附实现机器人的贴附和移动功能，通过吸盘相对于壁面伸缩运动，实现机器人的越障功能。该机器人系统是针对清洗高层建筑物的目的开发的。

１９９８年，该机器人研究所又开发了一种新型的擦窗机器人，如图１．１１所示。它借鉴了航空技术，机器人主体部分为一涵道风扇，由电机驱动产生指向壁面的推力，使机器人贴附在壁面上，通过装在楼顶的缆车拉动，实现机器人的上下运动，其移动部分不自带动力，仅为四个导向车轮。

令

图１－９壁面清洗机器人图１．１０十字框架型壁面清洗机器人图１－１１绳索牵引擦窗机器人Ｗａｌｌ．ｃｌｅａｎｉｎｇＲｏｂｏｔＷｉｎｄｏｗ－ｃｌｅａｎｉｎｇＲｏｂｏｔＣａｂｌｅＤｒｉｖｅｎＣｌｅａｎｉｎｇＲｏｂｏｔ