自爬壁机器人的设计
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[摘 要]自攀爬机器人是机器人的一种，属于极限作业机器人。自攀爬机器人主要用于垂直壁面、球面等攀爬行走，可搭载相应的设备，实现壁面的清洗、探伤、管道敷设、油漆等多种功能，是一种通用的用于垂直壁面、球面等场合的行走机器人。其目的是代替人类，在各工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域中的危险状态下作业。它的研究和开发有着广阔的前景和良好的社会效益，受到人们的重视。
[关键词]自动 爬壁 机器人 调节定位
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0375-01
1.设计由来
随着城市化进程的不断推进，房地产业的升温。高层建筑如雨后春笋般耸立在城市的各个角落，而它们的外表面在阳光、风雨的作用难免会变脏，影响其美观。因此，清洗高楼已成了一种不可缺少的市场需求。由于机动车数量增加快，局部地区的工业生产企业排放烟尘，还有雨水等因素使城市高楼外部装饰材料的表面受到酸雨、烟尘，油性胶状物、风沙、灰尘、水迹和装饰材料的氧化而变色等。各种影响建筑误美观的因素和现象越来越普遍，使建筑的外部洁净保持时间大大缩短。有的长时间得不到清洗保养。有的建筑从建成到拆除都从未曾清洗过；有的广告牌，外挂物较多，一经雨水冲刷染色金属氧化物扩散到墙面污染外墙，涂料墙面变质变色等诸多因素使高楼外墙的清洗工作需要投入更多的技术、装备、人员才能实现正真意义的达标清洗。
2.设计原理
四杆机构：运动的基本结构。通过四杆机构的转动部分驱动机器人的转臂，让转臂可以实现各种运动状态。
驱动机构：前进的主要动力。驱动机构是整个机器运动的关键，通过它为履带、转臂、液压的运动供给相应的能量。使其进行能量传输，使每个零件能流畅的运动。
连接机构：保护机器内部零件的主要机构。机器人外壳各处的连接使机器人身体融为一体，同时方便拆卸，保证了机器人内部机构的有效保护和维修。
电磁控制装置：使机器人行走和停止之间切换更加的灵活。
3. 研究特点
（1）国家重点支持无论是发达国家，如日本、美国、德国、西班牙、澳大利亚、加拿大，还是发展中国家，如中国、俄罗斯等，都对幕墙清洗机器人的理论和技术给予充分重视，拨巨款，组织多家单位联合攻关。
（2）应用前景广鳞次栉比的摩天大楼己成为现代城市的主要特征，由于幕墙装饰采光好、美观，越来越多的高楼采用幕墙装饰。据国外权威机构估算全球每年的幕墙清洗产值高达6亿美元，如此巨大的市场为幕墙清洗机器人发展奠定了基础。
（3）社会效益好 目前幕墙清洗方法有三种：人工清洗，吊篮清洗和自动擦窗机清洗。但前两种清洗方式完全依赖人工，不但劳动强度大，而且十分危险。每年都有人员因此伤亡的报道，工人的人身安全历来都是建筑清洗业的最大隐患。第三种方式也离不开人的干预，且造价高昂，目前很少采用。随着社会发展和人工成本不断提高，以及社会对人性化要求的不断增长，上述方法最终要被摈弃，机器人必将成该领域的主力军。
（4）时机日渐成熟工业机器人技术经过半个世纪的发展已日臻完善，服务机器人逐渐成为未来机器人技术研究重点。据联合国2003的机器人调查报告[84]显示：服务机器人在可以预见的未来将成为热点，其中幕墙清洗机器人尤被看好。
（5）幕墙结构不断发展变化幕墙结构正在经历明框――隐框――点式――明框，大面积平面――组合几何面――复杂曲面的结构变化。
（6）作业对象由高大建筑向超高层建筑过渡城市现代化的历史就是不断“长高”的过程。相对于高层建筑而言，超高层建筑清洗的难度和危险程度进一步加剧。幕墙清洗机器人的研究呈现出逐步向超高层过渡的趋势。
（7）应用领域不断扩大要求轻量化小型化发展幕墙清洗机器人最初的瞄准目标为高层建筑。但随着社会的发展，家用或准家用擦窗机器人越来越受到重视，并呈现出很好的发展前景。这对清洗机器人的重量、体积要求更为严格，经济性好、小型轻量化是基本要求。
（8）结构趋于模块化作业对象的多样性和设计方法的通用性之间的突出矛盾，客观上要求机器人在结构上采用模块化设计，以适应不同条件和目的的需求。
（9）研究向更广泛的多学科交叉发展幕墙清洗机器人技术的研究涉及更多的学科领域，包括建筑学、机械学、电子学、材料学、仿生学、吸附技术、控制技术、传感技术等，简单移植地面移动机器人或者步行机技术通常不能很好的解决此类机器人设计问题。
4.创新点
（1）附着方式选择及评价 幕墙清洗机器人的附着方式主要有真空吸附、负压吸附、旋翼吸附、磁力吸附等，最近也有研究人员提出利用分子作用进行仿生附着的方法。诚然，每一种附着方式都有显著的特点和限制条件，与幕墙的结构形式、材质、高度、表面质量、污染程度以及几何形状密切相关。附着方式的择必须综合考虑上述各种因素影响，如何求得一个最优解决方案，以及评价标准是研究人员必须面对的问题。
（2）系统构型 原则不同应用对象，不同结构形式的清洗机器人系统有一些共性的东西，这些共性问题对构筑清洗机器人系统有指导意义。不同的系统构型对机器人的性能产生重大影响，包括效率、安全性、成本等多个要素。对于一个给定的目标，遵循某种原则进行机器人构筑，不仅可以减少人工成本，而且可以大幅提高效率。
（3）安全性和可靠性 墙壁清洗机器人工作在高空极限环境，吸附装置易受外界因素影响的特性，使清洗机器人安全性和可靠性具有特殊的重要意义。
（4）小型化低成本问题 小型化、低成本的清洗机器人具有非常广阔的市场和社会价值，也是走进千家万户的必备条件。
（5）清洗工艺优化 根据幕墙结构、材质、污染程度、污物成分和清洁度标准，采用何种清洗工艺。包括清洗装置结构形式，刷毛的压力、速度参数，洗涤液的成分、流量、雾化程度和压力，橡胶刮条的结构、硬度和材质等有一套与之配套的最佳工艺搭配，使清洗效率最优。
（6）清洁度检测技术及评价标准 日常条件清洁度由人工目测确定，但对于高空作业清洗目测的方法受到限制。因此清洁度检测技术及评价标准在机器人清洗中非常重要，但目前尚无文献介绍。
（7）越障及盲区 障碍是幕墙清洗机器人无法回避的，主动越障和被动越障各有优缺点，前者可以保持机器人平稳的位姿，但控制复杂，降低效率，后者克服了前者的缺点，却不能秉承其优点。盲区是障碍的衍生物，采取理想的越障方式是缩小盲区的有效途径。
（8）能源问题 移动机器人的能源供给方式有两种：有缆供电和自备电池，前者限制了机器人的移动范围和工作场所，后者制约着机器人连续工作时间和输出功率。所以能源问题一直是困扰移动机器人的重要因素。
（9）控制器及控制方法 机器人运动中具有感知与行动紧耦合的特点，为满足机器人多任务、多线程控制的实时性要求，控制器结构不同于传统机器人。同时良好的使用性、遥操作性、能源供给问题以及作为实用样机的经济性都是控制系统设计中应考虑的因素。
参考文献
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