维普资讯 http://www.cqvip.com Ｖ０ｌ ２０ Ｎｏ ２ ２ｏ０７ ０４ 机械研究与应用 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＰＰＵＣＡＴＩＯＮ 第２０卷第２期 ２００７年４月 高机动性小型清洁爬壁机器人的研究 张兴悟，章永华，杨杰 ２３００２７） （中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥摘要：基于负压吸附原理，设计一种新型高机动性小型清洁爬壁机器人。描述机器人机构，对机器人爬壁稳定性和可靠性进行详细 分析，给出其控制系统。该爬壁机器人具有小巧灵活、机动性好的特点，且有良好的应用前景。 关键词：爬壁机器人；高机动性；清洁；负压吸附 中图分类号：ＴＰ２４２．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—４４１４（２００７）０２—００２８—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ ｈｉｇｈ ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｌｅ ｍｉｎｉ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｗａｌｌ—－ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｒｏｂｏｔ Ｚｈａｎｇ Ｘｉｎｇ—ＷＵ，Ｚｈａｎｇ Ｙｏｎｇ—ｈｕａ，Ｙａｎｇ Ｊｉｅ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｏｉｎ ￡ｒ ， 缸ｔ ，ｌ，ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｓｏｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆＣｈｉｏｎａ，Ａｎｈｕｉ Ｈｅｆｅｉ ２３００２７，Ｃｈｉａ）ｎ ‘ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｈｉｇｈ ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｌｅ ｍｉｎｉ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｗａｌｌ—ｃｌｅａｎｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓ ｓｕｃｋｉｎｇ ｔｈｅｏ－ ｒｙ．Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｔｈｅ ｓｔａｂｉｈｔｙ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｈａｂｉｈｔｙ ｏｆｔｈｉｓ ｒｏｂｏｔ Ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｉｓ ｗａｌｌ—ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｈｉ ｇｈ ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｆｏｒ￣ｔｕｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｌｌ—ｃｈｍｂｉｎｇ ｒｏｂｏｔ；ｈｉｓｈ ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｉｌｙ；ｃｌｔｅａｎｉｎｇ；ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓ ｓｕｃｋｉｎｇ 爬壁机器人是集机械设计、传感技术、控制学和信息科学 等学科为一体的高技术产品，它能完成在建筑物壁面进行移 动的极限作业。由于人们对生活质量和工作环境要求的不断 提高，作为高空极限作业的一种自动机械装置，爬壁机器人越 来越受到人们的重视，具有广阔的应用前景和社会、经济效 益，自从２０世纪８０年代以来取得飞速发展。国内外已有不 同类型的爬壁机器人研制成功。在国外以日本起步最早，发 展最快。我国的研究起步较晚，较早的是哈尔滨工业大学，随 后上海交通大学和上海大学等也都进行了相关研究 。 （ａ）二维装配图 （ｂ）三维装配图 人们研究爬壁机器人的主要目的是用于清洁高楼建筑的 玻璃幕墙面，代替人工擦洗。目前国内已有数种原型样机相 继问世。但它们都有一些共同特点：大体积大质量，趋向于大 型化。例如北京航空航天大学机器人研究所研制的用于清洗 国家大剧院玻璃幕墙的样机质量接近１５０ｋｇ，长度将近３ｍ Ｌ４ ， 图１爬壁机器人机械结构 １．直流电机２．真空泵６．固定架１０．清洁刷盘 ３．电池盒４． 车体８．吸盘５．红外传感器 ７．电路板安装凸台９．橡胶车轮 这种结构仅适用于大面积墙面的清洁工作，而对于一些面积 小的墙面，使用它们就有点不太适合。 笔者介绍一种基于负压吸附原理的高机动性小型清洁爬 壁机器人，描述机器人机构，对机器人爬壁稳定性和可靠性进 行详细分析，并给出其控制系统。该机器人可在建筑物玻璃 幕墙面或其它形式（如瓷砖，粉墙）的墙面行走并进行清洁工 作，特别适用于清洁面积稍小又不便于人工清洁的墙面。 （１）车体框架：用于固定和安装其它部件，其材料采用铝 质薄板，减轻机器人重量，提高机器人的运动灵活性。 （２）移动机构：爬壁机器人的移动一般有轮式、履带式和 足式三种。足式机器人有较高负载能力，然而移动速度较慢； 履带式接触面积大，壁面适应性强，其代价是要增大体积，且 不易转弯；轮式移动速度快，易控制，其缺点是接触面小，维持 一ｌ机器人结构 爬壁机器人必须具备以下两种能力：对壁面吸附能力和 在壁面上移动的能力，然后才能考虑附加功能的实现及灵活 定摩擦力较困难。具有高效的工作速率、灵活操纵性能的 机器人始终是机器人发展的一个大方向，并具有更好的实用 化前景。因此选用轮式驱动的移动方式。机器人有４个独立 性、操纵性等选择。图１为爬壁清洁机器人的机械结构图，总 体长×宽×高尺寸为：１８０×１７５．７×５３．２ｍｍ，主要由车体框 驱动的车轮，能够灵活的作前进、后退、转弯运动。 （３）吸附机构：机器人的吸附主要有负压吸附和磁吸附 两种方式。磁吸附法结构简单，吸附力大，但要求壁面必须是 架、移动机构、吸附机构和清洁机构四部分组成。依靠吸附力 和轮子的摩擦力实现壁面攀爬，完成清洁任务。 收稿日期：２００７～０１—２３ 作者简介：张兴悟（１９７６一），男，江西余干人，硕士，研究方向：爬壁机器人，机器人控制理论及应用。 ・２８・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２０卷第２期 机械研究与应用 Ｖｏｌ ２０ Ｎｏ ２ ２００７年４月 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＰＰＵＣＡ ＨＯＮ ２００７ 导磁材料，适用面比较窄。负压吸附法具有不受壁面材料限 控制系统是爬壁机器人的核心，对机器人任何一种操作 制的优点，需要注意的是当壁面凹凸不平时容易使吸盘漏气， 的实现都要依靠控制系统来完成。控制系统的功能是对爬壁 从而使吸附力下降。考虑到设计的爬壁机器人用于清洁建筑 机器人的各分系统进行协调和控制，同时完成各系统状态的 物、玻璃、墙等平整表面，故采用单吸盘负压吸附方式。机器 监视和显示。机器人采用两级分布式计算机控制，其中上位 人底部安有一个ＰＶＣ吸盘，由一个安装在机体上的真空泵持 机采用通用微型计算机作为总控制器，用来完成机器人移动 续地对吸盘抽气，保持吸盘内有足够的负压维持吸盘的吸附 路径规划、运动控制、信息储存、实时状态监视等，并对下位机 力，使车体能始终吸附在壁面上而不至于掉落。 发出系统命令，最终实现对机器人的监督与控制。下位机采 （４）清洁机构：在机器人前后各安装两个清洁刷盘，刷盘 用ＤＳＰ作为控制核心，负责各个驱动电机的运转及传感信号 上交替插满软硬刷毛，每个刷盘都有一个独立的电机带动，通 的处理。上下位机之间采用射频无线通讯传输信息数据。 过支架固定在机器人本体上。工作时由电机驱动刷盘高速转 爬壁机器人的控制包括： 动，清除壁面的灰尘。 （１）对电机等驱动装置的控制，以实现机器人在壁面上 ２机器人爬壁的稳定性和可靠性分析 的移动。爬壁机器人采用四轮式移动机构，每个车轮都由一 个直流电机独立驱动，其中同侧的两个车轮实现同步控制。 通过改变电机的旋转方向和转速来控制机器人的前进、后退、 转向及运动速度。 （２）吸附装置的控制，以实现机器人在壁面上的吸附。 由于是单吸盘结构，机器人在工作时吸盘始终处于吸附状态。 吸盘内装有一个真空压力传感器，当检测到吸盘压力下降时， 就加大真空泵电机的转速，保证机器人有效的吸附在壁面上。 （３）清洁装置的控制，实现机器人在壁面上清洁作业。 机器人对壁面的清洁工作由４个清洁刷来完成，当机器人在 壁面上移动时，电机带动清洁刷高速转动，以此来擦除壁面上 的灰尘等达到清洁目的。当不需要进行清洁时，操作者也可 图２受力示意图 停止清洁刷工作。 （４）摄像及传感装置的控制，实现对环境的探测。在机 图２为爬壁机器人受力示意图。欲使机器人吸附于壁面 器人上安装有ＣＣＤ摄像头和红外测距传感器等，实时的将机 不致脱离，又能自如上下移动，应满足以下３个条件： 器人的外界环境和自身状态信息传回给上位机，便于操作者 （Ｉ）静态吸附条件：吸盘产生的最大静摩擦力 能抵消 掌握机器人所处状态，及时对机器人进行控制。 机器人自重Ｆ。： 只有当控制系统协调有效工作时，机器人才能实现在壁 ＦＤ＞Ｆｃ （１） 面上的清洁作业。图３为控制系统的组成结构。 （２）动态上升条件：４只橡皮轮子产生的总摩擦力４Ｆｆ能 克服吸盘的动摩擦力Ｆ。和机器人的自重Ｆ。之合力： ４Ｆｆ＞Ｆｓ＋Ｆｃ （２） （３）动态下降条件：４只橡皮轮子产生的总摩擦力４Ｆ 和 机器人的自重 之合力能够克服吸盘的动摩擦力 ： ４Ｆｆ＋Ｆｃ＞Ｆｓ （３） 则，若上升条件能够成立，则下降条件也成立。进一步根 据吸附力Ｆ的理论计算公式（４）： 图３控制系统结构 Ｆ≈１０－２（１０１一Ｐ绝对压力）Ｓ氍盘面积 （４） 式中：Ｐ绝对压力为微型真空泵的绝对真空度，ｋＰａ；Ｓ吸盘 积为吸盘 ３．２控制系统的硬件设计 有效面积，ｃｍ ，得到吸盘的最大静（动）摩擦力Ｆ。（Ｆ。）： 控制系统的硬件核心是ＤＳＰ最小系统和直流电机的驱动 ＦＤ＝ Ｄ （５） 电路，因此这里对这两种硬件电路进行详细阐述。 Ｆｓ＝ 。 （６） （１）ＤＳＰ最小系统ＤＳＰ最小系统包括电源电路、复位 式中： 。为吸盘极限静摩擦系数， 。为吸盘动摩擦系数。因 电路、时钟发生电路、仿真接口电路、电源指示电路、电机控制 此吸盘的面积取值范围为： 端口电路和传感器信号采集电路，如图４所示。由于ＤＳＰ的 Ｆ ｉ 二 ＜ｓ吸盘 积＜ 工作电压为３．３Ｖ，因此采用７８０５和ＬＭ１１１７芯片进行电压转 换；为提高时钟的信号质量和稳定性，使用１２ＭＨｚ的有源晶 ４Ｆｔ—ＦＧ ｆ１、 振来产生系统所需时钟；红外测距传感器的峰值的电压低于 １０一 （１０１一Ｐ绝对压力） ｓ ３．３Ｖ，故可直接用ＤＳＰ的ＡＤ端进行采集；ＤＳＰ电机控制信号 ３爬壁机器人的控制 经非门提升驱动电压后与电机驱动芯片ＬＭ２９８连接，可控制 ３．１控制系统 ．电机转速和转向。 ．２９． 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｖｏｌ ２０ Ｎｏ ２ ２００７．０４ 机械研究与应用 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＰＰＵＣＡ ⅡＯＮ 第２０卷第２期 ２００７年４月 到有清扫命令输入时，机器人首先判断有无移动要求，若无则 开启清扫电机带动清洁刷高速转动完成原地清洁任务；否则， 判断机器人的移动要求，在清洁的同时按照给定路径移动车 体，利用传感器完成避障和路径跟踪任务。同时，检测和调节 吸盘的真空度，确保机器人工作时不会从墙壁掉落。 ．ｃ：嚣 ．ｃ：嚣 图４ ＤＳＰ最小系统 ．ｃ＝ ．ｃ＝嚣 韭韭 图６软件设计流程图 ４结语 笔者研究的机器人具有小巧灵活，机动性高的优点。它 鄯 Ｉ１０ＴＯＲ１ ２ 匐 Ｉ１０Ｔ０Ｒ３４ 匐 Ｍ０ＴＯＲ５６ 鄯 Ｉ１０ＹＯＲ７８ 能高效的清除建筑物壁面的灰尘等松散污物。若将清洁机构 用其它功能部件替代，还可实现检查、侦察等用途，该爬壁机 器人具有良好的应用前景。 图５电机驱动电路 （２）直流电机驱动电路图５给出爬壁机器人中８个直 参考文献： ［１］黄善钧．壁面移动机器人的研究［Ｊ］．哈工大７Ｏ周年校庆增 刊，１９９０． 流电机的控制电路，其核心是电机专用控制芯片ＬＭ２９８。它 能方便地对直流电机进行控制，包括电机旋转方向和运动速 度。通过改变ＤＳＰ输出的ＰＷＭ占空比可调节电机转速，每 ［２］ 马培荪，陈佳品。俞翔．油罐容积检测用爬壁机器人的研制 片ＬＭ２９８可以控制两路直流电机。二极管的作用是续流，减 小启停瞬问反向电动势对电机造成的损害，从而保护电机。 ３．３控制系统的软件设计 图６为爬壁机器人控制系统的软件设计流程图。当检测 ［Ｊ］．上海交通大学学报，１９９６，３０（１１）：１５９—１６４． ［３］谈士力，沈林勇，陈振华．垂直壁面行走机器人系统研制［Ｊ］． 机器人，１９９６，１８（４）：２３２—２３７． ［４］张厚祥，唐伯雁，刘荣．自主攀爬式曲面作业机器人设计研 究［Ｊ］．机器人，２００４，２６（１）：１—６． 我国机械工业继续高速运行 根据中国机械工业联合会提供的统计数据，２００７年１—２月我国机械工业依然保持强劲的发展势头。全 行业生产、销售和新产品产值增速均比去年同期有较大幅度提高，出口交货值增速明显加快，重点产品产量增 幅较大。 ２００７年１ ２月，机械工业全行业共完成工业总产值８９１５．６３亿元，比去年同期增长３３．３２％，增速高于去 年同期３．９２个百分点。２００７年１～２月全行业完成销售产值８５４６．８０亿元，同比增长３２．７５％，增速高于去年 同期３．３３个百分点。工业总产值和销售产值均呈现良好开局；增长幅度保持在３２％以上，延续了去年快速增 长势头。 。 ・本刊辑・ ・３０－
