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文献综述飞机表面清洗机器人结构设计与分析
一、国内外现状和研究成果
飞机表面清洗技术的发展可以分为三个阶段。
第一阶段为手工操作阶段，由工人进行清刷工作。
第二阶段为机械辅助人工操作阶段，利用专用的清洗机械辅助人工完成大型飞机的清洗任务，工作效率有所提高。
第三阶段为自动化清洗作业阶段，自动化机械为飞机表面清洗工作提供了良好的条件和保障。
1.国外清洗机器人发展状况
（1）龙门式飞规表面清洗机器人[1-3]
日本成田的新东京国际航空机场装备了计算机控制的龙门式飞机表面清洗机器人。
装置在对应于飞机头部、机身前部、机身下部、机身后部、主翼、水平尾翼、垂直尾翼等位置处共安装了16台机器人，每台机器人手臂上安装了清洗刷，并在各个刷子的前端和清洗机器人各处安装了喷射水和清洗剂的喷嘴。
清洗时飞机由牵引车拉入装置内，然后利用仪器将测得的飞机准确位置传给计算机，同时利用此数据微调清洗装置的方位开始按一定顺序自动清洗机体，机器人手臂达不到的地方或用机器人不易清洗的地方再由人工利用长刷进行清洗。
利用该自动清洗机器人清洗一架巨型客机只需5名机务人员约100分钟就能完成。
这种机器人由于采用了龙门式框架结构，装置近百米宽，对宽体大型客机的清洗非常适合，但对于一般的中小型客机的清洗就显得不太适合了。
（2）立架式移动清洗机器人
美国开发的SAAMS飞机表面清洗机器人主要由运输平台、竖直立架、带有6个自由度的可编程机器人三部分组成。
（3）长臂式移动清洗机器人[4-12]
德国汉萨航空公司委托普茨迈斯特公司经过近5年的开发，研制出了长臂式飞机表面清洗机器人（如图1所示），目前已在德国法兰克福机场上岗工作。
该清洗机器人的主要组成部分有机械系统、计算机、组合传感器、机器人控制器及液压系统，其核心部件是AEG公司的IRC250机器人控制器和道尼尔公司的激光器。
图1长臂式飞机表面清洗机器人
首先利用微机对航空公司的整个机队的飞机外形进行编程，并将飞机的机型数据输入计算机。
工作时，机器人位于飞机的两侧，利用专用激光摄像机确定出机器人的精确工作位置，利用传感器得到飞机的三维轮廓，并将此信息送往计算机进行处理。
计算机将机器人当前的位置与所存储的飞机的数据模型进行比较．并由当前的位置计算出机器人的坐标。
机器人开始清洗时，由装在车后部的AEG的IRC250机器人控制器控制清洗滚刷，按照预定程序沿着飞机表面做清洗运动。
清洗机器人的机械操作臂有9个自由度，它的机械臂向上可伸33米高，向外可伸27米远，且清洗机器人可以走近飞机，所以它可以清洗任何类型的飞机。
由于机器人的臂很长，它能覆盖所有类型飞机表面的85％．只有机身下面等少数机器入达不到的部位或用机器人清洗不经济的部位需要用手工补擦。
为了提高效率，手工擦洗可与机器人擦洗同时进行。
通过使用机器人不仅减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，而且可以节省一半以上的水资源。
例如，人工清洗一架波音747飞机需要100个工时，飞机在地面须停留10h，而机器人清洗仅需12个工时，飞机在地面停留2～3h。
这样大大缩短了飞机的地面停留时间，增加了飞行营运时间，提高了经济效益。
2.国内清洗机器人发展状况
（1）我国清洗机器人研究概况
目前，我国清洗机器人研究主要集中在用于建筑物的外墙壁、玻璃幕墙清洗的爬壁机器人,如图2、3所示。
哈尔滨工业大学[13]、上海大学[14-15]、上海交通大学[16]、北京航空航天大学[17-18]等单位在这方面的研究较多，并有产品研制成功。
此类机器人起源于20世纪70年代的日本[19-20]，机器人主要依靠吸附力吸附在工作面上并移动。
机器人按吸附功能分真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。
真空吸附机器人是通过真空泵装置，使吸盘内腔产生负压或由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，使周围形成真空，使机器人吸附在壁面上。
它不受壁面材料的限制，但当壁面凹凸不平时。
吸盘容易漏气，降低了吸附力和承载力，它产生的吸附力远小于磁吸附。
磁吸附要求壁面必须是导磁材料，对壁面的凹凸适应性强，不存在漏气问题且结构简单。
推力吸附是依靠螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力，使机器人稳定可靠地吸附在壁面上。
图2壁面清洗机器人图3擦窗机器人
（2）我国长臂类机器人化机械研究概况
所谓机器人化机器是指在传统机械中引入机器人技术，使其具有机器人的功能。
这一概念最早是由蒋新松院士提出来的。
机器人化工程机械是工程机械的发展方向，工程机械的机器人化研究，不仅方便了工程机械作业装置的设计、分析、校核，而且也将成熟的机器人技术应用到工程机械中，对实现工程机械的自动化、提升工程机械技术水平和产品档次以及对扩展机器人应用领域无疑也具有十分重要的意义[21-22]。
我国在工程机械智能化方面的研究还处于起步阶段。
国家863计划先进制造与自动化技术领域专家委员会，关于机器人技术主题重点支持了工程机械机群智能化和单机智能化。
对个别机种的机器人化机器的研究已经初步得到实际应用[21]，这些成果极大地提高了我国工程机械在国内的竞争力，有的甚至已经走向了国际市场，下面仅就长臂类机器人化机械研究作以简单介绍。
●喷浆机器人[23-29]
喷浆支护是现代建设施工中广泛采用的支护方法，施工中也存在一些待解决的问题，如人工喷浆时回弹造成的飞沙走石使工人不敢抬头睁眼，致使无法保持喷枪与受喷面的垂直度和最佳距离。
这样不仅浪费材料，而且混凝土结构疏密不一，不能保证喷层的质量。
另外对大断面隧道，人工喷浆需要搭脚手架，影响施工进度．且费工费料。
图4大型喷浆机器人图5小型喷浆机器人
国外从60年代开始采用机械手喷浆，山东科技大学机器人研究中心从1994年开始着手喷浆机器人的研制，如图4、5所示。
2000年初第一台大型喷浆机器人已完成，并在济南高速公路的隧道施工、西安至合肥的铁路隧道施工中开始投入使用，机器人运转正常。
该系列喷射混凝土机器人在同类产品中居国际领先水平。
●隧道凿岩机器人[30-34]
早期的液压凿岩设备全由人工操作，操作人员熟练程度的差异往往会导致严重的“超挖”或“欠挖”，对工程的成本和工期都会产生不利影响。
为了提高隧道开挖水平，世界上几乎所有的发达国家都推出了隧道凿岩机器人。
中南工业大学于1998年开始了隧道凿岩机器人工程样机的开发，现已完成样机研制，如图6所示。
该机器人是双臂型机器人，只要操作者在电脑上输入工作界面面积和炮眼数目，机器人便自动设计钻孔的疏密布局，并可以在任何坚硬的岩石上打出所需要的炮眼。
图6隧道凿岩机器人
●伐根清理机器人[35-36]
图7伐根清理机器人
伐根清理是高效地利用伐区剩余物和伐区林地更新造林的关键。
为了解决伐根清理中存在着劳动强度大、作业安全性差、作业效率低等问题，东北林业大学研制了一种智能型伐根清理机器人，如图7所示。
该机器人主要由行走机构、机械手、液压驱动系统和控制系统等组成。
其中机械手安装在具有行走功能的回转平台上，由回转盘、大臂、小臂和旋切提拔装置组成。
为能实现在各种不同坡度、地形进行清理伐根，机械手具有六个自由度。
旋切提拔装置由万能切刀、提拔筒、四爪抓取机构等组成，在液压系统的驱动下可以实现各种俯仰、旋转、抓取动作。
该机器人可在驾驶室内利用摄像镜头和显示器组成的实时监控系统对作业目标进行搜索，操作人员在机器人驾驶室内即可进行伐根清理作业。
使用智能型伐根机器人促进人工更新造林、保护生态环境具有现实意义和广阔的应用前景。
●林木球果采集机器人[37-38]
图8林木球果采集机器人
目前国内外研制了多种球果采集机，如升降机、树干振动机等，由于这些机械本身都存在着这样或那样韵缺点，所以没有被广泛应用。
目前在林区仍靠人工上树手持专用工具来采摘林木球果，这样不仅工人劳动强度大，作业安全性差，生产率低，而且对母树损坏较多。
为了解决这个问题，东北林业大学研制出了林木球果采集机器人，如图8所示。
该机器人由机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。
其中机械手由回转盘、立柱、大臂、小臂和采集爪组成，整个机械手共有5个自由度。
在采集林木球果时，将机器人停放在距母树3-5m处，操纵机械手回转马达使机械手对准其中一棵母树，然后单片机系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采集爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采集爪沿着树枝生长方向趋近1-2m，然后采集爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重复上述动作；连捋数枝后，将球果倒入拖拉机后部的集果箱中。
采集完一棵树，再转动机械手对准下一棵：
试验表明，这种球果采集机器人采集落叶松果是人工上树采摘的30-35倍。
另外，更换不同齿距的梳齿则可用于各种林木球果的采集。
这种机器人采摘林木球果时，对母树破坏较小，采净率高，对森林生态环境的保护及林业的可持续发展等方面都有重要的意义。
●消防机器人[39-40]
图9消防机器人
公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海市消防局经过3年的研究，联合研制出我国第一台消防机器人（如图9所示），己通过国家“863”专家组验收。
该机器人可以行走、爬坡、跨障、喷射灭火，可以进行火场侦察。
此次消防机器人的研制成功为我国消防部队装备自动化和智能化开辟了一个新途径。
二、
清洗机器人存在的问题及对策
目前我国飞机表面清洗技术，基本处于手工清洗操作阶段和利用专用的清洗机械辅助人工完成清洗工作阶段，在智能化清洗技术方面还处于空白阶段。
根据我们对国内各民用、军用机场的调查表明，各机场都存在飞机品种繁多的特点，长臂式飞机表面清洗机器人是我国飞机表面清洗车的发展方向。
同时，我国在壁面清洗机器人、船体表面清洗机器人研究方面以及高空作业长臂类机器人化机械研究方面取得的进展，为我国飞机表面清洗机器人化研究提供了有益的经验。
对飞机表面清洗机器人技术的研究现状的深入分析，提出适合我我国国情的飞机表面清洗机器人的发展方向。
我国在工程机械智能化方面的研究还处于起步阶段。
国外在工程机械机器人化方面开展了大量的研究和开发工作。
如沥青路面铺设全自动施工系统、地下共同沟全自动施工系统、机器人化建筑机械等已成为当今国际自动化技术发展的一个重要方向。
1994年日本在清除长崎火山爆发区火山土石流采取了无人化施工，施工所用的机械（挖掘机、推土机、装载机和自卸汽车等）都是在几千米外安全地带操纵的。
欧洲由产、学、研组成的联合研究团体在政府资助下，在深入开展单体智能化技术研究的基础上，开始了机群智能化技术研究和开发，标志着工程机械智能化的研究又向前迈出了一大步。
这些都给我国提供了有益的借鉴。
国家863计划先进制造与自动化技术领域专家委员会，关于机器人技术主题重点支持了工程机械机群智能化和单机智能化。
三、
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