爬墻機(jī)器人

爬墻機(jī)器人,機(jī)器人 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)制造及其自動化 班 級 學(xué) 號 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 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、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）、研究內(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)行移動作業(yè)。由于現(xiàn)代社會中，有許多場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，這些工作對于國民經(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)場作業(yè)，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： l 核工業(yè) 對核廢液貯管進(jìn)行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等； l 石化工業(yè) 對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) 對電站鍋爐水冷壁管壁厚度的測量等。 隨著城市建設(shè)的發(fā)展，越來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，但也因此帶來了建筑物幕墻的清洗問題。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)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動擦洗。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，工作效率低。如果人工清洗高層建筑，勢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化成為可能。對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)，但隨之而來的高樓清洗問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)、繁重體力勞動的難題，為改善勞動環(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、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）： 壁面爬行機(jī)器人（簡稱爬壁機(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。目前國內(nèi)外已有一定數(shù)量的爬壁機(jī)器人投入現(xiàn)場作業(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，并且進(jìn)行作業(yè)，必須具備兩大基本機(jī)能：吸附功能和移動功能。因此，爬壁機(jī)器人主要是按吸附功能和移動功能來進(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)簡單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，且對壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附漏氣的問題，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；車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大、不易轉(zhuǎn)彎；腳步式移動速度慢，但承載能力強(qiáng)。 不同的吸附方式和移動方式的組合就構(gòu)成了各式各樣的爬壁清洗機(jī)器人。下面就上述分類對國內(nèi)外的爬壁機(jī)器人的發(fā)展介紹如下： (一) 國外爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況 日本作為機(jī)器人大國很早就開始了壁面移動機(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)傳動帶驅(qū)動行走，真空室由滾子和皮帶自然圍成，通過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)動裝置，可驅(qū)動兩框架相對運(yùn)動。 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”，采用履帶式移動方式，履帶上有數(shù)個(gè)吸附室。隨著履帶的移動，吸附室連續(xù)地形成真空腔而使履帶帖緊壁面移動。這種機(jī)器人主要作為除塵機(jī)械，對壁面進(jìn)行清洗、噴涂、檢查等。 1990年，俄國機(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，兩對獨(dú)立驅(qū)動的車輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面的移動和轉(zhuǎn)向機(jī)能，在機(jī)器人本體上裝有用來控制、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，帶超聲檢測與紀(jì)錄機(jī)構(gòu)，可以自動紀(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。 1994年，英國南岸大學(xué)研制出多足多吸盤氣動型爬壁機(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。 1996年，俄國機(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。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，美國的卡耐基梅隴大學(xué)研制了一種飛機(jī)檢測飛機(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滑動，完成機(jī)器人的前后，左右運(yùn)動。 2000-2001年，美國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)動車輪帶動機(jī)器人運(yùn)動，機(jī)器人本體上裝有噴頭，實(shí)現(xiàn)對船體、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)器人通過三個(gè)驅(qū)動輪進(jìn)行運(yùn)動，每個(gè)輪都裝有一個(gè)伺服馬達(dá)，轉(zhuǎn)向是通過前輪實(shí)現(xiàn)的，移動速度可達(dá)10m/min，噴漆速度為1m3/min。 (二) 國內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況 相對外國，國內(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)展沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。直到1996年以后，國家自然科學(xué)基金、國家“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，才正式啟動壁面移動機(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)動的壁面移動機(jī)器人。該機(jī)器人最大工作移動速度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)立移動的結(jié)構(gòu)形式，帶有柔性裙邊的鉸接式真空吸盤，氣動驅(qū)動形式。但由于重心較高，穩(wěn)定性差。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)也是國內(nèi)外壁面移動機(jī)器人研究較早的單位，在國家“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，清洗機(jī)構(gòu)置于吸盤尾部，同時(shí)還設(shè)有卷揚(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)動輪的滑動密封式負(fù)壓吸盤。由于密封裝置采用柔性設(shè)計(jì)，對壁面的適應(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，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年以來在國家“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、橫呈十字交叉的無桿氣缸組成本體，可沿縱橫自由運(yùn)動和越障。全氣動的驅(qū)動方式、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 爬壁清洗機(jī)器人現(xiàn)在在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，可以說是一個(gè)空白領(lǐng)域，國外已經(jīng)在船舶除銹、高樓清洗等多個(gè)領(lǐng)域開始應(yīng)用。而我國目前還在試驗(yàn)階段，沒有具體的產(chǎn)品，國內(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，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、研究內(nèi)容： 1) 爬壁清洗機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)與研究。針對我國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。通過對清洗的方法與現(xiàn)狀進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出簡單、有效的清洗裝置，并對清洗的路徑進(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)是針對玻璃壁面為作業(yè)對象，要求設(shè)計(jì)出能爬墻及其自動完成清洗作業(yè)的機(jī)器人。機(jī)器人是高度復(fù)雜的智能化系統(tǒng)，一般來說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、停留、可以攜帶輔助工具清洗刷完成對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、簡單、可靠、安全，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動化清洗。 （二）、主要特色： 系統(tǒng)工作安全，操作簡單，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) [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.壁面自動清洗機(jī)器人研制[J].高技術(shù)通報(bào),2003,12(2): 83-87 [3]. 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