爬墻機(jī)器人,機(jī)器人 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(jì) 學(xué)生姓名: 蔡系文 班級(jí): 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(dòng)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(xiǎn)的工作中解脫出來(lái)，因而在建筑清洗行業(yè)有著廣泛的用途和很高的使用價(jià)值。研究高效、簡(jiǎn)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(dòng)清洗，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是機(jī)器人的移動(dòng)方式、吸附方式以及清洗技術(shù)。本文研究的目的是設(shè)計(jì)一種面向高層幕墻的可靠、高效、省時(shí)、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(jì)的關(guān)鍵。 本文通過(guò)對(duì)國(guó)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(guó)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(jì)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(wèn)題及其解決方法，機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要必須完成對(duì)機(jī)器人行走、吸附、清洗等的控制，必須具有操作簡(jiǎn)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(dòng)　吸附　機(jī)器人控制 指導(dǎo)老師簽名: 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(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(jì) II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求： 原始資料：爬墻機(jī)器人文獻(xiàn)20余篇 設(shè)計(jì)技術(shù)要求： 機(jī)器人爬行速度：0～2m/min( 無(wú)級(jí)可調(diào)) 控制方式：無(wú)線遙控或程序控制 吸附方式：負(fù)壓吸附（正常負(fù)壓為－600　mmH2O）； 最大有效負(fù)載：≤15Kg； III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間： 1、收集有關(guān)資料，寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告； 2周(3.26-4.8) 2、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)； 2 周(4.9-4.22) 3、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（臺(tái)面）；　　　　　　　　　　　　 2周(4.23-5.6) 4、清洗裝置設(shè)計(jì)； 　　 　　　　　　　2周(5.7-5.16) 5、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；　　　　　　　　　　　　　　　　　　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(xiě)論文； 1周(6.16-6.22)  Ⅳ 、主 要參考資料： 1、王茁，張波.壁面爬行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,21（4）：78－80 2、談土力，龔振邦，張海洪等.壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人研制[J].高技術(shù)通報(bào),2003,12(2): 83-87 3、高學(xué)山，徐殿國(guó)，王炎.新型壁面清洗機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[J].高技術(shù)通報(bào),2004,13(4): 39－44 4、趙興飛，周憶，石崇輝.氣動(dòng)爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].機(jī)床與液壓,2003,32(3):61－62 5、B.Bahr,Y.Li and M.Najafi.Design and suction cup analysis of a wall climbing robot[J]. Computers Elect. Engng.2006,22(3):193-209 航空與機(jī)械工程 院（系） 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化　專(zhuān)業(yè)類(lèi) 　　030312 班 學(xué)生（簽名）： 蔡系文 日期： 自2007 年 3 月 　26 日　至　2007 　年 6 月 22 日 指導(dǎo)教師（簽名）：袁坤 助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)： 機(jī)械制造 系（室）主任（簽名）： 附注:任務(wù)書(shū)應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)首頁(yè)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì) 院( 系 ) 航空與機(jī)械工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí)學(xué)號(hào) 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(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)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(jì) 專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 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(shuō) 明 開(kāi)題報(bào)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(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）、研究?jī)?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(xiě)內(nèi)容各專(zhuān)業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專(zhuān)業(yè)填寫(xiě)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(gè)分支，主要在壁面或頂部進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)。由于現(xiàn)代社會(huì)中，有許多場(chǎng)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(shí)的消防救援作業(yè)等，這些工作對(duì)于國(guó)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(kāi)發(fā)項(xiàng)目得到了蓬勃的發(fā)展。目前，國(guó)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(chǎng)作業(yè)，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： l 核工業(yè) 對(duì)核廢液貯管進(jìn)行視覺(jué)檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等； l 石化工業(yè) 對(duì)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(duì)瓷磚、玻璃壁面進(jìn)行清洗等； l 消防部門(mén) 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(duì)電站鍋爐水冷壁管壁厚度的測(cè)量等。 隨著城市建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)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(lái)了建筑物幕墻的清洗問(wèn)題。高大建筑物的幕墻清洗是一項(xiàng)繁重而危險(xiǎn)的工作。國(guó)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(chēng)蜘蛛人)在幕墻上作業(yè)，這種方式危險(xiǎn)性很大；第二種是靠樓頂軌道車(chē)和升降平臺(tái)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(xiǎn)，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(duì)準(zhǔn)窗戶(hù)進(jìn)行自動(dòng)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(jì)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(guó)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(zhǎng)，工作效率低。如果人工清洗高層建筑，勢(shì)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(shí)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(dòng)化成為可能。對(duì)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(dòng)機(jī)器人。若能研制成功這類(lèi)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(xiǎn)和大幅度提高工作效率。另外，由于清洗時(shí)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(lái)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(lái)的高樓清洗問(wèn)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(yíng)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(duì)人類(lèi)是非常困難和危險(xiǎn)的。 爬壁清洗機(jī)器人解決了人類(lèi)在特殊環(huán)境下從事危險(xiǎn)、繁重體力勞動(dòng)的難題，為改善勞動(dòng)環(huán)境、保護(hù)人身安全及美化城市等方面，開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。所以我選擇了這個(gè)爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)的課題。 二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）： 壁面爬行機(jī)器人（簡(jiǎn)稱(chēng)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(lái)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(xiǎn)作業(yè)，而且可以把人們從惡劣的環(huán)境中解脫出來(lái)。目前國(guó)內(nèi)外已有一定數(shù)量的爬壁機(jī)器人投入現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)，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(dòng)功能。因此，爬壁機(jī)器人主要是按吸附功能和移動(dòng)功能來(lái)進(jìn)行分類(lèi)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(lèi)。真空吸附又分為單吸盤(pán)和多吸盤(pán)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(shí)，容易是吸盤(pán)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(jiǎn)單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，且對(duì)壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附漏氣的問(wèn)題，因而當(dāng)壁面是導(dǎo)磁材料時(shí)優(yōu)先選用磁吸附爬壁機(jī)器人。 爬壁機(jī)器人按移動(dòng)方式可以分為框架式、車(chē)輪式、履帶式和腳步式四類(lèi)?？蚣苁轿侥芰Υ?，承載能力強(qiáng)，能跨越規(guī)則的壁面障礙；車(chē)輪式移動(dòng)速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大、不易轉(zhuǎn)彎；腳步式移動(dòng)速度慢，但承載能力強(qiáng)。 不同的吸附方式和移動(dòng)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(lèi)對(duì)國(guó)內(nèi)外的爬壁機(jī)器人的發(fā)展介紹如下： (一) 國(guó)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況 日本作為機(jī)器人大國(guó)很早就開(kāi)始了壁面移動(dòng)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(dòng)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(hào)樣機(jī)，采用單吸盤(pán)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(kāi)發(fā)了兩種壁面移動(dòng)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(pán)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(kāi)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(gè)行走滾子和左右兩個(gè)傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)行走，真空室由滾子和皮帶自然圍成，通過(guò)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(shí)，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(gè)本體作為一個(gè)真空吸盤(pán)，負(fù)壓有抽氣泵工作產(chǎn)生；內(nèi)部有兩排行走履帶，通過(guò)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(kāi)發(fā)出一種球形煤氣罐檢查機(jī)器人，是最早的多吸盤(pán)爬壁機(jī)器人。它是一種多足2腳、框架移動(dòng)式步行爬壁機(jī)器人，內(nèi)外兩個(gè)框架上各裝有8只吸盤(pán)；上有驅(qū)動(dòng)裝置，可驅(qū)動(dòng)兩框架相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 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(guò)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(dòng)方式，履帶上有數(shù)個(gè)吸附室。隨著履帶的移動(dòng)，吸附室連續(xù)地形成真空腔而使履帶帖緊壁面移動(dòng)。這種機(jī)器人主要作為除塵機(jī)械，對(duì)壁面進(jìn)行清洗、噴涂、檢查等。 1990年，俄國(guó)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(pán)爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人采用單吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，吸盤(pán)內(nèi)有移動(dòng)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(shí)最大真空壓力為0.007Mpa，兩對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向機(jī)能，在機(jī)器人本體上裝有用來(lái)控制、調(diào)節(jié)真空吸盤(pán)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(kāi)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(dòng)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(dòng)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(guó)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(cè)與紀(jì)錄機(jī)構(gòu)，可以自動(dòng)紀(jì)錄每隔一定距離的壁厚，該機(jī)器人已作為商品銷(xiāo)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(pán)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(dòng)。 1994年，英國(guó)南岸大學(xué)研制出多足多吸盤(pán)氣動(dòng)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(gè)小型工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行超聲檢測(cè)。 1996年，俄國(guó)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(dòng)。1998年，有研制成功了WCR RVP-21型機(jī)器人，能夠在兩個(gè)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(chēng)為VM的新式吸盤(pán)。 1998年，日本鋼管株氏會(huì)社開(kāi)發(fā)出車(chē)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(guó)Aalen商業(yè)技術(shù)學(xué)院研制成功了一種單履帶多吸盤(pán)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(dòng)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(gè)半自由度。 1998年，英國(guó)研制出四足壁面步行機(jī)器人Robug II；此后又開(kāi)發(fā)了Robug III型爬壁機(jī)器人，它有8只腳，類(lèi)似于巨型蜘蛛。 1998年，美國(guó)的卡耐基梅隴大學(xué)研制了一種飛機(jī)檢測(cè)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(duì)滑動(dòng)，完成機(jī)器人的前后，左右運(yùn)動(dòng)。 2000-2001年，美國(guó)Ultrastrip公司開(kāi)發(fā)了一種單吸盤(pán)吸附式噴漆機(jī)器人。該機(jī)器人利用中央吸盤(pán)吸附在壁面上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人本體上裝有噴頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，每個(gè)輪都裝有一個(gè)伺服馬達(dá)，轉(zhuǎn)向是通過(guò)前輪實(shí)現(xiàn)的，移動(dòng)速度可達(dá)10m/min，噴漆速度為1m3/min。 (二) 國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況 相對(duì)外國(guó)，國(guó)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(kāi)始了爬壁擦窗機(jī)器人研究，由于資金有限，進(jìn)展沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。直到1996年以后，國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“863”計(jì)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(dòng)壁面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究和開(kāi)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(kāi)發(fā)了多層框架，多真空吸盤(pán)式，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壁面移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人最大工作移動(dòng)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(méi)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(kāi)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(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，帶有柔性裙邊的鉸接式真空吸盤(pán)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(guó)內(nèi)外壁面移動(dòng)機(jī)器人研究較早的單位，在國(guó)家“863”智能機(jī)器人的支持下，已先后開(kāi)發(fā)出兩個(gè)系列共5個(gè)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(dòng)，清洗機(jī)構(gòu)置于吸盤(pán)尾部，同時(shí)還設(shè)有卷?yè)P(yáng)機(jī)，地面支援小車(chē)等附屬設(shè)施。主體下部是一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)輪的滑動(dòng)密封式負(fù)壓吸盤(pán)。由于密封裝置采用柔性設(shè)計(jì)，對(duì)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(kāi)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(dòng)，設(shè)計(jì)了精巧的清洗機(jī)構(gòu)，設(shè)置了抬起氣缸，避免刷子對(duì)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(lái)在國(guó)家“863”計(jì)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(wú)桿氣缸組成本體，可沿縱橫自由運(yùn)動(dòng)和越障。全氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(shì) 爬壁清洗機(jī)器人現(xiàn)在在我國(guó)應(yīng)用還基本上沒(méi)有展開(kāi)，可以說(shuō)是一個(gè)空白領(lǐng)域，國(guó)外已經(jīng)在船舶除銹、高樓清洗等多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用。而我國(guó)目前還在試驗(yàn)階段，沒(méi)有具體的產(chǎn)品，國(guó)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(chǎng)，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(jià)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(kāi)發(fā)出高效率的爬壁清洗機(jī)器人，主要是新開(kāi)發(fā)出清洗裝置； 2．研究開(kāi)發(fā)出對(duì)壁面廣泛適應(yīng)性的爬壁清洗機(jī)器人，以滿(mǎn)足特殊環(huán)境的清洗要求； 3．合理的性?xún)r(jià)比（性能/價(jià)格比）、高可靠性、通用性。 三、研究?jī)?nèi)容： 1) 爬壁清洗機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)與研究。針對(duì)我國(guó)目前玻璃幕墻清洗行業(yè)的現(xiàn)狀，開(kāi)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(jì)研究。對(duì)機(jī)器人的安裝設(shè)計(jì)做了詳細(xì)介紹，并畫(huà)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(jì)研究。通過(guò)對(duì)清洗的方法與現(xiàn)狀進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單、有效的清洗裝置，并對(duì)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(jì)。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(jì)是針對(duì)玻璃壁面為作業(yè)對(duì)象，要求設(shè)計(jì)出能爬墻及其自動(dòng)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(lái)說(shuō)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(jì)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(gè)方向上移動(dòng)、停留、可以攜帶輔助工具清洗刷完成對(duì)玻璃壁面的清洗作業(yè)。 2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、緊湊、重量輕、可靠性高且負(fù)載能力強(qiáng)。 3) 移動(dòng)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(jiǎn)單、可靠、安全，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化清洗。 （二）、主要特色： 系統(tǒng)工作安全，操作簡(jiǎn)單，清洗效率高。 （三）、工作進(jìn)度： 1、收集有關(guān)資料,寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告； 2周(3.26-4.8) 2、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)； 2 周(4.9-4.22) 3、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（臺(tái)面）；　　　　　　　　　　　　 2周(4.23-5.6) 4、清洗裝置設(shè)計(jì)； 　　 　　　　　2周(5.7-5.16) 5、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；　　　　　　　　　　　　　　　　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(xiě)論文； 1周(6.16-6.22) 五、參考文獻(xiàn) [1]. 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Engng.2006,22(3):193-209 目 錄 1 緒論 1.1 爬壁機(jī)器人概述 (1) 1.2 壁面清洗發(fā)展階段 (2) 1.3 國(guó)內(nèi)爬壁清洗機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r (3) 1.3.1單吸盤(pán)真空吸附式爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r (3) 1.3.2 多吸盤(pán)真空吸附式爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r (4) 1.3.3 磁吸附爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r (5) 1.3.3 其它類(lèi)型爬壁機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r (6) 1.4 爬壁清洗機(jī)器人研究的技術(shù)難點(diǎn) (6) 1.5 爬壁清洗機(jī)器人的應(yīng)用前景 (7) 1.6 爬墻清洗機(jī)器人研究?jī)?nèi)容及目標(biāo) (7) 1.6.1 研究?jī)?nèi)容 (7) 1.6.2 目標(biāo) (7) 2 爬壁清洗機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1 技術(shù)性能指標(biāo) (9) 2.2 爬壁機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) (9) 2.2.1 爬壁清洗機(jī)器人的移動(dòng)方式 (9) 2.2.2 爬壁清洗機(jī)器人吸附方式 (10) 2.2.3 爬壁清洗機(jī)器人清洗裝置 (11) 2.2.4 爬壁清洗機(jī)器人控制方案 (12) 2.2.5 爬壁清洗機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案 (12) 2.4 小結(jié) (14) 3 爬壁清洗機(jī)器人本體設(shè)計(jì) 3.1 清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu) (16) 3.2 機(jī)器人氣動(dòng)元器件選擇 (17) 3.2.1 X、Y驅(qū)動(dòng)氣缸 (18) 3.2.2 短行程氣缸 (18) 3.2.3 真空發(fā)生器 (18) 3.2.4 真空吸盤(pán) (20) 3.2.5 CPE電磁閥 (20) 3.2.6 單向節(jié)流閥 (21) 3.4 安裝臺(tái)面設(shè)計(jì) (21) 3.4 安裝臺(tái)面上元器件安裝 (22) 4 清洗裝置設(shè)計(jì) 4.1 墻面污垢形成原因 (24) 4.2 清洗裝置整體設(shè)計(jì) (25) 4.2.1 清洗劑的選擇 (25) 4.2.2 噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (25) 4.2.3 清洗刷的設(shè)計(jì) (26) 4.3 爬壁清洗機(jī)器人的清洗過(guò)程 (27) 5 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5.1 爬壁清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)概述 (31) 5.2 PLC特點(diǎn) (31) 5.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) (32) 5.3.1 PLC選型 (33) 5.3.2 控制系統(tǒng)主要任務(wù) (34) 5.3.3 PLC輸入/輸出端子接線 (36) 5.4 機(jī)器人控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn) (36) 5.4.1 PLC軟件系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu) (36) 5.4.2 PLC接口信號(hào)定義 (37) 5.4.3 初始化程序 (38) 5.4.4 四個(gè)基本動(dòng)作程序?qū)崿F(xiàn) (38) 5.5 小結(jié) (42) 6 結(jié)論與展望 結(jié)論與展望 (43) 參考文獻(xiàn) (45) 致 謝 (46) 附錄 A梯形圖 (47) 附錄 B PLC輸入/輸出端子接線圖…………………………………(55) 附錄 C氣動(dòng)系統(tǒng)中執(zhí)行元件與控制信號(hào) (56) 附錄 D 英語(yǔ)原文 (57) 附錄 E 中文翻譯 (73) 3 The Designing of the Overall Structure , Cleaning Device and Control System of the Climbing Robot Student name : Cai Xiwen Class: 030312 Supervisor: Yuan Kun Abstract：A climbing robot that provides cleaning service on the glass wall of high-rise buildings is a moving service robot which can do the cleaning job on the vertical walls . It is one of the limit operations that can relieve human beings from hazardous jobs, thus it has a wide range of applications and high value in the cleaning construction industry. Researching efficient, simple wall cleaning robot is the request of the subject. The use of wall-climbing robot for cleaning high-rise building walls automatic cleansing, its realization is the key to the way of move, adsorption and cleaning technology. The purpose of this paper is to design a cleaning system which is reliable, efficient, time-saving and safe. Therefore, how to reasonably achieve the three technologies of the wall-climbing cleaning robots is the key to the design. By the analysis and comparison to internal and external wall-climbing cleaning robot, the paper mainly discusses the way of move, adsorption, cleaning equipment, and control system. In the first place, it introduced the research status of the domestic and abroad wall-climbing cleaning robot and pointed out the purpose and significance of this paper. Then it informed us further of the overall structure of the cleaning of the wall-climbing robots, requesting to design a rational and efficient cleaning device as well. Based on it, it explained the main problems and solutions of the wall-climbing cleaning robot control system. The control system of the robot must be completed for the move of robot, adsorption, cleansing control, and simple, reliable, efficient and convenient features. Keywords: climbing robot cleaning move adsorption robot control Signature of Supervisor: 視覺(jué)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(jué)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(pán)吸附移動(dòng)與于玻璃表面，并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)CCD相機(jī)和兩個(gè)激光二極管組成的視覺(jué)傳感器通常是來(lái)測(cè)量機(jī)器人相對(duì)的窗框玻璃表面位置和方向。視覺(jué)傳感器也用于要定位的清洗位置。本文還討論了視覺(jué)傳感器中的數(shù)學(xué)模型和評(píng)價(jià)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)的傳感器用于測(cè)量機(jī)器人的位置和方向，并且測(cè)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(jué)傳感； 玻璃清洗； 激光二極管 1.引言 為減輕人類(lèi)從事危險(xiǎn)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(kāi)發(fā)的攀登機(jī)器人系統(tǒng)其目的是利用吸力杯和一個(gè)移動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)制來(lái)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(guò)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(shí)候開(kāi)始或停止的清潔工作， 如何控制方向(或移動(dòng)方向),及如何越過(guò)窗框。因此，有必測(cè)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(bào)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(dòng)定位。在[8]中，所謂的‘合作定位系統(tǒng)’提出了重復(fù)搜索過(guò)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(cè)方法，不適用于測(cè)量機(jī)器人和窗戶(hù)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(cuò)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(wèn)題需要得到解決。 1. X向氣缸 2. 清洗刷 3. 視覺(jué)傳感器 4. Y向氣缸 5. 吸盤(pán) 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(jué)伺服及視覺(jué)引導(dǎo) [9-15]。Malis [9]使用兩部相機(jī)來(lái)進(jìn)行2-D及5/2-D的視覺(jué)伺服且提出了多攝像機(jī)視覺(jué)伺服方法。不過(guò)，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(gè)鏡頭時(shí)，很難建立一個(gè)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(gè)相機(jī)從一個(gè)位置的多方向來(lái)確定機(jī)器人的位置。這種方法的缺點(diǎn)是測(cè)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(huì)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(cè)出。 在這項(xiàng)研究中,視覺(jué)傳感系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于爬墻機(jī)器人，它是由一個(gè)能夠被定位的CCD相機(jī)和兩個(gè)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(jiǎn)化安裝和減輕整個(gè)系統(tǒng)的重量。兩架輕型激光器則固定在相機(jī)上，是視覺(jué)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(cè)量出來(lái)。 有兩只的話(huà),就可確定玻璃表面機(jī)器人的位置.擬議視覺(jué)傳感系統(tǒng)有三重優(yōu)點(diǎn)：第一，視覺(jué)傳感器可以根據(jù)三角理論，輕易而有效地測(cè)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(dòng)。 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(gè)移動(dòng)式爬壁機(jī)器人,輔助車(chē)輛,壓縮機(jī)和一臺(tái)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(chē)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(zhǎng)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(gè)相互垂直桿缸組成, 如圖2所示。水平桿缸長(zhǎng)400毫米，垂直的是500毫米。交替發(fā)動(dòng)這兩個(gè)桿缸 ，機(jī)器人就會(huì)沿X或Y方向的運(yùn)動(dòng) 。如圖3所示，有四個(gè)較短z桿缸安裝在各桿缸兩端。伸縮或后退這四個(gè)桿缸的橫梁, 機(jī)器人就可以在z方向運(yùn)動(dòng). 在兩桿缸交叉處, 安裝了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱，被稱(chēng)為機(jī)器人的腰，有了這個(gè)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(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的刷子，它們都由一個(gè)擦吸系統(tǒng)構(gòu)成。 該擦拭裝置通過(guò)配套機(jī)車(chē)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(chē)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(gè)直徑為100毫米的吸管袋。這16個(gè)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(dòng)。 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(dòng),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(dòng)1.6度左右，直到達(dá)到預(yù)期的態(tài)勢(shì)。 該機(jī)器人的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是一個(gè)主輔電腦。 主計(jì)算機(jī)(見(jiàn)圖 2)總部設(shè)在地面并直接受人操縱。 輔計(jì)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(hào)傳感器發(fā)出的反饋信息，輔助計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人的移動(dòng)和姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)在玻璃表面上的自動(dòng)導(dǎo)航。通過(guò)視覺(jué)傳感系統(tǒng)及主輔計(jì)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(chǎng)演示 機(jī)器人通過(guò)交替吸吮及釋放安裝在縱橫交叉桿缸上的吸管杯來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的。輔助電腦打開(kāi)或關(guān)閉信號(hào)來(lái)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(jì)算機(jī) 就收到一條警報(bào)信號(hào)。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(chǎng)的一棟商業(yè)大廈。 3. 視覺(jué)傳感技術(shù) 3.1視覺(jué)傳感硬件系統(tǒng) 視覺(jué)傳感硬件系統(tǒng)包括一個(gè)型號(hào)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(lái)自計(jì)算機(jī)的指令。 照相機(jī)的視頻輸出舷將視頻信號(hào)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?chē)那闆r。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(huì)釋放出兩束激光以找到窗框并產(chǎn)生兩個(gè)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(duì)窗框的位置可以通過(guò)分析兩激光點(diǎn)在平面圖上的像素坐標(biāo)U和V來(lái)確定。 3.2 位置測(cè)量 測(cè)量中將會(huì)運(yùn)用到三角理論。 圖6（左視圖）說(shuō)明了如何利用視覺(jué)傳感系統(tǒng)測(cè)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(duì)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(gè)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(gè)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(duì)照相機(jī)的傾斜角（繞y軸，逆時(shí)針）C為泛角（繞z軸，逆時(shí)針）。則線L–L1就可這樣表示： （2） 圖5 視覺(jué)傳感硬件系統(tǒng) 圖6 機(jī)器人位置的測(cè)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(gè)相鄰像素在兩個(gè)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(hù)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(jué)傳感方法測(cè)出，則d也可求出。值得注意是在測(cè)量距離時(shí)只需要一個(gè)激光二極管。 3.3 定位測(cè)量 圖8（視圖）描述了利用視覺(jué)傳感系統(tǒng)測(cè)量機(jī)器人的位置,此時(shí)需要兩個(gè)激光二極管。點(diǎn)A、B分別是激光二級(jí)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(duì)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(cè)量 圖9. 污垢位置的測(cè)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(duì)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(dòng)其腰部,以達(dá)成預(yù)期的態(tài)勢(shì)。 3.4 污垢位置的測(cè)量 圖 9(視圖)說(shuō)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(gè)窗戶(hù)玻璃面。然后,利用相機(jī)和兩臺(tái)激光二極管找到污垢并記錄起圖象。不需要太多時(shí)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(cè)量指令。二極管是固定在相機(jī)上的，它們的相對(duì)位置和姿態(tài)在獲取污垢位置的過(guò)程中不能改變。 用3.2部分的同樣方法，通過(guò)分析激光點(diǎn)在圖像平面上的U或V坐標(biāo)可測(cè)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(cè)量機(jī)器人和窗框的距離，確定機(jī)器人位置；測(cè)量機(jī)器人相對(duì)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(shì)，泛度(-100度到100度)和傾斜角(-25度到25度),受主計(jì)算機(jī)的調(diào)控。用模式識(shí)別技術(shù)來(lái)確定是否光源到達(dá)了窗框以獲得對(duì)激光點(diǎn)在窗框的圖象。 4.1機(jī)器人位置的測(cè)量 首先，通過(guò)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(jué)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(dòng)，并測(cè)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(dòng)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(guò)以上校準(zhǔn)程序,我們得到a1=16.67、a2=185839.97和a3 = 1286.21。 （13） 用類(lèi)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(guò)對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中用u坐標(biāo)測(cè)出的距離比用更精確V坐標(biāo)測(cè)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(lái)測(cè)量機(jī)器人在玻璃表面上的位置. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果即測(cè)量誤差與測(cè)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(cè)量誤差, 而固體線指的是一種隨距離增加而產(chǎn)生的測(cè)量誤差趨勢(shì). 當(dāng)照相機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度時(shí),機(jī)器人與左窗框之間的距離及像機(jī)傾角就可以測(cè)量出來(lái)。 為了解決這個(gè)測(cè)量距離誤差累積的問(wèn)題，視覺(jué)傳感器在一系列測(cè)量后需要復(fù)位。值得注意的是相機(jī)畸變可能會(huì)影響測(cè)量d。從圖12可以看到當(dāng)距離不是很大(即<1000毫米)是測(cè)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(cè)量誤差趨勢(shì) 4.2　機(jī)器人方向的測(cè)量 通過(guò)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(jué)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(shuō)明了泛角h與ul和ur坐標(biāo)之間的關(guān)系，泛角與測(cè)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(cè)量誤差, 而固體線指的是一種隨距離增加而產(chǎn)生的測(cè)量誤差趨勢(shì)。應(yīng)該注意泛角誤差對(duì)整個(gè)測(cè)量誤差可能會(huì)產(chǎn)生影響。然而在某些應(yīng)用方面，泛角誤差對(duì)距離測(cè)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(guò)水平方向2米時(shí)，機(jī)器人的泛角將會(huì)小于6度。 重力的作用將會(huì)影響機(jī)器人的位置，尤其是當(dāng)這個(gè)機(jī)器人在水平方向爬行時(shí)，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(guò)水平方向2米時(shí)，機(jī)器人的泛角將會(huì)小于6度。當(dāng)這個(gè)泛角按順時(shí)針測(cè)量時(shí)，機(jī)器人就會(huì)順時(shí)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(gè)泛角按逆時(shí)針測(cè)量時(shí)，機(jī)器人就會(huì)逆時(shí)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(cè)量 圖14 位置測(cè)量誤差趨向 4．3 污垢位置的測(cè)量 模式識(shí)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(lái)測(cè)量機(jī)器人和污垢處的距離。在測(cè)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(jiàn)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(cè)量錯(cuò)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(jué)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。在機(jī)器人上安裝的視覺(jué)傳感系統(tǒng)是由一臺(tái)已經(jīng)定位的CCD照相機(jī)，二個(gè)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(gè)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(cè)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(gè)視覺(jué)傳感系統(tǒng)應(yīng)用在爬壁機(jī)器人是有效的。