幕墙清洗机器人的自攀爬机构设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
攀爬运 动 实 现 机 器 人 在 壁 面 高 度 方 向 的 移 动!攀 爬 运 动 机 构 的 设 计 是 机 器 人 设 计 的 关 键% 自攀爬清洗机器人通过主框体与后箱体的往复运 动和前后抓持机构 交 替 抓 持 滑 动 导 杆 #简 称 为 滑 杆 $实 现 在 球 形 曲 面 壁 面 上 的 攀 爬 !同 时 通 过 俯 仰 调节机构实时调节机器人与壁面的姿态%滑杆是 独立于机器人系 统 之 外 的 附 属 部 件!机 器 人 通 过 抓持滑杆使抓持 铰 实 现 抓 持 功 能!同 时 构 成 机 器 人与滑杆之间( 方 向 的 约 束!保 证 机 器 人 不 会 从 壁 面 上 滑 落 ’另 一 方 面 滑 杆 与 船 形 板 插 配 !构 成 机 器人与滑杆之间/ 方 向 的 约 束!保 证 机 器 人 不 会 在壁面法线方向 脱 离 壁 面!这 样 用 机 械 结 构 的 方 法使机器人的安全性和可靠性得到了保证%综上 所述!攀 爬 运 动 机 构 包 括 攀 爬 驱 动 机 构&抓 持 机 构 &俯 仰 调 节 机 构 &船 形 结 构 以 及 附 件 滑 杆 等 % "/$/"! 抓 持 铰 及 抓 持 机 构
机 ’ #"(!$ 壁面移动机器人都是 通 过 吸 附 力 附 着 在 不 但 影 响 建 筑 物 的 美 观!且 需 要 增 加 大 笔 投 资’
壁面上的#-!1$!吸附 易 受 环 境 状 况 %如 缝 隙(胶 条( 即便如此!有些 建 筑 物 也 缺 乏 安 装 楼 顶 装 置 的 条
装饰条(局部缺陷(墙面折角等&的影响!造成吸附 件!如球面等曲面建筑物’
中 国 机 械 工 程 第 "1 卷 第 "% 期 $##- 年 V 月 上 半 月
球面幕墙清洗机器人的自攀爬机构设计
唐 伯 雁"! 张 慧 慧"! 宗 光 华$! 费 仁 元"! !
"/北 京 工 业 大 学 机 械 工 程 与 应 用 电 子 技 术 学 院 !北 京 !"###$$! ! $/北 京 航 空 航 天 大 学 机 器 人 研 究 所 !北 京 !"###R!! !
* "1#R万*方数据
作者简介!傅建中!男!"VSR 年 生’ 浙 江 大 学 机 械 工 程 学 系 微 系 统研究发展中心副 教 授(博 士’ 主 要 研 究 方 向 为 微 机 电 系 统(微 流体芯片(精密机 械’ 获 省 科 技 进 步 二 等 奖 " 项’ 发 表 论 文 -# 余篇’相恒富!男!"V%S年生’浙江 大 学 机 械 工 程 学 系 微 系 统 研 究发展中心博士研究生’陈 子 辰!男!"V1# 年 生’ 浙 江 大 学 机 械 工 程 学 系 微 系 统 研 究 发 展 中 心 教 授 (博 士 研 究 生 导 师 ’
自 攀 爬 清 洗 机 器 人 由 主 框 体 &后 箱 体 &清 洗 系 统 &控 制 器 四 大 部 分 组 成 !图 $ 所 示 为 第 一 台 攀 爬 清洗机器 人 样 机% 该 机 器 人 共 $1 个 关 节!其 中 "% 个 主 动 关 节 !R 个 被 动 关 节 %
! 图 <! 机 器 人 样 机 及 其 关 节 构 造
图 ;! 国 家 大 剧 构
;/;! 自 攀 爬 构 型 移动机器人载体的构型主要有轮式&履带式&腿
足式等%机器人的自攀爬构型是指由两个做相对直 线运动的主体通过往复运动完成机器人移动功能的 结构方式%本文机器人的一个主体#后箱体$通过抓 持机构与导 轨 结 成 可 靠 的 支 点!主 框 体 相 对 后 箱 体 运动从而实 现 机 器 人 的 移 动’然 后 主 框 体 与 导 轨 结 成支点!后 箱 体 相 对 主 框 体 移 动!为 主 框 体 #即 机 器 人$的下一次移动作好准备!二者如此反复运动实现 机器人的 运 动% 自 攀 爬 构 型 的 基 本 特 征 是"机 器 人 本体由两个 平 行 关 系 的 主 体 构 成!在 某 种 意 义 上 二 者可以相互转换%这种机器人的运动特点是采用间 歇式运动方式!能够实现大跨度移动%
#! 引 言
目前幕墙清洗 机 器 人 的 研 究 已 成 为 热 点!国
翻’由于吸附 方 式 存 在 可 靠 性 问 题!需 要 在 建 筑 物 顶 部 设 置 可 移 动 的 楼 顶 装 置 %如 楼 顶 小 车 (爬 轨
内 外 有 关 文 献 已 报 道 了 多 种 清 洗 机 器 人 样 器等&牵引机器人的保险钢丝绳!以确保安全’这
D=26MD5@6F5:7K5F96&’$ _6E=D]GEF=H/4:3D76I:>
-%RV
)5@D:H=@9675@E67J )5@D:=7;57==D57;!$##-!"-""R$
#1$!\:FF57;’!\:L[=X!‘=@[=D.!=F6I/(:IGH=D)5Q
("RV
@D:>6MD5@6F5:7+=@97:I:;5=E/)5@D:EGEF=H +=@97:I:Q ;5=E!$##$!$R"!$(!S
67,8-+.8"+95EL6L=DLD=E=7F=J67:C=IE=I>0E@D6HMI= H=@9675EH :>K6II@I=6757;D:M:FK95@9
K6EEL=@56IIGJ=E5;7=J>:DF9=96I>0=II5LE:5J:3F0K6II:>F9=,6F5:76IOD67J+9=6F=D:>&9576/*IQ F9:3;9E:H=D:M:FE96JM==7J=C=I:L=J>:DK6II@I=6757;67J57EL=@F5:7!H:EF:>F9=H K=D=:>F=7D=Q EFD5@F=JMGF9=5D6ME:DM57;J=C5@=E!K95@9F9=7J=@D=6E=JF9=D=I56M5I5FG67JE6>=FG/N7EF=6J:>F9=6MQ E:DM57;J=C5@=E!F9=D:M:FJ=L=7JE:7;D6EL57;09:IJ57;L5C:FEF:H:C=:7C=DF5@6I:DJ=@I5757;K6IIE/
’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’
!! @6F5:7:>(I6EF5@ )5@D:>I35J&9677=IEMGNHLD57F57; #R$!]76[=7M:D;T!ZI67[ .!Z3FF=D4(/)5@D:EFD3@F3Q
)=F9:JE/*76IGF5@6I&9=H5EFDG!"VV%!SV"-%R!(
+9=E=I>0E@D6HMI=H6@957=K6E676IG8=J67JJ5E@3EE=J57J=F65I67JF9=E=I>0E@D6HMI=H:C57;LD:@=Q
J3D=EK=D=J=E@D5M=J/ 9$1:"-#,"D:M:F)E=I>0E@D6HMI=)@3DF657@I=6757;);D6EL57;09:IJ57;L5C:F
抓持铰通过俯仰调节机构驱动来获得角位移 并 实 现 机 器 人 攀 爬 运 动 过 程 中 的 面 面 转 换 !因 此 ! 抓持铰的角位移参数由攀爬过程中的面面转换角 确定%抓持铰的角位移大小由构成抓持各要素的 几 何 参 数 来 决 定 !即 与 受 抓 杆 0 滚 轮 中 心 距 &船 形 板厚度及受抓杆 和 滚 轮 直 径 等 四 个 参 数 有 关!角 位移的最大值为$$#$ 的定义见图!$!且
!!!!摘要"针对国家大剧院的超椭球外墙!开 发 了一 种采 用自攀爬 构型的 新 型清洗机器人#这种机器 人 没 有 吸 附 装 置!而 是 通 过 机 器 人 与 壁 面 构 成 高
可靠性的抓持铰实现 在 垂 直$倾 斜 的 壁 面 上 移 动# 分 析 和 讨 论 了 机 器 人 的
自 攀 爬 机 构 原 理 !介 绍 了 机 器 人 的 自 攀 爬 运 动 过 程 # 关 键 词 "机 器 人 )自 攀 爬 )幕 墙 清 洗 )抓 持 铰
唐伯雁!博士研究生
中 图 分 类 号 "+($-$/!! ! 文 章 编 号 ""##-0"!$! %$##-&"%0"1#R0#-
?$,&(’")@$%)0@.-+27%$!$./+’&,2)"-@5/$-&.+%@3-)+.$4%$+’&’(A"7"8 +67;‘:G67"!?967; .35935"!?:7;O367;936$!2=5\=7G367" "/‘=5A57; B75C=DE5FG:>+=@97:I:;G!‘=5A57;!"###$$ $/‘=5967; B75C=DE5FG!‘=5A57;!"###R!
万方数据
! ! 主 框 体 是 机 器 人 的 承 载 体 !包 括 本 体 框 架 &前 抓持 机 构&俯 仰 调 节 机 构&攀 爬 驱 动 机 构&船 形 结 构 &清 洗 运 动 驱 动 机 构 及 其 他 辅 助 部 件 等 !本 体 框 架采用轻质的铝型材构成%后箱体上安装了后夹 持 机 构 !它 与 主 框 体 之 间 采 用 滑 动 连 接 !通 过 攀 爬 驱动机构的同步 带 驱 动!后 箱 体 能 够 相 对 主 框 体 往复运动% ;/<! 攀 爬 运 动 机 构 设 计
在 攀 爬 运 动 过 程 中 !抓 持 手 &滑 杆 和 船 形 板 三 者之间构成的抓 持 铰 是 实 现 攀 爬 运 动 的 关 键!图 ! 所示为抓持 铰 的 模 型 及 其 角 位 移 产 生 的 机 理% 前后抓持机构都 能 构 成 抓 持 铰!机 器 人 在 运 动 过 程中!至少构成 一 个 前 #或 后$抓 持 铰% 所 以 从 这 一点来说 机 器 人 在 运 动 过 程 中 始 终 铰 接 在 壁 面 上%相对于吸 附 方 式 突 然 性 的 失 效 形 式!抓 持 铰 的 破 坏 是 连 续 的 &有 预 兆 的 !且 不 易 受 外 界 因 素 的 干 扰 !因 而 其 可 靠 性 大 大 提 高 !抓 持 铰 的 高 可 靠 性 保证了机器人的高安全性%
力 减弱甚 至完全丧失 !最终 导 致 机 器 人 滑 落 或 跌
国家大剧院的 外 墙 为 超 椭 球 结 构!由 钛 金 属
收 稿 日 期 "$##-0#!0#" 基 金 项 目"国 家 RS! 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 %$##"**-$$$R#&
幕墙和玻璃幕 墙 构 成!长 轴 $"$H!短 轴 "-SH!高 -SH!外观见图"’ 由 于 建 筑 结 构 独 特!幕 墙 的 清 洗难度极大’但其幕墙上有规律地分布着环形导
#V$!&9DGEE:I:3D5EO/_6E=D )6@95757;"+9=:DG67J(D6@Q
F5@=/,=K a:D["]LD57;=!"VV"
%编 辑 ! 苏 卫 国 &
#S$!)@Z=:K7(/2D:H )5@D:0 F:,67:0H6@95757;0
F:K6DJEF9= ,67:H=FD=^D6/]=7E:D\=C5=K!"VVS! "S"-("# #%$!ZI67[ .!Z3FF=D4(!O=E@9[=’/&’$0_6E=D)5Q @D:H6@95757;67J ‘6@[0=7J (D:@=EE57;>:D \6L5J (D:J3@F5:7:>())*0M6E=J )5@D:>I35J5@]GEF=HE/ _6M&95L!$##$!$"$-$($-S
球 面 幕 墙 清 洗 机 器 人 的 自 攀 爬 机 构 设 计 ))) 唐 伯 雁 ! 张 慧 慧 ! 宗 光 华 等
轨 !为 笔 者 提 供 了 新 的 思 路 "机 器 人 通 过 抓 持 安 装 在 导 轨 上 的 滑 动 导 杆 !在 导 轨 层 间 攀 爬 !从 一 个 层 高到达另 一 个 层 高!实 现 沿 壁 面 的 纵 向 #层 高 方 向$运动%本文着 重 分 析 和 讨 论 球 面 幕 墙 清 洗 机 器 人 的 关 键 技 术 "自 攀 爬 机 器 人 构 型 和 机 构 设 计 ! 并介绍了机器人的攀爬运动过程%
机 ’ #"(!$ 壁面移动机器人都是 通 过 吸 附 力 附 着 在 不 但 影 响 建 筑 物 的 美 观!且 需 要 增 加 大 笔 投 资’
壁面上的#-!1$!吸附 易 受 环 境 状 况 %如 缝 隙(胶 条( 即便如此!有些 建 筑 物 也 缺 乏 安 装 楼 顶 装 置 的 条
装饰条(局部缺陷(墙面折角等&的影响!造成吸附 件!如球面等曲面建筑物’
中 国 机 械 工 程 第 "1 卷 第 "% 期 $##- 年 V 月 上 半 月
球面幕墙清洗机器人的自攀爬机构设计
唐 伯 雁"! 张 慧 慧"! 宗 光 华$! 费 仁 元"! !
"/北 京 工 业 大 学 机 械 工 程 与 应 用 电 子 技 术 学 院 !北 京 !"###$$! ! $/北 京 航 空 航 天 大 学 机 器 人 研 究 所 !北 京 !"###R!! !
* "1#R万*方数据
作者简介!傅建中!男!"VSR 年 生’ 浙 江 大 学 机 械 工 程 学 系 微 系 统研究发展中心副 教 授(博 士’ 主 要 研 究 方 向 为 微 机 电 系 统(微 流体芯片(精密机 械’ 获 省 科 技 进 步 二 等 奖 " 项’ 发 表 论 文 -# 余篇’相恒富!男!"V%S年生’浙江 大 学 机 械 工 程 学 系 微 系 统 研 究发展中心博士研究生’陈 子 辰!男!"V1# 年 生’ 浙 江 大 学 机 械 工 程 学 系 微 系 统 研 究 发 展 中 心 教 授 (博 士 研 究 生 导 师 ’
自 攀 爬 清 洗 机 器 人 由 主 框 体 &后 箱 体 &清 洗 系 统 &控 制 器 四 大 部 分 组 成 !图 $ 所 示 为 第 一 台 攀 爬 清洗机器 人 样 机% 该 机 器 人 共 $1 个 关 节!其 中 "% 个 主 动 关 节 !R 个 被 动 关 节 %
! 图 <! 机 器 人 样 机 及 其 关 节 构 造
图 ;! 国 家 大 剧 构
;/;! 自 攀 爬 构 型 移动机器人载体的构型主要有轮式&履带式&腿
足式等%机器人的自攀爬构型是指由两个做相对直 线运动的主体通过往复运动完成机器人移动功能的 结构方式%本文机器人的一个主体#后箱体$通过抓 持机构与导 轨 结 成 可 靠 的 支 点!主 框 体 相 对 后 箱 体 运动从而实 现 机 器 人 的 移 动’然 后 主 框 体 与 导 轨 结 成支点!后 箱 体 相 对 主 框 体 移 动!为 主 框 体 #即 机 器 人$的下一次移动作好准备!二者如此反复运动实现 机器人的 运 动% 自 攀 爬 构 型 的 基 本 特 征 是"机 器 人 本体由两个 平 行 关 系 的 主 体 构 成!在 某 种 意 义 上 二 者可以相互转换%这种机器人的运动特点是采用间 歇式运动方式!能够实现大跨度移动%
#! 引 言
目前幕墙清洗 机 器 人 的 研 究 已 成 为 热 点!国
翻’由于吸附 方 式 存 在 可 靠 性 问 题!需 要 在 建 筑 物 顶 部 设 置 可 移 动 的 楼 顶 装 置 %如 楼 顶 小 车 (爬 轨
内 外 有 关 文 献 已 报 道 了 多 种 清 洗 机 器 人 样 器等&牵引机器人的保险钢丝绳!以确保安全’这
D=26MD5@6F5:7K5F96&’$ _6E=D]GEF=H/4:3D76I:>
-%RV
)5@D:H=@9675@E67J )5@D:=7;57==D57;!$##-!"-""R$
#1$!\:FF57;’!\:L[=X!‘=@[=D.!=F6I/(:IGH=D)5Q
("RV
@D:>6MD5@6F5:7+=@97:I:;5=E/)5@D:EGEF=H +=@97:I:Q ;5=E!$##$!$R"!$(!S
67,8-+.8"+95EL6L=DLD=E=7F=J67:C=IE=I>0E@D6HMI= H=@9675EH :>K6II@I=6757;D:M:FK95@9
K6EEL=@56IIGJ=E5;7=J>:DF9=96I>0=II5LE:5J:3F0K6II:>F9=,6F5:76IOD67J+9=6F=D:>&9576/*IQ F9:3;9E:H=D:M:FE96JM==7J=C=I:L=J>:DK6II@I=6757;67J57EL=@F5:7!H:EF:>F9=H K=D=:>F=7D=Q EFD5@F=JMGF9=5D6ME:DM57;J=C5@=E!K95@9F9=7J=@D=6E=JF9=D=I56M5I5FG67JE6>=FG/N7EF=6J:>F9=6MQ E:DM57;J=C5@=E!F9=D:M:FJ=L=7JE:7;D6EL57;09:IJ57;L5C:FEF:H:C=:7C=DF5@6I:DJ=@I5757;K6IIE/
’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’
!! @6F5:7:>(I6EF5@ )5@D:>I35J&9677=IEMGNHLD57F57; #R$!]76[=7M:D;T!ZI67[ .!Z3FF=D4(/)5@D:EFD3@F3Q
)=F9:JE/*76IGF5@6I&9=H5EFDG!"VV%!SV"-%R!(
+9=E=I>0E@D6HMI=H6@957=K6E676IG8=J67JJ5E@3EE=J57J=F65I67JF9=E=I>0E@D6HMI=H:C57;LD:@=Q
J3D=EK=D=J=E@D5M=J/ 9$1:"-#,"D:M:F)E=I>0E@D6HMI=)@3DF657@I=6757;);D6EL57;09:IJ57;L5C:F
抓持铰通过俯仰调节机构驱动来获得角位移 并 实 现 机 器 人 攀 爬 运 动 过 程 中 的 面 面 转 换 !因 此 ! 抓持铰的角位移参数由攀爬过程中的面面转换角 确定%抓持铰的角位移大小由构成抓持各要素的 几 何 参 数 来 决 定 !即 与 受 抓 杆 0 滚 轮 中 心 距 &船 形 板厚度及受抓杆 和 滚 轮 直 径 等 四 个 参 数 有 关!角 位移的最大值为$$#$ 的定义见图!$!且
!!!!摘要"针对国家大剧院的超椭球外墙!开 发 了一 种采 用自攀爬 构型的 新 型清洗机器人#这种机器 人 没 有 吸 附 装 置!而 是 通 过 机 器 人 与 壁 面 构 成 高
可靠性的抓持铰实现 在 垂 直$倾 斜 的 壁 面 上 移 动# 分 析 和 讨 论 了 机 器 人 的
自 攀 爬 机 构 原 理 !介 绍 了 机 器 人 的 自 攀 爬 运 动 过 程 # 关 键 词 "机 器 人 )自 攀 爬 )幕 墙 清 洗 )抓 持 铰
唐伯雁!博士研究生
中 图 分 类 号 "+($-$/!! ! 文 章 编 号 ""##-0"!$! %$##-&"%0"1#R0#-
?$,&(’")@$%)0@.-+27%$!$./+’&,2)"-@5/$-&.+%@3-)+.$4%$+’&’(A"7"8 +67;‘:G67"!?967; .35935"!?:7;O367;936$!2=5\=7G367" "/‘=5A57; B75C=DE5FG:>+=@97:I:;G!‘=5A57;!"###$$ $/‘=5967; B75C=DE5FG!‘=5A57;!"###R!
万方数据
! ! 主 框 体 是 机 器 人 的 承 载 体 !包 括 本 体 框 架 &前 抓持 机 构&俯 仰 调 节 机 构&攀 爬 驱 动 机 构&船 形 结 构 &清 洗 运 动 驱 动 机 构 及 其 他 辅 助 部 件 等 !本 体 框 架采用轻质的铝型材构成%后箱体上安装了后夹 持 机 构 !它 与 主 框 体 之 间 采 用 滑 动 连 接 !通 过 攀 爬 驱动机构的同步 带 驱 动!后 箱 体 能 够 相 对 主 框 体 往复运动% ;/<! 攀 爬 运 动 机 构 设 计
在 攀 爬 运 动 过 程 中 !抓 持 手 &滑 杆 和 船 形 板 三 者之间构成的抓 持 铰 是 实 现 攀 爬 运 动 的 关 键!图 ! 所示为抓持 铰 的 模 型 及 其 角 位 移 产 生 的 机 理% 前后抓持机构都 能 构 成 抓 持 铰!机 器 人 在 运 动 过 程中!至少构成 一 个 前 #或 后$抓 持 铰% 所 以 从 这 一点来说 机 器 人 在 运 动 过 程 中 始 终 铰 接 在 壁 面 上%相对于吸 附 方 式 突 然 性 的 失 效 形 式!抓 持 铰 的 破 坏 是 连 续 的 &有 预 兆 的 !且 不 易 受 外 界 因 素 的 干 扰 !因 而 其 可 靠 性 大 大 提 高 !抓 持 铰 的 高 可 靠 性 保证了机器人的高安全性%
力 减弱甚 至完全丧失 !最终 导 致 机 器 人 滑 落 或 跌
国家大剧院的 外 墙 为 超 椭 球 结 构!由 钛 金 属
收 稿 日 期 "$##-0#!0#" 基 金 项 目"国 家 RS! 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 %$##"**-$$$R#&
幕墙和玻璃幕 墙 构 成!长 轴 $"$H!短 轴 "-SH!高 -SH!外观见图"’ 由 于 建 筑 结 构 独 特!幕 墙 的 清 洗难度极大’但其幕墙上有规律地分布着环形导
#V$!&9DGEE:I:3D5EO/_6E=D )6@95757;"+9=:DG67J(D6@Q
F5@=/,=K a:D["]LD57;=!"VV"
%编 辑 ! 苏 卫 国 &
#S$!)@Z=:K7(/2D:H )5@D:0 F:,67:0H6@95757;0
F:K6DJEF9= ,67:H=FD=^D6/]=7E:D\=C5=K!"VVS! "S"-("# #%$!ZI67[ .!Z3FF=D4(!O=E@9[=’/&’$0_6E=D)5Q @D:H6@95757;67J ‘6@[0=7J (D:@=EE57;>:D \6L5J (D:J3@F5:7:>())*0M6E=J )5@D:>I35J5@]GEF=HE/ _6M&95L!$##$!$"$-$($-S
球 面 幕 墙 清 洗 机 器 人 的 自 攀 爬 机 构 设 计 ))) 唐 伯 雁 ! 张 慧 慧 ! 宗 光 华 等
轨 !为 笔 者 提 供 了 新 的 思 路 "机 器 人 通 过 抓 持 安 装 在 导 轨 上 的 滑 动 导 杆 !在 导 轨 层 间 攀 爬 !从 一 个 层 高到达另 一 个 层 高!实 现 沿 壁 面 的 纵 向 #层 高 方 向$运动%本文着 重 分 析 和 讨 论 球 面 幕 墙 清 洗 机 器 人 的 关 键 技 术 "自 攀 爬 机 器 人 构 型 和 机 构 设 计 ! 并介绍了机器人的攀爬运动过程%