墙壁清洁机器人的设计1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，并力争在较大范围内使用它们。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内，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，将会实墙壁清洁机器人的设计2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，使吸盘内腔产生负压，机器人利用吸盘内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，适应范围广，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。墙壁清洁机器人的设计3三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...
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