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成都理工大学
硕士学位论文
新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计
姓名:吴神丽
申请学位级别:硕士
专业:测试计量技术及仪器
指导教师:李宏穆
20090501
摘要
新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计
作者简介:吴神丽,女,1984 年 4 月生,师从成都理工大学李宏穆副教授,
2009 年 6 月毕业于成都理工大学测试计量技术及仪器专业,获得工学硕士学位。
摘要
在机器人领域中,随着工业化的发展,信息化的到来,城市里高楼林立,为
城市带来新的风景线,从而也衍生出繁重的清洗任务。高层建筑物壁面的清洗大
部分由工人完成,不仅效率低,而且工作环境恶劣易发生事故。高层建筑清洗爬
壁机器人正是在这种背景下应用而生,它属于移动式服务机器人的一种,可在垂
直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗。对高层建筑爬壁清洗机器人的不断研
究,会实现清洗作业的自动化,同时通过更换周边设备可适应其他的操作任务,
其主要壁面移动机器人载体可以深入应用到核工业、石化、消防、造船等行业。
国内国外对高楼爬壁清洗机器人的研究已有几十年的历史,研制出各种各
样的清洗爬壁机器人,但总体来看,仍然存在一些问题。本文针对壁面作业的特
殊情况,在国内外壁面自主移动机器人研究的基础上,设计出一种气驱动、真空
吸附、灵活移动的框架式清洗爬壁机器人,使其在高层建筑壁面清洗工作中彻底
解放工人的劳动力,成为建筑清洗行业的主力军。
机器人本体上装有清洗装置,按规划的工作路径进行清洗。高层建筑壁面的
污垢主要是大气尘垢,清洗系统是清洗爬壁机器人的重要组成部分之一,考虑机
器人的作业环境、清洗效率和环保的要求,整个清洗作业系统包括滚刷系统、喷
淋系统、水循环回收系统、污水处理系统、洁面系统,采用冲洗、刷洗、刮洗联
合作用的清洗作业方式。刮板可以刮净和回收残留在壁面的液滴,通过污水管进
入污水箱。污水的回收和再利用使机器人实现自给供水,有利于增加清洗机器人
的效率,而且可以减轻清洗机器人的负载重量。
机器人爬壁系统是清洗爬壁机器人的核心部分,由移动系统和吸附系统组
成。移动吸附系统设计了十字框架结构和真空吸附方案,使机器人灵活移动,避
障能力强。机器人主体部分由可以相互平移的两个呈十字型框架构成,其中任意
一个框架可以相对另一个进行平移,每个框架成组配置可独立控制腿足结构。腿
足结构具有一个主动直动关节。随着腿部的交替吸附和框架主体的相对运动,机
器人实现壁面自由移动的功能。驱动方式由 X 方向和 Y 方向两个相互垂直的机
构组成,分别选用一个双作用无杆气缸,安置在中间的安装箱内。
移动系统的十字交叉结构主要采用镂空的高强度铝合金材质加工成的板状
I
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结构,既提高机器人整体的刚度,又避免增加机器人的重量。Z 向四个气缸实现
吸盘组的抬起和落下动作。框架式结构主要依赖于本体自由度与腿足自由度的结
构,各部分结构简单,满足灵活性和机动性的要求。
吸附系统根据机器人工作的现场实际,采用真空吸附、气体驱动的吸盘组结
构,有效地满足负载能力、速度、越障,研制一种运行可靠的壁面移动机构,使
系统简单、可靠、操作方便。真空吸盘组采用正三角排列和使用气动的驱动方式。
吸盘组结构形式有利于利用吸盘的弹性变形,提高越障能力,保证吸盘与壁面的
吸附,提高机器人工作的安全性和可靠性。本文对元器件的选型主要选用德国
Festo 公司的真空元件,对真空元件和气动元件进行优化组合,使参数设计合理
和模块化程度高,满足机器人本体的设计要求。通过计算确定吸盘的直径、数量,
合理安排吸盘布局,考虑系统的负载和用气量,选择合适的气缸,绘制出气路图。
对机器人作业中的具体路径进行了规划。为了提高机器人的清洗效率,进行
路径规划时要求整个过程中动作最少,单位清洗面积最大,保证机器人的主运动
方向与路径的规划方向相同。避免建筑物壁面二次污染,因此将机器人运动路径
设计为自上而下。由于机器人可以对窗框一类的障碍进行越障,因此使路径规划
简化不少。
控制系统是清洗爬壁机器人的关键部分,采用西门子公司的S7-300PLC完成
对机器人主体的吸盘脱离、本体移动、吸盘吸附和清洗的顺序控制。为了控制方
便、操作简单,控制器PLC固定在机器人本体上,通过自动控制和手动控制对机
器人的整体进行控制,故障诊断和综合管理,实现机器人各部分的协调工作和配
合。
通过 UG 三维软件对所设计的机器人建立三维实体模型和动画模型,对主体
机构进行运动仿真,对其进行有限元分析和机构分析,得出仿真结果。通过观察
和分析仿真结果,验证各运动部件之间无干涉发生,运行平稳,证明了