爬墻機(jī)器人

爬墻機(jī)器人,機(jī)器人 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1.緒論 1.1 爬壁機(jī)器人概述 爬壁機(jī)器人是極限機(jī)器人的一個(gè)分支，主要在壁面或頂部進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)。由于現(xiàn)代社會(huì)中，有許多場(chǎng)合必須采取良好的安全防護(hù)措施才能實(shí)施作業(yè)，如：原子能發(fā)電站中強(qiáng)發(fā)射線下的作業(yè)，海底石油勘探等深水作業(yè)，災(zāi)害時(shí)的消防救援作業(yè)等，這些工作對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性與日俱增。而爬壁機(jī)器人作為其中的主要開發(fā)項(xiàng)目得到了蓬勃的發(fā)展。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的爬壁機(jī)器人投入現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： l 核工業(yè) 對(duì)核廢液貯管進(jìn)行視覺檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等； l 石化工業(yè) 對(duì)圓形大罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)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(duì)瓷磚、玻璃壁面進(jìn)行清洗等； l 消防部門 用于傳遞救援物資、進(jìn)行救援工作等； l 造船行業(yè) 用于噴涂船體或輪船內(nèi)壁等； l 電力行業(yè) 對(duì)電站鍋爐水冷壁管壁厚度的測(cè)量等。 隨著城市建設(shè)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(xiàng)繁重而危險(xiǎn)的工作。國內(nèi)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(xiǎn)性很大；第二種是靠樓頂軌道車和升降平臺(tái)承載清潔工進(jìn)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(xiǎn)，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(jī)對(duì)準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動(dòng)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(shè)計(jì)之初就要將擦窗系統(tǒng)相應(yīng)結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)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(nèi)幾乎所有的玻璃幕墻均采用這種方式進(jìn)行清洗。目前，這種清洗方式存在的缺點(diǎn)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(shì)必影響清洗效率和影響清洗的質(zhì)量； l 費(fèi)用高，易出事故。清洗時(shí)人工高空作業(yè)，安全性差，而且必須付給清洗工人相應(yīng)的高費(fèi)用。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使得高層建筑幕墻清洗自動(dòng)化成為可能。對(duì)于高層建筑物的幕墻清洗，特別是復(fù)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(dòng)機(jī)器人。若能研制成功這類高層建筑幕墻清洗機(jī)器人，則不僅能消除人員的高空作業(yè)危險(xiǎn)和大幅度提高工作效率。另外，由于清洗時(shí)間大大縮短，能極大地降低作業(yè)費(fèi)用。 1.2 壁面清洗的發(fā)展階段 迄今為止，高大建筑外壁面的清洗方法大致經(jīng)歷了三個(gè)階段: 第一階段：人工清洗 這種方法的主要特征是:清洗工人被樓頂放下的一根繩子懸在空中，手持水桶或水管對(duì)外壁面進(jìn)行清洗，通常又被稱為蜘蛛人清洗。這種方式極其危險(xiǎn)，效率也最低。 第二階段：半機(jī)械化清洗 這種方法的主要特征是:清洗工人站在從樓頂放 下的吊籃中對(duì)外壁面進(jìn)行清洗，吊籃通常配有自動(dòng)提升裝置。通常有兩種情況： l 自動(dòng)提升裝置安裝在吊籃上，靠清洗工人自己操作使吊籃升降，這種方式的設(shè)備通常比較簡(jiǎn)陋，卷揚(yáng)系統(tǒng)的控制性能差，樓頂支撐設(shè)備只能人工搬動(dòng)、調(diào)整，使用極其不便； l 在樓頂裝有大型懸胃吊車，通過樓頂工作人員來操縱纜車的升降，然而這種大型懸臂吊車通常過于龐大，只能在建樓時(shí)一次性固定到樓頂上，無法搬運(yùn)，適應(yīng)性差。 第三階段：全自動(dòng)化清洗 這種方法的主要特征是:空中沒有工作人品僅依靠樓頂或地面的工作人員遙控操作，這種清洗設(shè)備通常稱為高層建筑壁面清洗機(jī)器人。就目前國內(nèi)外的研究情況來看，這種機(jī)器人主要分為兩類： l 第一類是壁面軌道式，通常在建樓時(shí)就將壁面軌道安裝到外墻壁面上，當(dāng)進(jìn)行外壁面清洗作業(yè)時(shí)，通過固定在樓頂?shù)膽冶鄣踯囇b置拖動(dòng)使清洗機(jī)器人沿著壁面導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)來完成清洗工作，然而安裝在外墻壁面的軌道卻限制了高樓的結(jié)構(gòu)并大大地影響了整體建筑的外觀，同時(shí)也限制了清洗機(jī)器人的應(yīng)用范圍； l 第二類是真空吸附壁面清洗機(jī)器人，依靠真空吸盤將機(jī)器人吸附到外墻壁面上，通過自身的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在壁面上運(yùn)動(dòng)來完成清洗工作，這種機(jī)器人又可分為單吸盤和多吸盤兩種吸附移動(dòng)方式。 1.3國內(nèi)外爬壁清洗機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)器人如果能夠在壁面上自由地移動(dòng)，并且進(jìn)行作業(yè)，必須具備兩大基本機(jī)能：吸附功能和移動(dòng)功能。因此，爬壁機(jī)器人主要是按吸附功能和移動(dòng)功能來進(jìn)行分類的。 爬壁機(jī)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(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)，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(dǎo)磁材料，但它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，且對(duì)壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附漏氣的問題，因而當(dāng)壁面是導(dǎo)磁材料時(shí)優(yōu)先選用磁吸附爬壁機(jī)器人。 爬壁機(jī)器人按移動(dòng)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(qiáng)，能跨越規(guī)則的壁面障礙；車輪式移動(dòng)速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大、不易轉(zhuǎn)彎；腳步式移動(dòng)速度慢，但承載能力強(qiáng)。 不同的吸附方式和移動(dòng)方式的組合就構(gòu)成了各式各樣的爬壁清洗機(jī)器人。 1.3.1 單吸盤真空吸附式爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 單吸盤爬壁機(jī)器人都是通過一真空吸盤和壁面形成一個(gè)真空室。這種形式的爬壁機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)單。但要求壁面有一定平滑度，越障能力低，不適合在復(fù)雜壁面上爬行，當(dāng)遇到較大溝槽和凸凹面時(shí)，吸盤負(fù)壓難以維持。下面介紹各國單吸盤真空吸附式爬壁機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r： 1966年，日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部的西亮講師成功制作了利用風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓作用作為吸附力的垂直移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)，并與1975年制作了以實(shí)用化為目標(biāo)的第二號(hào)樣機(jī)，采用單吸盤結(jié)構(gòu)，這是世界上最早出現(xiàn)的爬壁機(jī)器人。 1978年，日本化工機(jī)械技術(shù)服務(wù)株氏社研制開發(fā)了兩種壁面移動(dòng)機(jī)器人：PC型核電站壁面除污機(jī)器人和PD型核電站壁面除污機(jī)器人。兩種機(jī)器人均為單吸盤結(jié)構(gòu)，由抽氣泵產(chǎn)生負(fù)壓。此后，又在這兩種機(jī)器人的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種“WALKER”的爬壁機(jī)器人。“WALKER”有行走能力，它由上下兩個(gè)行走滾子和左右兩個(gè)傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。但當(dāng)壁面上有裂縫時(shí)，真空難以維持。 1982年，日本東京消防廳的消防科學(xué)研究所研制出一種消防急救用爬壁機(jī)器人，用于將舊救護(hù)繩等物質(zhì)搬運(yùn)到失火的高層樓房，解救被困人員。機(jī)器人整個(gè)本體作為一個(gè)真空吸盤，負(fù)壓有抽氣泵工作產(chǎn)生；內(nèi)部有兩排行走履帶，通過履帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；操縱是在地面上由操縱盒遙控實(shí)現(xiàn)的。 1990年，俄國機(jī)械科學(xué)研究所研制成功一種用于清洗作業(yè)的單吸盤爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人采用單吸盤結(jié)構(gòu)，吸盤內(nèi)有移動(dòng)機(jī)構(gòu)、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(fēng)扇形成，真空室四周有密封性良好的彈性材質(zhì)，工作時(shí)最大真空壓力為0.007Mpa，兩對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的車輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向機(jī)能，在機(jī)器人本體上裝有用來控制、調(diào)節(jié)真空吸盤真空度的真空傳感器。 1994年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研究出一種單吸盤機(jī)構(gòu)的全方位遙控檢查爬壁機(jī)器人，其特點(diǎn)在于將全方位車輪應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的行走系統(tǒng)中，解決了壁面移動(dòng)機(jī)器人移向困難和定位精度差的等難題；并且吸附方式采用兩個(gè)抽風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)真空吸附。此后，在上述爬壁機(jī)器人的基礎(chǔ)上，又研制出用于對(duì)瓷磚壁面進(jìn)行清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)。 1998年，東京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與航空工程系研究出一種稱為VM的新式吸盤。 1999年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所又研制出適用于玻璃幕墻清洗的爬壁機(jī)器人。 2000-2001年，美國Ultrastrip公司開發(fā)了一種單吸盤吸附式噴漆機(jī)器人。該機(jī)器人利用中央吸盤吸附在壁面上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人本體上裝有噴頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)船體、墻面等壁面進(jìn)行噴漆作業(yè)。 1.3.2 多吸盤真空吸附式爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 由于單吸盤結(jié)構(gòu)對(duì)壁面的適應(yīng)能力比較差，很多研究設(shè)計(jì)都嘗試采用了多個(gè)真空吸盤，通過不斷的嘗試和探索，多吸盤結(jié)構(gòu)得到了較快的發(fā)展。下面介紹各國研究多吸盤真空吸附式爬壁機(jī)器人的研究成果： 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(jī)器人，是最早的多吸盤爬壁機(jī)器人。它是一種多足2腳、框架移動(dòng)式步行爬壁機(jī)器人，內(nèi)外兩個(gè)框架上各裝有8只吸盤；上有驅(qū)動(dòng)裝置，可驅(qū)動(dòng)兩框架相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 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(jī)構(gòu)“VACS”，采用履帶式移動(dòng)方式，履帶上有數(shù)個(gè)吸附室。隨著履帶的移動(dòng)，吸附室連續(xù)地形成真空腔而使履帶帖緊壁面移動(dòng)。這種機(jī)器人主要作為除塵機(jī)械，對(duì)壁面進(jìn)行清洗、噴涂、檢查等。 1991年，日本關(guān)西電力綜合技術(shù)研究所研制開發(fā)了“混凝土建筑物的壁面檢查機(jī)器人”，也是一種履帶式真空吸附機(jī)器人，特點(diǎn)是：承載能力大，吸附性能好，移動(dòng)速度較快，但轉(zhuǎn)向較難。 1991年，東京大學(xué)研制了“NINJA-I”型四足壁面步行機(jī)器人，該機(jī)器在人有四條腿組成。1993年，研制成功建筑外壁檢查、修補(bǔ)機(jī)器人，該機(jī)器人的特點(diǎn)是移動(dòng)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(jī)器人。 1993年，日本工業(yè)技術(shù)學(xué)院研制成功壁面步行機(jī)器人，該機(jī)器人是由兩只五吸盤構(gòu)成的腳形成，每只腳都可繞另一只腳旋轉(zhuǎn)，這樣就形成了機(jī)器人的直線和轉(zhuǎn)向移動(dòng)。 1994年，英國南岸大學(xué)研制出多足多吸盤氣動(dòng)型爬壁機(jī)器人，它是一種框架式結(jié)構(gòu)，安裝有兩組氣缸，可以攜帶一個(gè)小型工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行超聲檢測(cè)。 1996年，俄國機(jī)械科學(xué)技術(shù)研究所研制成功了WCR RVP-II型機(jī)器人，采用直角坐標(biāo)氣缸驅(qū)動(dòng)。1998年，有研制成功了WCR RVP-21型機(jī)器人，能夠在兩個(gè)相互垂直的壁面之間跨越行走。 1998年，德國Aalen商業(yè)技術(shù)學(xué)院研制成功了一種單履帶多吸盤爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人采用特殊的結(jié)構(gòu)形式，克服了以往履帶式真空吸附爬壁機(jī)器人的一些缺點(diǎn)。 1998年，西班牙CSIC大學(xué)的工業(yè)自動(dòng)化研究所研制成功了一種叫做REST的六足爬壁機(jī)器人。在機(jī)器人的每一條腿上，具有兩個(gè)半自由度。 1998年，英國研制出四足壁面步行機(jī)器人Robug II；此后又開發(fā)了Robug III型爬壁機(jī)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(xué)研制了一種飛機(jī)檢測(cè)飛機(jī)表面的爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人采用十字框架式結(jié)構(gòu)，十字框架之間可以相對(duì)滑動(dòng)，完成機(jī)器人的前后，左右運(yùn)動(dòng)。 1998-1999年，北京航天大學(xué)宗光華教授對(duì)框架式多吸盤爬壁機(jī)器人進(jìn)行了研究，并與香港城市大學(xué)的S.K.TSO教授聯(lián)合研制了CLEANBOT-I機(jī)器人。 1.3.3 磁吸附爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 磁吸附爬壁機(jī)器人雖然只適用于導(dǎo)磁材料構(gòu)成的壁面，但能產(chǎn)生較大的吸附力，并且不受壁面凸凹或裂縫的限制。磁吸附式爬壁機(jī)器人可以分為電磁體式和永磁體式兩種，電磁體式機(jī)器人維持吸附力需電能，但控制較為方便；永磁體式機(jī)器人不受斷電的影響，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附壁面移動(dòng)機(jī)器人多為永磁式。下面介紹各國研究磁吸附爬壁機(jī)器人的研究成果： 1984年，日本日立制作所研制出足式磁吸附爬壁機(jī)器人，有八只腳，均采用永磁體吸附式，內(nèi)側(cè)四只腳和外側(cè)四只腳在行走過程中交替吸附于壁面上。 90年代初，英國的RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機(jī)器人。機(jī)器人最高爬行速度為12m/min，能爬行25m，帶超聲檢測(cè)與紀(jì)錄機(jī)構(gòu)，可以自動(dòng)紀(jì)錄每隔一定距離的壁厚，該機(jī)器人已作為商品銷售。 1998年，日本鋼管株氏會(huì)社開發(fā)出車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，可以吸附在各種大型構(gòu)造物，如：油罐、球形煤氣罐、 船舶等壁面上，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。 2002年，日本三菱重工業(yè)公司推出一種磁式噴涂爬壁機(jī)器人，它也是一種輪式結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人可以吸附在20mm以上厚度的磁性結(jié)構(gòu)建筑物上，磁力可達(dá)2000N，機(jī)器人通過三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，每個(gè)輪都裝有一個(gè)伺服馬達(dá)，轉(zhuǎn)向是通過前輪實(shí)現(xiàn)的，移動(dòng)速度可達(dá)10m/min，噴漆速度為1m3/min。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)也從事了磁吸附爬壁機(jī)器人的研究。然后，上海大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等也相繼開展了這一項(xiàng)研究工作，目前已經(jīng)取得了階段性成果。 上海交通大學(xué)研制開發(fā)出測(cè)量油罐容積履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人。根據(jù)檢測(cè)需要，機(jī)器人上裝有位置及姿態(tài)傳感器，機(jī)器人總重146N，可負(fù)重200N，行走速度2m/min。 哈爾濱理工大學(xué)研制開發(fā)了測(cè)量金屬大罐漆膜厚度的輪、履帶復(fù)合式磁吸附爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人的機(jī)構(gòu)有履帶式驅(qū)動(dòng)輪和磁性導(dǎo)向輪兩部分組成。 1996年到1998年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制成功了多功能履帶式罐噴涂檢測(cè)磁吸附爬壁機(jī)器人。多功能履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人針對(duì)石油企業(yè)的儲(chǔ)油、儲(chǔ)水鋼罐，定期噴砂除銹、噴漆防腐、涂層厚度進(jìn)行檢測(cè)等工作進(jìn)行研制的。此后又研制了多功能水冷壁排管爬壁機(jī)器人，主要用于對(duì)電站鍋爐水冷壁排管向火側(cè)表面浮灰的清掃、結(jié)焦的清除以及排管壁厚的自動(dòng)檢測(cè)，并且能夠在檢測(cè)到壁厚小于預(yù)置的極限處發(fā)出警報(bào)信號(hào)、打標(biāo)記。 1.3.4 其它類型的爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 磁吸附的爬壁機(jī)器人受壁面材料特性的影響，真空吸附式的爬壁機(jī)器人受壁面凹凸和多孔狀況的限制，為進(jìn)一步解脫種種限制，人們研制了其他形式的機(jī)器人，如飛行式爬壁機(jī)器人、繩索牽引式爬壁機(jī)器人等。 1995年，日本宮崎大學(xué)的西亮教授研制成功了用螺旋槳驅(qū)動(dòng)的飛行爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生向上的推力和指向壁面的帖附力。 1997年，日本宮崎大學(xué)又研制開發(fā)了一種能夠做短暫飛行后帖附在壁面上的爬行機(jī)器人。該機(jī)器人有兩個(gè)主螺旋槳提供推升力，八個(gè)小螺旋槳控制機(jī)器人的飛行姿態(tài)，該機(jī)器人幾乎能夠在任何工況下進(jìn)行工作，用無線電進(jìn)行遙控操作。 1998年，東急建設(shè)技術(shù)研究所開發(fā)了繩索牽引式爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人用于檢測(cè)壁面瓷磚的貼和狀況，采用真空吸附方式使機(jī)器人帖附在壁面上，利用屋頂兩臺(tái)電機(jī)的速度配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在530m2范圍內(nèi)自由移動(dòng)。 粘著劑吸附方式主要針對(duì)真空吸附方式中存在的壁面凹凸和多孔狀況造成吸盤氣體泄露問題，以磁吸附方式中存在的壁面材料特性的問題，采用粘著劑的粘力來實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的吸附機(jī)能。粘著劑吸附式爬壁機(jī)器人的典型代表是：1995年，日本田口斡和石崎篤研制的粘著吸附式微型爬壁機(jī)器人。 1.4 爬壁清洗機(jī)器人研究的技術(shù)難點(diǎn) 目前,爬壁清洗機(jī)器人面臨以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn): 1) 吸附及密封技術(shù) 面對(duì)工作的壁面環(huán)境,要求吸附機(jī)構(gòu)必須產(chǎn)生一定的吸附力,并能夠維持,使機(jī)器人安全可靠地吸附在工作壁面上。 2) 移動(dòng)技術(shù) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)要小型、高效，使機(jī)器人可以在壁面上移動(dòng)，并可靈活、自動(dòng)調(diào)節(jié)行走的速度和方向 3) 清洗裝置的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)安全有效的清洗機(jī)構(gòu)，提高清洗質(zhì)量，達(dá)到任人滿意的清洗效果。 4) 控制技術(shù) 必須保證機(jī)器人的正確工作，按照相關(guān)規(guī)劃進(jìn)行清洗作業(yè)和路徑行走。 這些難點(diǎn)是目前阻礙爬壁清洗機(jī)器人向?qū)嵱没较虬l(fā)展的瓶頸。需要相當(dāng)長的時(shí)間研究加以解決，真正使爬壁清洗機(jī)器人能夠得以應(yīng)用，進(jìn)入市場(chǎng)。 1.5 爬壁清洗機(jī)器人的應(yīng)用前景 爬壁清洗機(jī)器人現(xiàn)在在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，可以說是一個(gè)空白領(lǐng)域，國外已經(jīng)在船舶除銹、高樓清洗等多個(gè)領(lǐng)域開始應(yīng)用。而我國目前還在試驗(yàn)階段，沒有具體的產(chǎn)品，國內(nèi)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(jī)器人將有十分廣闊的應(yīng)用前景。爬壁清洗機(jī)器人也逐漸進(jìn)入了市場(chǎng)，而且我們也必須研究出一種安全可靠、重量輕、效率高、性價(jià)比高的爬壁清洗機(jī)器人。 1.6 爬墻清洗機(jī)器人研究內(nèi)容及目標(biāo) 1.6.1 研究內(nèi)容 本課題主要的研究內(nèi)容如下： 1) 爬壁清洗機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)。針對(duì)我國目前玻璃幕墻清洗行業(yè)的現(xiàn)狀，開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)新穎、安全可靠、重量輕、效率高的爬壁清洗機(jī)器人。 2) 爬壁清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)器人的安裝設(shè)計(jì)做了詳細(xì)介紹，并畫出了爬壁清洗機(jī)器人的裝配圖。 3) 爬壁清洗機(jī)器人的清洗裝置設(shè)計(jì)。通過對(duì)清洗的方法與現(xiàn)狀進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單、有效的清洗裝置，并對(duì)清洗的路徑進(jìn)行了有效的規(guī)劃。 4) 爬壁清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。選擇用PLC控制，因PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、安裝方便。 1.6.2 目標(biāo) 1) 機(jī)器人能向上、下、左、右四個(gè)方向上移動(dòng)、停留、可以攜帶清洗刷完成對(duì)玻璃壁面的清洗作業(yè)。 2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、緊湊、重量輕、可靠性高且負(fù)載能力強(qiáng)。 3) 移動(dòng)精度較高，能垂直到達(dá)垂直平面的任何地方。 4) 機(jī)器人控制靈活、簡(jiǎn)單、可靠、安全，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化清洗。 2. 爬壁清洗機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本課題的研究目的是為城市高層建筑清洗業(yè)提供可以代替人工進(jìn)行高樓幕墻清洗的專用清洗機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，要求開發(fā)設(shè)計(jì)出作業(yè)能力強(qiáng)，安全性高的爬壁清洗機(jī)器人。因此在保證清洗機(jī)器人基本功能的前提下，設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定。 2.1 技術(shù)性能指標(biāo) 爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要確定機(jī)器人的技術(shù)性能指標(biāo)，而技術(shù)性能指標(biāo)是由機(jī)器人所要完成的任務(wù)確定的。許多技術(shù)性能指標(biāo)之間是相互影響、相互關(guān)聯(lián)的，技術(shù)性能指標(biāo)設(shè)定是否合理與機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。對(duì)于爬壁清洗機(jī)器人來說，其環(huán)境和任務(wù)要求是比較明確的，因此需要以此為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)。技術(shù)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)： l 機(jī)器人爬行速度：0～2m/min( 無級(jí)可調(diào)) 移動(dòng)速度指標(biāo)的設(shè)定主要基于高效性和安全性兩個(gè)因素考慮的。 l 控制方式：無線遙控或程序控制 控制系統(tǒng)的功能是對(duì)組成機(jī)器人各個(gè)部分進(jìn)行的行走，清洗，壁面吸附以及停止。 l 吸附方式：負(fù)壓吸附（正常負(fù)壓為－600mmH2O） 吸附方式的確定要綜合考慮到機(jī)器人的工作環(huán)境以及可行性。 l 最大有效負(fù)載：≤15Kg 爬壁機(jī)器人的負(fù)載包括本體質(zhì)量（自質(zhì)量）和工作負(fù)載質(zhì)量。 2.2 爬壁機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 爬壁清洗機(jī)器人應(yīng)該有以下幾部分組成，機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)、清洗裝置和控制系統(tǒng)機(jī)器人三部分。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在外墻面上安全吸附和移動(dòng)。 在機(jī)器人系統(tǒng)中，我們主要采用了氣動(dòng)技術(shù)，氣動(dòng)技術(shù)主要是利用壓縮空氣作為能源，采用氣缸作為執(zhí)行元件。除了能源清潔方便外，通過真空元器件產(chǎn)生真空，利用真空吸附盤的吸附作用，可以使機(jī)器人在壁面上行走時(shí)，可靠的吸附于壁面上。作為世界上最著名的氣動(dòng)元器件生產(chǎn)廠家，F(xiàn)esto公司擁有完善的產(chǎn)品體系，可以任意的方向選擇組合，為我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的選擇余地。 2.2.1 爬壁清洗機(jī)器人的移動(dòng)方式 爬壁清洗機(jī)器人的一關(guān)鍵技術(shù)就是要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能的爬行機(jī)構(gòu)。它是爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是其他系統(tǒng)的載體和機(jī)器人各種動(dòng)作得以完成的保證。在進(jìn)行本體設(shè)計(jì)之前就必須確定機(jī)器人的移動(dòng)方式。目前爬壁機(jī)器人有四種移動(dòng)方式，一種是框架式本體結(jié)構(gòu)、步行式本體結(jié)構(gòu)、車輪式本體結(jié)構(gòu)、履帶式本體結(jié)構(gòu)。本體結(jié)構(gòu)的不同，帶來驅(qū)動(dòng)方式、控制方式的不同。移動(dòng)方式的特點(diǎn)比較如下表： 表2－1 爬壁機(jī)器人四種移動(dòng)方式的比較 移動(dòng)方式 概要 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 框架式 有多層框架組成交替移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng) 固定吸附，吸附能力大，承載能力強(qiáng)，能跨越規(guī)則的壁面障礙 移動(dòng)是間歇的，移動(dòng)速度較慢 步行式 由多個(gè)腳反復(fù)吸附、脫落移動(dòng)的機(jī)器人 越障及承載能力強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性較好，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動(dòng)，速度慢，當(dāng)足數(shù)、關(guān)節(jié)多時(shí)控制復(fù)雜 車輪式 配置多個(gè)車輪，每個(gè)車輪有電機(jī)驅(qū)動(dòng) 速度快，控制簡(jiǎn)單，容易轉(zhuǎn)向，壁面適應(yīng)能力強(qiáng) 接觸面積小，越障能力差 履帶式 由電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn) 接觸面積大，承載能力大，速度快，壁面適應(yīng)性強(qiáng) 履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性較差，不易轉(zhuǎn)向 綜合比較目前研究出來的爬壁機(jī)器人的各項(xiàng)性能，框架式，輪式和履帶式的壁面清洗機(jī)器人對(duì)壁面清洗這種極限作業(yè)有較高的適應(yīng)性。如果只要求實(shí)現(xiàn)壁面二維范圍內(nèi)的全方位運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有越障功能的話，那么框架式的機(jī)器人更顯優(yōu)點(diǎn)。采用框架式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，一則可以減輕機(jī)器人本體的質(zhì)量，而增加承載負(fù)載的能力。二則通過框架的交替，可以容易地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)。 2.2.2 爬壁清洗機(jī)器人吸附方式 爬壁機(jī)器人要在垂直的壁面上運(yùn)動(dòng)，首先要解決的問題就是要使機(jī)器人安全吸附在壁面上，而不致脫落，這是爬壁機(jī)器人起碼的安全性要求。由于機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇框架式，則吸附多采用多吸盤結(jié)構(gòu)配合比用其它吸附方式更為合適。吸附功能是爬壁機(jī)器人必須具備的基本功能。它有兩個(gè)作用：保證安全使機(jī)器人能安全吸附在壁面上和提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的作用，兩者實(shí)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)是在機(jī)器人和壁面之間產(chǎn)生一定的正壓力，從而保證機(jī)器人與壁面之間有足夠的摩擦力。吸附裝置是整個(gè)爬壁清洗機(jī)器人的核心裝置，其產(chǎn)生的吸附力的大小直接關(guān)系著爬壁清洗機(jī)器人在壁面上工作的穩(wěn)定性。 按吸附方式分類，爬壁機(jī)器人主要分為真空吸附、磁吸附、推力吸附三類。 真空吸附法是通過真空泵裝置，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓，從而使機(jī)器人吸附在壁面上；或者由真空發(fā)生器的噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，使周圍形成真空，達(dá)到吸附的目的。而吸盤又可以分為單吸盤和多吸盤。真空吸附法不受壁面材料限制度優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低。 磁吸附要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，但它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附，且對(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附的漏氣問題，因而當(dāng)壁面材料是導(dǎo)磁材料是，使用磁吸附爬壁機(jī)器人有它突出的優(yōu)點(diǎn)。磁吸附法中又可分為永磁體和電磁體兩種產(chǎn)生磁力的方式。 推力吸附是一種新型的吸附方式，相比真空吸附、磁吸附而言，在爬壁機(jī)器人載體方面有很大的創(chuàng)新。使用螺旋槳產(chǎn)生合適當(dāng)推力，使機(jī)器人穩(wěn)定可靠地貼在壁面上。由于推力能始終指向壁面，機(jī)器人可以相對(duì)容易地實(shí)現(xiàn)越障。三種吸附方式的有缺點(diǎn)如下表所示： 表2－2 爬壁機(jī)器人三種吸附方式的比較 吸附方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 吸 盤 吸 附 方 式 單吸盤 允許有一定程度的泄漏面積，允許壁面有凸凹，內(nèi)部可采用低真空方式，移動(dòng)容易，控制方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 吸盤無冗長性，一旦斷電，本體將喪失吸附能力，不能跨越較大障礙，負(fù)載不大。 多吸盤 吸盤尺寸小，密封較好，斷電時(shí)有一定冗余性，負(fù)載較大。能跨越一定的障礙，較易控制，運(yùn)動(dòng)靈活。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎較為困難，當(dāng)壁面有凸凹或裂縫，則將會(huì)有真空泄漏。 磁鐵吸附方式 永磁體 維持吸附力不需要耗能，安全，負(fù)載較大，能跨越一定的障礙。 只能在導(dǎo)磁壁面上爬行，步行時(shí)磁體與壁面離合需要很大的力 電磁體 磁鐵與壁面間的離合很容易，負(fù)載較大，易于控制 只能在導(dǎo)磁壁面上爬行，維持吸附力需要耗能，自重大。 推力吸附 無泄漏問題，對(duì)壁面形狀、材料適應(yīng)性強(qiáng) 噪音大、體積大、效率低，負(fù)載小，難于控制。 綜合考慮機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境和性質(zhì)，選用多吸盤真空吸附，主要原因如下：由于本課題主要研究的爬壁清洗機(jī)器人是針對(duì)玻璃幕墻的，玻璃屬于非導(dǎo)體材料，采用磁吸附和推力吸附都是不合理的，考慮到機(jī)器人系統(tǒng)的使用范圍，采用真空吸附是一種合理可行的方式。但是產(chǎn)生真空又有兩種常用的方法：真空泵法、射流器法，采用真空泵產(chǎn)生真空需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，增加控制難度，而選用真空發(fā)生器可以減少驅(qū)動(dòng)源和控制的難度，因此選用真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓的多吸盤吸附。 2.2.3爬壁清洗機(jī)器人清洗裝置 爬壁清洗機(jī)器人最主要的功能是完成對(duì)壁面進(jìn)行清洗工作。這項(xiàng)工作是由機(jī)器人隨身攜帶的清洗裝置完成的。清洗裝置是爬壁清洗機(jī)器人的關(guān)鍵部分之一，它設(shè)計(jì)的合理與否直接影響機(jī)器人的清洗效果。爬壁清洗機(jī)器人的清洗裝置通常采用旋轉(zhuǎn)式清洗裝置和刮洗式清洗裝置。旋轉(zhuǎn)式清洗裝置可以連續(xù)清洗，工作效率高，但是對(duì)于邊角的清洗效果不理想。刮洗式清洗裝置可以非常有效地清洗幕墻的邊角部分，但是需要往復(fù)動(dòng)作，能夠較合理的完成清洗質(zhì)量。 由于建筑玻璃表面的污垢成分比較復(fù)雜，往往應(yīng)用一種方法無法解決清洗干凈的問題，故該機(jī)器人的清洗方式采用物理和化學(xué)清洗技術(shù)。 清洗裝置的驅(qū)動(dòng)方式可以采用機(jī)械式、氣動(dòng)式、液力式或電氣式。因無桿氣缸作為框架式的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是清洗裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以減少驅(qū)動(dòng)元件。也就是把清洗刷固定在X向安裝板上。 2.2.4 爬壁清洗機(jī)器人控制方案 控制系統(tǒng)可謂是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中的核心部分，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的可靠性、較高的運(yùn)行速度以及較好的性能價(jià)格比，在滿足工作性能要求的基礎(chǔ)上體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性的要求。所有的信息需要傳送到中央控制器中，然后根據(jù)CPU輸出的控制信息來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。 綜合分析該爬墻機(jī)器清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)性能、結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、以及控制特性，系統(tǒng)最后采用以PLC為主處理器的控制方案。因?yàn)榕c別的控制方式相比，PLC系統(tǒng)具有良好的順序邏輯控制功能。此外，PLC系統(tǒng)處理能力越來越強(qiáng)，通過功能模塊的擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集等功能，而且PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、安裝方便。 本爬壁清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)需要完成幾個(gè)基本的任務(wù)，這些任務(wù)能夠保證機(jī)器人基本功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的任務(wù)首先是機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人的基本的運(yùn)動(dòng)功能，即向上、向下、向左、向右四個(gè)基本動(dòng)作。這是本機(jī)器人系統(tǒng)中最基本的功能，控制系統(tǒng)采集整個(gè)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)框架中的接近開關(guān)、真空壓力傳感器等的信息，并且按照CPU的輸出控制信息給電磁閥，從而驅(qū)動(dòng)真空發(fā)生器和兩種類型的氣缸運(yùn)動(dòng)。 2.2.5爬壁清洗機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時(shí)也要考慮價(jià)格因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。目前機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有：機(jī)械方式、電氣方式、液壓方式和氣動(dòng)方式等。這些方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及其各自的使范圍。任何一種方式都不是萬能的，實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行比較，揚(yáng)長避短，選出最適合的方式或幾種方式的組合，以使系統(tǒng)更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更安全、更簡(jiǎn)單。各種驅(qū)動(dòng)方式比較如下表所示。 表2－3 爬壁機(jī)器人四種驅(qū)動(dòng)方式的比較 類型 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 電氣傳動(dòng) 機(jī)械傳動(dòng) 驅(qū)動(dòng)力調(diào)整 小~中 中~極大 小~大 小~大 驅(qū)動(dòng)力 容易 容易 困難 困難 驅(qū)動(dòng)速度 較快 較慢 快 慢 速度穩(wěn)定性 較差 良好 良好 很好 響應(yīng)性 負(fù)載大時(shí)差 很好 好 好 構(gòu)造 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 復(fù)雜 復(fù)雜 安裝自由度 很好 大 中 小 維護(hù) 簡(jiǎn)單 較簡(jiǎn)單 專門技術(shù) 簡(jiǎn)單 過載保護(hù) 容易 較容易 困難 稍困難 控制距離 中短 短 不限 短 停電對(duì)策 可 可 困難 稍困難 信號(hào)轉(zhuǎn)換 容易 稍困難 很容易 困難 環(huán)境要求 適應(yīng)性好 不怕振動(dòng) 要求高 一般 價(jià)格 便宜 稍貴 貴 一般 防暴性 很好 良好 特殊措施 良好 溫度影響 小 中 大 小 濕度影響 注意冷凝水 小 大 小 抗震性 一般 一般 差 一般 工作壽命 長 一般 較短 一般 綜上所示，相對(duì)于氣壓傳動(dòng)電氣傳動(dòng)構(gòu)造復(fù)雜，環(huán)境要求高，價(jià)格較貴，工作壽命較短；機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)造很復(fù)雜，工作壽命一般；液壓傳動(dòng)構(gòu)造復(fù)雜，價(jià)格稍貴，工作壽命一般。因此相對(duì)于電氣、機(jī)械和液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)有下列優(yōu)點(diǎn)： l 在易燃、易爆、粉塵大、強(qiáng)磁、潮濕、溫度變化大、存在腐蝕性氣體等惡劣場(chǎng)合，采用氣動(dòng)工作安全可靠；方式 l 氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單。壓力等級(jí)低，使用安全； l 工作介質(zhì)是空氣，來源方便，使用后可直接排至大氣，不污染環(huán)境； l 由于空氣流動(dòng)損失小，壓縮空氣可集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送； l 氣動(dòng)元件可靠性高、壽命長，氣動(dòng)元件可運(yùn)行2000~4000萬次； l 易于實(shí)現(xiàn)快速的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)和高速轉(zhuǎn)動(dòng),特別適合實(shí)現(xiàn)柔和出力的控制場(chǎng)合； l 氣動(dòng)元件使用和維護(hù)都叫簡(jiǎn)單，介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，亦不存在介質(zhì)變質(zhì)，補(bǔ)充，更換等問題； l 設(shè)備通用性強(qiáng)，成本低； l 氣動(dòng)控制控制迅速，反應(yīng)快，可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需要的壓力和速度 在一定的超載運(yùn)行下也能保證系統(tǒng)安全工作，并且不易發(fā)生過熱現(xiàn)象。 同樣氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)也有缺點(diǎn)，主要如下： l 氣體的工作壓力較低，一般小于0.8Mpa，因此與液壓系統(tǒng)相比出力較小，只能驅(qū)動(dòng)相對(duì)較輕的負(fù)載； l 氣體的可壓縮性造成氣動(dòng)系統(tǒng)的整體剛度很低，抗干擾能力差，不容易實(shí)現(xiàn)精確的位置、速度、力等控制； l 工作介質(zhì)——空氣沒有潤滑性，系統(tǒng)中必須采用措施進(jìn)行給油潤滑； l 噪聲大，尤其在超聲速排氣時(shí)，需要加裝消聲器。 綜合各種驅(qū)動(dòng)方式的利弊，針對(duì)特定的工作環(huán)境采取合理的驅(qū)動(dòng)方式。本設(shè)計(jì)中的爬壁清洗機(jī)器人的工作環(huán)境是垂直的墻面，如果采用液壓傳動(dòng)的話，要向高處輸送液壓液，使用完后還要進(jìn)行輸送或儲(chǔ)存，十分不便，而且會(huì)增加機(jī)器人的自重，從而勢(shì)必影響爬壁機(jī)器人的安全吸附；而采用氣動(dòng)，工作介質(zhì)是空氣，直接就可以從周圍提取，空氣可以從大氣中取之不竭，無介質(zhì)費(fèi)用的損失和供應(yīng)上的困難，可以大大減輕機(jī)器人的自重；萬一空氣泄露，除引起部分能量損失外，不致產(chǎn)生不利于工作的嚴(yán)重影響。作業(yè)中爬壁機(jī)器人需要的運(yùn)動(dòng)形式主要是直線運(yùn)動(dòng)，利用氣缸的移動(dòng)正好實(shí)現(xiàn)了端到端的直線移動(dòng)方式，而利用電氣、機(jī)械和液壓傳動(dòng)構(gòu)造都比較復(fù)雜?？傊瑲鈩?dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在本設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人中更具明顯的優(yōu)勢(shì)。另外，氣動(dòng)系統(tǒng)提供了無與倫比的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是能夠提供真空，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)安全可靠的吸附，這應(yīng)該是本爬壁清洗機(jī)器人應(yīng)用所必需的。值得指出的是本體系系統(tǒng)采用Festo公司的氣動(dòng)產(chǎn)品，產(chǎn)品性能優(yōu)良，系列齊全，提供了充足的選擇空間。 2.3 小結(jié) 確定了爬壁機(jī)器人的行走方式、吸附方式、驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)器人采用框架式的行走方式，可以較易實(shí)現(xiàn)在壁面的運(yùn)動(dòng)行走；采用真空吸盤吸附不受壁面材料的限制，適應(yīng)性強(qiáng)；采用氣壓驅(qū)動(dòng)可以增加帶負(fù)載的能力，減輕機(jī)器人本體的重量。采用縱橫兩個(gè)互相垂直的結(jié)構(gòu)組來構(gòu)成機(jī)器人的框架結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)前、后、左、右四個(gè)方向上步距一定的移動(dòng)功能?？刂品绞?PLC可編程控制器，完成順序控制。 3.爬壁清洗機(jī)器人本體設(shè)計(jì)（臺(tái)面） 爬壁清洗機(jī)器人是用來代替人工完成高層建筑外墻面清洗的服務(wù)型機(jī)器人，它的工作對(duì)象是垂直的壁面，工作的任務(wù)是將外墻表面清洗干凈。針對(duì)這樣的工作對(duì)象和工作任務(wù)，要求機(jī)器人本體能夠吸附在玻璃壁面上，并在其上自主移動(dòng)，同時(shí)完成對(duì)高層建筑外墻面的清洗。針對(duì)這樣的要求，本課題要求設(shè)計(jì)出合理的爬壁清洗機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)。 3.1 爬壁清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu) 本課題設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人所采用的框架結(jié)構(gòu)是由橫向X和縱向Y兩個(gè)相互垂直的氣缸組成，其中X向和Y向選用Festo公司的DGPL系列的無桿氣缸。X和Y向氣缸是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)部件，同樣也是機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架部件，兩個(gè)氣缸彼此垂直，并且安裝在一塊槽形面板上，該面板作為兩個(gè)氣缸的連接件，同時(shí)也作為別的元件的安裝平臺(tái)，此平臺(tái)平面平行于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的墻面。在兩個(gè)氣缸的4個(gè)端面，分別固定一個(gè)安裝面板，4塊端面安裝面板通過一個(gè)Z向氣缸與吸盤固定面板相連接。與此同時(shí)為了方便簡(jiǎn)潔，于是就在X向兩端安裝清洗裝置。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是使該幕墻清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、重量輕。 選擇這樣的框架結(jié)構(gòu)可以看出，在同樣可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的壁面移動(dòng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)下，達(dá)到同樣的設(shè)計(jì)要求，僅僅選用兩個(gè)無桿氣缸。使得機(jī)器人的重量減輕，能夠選用相對(duì)數(shù)量較少和面積較小的真空吸盤。從控制角度來看，同樣也可以使得控制相對(duì)簡(jiǎn)單。 爬壁清洗機(jī)器人由X、Y向兩個(gè)無桿氣缸構(gòu)成主體框架，可以方便地完成機(jī)器人在X-Y平面上的運(yùn)動(dòng)；由X、Y方向兩組交替吸附的真空吸盤構(gòu)成吸附裝置，配合氣缸的運(yùn)動(dòng)可以更加方便的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在垂直壁面上的運(yùn)動(dòng)；在X向氣缸兩端連有兩個(gè)清洗單元，通過X向的氣缸驅(qū)動(dòng)以完成清洗任務(wù)。整個(gè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)： 1). 本設(shè)計(jì)應(yīng)用到了模塊化設(shè)計(jì)的思想，本設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人上所用的氣動(dòng)元?dú)饧际遣捎昧薋esto公司的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，便于管理和控制。 2). 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)稱。縱向和橫向分別垂直安裝結(jié)構(gòu)相同的無桿雙作用氣缸，其作用是完成機(jī)器人本體的向上、向下、向左、向右4個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。由4個(gè)方向的基本動(dòng)作的組合控制，機(jī)器人便可以到達(dá)期望機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)點(diǎn)。 3). 機(jī)器人采用十字框架式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)是，由X、Y向氣缸分別構(gòu)成X方向和Y方向構(gòu)成的框架作為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主體，而X、Y向兩個(gè)氣缸又是這兩個(gè)方向大驅(qū)動(dòng)元件，兩個(gè)氣缸交替運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿X、Y方向的自主移動(dòng)功能。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)——驅(qū)動(dòng)一體化，驅(qū)動(dòng)文件本身就是結(jié)構(gòu)件。這樣的設(shè)計(jì)，可使機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，重量大大減輕。 4). 在吸盤安裝面板上安裝了一個(gè)Z向吸盤提升氣缸，可以輕松的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障，同樣也減少了吸盤材料與壁面的摩擦。 5). 機(jī)器人的擦洗單元直接連接于X向氣缸的兩端，這樣X向氣缸既可在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中作為移動(dòng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)元件，又可以在擦洗時(shí)作為擦洗動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)件，使得此二功能的驅(qū)動(dòng)件合二為一，減少了驅(qū)動(dòng)件的數(shù)量。這種擦洗——移動(dòng)的一體化設(shè)計(jì)，無論從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、重量還是成本上來說，都是可取的。 6). 可靠的吸附機(jī)構(gòu)，在縱向和橫向驅(qū)動(dòng)氣缸的4個(gè)端面分別安裝一個(gè)垂直于壁面的安裝面板，每塊安裝板安裝4個(gè)真空吸盤（布置方式是正方形），當(dāng)吸盤緊貼時(shí)，真空發(fā)生器向吸盤提供真空，產(chǎn)生負(fù)壓吸附力，固定機(jī)器人。 7). 本機(jī)器人采用無桿氣缸組成框架式結(jié)構(gòu)，并且兩組真空吸盤交替吸附，既可保證吸附的可靠性，又使機(jī)器人的移動(dòng)方式相對(duì)簡(jiǎn)單，控制邏輯也相對(duì)簡(jiǎn)單，提高了系統(tǒng)的可靠性。 8). 機(jī)器人采用此框架結(jié)構(gòu)使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有如下特性： 1) 具有互鎖性，也就是說在某一時(shí)刻，只能有一個(gè)動(dòng)作在進(jìn)行，其他的動(dòng)作都處于鎖定的狀態(tài)。這種狀態(tài)下的機(jī)器人亦指爬壁清洗機(jī)器人是做間歇?jiǎng)幼鞯模? 2) 具有完整性，當(dāng)機(jī)器人某一動(dòng)作發(fā)生時(shí)，這個(gè)動(dòng)作必須完整、連貫的進(jìn)行完成，不能中途停止。 3) 具有銜接性，向左、向右、向上、向下4個(gè)基本動(dòng)作開始和結(jié)束都處于初始狀態(tài)。 3.2 機(jī)器人氣動(dòng)元器件的選擇 由于本爬壁清洗機(jī)器人采用全氣動(dòng)的框架式結(jié)構(gòu)，所以選擇合適的氣動(dòng)元器件非常的關(guān)鍵。元器件選擇完畢后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。 Festo作為世界上最著名的氣動(dòng)元器件生產(chǎn)廠家，該公司擁有完善的產(chǎn)品體系，可以任意的選擇組合，為我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的選擇余地。其產(chǎn)品系列全、性能好、在全球市場(chǎng)占有領(lǐng)先地位，受到全球用戶的廣泛歡迎?；诖?，本設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人大部分的元器件都是選用Festo公司的產(chǎn)品，其最主要的原因是Festo產(chǎn)品模塊化程度高，F(xiàn)esto公司根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)，運(yùn)用相關(guān)氣動(dòng)技術(shù)理論及算法，開發(fā)出適合自己產(chǎn)品的一系列應(yīng)用軟件工具，利用這些軟件工具，用戶可以快速、簡(jiǎn)單、方便地配置氣動(dòng)元件。 本爬壁清洗機(jī)器人氣動(dòng)元器件都是Festo公司的產(chǎn)品。系統(tǒng)的氣動(dòng)元器件如下表3-1： 表3-1 機(jī)器人氣動(dòng)元器件清單 序號(hào) 名稱 型號(hào) 數(shù)量 重量（g） 1 真空發(fā)生器 VADMI-95-N 2 2220 2 真空吸盤 ESG-80-Eu-HA-G 16 16141 3 Z向吸盤提升氣缸 ADVC-12-5-A-P 4 434 4 X、Y驅(qū)動(dòng)氣缸 DGPL-32-600-PPV-A-GF-B 2 22390 5 電磁閥 CPE14-M1BH-5J-1/8 4 4115 6 單向節(jié)流閥 GRLA-1/8-QS-6-D 8 7 分氣塊 FR-8-G1/8-4 2 0.27 8 分氣塊 QSLV2-G1/8-4 2 0.04 9 管接頭 QS-3/8-6 2 29.0 10 QS-1/8-4 44 8.5 11 真空安全閥 ISV-1/8 8 816 12 氣管 PLN-6X1-NT T 50m 5014.7 3.2.1 X、Y驅(qū)動(dòng)氣缸 選擇型號(hào)：DGPL-32-600-PPV-A-GF-B 數(shù)量：2個(gè) DGPL：帶導(dǎo)軌無桿氣缸； 32：缸徑32mm； 600：行程600mm； PPV：可調(diào)式氣緩沖； A：具有接近開關(guān)感測(cè)功能； GF：DGPL帶導(dǎo)軌氣缸可有帶滑動(dòng)軸承型號(hào)； B：B系列； 作為該爬壁清洗機(jī)器人的縱橫兩個(gè)方向的主要框架結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)氣缸，該氣缸的性能非常重要。采用這種雙作用無桿氣缸，有利于在有限的空間內(nèi)安裝即可以節(jié)省安裝空間亦可以減少質(zhì)量，而且也比較符合本設(shè)計(jì)的要求。其有關(guān)性能參數(shù)見下表3-2： 表3-2 X、Y氣缸的規(guī)格說明 缸徑 32mm 動(dòng)作型式 雙作用 行程 600 mm 保證耐壓 1.2MPa 最高使用壓力 0.8MPa 最低使用壓力 0.1MPa 活塞速度 1m/s 緩沖型式 可調(diào)式氣緩沖 接近開關(guān) SME8 緩沖長度 20mm 工作介質(zhì) 過濾壓縮空氣 接口尺寸 G1/8 軸承類型 滑動(dòng)式 溫度范圍 -10C-60C 耐腐等級(jí)CRC 2 裝配位置 任意 6bar時(shí)理論作用力 483N 移動(dòng)質(zhì)量 840g 0mm行程移動(dòng)質(zhì)量 840g 0mm行程基本質(zhì)量 2390g 3.2.2 短行程氣缸 選擇型號(hào)：ADVC-12-5-A-P 數(shù)量：4個(gè) ADVC：緊湊型短行程氣缸系列； 12：活塞直徑12mm； 5：行程5mm； A：活塞桿是外螺紋連接； P：兩端帶彈性緩沖環(huán)或緩沖板； 作為此爬壁清洗機(jī)器人吸盤的提升氣缸，該氣缸的性能也很重要。在每4個(gè)吸盤的安裝面板上都裝配一個(gè)Z向的提升氣缸，此氣缸行程較短且對(duì)壓力輸入響應(yīng)迅速，能夠迅速的提升吸盤，使吸盤脫離壁面。安裝尺寸較小，可以節(jié)省安裝空間。一些相關(guān)參數(shù)如下。 表3-2 Z向短行程氣缸的規(guī)格說明 活塞直徑 12mm 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 活塞 活塞桿 行程 5mm 緩沖型式 兩端帶彈性緩沖 工作介質(zhì) 過濾壓縮空氣 氣動(dòng)連接 M5 6bar時(shí)理論作用力 61N 溫度范圍 -20C-80C 耐腐等級(jí)CRC 1 裝配位置 任意 動(dòng)作型式 雙作用 移動(dòng)質(zhì)量 6.6g 安裝類型 帶通孔 產(chǎn)品質(zhì)量 34g 3.2.3真空發(fā)生器 選擇型號(hào)：VADMI-95-N 數(shù)量：2個(gè) VADMI：VADMI系列緊湊型噴射器； 95：氣嘴公稱通徑0.95mm； N：真空開關(guān)輸出； 配合真空吸盤或氣爪，此真空發(fā)生器能夠用于提取并吸住表面光滑及不透氣的工件。工件可以在任何位置被吸起。真空發(fā)生器的供氣由內(nèi)置式電磁閥控制。隨著電磁閥加上電壓信號(hào)，壓縮空氣進(jìn)入真空發(fā)生器，于是產(chǎn)生真空。 電磁閥斷電時(shí)，吸力停止。集成的消聲器用以降低排氣噪音。其有關(guān)性能參數(shù)見表3-4： 表3-3 真空發(fā)生器規(guī)格說明 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 塊狀結(jié)構(gòu) 工作介質(zhì) 潤滑或未潤滑的壓縮空氣 安裝位置 任意 噴射器特性 高真空型 安裝方式 通過殼體上的通孔 最大真空度 80% 工作壓力 1.5bar-10bar 環(huán)境溫度 -20C-80C 真空接口螺紋 G1/8 帶螺紋氣接口 G1/8 耐腐等級(jí)CRC 2 材料說明 不含銅和聚四氟乙烯 3.2.4 真空吸盤 選擇型號(hào)：ESG-80-Eu-HA-G 數(shù)量：16個(gè) ESG：ESG型號(hào)系列； 80：吸盤直徑80mm； Eu：加深吸盤，材料為聚氨酯； HA：吸盤支架型號(hào)； G：氣接口型號(hào)； 系列吸盤采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有極為出色的組合能力，吸盤支座和吸盤具有相同的接口尺寸，可根據(jù)需要隨意組合。其規(guī)格參數(shù)見表3-5： 表3-4 真空吸盤技術(shù)參數(shù) 最小工件直徑 160mm 吸盤直徑 80mm 吸盤容積 51.61cm3 有效的吸盤直徑 62.7mm 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 圓形加深 工作介質(zhì) 壓縮空氣 耐腐等級(jí)CRC 1 環(huán)境溫度 -30C-200C 70%真空時(shí)的起步阻力 275N 肖氏硬度 605 與吸盤支架間的關(guān)系 尺寸5 顏色 黑色 真空接口 M101.5 吸盤安裝件 M101.5 安裝螺紋 M101.5 吸盤材料 聚氨酯 3.2.5 CPE電磁閥 選擇型號(hào)：CPE14-M1BH-5J-1/8 數(shù)量：4個(gè) CPE：緊湊型電磁閥； 14：電磁閥寬度14mm； M1BH：24VDC，插頭適用于KMYZ-9； 5J：兩位五通，雙電控； 1/8：氣接口，內(nèi)螺紋G1/8； 該電磁閥的作用是實(shí)現(xiàn)X、驅(qū)動(dòng)氣缸的往返運(yùn)動(dòng)。其性能特征如下表3-6： 表3-6 電磁閥CPE14系列的性能特征 閥功能 兩位五通，雙電控 控制方式 先導(dǎo)控制 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 滑閥 安裝位置 任意位置 密封原理 軟性 排氣功能 帶流量控制 手控裝置 通過工具附件復(fù)位、鎖定 標(biāo)準(zhǔn)額定流量 800L/min 驅(qū)動(dòng)方式 電氣的 產(chǎn)品重量 115g 額定尺寸 6mm 耐腐等級(jí)CRC 2 工作介質(zhì) 壓縮空氣 環(huán)境溫度 - 5C-50C 密封件材料 NBR 外殼材料 壓鑄鋁? 產(chǎn)品重量 115g 安裝類型 帶通孔 連接接口 G1/8 線圈特性參數(shù) 24V DC: 1W? 3.2.6 單向節(jié)流閥 選擇型號(hào)：GRLA-1/8-QS-6-D 數(shù)量：4個(gè) GRLA：GRLA型號(hào)系列； QS-6：氣動(dòng)連接接口1為QS-6； 1/8：氣動(dòng)連接接口2為G1/8； D：D系列的快插接頭； 低流量、低速時(shí)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，具有QS快插街頭，安裝后可繞旋入軸自由旋轉(zhuǎn)。該型號(hào)的單向節(jié)流閥規(guī)格參數(shù)如表3-7： 表3-7 單向節(jié)流閥規(guī)格參數(shù) 閥功能 單向節(jié)流閥功能，用于排氣 裝配位置 任意 氣接口1 QS-6 安裝類型 有螺紋的 節(jié)流向額定流量 185L/min 工作壓力 0.2-10bar 單向節(jié)流額定流量 160-240L/min 環(huán)境溫度 -10-60C 氣接口2 G1/8 產(chǎn)品重量 22g 調(diào)節(jié)元件 開槽頭螺絲 最大緊固扭矩 3Nm 3.4 安裝臺(tái)面設(shè)計(jì) 除了機(jī)器人系統(tǒng)中的氣動(dòng)元器件以外，系統(tǒng)中還包括了PLC控制器和傳感器，但是本設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人的傳感器都是集成在氣動(dòng)元器件本身，比如X、Y驅(qū)動(dòng)氣缸以及4個(gè)真空吸盤提升氣缸的行程開關(guān)便安裝在缸身，2個(gè)真空壓力開關(guān)則是真空發(fā)生器組合的一部分。這些集成元件有利于減少系統(tǒng)的復(fù)雜度、減輕重量、提高系統(tǒng)的整體可靠性。 為了能夠把以上各個(gè)部分可靠的連接起來，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，還必須設(shè)計(jì)一些附加的連接配件。這些配件采用鋁合金的結(jié)構(gòu)，鋁合金的特點(diǎn)是，比重小，強(qiáng)度卻很高。與以往采用鐵質(zhì)材料不同，采用鋁合金結(jié)構(gòu)以后，系統(tǒng)的重量大大降低，有效的提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的承載能力。設(shè)計(jì)的連接配件主要包括如下幾個(gè)部分： （1）.元器件安裝板：數(shù)量為1，這個(gè)面板是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝的重要環(huán)節(jié)，一方面是縱橫X、Y兩個(gè)驅(qū)動(dòng)氣缸連接安裝的其中一塊面板，另一方面也為別的元器件提供了安裝平臺(tái)，比如電磁閥、真空發(fā)生器、分氣塊等。通過對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可以保證各個(gè)零部件的安裝結(jié)構(gòu)緊湊、合理、占用空間少。（圖見零件圖） （2）.橫向X氣缸端面安裝板：數(shù)量為2，位于橫向X氣缸的兩個(gè)端面，并且垂直安裝。這個(gè)安裝面板為橫向的真空吸附機(jī)構(gòu)提供了連接平臺(tái)，而且也為橫向氣缸上安裝的Z向提升氣缸提供了連接平臺(tái)。 （3）.縱向Y氣缸端面安裝板：數(shù)量為2，位于縱向Y氣缸的兩個(gè)端面，并且垂直安裝。這個(gè)安裝面板為縱向的真空吸附機(jī)構(gòu)提供了連接平臺(tái)，而且也為橫向氣缸上安裝的Z向提升氣缸提供了連接平臺(tái)。 （4）.X、Y氣缸連接件：數(shù)量為1，設(shè)計(jì)形狀為耳朵型，是連接X、Y氣缸的重要連接件，使X、Y氣缸得以垂直安裝，加上元器件安裝板使得X、Y兩個(gè)氣缸連接成一個(gè)整體。（圖見零件圖） （5）.X向吸盤安裝板：數(shù)量為2，是X向8個(gè)吸盤安裝面板同樣也是Z向提升氣缸的連接件，同樣也為清洗刷的安裝提供了安裝平臺(tái)。 （6）.Y 向吸盤安裝板：數(shù)量為2，是Y向8個(gè)吸盤安裝面板同樣也是Z向提升氣缸的連接件。 3.5 安裝臺(tái)面上元器件安裝 機(jī)器人結(jié)構(gòu)的安裝就是把所有的元器件可靠的安裝連接起來。在設(shè)計(jì)階段，根據(jù) 機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能的要求，選擇好各種氣動(dòng)元器件和控制元件，同時(shí)也根據(jù)這些元器 件的安裝尺寸來設(shè)計(jì)好連接配件。因?yàn)闄C(jī)器人最終要在實(shí)際的環(huán)境中運(yùn)行，在氣壓驅(qū) 動(dòng)和重力作用下，機(jī)器人系統(tǒng)的各部分將受到各種力的作用，所以對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和 安裝提出安裝精確、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠等要求。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)過程，接下 來從幾個(gè)方面來詳細(xì)的介紹機(jī)器人系統(tǒng)的詳細(xì)安裝過程。 機(jī)器人裝配完成以后的尺寸為1148mm1148mm281mm,其詳細(xì)的裝配見圖紙。下面介紹元器件安裝面板上的安裝位置，以及元器件安裝在哪個(gè)位置。 圖3-1 元器件安裝板上安裝位置 為了節(jié)省安裝空間和使元器件的布置整齊有序，將所有的元器件都布置在同一塊面板上。根據(jù)各元器件的安裝條件，設(shè)計(jì)出本面板380mm156mm5mm。本機(jī)器人需要四個(gè)電磁閥，安裝時(shí)疊在一起通過通孔的安裝，通孔直徑為4mm。型號(hào)為FR-8-G1/8-4分氣塊1，2安裝是通過螺栓來固定在面板上。型號(hào)為ADVC-12-5-A-P分氣塊3，4的安裝也是通過螺栓連接。2個(gè)真空發(fā)生器也是通過通孔疊在一起安裝固定在面板上。1處為PLC直徑為4.5的安裝孔。X氣缸安裝是指X氣缸的滑塊上直徑為6安裝孔。 4．清洗裝置的設(shè)計(jì) 清洗裝置是進(jìn)行壁面清洗作業(yè)的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是任何清洗服務(wù)機(jī)器人的核心部分。爬壁機(jī)器人本體實(shí)際上是一個(gè)任務(wù)執(zhí)行裝置的載體，在機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壁面吸附和行走功能之后，還應(yīng)該有一定的作業(yè)功能，即攜帶相應(yīng)當(dāng)功能配件完成特定的作業(yè)任務(wù)。本課題研究爬壁清洗機(jī)器人的最終目標(biāo)是：設(shè)計(jì)出高層建筑外墻面的自動(dòng)清洗的服務(wù)機(jī)器人。通過爬壁機(jī)器人攜帶相應(yīng)的清洗作業(yè)裝置，代替人工完成清洗建筑外墻面的清洗作業(yè)任務(wù)。在解決了吸附和行走功能以后，機(jī)器人自動(dòng)清洗壁面的關(guān)鍵技術(shù)在于清洗系統(tǒng)的研究。 4.1墻面污垢的形成原因 建筑物外墻承受著自然界的侵蝕，可謂飽經(jīng)風(fēng)霜。首先是太陽的照射。對(duì)于任何材料來說，日光的長期暴曬是造成污染和侵蝕的重要外界原因之一。紫外線等極有危害的射線、太陽直射下的高溫及四季溫差又使建筑物表面材料老化，失去光澤，變得極易受污染。例如，金屬材料的銹蝕和塑料合成材料的老化；水泥材料的開裂；外墻涂料的變色脫落。陽光照射是不