机械手-壁面清洗机器人设计

摘要
壁面清洗机器人是一个实用性很强的装置。

自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术受到人们的广泛关注，但是，大都是进行了一些试验性质的研究，其相关的理论分析尚不成熟。

作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工作具有简单、重复的特点，比较适合机器人自主工作，壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益和经济效益。

因此，壁面清洗机器人有着良好的应用前景。

本文首先对壁面清洗机器人这个课题的来源、目的及意义进行了阐述，简单介绍了国内外壁面清洗机器人的发展情况，对壁面清洗机器人的几种不同的移动方式及吸附方式进行了比较，最后采用了多吸盘的框架式结构，具有结构简单、操作方便等优点。

接着对壁面清洗机器人的总体方案进行了设计，设计了行走机构以及转向机构，通过平动气缸与腿部气缸来实现机器人的移动，并且通过对壁面吸附可靠性的分析选择了吸盘、吸盘支座及快拧接头等部件，还对其它的气动元件进行了选型，并且绘制了气压系统图。

最后对壁面清洗机器人的控制系统进行了设计，采用了三菱的FX系列可编程控制器进行控制，并对可编程控制器的结构特点及工作原理进行了简单的介绍，然后分析了本设计中壁面清洗机器人的工作过程，对可编程控制器的输入输出端口进行了分配，并且编写了程序的梯形图。

关键词：壁面清洗机器人，多吸盘的框架式结构，行走机构，转向机构，壁面吸附可靠性，可编程控制器
ABSTRACT
Wall-cleaning robot is a very practical device.Since the sixties of this century,the climbing robot and related technology have greatly provoked word wide attention.But most of them are carried out some pilot studies,the relevant theoretical analysis is not yet ed as a cleaning climbing robot,its cleaning is simple and repetitive,and to compare autonomous robots for work.Wall-cleaning robot is cleaning high-rise building wall for the purpose of mobile robot,its appearance would be extremely reduce the cost of cleaning high-rise buildings,improve the working environment of workers and increase productivity.It will also greatly promote the cleaning industry, bringing considerable social and economic benefits.Therefore,the wall-cleaning robot has a good prospect.
This article first wall-cleaning robot from the subject,purpose and meaning is described,briefly introduced the development of domestic and international situation wall-cleaning robot for wall-cleaning robot moving in several different ways and adsorption compared.Finally,using the framework of multi-suction-type structure,with simple and convenient operation.Then on the wall-cleaning robot has been designed overall program designed to walk institutions and steering mechanism,through the translation cylinder and cylinder to achieve the robot’s legs move,and by adsorption on the wall of the reliability of selected sucker,sucker bearing and quick screw joints and other components,also carried out other pneumatic components selection,and rendering the air pressure system diagram.Finally,wall-cleaning robot control system design,using a Mitsubishi FX series programmable controller to control,and the structural features of PLC and working principle of a simple introduction,and then analyzes the design the working process of wall-cleaning robot,the programmable controller input and output ports of the distribution,and has prepared a program of the ladder.
Key words:wall-cleaning robot, framework of multi-suction-type structure, walk institutions, steering mechanism, adsorption on the wall of the reliability, the programmable controller
目录
1绪论 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
1.1爬壁机器人 ------------------------------------------------------------------------------------------ 1
1.2课题的来源、目的与意义 --------------------------------------------------------------------- 2
1.3国内外壁面清洗机器人的研究现状------------------------------------------------------- 2
1.4课题主要内容及技术参数 -------------------------------------------------------------------- 12
1.5本章小结 --------------------------------------------------------------------------------------------- 13 2壁面清洗机器人设计 ------------------------------------------------------------------------------- 14
2.1壁面清洗机器人的组成------------------------------------------------------------------------ 14
2.2行走机构的设计 ---------------------------------------------------------------------------------- 15
2.3转向机构的设计 ---------------------------------------------------------------------------------- 23
2.4吸附装置的选取 ---------------------------------------------------------------------------------- 27
2.5壁面清洗机器人的框架以及吸盘安装板的设计------------------------------------ 31
2.6控制阀及其它气动元件的选取------------------------------------------------------------- 34
2.7气路的设计 ----------------------------------------------------------------------------------------- 37
2.8本章小结 --------------------------------------------------------------------------------------------- 38 3壁面清洗机器人控制系统设计 -------------------------------------------------------------- 39
3.1引言 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 39
3.2可编程序控制器的简单介绍 ---------------------------------------------------------------- 39
3.3壁面清洗机器人控制系统的设计 --------------------------------------------------------- 44
3.4本章小结 --------------------------------------------------------------------------------------------- 52 4结论 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 53 参考文献 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 54 致谢 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 55
1绪论
1.1爬壁机器人
捷克的剧作家卡雷尔·凯培尔最先提出了机器人这个词语，体现出了人类想要创造出一种能够模仿人的行动的机器，从而能代替人类去进行不同的工作的一种长久的愿望。

国际ISO组织把机器人定义为一种自动的、位置可以控制的、具有编程功能的多功能机械手，然而我国的蒋新松院士则建议把机器人定义为一种拟人功能的机械电子装置。

机器人是一种涉及到电子学、机械工程、控制理论、人工智能、仿生学、力学等多种学科相互交叉以及计算机技术、传感器技术、控制技术、电子技术、驱动技术等多种技术相互融合的复杂系统，也是一种边缘科学。

机器人技术水平的高低在某种意义上能够体现出一个国家工业生产能力与科技水平的综合能力，随着科学技术的迅速发展以及人类生产和生活需求的不断增长，机器人技术被广泛应用到人类生活中的方方面面，它已经成为了高技术领域内具有代表性的研究目标，并且为社会带来了巨大的经济效益。

机器人技术的出现以及发展不但从根本上改变了传统的工业生产，对人类的社会生活也产生了深远的影响。

壁面爬行机器人是从极限作业机器人中产生出的一个分支，它主要在壁面或者高空中移动的同时进行作业，由于在现代社会中有许多作业场合对人的身体有比较大的伤害，甚至不适合人类亲身投入其中，这种情况下壁面爬行机器人便可以代替人类去完成这些危险工作，因此爬壁机器人的重要性越来越得到人类的认可。

目前国内外的许多现场作业中已经投入了相当数量的壁面爬行机器人，其主要集中在以下几个行业：
（1）核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚以及焊缝探伤等
（2）石化工业：对圆形大罐或者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：用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并且对瓷砖和玻璃壁面进行清洗等
（4）消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作等
（5）造船行业：用于喷涂船体或轮船内壁等
（6）电力行业：用于对电站锅炉水冷壁管壁厚度进行测量等
本文所设计的壁面清洗机器人属于壁面爬行机器人在建筑行业中的运用，主要用于对建筑物玻璃以及光滑外壁的清洗。

1.2课题的来源、目的与意义
清洗工人搭乘吊篮、升降平台或者直接腰系绳索，进行高空擦洗。

虽然简便易行，但劳动强度大，工作效率低，稍有不慎还就会出现坠落事故，造成伤亡，人工作业的效率也很低。

随着人类社会的不断进步，科学技术的日益发展，人们对生活质量和工作环境的要求越来越高，为了提高清洗效率并且把清洗工人从恶劣的工作环境中解脱出来，有待开发一种自动清洗作业系统。

壁面清洗机器人是一种实用性很强的装置。

自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术的研究受到了人们广泛的关注，但是大都只是进行了一些实验性质的研究，其相关的理论分析还不成熟，结构设计虽然百花齐放，但真正能用于实际工作的却很少。

作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工具具有简单、重复的特点，比较适合机器人的自主工作，壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将会极大地降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，同时提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的经济效益和社会效益。

因此，壁面清洗机器人具有良好的应用前景。

1.3国内外壁面清洗机器人的研究现状
壁面清洗机器人是一种由两部分组成的清洗用机器人，两个组成部分分别是可以自由移动的本体以及本体上搭载的清洗系统，由于壁面清洗机器人的本体机构是设计的主体，因此壁面清洗机器人与壁面移动机器人的发展有着很大的关联。

1.3.1国外壁面清洗机器人的研究现状
壁面移动机器人是能够在垂直的壁面上进行移动的一种机器人，在机械上有显著成就的日本壁面移动机器人的研究方面尤其积极。

1966年，大阪府立大学工学部的讲师西亮就已经用电风扇的进气一侧的低压空气所产生的负压来产生吸附力，从而制造了壁面移动机器人的原理样机。

1975年，升为宫崎大学工学部教授的西亮制作了二号样机，该样机为单吸盘结构，并且使用轮子作为行走方式的爬壁机器人。

1978年，化工机械技术服务株式会社制造了名为Walker的爬壁机器人，这个爬壁机器人使用单吸盘结构，用真空泵产生负压来产生吸附力，由两个滚子和两条用来行走的皮带组成行走机构，滚子和皮带能够形成真空的腔体。

该爬壁机器人的转向是由两个滚子和皮带的速度之间的差来完成的。

该机器人由一个严重的缺点，当壁面上出现裂缝时，它的真空便很难维持。

图1-1 Walker机器人
关西电力株式会社制造的履带式壁面移动机器人利用均匀分布在履带上及本体底部的吸盘来完成直线和转向运动，但是越障能力较差。

图1-2 履带式壁面移动机器人
日本日挥株式会社的佐藤多秀研发制造了一种利用负压吸盘来吸附的双吸盘结构轮式爬壁机器人，该机器人由前后两个吸盘以及中间的本体结构组成。

吸盘与壁面由密封的气囊来接触，该密封气囊在机器人运动时能够维持吸盘内部的吸附压力。

在机器人的前后两个吸盘上各自安装有四个轮子，吸盘通过安装在其内部的轮子来进行吸附。

前后两端的轮子分别由一个电机来控制，通过同一个吸盘上的两个电机的不同转速来改变机器人的运动方向。

图1-3 轮式壁面移动机器人
日本宫崎大学研制的推力吸附机器人借鉴了航空航天的技术，利用螺旋桨或者涵道风扇来产生推力，从而让机器人吸附在壁面上，并且吸附稳定可靠。

由于螺旋桨或涵道风扇所产生的推力是指向壁面的，因此该机器人能够非常容易地跨越障碍。

图1-4 推力吸附机器人概念模型
日本东京消防厅所属的消防科学研究所研究制造了一种用作急救的攀援机器人，该机器人是采用单吸盘的履带式结构的爬壁机器人，通过履带间的速度差来实现转向功能。

东京煤气公司与日立制作所研发了一种用来检查工作时的球形煤气罐的焊缝的壁面爬行机器人，该机器人采用步行式的行走机构，机器人的内外两个框架上各自装了八个带吸盘的脚，由装在脚上的气缸来控制脚的伸缩，两
个框架的相对运动是由直流伺服阀通过传动机构来实现的，该结构具有带负载能力强的优点。

日本国际机器人公司研发的名为空中勇士的壁面清洗机器人使用了脚步式的行走机构，该机器人由两个本体组成，各自安装有三只脚，三只脚可以进行伸缩运动，每只脚的端部都装有吸盘，通过两个本体上的脚的交互吸附来实现机器人的移动。

英国的朴茨茅斯大学研制了名为Robug的爬壁机器人，该机器人的脚借鉴了蜘蛛脚的结构，每个脚上都装有吸盘，通过吸盘吸附壁面从而在壁面上进行移动。

Robug III型爬壁机器人有八只脚，在每只脚上都安装了微处理器和吸盘。

采用气缸对脚进行驱动。

该机器人与其它机器人最大的不同是每条腿上都装有控制器，通过对机器人的远程遥控可以控制机器人往任何方向移动。

另外朴茨茅斯大学还设计了Bigfoot、Toad、The Nero Series Vehicles、Tribot等多种壁面爬行机器人，这些壁面爬行机器人都是根据使用要求的不同而被设计出来的。

图1-5 Robug III机器人
意大利卡塔尼亚大学研发制造的Alicia系列机器人是用来对壁面进行检测的爬壁机器人，其中Alicia2型机器人由一个吸盘和两个轮子所组成，吸盘的作用是对壁面进行吸附，使用两个直流电机来控制两个轮子，从而能够使转向更加的灵活。

该爬壁机器人最大的缺点就是越障能力较差，而Alicia3型机器人正是由于越障能力差这种缺点而被开发出来的，该型号机器人由三个Alicia2型机器人组成，两两间用一根杆来连接，要进行越障动作时其中两个机器人吸附另外一个机器人抬起便能轻松地实现越障功能。

图1-6 Alicia3机器人
1986年，美国国际机器人公司研发制造了名为SkyWasher的壁面爬行机器人，该机器人用来对摩天大楼进行清洗。

它由两组L型的框架相对地进行滑动以及交替地吸附来实现移动功能，在每组框架上都装有三个脚掌，每个脚掌上还安装有两个真空吸盘，真空吸盘能够与壁面进行相对的直线运动，该机器人还可以实现横向的移动，并且具有一定的越障能力。

图1-7 SkyWasher机器人
1990年，美国的卡内基梅隆大学的Wolfe研发制造了一种以十字几何结构为基础的直动式壁面移动机器人ANDI。

该机器人采用了由龙骨和横梁构成的十字构型，在简化结构的同时提高了爬壁机器人的工作效率。

机器人的横梁沿着龙骨滑动并且通过足部的吸盘对壁面交替进行吸附来实现梁式行走，在横梁上装有
涡流探测器，能够起到检测的作用，在横梁沿着龙骨运动的同时能够使探测器对壁面进行扫描。

这种机器人还装有四个摄像头，沿着龙骨排成一排，四个摄像头中紧邻探测器的摄像头为广角镜头并且处在最高的位置，能够在监控机器人的同时进行导航和避开障碍等动作。

这种机器人第一次将十字构型用到机器人结构当中，这种结构不仅能够实现爬壁机器人的移动和越障功能，更能够简化控制的算法，从而提高爬壁机器人的工作效率和工作可靠性。

图1-8 ANDI爬壁机器人
德国的Fraunhofer研究所研发制造的SIRIUSC壁面清洗机器人在工作时在机器人工作的建筑物的顶部有一个随动小车，这个小车除了起到安全的作用外，还能够对壁面清洗机器人的侧向移动进行控制，由于该壁面清洗机器人只有上下运动的功能，随动小车则用来控制机器人的左右运动。

该机器人的移动机构是由两个线性模块组成的，在每个模块上都安装了真空吸盘，模块采用伺服电机进行控制。

图1-9 SIRIUSC壁面清洗机器人
从1990年开始，西班牙的CSIC大学的工业自动化研究所研发制造了两种不同的磁吸附壁面爬行机器人。

一种是推进式壁面爬行机器人，该机器人由两个运动链所组成，运动链的末端有两个电磁吸附元件。

该机器人由三个关节组成，每个关节由一个直流电机和齿轮进行驱动，最大旋转角速度为130度/秒，运动链的长度为200毫米，机器人本体重6千克。

另一种是名为REST的壁面爬行机器人，该机器人有六条腿，每条腿由电机和齿轮进行驱动，机器人的控制器装在本体上。

图1-10 REST爬壁机器人
加拿大的University of British Columbia研发制造的名为Window Washer的爬壁机器人主要用于清洗玻璃窗，该机器人也采用了十字构型，其水平臂和垂直臂呈十字形分布，通过电机的驱动来实现两个方向的运动，水平臂和垂直臂上都安装有吸盘组，通过吸盘组交替进行吸附与两臂的相对运动机器人能够实现垂直方向和水平方向的移动，机器人有四个圆盘刷，两个一组分别安装于垂直臂的两端，机器人沿着垂直方向运动时对壁面或玻璃进行清洗。

该机器人的吸附方式采用了用电动来驱动的真空吸附式，能够改善采用全气动的驱动方式的机器人的气动位置的伺服精度以及驱动力不够的问题。

图1-11 Window Washer机器人
1.3.2国内壁面清洗机器人的研究现状
在我们国家从七十年代的初期开始研究以及开发机器人，1975年，川崎重工业公司在北京举办的日本科技展览会上展出了Unimate-2000型的搬运机器人，从此在我国便掀起了第一个机器人的研究浪潮，许多单位都开始了对机器人的研制。

哈尔滨工业大学的机器人研究所研发设计了我国的第一台爬壁式遥控检查机器人，它主要用来对核废料储罐的安全情况进行检查，该机器人的特点为用了一种称为“全方位轮”的新结构轮子作为行走的机构，这是瑞典的MECANUM公司的全新的技术。

哈尔滨工业大学从1988年起研发制造了两种壁面爬行机器人，1996年研发成功的多功能履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人是针对石油企业的储油和储水钢罐定期喷砂除锈、喷漆防腐及涂层厚度等进行检测工作而研发制作的；哈尔滨工业大学所研发制造的另外一种机器人是一种单吸盘的轮式爬壁机器人，该机器人为真空吸附式，并且采用了全方位的车轮结构，在机器人本体的方向位置不改变的状况下可以沿着任意的直线方向进行运动，这种机器人本体重量为20千克，能够负载15千克，移动速度为0-2米/分钟，控制系统采用了微机控制与遥控。

图1-12 多功能履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人
图1-13 单吸盘轮式驱动爬壁机器人
北京航空航天大学从1996年开始先后研发制造了WHSHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、灵巧型擦窗机器人、吊篮式擦窗机器人以及蓝天洁宝等等一系列的清洗机器人，前三种壁面清洗机器人都是全气动式的自主步行移动清洗机器人，采用了十字框架结构，机器人上所有的部件都是由气缸来驱动的，十字框架结构由两个无杆气缸组成，这样的壁面清洗机器人有着结构紧凑的特点。

机器人在可以伸缩的腿部上装有真空吸盘，能够通过腿部交替的吸附以及气缸的运动在玻璃幕墙或壁面上进行横向或者纵向的运动以及实现越障功能。

CLEANBOT和SKYCLEANER这两种清洗机器人在两个主要气缸之间设置了腰关节，在机器人发生偏斜的时候能够通过纠偏运动让机器人回到正常运动的状态，SKYCLEANER机器人的腿部与吸盘采用了微动铰链连接，可以克服玻璃面上的二度折角变化。

灵巧型擦窗机器人重量只有20kg，尺寸为0.4m×0.8m×0.2m（宽×长×高）。

吊篮式擦窗机器人通过模拟人类的手擦窗的动作来进行清洗作业，蓝天洁宝是一种被动式的清洗机器人，它具有结构简单、工作效率高等特点。

图1-14 WHSHMAN机器人
图1-15 CLEANBOT机器人
图1-16 SKYCLEANER机器人
北京清华大学的机器人与自动化实验室研发制作出名为TH-ClimberI的大型油罐的自动检测系统，该系统是以磁吸附式壁面爬行机器人作为载体的，在磁吸附式壁面爬行机器人的左右两边各自装了两个带轮，两个带轮以前后分布，分别与安装了永磁块的履带进行啮合，从而组成了机器人的移动机构。

这种机器人采用了以两个后轮为主驱动轮的驱动方式，由一台直流伺服电机通过谐波减速器来带动后轮。

在磁吸附式壁面爬行机器人的面对壁面的一边安装了涡流检测组件，这种组件通过直流电机与同步带机构来带动涡流探头在垂直于机器人运动路线的方向上来回地进行移动，通过继电器及行程开关来实现机器人的转向。

这种机器人能够自动纠正运动路线上的偏差并且识别出机器人当前所在的位置，是一种拥有一定智能的爬壁机器人。

上海大学的特种机器人技术应用研究室研发制造了多真空吸盘的多层框架式壁面爬行机器人，这种机器人拥有三层框架，上下两个框架都能够与中间框架进行相对的直线运动，中间框架则可以带动上框架一起与下框架作相对的旋转运动，在上下两个框架上分别安装了四个真空吸盘，可以通过上下框架的吸盘的交替吸附实现机器人在壁面上的移动，该机器人的最大移动速度为7m/min，机器人本体重量为50kg，负载能力为55kg，能够越过高为60mm的高度，控制系统采用了无线射频的遥控操作。

浙江工业大学的机电学院正在自行研发一种以气动柔性驱动器为基础的小型多吸盘式壁面爬行机器人，这种壁面爬行机器人采用真空吸附，可以实现在平地或壁面上进行直线或弯曲的爬行。

该机器人的结构主要由驱动装置、吸附装置以及提升装置构成。

吸附装置包括五个吸盘以及相同数量的真空发生器，运动时保持三个以上的吸盘同时进行吸附。

香港城市大学研制了一种十字架构的全气动式爬壁机器人，这种壁面爬行机器人由壁面爬行机器人本体、供应小车、空压机以及控制器组成，本体长度为1220mm，宽为1340mm，高度为370mm，机器人本体重量为30kg。

该机器人的本体由两个垂直正交的气缸所组成，通过两个垂直正交的气缸的伸缩来实现机器
人在各个方向上的移动，这种机器人还有一个由摆动气缸所组成的腰关节，用来校正方向上的误差。

在机器人的水平和垂直气缸的端部安装有4个垂直于壁面的气缸作为机器人的腿部，通过机器人的4条退的伸缩来完成机器人的越障动作。

机器人的清洗装置安装在水平气缸的两侧，清洗装置能够通过水平气缸的伸缩运动来实现对左右方向的清洗工作。

机器人的每条腿上都安装有4个吸盘，机器人通过这些吸盘对壁面进行吸附，从而保证机器人不会滑落。

机器人可以通过由一个CCD摄像机和两个激光二极管所组成的视觉系统来测量其本体与窗户的相对位置，视觉系统还具有识别工作表面的卫生情况以及确定要清洗的位置的功能。

这种机器人由于采用了十字架构以及真空吸附，并且采用气压来进行驱动，因此结构简单，灵活性好，但是存在着清洗的盲区，以及整体的刚性比较差等缺点。

图1-17 十字型架构的全气动式爬壁机器人
1.4课题主要内容及技术参数
课题主要内容：
（1）完成壁面移动机构设计和相关计算，真空吸附、气压驱动的框架式结构的设计，清洗作业装置的设计；
（2）气动系统的设计；
（3）PLC控制系统设计。

壁面清洗机器人的技术参数列表：
（1）爬行速度：4-10m/min
（2）爬行高度：0-100m
（3）清洗速率：100-150mz/h
（4）越障高度：50mm
（5）控制方式：PLC控制
（6）本体重量：20kg
（7）负载能力：15kg
（8）移动方式：脚步移动式
1.5本章小结
本章对课题的来源、目的与意义进行了介绍，对国内外壁面清洗机器人的研究现状进行了分析，并且列出了本课题的主要内容和技术参数。