爬壁清洗机器人及壁面适应性研究

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上海交通大学硕士学位论文
摘要
依据。 本文从分析机器人的运动学方程入手，对调整机器人姿态的算法进 行了研究，并采用高精度的倾角传感器作反馈，将其应用到机器人的姿 态控制中，从而提高了机器人的运动控制精度和工作效率。 本文最后介绍了该爬壁清洗机的实验情况，实验结果表明该机器人 对壁面泄漏具有一定适应能力，下滑清洗过程中能始终保持平稳姿态， 并能很好的完成壁面清洗工作，具备较好的壁面适应性。
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第一章 绪论
器人的研究还没有比较成熟、可靠的方案[1]。 玻璃幕墙清洗机器人的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一 次新的革命。同时通过更换其周边设备可适应其他的操作任务，其主要系统壁面移动 机器人载体可以深入应用到核工业、石化、消防、造船等行业[2-7]。
行了研究并采用高精度的倾角传感器作反馈将其应用到机器人的姿
上海交通大学 硕士学位论文 爬壁清洗机器人及壁面适应性研究 姓名：刘华涛 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：赵言正 20060201
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摘要
爬壁清洗机器人及壁面适应性研究
摘 要
目前大部分高楼玻璃幕墙的清洗由人工完成，这种清洗方式不仅效 率低，而且因工作环境恶劣极易发生事故。本文研究的爬壁清洗机器人 是一种能够在垂直壁面上移动并完成清洗作业的服务机器人，该机器人 可实现高楼外墙清洗的自动化，大大改善了工作环境、提高了清洗效率。 本论文首先介绍了目前爬壁机器人的研究现状，阐明本课题的研究 目的和意义。在参阅大量文献、总结和借鉴现有清洗机器人的基础上， 提出并实现了一种采用双吸盘负压吸附式且自身无驱动装置的高楼玻璃 幕墙清洗机器人方案。 本文介绍了清洗机器人的组成结构，详细分析了各部分的工作原理。 在此基础上阐述机器人控制系统的主要问题，并提出一种保证机器人稳 定工作的主从分布式控制方案。分别研究了楼顶安全保护系统、机器人 本体系统、便携控制箱三个分系统及它们之间采用无线通讯的控制方案。 本文在介绍该清洗机器人的基础上，根据其带有滑动式吸盘的特点 着重研究了该机器人的壁面适应性。通过吸盘负压吸附控制和机器人姿 态调整两个方面的研究，提高了机器人的壁面适应能力。 本文研究了负压吸附式爬壁机器人吸盘的理想密封系统模型，并采 用流体网络理论，将吸盘结构参数分别等效为流阻、流容，建立了双吸 盘流体网络模型。在该模型基础上分析吸盘系统在不同情况下的负压动 态响应曲线，为吸盘的结构设计以及提高吸盘壁面适应能力提供了理论
学位论文作者签名：刘华涛
日期：2006 年 2 月 16 日
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关键词：爬壁机器人，幕墙清洗，壁面适应性，负压吸附，姿态调整
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ABSTRACT
STUDY ON A WALL-CLEANING ROBOT AND ITS ADAPTABILITY TO WALL SURFACE
ABSTRACT
At present, most cleaning work of skyscrapers' glass wall is performed by cleaners to data. It is hard work under horrible environment with low efficiency, moreover it is dangerous. Wall-climbing robot is a kind of mobile service robot, which can climb on the surface of building and clean it. This provides city construction industry with a highly efficient wall-climbing robot for cleaning glass wall automatically and improves the work efficiency and environment greatly. At first, this paper introduces the research state of this kind of robots and then lays out the purpose and importance of this study. The author proposes a non-actuated wall-cleaning robot prototype using dual suction cups with adhering alternatively method with reference to present foreign and domestic relevant research work. This paper introduces the detail constitution of the cleaning robotic system and analysis on operation principle of each component. The key technology in control system of this robot is expounded and the author proposes a master-slave control system to guarantee its working reliability. Security system on roof, control system of robot, the master portable box and the wireless communication between them are discussed in the paper. After introducing the cleaning robot, this paper focuses the research on adaptability for wall surface and improves the adaptability with negative
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学位论文作者签名：刘华涛
指导教师签名：赵言正
日期：2006 年 2 月 16 日
日期：2006 年 2 月 16 日
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第一章 绪论
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景、目的及意义
随着城市的现代化发展，一座座高楼拔地而起，据 2003 年的资料显示，在过去 的 10 年间，上海出现了 3000 座 18 层以上的大楼。而因为外边美观和优良的采光效 果，这些大楼的外表面多采用玻璃幕墙，随之而来的是繁重的高楼外表面清洗工作。 由于环境的日益恶化，高楼外表面越来越容易受到污染，如果不能得到及时清洗，将 严重影响城市的市容环境卫生。很多城市都制定了相应的法规，例如北京市于 2000 年 8 月公布实施《北京市城市建筑物外立面保持整洁管理规定》 ，要求建筑物、构筑 物外立面为玻璃幕墙的，至少每年清洗一次。然而，长期以来，这类工作仍由清洗工 人搭乘吊篮进行高空作业来完成，既危险、工作效率又低，对人身安全、玻璃壁面都 有很大的威胁性，高空清洗事故时常发生。 与此同时， 伴随各学科的高速发展， 机器人技术的研究与应用随之进得更深更广。 在问世 40 年后的今天，工业机器人也逐渐被世人看作是一种生产工具，在制造、装 配及最近在服务行业，机器人的应用取得了明显的进步。 其中，爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业 的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。概括起来，爬壁机器人主要用于： (1) 核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等； (2) 石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防 腐等； (3) 建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等； (4) 消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作； (5) 造船业：用于喷涂船体的内外壁等。 如此，将爬壁机器人应用于高楼玻璃幕墙清洗的问题就凸现出来。壁面清洗机器 人也属于移动式服务机器人的一种， 可在垂直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗作 业。壁面清洗机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境， 提高劳动生产率，具有相当的社会、经济意义和广阔的应用前景。而目前针对此类机
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ABSTRACT
pressure control and posture modulation. Moreover, this paper presents fluidic network theory to analyze the negative pressure in the suction cups and get flow resistance and flow capacitance from the equivalent of the structure parameter of suction cups. To offer academic basis for designing suction cup, the author establishes a model of dual suction cups and vacuum pumps, and studies the dynamic response curves with different conditions based on fluidic network theory. The robot posture estimation algorithm according to the analysis of kinetics equation is investigated theoretically. The motion precision is increased by adopting this algorithm with feedback of high performance posture sensor. Finally, experimental results of the wall-cleaning robot are performed. The results show that the robot can keep proper posture and do excellent work in cleaning glass wall surface of high buildings. It proves that the posture and negative pressure control algorithm works well and the robot has good adaptability to wall surface.
Keywords: wall-climbing robot, skyscraper cleaning, adaptability to wall surface, negative pressure adhering, posture adjusting
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上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明： 所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。