1、壁面清洗机器人设计 I武汉纺织大学毕业设计（论文）任务书课题名称： 壁面清洗机器人设计 完成期限： 2010 年 12 月 1 日至 2011 年 5 月 30 日院系名称 外经贸学院 指 导 教 师 专业班级 机设 0721 指导教师职称 学生姓名 院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字 壁面清洗机器人设计 II摘 要壁面清洗机器人是一个实用性很强的装置。自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术受到人们的广泛关注，但是，大都是进行了一些试验性质的研究，其相关的理论分析尚不成熟。作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工作具有简单、重复的特点，比较适合机器人自主工作，壁面清洗机器人是以清洗高
2、层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益和经济效益。因此，壁面清洗机器人有着良好的应用前景。本文首先对壁面清洗机器人这个课题的来源、目的及意义进行了阐述，简单介绍了国内外壁面清洗机器人的发展情况，对壁面清洗机器人的几种不同的移动方式及吸附方式进行了比较，最后采用了多吸盘的框架式结构，具有结构简单、操作方便等优点。接着对壁面清洗机器人的总体方案进行了设计，设计了行走机构以及转向机构，通过平动气缸与腿部气缸来实现机器人的移动，并且通过对壁面吸附可靠性的分析选择了吸盘、吸盘支座及快拧接头等部件
3、，还对其它的气动元件进行了选型，并且绘制了气压系统图。最后对壁面清洗机器人的控制系统进行了设计，采用了三菱的 FX 系列可编程控制器进行控制，并对可编程控制器的结构特点及工作原理进行了简单的介绍，然后分析了本设计中壁面清洗机器人的工作过程，对可编程控制器的输入输出端口进行了分配，并且编写了程序的梯形图。关键词：壁面清洗机器人; 多吸盘的框架式结构; 行走机构; 转向机构; 壁面吸附可靠性全套图纸加 153893706壁面清洗机器人设计 IIIABSTRACTWall-cleaning robot is a very practical device.Since the sixties of t
4、his century,the climbing robot and related technology have greatly provoked word wide attention.But most of them are carried out some pilot studies,the relevant theoretical analysis is not yet mature.Used as a cleaning climbing robot,its cleaning is simple and repetitive,and to compare autonomous ro
5、bots for work.Wall-cleaning robot is cleaning high-rise building wall for the purpose of mobile robot,its appearance would be extremely reduce the cost of cleaning high-rise buildings,improve the working environment of workers and increase productivity.It will also greatly promote the cleaning indus
6、try, bringing considerable social and economic benefits.Therefore,the wall-cleaning robot has a good prospect.This article first wall-cleaning robot from the subject,purpose and meaning is described,briefly introduced the development of domestic and international situation wall-cleaning robot for wa
7、ll-cleaning robot moving in several different ways and adsorption compared.Finally,using the framework of multi-suction-type structure,with simple and convenient operation.Then on the wall-cleaning robot has been designed overall program designed to walk institutions and steering mechanism,through t
8、he translation cylinder and cylinder to achieve the robots legs move,and by adsorption on the wall of the reliability of selected sucker,sucker bearing and quick screw joints and other components,also carried out other pneumatic components selection,and rendering the air pressure system diagram.Fina
9、lly,wall-cleaning robot control system design,using a Mitsubishi FX series programmable controller to control,and the 壁面清洗机器人设计 IVstructural features of PLC and working principle of a simple introduction,and then analyzes the design the working process of wall-cleaning robot,the programmable control
10、ler input and output ports of the distribution,and has prepared a program of the ladder.Key words:wall-cleaning robot; framework of multi-suction-type structure; walk institutions; steering mechanism; adsorption on the wall of the reliability目 录1 绪论 -11.1 爬壁机器人 -11.2 课题的来源、目的与意义 -21.3 国内外壁面清洗机器人的研究现
11、状 -21.4 课题主要内容及技术参数 -121.5 本章小结 -132 壁面清洗机器人设计 -142.1 壁面清洗机器人的组成 -142.2 行走机构的设计 -152.3 转向机构的设计 -232.4 吸附装置的选取 -272.5 壁面清洗机器人的框架以及吸盘安装板的设计 -312.6 控制阀及其它气动元件的选取 -34壁面清洗机器人设计 V2.7 气路的设计 -372.8 本章小结 -383 结论 -39参考文献 -40致谢 -41壁面清洗机器人设计 11 绪论1.1 爬壁机器人捷克的剧作家卡雷尔凯培尔最先提出了机器人这个词语，体现出了人类想要创造出一种能够模仿人的行动的机器，从而能代替人
12、类去进行不同的工作的一种长久的愿望。国际 ISO 组织把机器人定义为一种自动的、位置可以控制的、具有编程功能的多功能机械手，然而我国的蒋新松院士则建议把机器人定义为一种拟人功能的机械电子装置。机器人是一种涉及到电子学、机械工程、控制理论、人工智能、仿生学、力学等多种学科相互交叉以及计算机技术、传感器技术、控制技术、电子技术、驱动技术等多种技术相互融合的复杂系统，也是一种边缘科学。机器人技术水平的高低在某种意义上能够体现出一个国家工业生产能力与科技水平的综合能力，随着科学技术的迅速发展以及人类生产和生活需求的不断增长，机器人技术被广泛应用到人类生活中的方方面面，它已经成为了高技术领域内具有代表性
13、的研究目标，并且为社会带来了巨大的经济效益。机器人技术的出现以及发展不但从根本上改变了传统的工业生产，对人类的社会生活也产生了深远的影响。壁面爬行机器人是从极限作业机器人中产生出的一个分支，它主要在壁面或者高空中移动的同时进行作业，由于在现代社会中有许多作业场合对人的身体有比较大的伤害，甚至不适合人类亲身投入其中，这种情况下壁面爬行机器人便可以代替人类去完成这些危险工作，因此爬壁机器人的重要性越来越得到人类的认可。目前国内外的许多现场作业中已经投入了相当数量的壁面爬行机器人，其主要集中在以下几个行业：（1）核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚以及焊缝探伤等（2）石化工业：对圆形大罐或者球形罐
14、的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐等（3）建筑行业：用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并且对瓷砖和玻璃壁面进行清洗等（4）消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作等（5）造船行业：用于喷涂船体或轮船内壁等（6）电力行业：用于对电站锅炉水冷壁管壁厚度进行测量等本文所设计的壁面清洗机器人属于壁面爬行机器人在建筑行业中的运用，主要用于对建筑物玻璃以及光滑外壁的清洗。壁面清洗机器人设计 21.2 课题的目的与意义清洗工人搭乘吊篮、升降平台或者直接腰系绳索，进行高空擦洗。虽然简便易行，但劳动强度大，工作效率低，稍有不慎还就会出现坠落事故，造成伤亡，人工作业的效率也很低。随着人类社会的不断进步，科学技术的日益
15、发展，人们对生活质量和工作环境的要求越来越高，为了提高清洗效率并且把清洗工人从恶劣的工作环境中解脱出来，有待开发一种自动清洗作业系统。壁面清洗机器人是一种实用性很强的装置。自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术的研究受到了人们广泛的关注，但是大都只是进行了一些实验性质的研究，其相关的理论分析还不成熟，结构设计虽然百花齐放，但真正能用于实际工作的却很少。作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工具具有简单、重复的特点，比较适合机器人的自主工作，壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将会极大地降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，同时提高生产效率，也必将极大地推动清
16、洗业的发展，带来相当的经济效益和社会效益。因此，壁面清洗机器人具有良好的应用前景。1.3 国内外壁面清洗机器人的研究现状壁面清洗机器人是一种由两部分组成的清洗用机器人，两个组成部分分别是可以自由移动的本体以及本体上搭载的清洗系统，由于壁面清洗机器人的本体机构是设计的主体，因此壁面清洗机器人与壁面移动机器人的发展有着很大的关联。1.3.1 国外壁面清洗机器人的研究现状壁面移动机器人是能够在垂直的壁面上进行移动的一种机器人，在机械上有显著成就的日本壁面移动机器人的研究方面尤其积极。1966 年，大阪府立大学工学部的讲师西亮就已经用电风扇的进气一侧的低压空气所产生的负压来产生吸附力，从而制造了壁面移
17、动机器人的原理样机。1975 年，升为宫崎大学工学部教授的西亮制作了二号样机，该样机为单吸盘结构，并且使用轮子作为行走方式的爬壁机器人。1978 年，化工机械技术服务株式会社制造了名为 Walker的爬壁机器人，这个爬壁机器人使用单吸盘结构，用真空泵产生负压来产生吸附力，由两个滚子和两条用来行走的皮带组成行走机构，滚子和皮带能够形成真空的腔体。该爬壁机器人的转向是由两个滚子和皮带的速度之间的差来完成的。该机器人由一个严重的缺点，当壁面上出现裂缝时，它的真空便很难维持。壁面清洗机器人设计 3图 1-1 Walker 机器人关西电力株式会社制造的履带式壁面移动机器人利用均匀分布在履带上及本体底部的
18、吸盘来完成直线和转向运动，但是越障能力较差。图 1-2 履带式壁面移动机器人日本日挥株式会社的佐藤多秀研发制造了一种利用负压吸盘来吸附的双吸盘结构轮式爬壁机器人，该机器人由前后两个吸盘以及中间的本体结构组成。吸盘与壁面由密封的气囊来接触，该密封气囊在机器人运动时能够维持吸盘内部的吸附压力。在机器人的前后两个吸盘上各自安装有四个轮子，吸盘通过安装在其内部的轮子来进行吸附。前后两端的轮子分别由一个电机来控制，通过同一个吸盘上的两个电机的不同转速来改变机器人的运动方向。壁面清洗机器人设计 4图 1-3 轮式壁面移动机器人日本宫崎大学研制的推力吸附机器人借鉴了航空航天的技术，利用螺旋桨或者涵道风扇来产
19、生推力，从而让机器人吸附在壁面上，并且吸附稳定可靠。由于螺旋桨或涵道风扇所产生的推力是指向壁面的，因此该机器人能够非常容易地跨越障碍。图 1-4 推力吸附机器人概念模型日本东京消防厅所属的消防科学研究所研究制造了一种用作急救的攀援机器人，该机器人是采用单吸盘的履带式结构的爬壁机器人，通过履带间的速度差来实现转向功能。东京煤气公司与日立制作所研发了一种用来检查工作时的球形煤气罐的焊缝的壁面爬行机器人，该机器人采用步行式的行走机构，机器人的内外两个框架上各自装了八个带吸盘的脚，由装在脚上的气缸来控制脚的壁面清洗机器人设计 5伸缩，两个框架的相对运动是由直流伺服阀通过传动机构来实现的，该结构具有带负
20、载能力强的优点。日本国际机器人公司研发的名为空中勇士的壁面清洗机器人使用了脚步式的行走机构，该机器人由两个本体组成，各自安装有三只脚，三只脚可以进行伸缩运动，每只脚的端部都装有吸盘，通过两个本体上的脚的交互吸附来实现机器人的移动。英国的朴茨茅斯大学研制了名为 Robug 的爬壁机器人，该机器人的脚借鉴了蜘蛛脚的结构，每个脚上都装有吸盘，通过吸盘吸附壁面从而在壁面上进行移动。Robug III 型爬壁机器人有八只脚，在每只脚上都安装了微处理器和吸盘。采用气缸对脚进行驱动。该机器人与其它机器人最大的不同是每条腿上都装有控制器，通过对机器人的远程遥控可以控制机器人往任何方向移动。另外朴茨茅斯大学还设
21、计了 Bigfoot、Toad、The Nero Series Vehicles、Tribot 等多种壁面爬行机器人，这些壁面爬行机器人都是根据使用要求的不同而被设计出来的。图 1-5 Robug III 机器人意大利卡塔尼亚大学研发制造的 Alicia 系列机器人是用来对壁面进行检测的爬壁机器人，其中 Alicia2 型机器人由一个吸盘和两个轮子所组成，吸盘的作用是对壁面进行吸附，使用两个直流电机来控制两个轮子，从而能够使转向更加的灵活。该爬壁机器人最大的缺点就是越障能力较差，而 Alicia3 型机器人正是由于越障能力差这种缺点而被开发出来的，该型号机器人由三个 Alicia2 型机器人组
22、成，两两间用一根杆来连接，要进行越障动作时其中两个机器人吸附另外一个机器人抬起便能轻松地实现越障功能。壁面清洗机器人设计 6图 1-6 Alicia3 机器人1986 年，美国国际机器人公司研发制造了名为 SkyWasher 的壁面爬行机器人，该机器人用来对摩天大楼进行清洗。它由两组 L 型的框架相对地进行滑动以及交替地吸附来实现移动功能，在每组框架上都装有三个脚掌，每个脚掌上还安装有两个真空吸盘，真空吸盘能够与壁面进行相对的直线运动，该机器人还可以实现横向的移动，并且具有一定的越障能力。图 1-7 SkyWasher 机器人1990 年，美国的卡内基梅隆大学的 Wolfe 研发制造了一种以十
23、字几何结构为基础的直动式壁面移动机器人 ANDI。该机器人采用了由龙骨和横梁构成的十字构型，在简化结构的同时提高了爬壁机器人的工作效率。机器人的横梁沿着龙骨滑动并且通过足部的吸盘对壁面交替进行吸附来实现梁式行走，在横梁+壁面清洗机器人设计 7上装有涡流探测器，能够起到检测的作用，在横梁沿着龙骨运动的同时能够使探测器对壁面进行扫描。这种机器人还装有四个摄像头，沿着龙骨排成一排，四个摄像头中紧邻探测器的摄像头为广角镜头并且处在最高的位置，能够在监控机器人的同时进行导航和避开障碍等动作。这种机器人第一次将十字构型用到机器人结构当中，这种结构不仅能够实现爬壁机器人的移动和越障功能，更能够简化控制的算法
24、，从而提高爬壁机器人的工作效率和工作可靠性。图 1-8 ANDI 爬壁机器人德国的 Fraunhofer 研究所研发制造的 SIRIUSC 壁面清洗机器人在工作时在机器人工作的建筑物的顶部有一个随动小车，这个小车除了起到安全的作用外，还能够对壁面清洗机器人的侧向移动进行控制，由于该壁面清洗机器人只有上下运动的功能，随动小车则用来控制机器人的左右运动。该机器人的移动机构是由两个线性模块组成的，在每个模块上都安装了真空吸盘，模块采用伺服电机进行控制。图 1-9 SIRIUSC 壁面清洗机器人壁面清洗机器人设计 8从 1990 年开始，西班牙的 CSIC 大学的工业自动化研究所研发制造了两种不同的磁
25、吸附壁面爬行机器人。一种是推进式壁面爬行机器人，该机器人由两个运动链所组成，运动链的末端有两个电磁吸附元件。该机器人由三个关节组成，每个关节由一个直流电机和齿轮进行驱动，最大旋转角速度为 130 度/秒，运动链的长度为 200 毫米，机器人本体重 6 千克。另一种是名为 REST 的壁面爬行机器人，该机器人有六条腿，每条腿由电机和齿轮进行驱动，机器人的控制器装在本体上。图 1-10 REST 爬壁机器人加拿大的 University of British Columbia 研发制造的名为 Window Washer 的爬壁机器人主要用于清洗玻璃窗，该机器人也采用了十字构型，其水平臂和垂直臂呈十
26、字形分布，通过电机的驱动来实现两个方向的运动，水平臂和垂直臂上都安装有吸盘组，通过吸盘组交替进行吸附与两臂的相对运动机器人能够实现垂直方向和水平方向的移动，机器人有四个圆盘刷，两个一组分别安装于垂直臂的两端，机器人沿着垂直方向运动时对壁面或玻璃进行清洗。该机器人的吸附方式采用了用电动来驱动的真空吸附式，能够改善采用全气动的驱动方式的机器人的气动位置的伺服精度以及驱动力不够的问题。图 1-11 Window Washer 机器人壁面清洗机器人设计 91.3.2 国内壁面清洗机器人的研究现状在我们国家从七十年代的初期开始研究以及开发机器人，1975 年，川崎重工业公司在北京举办的日本科技展览会上展
27、出了 Unimate-2000 型的搬运机器人，从此在我国便掀起了第一个机器人的研究浪潮，许多单位都开始了对机器人的研制。哈尔滨工业大学的机器人研究所研发设计了我国的第一台爬壁式遥控检查机器人，它主要用来对核废料储罐的安全情况进行检查，该机器人的特点为用了一种称为“全方位轮”的新结构轮子作为行走的机构，这是瑞典的MECANUM 公司的全新的技术。哈尔滨工业大学从 1988 年起研发制造了两种壁面爬行机器人，1996 年研发成功的多功能履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人是针对石油企业的储油和储水钢罐定期喷砂除锈、喷漆防腐及涂层厚度等进行检测工作而研发制作的；哈尔滨工业大学所研发制造的另外一种机器
28、人是一种单吸盘的轮式爬壁机器人，该机器人为真空吸附式，并且采用了全方位的车轮结构，在机器人本体的方向位置不改变的状况下可以沿着任意的直线方向进行运动，这种机器人本体重量为 20 千克，能够负载 15 千克，移动速度为 0-2 米/分钟，控制系统采用了微机控制与遥控。图 1-12 多功能履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人壁面清洗机器人设计 10图 1-13 单吸盘轮式驱动爬壁机器人北京航空航天大学从 1996 年开始先后研发制造了WHSHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、灵巧型擦窗机器人、吊篮式擦窗机器人以及蓝天洁宝等等一系列的清洗机器人，前三种壁面清洗机器人都是全气动式的自主步行移动
29、清洗机器人，采用了十字框架结构，机器人上所有的部件都是由气缸来驱动的，十字框架结构由两个无杆气缸组成，这样的壁面清洗机器人有着结构紧凑的特点。机器人在可以伸缩的腿部上装有真空吸盘，能够通过腿部交替的吸附以及气缸的运动在玻璃幕墙或壁面上进行横向或者纵向的运动以及实现越障功能。CLEANBOT 和 SKYCLEANER 这两种清洗机器人在两个主要气缸之间设置了腰关节，在机器人发生偏斜的时候能够通过纠偏运动让机器人回到正常运动的状态，SKYCLEANER 机器人的腿部与吸盘采用了微动铰链连接，可以克服玻璃面上的二度折角变化。灵巧型擦窗机器人重量只有20kg，尺寸为 0.4m0.8m0.2m（宽长高）
30、 。吊篮式擦窗机器人通过模拟人类的手擦窗的动作来进行清洗作业，蓝天洁宝是一种被动式的清洗机器人，它具有结构简单、工作效率高等特点。图 1-14 WHSHMAN 机器人图 1-15 CLEANBOT 机器人壁面清洗机器人设计 11图 1-16 SKYCLEANER 机器人北京清华大学的机器人与自动化实验室研发制作出名为 TH-ClimberI 的大型油罐的自动检测系统，该系统是以磁吸附式壁面爬行机器人作为载体的，在磁吸附式壁面爬行机器人的左右两边各自装了两个带轮，两个带轮以前后分布，分别与安装了永磁块的履带进行啮合，从而组成了机器人的移动机构。这种机器人采用了以两个后轮为主驱动轮的驱动方式，由一
31、台直流伺服电机通过谐波减速器来带动后轮。在磁吸附式壁面爬行机器人的面对壁面的一边安装了涡流检测组件，这种组件通过直流电机与同步带机构来带动涡流探头在垂直于机器人运动路线的方向上来回地进行移动，通过继电器及行程开关来实现机器人的转向。这种机器人能够自动纠正运动路线上的偏差并且识别出机器人当前所在的位置，是一种拥有一定智能的爬壁机器人。上海大学的特种机器人技术应用研究室研发制造了多真空吸盘的多层框架式壁面爬行机器人，这种机器人拥有三层框架，上下两个框架都能够与中间框架进行相对的直线运动，中间框架则可以带动上框架一起与下框架作相对的旋转运动，在上下两个框架上分别安装了四个真空吸盘，可以通过上下框架的
32、吸盘的交替吸附实现机器人在壁面上的移动，该机器人的最大移动速度为7m/min，机器人本体重量为 50kg，负载能力为 55kg，能够越过高为 60mm 的高度，控制系统采用了无线射频的遥控操作。浙江工业大学的机电学院正在自行研发一种以气动柔性驱动器为基础的小型多吸盘式壁面爬行机器人，这种壁面爬行机器人采用真空吸附，可以实现在平地或壁面上进行直线或弯曲的爬行。该机器人的结构主要由驱动装置、吸附装置以及提升装置构成。吸附装置包括五个吸盘以及相同数量的真空发生器，运动时保持三个以上的吸盘同时进行吸附。香港城市大学研制了一种十字架构的全气动式爬壁机器人，这种壁面爬行机器人由壁面爬行机器人本体、供应小车
33、、空压机以及控制器组成，本体长度为 1220mm，宽为 1340mm，高度为 370mm，机器人本体重量为 30kg。该机器壁面清洗机器人设计 12人的本体由两个垂直正交的气缸所组成，通过两个垂直正交的气缸的伸缩来实现机器人在各个方向上的移动，这种机器人还有一个由摆动气缸所组成的腰关节，用来校正方向上的误差。在机器人的水平和垂直气缸的端部安装有 4 个垂直于壁面的气缸作为机器人的腿部，通过机器人的 4 条退的伸缩来完成机器人的越障动作。机器人的清洗装置安装在水平气缸的两侧，清洗装置能够通过水平气缸的伸缩运动来实现对左右方向的清洗工作。机器人的每条腿上都安装有4 个吸盘，机器人通过这些吸盘对壁面
34、进行吸附，从而保证机器人不会滑落。机器人可以通过由一个 CCD 摄像机和两个激光二极管所组成的视觉系统来测量其本体与窗户的相对位置，视觉系统还具有识别工作表面的卫生情况以及确定要清洗的位置的功能。这种机器人由于采用了十字架构以及真空吸附，并且采用气压来进行驱动，因此结构简单，灵活性好，但是存在着清洗的盲区，以及整体的刚性比较差等缺点。图 1-17 十字型架构的全气动式爬壁机器人1.4 课题主要内容及技术参数课题主要内容：（1）完成壁面移动机构设计和相关计算，真空吸附、气压驱动的框架式结构的设计，清洗作业装置的设计；（2）气动系统的设计；（3）PLC 控制系统设计。壁面清洗机器人的技术参数列表：
35、（1）爬行速度：4-10m/min（2）爬行高度：0-100m壁面清洗机器人设计 13（3）清洗速率：100-150mz/h（4）越障高度：50mm（5）控制方式：PLC 控制（6）本体重量：20kg（7）负载能力：15kg（8）移动方式：脚步移动式1.5 本章小结本章对课题的来源、目的与意义进行了介绍，对国内外壁面清洗机器人的研究现状进行了分析，并且列出了本课题的主要内容和技术参数。壁面清洗机器人设计 142 壁面清洗机器人设计2.1 壁面清洗机器人的组成一个完整的壁面清洗机器人应该包含有本体以及控制两个部分，其中本体结构又包括移动部分、吸附部分和清洗装置。移动部分包括了壁面清洗机器人的行走
36、与转向，通过气缸来控制机器人的行走，步进电机与蜗轮蜗杆则控制机器人的转向；吸附部分由机器人腿部的吸盘组成，通过吸盘组来保证壁面清洗机器人在壁面上吸附的可靠性；清洗装置包括了三相电机与圆盘刷，通过电机带动圆盘刷转动来起到清洗的目的。控制部分则采用了可编程控制器，也就是PLC 来对整个机器人的动作进行控制，以便达到控制简单可靠的目的。壁面爬行机器人的主要功能分为移动及吸附功能，由于存在多种不同的移动方式与吸附方式，因此要对这些移动和吸附方式进行分析比较，从而选择出最适合本课题的结构。表 2-1 壁面移动机器人的各种移动方式比较移动方式 优点 缺点车轮式 移动速度快，行走控制简单着地面积小，维持吸附
37、力较困难履带式 对壁面适应能力强，着地面积大体积大，结构复杂，转弯比较困难，重量较大脚步式 对壁面适应能力、越障能力和带载能力均较强移动速度慢，动作有间歇性，结构复杂，控制难度大框架式 结构简单，刚性较好，控制方便，越障能力和带载能力均较强移动速度慢，有间歇性表 2-2 壁面移动机器人的各种吸附方式比较吸附方式 优点 缺点单吸盘真空吸附式 容易实现小型化、轻量化且结构简单、容易控制要求壁面有一定的平滑度，越障能力低，不适应复杂壁面环境，遇到裂缝或凹凸面负压难维持多吸盘真空吸附式 吸盘尺寸小，密封性较好，吸附稳定可靠，越吸盘的增多会带来结构的复杂化，控制的难度壁面清洗机器人设计 15障能力和带载
38、能力较强 也增加续表 2-2吸附方式 优点 缺点永磁体磁吸附式 能产生较大的吸附力，不受壁面凹凸或裂缝的限制，不消耗电能，不受断电的影响只能在导磁壁面上爬行，步行时磁体与壁面脱离需要较大的力电磁体磁吸附式 能产生较大的吸附力，不受壁面凹凸或裂缝的影响，控制比较方便只能在导磁壁面上爬行，维持吸附力需要耗能，电磁体本身重量很大推力吸附式 无泄漏问题，对壁面形状、材料适应能力强负载小，难以控制，噪音很大，体积大效率低参照上表中对壁面清洗机器人的几种移动方式与吸附方式的分析比较，这里采用了多吸盘框架式结构的壁面清洗机器人。框架式结构比起其它几种结构有着结构简单、刚性较好、控制方便、越障能力与带载能力较
39、强等优点。由于磁吸附式对壁面的材料有特殊要求，而推力吸附式又有着负载小、难控制、体积大等缺点，又因为多吸盘有着尺寸小、密封性好、吸附稳定可靠、越障能力和带载能力较强等优点，因此这里采用了真空吸附式的多吸盘结构来实现吸附功能。2.2 行走机构的设计机器人的行走机构主要由 1 个平动气缸与 6 个腿部气缸来共同实现机器人的行走功能，机器人由两个外形相似的框架组成，每个框架上安装有三个提升气缸，每个提升气缸上则安装有一组吸盘组，两个框架中间还有一块中间旋转板，中间旋转板上装有一个平动气缸与两个导轨。当机器人要开始移动时，上框架的提升气缸的吸盘脱离吸附，提升气缸缩回，然后中间旋转板上的平动气缸伸出，带
40、动上框架沿着导轨的方向移动，气缸完全伸出后，上框架的提升气缸伸出，气缸上的吸盘吸附住壁面，然后下框架的提升气缸上的吸盘脱离吸附，提升气缸缩回，中间旋转板上的平动气缸缩回，带动下框架移动，平动气缸完全缩回，下框架的提升气缸伸出，气缸上的吸盘吸附住壁面，这样就完成了一次行走过程。壁面清洗机器人设计 16图 2-1 壁面清洗机器人的平动示意图2.2.1 平动气缸的设计与校核平动气缸主要用来实现壁面清洗机器人的前后移动，它安装在上下框架间的中间旋转板上，由于机器人水平运动时气缸的活塞杆会承受比较大的径向力，因此在平动气缸的两边分别安装有一个与气缸的活塞杆平行的导轨。图 2-2 平动气缸与导轨的位置关系
41、图（1）平动气缸的受力分析机器人运动时平动气缸有三种受力状态，分别是垂直向上爬行时，垂直向下爬行时与水平爬行时。1）垂直向上爬行时：当机器人垂直向上爬行时，平动气缸有两种受力情况，一种是下框架吸附时气缸带动上框架向上伸出，这时平动气缸受到轴向的压力 F。壁面清洗机器人设计 17图 2-3 垂直上爬下框架吸附时平动气缸受力图图 2-3 中 F 为平动气缸受到的轴向压力。（2-1）(本 体 质 量 /2负 载 质 量 )9.8245N垂直向上爬时的另外一种受力情况是上框架吸附时平动气缸带动下框架向上运动，这时气缸的活塞杆承受拉力 F。图 2-4 垂直上爬上框架吸附时平动气缸受力图图 2-4 中 F
42、 为平动气缸的活塞杆所承受的拉力。（2-2）(本 体 质 量 /2)9.8N2）垂直向下爬行时：壁面清洗机器人在垂直向下爬行时，平动气缸也有两种不同的受力情况。一种是下框架吸附时平动气缸带动上框架向下运动，这时平动气缸的活塞杆受到拉力 F。图 2-5 垂直下爬下框架吸附时平动气缸受力图图 2-5 中 F 为平动气缸的活塞杆受到的拉力。 (本 体 质 量 /2负 载 质 量 )9.8245N垂直向下爬行时的另外一种受力情况是上框架吸附时平动气缸带动下框架向下运动，这时气缸的活塞杆受到压力 F。壁面清洗机器人设计 18图 2-6 垂直下爬上框架吸附时平动气缸受力图图 2-6 中 F 为平动气缸的活
43、塞杆受到的压力。 (本 体 质 量 /2)9.8N3）水平运动时：壁面清洗机器人水平运动时，气缸也处于水平状态，这时气缸的伸缩只要克服径向的摩擦力，由于导轨和气缸的活塞杆都是光滑的，可以认为气缸的活塞杆不受拉力和压力，由径向力产生的弯矩由两边的导轨来承受，这样可以起到保护气缸的作用。（2）平动气缸的选型根据以上所作的受力分析来看，平动气缸承受的最大拉力与最大压力都为245N，因此选用双作用单活塞杆气缸，气缸需要满足以下式子：（2-3）24FDdP式子中的 D 为活塞的直径，d 为活塞杆的直径，F 为气缸承受的最大压力，P 为工作压力，这里取为 6bar。经过选型这里选择德国 Festo 公司的
44、 DNG-40-250-PPV-A 型气缸作为平动气缸，型号中的 40 表示活塞直径为 40mm，250 则表示行程为 250mm。气缸的两端有可调缓冲器，该气缸在 6bar 工作压力下的理论推力为 753N，理论返回力为 633N，比计算所得的最大压力和最大拉力都大。气缸重量为 1790g，气接口为 G1/4，活塞杆上的螺纹为 M121.25。（3）平动气缸的校核平动气缸在壁面清洗机器人的运动过程中有两种受力状态：受轴向的拉、压力和受到径向的弯矩。轴向的拉、压力大约是机器人重量的一半，气缸的活塞杆完全可以承受，因此需要校核平动气缸所受到的径向弯矩。机器人在水平移动时平动气缸的活塞杆受到径向力，为了提高抗弯强度，在平动气缸的两边壁面清洗机器人设计 19分别设计了导轨和滑块，用来分担平动气缸承受到的大部分弯矩。图
