一种爬壁喷涂机器人的研究与设计

1、 编号: 毕业论文(设计)题 目 一种爬壁喷涂机器人的研究与设计 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 机械设计制造及其自动化教学单位 德州学院机电工程学院 （盖章） 二O一三年四月十日目录摘要11绪论12爬壁喷涂机器人的系统方案设计3 2.1爬壁喷涂机器人的技术性能指标3 2.2爬壁喷涂机器人的总体方案设计33爬壁喷涂机器人的主体的设计8 3.1爬壁喷涂机器人的爬行结构的设计8 3.2爬壁喷涂机器人的气动元件选择12 3.3爬壁喷涂机器人主体的受力分析144爬壁喷涂机器人的楼顶吊装系统的设计175爬壁喷涂机器人的控制系统设计186总结19参考文献：20谢辞22一种爬壁喷涂机器人的研究与设计xx

2、x(德州学院机电工程学院,山东德州)摘要：本文针对国内外现有爬壁机器人模型特点，在总结和借鉴喷涂设备的基础上，提出了一种以爬壁机器人为主体，喷涂设备为辅的高层建筑喷涂机器人方案。本次设计介绍了此种高层建筑爬壁喷涂机器人的用途，结构，及其特点。阐述了此种机器人在国内外的发展状况，并对未来该机器人的发展趋势做了预测。关键词：爬壁机器人；喷涂；PLC；楼顶吊装1绪论1.1选题背景目的及意义随着社会经济的发展和人口的增加，现代城市高层建筑越来越多，在现代都市中各种各样的摩天大楼成为一道亮丽的风景。多年来，许多城市的环境清理工作引起人们的越来越多的关注重视。建筑物已成为一个城市的外观，因此建筑物表面的喷

3、涂和装饰建筑工作已成为人们整顿城市环境的关注重点。一般的高层建筑物喷涂工作均是由人工手动完成的，但是，人工喷涂是相当危险的，高空中由于有强气流的存在使人很难保持平衡，工作环境很不好 ，伤亡事故频繁发生，而且效率很低很低。工人在有毒的艰险恶劣的环境中完成这种复杂的喷涂操作，这无疑对工人的健康和生命安全造成很大的威胁。高层建筑物的壁面喷涂是一项量大面广的作业，在我国高空作业最原始的方法是通过架设脚手支架，让工人携带喷涂工具和涂料依次进行喷涂作业，一个喷涂项目完毕后再拆除脚手支架，然后进行下一个项目的喷涂作业。很明显的，这种方式很费力、费时，需要大量的辅助材料来搭建脚手支架。特别是对于高层建筑外墙的

4、喷涂成本更高，而且效率太低，工人长期在此环境中工作会使他们的身体有一定的损伤。而现在随着科技创新技术的发展，目前我国对高层建筑外墙的喷涂工作主要是用专门的载人提升设备吊篮，将工人及喷涂工具和材料等依次悬挂于墙面附近，虽然主要还是要靠人工来进行，但其比起最简单的方式来说有了很大的进步，这种方法使用的设备简单，工人手持喷枪对墙面进行喷涂，工人的工作条件有所改善，效率有所提高，但为了工人的安全着想，还是需要一个人单独工作，喷涂效率仍然很低，并且采用手工喷涂的涂层质量受人为控制的因素影响比较大，如移动喷枪的速度、喷涂的距离、涂料的流量、所用的喷涂方法和工人的技术水平等。所以高层建筑壁面喷涂自动化的问题

5、急需解决。解决这个问题的最好方法就是用机器人代替工人进行高空喷涂作业。由机器人来代替工人作业，实现喷涂的自动化，这将是高空喷涂作业的发展方向。虽然在机器人工作过程中还是需要人工的操作，但是这样已经可以在很大程度上降低工人的劳动强度，工人的工作环境有了很大的改善，也提高了喷涂效率及质量。随着科技的进步，爬壁机器人的应用越来越广泛，这使得高层建筑喷涂机器人的诞生成为了可能。而本文所设计的高层建筑爬壁喷涂机器人是爬壁机器人的一种应用。本文针对国内外现有爬壁机器人模型特点，在总结和借鉴喷涂设备的基础上，提出了一种集爬壁机器人、喷涂设备于一体的高层建筑爬壁喷涂机器人方案。1.2爬壁机器人的发展概况机器人

6、是传统的机构学与现代电子技术结合的产物，是计算机科学控制论、机构学、信息科学和传感技术等多种学科的综合性的高新技术产品，是一种能够进行高速运行、重复操作并且精确度较高的自动化设备。可以用机器人来代替人类去从事各种危险的、重复的、单调的及工作环境比较危险的工作，这将是社会发展的趋势。爬壁机器人是机器人的一个分支，主要运用于建筑和玻璃的表面和化学反应罐的内部进行清洗、除锈、喷涂等的作业过程中。现代社会中，在一些对国民经济的发展有着重要的作用的工作中必须要采取安全的防范措施，而爬壁机器人在这方面是得到大力发展的其中的主要开发项目之一。所以现在已经有很多各种各样的爬壁机器人已经被投放到或即将要被投放到

7、各种作业的现场中，其主要被应用有许多方面比如核工业，核工业中辐射力比较强，而对核废液储罐进行焊缝探伤、罐体壁厚的测量和核废液的泄露检查等工作如果靠人工作业将会对工人的身体产生很大的损伤；在建筑行业也有一些工作需要机器人代替工人去作业像高层建筑表面的玻璃幕墙清洗、瓷砖等外装饰的安装，外墙壁表面的喷涂和墙面的清洁等，此外还有消防部门，造船行业，石油化工等行业。总之随着科技的发展机器人的应用将会得到越来越快的发展。爬壁机器人的发展历史是比较长的，早在1966年，日本大阪府立大学的西亮讲师设计出了一台简单的原理样机，此样机所用用的原理是利用电风扇旋转在其墙壁附近产生低压空气然后再由低压空气产生的负压作

8、为吸附动力使机器人本体吸附在墙壁表面上，这被看作是爬壁机器人领域的研究开端。自此以后，爬壁机器人技术在世界范围内得到了迅猛的发展，而在这一领域内，日本所取得的成绩最为突出，美国、英国等多个国家也相继取得了不小的成就；在国内，对爬壁机器人最早的研究，是在1988年由哈尔滨工业大学率先进行的，经过了十几年的发展，我国先后加入了一些知名的学府及研究所等研究机构比如说上海交通大学，上海大学，长春光机所，北京航天航空大学等，他们都为国内爬壁机器人的研究做出了重要的贡献，到目前为止，国内的爬壁机器人也取得了不小的进展 1 。1.3喷涂设备的发展概况随着工业技术的发展，简单的手工操作已经无法满足市场的需求，

9、而在改革开放以后，工业技术自动化越来越普遍，在这种环境下在喷涂作业已由手工向工业自动化的方向发展，而且喷涂自动化的程度也越来越高，所以喷涂生产线的应用也越来越广泛，并已经深入到国民经济的很多方面。现在市场上广泛应用的喷涂设备按照自动化程度的高低可分为：手动喷涂设备、半自动喷涂设备和全自动喷涂设备三种2。目前为止，国内主要的喷涂方式主要是高压无气喷涂。高压无气喷涂的原理是喷枪利用空气压缩泵提供的高压气流将涂料喷出，由于气压较高因此涂料以雾状喷射到被涂物体的表面上。要完成高压无气喷涂其所需要的设备主要包括空气压缩泵，喷枪，蓄压桶，软气管等 。2爬壁喷涂机器人的系统方案设计2.1爬壁喷涂机器人的技术

10、性能指标在经过了一定时间的考察和查阅整理资料后，本人认真分析了目前现有的各种爬壁机器人和喷涂设备的优缺点，结合现实的情况做了以下技术性能及要求：(1）该方案要能够保证实现平稳喷涂使喷涂的图涂层均匀； (2）本设计方案能够适于喷涂较大的平面； (4）高层建筑喷涂机器人要求通过无线通信控制由人工进行远程控制； (5）该机体的加工制作要尽量使用标准件，对于非标准件，应尽量是加工工艺简单；(6) 该机体的装配和操作要简单容易，使普通工人在培训之后即可熟练操作。2.2爬壁喷涂机器人的总体方案设计在拟定方案的时候，经过多方的考察检阅资料，以集思广益、自由阐述的方式，讨论了设计方案，经过多方的比较，全方位的

11、考虑，最终将所有方案的优点结合在一起，确定了现在的设计方案。该爬壁喷涂机器人在现有技术的情况下其总体结构采用传统的四部分组成：机器人本体系统，喷涂作业系统，地面遥控与监控系统和楼顶悬挂系统。爬壁喷涂机器人的设计方案主要包括机器人的本体方案设计和机器人的控制系统设计。其中机器人的本体方案设计包括机器人的移动方式、吸附方式、喷涂装置的设计。而机器人的控制系统设计方案主要是机器人的控制方式设计。 2.2.1爬壁喷涂机器人的吸附方式爬壁机器人的吸附方式有三种：真空吸附、磁吸附和推力吸附。不同吸附方式的机器人都各有自己特点，能够应用于不同的场合，使用时需要根据具体的使用条件来进行吸附方式的选择。下面列出

12、各种吸附方案的优缺点：1）真空吸附。真空吸附分为单吸盘和多吸盘吸附，单吸盘结构简单允许有一定的泄露，但是单吸盘会使系统稳定性差，吸盘没有冗余性，断了电之后就没有了吸附能力。多吸盘吸附吸盘的尺寸小，密封性也好，断电有冗余性。但其也有缺点，它对墙面的适应能力较差，如果墙面不平整或有裂缝吸盘将会发生真空泄漏，从而使机器本体掉落。2）磁吸附。磁吸附分为永磁式和电磁式两种。永磁式耗能少，比较安全。但磁体在离开吸附的墙壁时需要很大的力量这将会使机器人本体有惯性产生，从而导致主体的不稳定。电磁式可以避免这种状况，它的离合比较容易，但它会消耗很大的电能电磁体的重量也比较大。3）推力吸附。推力吸附适应能力强，不

13、受吸附表面形状和材料的限制，穿越障碍能力强。但是它有很多缺点就是体积比较大难以控制，噪声也比较大，工作效率也很低。经过以上各方面的分析可以很明确的选择真空吸附作为该机器人的吸附方式用以实现机器人的爬墙功能。由真空吸附的特点知道吸盘对墙壁的平滑度要求相对较高。壁面不平整或缝隙的存会使吸盘不能形成真空吸附从而导致爬壁机器人爬墙失败。因此，如何有效的解决真空吸盘能够可靠的吸附在墙壁表面成为爬壁机器人完成爬墙的关键技术问题。但是不能盲目的追求盘径大吸力强的大吸盘 ，大吸盘的吸力强固然能够有助于机器人在墙壁上牢固的吸附，但其盘径大，遭遇壁面缝隙的等缺陷的几率也相对较大。同时，考虑到机器人本体质量和尺寸等

14、一系列的因素，可以通过减小吸盘直径、增加吸盘数量的并且使吸盘之间的位置布局合理，使吸盘不在同一直线上，一旦遇墙壁缝隙时，能够保证其中一定数量的真空吸盘可靠吸附，从而最终保证机器人在墙壁上的可靠行走 3 。2.2.2爬壁喷涂机器人的移动方式现阶段爬壁机器人多采用车轮式、履带式和脚足式三种移动方式，现介绍各移动方式的优缺点。车轮式转向性好，移动速度快，控制灵活方便，但一般由单吸盘组成，很难维持一定的吸附力，而且磨损很严重，但这种移动方式多应用于需要全方位移动的爬壁机器人，如德国哈默尔曼设计的清洗除锈机器人，哈尔滨工业大学设计的高楼玻璃幕墙清洗机器人等。履带式着地面积较大，对壁面的适应能力强，在移动

15、过程中能够始终保持较大的吸附力，但对其运动路径和姿态比较难以控制，此移动方式多用于磁吸附式机器人，如上海交大学所研制的除锈机器人等。脚足式有一定的越障能力，动作较灵活，但缺点是移动速度慢，机构设计和机器人运动的路径规划比较复杂，此种移动方式多用于工作壁面状况较为复杂的机器人，如上海大学研制的球形壁面爬壁机器人，北京航空航天大学研究制作的多足多洗盘的清洗机器人等。轮式和履带式爬壁机器人的应用比较常见，它们的优点是结构比较简单，移动速度相对较快，但是对于有障碍物的建筑墙面很难工作，而且在地面和墙壁之间的转移不能自动的完成。脚足式机器人因为自由度太多在运动学上很复杂，但是这也算是它的优点，它可以自动

16、处理障碍物，所以本设计采用脚足式移动方式。这里可以采用气动或液压元件实现吸盘在某个方向的运动，即将吸盘与液压缸或气缸相连，通过驱动液压缸或气缸运动，带动吸盘移动。2.2.3爬壁喷涂机器人的喷涂装置为了满足油漆喷涂节能环保的要求，现代油漆喷枪在性能以及喷枪结构设计上应满足以下几方面要求。（1）喷枪的喷幅大而稳定；（2）经雾化的油漆均匀的喷涂在喷幅内；（3）喷涂出的油漆颗粒大小均匀；（4）薄的油漆层, 例如 HS/VHS/UHS油漆；（5）能保证喷涂后的漆膜平滑均匀；（6）应根据人体工程学设计枪体，方便操作，经久耐用；（7）喷枪的调节和设定简单、快捷 4 。该机器人的设计采用自动喷枪进行喷涂，若要

17、喷涂设备能够相对于墙面在一定范围内进行喷涂，就需要设计一个移动机构，将喷涂部件置于移动机构上，由移动机构来带动喷涂部件实现机器人在一定范围的喷涂作业。移动机构的设计借鉴了数控机床的工作台的工作原理，将其放置在爬壁机器人的本体上作为喷涂装置的移动机构，实现喷涂装置的横向和纵向移动。其机构设计如下图所示：图1 爬壁喷涂机器人的本体机构该移动机构主要有横向和纵向两个方向的移动部件组成。该机构通过横向移动部件与机器人的本体用螺栓连接在一起，横向机构和纵向移动机构主要由横向丝杠副，导轨副，轴承支座，联轴器组成。纵向移动机构通过横向滑块连接在横向导轨上，其动作原理是由电机通过联轴器带动丝杠转动，转动则通过

18、螺母座变为直线移动传到导轨的滑块上，进而实现横向的直线移动，纵向的移动原理与横向相同只不过整个喷涂部件通过滑块与纵向导轨相连接通过电机带动纵向丝杠转动，将运动转化为喷涂部件的纵向移动 5 。对于这种移动机构，设计有两种喷涂的路线，如图2：（2）（1）图2 喷涂路线在设定喷涂路线时应先考虑移动部件的结构。由于纵向机构放置在横向机构上，所以在选择喷涂路线时，应先使其纵向直线移动，再横向直线移动，只有第二种喷涂路线符合条件。由于每个喷枪的喷涂范围大约在300-500mm之间，这种范围相对于墙面的喷幅比较小，可以考虑将多个喷枪排列组合在一起形成喷枪组，这样既可以增加喷涂的面积，又能够提高喷涂的效率，可

19、谓一举两得。而喷枪的排列方式又有许多种，比如：矩形排列直线排列斜线排列图3 喷枪的排列方式图中圆形区域为喷枪的喷涂幅面，考虑以上三种喷枪的布置方式，矩形排列喷枪时，喷涂过后涂层前后重叠，所以如果使用这种喷枪的排列方式在喷涂前需调整好喷涂的流量，避免喷涂后产生涂层过厚的情况。斜线布置喷枪时，由于三个喷枪的相对位置很难调整，所以涂层的重叠区域不易调整，这种喷枪的排列方式很难适用于喷涂距离不同的喷涂作业中。对于直线排列的喷枪组，不仅没有涂层重叠问题，而且还可以通过机器人本体的直线运动很容易的改变涂层重叠区域的大小。综上所述，本设计应采取第三种喷枪的排列方式，既直线排列喷枪。采用传统的圆形喷嘴进行喷涂

20、作业时，喷涂的幅面边缘地带扩散比较大，可能会导致所喷涂的涂层不均匀，而在原有喷枪基础上将圆形喷嘴改为矩形喷嘴，则会有效的改善这个问题。在喷涂作业过程中，应将涂料等置于建筑物的顶部平台上。 2.2.4爬壁喷涂机器人的控制方案由于高层建筑爬壁喷涂机器人工作环境比较特殊，对于控制系统不仅需要有很高的可靠性，而且要有很强的抗干扰能力。控制系统由该机器人本体控制系统，喷涂系统，楼顶吊装控制系统及地面上的远程控制系统四部分组成。在机器人工作时，地面远程控制系统主要负责爬壁喷涂机器人的任务调度，而经无线通信系统传输给机器人本体系统的控制指令是由操作工人在经过培训有键盘输入的。爬壁喷涂机器人本体完成的吸附、喷

21、涂、移动等各种动作是在各控制器的控制下完成的并由楼顶的卷扬机牵引着向下滑运动。操作工人则通过放置机器人本体和楼顶机构上的传感器采集到的经过处理和规划后的系统的工作信息来实时掌握机器人的工作状态，在机器人发生意外情况时地面操作工人可以及时的向机器人发出控制命令。 2.2.5爬壁喷涂机器人的驱动方案机器人一般有两种驱动方式，液压驱动和气压驱动。由于在此次设计中，喷涂设备及吸盘的吸附都需要有空气压缩机，而后再综合考虑气压驱动与液压驱动的优缺点，决定选用气压驱动的方式，由气缸来带动吸盘运动。由于喷涂距离的不同，吸盘需要在任意一个位置都能够停止，所以采用锁紧气缸，它可以实现在任意位置停止并锁紧。3爬壁喷

22、涂机器人的主体设计机器人的本体结构是指其机体结构和机械传动系统，也是机器人的支撑基础和执行机构是一个机器人最重要的部分。所有的计算、分析和编程最终都要通过本体的运动和动作来完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结构的设计和材料的选择等将直接会影响到机器人的整体性能。 3.1爬壁喷涂机器人的爬行结构的设计在该喷涂机器人喷涂作业规划中，出于安全等各方面的因素考虑，针对不同的优化准则设计出一种最佳的运动方案用以实现既定的工作方式，在本结构中此爬壁喷涂机器人的喷涂路线采用“川”字形，其爬行机构则通过纵向前后气缸的伸缩实现上下运动至于左右移动则通过该爬壁喷涂机器人承接前后气缸的一个横向气缸来实现。由于该

23、爬行机构重量较大本设计采用双气缸并列双吸盘交替吸附式真空吸附结构。机器人爬行结构pro/e模型如下所示：图4机器人的爬行结构pro/e模型1） 机器人的上下移动假设机器人初始状态为纵向的前气缸位于推进的最大行程处，纵向后气缸活塞杆为收缩的最底部，其所带的吸盘组都处于吸附状态，见图5（a）。（1）纵向前气缸上所带的吸盘组放开，纵向的前气缸在收缩，而横向的吸盘组处于吸附状态，从而使纵向前气缸向后运动直到达这一周期中的最低点处，见图5（b）。（2）纵向前气缸其所带吸盘组吸附在墙壁表面上，横向气缸所带的吸盘组依旧处于吸附状态，与纵向后气缸相接的吸盘组放开。纵向后气缸推进至其活塞杆最大行程处，见图5（c

24、）。（3）纵向后气缸所带吸盘组吸附在墙壁表面上，横向气缸所带吸盘组松开，纵向前气缸推进，纵向后气缸向内收缩，横向气缸所带吸盘组吸附，此时机器人本体向下移动一步。又回到机器人的初始状态。到这，该喷涂机器人完成了一个完整的向下的运动过程，该动作导致的结果是整个机器人向下移动了一步，而该机器人向上移动的原理和此相似。(a)(b)(c)图5机器人上下移动简图2） 机器人的左右移动该机器人的左右运动由横向气缸推动活塞杆所完成，可以假定该机器人所处状态为滑动吸盘组位于机器人初始状态。（1）纵向前后气缸所带吸盘组吸附，横向气缸所带吸盘组松开横向气缸向右移动至极限位置，见图6（a）。（2）横向气缸所带吸盘组吸

25、附，纵向前后气缸所带吸盘组松开，横向气缸通过驱动活塞使机器人本体向右移动至极限位置，见图6（b）。（3）纵向前后气缸吸盘组吸附，横向气缸所带吸盘组吸附在墙壁表面上，此时该机器人本体向右移动了一步。而向左运动的原理和此相似。 （a） （b）图6机器人左右移动状态简图3.2爬壁喷涂机器人的气动元件选择3.2.1真空发生器真空发生器就是利用正压气源产生负压的一种新型，高效，清洁，经济，小型的真空元器件。真空发生器使压缩空气在泵体内形成高速气流，而气体的流动速度越高，泵内的气体压力就越低，因此该泵的抽吸能力就越强。所以在抽气量相同时真空发生器体积小是一种效率高的真空泵。现如今真空发生器已经广泛的应用在

26、工业自动化中机械，电子，印刷，塑料，包装及机器人等领域。真空发生器主要有单级真空发生器和多级真空发生器两类，在消耗相同压缩空气的条件下，多级真空发生器在标准大气压下的真空抽气量一般是单级真空发生器的好几倍，因此，多级真空发生器才是真正高效率的真空泵。 真空发生器只要有压缩空气源就可以使用。因为中国绝大部分工厂都有压缩空气源，完全有条件使用真空发生器，所以该机器人选用多级真空发生器。 3.2.2真空吸盘吸盘的吸力值理论上主要由吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内外压差所决定，但实际上工件表面状态对其影响比较大，工作表面状态影响了负压的泄漏量。采用真空吸盘能够很有效的改变这种影响。真空吸盘的结构分为普

27、通型和特殊型，常见的普通型真空吸盘主要有扁平吸盘、波纹管式吸盘两种。扁平吸盘形状种类很多，材料的品种也很多，很适合应用在表面平整的物体表面上。波纹管式吸盘吸附的刚性好缓冲性能也较好，吸力比较强。由于具有波纹管它可以做小行程的移动，不适合运用在机器人的爬行机构上。由于在某些特殊场合上面两种常见的吸盘都不适应，于是为了满足这种特殊应用场合而专门设计了特殊型真空吸盘，这种吸盘分为异形吸盘和专用吸盘两种，这些吸盘的结构形状因吸附对象而异，种类繁多。除了吸盘的结构外，吸盘的材料也是决定其密封性能好坏的主要因素。目前市场上的真空吸盘采用的材料有硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯等。由硅橡胶制成的吸盘适于抓住

28、表面比较粗糙的物体，由氨酯制成的吸盘则很耐用，而由聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料制造的吸盘具有耐油性。对于吸盘材料的选择要根据吸盘的工作环境来确定7。吸盘内的真空压力受吸盘与被吸附表面的贴合程度影响，如果其贴合的程度很差，则吸盘的真空度很难保持，这样就达不到吸附的目的。我们在使用真空吸盘的时候，总是会希望与吸盘贴合的那部分表面是平整光滑的，这样将有利于真空吸盘牢牢贴上物体的表面。但这只是个理想中的状态，这种理想的状态是很难在现实中存在的，物体表面不是有气孔就是粗糙不平。当吸盘与物体表面贴合状态很差的情况下就会发生泄漏。弥补泄漏的措施通常有两个：(a) 使用多级真空发生器，使泄漏的气体

29、能够在最短的时间里补充上来。这种方法的缺点是系统中仍存在较大的漏气量，并且能源耗费较高；(b) 缩小吸盘的直径或通径。但是这种办法的缺点是当工件质量较大时达不到所需要的真空水平。因此针对表面粗糙如墙面等需设计出一种新型结构的高适应性吸盘。针对墙面的不平整和缝隙等缺陷，设计了一种多唇边的自适应性真空吸盘。其结构如下所示:图5 真空吸盘简图实现用真空吸盘吸附物体的目的需满足两个条件：(a) 要有一个密封的真空腔；(b) 要保证吸附过程中，真空腔内的真空度始终能满足要求。 这两个条件都直接被真空吸盘的密封性能所影响。对于多唇边式自适应性真空吸盘，它具备有许多的优点。(1)多唇边是由柔软的橡胶材料制作

30、的，各唇边之间可形成独立的密封范围达到了良好的密封效果，也可以根据物体表面缺陷而变化，使其形状与物体表面完成良好的贴合；（2）吸盘体和唇形密封体的制作材料不同，吸盘体采用普通的工业橡胶，唇边体采用具有耐磨性好、抗撕裂性能高的聚氨酯橡胶，在提高了吸盘寿命的同时也降低了生产成本；（3）由于多唇边的存在，增大了吸附面积，从而提高了吸盘的吸附力；（4）多唇边自适应吸盘具有一个球关节，能够使吸盘倾斜自如，适应墙壁表面倾角的变化，这种自适应吸盘在实际应用中获得了良好的效果6。吸盘的理论吸附力是吸盘内的真空度与吸盘的有效吸附面积的乘积。对于吸附墙面这样面积较大的物体，为防止吸盘松脱，通常使用多个吸盘进行吸附

31、。两个吸盘要形成一个吸盘组，每组包括两个吸盘。整个吸盘组做成一个独立的整体，这样方便安装和拆卸。这些吸盘应合理配置，以使吸附力作用点与被吸附物的中心尽量靠近。3.3爬壁喷涂机器人主体的受力分析机器人喷涂过程中受到很多的力的作用简化为下图：图6 机器人喷涂过程的受力分析F1-上吸盘吸附力（N），F2-中间吸盘吸附力（N），F3-下吸盘吸附力（N），F4-墙壁对上吸盘的反作用力（N），F5-墙壁对中间吸盘的反作用力（N），F6-墙壁对下吸盘的反作用力（N），F7-卷扬机钢索的牵引力（N），G-机器人的自身重力（N），Ff1-上吸盘和墙壁之间的摩擦力（N），Ff2-中间吸盘和墙壁之间的摩擦力（N），

32、Ff3-下吸盘和墙壁之间的摩擦力（N）。若外界大气压为Pa，吸盘开口面积为S（mm）。由图分析得：由上面两式得当上下两吸盘组回收时，其受力图如下图所示：图7 机器人下滑过程受力分析对上图进行受力分析可得：由上面两式得由此可知吸盘的压力将随着机器人的运动状态不同而发生变化。4爬壁喷涂机器人的楼顶吊装系统的设计高层建筑喷涂机器人的楼顶吊装系统了对机器人本体进行安全保护外,还要担负爬壁喷涂机器人的起吊和下放的功能。根据研究目标的要求，设计的楼顶吊装系统主要包括：移动小车、导轨装置、电气控制系统、编码计数器和卷扬机构。安装好的卷扬机构放置在预先被放在槽钢轨道上的移动小车上，编码计数器安装在车体横梁的一

33、端上并与控制系统连接在一起，电气控制装置与移动小车、卷扬机构连接在一起7。其结构如下图所示：图8机器人楼顶吊装系统移动小车包括支撑车轮、移动定位车轮、车体、支撑杆、横梁以及滑轮等。支撑车轮和车体支撑着整个系统，具有足够的刚度，是整个吊装系统的基础，吊装系统的其他部分都由他来支撑。移动定位车轮顾名思义是对机器人主体进行定位的器具有足够的精度，放置在预先安装好的槽钢轨道内，这样小车将可以沿着预定轨道移动。支撑杆安装在移动小车上，用于支撑横梁，横梁一端安装有滑轮，横梁和滑轮都具有足够的刚度，可以悬挂整个爬壁喷涂机器人7。两条平行的槽钢组成了机构的导轨装置，它被预先安装在需要喷涂的楼顶上，移动小车就会

34、沿着这个导轨运动。编码器通过连轴件和滑轮紧密的连接，编码器的旋转轴和滑轮一起同步运动，这样能够保证编码器的精确计数，从而可以测量机器人本体的具体位置。电气控制装置包括变频器、PLC、无线通信模块和控制柜。变频器、PLC、无线通信模块都放在控制柜内。卷扬机构与变频器通过变频器的引出线相连，变频器、无线通信模块与PLC之间是通过 RS-485进行通信的。为了控制方便本文设计了控制面板用以进行现场的控制，控制面板的按钮与PLC输入端子连接，输出端子则和变频器的控制端相互连接。卷扬机构包括电机、制动机构、卷筒和钢索。电机通过带动卷筒的转动控制钢索的长度。制动机构是对电机进行制动的，每次卷扬机工作时，应

35、该首先打开制动系统，松开抱闸，才能实现卷扬机构的转动。爬壁喷涂机器人工作时，首先无线通信模块接收到工作信号，将信号传送给PLC，PLC编译后在控制变频器，变频器根据控制信号的不同输出频率和方向各不同的电流给卷扬机构，通过控制和调节电机的正反转和速度来控制悬挂的喷涂机器人本体以一定的速度上升或下降。接着当喷涂机器人水平方向需要移动时，则可以沿着槽钢轨道推动移动小车。当突然断电或发生其他意外情况时，制动机构的抱闸将会突然收紧，卷扬机构将不能转动。另外，编码器可以通过滑轮的旋转来精确测量出旋转的圈数，计算出喷涂机器人运动距离从而实现对机器人位置的确定 7 。5爬壁喷涂机器人的控制系统设计由于该高层建

36、筑喷涂机器人属于在高空作业，温度湿度等变化较大，工作环境差，所以，该机器人应该采用可靠性高、抗干扰能力比较强的可编程序逻辑控制器PLC来进行运动控制。5.1控制系统构成该系统采用主从两个PLC,系统构成如图所示： 图9 PLC控制系统爬壁喷涂机器人控制系统主从PLC的输入信号主要来源于机器人上安装的机械限位开关和红外传感器。根据各种输入信号的状态来进行爬壁喷涂机器人的任务调度和喷涂作业的管理。85.2无线通信系统虽然高层建筑爬壁喷涂机器人在高空作业，但是机器人的各种动作都需要有人在地面进行操作，同时机器人在高空中的工况信息和状态参数必需要通过无线通信系统传回地面的控制系统由操作者来进行监控。无

37、线通信系统主要是负责地面的主控器与楼顶、本体控制器之间的通信。爬壁喷涂机器人要想可靠安全的工作则要求无线通信系统具有可靠性高、实时性和抗干扰能力强的特点。通过查找资料知道无线数据收发模块采用FSK调质方式和向前纠错信道编码技术，其抗干扰能力强，误码率比较低。6总结随着科技的发展机器人的应用将会越来越普及，本文简单的描述了爬壁喷涂机器人的设计方案,由于本人能力有限所作的只是做了一些简单的原理的设计和研究。具体所做研究如下：（1）在研究国内外爬壁机器人和喷涂机构的基础上，进行了爬壁喷涂机器人的研究。（2）在已有资料的基础上提出了一系列的方案设计包括吸附方案的设计，爬行结构的设计，喷涂装置的设计，控

38、制方案的设计以及楼顶吊装系统的设计等。本文对机器人本题方案的设计做了重要的描述，尤其是爬行和吸附机构。（3）本文研究了无线通信系统该机器人通过无线通信系统与工作人员进行信息的相互交换。由于经验和学习能力有限本文中只是对无线通信系统进行了简单的描述。机器人是一个很复杂的工程，本文的探讨尚需进一步的深化。参考文献：1 肖立，佟仕忠，丁启敏，吴俊生.爬壁机器人的现状与发展J.自动化博览，2005，01：812 百度百科.喷涂设备EB/OL. 3 黄文攀，戴永雄，范茂飞，乔斌，刘明芹.爬墙机器人研究与制作J.淮海工学院学报，2010，19(2)：134汽车与驾驶维修杂志.油漆喷涂相关设备的发展与趋势E

39、B/OL. 5 王巍，曹彤.一种轻型玻璃幕墙清洗机器人模型的研究J.液压与气动，2006，01：186 赵艳妮，孙东明，许平，杨刚.多唇边式真空吸盘的设计J.真空，2008，06：47497 张澎涛.玻璃幕墙清洗机器人及其控制系统J.上海交通大学硕士论文，2005：17198 员超，张刚，孙进生，孟如，张启先.高层建筑喷涂机器人系统研究J.机器人，2002， 24(3)：239240The Research and Design of A Climbing Wall Spraying Robotxxx(Mechanical and Electronic Engineering Department of Dezhou University, Dezhou Shandong, )Abstract: In this paper, according to the characteristic