新型高樓清洗爬壁機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

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1、成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文新型高樓清洗爬壁機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)姓名：吳神麗申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器指導(dǎo)教師：李宏穆20090501摘要新型高樓清洗爬壁機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)作者簡(jiǎn)介：吳神麗，女，1984年4月生，師從成都理工大學(xué)李宏穆副教授，2009年6月畢業(yè)于成都理工大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)，獲得工學(xué)碩士學(xué)位。摘要在機(jī)器人領(lǐng)域中，隨著工業(yè)化的發(fā)展，信息化的到來，城市里高樓林立，為城市帶來新的風(fēng)景線，從而也衍生出繁重的清洗任務(wù)。高層建筑物壁面的清洗大部分由工人完成，不僅效率低，而且工作環(huán)境惡劣易發(fā)生事故。高層建筑

2、清洗爬壁機(jī)器人正是在這種背景下應(yīng)用而生，它屬于移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人的一種，可在垂直壁面及屋頂移動(dòng)進(jìn)行物體表面的清洗。對(duì)高層建筑爬壁清洗機(jī)器人的不斷研究，會(huì)實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)的自動(dòng)化，同時(shí)通過更換周邊設(shè)備可適應(yīng)其他的操作任務(wù)，其主要壁面移動(dòng)機(jī)器人載體可以深入應(yīng)用到核工業(yè)、石化、消防、造船等行業(yè)。國(guó)內(nèi)國(guó)外對(duì)高樓爬壁清洗機(jī)器人的研究已有幾十年的歷史，研制出各種各樣的清洗爬壁機(jī)器人，但總體來看，仍然存在一些問題。本文針對(duì)壁面作業(yè)的特殊情況，在國(guó)內(nèi)外壁面自主移動(dòng)機(jī)器人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種氣驅(qū)動(dòng)、真空吸附、靈活移動(dòng)的框架式清洗爬壁機(jī)器人，使其

3、在高層建筑壁面清洗工作中徹底解放工人的勞動(dòng)力，成為建筑清洗行業(yè)的主力軍。機(jī)器人本體上裝有清洗裝置，按規(guī)劃的工作路徑進(jìn)行清洗。高層建筑壁面的污垢主要是大氣塵垢，清洗系統(tǒng)是清洗爬壁機(jī)器人的重要組成部分之一，考慮機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境、清洗效率和環(huán)保的要求，整個(gè)清洗作業(yè)系統(tǒng)包括滾刷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、水循環(huán)回收系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、潔面系統(tǒng)，采用沖洗、刷洗、刮洗聯(lián)合作用的清洗作業(yè)方式。刮板可以刮凈和回收殘留在壁面的液滴，通過污水管進(jìn)入污水箱。污水的回收和再利用使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自給供水，有利于增加清洗機(jī)器人的效率，而且可以減輕清洗機(jī)器人的負(fù)載重量。

4、機(jī)器人爬壁系統(tǒng)是清洗爬壁機(jī)器人的核心部分，由移動(dòng)系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)組成。移動(dòng)吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)了十字框架結(jié)構(gòu)和真空吸附方案，使機(jī)器人靈活移動(dòng)，避障能力強(qiáng)。機(jī)器人主體部分由可以相互平移的兩個(gè)呈十字型框架構(gòu)成，其中任意一個(gè)框架可以相對(duì)另一個(gè)進(jìn)行平移，每個(gè)框架成組配置可獨(dú)立控制腿足結(jié)構(gòu)。腿足結(jié)構(gòu)具有一個(gè)主動(dòng)直動(dòng)關(guān)節(jié)。隨著腿部的交替吸附和框架主體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)壁面自由移動(dòng)的功能。驅(qū)動(dòng)方式由X方向和Y方向兩個(gè)相互垂直的機(jī)構(gòu)組成，分別選用一個(gè)雙作用無桿氣缸，安置在中間的安裝箱內(nèi)。移動(dòng)系統(tǒng)的十字交叉結(jié)構(gòu)主要采用鏤空的高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)加工成的

5、板狀I(lǐng)成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文結(jié)構(gòu)，既提高機(jī)器人整體的剛度，又避免增加機(jī)器人的重量。Z向四個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)吸盤組的抬起和落下動(dòng)作?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)主要依賴于本體自由度與腿足自由度的結(jié)構(gòu)，各部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿足靈活性和機(jī)動(dòng)性的要求。吸附系統(tǒng)根據(jù)機(jī)器人工作的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用真空吸附、氣體驅(qū)動(dòng)的吸盤組結(jié)構(gòu)，有效地滿足負(fù)載能力、速度、越障，研制一種運(yùn)行可靠的壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠、操作方便。真空吸盤組采用正三角排列和使用氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。吸盤組結(jié)構(gòu)形式有利于利用吸盤的彈性變形，提高越障能力，保證吸盤與壁面的吸附，提高機(jī)器人工作的安全性和可靠性

6、。本文對(duì)元器件的選型主要選用德國(guó)Festo公司的真空元件，對(duì)真空元件和氣動(dòng)元件進(jìn)行優(yōu)化組合，使參數(shù)設(shè)計(jì)合理和模塊化程度高，滿足機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)要求。通過計(jì)算確定吸盤的直徑、數(shù)量，合理安排吸盤布局，考慮系統(tǒng)的負(fù)載和用氣量,選擇合適的氣缸，繪制出氣路圖。對(duì)機(jī)器人作業(yè)中的具體路徑進(jìn)行了規(guī)劃。為了提高機(jī)器人的清洗效率，進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)要求整個(gè)過程中動(dòng)作最少，單位清洗面積最大，保證機(jī)器人的主運(yùn)動(dòng)方向與路徑的規(guī)劃方向相同。避免建筑物壁面二次污染，因此將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑設(shè)計(jì)為自上而下。由于機(jī)器人可以對(duì)窗框一類的障礙進(jìn)行越障，因此使路徑規(guī)劃簡(jiǎn)化

7、不少?？刂葡到y(tǒng)是清洗爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵部分，采用西門子公司的S7-300PLC完成對(duì)機(jī)器人主體的吸盤脫離、本體移動(dòng)、吸盤吸附和清洗的順序控制。為了控制方便、操作簡(jiǎn)單，控制器PLC固定在機(jī)器人本體上，通過自動(dòng)控制和手動(dòng)控制對(duì)機(jī)器人的整體進(jìn)行控制，故障診斷和綜合管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各部分的協(xié)調(diào)工作和配合。通過UG三維軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人建立三維實(shí)體模型和動(dòng)畫模型，對(duì)主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)其進(jìn)行有限元分析和機(jī)構(gòu)分析，得出仿真結(jié)果。通過觀察和分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證各運(yùn)動(dòng)部件之間無干涉發(fā)生，運(yùn)行平穩(wěn)，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)的可行性。本文分別對(duì)清

8、洗爬壁機(jī)器人的主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和機(jī)構(gòu)分析，并對(duì)主要機(jī)構(gòu)桿件運(yùn)動(dòng)的位移、加速度和時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人性能的有效分析和控制。本文對(duì)清洗作業(yè)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的污水回收系統(tǒng)和清洗滾刷系統(tǒng)使清洗爬壁機(jī)器人工作效率更高且可以有效的減輕機(jī)器人自身的重量；在清洗爬壁機(jī)器人的吸附結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)一種