擦玻璃机器人

1、附件1 创新训练项目申请书填 写 须 知在填写申请书前，请申请者先认真阅读电子科技大学中山学院大学生创新训练项目实施方案中的有关规定。一、申请者应实事求是、认真负责地填写申请书中各项内容，不得弄虚作假，在语言表达上要做到准确、严谨。二、创新训练项目申请书请按顺序逐项填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。三、格式要求：申请书应在实验中心网页上下载填写。表格中的字体小四号仿宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名，均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。请自行加页。 四、申请参加大学生创新训练项目团队的人数含负责人在内不得超过3人。五、申请书要求纸质和电子版各

2、一份，申请项目先由所属学院进行组织初审后，然后再由评审委员会立项评审，立项的项目由所属学院领导在申请书上签署意见、签字并加盖公章后上交到所属院系的项目管理人员，最后汇总到实验中心的项目管理小组。项目编号创新训练项目申请书（试行）项 目 名 称： 智能擦玻璃机器人 申请者姓名： 林威 陈秋景 杨家明 指 导 老 师： 彭芳 所 属 学 院： 机电工程 填 表 日 期： 2014 年 3 月 31 日二0一三年制计划项目名称智能擦玻璃机器人理工( )文科( )计划项目负责人姓名林威性别男民族汉学号2012100103028专业自动化身份机号码13726024

3、891联系电话无QQ号632890934姓名性别学号身份证专业年级联系电话陈秋景男2012100103007441581199206108033自动化1215113339449杨家明男2012100103047442000199404164277自动化1213790702952指导教师情况姓名彭芳性别女民族汉出生年月1979.10专业/职称/职务机电工程 副教授 自动化系主任手机号系电话/传真无E-一、前期基础（1000字以内）（研究成员的知识条件，研究兴趣，相关经历及开展本项目的基础）项目负责人林威曾参加过第八届飞思卡尔智能车竞

4、赛并获得华南地区二等奖，并获得全国大学生电子设计大赛广东赛区一等奖。有比较好的编程思路以及调试经验。可在机器人的程序中提供较好的运行模式。 陈秋景曾参加校级智能小车竞赛并获得二等奖，有比较好的机械设计经验。能够对机器人的结构进行简要分析及设计。 杨家明拥有扎实的电路基础知识，可独立制作PCB。可对机器人的电路进行较好的布局及设计。二、计划项目实施思路（3000字以内）1 研究意义与目的，同类研究工作国内外研究现状与存在的问题意义与目的：随着城市现代化发展，特别是高层建筑的兴起，以玻璃壁而为代表的壁面结构逐渐演绎成华丽的“城市外衣”，山此衍生出繁重的壁面清洗任务，并目许多国家已对建筑壁面的清洗要

5、求做出了明确规定。另一方面，越来越奇特的建筑结构使清洗的难度成倍增加，甚至采用传统的清洗方法已无能为力。然而，在社会文明高度发展的今天，对生命的关爱达到了前所未有的高度，要求停止使用蜘蛛人的呼声不绝于耳，因此人们期待新的具有人性化的清洗方式出现。如此，将爬壁机器人应用于高楼玻璃壁面清洗的问题就成为热点研究课题。壁面清洗机器人也属于移动式服务机器人的一种，可在垂直壁而及屋顶移动进行物体表面的清洗作业。壁面清洗机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成木，改善工人的劳动环境，提高劳动产几产率，具有相当的社会、经济意义和广阔的应用前景。而目前针对此类机器人的研究还没有比较成熟、可靠的方案。国内外研究现况

6、： 壁面移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世界机器人大国日木在极限作业机器人研究方面尤为积极。早在19“年，在大阪府立大学工学部任讲师的西亮利用电风扇进气侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机。1975年，已经身为宫崎大学工学院部教授的西亮又制作了以实用化为目标的二号样机，这是个单吸盘结构、靠轮子行走的壁面移动机器人。从此以后各国著名的大学、研究所、公司纷纷投入力量广泛开展用于极限作业的壁面移动式机器人的研究。 1)日木 1978年，化工机械技术服务株式会社制作了一种叫Walker的壁面移动机器人。如图1-1所示，该机器人采用了单吸盘结构

7、。用真空泵产生负压，行走机构采用上下两个行走滚子和左右两条行走皮带的驱动。滚子和皮带自然组成一个真空腔体。转向通过左右滚轮和皮带的速度差来实现。Walker既有吸附功能又有行走功能。但它有一个严重的缺点，即:壁面上有裂缝时，真空难以维持。图1-2所示为关西电力株式会社研制的真空吸附履带式结构壁面移动机器人。利用均布于履带和车体底部的吸盘，该机器人可以实现直线运动和转向运动，但越障和面面转换能力差。图1-1 Walker机器人 图1-2履带式壁面移动机器人图1-3双车体壁面移动机器人 图1-4爬壁机器人概念模型 图1-3为日木日挥株式会社佐藤多秀研制的负压吸盘吸附、双吸盘结构的轮式壁面移动机器人

8、。该机器人由前后吸盘和中间载物平台通过连杆和转动关节联接组成。其吸盘采用负压吸盘的形式，吸盘与壁面接触的密封气囊具有滑动密封效果，在机器人运动过程中，起到维持吸盘内负压的作用。前后吸盘各装有四个车轮，当吸盘内产生负压时，吸盘通过车轮附着于壁面。八个车轮中位于机器人前后两端的四个分别由电机独立驱动。当同一吸盘上的两个驱动电机转速不同时，吸盘的移动方向将发生变化，实现机器人的转向。前后连杆与载物平台之间的两个转动关节上各安装有大输出扭矩的电机。此电机的动作，配合吸盘的吸附与放松，可以实现机器人构形的变化，从而完成越障等功能。 图1-4所示为关西电力株式会社研制的真空吸附履带式结构壁面移动机器人。利

9、用均布于履带和车体底部的吸盘，该机器人可以实现直线运动和转向运动，但越障和而而转换能力较差。 图1-5所示是1991年清水建设株式会社研制的用于玻璃清洗壁面移动机器人，其总体结构采用气体驱动、真空吸附(l0整个系统分为机器人木体、室内和室外支援装置。机器人木体由一个纵向移动的气缸和两个横向移动的气缸组成。气缸的端部装有可升降的吸盘，横向气缸的端部还装有擦洗装置。室内支援装置包括主控计算机，水泵及电缆、水管、气管收放装置等。室外支援装置为拖拽管线及安放机器人安全绳的可移动平台。进行擦洗时，机器人从玻璃墙的上部按照从左至右，自上而卜的顺序进行擦洗。机器人可以跨越纵向的障碍(窗框)，但不具有横向越障

10、能力。该机器人将清洗与移动相结合，使得结构紧凑，重量轻。该机器人为最早的壁面清洗机器人之一，其精巧的构型和合理的规划方法为之后的研究奠定了基础。图1-5玻璃清洁机器人图 1-6 三菱清洁机器人 2002年三菱重工研制的多用途壁面机器人如图1-G所示，采用轮式驱动，自重仅40Kg8。安装于机器人腹部的两组永磁铁可保证机器人可靠地吸附于钢质表面，用于壁面检测、清洁和喷漆等作业。 (2)美国 美国也是开展壁面移动机器人研究较早的国家。自1989年起州立威奇托大学(Wichita State University)的Benham Bahr领导的研究小组陆续研制了ROSTAM系列壁面移动机器人。机器人携

11、带非接触式传感器和摄像头，用于进行飞行器蒙皮的质量检杳。该机器人有4条腿，可沿四个方向移动。随后研究人员在此基础对其进行了改进，推出图I-8所示的ROSTAM-III。该机器人的腹部有一个大直径圆形吸盘，籍此机器人木体可实现任意方位的转动和姿态调整:头部和尾部的臂上各有一组小吸盘，每个臂有2个自由度，其中转动自由度由蜗轮蜗杆驱动，移动自由度由气缸驱动，臂的两端分别固定与吸盘固连的气缸，直流电机通过蜗轮蜗杆驱动完成机器人方向的改变。在气动回路中采用了调速阀用以降低气缸活塞与气缸碰撞的速度，有效地减少了附加冲击力和力矩。 德克萨斯州立大学的研究人员研制了一种电气驱动小型壁面移动机器人。该机器人利用

12、微型直流电机驱动两个风箱交替压缩和舒张，获得两组吸盘吸附和脱开所需的负压和正压，从而实现壁面移动功能。该机器人采用干电池供电，结构简单，构思巧妙。 密歇根州立大学的Mark Minor研制的微型两足壁而移动机器人RAMR。该机器人采用双吸盘两足步行结构，其特点是采用了称为“UnderActu ated的结构，实现用3台电机驱动4个关节。然而这种两足式结构的机器人重心偏高，足端载荷集中导致稳定性较差。虽然其灵活性很好，但较少应用于壁而移动领域。 3)英国 英国的朴次茅斯大学设计了一种称作Robug的机器人，有类似蜘蛛的腿脚，脚部带有吸盘，也可以沿壁面爬行，其中RobugIII型是由八只脚组成的，

13、每只脚都有自己的微处理器，都是由气驱动，每个脚的根部都有一个吸盘。机械上同步的4条腿作为一组，由两组气缸驱动，反复地起着支撑和复位的作用。与以往不同的是机器人控制其装在每条腿上，通过遥控机器人可沿任意方向行走。除此之外朴次茅斯大学还针对不同的使用要求设计了Bigfoot, Toad, Vehicles, Tribot等爬壁机器人。4)意大利 意大利的卡塔尼亚大学研制Alicia系列机器人主要应用于壁面检测。其中Alicia2型机器人，主要由一个吸盘和两个轮子组成，吸盘用来吸附于墙壁表面，两个轮子分别由两个直流电机驱动，可以实现灵活转向。这种机器人最大缺点就是越障能力差，为了更好的越障新开发的A

14、licia3则体现了一种新颖的设计思路，它的基本结构由三个Alicia2组成，每两个之间由一杆连接起来，越障时两个吸附一个在杆的作用下抬起，轻松实现越障。这种设计使越障能力大大提高。国内研究现状： 相对国外，我国研究和开发机器人始于七十年代初期，国内壁而移动机器人研究起步较晚。1975年在北京举办的日木科技展览会上，川崎重工业公司首先在中国展出了工业机器人(Unimate-2000型搬运机器人)，以此为起点，我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。北京自动化研究所、上海交大、沈阳自动化所、大连组合机床所、广州机床所等十几个单位纷纷开始研制机器人。 我国自行设计并研制的第一台壁面爬行式遥控检查机器人(

15、BH-1型)诞生在哈尔并工业大学机器人研究所，它是为我国的核电事业而研制废料储罐进行安全情况检查 (检查方法为超声波探伤及测厚)。BH-1型爬壁机器人的特点是它的行走机构采用了一种新结构的轮子一全方位轮，这是瑞典MECANUM公司的新技术。n合尔滨工业大学从1988年开始在国家“8G3”高技术的支持下先后研制了两种爬壁机器人。19%年研制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汕、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。哈工大研制的另一种机器人是单吸盘轮式驱动爬壁机器人，该真空吸附式机器人采用全方位车轮机构，实现了在机器人木体方位保持不变的

16、情况下，机器人能够沿任意直线方I句移动，该机器人自重20千克，负载能力15千克，移动速度0-2米/分钟，采用微机控制和有线遥控。香港城市大学也对爬壁机器人进行了积极的探索研究，他们开发出一利，十字形框架结构的全气动壁面爬行机器人。该机器人系统由移动的爬壁机器人、供应小车、空压机、控制计算机等组成。机器人木体长1220mm，宽1340mm，高370mm,重30kg。机器人木体主要有两个垂直正交的气缸组成，靠着两个气缸的川t实现机器人木体的前后左右移动。为了防止方向上的累积误差，该机器人还有一个由摆动气缸组成的腰关节，以实现对方向误差的校正。 机器人的越障功能是靠安装在机器人水平和垂直气缸端部的四

17、个垂直于壁面的气缸来实现的，它的仲缩可以让机器人抬起腿部、越过障碍。清洗装置位于水平气缸的两端，靠水平气缸的伸缩实现左右擦洗。机器人的四条腿上有16个吸盘，靠这些吸盘机器人可以吸附在壁面上。它的视觉系统由一个CCD摄像机和两个激光二极管组成，通过视觉系统机器人可以测量木身相对于窗框架的方位;视觉系统也可以判定工作表面的脏污状况、以及是否需要擦洗;还可以确定污点的置，引导机器人去擦洗。该机器人采用十字形框架结构，真空吸附，气压驱动。从整体上看结构简单造用、活动灵活、能自主识别判断，是一款不错的设计。但存在的缺点是因为清洗装置安装的位置和水平气缸自身活动的范围所限，机器人运动过的路径上擦洗比较困难

18、，存有盲区，另外整体刚性也有些差。2 研究内容及工作方案内容：(1)吸附功能 采用不受壁面材料限制的真空吸附法或负压吸附法，吸附在壁面上。采用多吸盘结构形式，以增大吸附力，避免当壁面凸凹不平时，因为单个吸盘漏气，从而使吸附力下降、承载能力降低的情况出现，提高吸附结构的可靠性。 (2)移动功能 移动机构采用框架式或履带式，这两种方式对壁面适应性强，着地面积大，可以满足对壁面的适应能力及越障能力，实现全方位移动。 (3)清洗功能 由直流电机、滚刷、接水板和刮水板组成。直流电机在驱动器控;lilt白动实现无级调速，带动滚刷以一定速度匀速旋转清洗壁面。 (4)回收功能清洗完后的污水经过滤器流回水箱，节

19、约用水，提高清洗效率。方案：为实现高空清洗作业的目的，机器人首先必须具有在壁面_L的吸附和移动功能，此外还应该有相应的清洗作业功能、控制功能、供应功能等。所以壁面清洗机器人系统应包括机器人木体、控制系统、清洗系统、供应保障系统四大部分。(1)机器人木体主要包括吸附和移动两大部分。吸盘部分可以产生足够大的吸附力使机器人木体安全可靠地吸附在工作壁面上。移动部分包括直线行走机构和转向机构(木次设计只实现直线行走)，直线行走部分靠一个双作用气缸的仲缩来完成。(2)控制系统的主要任务是通控制盒完成机器人在壁面的作业功能。它主要由控制盒和可编程控制器构成。控制系统设计一遵循可靠、小型、轻量、便于维护的思想

20、，直接安装在机器人木体，结构防水密封。(3)清洗系统的主要任务是清洗壁面，同时还要做到废水的回收。主要实现方式的通过电机带动滚轮转动达到清洗日的，滚轮四周用雨刷封闭井带有回水管到，从而达到清洗壁面和废水回收的目的。(4)供应保障系统主要实现供气、水、电等作业所需的东西。由空压机、水泵和电源组成。它们由专门的管路送至机器人木体，实现作业功能。3拟解决主要问题壁面清洗机器人的研究经历十几年的努力已取得了长足进步，壁面清洗机器人的基础理论得到初步建立，但仍有很多问题需要完善和解决。 (1)附着方式选择。壁面清洗机器人的附着方式主要有真空吸附式、负压吸附式、旋翼吸附式、磁力吸附式等，最近也有研究人员提

21、出利用分子作用力进行仿生附着的方法。每一种附着方式都有显著的特点和限制条件，与壁面的结构形式、材质、高度、表面质量、污染程度以及儿何形状密切相关。附着方式的选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，这是研究人员必须而对的问题。 (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、成木等多个要素。对于一个给定的目标，遵循某种原则进行机器人构建，不仅可以减少人工成木，而目可以大幅提高效率。 (3)安全性和可靠性。壁面清洗机器人工作在高空

22、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)小型化低成木问题。小型化、低成木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。根据壁而结构、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。口常条件清洁度由人工日测确定，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

23、目前尚无文献介绍。 (7)越障及盲区。障碍是壁面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。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祸合的特点，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

24、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中应考虑的因素。 (10)检测装置和算法。机器人在作业过程中必须感知自身的位置，同时通过对各种障碍物以及壁面特征的检测和融合，完成对环境的重构，并以此为依据对机器人的运动进行控制。因此必须选用合适的传感器，为机器人提供完备的信息，甚至从多传感器融合技术谋求解决方案。4研究支持条件（使用仪器或设备）实验设备如下:(1)自攀爬壁面清洗机器人样机一台(含机载控制器);(2)笔记本电脑一台;(3)控制盒;(4) 11.1V直流电源；(5) 24V电源线和CAN总线通讯线。5预期研究成果（研究论文、设计、专利、产品、鉴定、推广应用等）(1)建立了壁

25、面清洗机器人的附着力学模型，直观、准确地分析了壁面机器人的附着机理。基于此模型进行了力学分析，为壁面清洗机器人的设计提供依据。(2)提出了壁面清洗机器人的自攀爬构型，分析了该构型的力学特征和设一计原则，并针对玻璃壁面清洗的应用实例，实现了机器人设计，并成功应用于办公大楼玻璃外墙的清洗作业。(3)本课题所研制真空吸附式壁面清洗机器人与国内同类机器人相比，具有体积小，重量轻的特点，使机器人在贴紧壁面时不需要太大的吸附力，减少了吸盘使用的个数，减轻了空气压缩机的负担。 (4)机器人驱动部分均采用气缸推动实现，即动力通过气动方式实现传动。气缸相比于电机，具有重量轻，控制方便的特点，使得机器人在控制方面

26、更简单，减少故障发生的概率。 (5)机器人采用框架式结构，利用负压吸附原理，实现了在光滑壁面上的吸附功能、爬行功能、清洗功能和污水回收功能，并自带一套视频观测系统和安全保护系统，结构安全可靠。在现场试验过程中，机器人在竖直壁面上运行稳定，运行速度合理，清洗效果较好;吸附力具有较大的冗余，有利于系统功能的进一步扩展。6项目创新之处（原始创新：重大科学发现、技术发明；集成创新：融合多种相关技术，形成新产品、新产业；引进消化吸收再创新：在引进国内外先进技术的基础上，学习、分析、借鉴，形成具有自主知识产权的新技术）第一、对壁面清洗机器人附着技术问题进行了研究。在总结以前的壁面清洗机器人附着技术的基础上

27、，建立了壁面清洗机器人的附着力学模型，从而使壁面机器人的附着分析更为直观和明确。 第二、对自攀爬壁面清洗机器人的构型及设计原则进行了研究。在分析壁面清洗机器人的约束条件和基木功能的基础上，提出了壁面清洗机器人的自攀爬机构，并分析了其力学特征和设计原则。建立了壁面清洗机器人构型，为此类机器人的构型设计提供了理论基础。 第三、结合真空吸附式壁面清洗机器人的具体功能要求，构建了机器人控制体系结构。三、计划项目管理（800 字以内）1、 计划项目人员分工林威负责程序的编写及调试。陈秋景负责机械构件的绘制。杨家明负责画电路以及PCB的制作。2、 计划项目研究时间安排（查阅资料 、选题、项目研究方案、开题

28、报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、结题、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）4月进行项目的资料查询检索以及整理5月对项目方案进行可行性研究6月对进行机械结构的设计7月制作机械部分8月电路绘制开始，同时机械结构基本完成9月对调试电路进行PCB打样10月电路测试11月次年2月 漫长的程序编写及调试次年3月作品完成，结题以及撰写论文四、计划项目条件保障（800字以内）1、经费预算及使用计划（材料费、资料费、版面费、鉴定费、专利费等） 元件名称 元件型号 数量单件重量备注 气源 V 0.25/8 1 向吸盘供气，最大出口压力 =0.8Mpa BM-0.1/8 1 向其他元件

29、供气，最大出口 压力=0.8Mpa 电磁阀 4V230C-08 2 2758 三位五通，控制平动气缸 4V210-08 3 180g 二位三通，控制其他气缸气缸 TN 1 G-40 9 300g 用于脚部提升和雨刷压紧 MAL 32* 175 2 SOOg 用于纵、横向平动 真空发生器CV 15HR 2 lOSg 使吸盘产生真空吸附吸盘 盘口径=80mm 12 SOg 吸附壁面 真空安全阀 12 100g 安全保险装置 吸盘支座 标准件 12 GSg 安装吸盘 脚部安装板加土件 4 2108 固定脚部吸盘 气管 管径=6mm 约8m未知 通气 管径=8mm 约2m未知 通气 节流阀 管径二Gmm G 忽略 控制气流速度 快插接头 二通 2 忽略 连接气管 三通 1G