爬墻機器人

爬墻機器人,機器人 畢業(yè)設計（論文）開題報告 題目爬墻機器人總體結構及清洗裝置、控制系統(tǒng)硬件設計 專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化 班 級 學 號 03031236 學 生 姓 名 蔡系文 指 導 教 師 袁坤 填 表 日 期 2007 年 04 月 05 日 說 明 開題報告應結合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）、研究內容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內容。以下填寫內容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當修改。但每個專業(yè)填寫內容應保持一致。 一、選題的依據(jù)及意義： 爬壁機器人是極限機器人的一個分支，主要在壁面或頂部進行移動作業(yè)。由于現(xiàn)代社會中，有許多場合必須采取良好的安全防護措施才能實施作業(yè)，如：原子能發(fā)電站中強發(fā)射線下的作業(yè)，海底石油勘探等深水作業(yè)，災害時的消防救援作業(yè)等，這些工作對于國民經(jīng)濟發(fā)展的重要性與日俱增。而爬壁機器人作為其中的主要開發(fā)項目得到了蓬勃的發(fā)展。目前，國內外已經(jīng)有相當數(shù)量的爬壁機器人投入現(xiàn)場作業(yè)，主要應用于以下幾個方面： l 核工業(yè) 對核廢液貯管進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等； l 石化工業(yè) 對圓形大罐或球形罐的內外壁面進行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐等； l 建筑行業(yè) 用于噴涂巨型壁面，安裝瓷磚并對瓷磚、玻璃壁面進行清洗等； l 消防部門 用于傳遞救援物資、進行救援工作等； l 造船行業(yè) 用于噴涂船體或輪船內壁等； l 電力行業(yè) 對電站鍋爐水冷壁管壁厚度的測量等。 隨著城市建設的發(fā)展，越來越多的高層建筑出現(xiàn)在大都市中，并成為城市現(xiàn)代化的基于采光和美觀的緣故，許多高層建筑都以玻璃幕墻或其他幕墻為外裝飾，但也因此帶來了建筑物幕墻的清洗問題。高大建筑物的幕墻清洗是一項繁重而危險的工作。國內外目前使用的方法主要有三種，一種是用繩索直接吊掛清潔工(俗稱蜘蛛人)在幕墻上作業(yè)，這種方式危險性很大；第二種是靠樓頂軌道車和升降平臺承載清潔工進行玻璃窗和壁面的清洗，但這種方式未能根本消除工人的危險，而且系統(tǒng)成本極高；第三種是用安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機對準窗戶進行自動擦洗。如果采用第三種方式，除了成本高以外，還要求在建筑物設計之初就要將擦窗系統(tǒng)相應結構考慮進去，從而限制了這種方式的使用。目前，玻璃幕墻的清洗主要還是采用人工清洗，國內幾乎所有的玻璃幕墻均采用這種方式進行清洗。目前，這種清洗方式存在的缺點不足如下： l 作業(yè)周期長，工作效率低。如果人工清洗高層建筑，勢必影響清洗效率和影響清洗的質量； l 費用高，易出事故。清洗時人工高空作業(yè)，安全性差，而且必須付給清洗工人相應的高費用。 隨著機器人技術的發(fā)展，使得高層建筑幕墻清洗自動化成為可能。對于高層建筑物的幕墻清洗，特別是復雜幕墻的清洗，最好的解決辦法是用可在幕墻壁面自由爬行的移動機器人。若能研制成功這類高層建筑幕墻清洗機器人，則不僅能消除人員的高空作業(yè)危險和大幅度提高工作效率。另外，由于清洗時間大大縮短，能極大地降低作業(yè)費用。隨著城市現(xiàn)代化建設步伐的加快，高層建筑越來越多，為美化城市、保持現(xiàn)代化城市的形象和高樓的情節(jié)面貌，而建筑物的外壁多采用瓷磚和玻璃幕墻結構，但隨之而來的高樓清洗問題又一直困擾著人們。確保在各種惡劣條件下更好地完成清洗任務，成為擺在大樓經(jīng)營者或清洗公司面前的日益緊迫的事情。高層建筑清洗工作是一項非常繁重、特殊及平凡的工作，在垂直陡壁上進行清洗作業(yè)，對人類是非常困難和危險的。 爬壁清洗機器人解決了人類在特殊環(huán)境下從事危險、繁重體力勞動的難題，為改善勞動環(huán)境、保護人身安全及美化城市等方面，開辟了一個新的領域。所以我選擇了這個爬壁清洗機器人設計的課題。 二、國內外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）： 壁面爬行機器人（簡稱爬壁機器人）作為高空極限作業(yè)的一種特殊機器人，越來越受到人們的 ，原因是使用爬壁機器人不僅可以代替人進行危險作業(yè)，而且可以把人們從惡劣的環(huán)境中解脫出來。目前國內外已有一定數(shù)量的爬壁機器人投入現(xiàn)場作業(yè)，基礎理論研究已逐步完善。機器人如果能夠在壁面上自由地移動，并且進行作業(yè)，必須具備兩大基本機能：吸附功能和移動功能。因此，爬壁機器人主要是按吸附功能和移動功能來進行分類的。 爬壁機器人按吸附方式可以分為真空吸附、磁吸附、推力吸附三類。真空吸附又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當壁面凹凸不平時，容易是吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低；磁吸附又分為永磁鐵和電磁鐵兩種，要求壁面必須是導磁材料，但它的結構簡單，吸附力遠大于真空吸附方式，且對壁面的凹凸適應性強，不存在真空吸附漏氣的問題，因而當壁面是導磁材料時優(yōu)先選用磁吸附爬壁機器人。 爬壁機器人按移動方式可以分為框架式、車輪式、履帶式和腳步式四類?？蚣苁轿侥芰Υ螅休d能力強，能跨越規(guī)則的壁面障礙；車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對壁面的適應性強，著地面積大、不易轉彎；腳步式移動速度慢，但承載能力強。 不同的吸附方式和移動方式的組合就構成了各式各樣的爬壁清洗機器人。下面就上述分類對國內外的爬壁機器人的發(fā)展介紹如下： (一) 國外爬壁機器人的發(fā)展概況 日本作為機器人大國很早就開始了壁面移動機器人的研究，1966年日本大阪府立大學工學部的西亮講師成功制作了利用風扇進氣側低壓作用作為吸附力的垂直移動機器人的原理樣機，并與1975年制作了以實用化為目標的第二號樣機，采用單吸盤結構，這是世界上最早出現(xiàn)的爬壁機器人。 1978年，日本化工機械技術服務株氏社研制開發(fā)了兩種壁面移動機器人：PC型核電站壁面除污機器人和PD型核電站壁面除污機器人。兩種機器人均為單吸盤結構，由抽氣泵產生負壓。此后，又在這兩種機器人的基礎上開發(fā)出一種“WALKER”的爬壁機器人?！癢ALKER”有行走能力，它由上下兩個行走滾子和左右兩個傳動帶驅動行走，真空室由滾子和皮帶自然圍成，通過左右滾輪和皮帶的速度差實現(xiàn)轉向。但當壁面上有裂縫時，真空難以維持。 1982年，日本東京消防廳的消防科學研究所研制出一種消防急救用爬壁機器人，用于將舊救護繩等物質搬運到失火的高層樓房，解救被困人員。機器人整個本體作為一個真空吸盤，負壓有抽氣泵工作產生；內部有兩排行走履帶，通過履帶的速度差實現(xiàn)轉向；操縱是在地面上由操縱盒遙控實現(xiàn)的。 1984年，東京煤氣公司與日立制作所聯(lián)合開發(fā)出一種球形煤氣罐檢查機器人，是最早的多吸盤爬壁機器人。它是一種多足2腳、框架移動式步行爬壁機器人，內外兩個框架上各裝有8只吸盤；上有驅動裝置，可驅動兩框架相對運動。 1984年，日本日立制作所研制出足式磁吸附爬壁機器人，有八只腳，均采用永磁體吸附式，內側四只腳和外側四只腳在行走過程中交替吸附于壁面上。 1988年，日本三菱化工研究所研制出了真空吸附式壁面行走機構“VACS”，采用履帶式移動方式，履帶上有數(shù)個吸附室。隨著履帶的移動，吸附室連續(xù)地形成真空腔而使履帶帖緊壁面移動。這種機器人主要作為除塵機械，對壁面進行清洗、噴涂、檢查等。 1990年，俄國機械科學研究所研制成功一種用于清洗作業(yè)的單吸盤爬壁機器人，該機器人采用單吸盤結構，吸盤內有移動機構、清洗作業(yè)裝置以及控制單元。 真空由直接與真空室相連的螺旋風扇形成，真空室四周有密封性良好的彈性材質，工作時最大真空壓力為0.007Mpa，兩對獨立驅動的車輪實現(xiàn)機器人在壁面的移動和轉向機能，在機器人本體上裝有用來控制、調節(jié)真空吸盤真空度的真空傳感器。 1991年，日本關西電力綜合技術研究所研制開發(fā)了“混凝土建筑物的壁面檢查機器人”，也是一種履帶式真空吸附機器人，特點是：承載能力大，吸附性能好，移動速度較快，但轉向較難。 1991年，東京大學研制了“NINJA-I”型四足壁面步行機器人，該機器在人有四條腿組成。1993年，研制成功建筑外壁檢查、修補機器人，該機器人的特點是移動靈活、速度快、可跨越10mm的障礙、檢查幅度600mm。1998年，又研制成功了帶有人工腿的“NINJA-II”型機器人。 90年代初，英國的RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機器人。機器人最高爬行速度為12m/min，能爬行25m，帶超聲檢測與紀錄機構，可以自動紀錄每隔一定距離的壁厚，該機器人已作為商品銷售。 1993年，日本工業(yè)技術學院研制成功壁面步行機器人，該機器人是由兩只五吸盤構成的腳形成，每只腳都可繞另一只腳旋轉，這樣就形成了機器人的直線和轉向移動。 1994年，英國南岸大學研制出多足多吸盤氣動型爬壁機器人，它是一種框架式結構，安裝有兩組氣缸，可以攜帶一個小型工業(yè)機器人，進行超聲檢測。 1996年，俄國機械科學技術研究所研制成功了WCR RVP-II型機器人，采用直角坐標氣缸驅動。1998年，有研制成功了WCR RVP-21型機器人，能夠在兩個相互垂直的壁面之間跨越行走。 1998年，東京工業(yè)大學機械與航空工程系研究出一種稱為VM的新式吸盤。 1998年，日本鋼管株氏會社開發(fā)出車輪式磁吸附爬壁機器人，可以吸附在各種大型構造物，如：油罐、球形煤氣罐、 船舶等壁面上，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。 1998年，德國Aalen商業(yè)技術學院研制成功了一種單履帶多吸盤爬壁機器人。該機器人采用特殊的結構形式，克服了以往履帶式真空吸附爬壁機器人的一些缺點。 1998年，西班牙CSIC大學的工業(yè)自動化研究所研制成功了一種叫做REST的六足爬壁機器人。在機器人的每一條腿上，具有兩個半自由度。 1998年，英國研制出四足壁面步行機器人Robug II；此后又開發(fā)了Robug III型爬壁機器人，它有8只腳，類似于巨型蜘蛛。 1998年，美國的卡耐基梅隴大學研制了一種飛機檢測飛機表面的爬壁機器人。該機器人采用十字框架式結構，十字框架之間可以相對滑動，完成機器人的前后，左右運動。 2000-2001年，美國Ultrastrip公司開發(fā)了一種單吸盤吸附式噴漆機器人。該機器人利用中央吸盤吸附在壁面上，電機驅動車輪帶動機器人運動，機器人本體上裝有噴頭，實現(xiàn)對船體、墻面等壁面進行噴漆作業(yè)。 2002年，日本三菱重工業(yè)公司推出一種磁式噴涂爬壁機器人，它也是一種輪式結構。該機器人可以吸附在20mm以上厚度的磁性結構建筑物上，磁力可達2000N，機器人通過三個驅動輪進行運動，每個輪都裝有一個伺服馬達，轉向是通過前輪實現(xiàn)的，移動速度可達10m/min，噴漆速度為1m3/min。 (二) 國內爬壁機器人的發(fā)展概況 相對外國，國內壁面爬行機器人研究起步較晚。雖然1988年上海大學就開始了爬壁擦窗機器人研究，由于資金有限，進展沒有達到預期目標。直到1996年以后，國家自然科學基金、國家“863”計劃陸續(xù)資助北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、上海大學、上海交通大學等高校，才正式啟動壁面移動機器人技術的研究和開發(fā)。 1997年，上海大學特種機器人技術應用研究室開發(fā)了多層框架，多真空吸盤式，伺服電機驅動的壁面移動機器人。該機器人最大工作移動速度7.0m/min，自重50kg，負載能力55kg，越障高度60mm。但由于結構較大，重量大，沒有研制配套的清洗裝置，因此不能實際應用。 2002年，上海大學又研制開發(fā)了球形壁面爬行機器人。該機器人采用六足獨立移動的結構形式，帶有柔性裙邊的鉸接式真空吸盤，氣動驅動形式。但由于重心較高，穩(wěn)定性差。 哈爾濱工業(yè)大學也是國內外壁面移動機器人研究較早的單位，在國家“863”智能機器人的支持下，已先后開發(fā)出兩個系列共5個品種的爬壁機器人。1997年推出CLR-I型瓷磚壁面清洗機器人樣機。該機器人采用雙輪進行驅動，清洗機構置于吸盤尾部，同時還設有卷揚機，地面支援小車等附屬設施。主體下部是一個帶有驅動輪的滑動密封式負壓吸盤。由于密封裝置采用柔性設計，對壁面的適應能力較強，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上豫東，但越障和面面轉換能力較差。 1999年在CLR-I的基礎上有成功開發(fā)了CLR-II型適用用于玻璃幕墻的壁面清洗機器人。該機器人采用單輪驅動，設計了精巧的清洗機構，設置了抬起氣缸，避免刷子對已清洗的壁面進行二次污染。 北京航空航天大學機器人研究所自1996年以來在國家“863”計劃的大力資助下，先后成功研制了WASHMAN，CLEANBOT-I兩種爬壁機器人。這兩種機器人均由縱、橫呈十字交叉的無桿氣缸組成本體，可沿縱橫自由運動和越障。全氣動的驅動方式、重量輕、適合在玻璃壁面上工作。之后又推出了藍天潔士I、II、III型擦窗機器人。2000年開發(fā)研制的靈巧擦窗機器人 (三) 爬壁清洗機器人的發(fā)展趨勢 爬壁清洗機器人現(xiàn)在在我國應用還基本上沒有展開，可以說是一個空白領域，國外已經(jīng)在船舶除銹、高樓清洗等多個領域開始應用。而我國目前還在試驗階段，沒有具體的產品，國內目前絕大多數(shù)高層建筑仍采用吊籃+人工完成清洗工作，因此，爬壁清洗機器人將有十分廣闊的應用前景。爬壁清洗機器人也逐步進入了市場，而且我們也必須研究出一種安全可靠、重量輕、效率高、性能價格比高的爬壁清洗機器人。主要的研究方向有如下幾點： 1．研究開發(fā)出高效率的爬壁清洗機器人，主要是新開發(fā)出清洗裝置； 2．研究開發(fā)出對壁面廣泛適應性的爬壁清洗機器人，以滿足特殊環(huán)境的清洗要求； 3．合理的性價比（性能/價格比）、高可靠性、通用性。 三、研究內容： 1) 爬壁清洗機器人的總體方案設計與研究。針對我國目前玻璃幕墻清洗行業(yè)的現(xiàn)狀，開發(fā)出一種結構新穎、安全可靠、重量輕、效率高的爬壁清洗機器人。 2) 爬壁清洗機器人本體結構設計研究。對機器人的安裝設計做了詳細介紹，并畫出了爬壁清洗機器人的裝配圖。 3) 爬壁清洗機器人的清洗裝置設計研究。通過對清洗的方法與現(xiàn)狀進行分析，設計出簡單、有效的清洗裝置，并對清洗的路徑進行了有效的規(guī)劃。 4) 爬壁清洗機器人的控制系統(tǒng)的硬件設計。選擇用PLC控制，因PLC系統(tǒng)結構緊湊、質量輕、安裝方便。 四、目標、主要特色及工作進度 （一）、目標： 本課題設計是針對玻璃壁面為作業(yè)對象，要求設計出能爬墻及其自動完成清洗作業(yè)的機器人。機器人是高度復雜的智能化系統(tǒng)，一般來說包括本體部分和控制系統(tǒng)以及輔助部分。一套好的機器人系統(tǒng)既是機器人功能實現(xiàn)的基礎，也是控制系統(tǒng)設計的出發(fā)點和主要參考依據(jù)。因此爬壁清洗機器人應具有以下主要功能: 1) 機器人能向上、下、左、右四個方向上移動、停留、可以攜帶輔助工具清洗刷完成對玻璃壁面的清洗作業(yè)。 2) 機械結構設計合理、緊湊、重量輕、可靠性高且負載能力強。 3) 移動精度較高，能垂直到達垂直平面的任何地方。 4) 機器人控制靈活、簡單、可靠、安全，從而實現(xiàn)機器人的自動化清洗。 （二）、主要特色： 系統(tǒng)工作安全，操作簡單，清洗效率高。 （三）、工作進度： 1、收集有關資料,寫出開題報告； 2周(3.26-4.8) 2、系統(tǒng)方案設計； 2 周(4.9-4.22) 3、總體結構設計（臺面）；　　　　　　　　　　　　 2周(4.23-5.6) 4、清洗裝置設計； 　　 　　　　　2周(5.7-5.16) 5、控制系統(tǒng)硬件設計；　　　　　　　　　　　　　　　　3周(5.17-6.8) 6、外文翻譯(6000實詞以上)； 1周(6.9-6.15) 7、撰寫論文； 1周(6.16-6.22) 五、參考文獻 [1]. 王茁，張波.壁面爬行機器人本體設計[J].吉林化工學院學報，2004,21（4）：78－80 [2]. 談土力，龔振邦，張海洪等.壁面自動清洗機器人研制[J].高技術通報,2003,12(2): 83-87 [3]. 高學山，徐殿國，王炎.新型壁面清洗機器人的研究與設計[J].高技術通報,2004,13(4): 39－44 [4]. 趙興飛，周憶，石崇輝.氣動爬壁機器人設計與計算[J].機床與液壓,2003,32(3):61－62 [5]. 張金剛.基于PC-104總線移動作業(yè)機器人結構與控制系統(tǒng)研究.山東科技大學碩士學位論文，2001.4 [6]. 吳洪興，趙言正，高學山.高樓玻璃幕墻清洗機器人作業(yè)系統(tǒng)的研究.哈爾濱理工大學學報，2002.8 [7]. 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