一种新型高楼清洗爬壁机器人的设计

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1、研究与开发机机电工程技术电工程技术2010年第39卷第06期一种新型高楼清洗爬壁机器人的设计高九岗，吴神丽，李宏穆（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都610059）摘要：设计出一种气驱动、真空吸附、灵活移动的十字框架式清洗爬壁机器人。机器人本体上装有清洗装置和污水再回收系统使机器人实现自给供水，减轻负载重量。十字框架结构和真空吸附方案使机器人灵活移动，避障能力强。通过一种稳定的PLC控制方案，使机器人具有自动和手动两种操作方式，使其能更好地完成高层建筑壁面的清洗工作。关键词：清洗爬壁机器人；气动系统；真空吸附；PLC控制；UG仿真中图分类号：TH1

2、2文献标识码：A文章编号：1009－9492(2010)06－0066－021引言随着城市现代化的发展和人口的日益增加，为了节省土地资源，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。在建筑业中，高层建筑的外观越来越多地采用玻璃幕墙结构，没有玻璃覆盖的地方也多采用瓷砖覆盖以增加建筑物的美感，但也衍生出繁重的幕墙清洗任务。如果采用传统的靠升降台或吊篮承载清洁工，虽简单易行，但相当危险。如果改用安装在楼顶的轨道及吊索系统将擦窗机对准窗户进行自动擦洗，则前期设备投资较大，成本较高，且要求在建筑物设计之初就要考虑擦窗系统，因而限制了其他使用［1］。针对壁面作业的特

3、殊情况，在国内外壁面自主移动机器人研究的基础上，设计出一种真空吸附、气驱动、自主移动的清洗机器人。通过对机器人的设计，1．Y向气缸2，4，11，14．Z向气缸3，5，12，15．吸盘组使其在高层建筑壁面清洗工作中彻底解放工人的劳动力问6．电动机7．X向气缸8，9．滚刷10，16．十字框架13．水箱题，在清洗壁面时适用性更强，效率更高，使服务型机器图1清洗爬壁机器人三维实体模型人大批量进入市场。2清洗爬壁机器人整体设计根据清洗爬壁机器人清洗作业的要求，机器人首先必代替人工进行有效率的清洗工作，因此本课题采用机械力须具备清洗作业功能和控制功能，此外清洗爬壁机器人

4、还清洗作用方式，即冲洗、刷洗、刮洗联合作用方式。高压必须在高层建筑物表面进行吸附和移动，因此清洗爬壁机水冲洗壁面，便于除去壁面上附着力较小的污垢并浸润壁器人系统应包括机器人清洗系统、爬壁系统和控制系统三面；电机通过同步传动齿形带带动滚刷旋转，通过滚刷刷大部分。清洗爬壁机器人总体设计的三维实体模型如图1洗，便于除去附着力较大的污垢。刮板可以刮净和回收残所示。留在壁面的液滴，通过污水管进入污水箱［2］。整个清洗作3清洗爬壁机器人清洗系统设计业系统包括滚刷系统、喷水系统、水循环回收系统和洁面高层建筑壁面的污垢主要是大气尘垢，清洗系统是清系统，清洗爬壁机器人的清洗系

5、统三维实体模型如图2所洗爬壁机器人的重要组成部分之一，考虑清洗爬壁机器人示。收稿日期：2009－12－1566机机电工程技术电工程技术2010年第39卷第06期研究与开发建筑物壁面材料虽然多样化，但大多数都为非导磁材料，如玻璃、瓷砖和涂料等，因此吸附方式采用真空吸附。单个吸盘虽然结构简单，容易控制，但是会降低机器人在移动过程中的越障能力和可靠性，而吸盘组结构形式有利于利用吸盘的弹性变形，提高越障能力，保证吸盘与壁面的吸附，提高机器人工作的安全性和可靠性。十字框架结构使机器人整体结构紧凑，可以保证机器人的整体刚度，在移动吸附过程中，使机器人可以自由移动。1，4

6、．滚刷2．电动机3．同步齿形带5．水箱图2清洗爬壁机器人的清洗系统水是循环使用，有利于增加清洗爬壁机器人的效率，右侧的滚刷用适量的循环水洗刷，对污垢进行浸润，左侧的滚刷始终用清水进行冲洗，可以去掉残留的污垢，如图3所示。1，2．十字框架3．X向气缸4．Y向气缸图4机器人移动吸附系统三维模型主视图5［3－4］清洗爬壁机器人控制系统设计控制系统是清洗爬壁机器人的关键部分，采用西门子公司的S7－300PLC完成对机器人主体的吸盘脱离、本体移动、吸盘吸附和清洗的顺序控制。为了控制方便、操作简便，控制器PLC固定在机器人本体上，通过自动控制和手1，7．水泵2，6．污水

7、收集器3，4．滚刷5．负压发生器8．粗滤网9．精滤网10．清洗液11．水箱动控制对机器人的整体进行控制、故障诊断和综合管理，实现机器人各部分的协调工作和配合。其总体框图如图5图3水循环装置结构图所示。4清洗爬壁机器人爬壁吸附系统设计机器人移动吸附系统是清洗爬壁机器人的核心部分，由移动系统和吸附系统组成，在机器人工作过程中携带机器人的清洗系统，吸附在建筑物壁面上，实现对建筑物壁面清洗的功能。机器人主体部分由可以相互平移的两个呈十字型的框架构成，其中任意一个框架可以相对另一个进行平移，每个框架成组配备可独立控制的腿足结构。腿足结构具有一个主动直动关节。随着腿部的

8、交替吸附和框架主体的相对运动，机器人实现壁面自由移动