项目成果总结

1、项目成果简介1、 项目应用背景爬壁机器人是极限机器人的一个分支，主要在壁面或顶部进行移动作业。由于现代社会中，有许多场合必须采取良好的安全防护措施才能实施作业，如：原子能发电站中强发射线下的作业，海底石油勘探等深水作业，灾害时的消防救援作业等，这些工作对于国民经济发展的重要性与日俱增。而爬壁机器人作为其中的主要开发项目得到了蓬勃的发展。目前，国内外已经有相当数量的爬壁机器人投入现场作业，主要应用于以下几个方面：l 核工业 对核废液贮管进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；l 石化工业 对圆形大罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐等；l 建筑行业 用于喷涂巨型壁面，安装瓷砖并对瓷砖、玻璃壁

2、面进行清洗等；l 消防部门 用于传递救援物资、进行救援工作等；l 造船行业 用于喷涂船体或轮船内壁等；l 电力行业 对电站锅炉水冷壁管壁厚度的测量等。1.1 单吸盘真空吸附式爬壁机器人发展状况单吸盘爬壁机器人都是通过一真空吸盘和壁面形成一个真空室。这种形式的爬壁机器人可实现小型化、轻量化、结构简单、控制简单。但要求壁面有一定平滑度，越障能力低，不适合在复杂壁面上爬行，当遇到较大沟槽和凸凹面时，吸盘负压难以维持。下面介绍各国单吸盘真空吸附式爬壁机器人的发展状况：1966年，日本大阪府立大学工学部的西亮讲师成功制作了利用风扇进气侧低压作用作为吸附力的垂直移动机器人的原理样机，并与1975年制作了以

3、实用化为目标的第二号样机，采用单吸盘结构，这是世界上最早出现的爬壁机器人。1978年，日本化工机械技术服务株氏社研制开发了两种壁面移动机器人：PC型核电站壁面除污机器人和PD型核电站壁面除污机器人。两种机器人均为单吸盘结构，由抽气泵产生负压。此后，又在这两种机器人的基础上开发出一种“WALKER”的爬壁机器人。“WALKER”有行走能力，它由上下两个行走滚子和左右两个传动带驱动行走，真空室由滚子和皮带自然围成，通过左右滚轮和皮带的速度差实现转向。但当壁面上有裂缝时，真空难以维持。1982年，日本东京消防厅的消防科学研究所研制出一种消防急救用爬壁机器人，用于将旧救护绳等物质搬运到失火的高层楼房，

4、解救被困人员。机器人整个本体作为一个真空吸盘，负压有抽气泵工作产生；内部有两排行走履带，通过履带的速度差实现转向；操纵是在地面上由操纵盒遥控实现的。1990年，俄国机械科学研究所研制成功一种用于清洗作业的单吸盘爬壁机器人，该机器人采用单吸盘结构，吸盘内有移动机构、清洗作业装置以及控制单元。 真空由直接与真空室相连的螺旋风扇形成，真空室四周有密封性良好的弹性材质，工作时最大真空压力为0.007Mpa，两对独立驱动的车轮实现机器人在壁面的移动和转向机能，在机器人本体上装有用来控制、调节真空吸盘真空度的真空传感器。1994年，哈尔滨工业大学机器人研究所研究出一种单吸盘机构的全方位遥控检查爬壁机器人，

5、其特点在于将全方位车轮应用于爬壁机器人的行走系统中，解决了壁面移动机器人移向困难和定位精度差的等难题；并且吸附方式采用两个抽风机来实现真空吸附。此后，在上述爬壁机器人的基础上，又研制出用于对瓷砖壁面进行清洗作业的爬壁机器人系统。1998年，东京工业大学机械与航空工程系研究出一种称为VM的新式吸盘。1999年，哈尔滨工业大学机器人研究所又研制出适用于玻璃幕墙清洗的爬壁机器人。2000-2001年，美国Ultrastrip公司开发了一种单吸盘吸附式喷漆机器人。该机器人利用中央吸盘吸附在壁面上，电机驱动车轮带动机器人运动，机器人本体上装有喷头，实现对船体、墙面等壁面进行喷漆作业。1. 2 多吸盘真空

6、吸附式爬壁机器人发展状况由于单吸盘结构对壁面的适应能力比较差，很多研究设计都尝试采用了多个真空吸盘，通过不断的尝试和探索，多吸盘结构得到了较快的发展。下面介绍各国研究多吸盘真空吸附式爬壁机器人的研究成果：1984年，东京煤气公司与日立制作所联合开发出一种球形煤气罐检查机器人，是最早的多吸盘爬壁机器人。它是一种多足2脚、框架移动式步行爬壁机器人，内外两个框架上各装有8只吸盘；上有驱动装置，可驱动两框架相对运动。1988年，日本三菱化工研究所研制出了真空吸附式壁面行走机构“VACS”，采用履带式移动方式，履带上有数个吸附室。随着履带的移动，吸附室连续地形成真空腔而使履带帖紧壁面移动。这种机器人主要

7、作为除尘机械，对壁面进行清洗、喷涂、检查等。1991年，日本关西电力综合技术研究所研制开发了“混凝土建筑物的壁面检查机器人”，也是一种履带式真空吸附机器人，特点是：承载能力大，吸附性能好，移动速度较快，但转向较难。1991年，东京大学研制了“NINJA-I”型四足壁面步行机器人，该机器在人有四条腿组成。1993年，研制成功建筑外壁检查、修补机器人，该机器人的特点是移动灵活、速度快、可跨越10mm的障碍、检查幅度600mm。1998年，又研制成功了带有人工腿的“NINJA-II”型机器人。1993年，日本工业技术学院研制成功壁面步行机器人，该机器人是由两只五吸盘构成的脚形成，每只脚都可绕另一只脚

8、旋转，这样就形成了机器人的直线和转向移动。1994年，英国南岸大学研制出多足多吸盘气动型爬壁机器人，它是一种框架式结构，安装有两组气缸，可以携带一个小型工业机器人，进行超声检测。1996年，俄国机械科学技术研究所研制成功了WCR RVP-II型机器人，采用直角坐标气缸驱动。1998年，有研制成功了WCR RVP-21型机器人，能够在两个相互垂直的壁面之间跨越行走。1998年，德国Aalen商业技术学院研制成功了一种单履带多吸盘爬壁机器人。该机器人采用特殊的结构形式，克服了以往履带式真空吸附爬壁机器人的一些缺点。1998年，西班牙CSIC大学的工业自动化研究所研制成功了一种叫做REST的六足爬壁

9、机器人。在机器人的每一条腿上，具有两个半自由度。1998年，英国研制出四足壁面步行机器人Robug II；此后又开发了Robug III型爬壁机器人，它有8只脚，类似于巨型蜘蛛。1998年，美国的卡耐基梅陇大学研制了一种飞机检测飞机表面的爬壁机器人。该机器人采用十字框架式结构，十字框架之间可以相对滑动，完成机器人的前后，左右运动。1998-1999年，北京航天大学宗光华教授对框架式多吸盘爬壁机器人进行了研究，并与香港城市大学的S.K.TSO教授联合研制了CLEANBOT-I机器人。1. 3 磁吸附爬壁机器人发展状况磁吸附爬壁机器人虽然只适用于导磁材料构成的壁面，但能产生较大的吸附力，并且不受壁

10、面凸凹或裂缝的限制。磁吸附式爬壁机器人可以分为电磁体式和永磁体式两种，电磁体式机器人维持吸附力需电能，但控制较为方便；永磁体式机器人不受断电的影响，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附壁面移动机器人多为永磁式。下面介绍各国研究磁吸附爬壁机器人的研究成果：1984年，日本日立制作所研制出足式磁吸附爬壁机器人，有八只脚，均采用永磁体吸附式，内侧四只脚和外侧四只脚在行走过程中交替吸附于壁面上。90年代初，英国的RTD公司推出了轮式磁吸附爬壁机器人。机器人最高爬行速度为12m/min，能爬行25m，带超声检测与纪录机构，可以自动纪录每隔一定距离的壁厚，该机器人已作为商品销售。1998年，日本钢管株氏会社

11、开发出车轮式磁吸附爬壁机器人，可以吸附在各种大型构造物，如：油罐、球形煤气罐、 船舶等壁面上，代替人进行检查或修理等作业。2002年，日本三菱重工业公司推出一种磁式喷涂爬壁机器人，它也是一种轮式结构。该机器人可以吸附在20mm以上厚度的磁性结构建筑物上，磁力可达2000N，机器人通过三个驱动轮进行运动，每个轮都装有一个伺服马达，转向是通过前轮实现的，移动速度可达10m/min，喷漆速度为1m3/min。哈尔滨工业大学也从事了磁吸附爬壁机器人的研究。然后，上海大学、上海交通大学、北京航空航天大学等也相继开展了这一项研究工作，目前已经取得了阶段性成果。上海交通大学研制开发出测量油罐容积履带式磁吸附

12、爬壁机器人。根据检测需要，机器人上装有位置及姿态传感器，机器人总重146N，可负重200N，行走速度2m/min。哈尔滨理工大学研制开发了测量金属大罐漆膜厚度的轮、履带复合式磁吸附爬壁机器人，该机器人的机构有履带式驱动轮和磁性导向轮两部分组成。1996年到1998年，哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功了多功能履带式罐喷涂检测磁吸附爬壁机器人。多功能履带式磁吸附爬壁机器人针对石油企业的储油、储水钢罐，定期喷砂除锈、喷漆防腐、涂层厚度进行检测等工作进行研制的。此后又研制了多功能水冷壁排管爬壁机器人，主要用于对电站锅炉水冷壁排管向火侧表面浮灰的清扫、结焦的清除以及排管壁厚的自动检测，并且能够在检测到

13、壁厚小于预置的极限处发出警报信号、打标记。1.4 其它类型的爬壁机器人发展状况磁吸附的爬壁机器人受壁面材料特性的影响，真空吸附式的爬壁机器人受壁面凹凸和多孔状况的限制，为进一步解脱种种限制，人们研制了其他形式的机器人，如飞行式爬壁机器人、绳索牵引式爬壁机器人等。1995年，日本宫崎大学的西亮教授研制成功了用螺旋桨驱动的飞行爬壁机器人。该机器人采用汽油发动机驱动两个螺旋桨产生向上的推力和指向壁面的帖附力。1997年，日本宫崎大学又研制开发了一种能够做短暂飞行后帖附在壁面上的爬行机器人。该机器人有两个主螺旋桨提供推升力，八个小螺旋桨控制机器人的飞行姿态，该机器人几乎能够在任何工况下进行工作，用无线

14、电进行遥控操作。1998年，东急建设技术研究所开发了绳索牵引式爬壁机器人。该机器人用于检测壁面瓷砖的贴和状况，采用真空吸附方式使机器人帖附在壁面上，利用屋顶两台电机的速度配合，实现机器人在530m2范围内自由移动。粘着剂吸附方式主要针对真空吸附方式中存在的壁面凹凸和多孔状况造成吸盘气体泄露问题，以磁吸附方式中存在的壁面材料特性的问题，采用粘着剂的粘力来实现爬壁机器人的吸附机能。粘着剂吸附式爬壁机器人的典型代表是：1995年，日本田口斡和石崎笃研制的粘着吸附式微型爬壁机器人。国内外研究现状机器人如果能够在壁面上自由地移动，并且进行作业，必须具备两大基本机能：吸附功能和移动功能。因此，爬壁机器人主

15、要是按吸附功能和移动功能来进行分类的。爬壁机器人按吸附方式可以分为真空吸附、磁吸附、推力吸附三类。真空吸附又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凹凸不平时，容易是吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附又分为永磁铁和电磁铁两种，要求壁面必须是导磁材料，但它的结构简单，吸附力远大于真空吸附方式，且对壁面的凹凸适应性强，不存在真空吸附漏气的问题，因而当壁面是导磁材料时优先选用磁吸附爬壁机器人。爬壁机器人按移动方式可以分为框架式、车轮式、履带式和脚步式四类。框架式吸附能力大，承载能力强，能跨越规则的壁面障碍；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难

16、；履带式对壁面的适应性强，着地面积大、不易转弯；脚步式移动速度慢，但承载能力强。不同的吸附方式和移动方式的组合就构成了各式各样的爬壁机器人。2、 设计目标与实现方案21目标：1、机器人能向上、下、左、右四个方向上移动、停留。2、机械结构设计合理、紧凑、重量轻、可靠性高且负载能力强。3、移动精度较高，能垂直到达垂直平面的任何地方。4、机器人控制灵活、简单、可靠、安全。22设计方案：221移动方案 爬壁机器人的一关键技术就是要实现移动功能的爬行机构。它是爬壁机器人设计的基础，是其他系统的载体和机器人各种动作得以完成的保证。在进行本体设计之前就必须确定机器人的移动方式。目前爬壁机器人有四种移动方式，

17、一种是框架式本体结构、步行式本体结构、车轮式本体结构、履带式本体结构。本体结构的不同，带来驱动方式、控制方式的不同。移动方式的特点比较如下表：表11 爬壁机器人四种移动方式的比较移动方式概要优点缺点框架式有多层框架组成交替移动或转动固定吸附，吸附能力大，承载能力强，能跨越规则的壁面障碍移动是间歇的，移动速度较慢步行式由多个脚反复吸附、脱落移动的机器人越障及承载能力强，机动性较好，具有很强的壁面适应能力结构复杂，间歇移动，速度慢，当足数、关节多时控制复杂车轮式配置多个车轮，每个车轮有电机驱动速度快，控制简单，容易转向，壁面适应能力强接触面积小，越障能力差履带式由电机驱动履带，推动机器人前进接触面

18、积大，承载能力大，速度快，壁面适应性强履带磨损大，结构复杂，机动性较差，不易转向综合比较目前研究出来的爬壁机器人的各项性能，框架式，轮式和履带式的壁面机器人对壁面清洗这种极限作业有较高的适应性。如果只要求实现壁面二维范围内的全方位运动，同时具有越障功能的话，那么框架式的机器人更显优点。采用框架式实现机器人的移动，一则可以减轻机器人本体的质量，而增加承载负载的能力。二则通过框架的交替，可以容易地实现机器人的直线运动。2.2.2 爬壁机器人吸附方式爬壁机器人要在垂直的壁面上运动，首先要解决的问题就是要使机器人安全吸附在壁面上，而不致脱落，这是爬壁机器人起码的安全性要求。由于机器人的移动机构选择框架

19、式，则吸附多采用多吸盘结构配合比用其它吸附方式更为合适。吸附功能是爬壁机器人必须具备的基本功能。它有两个作用：保证安全使机器人能安全吸附在壁面上和提供机器人运动的作用，两者实现的实质是在机器人和壁面之间产生一定的正压力，从而保证机器人与壁面之间有足够的摩擦力。吸附装置是整个爬壁机器人的核心装置，其产生的吸附力的大小直接关系着爬壁清洗机器人在壁面上工作的稳定性。按吸附方式分类，爬壁机器人主要分为真空吸附、磁吸附、推力吸附三类。真空吸附法是通过真空泵装置，使吸盘内腔产生负压，从而使机器人吸附在壁面上；或者由真空发生器的喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，使周围形成真空，达到吸附的目的。而吸盘又可以分为单吸

20、盘和多吸盘。真空吸附法不受壁面材料限制度优点，但当壁面凸凹不平时容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低。磁吸附要求壁面必须是导磁材料，但它的结构简单，吸附力远大于真空吸附，且对壁面的凸凹适应性强，不存在真空吸附的漏气问题，因而当壁面材料是导磁材料是，使用磁吸附爬壁机器人有它突出的优点。磁吸附法中又可分为永磁体和电磁体两种产生磁力的方式。推力吸附是一种新型的吸附方式，相比真空吸附、磁吸附而言，在爬壁机器人载体方面有很大的创新。使用螺旋桨产生合适当推力，使机器人稳定可靠地贴在壁面上。由于推力能始终指向壁面，机器人可以相对容易地实现越障。三种吸附方式的有缺点如下表所示：表12 爬壁机器人三种

21、吸附方式的比较吸附方式优点缺点吸盘吸附方式单吸盘允许有一定程度的泄漏面积，允许壁面有凸凹，内部可采用低真空方式，移动容易，控制方便，结构简单。吸盘无冗长性，一旦断电，本体将丧失吸附能力，不能跨越较大障碍，负载不大。多吸盘吸盘尺寸小，密封较好，断电时有一定冗余性，负载较大。能跨越一定的障碍，较易控制，运动灵活。结构复杂，转弯较为困难，当壁面有凸凹或裂缝，则将会有真空泄漏。磁铁吸附方式永磁体维持吸附力不需要耗能，安全，负载较大，能跨越一定的障碍。只能在导磁壁面上爬行，步行时磁体与壁面离合需要很大的力电磁体磁铁与壁面间的离合很容易，负载较大，易于控制只能在导磁壁面上爬行，维持吸附力需要耗能，自重大。

22、推力吸附无泄漏问题，对壁面形状、材料适应性强噪音大、体积大、效率低，负载小，难于控制。 综合考虑机器人系统的作业环境和性质，选用多吸盘真空吸附，主要原因如下：由于本课题主要研究的爬壁机器人是针对玻璃幕墙的，玻璃属于非导体材料，采用磁吸附和推力吸附都是不合理的，考虑到机器人系统的使用范围，采用真空吸附是一种合理可行的方式。但是产生真空又有两种常用的方法：真空泵法、射流器法，采用真空泵产生真空需要电机驱动，增加控制难度，而选用真空发生器可以减少驱动源和控制的难度，因此选用真空发生器产生负压的多吸盘吸附。3、 项目设计内容及创新点311、结构简单、对称。纵向和横向分别垂直安装结构相同的无杆双作用气缸

23、，其作用是完成机器人本体的向上、向下、向左、向右4个方向的运动。由4个方向的基本动作的组合控制，机器人便可以到达期望机器人运动的目标点。2、机器人采用十字框架式结构，这种结构的重要特点是，由X、Y向气缸分别构成X方向和Y方向构成的框架作为机器人的结构主体，而X、Y向两个气缸又是这两个方向大驱动元件，两个气缸交替运动，可以实现机器人沿X、Y方向的自主移动功能。实现了机器人主要结构的结构驱动一体化，驱动文件本身就是结构件。这样的设计，可使机器人的结构大大简化，重量大大减轻。32装置零件：1、DT50S1真空吸盘（4个）理论计算公式： D=(4Wt/nP) D：吸盘直径，mm； W：吸吊物

24、体的重量，N；   t：安全系数，水平吊，t4；垂直吊8；  n：吸盘的数量； P：吸盘内的真空度，MPa；P=(0.630.95)×Pv,Pv是真空发生器或真空泵的最大真空度。 2、电机推杆（1个）推程250mm3、真空泵（2个）工作电压：DC9V14V额定电压：12V额定电流：500mA额定功率：6W抽气流量：12L/min真空度：-80kpa噪音：65db重量：280g尺寸：102*40*70mm4、真空吸盘支架（4个）5、硅胶管2m6、abs板2*300*300、6*300*3007、各式螺钉、螺栓33项目结果：主体结构为一个电机推杆，

25、在电机推杆的支座和杆上分别装上两个真空吸盘。当推杆伸长的时候，支座吸附于墙上。推杆伸长到一定位置后，推杆上的吸盘工作并让支座上的吸盘停止工作并破真空，电机反转，从而收回支座。不断重复上述周期，起到爬行的作用。4、 现存在的问题以及解决方法 1、项目小组成员均为学生，并无设计经验。解决措施：咨询老师，专家，寻求指导和帮助。2、可能在玻璃以外的墙面上爬行又困难。解决措施：在之后的实践过程中进一步完善。3、没有解决破真空装置，运行有些许阻碍。解决措施：在之后会进行实践论证。5、 后期展望爬壁机器人的研发成功，可以衍生出各种功能的机器。例如，爬壁清洗机器人现在在我国应用还基本上没有展开，可以说是一个空

26、白领域，国外已经在船舶除锈、高楼清洗等多个领域开始应用。而我国目前还在试验阶段，没有具体的产品，国内目前绝大多数高层建筑仍采用吊篮+人工完成清洗工作，因此，爬壁清洗机器人将有十分广阔的应用前景。爬壁清洗机器人也逐渐进入了市场，而且我们也必须研究出一种安全可靠、重量轻、效率高、性价比高的爬壁清洗机器人。参考文献【示例】参考文献1. 成大先.机械设计手册单行本气压传动.北京：化学工业出版社.2004.012. 陈沛富.高楼玻璃幕墙清洗机器人设计研究.重庆大学硕士学位论文.2006.053. 王茁，张波.壁面爬行机器人本体设计J.吉林化工学院学报.2004,21（4）：78804. 谈土力，龚振邦，

27、张海洪等.壁面自动清洗机器人研制J.高技术通报,2003,12(2): 83-87SRTP心得体会我们小组这次srtp项目是爬窗机器人，最后也成功的做出了机器人的实物。我们的机器人也可应用于货物运输，高楼侦查等各个方面。在项目的开始阶段，我们小组成员各自分工分别对爬楼梯机器人的发展历史、常用结构特点、制作过程中涉及到的各方面知识进行了查阅和大致了解。也构想了很多种结构。有十字交叉型的，有直线型的。接下来就是设计步骤了。小组人员经过集体讨论和协调，在满足机器人攀爬用途的前提下加入我们的创新点将其进行完善，初步确定了机器人爬行构件的结构。一开始我们拟定的是十字结构的机器人，但是考虑到制作的困难和机构的复杂性，我们放弃了这一方案。之后我们队直线型的机器人进行了研究，发现这个方案相比之前的方案更有可行性。亮点在于通过一个伸缩的气缸配合4个吸盘来控制整体的前进和后退。并且用CAD进行了草图的绘制。在制作阶段也是挺辛苦的。首先是选材料，我们考虑过用铁的，但是因为起重量太大不利于机器人攀爬，所以放弃了，最后综合考虑选择了ABS板作为这次机架的主要材料。轻便且很方便打孔。我们对机器人各个部件尺寸进行估算后再在网上买相应匹配尺寸的零件，其中很多零件都是不符合我们的尺寸都需要自