高楼壁面清洗机器人及相关技术的研究

综述了近年来国内外高楼壁面清洗机器人的研究发展概况,并进行了技术难点分析。重点介绍了一种结构简单的单吸盘清洗爬壁机器人,据此开发出的双轮式及双履带式爬壁机器人可用于对瓷砖和玻璃壁面进行清洗。     

基于变质量系统力学理论的爬壁机器人动力学分析

一类工作在高空危险环境下的爬壁机器人，自身拖曳的电缆或携带的作业原料（如清洗液、油漆等）的质量随着作业高度和进度可能发生变化，势必会影响机器人的壁面牵引驱动能力，而牵引能力决定了机器人的运动能力和工作可靠性．基于变质量系统力学理论，将这一类爬壁机器人系统看作变质量物体．首先，针对质点动力学的两类基本问题，利用变质量牛顿力学原理建立其动力学模型；进一步针对轮式爬壁机器人，建立了非完整约束条件下的变质量系统分析动力学模型．仿真分析表明，将这一类在高空作业的爬壁机器人作为变质量物体进行动力学分析是合理和必要的，为提高其壁面工作能力和适应性提供了一种新的研究思路．     

湿吸附机理及其在仿生爬壁机器人中的应用

提出一种新的基于湿吸附机理的仿生爬壁机器人．首先讨论湿吸附模型及吸附力的控制方法,对一种 基于硫化硅橡胶（聚合物）的仿生足垫的湿吸附力进行测试,由此验证足垫与壁面间的液体薄膜对吸附力的积极影 响．然后设计一种实验研究用的轮爪式仿生爬壁机器人,并对其进行静力学分析．最后对所设计的机器人进行爬壁 试验．结果表明,液体薄膜可以有效提高足垫吸附力,所研制的湿吸附机器人可吸附于约85度的壁面,可成功爬行 于坡度约65度的玻璃壁面,一定程度上验证了湿吸附机理爬壁机器人的可行性．     

具有壁面自适应能力的磁吸附爬壁机器人设计

为解决爬壁机器人在船舶货舱清洗过程中多壁面过渡的问题,该文设计了一种具有壁面自适应能力的磁吸附爬壁机器人,其包括磁吸附机构、自适应清洗机构和行走机构。该文首先通过建立机器人壁面过渡时的力学模型,得到机器人磁吸附力的分布特点,并据此设计出一种弧形磁吸附机构。然后利用 ANSYS Maxwell 3D 软件对该机构磁吸附力的分布进行优化,以满足壁面过渡的需要;此外,还在机器人前端设计了一种自适应清洗机构,通过对该机构的结构原理进行分析和实验,验证了清洗机构也具有壁面过渡能力。最后通过模拟船舶货舱壁面的实际特点,对机器人样机进行壁面过渡综合实验,完成了机器人舱底过渡行走实验和舱顶过渡行走实验,验证了该机器人的壁面自适应和舱内行走的能力。     

又一种擦窗机器人问世

北京航空航天大学机器人研究所最近又研制成功一种新型擦窗机器人,可望解决高大建筑玻璃幕墙机器清洗这一国际性工程技术难题。 擦窗机器人是特种机器人的一种,用以取代人工进行高大建筑玻璃幕墙的清洗工作。现代城市中,高楼林立,需要进行许多壁面维护作业,特别是玻璃幕墙清洗工作。目前,这类工作仍是由清洗工人搭乘吊篮进行高空作业来完成,这种工作方式工人的工作环境恶劣又有一     

基于DSP技术的爬壁机器人吸附控制系统设计

壁面吸附是爬壁机器人的基本功能之一,其吸附程度直接影响爬壁机器人的稳定性和移动速度;为此,设计了基于DSP技术的爬壁机器人吸附控制系统;选择爬壁机器人传感器装置,加设DSP数字信号处理器,设计爬壁机器人吸附控制器;在硬件结构的支持下,根据爬壁机器人的组成结构和工作原理,构建相应的数学模型;在该模型下,利用DSP技术计算爬壁机器人吸附力;通过爬壁机器人在壁面环境下的受力分析结果,确定爬壁机器人安全吸附条件;以吸附控制器作为执行机构,实现爬壁机器人的吸附控制;选择负压爬壁机器人作为测试样机,通过系统测试表明,在瓷砖、木板、玻璃三种壁面环境下,与两个对比系统相比,应用此次设计系统得出爬壁机器人吸附力的控制误差降低了2.04 N,倾覆风险系数降低了0.29,具有较好的吸附控制效果。     

双足爬壁机器人壁面凹过渡步态规划研究

针对腿足式爬壁机器人在壁面过渡时的步态规划问题，以一种真空吸附式双足爬壁机器人为研究对象，在步态分析的基础上，基于有限状态机建立了机器人的步态模型，进而提出了基于加权插值和BP神经网络的双足爬壁机器人壁面凹过渡在线步态规划算法，为提高机器人壁面过渡的自主控制能力奠定了基础．仿真分析和实验结果表明，该步态规划算法对于实际的机器人系统是有效的和可行的。     

基于ADAMS的仿壁虎爬壁机器人的运动仿真

为实现在不同环境的壁面上自由爬行,设计了应用仿壁虎微纳米粘附阵列的爬壁机器人,建立了机器人的动力学模型及足部与壁面之间的接触模型,并利用机械系统动力学软件ADAMS的仿真功能,对机器人沿垂直壁面爬行的运动特性进行了仿真.利用ADAMS的后处理模块的分析功能,重点研究了在一个运动周期内,模型整体质心的位移、电机转矩以及足部与壁面之间的接触力随时间的变化情况.仿真结果表明该仿壁虎爬壁机器人能够以约26mm/s的速度沿着垂直的壁面平稳地运动,不存在波动和偏离.这为下一步研制仿壁虎爬壁机器人的物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考.     

四轮驱动滑动吸盘爬壁机器人的动力学研究

研究了四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器人在滑动导向运动方式下的动力学问题．首先分析了机器人在壁面上安全移动的运动状态和约束条件, 然后对驱动轮支撑力分布、驱动轮与壁面间的横向摩擦力以及密封圈摩擦力进行分析,进而基于牛顿---欧拉法建立了机器人的动力学方程, 并用驱动力矩安全系数来表征驱动力矩的安全程度．通过动力学仿真,分析了吸附压力、驱动轮分布、密封圈刚度等对驱动力矩的影响, 为四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器 人结构优化和安全运动控制提供理论依据．     

一种用于反恐侦察的爬壁机器人系统

介绍了一种用于反恐侦察的爬壁机器人系统．该系统包括3个部分：真空吸附式两足爬壁机器人、便携式遥控器和无线视频传输模块．其中,基于DSP技术开发的控制器可以使机器人在光滑的壁面上灵活地爬行、转向和跨越．文中提出了一种实现机器人在两个不同倾斜壁面之间跨越的控制算法．实验表明,该机器人体积小、噪声低、隐蔽性好;视频模块图像清晰、传输稳定;整个系统可以满足执行反恐侦察任务的基本要求．     

仿尺蠖多模式爬壁机器人设计与控制方法研究

对于高层建筑清洁、大型化工罐体焊接与检测以及管道、隧道等狭小空间的安全巡查,传统方式为人工操作,存在安全隐患及效率低下等缺点,针对这些问题,提出了一种爬壁机器人设计方案。通过研究自然界尺蠖类生物的壁面攀爬机理,结合仿生技术,利用真空吸附和爪刺抓附两种附着技术,研发了一种仿尺蠖多模式爬壁机器人。首先在静态条件下,采用D-H参数法建立了机器人运动学数学模型,求解了机器人运动学的正、逆解,然后进行了基于极坐标理论的机器人控制方法研究,分析了了步态控制策略,并基于嵌入式控制器搭建了实际样机的控制系统,进行了功能性测试,验证了爬壁机器人的运动学模型的正确性和步态控制方法的平稳性,为双足类仿生机器人进一步研究提供了参考。     

两端吸附式焊缝修形爬壁机器人研制

针对大型钢结构件曲面补焊焊缝自动化修形需求,研制了一种特殊结构的爬壁机器人.该机器人的末端修形单元和移动平台均以永磁间隙吸附方式吸附于工件表面,通过含主被动关节的多自由度机械臂相连接.采用数学模型分析了新机构相对于传统单端吸附、串联悬臂式爬壁机器人的优点,计算了末端修形单元的吸附力条件.对试制的机器人样机进行的性能参数测试证明:两端吸附方式不仅大幅度降低对机械臂的刚度要求,同时,机械臂的被动关节使得爬壁机器人具有曲面自适应能力.     

全方位越障移动机构研究

针对清洗壁面作业对机器人提出的特殊要求,研制了可越障轮式全方位移动机构—— -车轮组机构,该机构保证机器人在姿态保持不变的前提下,沿壁面任意方向直线移动、或 在原地旋转任意角度,同时能跨越存在于机器人运行路径中的障碍．该机构不需要传感装置 来检测障碍,不需要复杂的辅助机构来实现平面上运动和越障运动之间的转换．     

储罐壁面爬壁机器人吸附结构设计与优化

为了解决爬壁机器人在运动过程中由于吸附力不足而产生的倾覆问题,设计了一种具有曲面自适应性的永磁爬壁机器人。该机构区别于以往的爬壁机器人,具备两个方位上的旋转自由度,能够实现永磁吸附结构实时贴合壁面,确保提供稳定可靠的吸附力。在储罐壁面工作情况下,对机器人进行静力学分析,得到其在壁面不发生下滑和倾覆的安全吸附条件,并在此基础上,利用Ansoft Maxwell软件对吸附结构进行了仿真分析和结构优化,并获得了最佳结构尺寸。     

磁吸附爬壁机器人控制系统的研究

在研制爬壁机器人基础上，比较了磁吸附爬壁机器人的各种吸附与驱动方式的优缺点，设计了机器人的控制系统，推导出控制算法，并实验结果表明控制系统能满足工作要求。     

磁吸附爬壁机器人控制系统的研究

在研制爬壁机器人基础上，比较了磁吸附爬壁机器人的各种吸附与驱动方式的优缺点，设计了机器人的控制系统，推导出控制算法，并实验结果表明控制系统能满足工作要求。     

一种基于行星履带轮越障与混合双吸附补偿的爬壁机器人的设计与研究

针对爬壁机器人在复杂壁面工作时越障能力弱、移动迟缓和吸附力不足等问题,设计了一种基于行星履带轮越障与混合双吸附补偿的爬壁机器人,并对壁面移动和越障的性能进行研究。首先根据机器人在壁面上的运动原理,建立其力学模型,计算出沿壁面移动和越障所需的吸附力;进一步结合其受力情况,对越障过程中爬升阶段和跨越阶段的吸附力补偿模型和行...     

油罐检测爬壁机器人结构与控制系统设计

研究智能爬壁机器人检测技术及其系统 ,提出了机器人在大型垂直罐壁移动作业的路径规划方法 ,并分析了抗倾覆机构的作用 ,设计给出了机器人总体结构和控制系统 .系统以磁吸附爬壁机器人为运动载体 ,采用非接触式无损检测技术 ,并配备多种传感器 ,具备较高的智能化水平 .现场实验表明 ,该系统自动化程度高、运动稳定可靠、定位精度高 ,大幅度提高了检测效率 .     

履带式爬壁机器人力学分析及磁吸附结构优化设计

为了解决履带式爬壁机器人吸附性与机动性存在矛盾的问题,设计了一种履带行走与永磁轮吸附相结合的爬壁机器人。为防止机器人在工作壁面上发生滑移和倾覆的失稳状况,对机器人进行静力学分析,得到机器人安全吸附在壁面时永磁轮应满足的最小磁吸附力。对永磁轮进行结构参数设计,并应用COMSOL仿真软件对永磁轮进行磁场分析和结构优化。研究结果表明,优化前永磁轮的吸附力可使机器人在壁面安全吸附;优化后永磁轮的吸附力增大,质量显著减小,吸附效率提高了16.87%。     

壁面清洗机器人本体刚度及振动研究

依靠风扇产生负压吸附于壁面的高大建筑清洗机器人系统,其密封裙边和支撑机构的刚度构成了机器人的本体刚度.由于它的存在,加之壁面的某种不平、窗框、密封胶条、机器人移动及清洗刷的旋转运动等因素的影响,导致机器人在壁面上工作时出现不同的振动状态.本文建立了清洗机器人系统的动力学模型,研究了壁面清洗机器人本体刚度与清洗刷位置布局、机器人在壁面上的振型以及临界牵引速度之间的关系,给出了清洗刷的布置准则以及机器人临界牵引速度的确定准则.