墙壁清洁机器人.docx

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墙壁清洁机器人

第一章绪论

1.1课题的背景、目的及意义[1]

壁面清洗爬壁机器人属于移动式服务机器人的一种，可在垂直壁面或顶部移动，完成其外表面的清洗作业。

在工业机器人问世30多年后的今天，它已被世人看作是一种生产工具，在制造、装配及最近在服务行业，机器人的应用取得了明显的进步，由于传感器、控制、驱动及材料技术领域的进步，通过智能机器人系统，首次在制造业领域以外开辟了机器人应用的新领域，让自主机器人作为“人的助手”，使人们的生活质量得以提高。

目前在许多领域已经进行了很大的努力来开发服务机器人系统，并力争在较大围使用它们。

这些机器人系统尽管有不同的应用领域，但它们所从事的工作则仅限于以下几种：

1.维护保养

2.修理

3.运输

4.清洗

5.保安及救援

6.数据采集

7.其它

在服务行业使用的机器人，要求所提供的服务技术含量较高，实现的可能性较大，还要求它的市场潜力大，对用户有使用价值，对经营者有经济效益。

与普通工业机器人领域不同，服务机器人是一种只适合于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统。

物体及平面清洗用的机器人是急待开发的服务机器人之一。

现代城市高楼林立，以15－30层楼居多，高达近百米，壁面多数采用瓷砖结构和玻璃幕墙结构，有的还敷设塑铝板等，常年裸露在外，需要进行许多壁面维护工作。

目前这类工作仍由清洗工人搭乘吊缆进行高空作业来完成，既危险、工作效率又低，对人身安全、玻璃壁面都有很大的威胁性，如图1－1所示。

越来越多的高层建筑在设计初期便将清洗问题考虑在，尤其是很多瓷砖、玻璃壁面表面平整、不大的障碍，非常适合于采用壁面清洗机器人进行清洗。

爬壁清洗机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有一定的社会、经济意义和广阔的应用前景。

该项目的研制成功，将会实

现清洗作业的自动化，给清洗作业带来一次新的革命。

同时通过更换周边设备可适应其它的操作任务，其主要系统壁面移动机器人载体可深入应用到核工业、石化、消防、造船等行业，机器人装备摄像机、超声波传感器等可对核废液储罐、轮船等建筑物外壁进行检查、测厚及焊缝探伤等，若装备喷砂、喷漆机构可对金属罐壁进行喷砂除锈、喷漆防腐等操作，还可喷涂巨幅壁画，装上温度传感器、摄像机等可从高楼上对火情作出判断，传递救援物资等。

图1－1工人清洗建筑高层壁面

1.2爬壁机器人的分类及特点

机器人能够在壁面上自由移动并且进行作业，必须具备三大机能，即吸附机能、移动机能、作业机能，爬壁机器人主要按吸附和移动机能来进行分类。

1）按照吸附机能分类，爬壁机器人可分为：

真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。

真空吸附是通过真空发生装置，使吸盘腔产生负压，机器人利用吸盘外的压力差贴附在壁面上。

真空吸附法由于不受壁面材质的限制，适应围广，但当壁面凹凸不平时吸盘容易漏气，从而吸附力下降，承载能力降低。

磁吸附法要求壁面必须是导磁材料，但它结构简单、吸附力大，对壁面的凹凸适应性强，不存在真空吸附法的漏气问题，因而当壁面材料导磁时，使用磁吸附式爬壁机器人有它突出的优点，磁吸附法又分为永磁体和电磁体两种产生磁力的方式。

推力吸附借鉴力航空技术，使用螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力，使机器人稳定、可靠的贴附在壁面上，并在壁面上移动。

这种吸附方式具有壁面适应性好，越障容易等优点，但控制系统复杂。

这种吸附方式的典型代表是日本西亮教授1990年推出的一种推进型壁面移动机器人。

三种吸附方式的具体比较见表1－2.

表1–2爬壁机器人三种吸附方式的比较

吸附方式

优点

缺点

真

空吸附

单吸盘

结构简单，允许有一定程度的泄露

吸盘无冗余性，一旦断电本体将丧失吸附能力

多吸盘

吸盘尺寸小，密封性好，断电时有一定的冗余度

壁面如有凹凸或裂缝，则将会有真空泄露

磁力吸附

永磁式

维护吸附力不需要耗电能，安全可靠

步行时磁体与壁面离合需很大的力

电磁式

磁体与壁面的离合容易

维持吸附力需要耗电能，电磁体本身重量很重

推力吸附

无泄露问题，对壁面形状、材质适应性强，越障容易

控制复杂、噪声大、体积大、效率低

2）按照移动方式分类爬壁机器人可分为车轮式、履带式、脚足式。

三种移动方式的比较见表1－3.

表1–3爬壁机器人三种移动方式的比较

移动方式

车轮式

履带式

脚足式

概要

配置多个车轮，每个车轮由电机驱动，带动机器人移动

由电机驱动两个无轨道履带，推动机器人

由多个脚的反复吸附、脱落移动机器人

特点

简单，着地面积小，维持一定的摩擦力较困难，越障能力差

着地面积大，承载能力大，移动速度快，壁面适应能力强，结构复杂，转弯困难，履带磨损大

移动是间歇的，速度慢，结构复杂；壁面适应能力好，越障能力强，承载能力大

不同的贴附方式和移动方式可以组成多种不同功能和用途的爬壁机器人，如负压吸附

车轮式爬壁机器人，负压吸附履带式爬壁机器人，负压吸附多足式爬壁机器人等。

每一种形式的爬壁机器人都各有其特点，分别适用于不同的场合，选用时需根据具体的使用条件进行不同的选择。

1.3爬壁机器人的用途[2]

近几年来，机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。

其中，爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。

概括起来。

爬壁机器人主要用于：

（1）核工业：

对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；

（2）石化企业:

对立式金属罐或球形罐的外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；

（3）建筑行业：

喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；

（4）消防部门：

用于传递救援物资，进行救援工作；

（5）造船业：

用于喷涂船体的外壁等。

1.4爬壁机器人的发展概况

1.4.1国外爬壁机器人的发展概况

1.真空吸附爬壁机器人发展概况

〈1〉单吸盘爬壁机器人发展概况

1966年，日本大阪府立大学工学部的西亮讲师成功研制了世界上第一台垂直壁面移动机器人的原理样机，并于1975年制作了以实用化为目标的第二号样机，如图1－4所示。

该机器人采用单个大吸盘结构，利用电风扇进气侧低压作用产生吸附力，使机器人可靠贴附在壁面上；利用履带机构实现爬壁机器人在垂直壁面上的移动功能。

1990年，俄国机械科学研究院研制成功了一种用于清洗作业的单吸盘爬壁机器人，如图1－5所示。

它采用单吸盘结构，吸盘有移动结构、清洗作业装置以及控制单元。

真空由直接与真空室相连的螺旋风扇形成，真空室四周围有密封性良好的弹性材质，工作时最大真空压力为0.007MPa，两对独立驱动的车轮实现机器人在壁面的移动和转向机能，在机器人本体上装有用来控制、调节真空吸盘真空度的真空传感器。

图1–4西亮的二号机器人图1–5俄国的清洗机器人

综上所述，单吸盘爬壁机器人都有一个共同的特点，即皆有与壁面间存在相对滑动的单一真空吸盘或是机器人自身机壳的密封装置同壁面形成一个真空室，这种形式的爬壁机器人可实现小型化、轻量化、结构简单、易于控制；但要求壁面有一定的平滑度，越障能力差，对于复杂壁面环境或者遇到较大的沟槽、凹凸时，吸盘的负压难以维持，且由于存在相对滑动，吸盘裙边磨损厉害。

〈2〉多吸盘爬壁机器人发展概况

1982年，日本宫崎大学的西亮教授研制出了双足爬壁机器人，如图1－6所示。

这种机器人结构简单，对复杂壁面环境具有良好的适应性，它是靠安装在腿末端的吸盘产生的吸附力贴附在壁面上的，吸盘的负压由抽风机产生；通过两条腿的交替吸附实现机器人在壁面上的移动，移动时通过脚腕的倾斜与圆规脚开闭的适当组合，便可以翻越一定高度的台阶，进而再与脚腕的回转相组合，就能实现多种壁面环境下的移动。

但由于腿长、重心高，在垂直壁面或天花板移动时，有一定的危险性。

近几年来，英国南岸大学继研制出四足壁面步行机器人RobugⅡ后，又开发了RobugⅢ型爬壁机器人，如图1－7所示。

该机器人有八条腿，类似巨型蜘蛛，研制者计划用于抢险营救工作中。

RobugⅢ能进行地面到壁面、壁面到天花板等多种工作面之间的转换，能够跨越楼梯等障碍。

图1–6双足机器人图1–7RobugⅢ爬壁机器人

综上所述，多吸盘真空吸附式爬壁机器人，负载能力较大，对壁面适应能力好，但其结构比较复杂，控制不方便。

2.磁吸附爬壁机器人发展概况

如果壁面材料为导磁材料时，采用磁吸附有很大的优点。

1984年，日本日立制作所的藤绅司等人研制了脚式磁吸附爬壁机器人，如图1－8所示。

它配有永磁体的8只脚，通过侧四只脚和外侧四只脚的交替吸附于壁面，实现机器人在壁面上的前进后退移动，通过框和外框之间的相对转动，实现机器人的转向，每条腿对于壁面可以作直线运动。

日本钢管株式会社开发了车轮型磁吸附爬壁机器人，如图1－9所示。

它可以吸附在各种大型构造物上，如：

油罐、船体等，用于代替人工进行检查或修理作业，两台直流电机分别驱动左右两组车轮单元，手臂用来夹持作业工具，机器人靠磁性车轮贴附在壁面上，具有行走平稳，移动速度快，壁面适应能力强等特点。

图1–8脚式磁吸附爬壁机器人图1–9车轮式磁吸附爬壁机器人

3.其他类型的爬壁机器人发展概况

磁吸附式的爬壁机器人受壁面材料特性的限制，真空吸附式的爬壁机器人受壁面凹凸和多孔状况的限制，为进一步解脱种种限制，人们研制了其他形式的机器人，如飞行式爬壁机器人、绳索牵引式爬壁机器人等。

1995年，日本宫崎大学的西亮教授研制成功了用螺旋桨驱动的飞行爬壁机器人，如图1－10所示。

该机器人采用汽油发动机驱动两个螺旋桨产生向上的推力和指向壁面的贴附力。

1997年，他们又开发了一种能够作短暂飞行后贴附在壁面上的爬壁机器人，如图1－11所示。

该机器人有两个主螺旋桨提供推升力，八个小螺旋桨控制机器人的飞行姿态，该机器人几乎能够在任何工况下进行工作，用无线电进行遥控操作。

图1–10推力型爬壁机器人图1–11飞行机器人

1.4.2国爬壁机器人的发展概况

大学特种机器人技术应用研究室研制开发了多层框架、多真空吸盘式爬壁机器人系列，如图1－12所示。

该机器人由三层框架组成，外框分别可以相对于中间框架作直线运动，中间框架带着外框架可作相对于框架的回转运动，外框架上各装备有四个真空吸盘，通过外吸盘的交替吸附使机器人在壁面上自由运动。

航空航天大学机器人研究所研制了壁虎系列爬壁机器人,如图1－13所示.该机器人采用双层十字框架本体结构,通过十字框架中间的相对运动,完成机器人的上下、左右运动，八只吸盘分两组与十字框架相连，通过吸盘的交替吸附实现机器人的贴附和移动功能，通过吸盘相对于壁面伸缩运动，实现机器人的越障功能。

该机器人系统是针对清洗高大建筑物的目的开发的。

图1–12壁面清洗机器人图1–13十字框架型壁面清洗机器人

1.5壁面清洗技术的发展概况

壁面清洗机器人的技术关键在于爬壁机器人技术（包括壁面吸附技术和壁面移动技

术）、清洗作业技术以及机器人技术与作业技术的集成等。

要解决壁面自动清洗问题，开展清洗作业系统本身的研究是十分必要的。

要解决壁面清洗机器人系统的实用化问题，关键在于清洗效率和清洁度问题，要开展壁面清洗全部过程一起研究。

壁面清洗装置从人工的“抹布＋清洗液”方式发展到现在提出的实现壁面自动清洗，有很大的难度。

现在楼宇壁面的清洗作业一般是由人工抹洗作业或利用吊缆作业完成的。

随着高层建筑的兴起，市场对壁面清洗机器人的需求正日益增强，目前世界上多家研究机构都在进行这方面的研究。

日本BE公司研制成功了一种固定轨道式全自动擦窗机器人，如图1－14所示。

它以预先铺设在壁面上的导轨为约束以及路径引导，靠安装在楼顶的屋顶小车来实现水平和垂直移动，清洗机构带有多个旋转盘刷，清洗速率1～10m/min,清洗方式为：

水喷淋＋盘刷刷洗＋刮板刮洗方式，清洗高度可达250m,清洗窗幅围