自爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)

李云濤　張澤賢　韓旭　梁夢(mèng)然　郭靖

[摘 要]自攀爬機(jī)器人是機(jī)器人的一種，屬于極限作業(yè)機(jī)器人。自攀爬機(jī)器人主要用于垂直壁面、球面等攀爬行走，可搭載相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)壁面的清洗、探傷、管道敷設(shè)、油漆等多種功能，是一種通用的用于垂直壁面、球面等場(chǎng)合的行走機(jī)器人。其目的是代替人類，在各工業(yè)、石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領(lǐng)域中的危險(xiǎn)狀態(tài)下作業(yè)。它的研究和開發(fā)有著廣闊的前景和良好的社會(huì)效益，受到人們的重視。

[關(guān)鍵詞]自動(dòng) 爬壁 機(jī)器人 調(diào)節(jié)定位

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）05-0375-01

1.設(shè)計(jì)由來

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，房地產(chǎn)業(yè)的升溫。高層建筑如雨后春筍般聳立在城市的各個(gè)角落，而它們的外表面在陽光、風(fēng)雨的作用難免會(huì)變臟，影響其美觀。因此，清洗高樓已成了一種不可缺少的市場(chǎng)需求。由于機(jī)動(dòng)車數(shù)量增加快，局部地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)排放煙塵，還有雨水等因素使城市高樓外部裝飾材料的表面受到酸雨、煙塵，油性膠狀物、風(fēng)沙、灰塵、水跡和裝飾材料的氧化而變色等。各種影響建筑誤美觀的因素和現(xiàn)象越來越普遍，使建筑的外部潔凈保持時(shí)間大大縮短。有的長(zhǎng)時(shí)間得不到清洗保養(yǎng)。有的建筑從建成到拆除都從未曾清洗過；有的廣告牌，外掛物較多，一經(jīng)雨水沖刷染色金屬氧化物擴(kuò)散到墻面污染外墻，涂料墻面變質(zhì)變色等諸多因素使高樓外墻的清洗工作需要投入更多的技術(shù)、裝備、人員才能實(shí)現(xiàn)正真意義的達(dá)標(biāo)清洗。

2.設(shè)計(jì)原理

四桿機(jī)構(gòu)：運(yùn)動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)。通過四桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)臂，讓轉(zhuǎn)臂可以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：前進(jìn)的主要?jiǎng)恿Αｒ?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是整個(gè)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，通過它為履帶、轉(zhuǎn)臂、液壓的運(yùn)動(dòng)供給相應(yīng)的能量。使其進(jìn)行能量傳輸，使每個(gè)零件能流暢的運(yùn)動(dòng)。

連接機(jī)構(gòu)：保護(hù)機(jī)器內(nèi)部零件的主要機(jī)構(gòu)。機(jī)器人外殼各處的連接使機(jī)器人身體融為一體，同時(shí)方便拆卸，保證了機(jī)器人內(nèi)部機(jī)構(gòu)的有效保護(hù)和維修。

電磁控制裝置：使機(jī)器人行走和停止之間切換更加的靈活。

3. 研究特點(diǎn)

（1）國家重點(diǎn)支持無論是發(fā)達(dá)國家，如日本、美國、德國、西班牙、澳大利亞、加拿大，還是發(fā)展中國家，如中國、俄羅斯等，都對(duì)幕墻清洗機(jī)器人的理論和技術(shù)給予充分重視，撥巨款，組織多家單位聯(lián)合攻關(guān)。

（2）應(yīng)用前景廣鱗次櫛比的摩天大樓己成為現(xiàn)代城市的主要特征，由于幕墻裝飾采光好、美觀，越來越多的高樓采用幕墻裝飾。據(jù)國外權(quán)威機(jī)構(gòu)估算全球每年的幕墻清洗產(chǎn)值高達(dá)6億美元，如此巨大的市場(chǎng)為幕墻清洗機(jī)器人發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（3）社會(huì)效益好 目前幕墻清洗方法有三種：人工清洗，吊籃清洗和自動(dòng)擦窗機(jī)清洗。但前兩種清洗方式完全依賴人工，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且十分危險(xiǎn)。每年都有人員因此傷亡的報(bào)道，工人的人身安全歷來都是建筑清洗業(yè)的最大隱患。第三種方式也離不開人的干預(yù)，且造價(jià)高昂，目前很少采用。隨著社會(huì)發(fā)展和人工成本不斷提高，以及社會(huì)對(duì)人性化要求的不斷增長(zhǎng)，上述方法最終要被擯棄，機(jī)器人必將成該領(lǐng)域的主力軍。

（4）時(shí)機(jī)日漸成熟工業(yè)機(jī)器人技術(shù)經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展已日臻完善，服務(wù)機(jī)器人逐漸成為未來機(jī)器人技術(shù)研究重點(diǎn)。據(jù)聯(lián)合國2003發(fā)布的機(jī)器人調(diào)查報(bào)告[84]顯示：服務(wù)機(jī)器人在可以預(yù)見的未來將成為熱點(diǎn)，其中幕墻清洗機(jī)器人尤被看好。

（5）幕墻結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展變化幕墻結(jié)構(gòu)正在經(jīng)歷明框——隱框——點(diǎn)式——明框，大面積平面——組合幾何面——復(fù)雜曲面的結(jié)構(gòu)變化。

（6）作業(yè)對(duì)象由高大建筑向超高層建筑過渡城市現(xiàn)代化的歷史就是不斷“長(zhǎng)高”的過程。相對(duì)于高層建筑而言，超高層建筑清洗的難度和危險(xiǎn)程度進(jìn)一步加劇。幕墻清洗機(jī)器人的研究呈現(xiàn)出逐步向超高層過渡的趨勢(shì)。

（7）應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大要求輕量化小型化發(fā)展幕墻清洗機(jī)器人最初的瞄準(zhǔn)目標(biāo)為高層建筑。但隨著社會(huì)的發(fā)展，家用或準(zhǔn)家用擦窗機(jī)器人越來越受到重視，并呈現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。這對(duì)清洗機(jī)器人的重量、體積要求更為嚴(yán)格，經(jīng)濟(jì)性好、小型輕量化是基本要求。

（8）結(jié)構(gòu)趨于模塊化作業(yè)對(duì)象的多樣性和設(shè)計(jì)方法的通用性之間的突出矛盾，客觀上要求機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同條件和目的的需求。

（9）研究向更廣泛的多學(xué)科交叉發(fā)展幕墻清洗機(jī)器人技術(shù)的研究涉及更多的學(xué)科領(lǐng)域，包括建筑學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、仿生學(xué)、吸附技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)等，簡(jiǎn)單移植地面移動(dòng)機(jī)器人或者步行機(jī)技術(shù)通常不能很好的解決此類機(jī)器人設(shè)計(jì)問題。

4.創(chuàng)新點(diǎn)

（1）附著方式選擇及評(píng)價(jià) 幕墻清洗機(jī)器人的附著方式主要有真空吸附、負(fù)壓吸附、旋翼吸附、磁力吸附等，最近也有研究人員提出利用分子作用進(jìn)行仿生附著的方法。誠然，每一種附著方式都有顯著的特點(diǎn)和限制條件，與幕墻的結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、高度、表面質(zhì)量、污染程度以及幾何形狀密切相關(guān)。附著方式的擇必須綜合考慮上述各種因素影響，如何求得一個(gè)最優(yōu)解決方案，以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是研究人員必須面對(duì)的問題。

（2）系統(tǒng)構(gòu)型 原則不同應(yīng)用對(duì)象，不同結(jié)構(gòu)形式的清洗機(jī)器人系統(tǒng)有一些共性的東西，這些共性問題對(duì)構(gòu)筑清洗機(jī)器人系統(tǒng)有指導(dǎo)意義。不同的系統(tǒng)構(gòu)型對(duì)機(jī)器人的性能產(chǎn)生重大影響，包括效率、安全性、成本等多個(gè)要素。對(duì)于一個(gè)給定的目標(biāo)，遵循某種原則進(jìn)行機(jī)器人構(gòu)筑，不僅可以減少人工成本，而且可以大幅提高效率。

（3）安全性和可靠性 墻壁清洗機(jī)器人工作在高空極限環(huán)境，吸附裝置易受外界因素影響的特性，使清洗機(jī)器人安全性和可靠性具有特殊的重要意義。

（4）小型化低成本問題 小型化、低成本的清洗機(jī)器人具有非常廣闊的市場(chǎng)和社會(huì)價(jià)值，也是走進(jìn)千家萬戶的必備條件。

（5）清洗工藝優(yōu)化 根據(jù)幕墻結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、污染程度、污物成分和清潔度標(biāo)準(zhǔn)，采用何種清洗工藝。包括清洗裝置結(jié)構(gòu)形式，刷毛的壓力、速度參數(shù)，洗滌液的成分、流量、霧化程度和壓力，橡膠刮條的結(jié)構(gòu)、硬度和材質(zhì)等有一套與之配套的最佳工藝搭配，使清洗效率最優(yōu)。

（6）清潔度檢測(cè)技術(shù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 日常條件清潔度由人工目測(cè)確定，但對(duì)于高空作業(yè)清洗目測(cè)的方法受到限制。因此清潔度檢測(cè)技術(shù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)器人清洗中非常重要，但目前尚無文獻(xiàn)介紹。

（7）越障及盲區(qū) 障礙是幕墻清洗機(jī)器人無法回避的，主動(dòng)越障和被動(dòng)越障各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者可以保持機(jī)器人平穩(wěn)的位姿，但控制復(fù)雜，降低效率，后者克服了前者的缺點(diǎn)，卻不能秉承其優(yōu)點(diǎn)。盲區(qū)是障礙的衍生物，采取理想的越障方式是縮小盲區(qū)的有效途徑。

（8）能源問題 移動(dòng)機(jī)器人的能源供給方式有兩種：有纜供電和自備電池，前者限制了機(jī)器人的移動(dòng)范圍和工作場(chǎng)所，后者制約著機(jī)器人連續(xù)工作時(shí)間和輸出功率。所以能源問題一直是困擾移動(dòng)機(jī)器人的重要因素。

（9）控制器及控制方法 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中具有感知與行動(dòng)緊耦合的特點(diǎn)，為滿足機(jī)器人多任務(wù)、多線程控制的實(shí)時(shí)性要求，控制器結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)機(jī)器人。同時(shí)良好的使用性、遙操作性、能源供給問題以及作為實(shí)用樣機(jī)的經(jīng)濟(jì)性都是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素。

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