爬墻機(jī)器人
爬墻機(jī)器人,機(jī)器人
爬墻機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及清洗裝置、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名: 蔡系文 班級(jí): 030312
指導(dǎo)老師: 袁坤
摘要:爬壁清洗機(jī)器人是一種能夠在垂直壁面上進(jìn)行清洗作業(yè)的移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人。它屬于極限作業(yè)機(jī)器人的一種，可以將人從危險(xiǎn)的工作中解脫出來(lái)，因而在建筑清洗行業(yè)有著廣泛的用途和很高的使用價(jià)值。研究高效、簡(jiǎn)潔的高樓壁面清洗機(jī)器人正是本課題的要求。
使用爬壁清洗機(jī)器人進(jìn)行高層建筑幕墻自動(dòng)清洗，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是機(jī)器人的移動(dòng)方式、吸附方式以及清洗技術(shù)。本文研究的目的是設(shè)計(jì)一種面向高層幕墻的可靠、高效、省時(shí)、安全的清洗作業(yè)系統(tǒng)。因此，如何合理實(shí)現(xiàn)爬壁清洗機(jī)器人的三大技術(shù)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外爬壁清洗機(jī)器人現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與比較，l論文主要論述了爬壁清洗機(jī)器人的行走方式、吸附方式、清洗裝置、控制系統(tǒng)。首先介紹了國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀，闡明本課題研究的目的、意義。然后進(jìn)一步介紹了本爬壁清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)，同樣也要求設(shè)計(jì)出合理高效的清洗裝置，并在此基礎(chǔ)上著重闡述了爬壁清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)主要問(wèn)題及其解決方法，機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要必須完成對(duì)機(jī)器人行走、吸附、清洗等的控制，必須具有操作簡(jiǎn)單、可靠、高效、方便等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: 爬壁機(jī)器人 清洗 移動(dòng) 吸附 機(jī)器人控制
指導(dǎo)老師簽名:
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：爬墻機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及清洗裝置、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
原始資料：爬墻機(jī)器人文獻(xiàn)20余篇
設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
機(jī)器人爬行速度：0～2m/min( 無(wú)級(jí)可調(diào))
控制方式：無(wú)線遙控或程序控制
吸附方式：負(fù)壓吸附（正常負(fù)壓為－600 mmH2O）；
最大有效負(fù)載：≤15Kg；
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1、收集有關(guān)資料，寫出開題報(bào)告； 2周(3.26-4.8)
2、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)； 2 周(4.9-4.22)
3、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（臺(tái)面）； 2周(4.23-5.6)
4、清洗裝置設(shè)計(jì)； 2周(5.7-5.16)
5、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)； 3周(5.17-6.8)
6、外文翻譯(6000實(shí)詞以上)； 1周(6.9-6.15)
7、撰寫論文； 1周(6.16-6.22)
Ⅳ 、主 要參考資料：
1、王茁，張波.壁面爬行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,21（4）：78－80
2、談土力，龔振邦，張海洪等.壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人研制[J].高技術(shù)通報(bào),2003,12(2): 83-87
3、高學(xué)山，徐殿國(guó)，王炎.新型壁面清洗機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[J].高技術(shù)通報(bào),2004,13(4): 39－44
4、趙興飛，周憶，石崇輝.氣動(dòng)爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].機(jī)床與液壓,2003,32(3):61－62
5、B.Bahr,Y.Li and M.Najafi.Design and suction cup analysis of a wall climbing robot[J].
Computers Elect. Engng.2006,22(3):193-209
航空與機(jī)械工程 院（系） 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)類 030312 班
學(xué)生（簽名）： 蔡系文
日期： 自2007 年 3 月 26 日 至 2007 年 6 月 22 日
指導(dǎo)教師（簽名）：袁坤
助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：
機(jī)械制造 系（室）主任（簽名）：
附注:任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書首頁(yè)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目：爬墻機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及清洗裝置、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
院( 系 ) 航空與機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào) 03031236
學(xué)生姓名 蔡系文
指導(dǎo)教師 袁坤
二OO七 年 六 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目爬墻機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及清洗裝置、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 03031236
學(xué) 生 姓 名 蔡系文
指 導(dǎo) 教 師 袁坤
填 表 日 期 2007 年 04 月 05 日
說(shuō) 明
開題報(bào)告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。
一、選題的依據(jù)及意義：
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(guó)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(guó)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(jué)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(lái)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(lái)了建筑物幕墻的清洗問(wèn)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(guó)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(guó)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(zhǎng)，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。隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，高層建筑越來(lái)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(jié)構(gòu)，但隨之而來(lái)的高樓清洗問(wèn)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(wù)，成為擺在大樓經(jīng)營(yíng)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(xiàng)非常繁重、特殊及平凡的工作，在垂直陡壁上進(jìn)行清洗作業(yè)，對(duì)人類是非常困難和危險(xiǎn)的。
爬壁清洗機(jī)器人解決了人類在特殊環(huán)境下從事危險(xiǎn)、繁重體力勞動(dòng)的難題，為改善勞動(dòng)環(huán)境、保護(hù)人身安全及美化城市等方面，開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。所以我選擇了這個(gè)爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)的課題。
二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）：
壁面爬行機(jī)器人（簡(jiǎn)稱爬壁機(jī)器人）作為高空極限作業(yè)的一種特殊機(jī)器人，越來(lái)越受到人們的 ，原因是使用爬壁機(jī)器人不僅可以代替人進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)，而且可以把人們從惡劣的環(huán)境中解脫出來(lái)。目前國(guó)內(nèi)外已有一定數(shù)量的爬壁機(jī)器人投入現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，基礎(chǔ)理論研究已逐步完善。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(lái)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(wèn)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。框架式吸附能力大，承載能力強(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。下面就上述分類對(duì)國(guó)內(nèi)外的爬壁機(jī)器人的發(fā)展介紹如下：
(一) 國(guó)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況
日本作為機(jī)器人大國(guó)很早就開始了壁面移動(dòng)機(jī)器人的研究，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(guò)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(guò)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。
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)。
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(guò)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(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。
1990年，俄國(guó)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(lái)控制、調(diào)節(jié)真空吸盤真空度的真空傳感器。
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。
90年代初，英國(guó)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。
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(guó)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(guó)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，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。
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)。
1998年，德國(guó)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(guó)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(guó)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)。
2000-2001年，美國(guó)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)。
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(guò)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(guò)前輪實(shí)現(xiàn)的，移動(dòng)速度可達(dá)10m/min，噴漆速度為1m3/min。
(二) 國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況
相對(duì)外國(guó)，國(guó)內(nèi)壁面爬行機(jī)器人研究起步較晚。雖然1988年上海大學(xué)就開始了爬壁擦窗機(jī)器人研究，由于資金有限，進(jìn)展沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。直到1996年以后，國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“863”計(jì)劃陸續(xù)資助北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校，才正式啟動(dòng)壁面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究和開發(fā)。
1997年，上海大學(xué)特種機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究室開發(fā)了多層框架，多真空吸盤式，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壁面移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人最大工作移動(dòng)速度7.0m/min，自重50kg，負(fù)載能力55kg，越障高度60mm。但由于結(jié)構(gòu)較大，重量大，沒(méi)有研制配套的清洗裝置，因此不能實(shí)際應(yīng)用。
2002年，上海大學(xué)又研制開發(fā)了球形壁面爬行機(jī)器人。該機(jī)器人采用六足獨(dú)立移動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，帶有柔性裙邊的鉸接式真空吸盤，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)形式。但由于重心較高，穩(wěn)定性差。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)也是國(guó)內(nèi)外壁面移動(dòng)機(jī)器人研究較早的單位，在國(guó)家“863”智能機(jī)器人的支持下，已先后開發(fā)出兩個(gè)系列共5個(gè)品種的爬壁機(jī)器人。1997年推出CLR-I型瓷磚壁面清洗機(jī)器人樣機(jī)。該機(jī)器人采用雙輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，清洗機(jī)構(gòu)置于吸盤尾部，同時(shí)還設(shè)有卷?yè)P(yáng)機(jī)，地面支援小車等附屬設(shè)施。主體下部是一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)輪的滑動(dòng)密封式負(fù)壓吸盤。由于密封裝置采用柔性設(shè)計(jì)，對(duì)壁面的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上豫東，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差。
1999年在CLR-I的基礎(chǔ)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(jī)器人。該機(jī)器人采用單輪驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了精巧的清洗機(jī)構(gòu)，設(shè)置了抬起氣缸，避免刷子對(duì)已清洗的壁面進(jìn)行二次污染。
北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所自1996年以來(lái)在國(guó)家“863”計(jì)劃的大力資助下，先后成功研制了WASHMAN，CLEANBOT-I兩種爬壁機(jī)器人。這兩種機(jī)器人均由縱、橫呈十字交叉的無(wú)桿氣缸組成本體，可沿縱橫自由運(yùn)動(dòng)和越障。全氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式、重量輕、適合在玻璃壁面上工作。之后又推出了藍(lán)天潔士I、II、III型擦窗機(jī)器人。2000年開發(fā)研制的靈巧擦窗機(jī)器人
(三) 爬壁清洗機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)
爬壁清洗機(jī)器人現(xiàn)在在我國(guó)應(yīng)用還基本上沒(méi)有展開，可以說(shuō)是一個(gè)空白領(lǐng)域，國(guó)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(guó)目前還在試驗(yàn)階段，沒(méi)有具體的產(chǎn)品，國(guó)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)器人也逐步進(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、性能價(jià)格比高的爬壁清洗機(jī)器人。主要的研究方向有如下幾點(diǎn)：
1．研究開發(fā)出高效率的爬壁清洗機(jī)器人，主要是新開發(fā)出清洗裝置；
2．研究開發(fā)出對(duì)壁面廣泛適應(yīng)性的爬壁清洗機(jī)器人，以滿足特殊環(huán)境的清洗要求；
3．合理的性價(jià)比（性能/價(jià)格比）、高可靠性、通用性。
三、研究?jī)?nèi)容：
1) 爬壁清洗機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)與研究。針對(duì)我國(guó)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)研究。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)研究。通過(guò)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。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
（一）、目標(biāo)：
本課題設(shè)計(jì)是針對(duì)玻璃壁面為作業(yè)對(duì)象，要求設(shè)計(jì)出能爬墻及其自動(dòng)完成清洗作業(yè)的機(jī)器人。機(jī)器人是高度復(fù)雜的智能化系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)包括本體部分和控制系統(tǒng)以及輔助部分。一套好的機(jī)器人系統(tǒng)既是機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和主要參考依據(jù)。因此爬壁清洗機(jī)器人應(yīng)具有以下主要功能:
1) 機(jī)器人能向上、下、左、右四個(gè)方向上移動(dòng)、停留、可以攜帶輔助工具清洗刷完成對(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。
（二）、主要特色：
系統(tǒng)工作安全，操作簡(jiǎn)單，清洗效率高。
（三）、工作進(jìn)度：
1、收集有關(guān)資料,寫出開題報(bào)告； 2周(3.26-4.8)
2、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)； 2 周(4.9-4.22)
3、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（臺(tái)面）； 2周(4.23-5.6)
4、清洗裝置設(shè)計(jì)； 2周(5.7-5.16)
5、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)； 3周(5.17-6.8)
6、外文翻譯(6000實(shí)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(xiàn)
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視覺(jué)傳感器在爬壁清洗機(jī)器人中的應(yīng)用
摘要
本論文描述了視覺(jué)傳感器在高樓幕墻清洗機(jī)器人中的應(yīng)用。該機(jī)器人利用真空吸盤吸附移動(dòng)與于玻璃表面，并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人靈活的關(guān)節(jié)以調(diào)整機(jī)器人的方向。由一個(gè)CCD相機(jī)和兩個(gè)激光二極管組成的視覺(jué)傳感器通常是來(lái)測(cè)量機(jī)器人相對(duì)的窗框玻璃表面位置和方向。視覺(jué)傳感器也用于要定位的清洗位置。本文還討論了視覺(jué)傳感器中的數(shù)學(xué)模型和評(píng)價(jià)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)的傳感器用于測(cè)量機(jī)器人的位置和方向，并且測(cè)量需要定位清洗的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。
關(guān)鍵字：爬壁機(jī)器人；視覺(jué)傳感； 玻璃清洗； 激光二極管
1.引言
為減輕人類從事危險(xiǎn)的工作,如清潔高樓大廈的玻璃表面、消防搶救、及檢查高木板及墻壁等，研發(fā)各種服務(wù)機(jī)器人的需求不斷增加。 圖1可以表明我們最近開發(fā)的攀登機(jī)器人系統(tǒng)其目的是利用吸力杯和一個(gè)移動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)制來(lái)清潔高樓大廈玻璃。這種機(jī)器人最快速度能達(dá)到300米/分鐘，并有能力跨越裂縫和繞過(guò)小于35毫米高80毫米寬的障礙.機(jī)器人利用其靈活的腰部可輕易調(diào)整自己的方向。
要做好玻璃表面上的清潔工作，清掃機(jī)器人必須知道什么時(shí)候開始或停止的清潔工作， 如何控制方向(或移動(dòng)方向),及如何越過(guò)窗框。因此，有必測(cè)量機(jī)器人的方向， 機(jī)器人和窗框之間的距離, 機(jī)器人與污垢處的距離。 最近在[7.8]中報(bào)道了一些關(guān)于工程傳感系統(tǒng)清洗機(jī)器人的文章。在[7]中，超聲波聲納被應(yīng)用于自動(dòng)定位。在[8]中，所謂的‘合作定位系統(tǒng)’提出了重復(fù)搜索過(guò)程，直至達(dá)到目標(biāo)位置。然而，在玻璃表面爬墻機(jī)器人中，許多利用激光和超聲波傳感器等傳統(tǒng)的探測(cè)方法，不適用于測(cè)量機(jī)器人和窗戶框的距離。 這是因?yàn)榇翱虻母叨韧ǔ］^低而傳感器發(fā)出的光柱是難以達(dá)到這一高度的，除非架梁正平行于玻璃表面。 由于難以避免的安裝錯(cuò)誤，傳感器通常是很難確保光束平行于玻璃表面。因此，在機(jī)器人清洗玻璃表面的應(yīng)用中，這一問(wèn)題需要得到解決。
1. X向氣缸 2. 清洗刷
3. 視覺(jué)傳感器 4. Y向氣缸
5. 吸盤 6. Z向氣缸
7. CPU 8. 旋轉(zhuǎn)氣缸
圖1. 爬壁機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)
攝像機(jī)常常用于機(jī)器人的定位，視覺(jué)伺服及視覺(jué)引導(dǎo) [9-15]。Malis [9]使用兩部相機(jī)來(lái)進(jìn)行2-D及5/2-D的視覺(jué)伺服且提出了多攝像機(jī)視覺(jué)伺服方法。不過(guò)，使用的一些鏡頭可能不適合的爬墻機(jī)器人，這是因?yàn)椋?）當(dāng)使用幾個(gè)鏡頭時(shí)，很難建立一個(gè)大區(qū)的交匯點(diǎn)，（2）使用一些相機(jī)增加了爬墻機(jī)器人的負(fù)荷重量,從而影響其安全?；谔卣骺臻g分析， 可以用一個(gè)相機(jī)從一個(gè)位置的多方向來(lái)確定機(jī)器人的位置。這種方法的缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果可能隨環(huán)境變化而變化。 此外，深入的資料可能會(huì)遺失并且照相機(jī)和目標(biāo)物體的距離不能用傳統(tǒng)的相機(jī)測(cè)出。
在這項(xiàng)研究中,視覺(jué)傳感系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于爬墻機(jī)器人，它是由一個(gè)能夠被定位的CCD相機(jī)和兩個(gè)固定在攝影機(jī)上的激光二極管組成。 使用單一相機(jī)有助于簡(jiǎn)化安裝和減輕整個(gè)系統(tǒng)的重量。兩架輕型激光器則固定在相機(jī)上，是視覺(jué)傳感器的‘眼睛' 。相機(jī)可以調(diào)整,以確保發(fā)現(xiàn)窗框或污垢處。 有了一只這樣的‘眼睛',機(jī)器人和窗框及污垢處的距離就可以測(cè)量出來(lái)。 有兩只的話,就可確定玻璃表面機(jī)器人的位置.擬議視覺(jué)傳感系統(tǒng)有三重優(yōu)點(diǎn)：第一，視覺(jué)傳感器可以根據(jù)三角理論，輕易而有效地測(cè)量出機(jī)器人的位置和方向。第二，有兩束激光二極管固定其上的照相機(jī)使機(jī)器人重量增加不及10克，因?yàn)閳D像處理系統(tǒng)安裝在地面上的主電腦上 。第三，它提供了電腦視頻,操作人可以直接監(jiān)督機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
2.機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
清洗機(jī)器人系統(tǒng)包括一個(gè)移動(dòng)式爬壁機(jī)器人,輔助車輛,壓縮機(jī)和一臺(tái)電腦,如圖2所示。攀登機(jī)器人貼在玻璃表面進(jìn)行清潔工作， 配套機(jī)車為其提供電力及清洗液，壓縮機(jī)當(dāng)作氣源.由于機(jī)器人和電腦相聯(lián)結(jié),操作人可以檢查和控制機(jī)器人的運(yùn)作。
圖2. 清洗機(jī)器人系統(tǒng)
圖3. 爬壁機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)
先進(jìn)的爬墻機(jī)器人長(zhǎng)1220毫米,寬1340毫米, 高370毫米,重量為30公斤. 機(jī)器人的身體主要是由兩個(gè)相互垂直桿缸組成, 如圖2所示。水平桿缸長(zhǎng)400毫米，垂直的是500毫米。交替發(fā)動(dòng)這兩個(gè)桿缸 ，機(jī)器人就會(huì)沿X或Y方向的運(yùn)動(dòng) 。如圖3所示，有四個(gè)較短z桿缸安裝在各桿缸兩端。伸縮或后退這四個(gè)桿缸的橫梁, 機(jī)器人就可以在z方向運(yùn)動(dòng). 在兩桿缸交叉處, 安裝了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱，被稱為機(jī)器人的腰，有了這個(gè)機(jī)器人就可繞Z支點(diǎn)左右旋轉(zhuǎn)。在水平桿缸的兩端安裝了兩個(gè)專門設(shè)計(jì)的刷子，它們都由一個(gè)擦吸系統(tǒng)構(gòu)成。 該擦拭裝置通過(guò)配套機(jī)車提供的清洗液擦洗臟黑的玻璃表面。吸收系統(tǒng)搜集污水并把它們返回至配套機(jī)車進(jìn)行回收。
機(jī)器人用吸管袋進(jìn)行粘連。在機(jī)器人的每只腳下都安裝了四個(gè)直徑為100毫米的吸管袋。這16個(gè)吸管袋足以承受15公斤的負(fù)荷。該機(jī)器人采用了平移機(jī)制的運(yùn)動(dòng)。 隨著運(yùn)作模式的粘,機(jī)器人可以完成一系列的提案,包括移動(dòng),旋轉(zhuǎn)及穿越障礙。旋轉(zhuǎn)機(jī)器人受可調(diào)旋轉(zhuǎn)桿缸的控制。機(jī)器人每步可繞z支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)1.6度左右，直到達(dá)到預(yù)期的態(tài)勢(shì)。
該機(jī)器人的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是一個(gè)主輔電腦。 主計(jì)算機(jī)(見(jiàn)圖 2)總部設(shè)在地面并直接受人操縱。 輔計(jì)算機(jī)嵌于在機(jī)器體中如圖3所示。 利用安裝在機(jī)器人上的信號(hào)傳感器發(fā)出的反饋信息，輔助計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人的移動(dòng)和姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)在玻璃表面上的自動(dòng)導(dǎo)航。通過(guò)視覺(jué)傳感系統(tǒng)及主輔計(jì)算機(jī)與RS422的連接，主電腦可獲取信息，查明機(jī)器人的位置。 在緊急情況下,操作員可根據(jù)實(shí)際情況直接控制機(jī)器人。
圖4. 攀登機(jī)器人在商業(yè)大廈外的現(xiàn)場(chǎng)演示
機(jī)器人通過(guò)交替吸吮及釋放安裝在縱橫交叉桿缸上的吸管杯來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的。輔助電腦打開或關(guān)閉信號(hào)來(lái)連接或拔下真空發(fā)生器的氣源, 實(shí)現(xiàn)吸吮或釋放相應(yīng)的吸管杯。真空公尺可衡量相關(guān)的真空吸管杯和檢查機(jī)器人的安全性。如果真空吸管杯指數(shù)少于40kpa, 主計(jì)算機(jī) 就收到一條警報(bào)信號(hào)。圖 4描繪了一架先進(jìn)的清洗機(jī)器人攀爬坐落在香港城市廣場(chǎng)的一棟商業(yè)大廈。
3. 視覺(jué)傳感技術(shù)
3.1視覺(jué)傳感硬件系統(tǒng)
視覺(jué)傳感硬件系統(tǒng)包括一個(gè)型號(hào)為索尼EVI-d30(j)面向CCD相機(jī), 兩根激光二極管及捕獲卡,如圖5所示. 照相機(jī)的控制弦接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的指令。 照相機(jī)的視頻輸出舷將視頻信號(hào)發(fā)送到采集卡然后是顯示在電腦屏幕上,使操作人可以關(guān)注玻璃表面上機(jī)器人周圍的情況。固定在相機(jī)上的兩束激光二極管作為傳感系統(tǒng)的'眼睛', 會(huì)釋放出兩束激光以找到窗框并產(chǎn)生兩個(gè)激光點(diǎn)。相機(jī)和激光二極管的擺放姿態(tài)要隨電腦改變，確保光源能到達(dá)窗框。激光器的發(fā)射點(diǎn)是機(jī)器人的參考點(diǎn)。參考點(diǎn)到窗框的距離及機(jī)器人相對(duì)窗框的位置可以通過(guò)分析兩激光點(diǎn)在平面圖上的像素坐標(biāo)U和V來(lái)確定。
3.2 位置測(cè)量
測(cè)量中將會(huì)運(yùn)用到三角理論。 圖6（左視圖）說(shuō)明了如何利用視覺(jué)傳感系統(tǒng)測(cè)量機(jī)器人的位置。 L表示激光器的發(fā)射點(diǎn)，L1是激光射在窗框的點(diǎn)， L2是L1在圖像平面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn), 此處就是I表示的中央圖形。把相機(jī)的焦點(diǎn)看作起點(diǎn)并用F表示，建立一個(gè)用F-xbybzb表示的基地坐標(biāo)，此處xb坐標(biāo)軸平行于玻璃表面，垂直于窗框, yb坐標(biāo)軸則與玻璃表面和窗框都平行，zb坐標(biāo)軸垂直于xb-yb平面，如圖6所示。把F為同一起點(diǎn),可建立另一個(gè)被命名為照相機(jī)坐標(biāo)的框架，用F-xyz表示,此處的x軸平行與直線I-F即相機(jī)的主要輕支點(diǎn)，y同yb一樣都是坐標(biāo)框架的基礎(chǔ)，z垂直于x-y平面。 [x0,y0, z0]T、[x1,y1, z1]T [ x2,y2, z2]T分別表示點(diǎn)L, L1 L2的坐標(biāo)。用U和V表示坐標(biāo)在圖象平面上的坐標(biāo)，u0,v0為像素中央點(diǎn)I的坐標(biāo)。
因?yàn)榻裹c(diǎn)F位于線L1–L2上，則線L1–L2可用下式表示：
（1）
定義為激光器相對(duì)照相機(jī)的傾斜角（繞y軸，逆時(shí)針）C為泛角（繞z軸，逆時(shí)針）。則線L–L1就可這樣表示：
（2）
圖5 視覺(jué)傳感硬件系統(tǒng)
圖6 機(jī)器人位置的測(cè)量
從(1)和(2)中我們可以得出的坐標(biāo)點(diǎn)L1像素坐標(biāo)u, i.e。
[x1,y1, z1]T= +[x0,y0, z0]T （3）
其中
，
其中dx和dy是兩個(gè)相鄰像素在兩個(gè)方向的圖像平面距離, 而F表示焦距。
L和L1的距離用|LL1|表示，
（4）
定義a為相機(jī)在基地坐標(biāo)框架上的傾斜角度。L–L1與L–L3（平行與xb軸）之間的角度為
（5）
那么,點(diǎn)L和窗戶框的距離為：
（6）
把(3)–(5)代入(6)中得出像素坐標(biāo)u,i.e中的d
（7）
圖7. 機(jī)器人在玻璃面上
同樣的，如果機(jī)器人與兩窗框的距離d1和d2能用擬議視覺(jué)傳感方法測(cè)出，則d也可求出。值得注意是在測(cè)量距離時(shí)只需要一個(gè)激光二極管。
3.3 定位測(cè)量
圖8（視圖）描述了利用視覺(jué)傳感系統(tǒng)測(cè)量機(jī)器人的位置,此時(shí)需要兩個(gè)激光二極管。點(diǎn)A、B分別是激光二級(jí)光的發(fā)射點(diǎn)1和2。點(diǎn)A1和B1是窗框上相應(yīng)激光點(diǎn)。 C1和C2是激光二極管1和2相對(duì)相機(jī)的泛角。分別用[xL,yL, zL]T和[ xR,yR, zR]T表示左點(diǎn)A與右點(diǎn)B在相機(jī)坐標(biāo)框架中的位置。在x–y平面上，A–A1可以用表示為：
（8）
注意像素坐標(biāo)的激光點(diǎn)A2在圖像平面上是ul和vl。在x-y平面, A2的坐標(biāo)是(f,dx(u0-ul))。那么 ，線F–A1可表示為：
（9）
結(jié)合(8)和(9),可導(dǎo)出點(diǎn)A1的坐標(biāo)：
（10）
（11）
圖8. 機(jī)器人定位測(cè)量
圖9. 污垢位置的測(cè)量
同樣，假設(shè)xB1和 yB1,，可以推導(dǎo)出點(diǎn)B1的坐標(biāo)。最后，機(jī)器人相對(duì)窗框的泛角可得為：
（12）
圖8所示，h表示機(jī)器人在玻璃上的位置，基于此機(jī)器人才可轉(zhuǎn)動(dòng)其腰部,以達(dá)成預(yù)期的態(tài)勢(shì)。
3.4 污垢位置的測(cè)量
圖 9(視圖)說(shuō)明如何運(yùn)用定位傳感系統(tǒng)確定污垢處。 首先,激光二極管掃描整個(gè)窗戶玻璃面。然后,利用相機(jī)和兩臺(tái)激光二極管找到污垢并記錄起圖象。不需要太多時(shí)間去完成這些步驟,因?yàn)椴僮魅藛T可以幫助機(jī)器人很快找到污垢,然后向機(jī)器人發(fā)出進(jìn)測(cè)量指令。二極管是固定在相機(jī)上的，它們的相對(duì)位置和姿態(tài)在獲取污垢位置的過(guò)程中不能改變。 用3.2部分的同樣方法，通過(guò)分析激光點(diǎn)在圖像平面上的U或V坐標(biāo)可測(cè)出機(jī)器人和污垢處的距離。在得出機(jī)器人與污垢間距離及相機(jī)泛角的基礎(chǔ)上，就可確定污垢位置。
4.試驗(yàn)
室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是測(cè)量機(jī)器人和窗框的距離，確定機(jī)器人位置；測(cè)量機(jī)器人相對(duì)窗框的泛角,以確定該機(jī)器人方向；確定污垢位置。在實(shí)驗(yàn)中,相機(jī)的姿勢(shì)，泛度(-100度到100度)和傾斜角(-25度到25度),受主計(jì)算機(jī)的調(diào)控。用模式識(shí)別技術(shù)來(lái)確定是否光源到達(dá)了窗框以獲得對(duì)激光點(diǎn)在窗框的圖象。
4.1機(jī)器人位置的測(cè)量
首先，通過(guò)獲取機(jī)器人在玻璃表面不同標(biāo)定位置的圖象及分析激光點(diǎn)U或V的座標(biāo)可以標(biāo)定視覺(jué)傳感系統(tǒng)。用最小二乘擬合 距離這次機(jī)器人和窗框可從刻度為2293mm u坐標(biāo)左邊的激光點(diǎn)ul(像素)和傾斜角度的相機(jī)(deg)。 詳細(xì)的程序標(biāo)定列在以下方面:
1. 讓機(jī)器人向任意位置移動(dòng)，并測(cè)量機(jī)器人與窗框之間的距離 （例如距離D為100毫米) 然后用相機(jī)記錄下傾斜角a和像素坐標(biāo)ur(和UL)。
2. 讓機(jī)器人移動(dòng)到其他位置,并且并取得了一系列的校驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3. 從等式(7)中用最小二乘擬合方法得到系數(shù)a1、a2、a3和b
通過(guò)以上校準(zhǔn)程序,我們得到a1=16.67、a2=185839.97和a3 = 1286.21。
（13）
用類似的方法, 距離D可轉(zhuǎn)換成激光點(diǎn)u坐標(biāo)的功能，比如：
（14）
兩束激光點(diǎn)v坐標(biāo)的距離功能在不斷變化。通過(guò)對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中用u坐標(biāo)測(cè)出的距離比用更精確V坐標(biāo)測(cè)出的更精確. 圖10 和11分別描述了等式(13)及(14)的 關(guān)系。
在隨后的實(shí)驗(yàn) ，等式 (13)被用來(lái)測(cè)量機(jī)器人在玻璃表面上的位置. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果即測(cè)量誤差與測(cè)量距離之間的關(guān)系如圖 12中所示，此處平方點(diǎn)代表不同距離的測(cè)量誤差, 而固體線指的是一種隨距離增加而產(chǎn)生的測(cè)量誤差趨勢(shì). 當(dāng)照相機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度時(shí),機(jī)器人與左窗框之間的距離及像機(jī)傾角就可以測(cè)量出來(lái)。
為了解決這個(gè)測(cè)量距離誤差累積的問(wèn)題，視覺(jué)傳感器在一系列測(cè)量后需要復(fù)位。值得注意的是相機(jī)畸變可能會(huì)影響測(cè)量d。從圖12可以看到當(dāng)距離不是很大(即<1000毫米)是測(cè)量誤差是很小的。在發(fā)生大的距離，鏡頭畸變就應(yīng)該加以考慮。
圖10 機(jī)器人與窗框距離---左側(cè)激光點(diǎn)u坐標(biāo)及相機(jī)傾角
圖11 機(jī)器人與窗框距離---右側(cè)激光點(diǎn)u坐標(biāo)及相機(jī)傾角
圖12 機(jī)器人測(cè)量誤差趨勢(shì)
4.2 機(jī)器人方向的測(cè)量
通過(guò)找到機(jī)器人方向和圖象中左右激光點(diǎn)的U坐標(biāo)之間的關(guān)系，視覺(jué)傳感系統(tǒng)可得到進(jìn)一步標(biāo)定 。用最小二乘法,可以從標(biāo)定中得出以下關(guān)系：
, （15）
圖13說(shuō)明了泛角h與ul和ur坐標(biāo)之間的關(guān)系，泛角與測(cè)量誤差之間的關(guān)系已在圖14中顯示。此處平方點(diǎn)代表不同距離的測(cè)量誤差, 而固體線指的是一種隨距離增加而產(chǎn)生的測(cè)量誤差趨勢(shì)。應(yīng)該注意泛角誤差對(duì)整個(gè)測(cè)量誤差可能會(huì)產(chǎn)生影響。然而在某些應(yīng)用方面，泛角誤差對(duì)距離測(cè)量誤差的影響不是很大。在我們的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人在玻璃表面爬行超過(guò)水平方向2米時(shí)，機(jī)器人的泛角將會(huì)小于6度。
重力的作用將會(huì)影響機(jī)器人的位置，尤其是當(dāng)這個(gè)機(jī)器人在水平方向爬行時(shí)，在我們的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人在玻璃表面爬行超過(guò)水平方向2米時(shí)，機(jī)器人的泛角將會(huì)小于6度。當(dāng)這個(gè)泛角按順時(shí)針測(cè)量時(shí)，機(jī)器人就會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)它的腰，以達(dá)到預(yù)期的水平或垂直的位置。當(dāng)這個(gè)泛角按逆時(shí)針測(cè)量時(shí)，機(jī)器人就會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)它的腰，以達(dá)到預(yù)期的位置。
圖13 基于機(jī)器人位置的測(cè)量
圖14 位置測(cè)量誤差趨向
4．3 污垢位置的測(cè)量
模式識(shí)別技術(shù)用于找出污垢進(jìn)行清理,然后獲取激光點(diǎn)的圖象。圖15描繪了圖象定位污垢處。等式（14)被用來(lái)測(cè)量機(jī)器人和污垢處的距離。在測(cè)量了距離及相機(jī)泛角度的基礎(chǔ)上, 才能確定污垢的位置。定位污垢處的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1
圖15 用于定位污垢的圖象
(deg)
傾斜角度
像素坐標(biāo)u（piexl）
D（mm）
測(cè)量錯(cuò)誤（mm）
1
37
11
1364
798．2
（2.6,3.7）
2
65
17
1400
633.3
(3.2,1.6)
3
52
22
1410
577.0
(2.5,2.1)
4
53
11.6
1370
768.6
(3.5,2.6)
5
54
5
1325
1066.1
(7.1,3.4)
6
75
2.4
1311
1205.6
(10.3,2.0)
7
67
9
1348
890.3
(6.1,2.0)
8
65
5
1327
1050.1
(7.7,2.6)
9
78
10.4
1358
830.0
(5.9,1.4)
表一 用于定位污垢的試驗(yàn)結(jié)果
5.結(jié)論
本文描述了視覺(jué)傳感應(yīng)用的爬墻機(jī)器人清洗玻璃的高樓大廈。機(jī)器人以黏附的方式吸附在墻面上，并可以方便地移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。在機(jī)器人上安裝的視覺(jué)傳感系統(tǒng)是由一臺(tái)已經(jīng)定位的CCD照相機(jī)，二個(gè)激光二極管和其他輔助部分組成?；谛?zhǔn)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)定位的機(jī)器人有其位置定向之間的關(guān)系， 在這幅圖像內(nèi)可以知道的兩個(gè)激光點(diǎn)的同等物，和照相機(jī)的傾斜角度。使用這些關(guān)系，可以方便地測(cè)量出機(jī)器人的位置和方向，并且要被清潔的臟的地方也可以找到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這個(gè)視覺(jué)傳感系統(tǒng)應(yīng)用在爬壁機(jī)器人是有效的。
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