墙壁清洁机器人

墙壁清洁机器人的设计

第一章绪论

1.1 课题的背景、目的及意义[1]

壁面清洗爬壁机器人属于移动式服务机器人的一种，可在垂直壁面或顶部移动，完成其外表面的清洗作业。在工业机器人问世30多年后的今天，它已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，由于传感器、控制、驱动及材料技术领域的进步，通过智能机器人系统，首次在制造业领域以外开辟了机器人应用的新领域，让自主机器人作为“人的助手”，使人们的生活质量得以提高。目前在许多领域已经进行了很大的努力来开发服务机器人系统，并力争在较大范围内使用它们。这些机器人系统尽管有不同的应用领域，但它们所从事的工作则仅限于以下几种：

1.维护保养

2.修理

3.运输

4.清洗

5.保安及救援

6.数据采集

7.其它

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，还要求它的市场潜力大，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。物体及平面清洗用的机器人是急待开发的服务机器人之一。现代城市高楼林立，以15－30层楼居多，高达近百米，壁面多数采用瓷砖结构和玻璃幕墙结构，有的还敷设塑铝板等，常年裸露在外，需要进行许多壁面维护工作。目前这类工作仍由清洗工人搭乘吊缆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，如图1－1所示。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、不大的障碍，非常适合于采用壁面清洗机器人进行清洗。

爬壁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，具有一定的社会、经济意义和广阔的应用前景。该项目的研制成功，将会实

现清洗作业的自动化，给清洗作业带来一次新的革命。同时通过更换周边设备可适应其它的操作任务，其主要系统壁面移动机器人载体可深入应用到核工业、石化、消防、造船等行业，机器人装备摄像机、超声波传感器等可对核废液储罐、轮船等建筑物外壁进行检查、测厚及焊缝探伤等，若装备喷砂、喷漆机构可对金属罐壁进行喷砂除锈、喷漆防腐等操作，还可喷涂巨幅壁画，装上温度传感器、摄像机等可从高楼上对火情作出判断，传递救援物资等。

图1－1工人清洗建筑高层壁面

1.2 爬壁机器人的分类及特点

机器人能够在壁面上自由移动并且进行作业，必须具备三大机能，即吸附机能、移动机能、作业机能，爬壁机器人主要按吸附和移动机能来进行分类。

1）按照吸附机能分类，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，但当壁面凹凸不平时吸盘容易漏气，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，磁吸附法又分为永磁体和电磁体两种产生磁力的方式。

推力吸附借鉴力航空技术，使用螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力，使机器人稳定、可靠的贴附在壁面上，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。

三种吸附方式的具体比较见表1－2.

表1–2 爬壁机器人三种吸附方式的比较

2）按照移动方式分类爬壁机器人可分为车轮式、履带式、脚足式。三种移动方式的比较见表1－3.

表1–3 爬壁机器人三种移动方式的比较

不同的贴附方式和移动方式可以组成多种不同功能和用途的爬壁机器人，如负压吸附车轮式爬壁机器人，负压吸附履带式爬壁机器人，负压吸附多足式爬壁机器人等。每一种形式的爬壁机器人都各有其特点，分别适用于不同的场合，选用时需根据具体的使用条件

进行不同的选择。

1.3 爬壁机器人的用途[2]

近几年来，机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。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；

（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。

1.4 爬壁机器人的发展概况

1.4.1国外爬壁机器人的发展概况

1.真空吸附爬壁机器人发展概况

〈1〉单吸盘爬壁机器人发展概况

1966年，日本大阪府立大学工学部的西亮讲师成功研制了世界上第一台垂直壁面移动机器人的原理样机，并于1975年制作了以实用化为目标的第二号样机，如图1－4所示。该机器人采用单个大吸盘结构，利用电风扇进气侧低压作用产生吸附力，使机器人可靠贴附在壁面上；利用履带机构实现爬壁机器人在垂直壁面上的移动功能。

1990年，俄国机械科学研究院研制成功了一种用于清洗作业的单吸盘爬壁机器人，如图1－5所示。它采用单吸盘结构，吸盘内有移动结构、清洗作业装置以及控制单元。真空由直接与真空室相连的螺旋风扇形成，真空室四周围有密封性良好的弹性材质，工作时最大真空压力为0.007MPa，两对独立驱动的车轮实现机器人在壁面的移动和转向机能，在机器人本体上装有用来控制、调节真空吸盘真空度的真空传感器。

图1–4西亮的二号机器人图1–5俄国的清洗机器人综上所述，单吸盘爬壁机器人都有一个共同的特点，即皆有与壁面间存在相对滑动的单一真空吸盘或是机器人自身机壳的密封装置同壁面形成一个真空室，这种形式的爬壁机器人可实现小型化、轻量化、结构简单、易于控制；但要求壁面有一定的平滑度，越障能力差，对于复杂壁面环境或者遇到较大的沟槽、凹凸时，吸盘内的负压难以维持，且由于存在相对滑动，吸盘裙边磨损厉害。

〈2〉多吸盘爬壁机器人发展概况

1982年，日本宫崎大学的西亮教授研制出了双足爬壁机器人，如图1－6所示。这种机器人结构简单，对复杂壁面环境具有良好的适应性，它是靠安装在腿末端的吸盘产生的吸附力贴附在壁面上的，吸盘内的负压由抽风机产生；通过两条腿的交替吸附实现机器人在壁面上的移动，移动时通过脚腕的倾斜与圆规脚开闭的适当组合，便可以翻越一定高度的台阶，进而再与脚腕的回转相组合，就能实现多种壁面环境下的移动。但由于腿长、重心高，在垂直壁面或天花板移动时，有一定的危险性。

近几年来，英国南岸大学继研制出四足壁面步行机器人RobugⅡ后，又开发了Robug Ⅲ型爬壁机器人，如图1－7所示。该机器人有八条腿，类似巨型蜘蛛，研制者计划用于抢险营救工作中。Robug Ⅲ能进行地面到壁面、壁面到天花板等多种工作面之间的转换，能够跨越楼梯等障碍。

图1–6双足机器人图1–7 RobugⅢ爬壁机器人综上所述，多吸盘真空吸附式爬壁机器人，负载能力较大，对壁面适应能力好，但其