爬墻機(jī)器人
爬墻機(jī)器人,機(jī)器人
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目：爬墻機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及清洗裝置、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
院( 系 ) 航空與機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班級學(xué)號 03031236
學(xué)生姓名 蔡系文
指導(dǎo)教師 袁坤
二OO七 年 六 月
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題目爬墻機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及清洗裝置、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級 學(xué) 號 03031236
學(xué) 生 姓 名 蔡系文
指 導(dǎo) 教 師 袁坤
填 表 日 期 2007 年 04 月 05 日
說 明
開題報告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。
一、選題的依據(jù)及意義：
爬壁機(jī)器人是極限機(jī)器人的一個分支，主要在壁面或頂部進(jìn)行移動作業(yè)。由于現(xiàn)代社會中，有許多場合必須采取良好的安全防護(hù)措施才能實(shí)施作業(yè)，如：原子能發(fā)電站中強(qiáng)發(fā)射線下的作業(yè)，海底石油勘探等深水作業(yè)，災(zāi)害時的消防救援作業(yè)等，這些工作對于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性與日俱增。而爬壁機(jī)器人作為其中的主要開發(fā)項(xiàng)目得到了蓬勃的發(fā)展。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的爬壁機(jī)器人投入現(xiàn)場作業(yè)，主要應(yīng)用于以下幾個方面：
l 核工業(yè) 對核廢液貯管進(jìn)行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等；
l 石化工業(yè) 對圓形大罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐等；
l 建筑行業(yè) 用于噴涂巨型壁面，安裝瓷磚并對瓷磚、玻璃壁面進(jìn)行清洗等；
l 消防部門 用于傳遞救援物資、進(jìn)行救援工作等；
l 造船行業(yè) 用于噴涂船體或輪船內(nèi)壁等；
l 電力行業(yè) 對電站鍋爐水冷壁管壁厚度的測量等。
隨著城市建設(shè)的發(fā)展，越來越多的高層建筑出現(xiàn)在大都市中，并成為城市現(xiàn)代化的基于采光和美觀的緣故，許多高層建筑都以玻璃幕墻或其他幕墻為外裝飾，但也因此帶來了建筑物幕墻的清洗問題。高大建筑物的幕墻清洗是一項(xiàng)繁重而危險的工作。國內(nèi)外目前使用的方法主要有三種，一種是用繩索直接吊掛清潔工(俗稱蜘蛛人)在幕墻上作業(yè)，這種方式危險性很大；第二種是靠樓頂軌道車和升降平臺承載清潔工進(jìn)行玻璃窗和壁面的清洗，但這種方式未能根本消除工人的危險，而且系統(tǒng)成本極高；第三種是用安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機(jī)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動擦洗。如果采用第三種方式，除了成本高以外，還要求在建筑物設(shè)計之初就要將擦窗系統(tǒng)相應(yīng)結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)去，從而限制了這種方式的使用。目前，玻璃幕墻的清洗主要還是采用人工清洗，國內(nèi)幾乎所有的玻璃幕墻均采用這種方式進(jìn)行清洗。目前，這種清洗方式存在的缺點(diǎn)不足如下：
l 作業(yè)周期長，工作效率低。如果人工清洗高層建筑，勢必影響清洗效率和影響清洗的質(zhì)量；
l 費(fèi)用高，易出事故。清洗時人工高空作業(yè)，安全性差，而且必須付給清洗工人相應(yīng)的高費(fèi)用。
隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使得高層建筑幕墻清洗自動化成為可能。對于高層建筑物的幕墻清洗，特別是復(fù)雜幕墻的清洗，最好的解決辦法是用可在幕墻壁面自由爬行的移動機(jī)器人。若能研制成功這類高層建筑幕墻清洗機(jī)器人，則不僅能消除人員的高空作業(yè)危險和大幅度提高工作效率。另外，由于清洗時間大大縮短，能極大地降低作業(yè)費(fèi)用。隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，高層建筑越來越多，為美化城市、保持現(xiàn)代化城市的形象和高樓的情節(jié)面貌，而建筑物的外壁多采用瓷磚和玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，但隨之而來的高樓清洗問題又一直困擾著人們。確保在各種惡劣條件下更好地完成清洗任務(wù)，成為擺在大樓經(jīng)營者或清洗公司面前的日益緊迫的事情。高層建筑清洗工作是一項(xiàng)非常繁重、特殊及平凡的工作，在垂直陡壁上進(jìn)行清洗作業(yè)，對人類是非常困難和危險的。
爬壁清洗機(jī)器人解決了人類在特殊環(huán)境下從事危險、繁重體力勞動的難題，為改善勞動環(huán)境、保護(hù)人身安全及美化城市等方面，開辟了一個新的領(lǐng)域。所以我選擇了這個爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計的課題。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
壁面爬行機(jī)器人（簡稱爬壁機(jī)器人）作為高空極限作業(yè)的一種特殊機(jī)器人，越來越受到人們的 ，原因是使用爬壁機(jī)器人不僅可以代替人進(jìn)行危險作業(yè)，而且可以把人們從惡劣的環(huán)境中解脫出來。目前國內(nèi)外已有一定數(shù)量的爬壁機(jī)器人投入現(xiàn)場作業(yè)，基礎(chǔ)理論研究已逐步完善。機(jī)器人如果能夠在壁面上自由地移動，并且進(jìn)行作業(yè)，必須具備兩大基本機(jī)能：吸附功能和移動功能。因此，爬壁機(jī)器人主要是按吸附功能和移動功能來進(jìn)行分類的。
爬壁機(jī)器人按吸附方式可以分為真空吸附、磁吸附、推力吸附三類。真空吸附又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凹凸不平時，容易是吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低；磁吸附又分為永磁鐵和電磁鐵兩種，要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，但它的結(jié)構(gòu)簡單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，且對壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附漏氣的問題，因而當(dāng)壁面是導(dǎo)磁材料時優(yōu)先選用磁吸附爬壁機(jī)器人。
爬壁機(jī)器人按移動方式可以分為框架式、車輪式、履帶式和腳步式四類?？蚣苁轿侥芰Υ?，承載能力強(qiáng)，能跨越規(guī)則的壁面障礙；車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大、不易轉(zhuǎn)彎；腳步式移動速度慢，但承載能力強(qiáng)。
不同的吸附方式和移動方式的組合就構(gòu)成了各式各樣的爬壁清洗機(jī)器人。下面就上述分類對國內(nèi)外的爬壁機(jī)器人的發(fā)展介紹如下：
(一) 國外爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況
日本作為機(jī)器人大國很早就開始了壁面移動機(jī)器人的研究，1966年日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部的西亮講師成功制作了利用風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓作用作為吸附力的垂直移動機(jī)器人的原理樣機(jī)，并與1975年制作了以實(shí)用化為目標(biāo)的第二號樣機(jī)，采用單吸盤結(jié)構(gòu)，這是世界上最早出現(xiàn)的爬壁機(jī)器人。
1978年，日本化工機(jī)械技術(shù)服務(wù)株氏社研制開發(fā)了兩種壁面移動機(jī)器人：PC型核電站壁面除污機(jī)器人和PD型核電站壁面除污機(jī)器人。兩種機(jī)器人均為單吸盤結(jié)構(gòu)，由抽氣泵產(chǎn)生負(fù)壓。此后，又在這兩種機(jī)器人的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種“WALKER”的爬壁機(jī)器人?！癢ALKER”有行走能力，它由上下兩個行走滾子和左右兩個傳動帶驅(qū)動行走，真空室由滾子和皮帶自然圍成，通過左右滾輪和皮帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。但當(dāng)壁面上有裂縫時，真空難以維持。
1982年，日本東京消防廳的消防科學(xué)研究所研制出一種消防急救用爬壁機(jī)器人，用于將舊救護(hù)繩等物質(zhì)搬運(yùn)到失火的高層樓房，解救被困人員。機(jī)器人整個本體作為一個真空吸盤，負(fù)壓有抽氣泵工作產(chǎn)生；內(nèi)部有兩排行走履帶，通過履帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；操縱是在地面上由操縱盒遙控實(shí)現(xiàn)的。
1984年，東京煤氣公司與日立制作所聯(lián)合開發(fā)出一種球形煤氣罐檢查機(jī)器人，是最早的多吸盤爬壁機(jī)器人。它是一種多足2腳、框架移動式步行爬壁機(jī)器人，內(nèi)外兩個框架上各裝有8只吸盤；上有驅(qū)動裝置，可驅(qū)動兩框架相對運(yùn)動。
1984年，日本日立制作所研制出足式磁吸附爬壁機(jī)器人，有八只腳，均采用永磁體吸附式，內(nèi)側(cè)四只腳和外側(cè)四只腳在行走過程中交替吸附于壁面上。
1988年，日本三菱化工研究所研制出了真空吸附式壁面行走機(jī)構(gòu)“VACS”，采用履帶式移動方式，履帶上有數(shù)個吸附室。隨著履帶的移動，吸附室連續(xù)地形成真空腔而使履帶帖緊壁面移動。這種機(jī)器人主要作為除塵機(jī)械，對壁面進(jìn)行清洗、噴涂、檢查等。
1990年，俄國機(jī)械科學(xué)研究所研制成功一種用于清洗作業(yè)的單吸盤爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人采用單吸盤結(jié)構(gòu)，吸盤內(nèi)有移動機(jī)構(gòu)、清洗作業(yè)裝置以及控制單元。 真空由直接與真空室相連的螺旋風(fēng)扇形成，真空室四周有密封性良好的彈性材質(zhì)，工作時最大真空壓力為0.007Mpa，兩對獨(dú)立驅(qū)動的車輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面的移動和轉(zhuǎn)向機(jī)能，在機(jī)器人本體上裝有用來控制、調(diào)節(jié)真空吸盤真空度的真空傳感器。
1991年，日本關(guān)西電力綜合技術(shù)研究所研制開發(fā)了“混凝土建筑物的壁面檢查機(jī)器人”，也是一種履帶式真空吸附機(jī)器人，特點(diǎn)是：承載能力大，吸附性能好，移動速度較快，但轉(zhuǎn)向較難。
1991年，東京大學(xué)研制了“NINJA-I”型四足壁面步行機(jī)器人，該機(jī)器在人有四條腿組成。1993年，研制成功建筑外壁檢查、修補(bǔ)機(jī)器人，該機(jī)器人的特點(diǎn)是移動靈活、速度快、可跨越10mm的障礙、檢查幅度600mm。1998年，又研制成功了帶有人工腿的“NINJA-II”型機(jī)器人。
90年代初，英國的RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機(jī)器人。機(jī)器人最高爬行速度為12m/min，能爬行25m，帶超聲檢測與紀(jì)錄機(jī)構(gòu)，可以自動紀(jì)錄每隔一定距離的壁厚，該機(jī)器人已作為商品銷售。
1993年，日本工業(yè)技術(shù)學(xué)院研制成功壁面步行機(jī)器人，該機(jī)器人是由兩只五吸盤構(gòu)成的腳形成，每只腳都可繞另一只腳旋轉(zhuǎn)，這樣就形成了機(jī)器人的直線和轉(zhuǎn)向移動。
1994年，英國南岸大學(xué)研制出多足多吸盤氣動型爬壁機(jī)器人，它是一種框架式結(jié)構(gòu)，安裝有兩組氣缸，可以攜帶一個小型工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行超聲檢測。
1996年，俄國機(jī)械科學(xué)技術(shù)研究所研制成功了WCR RVP-II型機(jī)器人，采用直角坐標(biāo)氣缸驅(qū)動。1998年，有研制成功了WCR RVP-21型機(jī)器人，能夠在兩個相互垂直的壁面之間跨越行走。
1998年，東京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與航空工程系研究出一種稱為VM的新式吸盤。
1998年，日本鋼管株氏會社開發(fā)出車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，可以吸附在各種大型構(gòu)造物，如：油罐、球形煤氣罐、 船舶等壁面上，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。
1998年，德國Aalen商業(yè)技術(shù)學(xué)院研制成功了一種單履帶多吸盤爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人采用特殊的結(jié)構(gòu)形式，克服了以往履帶式真空吸附爬壁機(jī)器人的一些缺點(diǎn)。
1998年，西班牙CSIC大學(xué)的工業(yè)自動化研究所研制成功了一種叫做REST的六足爬壁機(jī)器人。在機(jī)器人的每一條腿上，具有兩個半自由度。
1998年，英國研制出四足壁面步行機(jī)器人Robug II；此后又開發(fā)了Robug III型爬壁機(jī)器人，它有8只腳，類似于巨型蜘蛛。
1998年，美國的卡耐基梅隴大學(xué)研制了一種飛機(jī)檢測飛機(jī)表面的爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人采用十字框架式結(jié)構(gòu)，十字框架之間可以相對滑動，完成機(jī)器人的前后，左右運(yùn)動。
2000-2001年，美國Ultrastrip公司開發(fā)了一種單吸盤吸附式噴漆機(jī)器人。該機(jī)器人利用中央吸盤吸附在壁面上，電機(jī)驅(qū)動車輪帶動機(jī)器人運(yùn)動，機(jī)器人本體上裝有噴頭，實(shí)現(xiàn)對船體、墻面等壁面進(jìn)行噴漆作業(yè)。
2002年，日本三菱重工業(yè)公司推出一種磁式噴涂爬壁機(jī)器人，它也是一種輪式結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人可以吸附在20mm以上厚度的磁性結(jié)構(gòu)建筑物上，磁力可達(dá)2000N，機(jī)器人通過三個驅(qū)動輪進(jìn)行運(yùn)動，每個輪都裝有一個伺服馬達(dá)，轉(zhuǎn)向是通過前輪實(shí)現(xiàn)的，移動速度可達(dá)10m/min，噴漆速度為1m3/min。
(二) 國內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況
相對外國，國內(nèi)壁面爬行機(jī)器人研究起步較晚。雖然1988年上海大學(xué)就開始了爬壁擦窗機(jī)器人研究，由于資金有限，進(jìn)展沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。直到1996年以后，國家自然科學(xué)基金、國家“863”計劃陸續(xù)資助北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校，才正式啟動壁面移動機(jī)器人技術(shù)的研究和開發(fā)。
1997年，上海大學(xué)特種機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究室開發(fā)了多層框架，多真空吸盤式，伺服電機(jī)驅(qū)動的壁面移動機(jī)器人。該機(jī)器人最大工作移動速度7.0m/min，自重50kg，負(fù)載能力55kg，越障高度60mm。但由于結(jié)構(gòu)較大，重量大，沒有研制配套的清洗裝置，因此不能實(shí)際應(yīng)用。
2002年，上海大學(xué)又研制開發(fā)了球形壁面爬行機(jī)器人。該機(jī)器人采用六足獨(dú)立移動的結(jié)構(gòu)形式，帶有柔性裙邊的鉸接式真空吸盤，氣動驅(qū)動形式。但由于重心較高，穩(wěn)定性差。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)也是國內(nèi)外壁面移動機(jī)器人研究較早的單位，在國家“863”智能機(jī)器人的支持下，已先后開發(fā)出兩個系列共5個品種的爬壁機(jī)器人。1997年推出CLR-I型瓷磚壁面清洗機(jī)器人樣機(jī)。該機(jī)器人采用雙輪進(jìn)行驅(qū)動，清洗機(jī)構(gòu)置于吸盤尾部，同時還設(shè)有卷揚(yáng)機(jī)，地面支援小車等附屬設(shè)施。主體下部是一個帶有驅(qū)動輪的滑動密封式負(fù)壓吸盤。由于密封裝置采用柔性設(shè)計，對壁面的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上豫東，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差。
1999年在CLR-I的基礎(chǔ)上有成功開發(fā)了CLR-II型適用用于玻璃幕墻的壁面清洗機(jī)器人。該機(jī)器人采用單輪驅(qū)動，設(shè)計了精巧的清洗機(jī)構(gòu)，設(shè)置了抬起氣缸，避免刷子對已清洗的壁面進(jìn)行二次污染。
北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所自1996年以來在國家“863”計劃的大力資助下，先后成功研制了WASHMAN，CLEANBOT-I兩種爬壁機(jī)器人。這兩種機(jī)器人均由縱、橫呈十字交叉的無桿氣缸組成本體，可沿縱橫自由運(yùn)動和越障。全氣動的驅(qū)動方式、重量輕、適合在玻璃壁面上工作。之后又推出了藍(lán)天潔士I、II、III型擦窗機(jī)器人。2000年開發(fā)研制的靈巧擦窗機(jī)器人
(三) 爬壁清洗機(jī)器人的發(fā)展趨勢
爬壁清洗機(jī)器人現(xiàn)在在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，可以說是一個空白領(lǐng)域，國外已經(jīng)在船舶除銹、高樓清洗等多個領(lǐng)域開始應(yīng)用。而我國目前還在試驗(yàn)階段，沒有具體的產(chǎn)品，國內(nèi)目前絕大多數(shù)高層建筑仍采用吊籃+人工完成清洗工作，因此，爬壁清洗機(jī)器人將有十分廣闊的應(yīng)用前景。爬壁清洗機(jī)器人也逐步進(jìn)入了市場，而且我們也必須研究出一種安全可靠、重量輕、效率高、性能價格比高的爬壁清洗機(jī)器人。主要的研究方向有如下幾點(diǎn)：
1．研究開發(fā)出高效率的爬壁清洗機(jī)器人，主要是新開發(fā)出清洗裝置；
2．研究開發(fā)出對壁面廣泛適應(yīng)性的爬壁清洗機(jī)器人，以滿足特殊環(huán)境的清洗要求；
3．合理的性價比（性能/價格比）、高可靠性、通用性。
三、研究內(nèi)容：
1) 爬壁清洗機(jī)器人的總體方案設(shè)計與研究。針對我國目前玻璃幕墻清洗行業(yè)的現(xiàn)狀，開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)新穎、安全可靠、重量輕、效率高的爬壁清洗機(jī)器人。
2) 爬壁清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。對機(jī)器人的安裝設(shè)計做了詳細(xì)介紹，并畫出了爬壁清洗機(jī)器人的裝配圖。
3) 爬壁清洗機(jī)器人的清洗裝置設(shè)計研究。通過對清洗的方法與現(xiàn)狀進(jìn)行分析，設(shè)計出簡單、有效的清洗裝置，并對清洗的路徑進(jìn)行了有效的規(guī)劃。
4) 爬壁清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。選擇用PLC控制，因PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、安裝方便。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
（一）、目標(biāo)：
本課題設(shè)計是針對玻璃壁面為作業(yè)對象，要求設(shè)計出能爬墻及其自動完成清洗作業(yè)的機(jī)器人。機(jī)器人是高度復(fù)雜的智能化系統(tǒng)，一般來說包括本體部分和控制系統(tǒng)以及輔助部分。一套好的機(jī)器人系統(tǒng)既是機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是控制系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)和主要參考依據(jù)。因此爬壁清洗機(jī)器人應(yīng)具有以下主要功能:
1) 機(jī)器人能向上、下、左、右四個方向上移動、停留、可以攜帶輔助工具清洗刷完成對玻璃壁面的清洗作業(yè)。
2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、緊湊、重量輕、可靠性高且負(fù)載能力強(qiáng)。
3) 移動精度較高，能垂直到達(dá)垂直平面的任何地方。
4) 機(jī)器人控制靈活、簡單、可靠、安全，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動化清洗。
（二）、主要特色：
系統(tǒng)工作安全，操作簡單，清洗效率高。
（三）、工作進(jìn)度：
1、收集有關(guān)資料,寫出開題報告； 2周(3.26-4.8)
2、系統(tǒng)方案設(shè)計； 2 周(4.9-4.22)
3、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計（臺面）； 2周(4.23-5.6)
4、清洗裝置設(shè)計； 2周(5.7-5.16)
5、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計； 3周(5.17-6.8)
6、外文翻譯(6000實(shí)詞以上)； 1周(6.9-6.15)
7、撰寫論文； 1周(6.16-6.22)
五、參考文獻(xiàn)
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視覺傳感器在爬壁清洗機(jī)器人中的應(yīng)用
摘要
本論文描述了視覺傳感器在高樓幕墻清洗機(jī)器人中的應(yīng)用。該機(jī)器人利用真空吸盤吸附移動與于玻璃表面，并通過轉(zhuǎn)動機(jī)器人靈活的關(guān)節(jié)以調(diào)整機(jī)器人的方向。由一個CCD相機(jī)和兩個激光二極管組成的視覺傳感器通常是來測量機(jī)器人相對的窗框玻璃表面位置和方向。視覺傳感器也用于要定位的清洗位置。本文還討論了視覺傳感器中的數(shù)學(xué)模型和評價方法。通過實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)的傳感器用于測量機(jī)器人的位置和方向，并且測量需要定位清洗的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。
關(guān)鍵字：爬壁機(jī)器人；視覺傳感； 玻璃清洗； 激光二極管
1.引言
為減輕人類從事危險的工作,如清潔高樓大廈的玻璃表面、消防搶救、及檢查高木板及墻壁等，研發(fā)各種服務(wù)機(jī)器人的需求不斷增加。 圖1可以表明我們最近開發(fā)的攀登機(jī)器人系統(tǒng)其目的是利用吸力杯和一個移動轉(zhuǎn)換機(jī)制來清潔高樓大廈玻璃。這種機(jī)器人最快速度能達(dá)到300米/分鐘，并有能力跨越裂縫和繞過小于35毫米高80毫米寬的障礙.機(jī)器人利用其靈活的腰部可輕易調(diào)整自己的方向。
要做好玻璃表面上的清潔工作，清掃機(jī)器人必須知道什么時候開始或停止的清潔工作， 如何控制方向(或移動方向),及如何越過窗框。因此，有必測量機(jī)器人的方向， 機(jī)器人和窗框之間的距離, 機(jī)器人與污垢處的距離。 最近在[7.8]中報道了一些關(guān)于工程傳感系統(tǒng)清洗機(jī)器人的文章。在[7]中，超聲波聲納被應(yīng)用于自動定位。在[8]中，所謂的‘合作定位系統(tǒng)’提出了重復(fù)搜索過程，直至達(dá)到目標(biāo)位置。然而，在玻璃表面爬墻機(jī)器人中，許多利用激光和超聲波傳感器等傳統(tǒng)的探測方法，不適用于測量機(jī)器人和窗戶框的距離。 這是因?yàn)榇翱虻母叨韧ǔ］^低而傳感器發(fā)出的光柱是難以達(dá)到這一高度的，除非架梁正平行于玻璃表面。 由于難以避免的安裝錯誤，傳感器通常是很難確保光束平行于玻璃表面。因此，在機(jī)器人清洗玻璃表面的應(yīng)用中，這一問題需要得到解決。
1. X向氣缸 2. 清洗刷
3. 視覺傳感器 4. Y向氣缸
5. 吸盤 6. Z向氣缸
7. CPU 8. 旋轉(zhuǎn)氣缸
圖1. 爬壁機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)
攝像機(jī)常常用于機(jī)器人的定位，視覺伺服及視覺引導(dǎo) [9-15]。Malis [9]使用兩部相機(jī)來進(jìn)行2-D及5/2-D的視覺伺服且提出了多攝像機(jī)視覺伺服方法。不過，使用的一些鏡頭可能不適合的爬墻機(jī)器人，這是因?yàn)椋?）當(dāng)使用幾個鏡頭時，很難建立一個大區(qū)的交匯點(diǎn)，（2）使用一些相機(jī)增加了爬墻機(jī)器人的負(fù)荷重量,從而影響其安全?；谔卣骺臻g分析， 可以用一個相機(jī)從一個位置的多方向來確定機(jī)器人的位置。這種方法的缺點(diǎn)是測量結(jié)果可能隨環(huán)境變化而變化。 此外，深入的資料可能會遺失并且照相機(jī)和目標(biāo)物體的距離不能用傳統(tǒng)的相機(jī)測出。
在這項(xiàng)研究中,視覺傳感系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于爬墻機(jī)器人，它是由一個能夠被定位的CCD相機(jī)和兩個固定在攝影機(jī)上的激光二極管組成。 使用單一相機(jī)有助于簡化安裝和減輕整個系統(tǒng)的重量。兩架輕型激光器則固定在相機(jī)上，是視覺傳感器的‘眼睛' 。相機(jī)可以調(diào)整,以確保發(fā)現(xiàn)窗框或污垢處。 有了一只這樣的‘眼睛',機(jī)器人和窗框及污垢處的距離就可以測量出來。 有兩只的話,就可確定玻璃表面機(jī)器人的位置.擬議視覺傳感系統(tǒng)有三重優(yōu)點(diǎn)：第一，視覺傳感器可以根據(jù)三角理論，輕易而有效地測量出機(jī)器人的位置和方向。第二，有兩束激光二極管固定其上的照相機(jī)使機(jī)器人重量增加不及10克，因?yàn)閳D像處理系統(tǒng)安裝在地面上的主電腦上 。第三，它提供了電腦視頻,操作人可以直接監(jiān)督機(jī)器人的運(yùn)動。
2.機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
清洗機(jī)器人系統(tǒng)包括一個移動式爬壁機(jī)器人,輔助車輛,壓縮機(jī)和一臺電腦,如圖2所示。攀登機(jī)器人貼在玻璃表面進(jìn)行清潔工作， 配套機(jī)車為其提供電力及清洗液，壓縮機(jī)當(dāng)作氣源.由于機(jī)器人和電腦相聯(lián)結(jié),操作人可以檢查和控制機(jī)器人的運(yùn)作。
圖2. 清洗機(jī)器人系統(tǒng)
圖3. 爬壁機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)
先進(jìn)的爬墻機(jī)器人長1220毫米,寬1340毫米, 高370毫米,重量為30公斤. 機(jī)器人的身體主要是由兩個相互垂直桿缸組成, 如圖2所示。水平桿缸長400毫米，垂直的是500毫米。交替發(fā)動這兩個桿缸 ，機(jī)器人就會沿X或Y方向的運(yùn)動 。如圖3所示，有四個較短z桿缸安裝在各桿缸兩端。伸縮或后退這四個桿缸的橫梁, 機(jī)器人就可以在z方向運(yùn)動. 在兩桿缸交叉處, 安裝了一個轉(zhuǎn)動圓柱，被稱為機(jī)器人的腰，有了這個機(jī)器人就可繞Z支點(diǎn)左右旋轉(zhuǎn)。在水平桿缸的兩端安裝了兩個專門設(shè)計的刷子，它們都由一個擦吸系統(tǒng)構(gòu)成。 該擦拭裝置通過配套機(jī)車提供的清洗液擦洗臟黑的玻璃表面。吸收系統(tǒng)搜集污水并把它們返回至配套機(jī)車進(jìn)行回收。
機(jī)器人用吸管袋進(jìn)行粘連。在機(jī)器人的每只腳下都安裝了四個直徑為100毫米的吸管袋。這16個吸管袋足以承受15公斤的負(fù)荷。該機(jī)器人采用了平移機(jī)制的運(yùn)動。 隨著運(yùn)作模式的粘,機(jī)器人可以完成一系列的提案,包括移動,旋轉(zhuǎn)及穿越障礙。旋轉(zhuǎn)機(jī)器人受可調(diào)旋轉(zhuǎn)桿缸的控制。機(jī)器人每步可繞z支點(diǎn)轉(zhuǎn)動1.6度左右，直到達(dá)到預(yù)期的態(tài)勢。
該機(jī)器人的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是一個主輔電腦。 主計算機(jī)(見圖 2)總部設(shè)在地面并直接受人操縱。 輔計算機(jī)嵌于在機(jī)器體中如圖3所示。 利用安裝在機(jī)器人上的信號傳感器發(fā)出的反饋信息，輔助計算機(jī)控制機(jī)器人的移動和姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)在玻璃表面上的自動導(dǎo)航。通過視覺傳感系統(tǒng)及主輔計算機(jī)與RS422的連接，主電腦可獲取信息，查明機(jī)器人的位置。 在緊急情況下,操作員可根據(jù)實(shí)際情況直接控制機(jī)器人。
圖4. 攀登機(jī)器人在商業(yè)大廈外的現(xiàn)場演示
機(jī)器人通過交替吸吮及釋放安裝在縱橫交叉桿缸上的吸管杯來實(shí)現(xiàn)移動的。輔助電腦打開或關(guān)閉信號來連接或拔下真空發(fā)生器的氣源, 實(shí)現(xiàn)吸吮或釋放相應(yīng)的吸管杯。真空公尺可衡量相關(guān)的真空吸管杯和檢查機(jī)器人的安全性。如果真空吸管杯指數(shù)少于40kpa, 主計算機(jī) 就收到一條警報信號。圖 4描繪了一架先進(jìn)的清洗機(jī)器人攀爬坐落在香港城市廣場的一棟商業(yè)大廈。
3. 視覺傳感技術(shù)
3.1視覺傳感硬件系統(tǒng)
視覺傳感硬件系統(tǒng)包括一個型號為索尼EVI-d30(j)面向CCD相機(jī), 兩根激光二極管及捕獲卡,如圖5所示. 照相機(jī)的控制弦接收來自計算機(jī)的指令。 照相機(jī)的視頻輸出舷將視頻信號發(fā)送到采集卡然后是顯示在電腦屏幕上,使操作人可以關(guān)注玻璃表面上機(jī)器人周圍的情況。固定在相機(jī)上的兩束激光二極管作為傳感系統(tǒng)的'眼睛', 會釋放出兩束激光以找到窗框并產(chǎn)生兩個激光點(diǎn)。相機(jī)和激光二極管的擺放姿態(tài)要隨電腦改變，確保光源能到達(dá)窗框。激光器的發(fā)射點(diǎn)是機(jī)器人的參考點(diǎn)。參考點(diǎn)到窗框的距離及機(jī)器人相對窗框的位置可以通過分析兩激光點(diǎn)在平面圖上的像素坐標(biāo)U和V來確定。
3.2 位置測量
測量中將會運(yùn)用到三角理論。 圖6（左視圖）說明了如何利用視覺傳感系統(tǒng)測量機(jī)器人的位置。 L表示激光器的發(fā)射點(diǎn)，L1是激光射在窗框的點(diǎn)， L2是L1在圖像平面上的對應(yīng)點(diǎn), 此處就是I表示的中央圖形。把相機(jī)的焦點(diǎn)看作起點(diǎn)并用F表示，建立一個用F-xbybzb表示的基地坐標(biāo)，此處xb坐標(biāo)軸平行于玻璃表面，垂直于窗框, yb坐標(biāo)軸則與玻璃表面和窗框都平行，zb坐標(biāo)軸垂直于xb-yb平面，如圖6所示。把F為同一起點(diǎn),可建立另一個被命名為照相機(jī)坐標(biāo)的框架，用F-xyz表示,此處的x軸平行與直線I-F即相機(jī)的主要輕支點(diǎn)，y同yb一樣都是坐標(biāo)框架的基礎(chǔ)，z垂直于x-y平面。 [x0,y0, z0]T、[x1,y1, z1]T [ x2,y2, z2]T分別表示點(diǎn)L, L1 L2的坐標(biāo)。用U和V表示坐標(biāo)在圖象平面上的坐標(biāo)，u0,v0為像素中央點(diǎn)I的坐標(biāo)。
因?yàn)榻裹c(diǎn)F位于線L1–L2上，則線L1–L2可用下式表示：
（1）
定義為激光器相對照相機(jī)的傾斜角（繞y軸，逆時針）C為泛角（繞z軸，逆時針）。則線L–L1就可這樣表示：
（2）
圖5 視覺傳感硬件系統(tǒng)
圖6 機(jī)器人位置的測量
從(1)和(2)中我們可以得出的坐標(biāo)點(diǎn)L1像素坐標(biāo)u, i.e。
[x1,y1, z1]T= +[x0,y0, z0]T （3）
其中
，
其中dx和dy是兩個相鄰像素在兩個方向的圖像平面距離, 而F表示焦距。
L和L1的距離用|LL1|表示，
（4）
定義a為相機(jī)在基地坐標(biāo)框架上的傾斜角度。L–L1與L–L3（平行與xb軸）之間的角度為
（5）
那么,點(diǎn)L和窗戶框的距離為：
（6）
把(3)–(5)代入(6)中得出像素坐標(biāo)u,i.e中的d
（7）
圖7. 機(jī)器人在玻璃面上
同樣的，如果機(jī)器人與兩窗框的距離d1和d2能用擬議視覺傳感方法測出，則d也可求出。值得注意是在測量距離時只需要一個激光二極管。
3.3 定位測量
圖8（視圖）描述了利用視覺傳感系統(tǒng)測量機(jī)器人的位置,此時需要兩個激光二極管。點(diǎn)A、B分別是激光二級光的發(fā)射點(diǎn)1和2。點(diǎn)A1和B1是窗框上相應(yīng)激光點(diǎn)。 C1和C2是激光二極管1和2相對相機(jī)的泛角。分別用[xL,yL, zL]T和[ xR,yR, zR]T表示左點(diǎn)A與右點(diǎn)B在相機(jī)坐標(biāo)框架中的位置。在x–y平面上，A–A1可以用表示為：
（8）
注意像素坐標(biāo)的激光點(diǎn)A2在圖像平面上是ul和vl。在x-y平面, A2的坐標(biāo)是(f,dx(u0-ul))。那么 ，線F–A1可表示為：
（9）
結(jié)合(8)和(9),可導(dǎo)出點(diǎn)A1的坐標(biāo)：
（10）
（11）
圖8. 機(jī)器人定位測量
圖9. 污垢位置的測量
同樣，假設(shè)xB1和 yB1,，可以推導(dǎo)出點(diǎn)B1的坐標(biāo)。最后，機(jī)器人相對窗框的泛角可得為：
（12）
圖8所示，h表示機(jī)器人在玻璃上的位置，基于此機(jī)器人才可轉(zhuǎn)動其腰部,以達(dá)成預(yù)期的態(tài)勢。
3.4 污垢位置的測量
圖 9(視圖)說明如何運(yùn)用定位傳感系統(tǒng)確定污垢處。 首先,激光二極管掃描整個窗戶玻璃面。然后,利用相機(jī)和兩臺激光二極管找到污垢并記錄起圖象。不需要太多時間去完成這些步驟,因?yàn)椴僮魅藛T可以幫助機(jī)器人很快找到污垢,然后向機(jī)器人發(fā)出進(jìn)測量指令。二極管是固定在相機(jī)上的，它們的相對位置和姿態(tài)在獲取污垢位置的過程中不能改變。 用3.2部分的同樣方法，通過分析激光點(diǎn)在圖像平面上的U或V坐標(biāo)可測出機(jī)器人和污垢處的距離。在得出機(jī)器人與污垢間距離及相機(jī)泛角的基礎(chǔ)上，就可確定污垢位置。
4.試驗(yàn)
室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是測量機(jī)器人和窗框的距離，確定機(jī)器人位置；測量機(jī)器人相對窗框的泛角,以確定該機(jī)器人方向；確定污垢位置。在實(shí)驗(yàn)中,相機(jī)的姿勢，泛度(-100度到100度)和傾斜角(-25度到25度),受主計算機(jī)的調(diào)控。用模式識別技術(shù)來確定是否光源到達(dá)了窗框以獲得對激光點(diǎn)在窗框的圖象。
4.1機(jī)器人位置的測量
首先，通過獲取機(jī)器人在玻璃表面不同標(biāo)定位置的圖象及分析激光點(diǎn)U或V的座標(biāo)可以標(biāo)定視覺傳感系統(tǒng)。用最小二乘擬合 距離這次機(jī)器人和窗框可從刻度為2293mm u坐標(biāo)左邊的激光點(diǎn)ul(像素)和傾斜角度的相機(jī)(deg)。 詳細(xì)的程序標(biāo)定列在以下方面:
1. 讓機(jī)器人向任意位置移動，并測量機(jī)器人與窗框之間的距離 （例如距離D為100毫米) 然后用相機(jī)記錄下傾斜角a和像素坐標(biāo)ur(和UL)。
2. 讓機(jī)器人移動到其他位置,并且并取得了一系列的校驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3. 從等式(7)中用最小二乘擬合方法得到系數(shù)a1、a2、a3和b
通過以上校準(zhǔn)程序,我們得到a1=16.67、a2=185839.97和a3 = 1286.21。
（13）
用類似的方法, 距離D可轉(zhuǎn)換成激光點(diǎn)u坐標(biāo)的功能，比如：
（14）
兩束激光點(diǎn)v坐標(biāo)的距離功能在不斷變化。通過對比，我們發(fā)現(xiàn)在這個實(shí)驗(yàn)中用u坐標(biāo)測出的距離比用更精確V坐標(biāo)測出的更精確. 圖10 和11分別描述了等式(13)及(14)的 關(guān)系。
在隨后的實(shí)驗(yàn) ，等式 (13)被用來測量機(jī)器人在玻璃表面上的位置. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果即測量誤差與測量距離之間的關(guān)系如圖 12中所示，此處平方點(diǎn)代表不同距離的測量誤差, 而固體線指的是一種隨距離增加而產(chǎn)生的測量誤差趨勢. 當(dāng)照相機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動90度時,機(jī)器人與左窗框之間的距離及像機(jī)傾角就可以測量出來。
為了解決這個測量距離誤差累積的問題，視覺傳感器在一系列測量后需要復(fù)位。值得注意的是相機(jī)畸變可能會影響測量d。從圖12可以看到當(dāng)距離不是很大(即<1000毫米)是測量誤差是很小的。在發(fā)生大的距離，鏡頭畸變就應(yīng)該加以考慮。
圖10 機(jī)器人與窗框距離---左側(cè)激光點(diǎn)u坐標(biāo)及相機(jī)傾角
圖11 機(jī)器人與窗框距離---右側(cè)激光點(diǎn)u坐標(biāo)及相機(jī)傾角
圖12 機(jī)器人測量誤差趨勢
4.2 機(jī)器人方向的測量
通過找到機(jī)器人方向和圖象中左右激光點(diǎn)的U坐標(biāo)之間的關(guān)系，視覺傳感系統(tǒng)可得到進(jìn)一步標(biāo)定 。用最小二乘法,可以從標(biāo)定中得出以下關(guān)系：
, （15）
圖13說明了泛角h與ul和ur坐標(biāo)之間的關(guān)系，泛角與測量誤差之間的關(guān)系已在圖14中顯示。此處平方點(diǎn)代表不同距離的測量誤差, 而固體線指的是一種隨距離增加而產(chǎn)生的測量誤差趨勢。應(yīng)該注意泛角誤差對整個測量誤差可能會產(chǎn)生影響。然而在某些應(yīng)用方面，泛角誤差對距離測量誤差的影響不是很大。在我們的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人在玻璃表面爬行超過水平方向2米時，機(jī)器人的泛角將會小于6度。
重力的作用將會影響機(jī)器人的位置，尤其是當(dāng)這個機(jī)器人在水平方向爬行時，在我們的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人在玻璃表面爬行超過水平方向2米時，機(jī)器人的泛角將會小于6度。當(dāng)這個泛角按順時針測量時，機(jī)器人就會順時針旋轉(zhuǎn)它的腰，以達(dá)到預(yù)期的水平或垂直的位置。當(dāng)這個泛角按逆時針測量時，機(jī)器人就會逆時針旋轉(zhuǎn)它的腰，以達(dá)到預(yù)期的位置。
圖13 基于機(jī)器人位置的測量
圖14 位置測量誤差趨向
4．3 污垢位置的測量
模式識別技術(shù)用于找出污垢進(jìn)行清理,然后獲取激光點(diǎn)的圖象。圖15描繪了圖象定位污垢處。等式（14)被用來測量機(jī)器人和污垢處的距離。在測量了距離及相機(jī)泛角度的基礎(chǔ)上, 才能確定污垢的位置。定位污垢處的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1
圖15 用于定位污垢的圖象
(deg)
傾斜角度
像素坐標(biāo)u（piexl）
D（mm）
測量錯誤（mm）
1
37
11
1364
798．2
（2.6,3.7）
2
65
17
1400
633.3
(3.2,1.6)
3
52
22
1410
577.0
(2.5,2.1)
4
53
11.6
1370
768.6
(3.5,2.6)
5
54
5
1325
1066.1
(7.1,3.4)
6
75
2.4
1311
1205.6
(10.3,2.0)
7
67
9
1348
890.3
(6.1,2.0)
8
65
5
1327
1050.1
(7.7,2.6)
9
78
10.4
1358
830.0
(5.9,1.4)
表一 用于定位污垢的試驗(yàn)結(jié)果
5.結(jié)論
本文描述了視覺傳感應(yīng)用的爬墻機(jī)器人清洗玻璃的高樓大廈。機(jī)器人以黏附的方式吸附在墻面上，并可以方便地移動和轉(zhuǎn)動。在機(jī)器人上安裝的視覺傳感系統(tǒng)是由一臺已經(jīng)定位的CCD照相機(jī)，二個激光二極管和其他輔助部分組成?；谛?zhǔn)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)定位的機(jī)器人有其位置定向之間的關(guān)系， 在這幅圖像內(nèi)可以知道的兩個激光點(diǎn)的同等物，和照相機(jī)的傾斜角度。使用這些關(guān)系，可以方便地測量出機(jī)器人的位置和方向，并且要被清潔的臟的地方也可以找到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這個視覺傳感系統(tǒng)應(yīng)用在爬壁機(jī)器人是有效的。
爬墻機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及清洗裝置、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
學(xué)生姓名: 蔡系文 班級: 030312
指導(dǎo)老師: 袁坤
摘要:爬壁清洗機(jī)器人是一種能夠在垂直壁面上進(jìn)行清洗作業(yè)的移動式服務(wù)機(jī)器人。它屬于極限作業(yè)機(jī)器人的一種，可以將人從危險的工作中解脫出來，因而在建筑清洗行業(yè)有著廣泛的用途和很高的使用價值。研究高效、簡潔的高樓壁面清洗機(jī)器人正是本課題的要求。
使用爬壁清洗機(jī)器人進(jìn)行高層建筑幕墻自動清洗，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是機(jī)器人的移動方式、吸附方式以及清洗技術(shù)。本文研究的目的是設(shè)計一種面向高層幕墻的可靠、高效、省時、安全的清洗作業(yè)系統(tǒng)。因此，如何合理實(shí)現(xiàn)爬壁清洗機(jī)器人的三大技術(shù)是本設(shè)計的關(guān)鍵。
本文通過對國內(nèi)外爬壁清洗機(jī)器人現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與比較，l論文主要論述了爬壁清洗機(jī)器人的行走方式、吸附方式、清洗裝置、控制系統(tǒng)。首先介紹了國內(nèi)外爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀，闡明本課題研究的目的、意義。然后進(jìn)一步介紹了本爬壁清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)，同樣也要求設(shè)計出合理高效的清洗裝置，并在此基礎(chǔ)上著重闡述了爬壁清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)主要問題及其解決方法，機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要必須完成對機(jī)器人行走、吸附、清洗等的控制，必須具有操作簡單、可靠、高效、方便等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: 爬壁機(jī)器人 清洗 移動 吸附 機(jī)器人控制
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