复杂壁面清洁机器人

1万 · 2019-7-6 10:06

董伟光等「17]针对爬壁机器人不同状态吸附力合理值的求解问题，研究了如图1-g所
示一种具有闭链移动机构的轮足复合式爬壁机器人，该机器人能够在不同倾斜角壁面运
动，并具有交叉面过度功能。基于动力学原理和运动失效原则推导了该爬壁机器人在不
同倾斜壁面上的安全吸附力学模型「‘“，‘”]，获得了爬壁机器人任意状态下所需吸附力的合
力数值，为爬壁机器人的吸附力控制奠定了理论基础。
部海超等[}Zo]针对风力发电机日益增多的检测与维护工作，设计了一种新型风力发电
机检测与维护任务的爬壁机器人，如图1-9所示。提出了该机器人的设计技术指标和技
术路线，为防止吸附失效，建立该机器人克服沿壁面脱落、倾覆及吸盘泄露等若干种危
险状态下的力学模型，采用MATLAB仿真确定了临界吸附力，为机器人吸附装置吸附
力的确定提供了参考依据。

1万 · 2019-7-6 10:06

王瑞等[[21]鉴于传统爬壁机器人越障性能和壁面过度能力较差等缺陷，提出一种新型
三角形磁吸附履带式爬壁机器人，如图1-10所示。根据达朗贝尔原理，建立了爬壁机
器人越障过程动力学模型，并推导极限状态下机器人的平衡状态方程，对越障过程中电
机最小输出力矩影响因素进行讨论。建立爬壁机器人虚拟样机模型，对机器人直线行驶、
转向和越障三种运动状态进行仿真，仿真结果与理论推导一致验证了方案设计的合理性
和理论推导的准确性。但在动力学仿真分析过程中只建立了部分模型进行理论验证。
崔宗伟等[[22]针对大型钢结构件曲面补焊焊缝自动化修形需求，研发了一种两端吸附
式焊缝修形爬壁机器人，该机器人的末端修形单元和负载平台均采用永磁吸附式方式吸
附于工件表面，采用数学模型分析了该机器人相对于传统爬壁机器人的优缺点，并计算
了末端修形单元吸附力条件，通过对样机进行爬行实验测试证明了该型爬壁机器人不仅
大幅降低了对机械臂刚度要求，更使得该机器人具有曲面自适应能力，该机器人在4_5 0
钢结构表面工作状态如图1-11所示。然该机器人适用范围不广。

1万 · 2019-7-6 10:07

1万 · 2019-7-6 10:07

机器人控制系统是智能机器人设计领域最核心的内容，自从19_59年美国的英波格
和德沃尔第一次制造出真正意义上的工业机器人开始[[23]，对机器人控制系统的研究就从
未停止过[24-26]0
董寒等[[27]为了实现在非磁性壁面高效、无损和自动化检测与维护工作，设计了一种
框架式爬壁机器人，并根据壁面特征及爬行要求确定了机器人的机械结构和电气系统，
该机器人本体系统以嵌入式主机作为核心控制器，实现电气控制及气动伺服控制功能。
机器人硬件电路的主控芯片选用ARM系列单片机，通过CAN总线实现微控制器与伺
服驱动器之间的通信，遥控器与主控制器之间的通信靠2.4G无线收发模块来实现，从
而避免了与检测设备频率的干扰。样机试验如图1-12所示，该机器人能够负载3kg的
物体完成预定的运动指令。

1万 · 2019-7-6 10:07

黄金凤等[}Zs]通过对罐体爬壁机器人动作原理的深入分析，设计了一种由CAN总线
网络构成的控制系统，如图1-13所示。该罐体爬壁机器人的控制系统主要采用施耐德
一体化驱动方式，机器人的本体主要由4个直行电机、1个转向电机、1台打磨电机、
远程I/O模块和吸附磁铁等组成。可编程控制器通过CAN总线连接组成通讯网络来控
制爬壁机器人的动作。
贾云辉等[29]针对人工除船锈效率低和危险性高等问题，研发了一款爬壁机器人用来
代替人工进行除锈工作。该机器人采用上、下位机分布式控制方案，采用基于ARM-Li
nux的控制器来控制爬壁机器人的动作，引用强化学习算法，实现了该型机器人的强化
学习循迹，同时针对传统P}算法无法在工作环境下进行最优动作，在工作策略选择上
进行相应的改进，一定程度上提高了爬壁机器人在不同环境下循迹的准确性，测试样机
如图1-14所示，通过试验测试说明该机器人控制系统应用性能良好，满足机器人控制
要求。

1万 · 2019-7-6 10:08

于帅帅等[[30]为了满足变电站彩钢板清洗工作要求，设计了一种双柔索式爬壁机器
人，基于施工环境和操作简单的原则，该机器人采用以DSP作为核心芯片，通过对机
器人上柔索长度、角度和滚刷压力值的采集，控制调平机构改变机器人重心的相对位置，
解决了该型机器人位姿平衡问题和清扫均匀性问题，搭建的样机如图1-15所示。样机
试验表明了该清扫机器人清扫效果良好，可操作性强，能够代替人工实现高效率的工作，
为相关清扫领域产品的设计提供了一种思路。
李静等[[31,32]为了提高石化行业对锅炉水冷壁壁厚的检测效率，设计了一种磁吸附履
带式爬壁机器人，同时在机器人本体上采用分级控制系统来实现高空检测。机器人下位
机使用ARM-Cortex-M3为内核的}2位微控制器，采用模糊PID控制方法实现对锅炉水
冷壁磁吸附履带式机器人的位姿进行控制，完成了机器人的直线路径跟随动作，机器人
控制框图如图1-16所示。同时基于Visual Studio 2010平台创建了人机交互界面，实现
了上位机和下位机的数据传输和后续检测数据处理，实验仿真结果证明了该分级控制系
统运动稳定可靠，该机器人可有效提高检测效率，智能化水平较高。

1万 · 2019-7-6 10:09

赖欣等[[33]针对爬壁机器人在钢制表面运动时难以动态设置运动路径和实时跟踪路
径等问题，开发了一款可实时跟踪路径且灵活设定的爬壁机器人控制系统，该控制系统
主要包含主控制电路和从控制电路，系统框图如图1-17所示。主从电路主要采用STM3
2芯片作为控制核心，利用MPU60_50解算竖直平面内角度信息，并联合光电鼠标确定
当前坐标，将所有信息加以融合采用增量PID算法和滤波处理，控制电机使爬壁机器人
在竖直平面内按照预设轨迹路径运动。样机爬行实验表明该机器人工作可靠，运动控制
系统灵活，可以实时跟踪输入轨迹，运行误差控制在士8%以内。

1万 · 2019-7-6 10:10

张军梁等[[34]为了解决油管除锈作业中污染大、噪音大与人工作业存在高风险等问
题，研制了一款对油罐内外壁除锈机器人如图1-Ig所示。该爬壁除锈机器人的“三轮”
轮式移动平台由一个从动轮和两个主动轮组成，每一个主动轮上安装有带减速器的交流
伺服电机，为主动轮提供前进的动力，其中两个主动轮的转速和转向决定了除锈机器人
平台的运动轨迹，同时研发的机器人控制系统可以实现壁面除锈机器人单轴控制和多轴
联动控制，通过大量样机性能指标测试可知，除锈机器人具有较快的除锈效率、较高的
通过性能和特殊工作位置除锈能力，满足设计指标和工作要求。

1万 · 2019-7-6 10:10

智能爬壁机器人控制系统，该系统主要采用STM32为处理核心的微控制器，基于跟踪
算法自主循迹实现船舶表面的自动清洁，利用Alpha Blending算法提取运动轨迹，使清
洗机器人能够自主学习且跟踪清洗运动轨迹，进而解决清洗机器人在不确定因素下的循
迹问题。借助整体实验测试，对该智能爬壁机器人控制系统进行手动模式和自动模式进
行测试，实验结果表明该智能控制系统更加开放、易操作，达到了设计目标。船舶清洗
爬壁机器人如图1-19所示。

1万 · 2019-7-6 10:12

(1>壁面清洁机器人越障动力学分析
针对机器人应用环境变化，设计新的清洁机构，结合越障需求对越障机构分析，优
化越障机构参数;针对实现壁面清洁机器人滑移、倾覆、滚动下滑等失效形式进行静力
学分析，改进吸附单元尺寸。结合以上两者分析对机器人在壁面越障及转向过程讨论，
同时建立相应的模型，分析稳定运行与驱动力矩的关系。
(2)壁面清洁机器人动力学仿真分析
建立含机器人两侧链轮的动力学模型，分析静态下机器人力矩大小，确定机器人在
不发生滚动下滑情况下所需刹车力矩的大小，同时验证前面的理论分析;通过改变连接
机构状态，分析越障过程中的高度波动以及吸力变化，以及弹簧钢作为连接机构对越障
过程的影响;分析越障过程的角度偏移，为实际越障过程控制提供了指导依据;分析不
同速度差转向时对左右驱动电机转矩影响。
(3)壁面清洁机器人控制系统硬件设计
确定实际工作要求制定电子硬件方案，介绍关键电路部分;结合机器人及控制盒尺
寸确定控制板尺寸，使用Album Designer完成对相应PCB的设计，最后加工焊接出控
制板。
(4)壁面清洁机器人控制系统软件及方法设计
设计包括上位机和下位机软件，针对本组合式机器人多机器人配合工作模式设计稳
定的多机通讯方式，并制定配合这种通讯方式的工作策略;针对课题组前期机器人调试
所发现的问题，首先需要在机器人运动控制方面，通过结合电流及姿态信息优化越障策
略，其次利用模糊控制对子机器人导向过程进行优化，解决机器人越障及导向过程可能
发生的失稳现象。
(5)壁面清洁机器人实验研究
研制子机器人与母机器人样机，测试机器人的功耗、吸附性能、直行状况、转向性
能，对机器人的自动行进和越障过程进行测试，验证机器人机构和运动控制的可靠性;
在机器人实际工作环境下，对机器人通讯与清洁完成状况进行测试，在完成工作目标的
前提下，测试无线通讯的可靠性与清洁装置的有效性。

1万 · 2019-7-6 10:12

基于以上研究内容，对本文研究工作的技术路线梳理后如图1-20所示。

1万 · 2019-7-6 10:13

1万 · 2019-7-6 10:15

阀厅壁面灰尘多是细小颗粒，通过与滚刷旋转清洁方式进行对比，采用“擦”的方
式更能有效的清洁细小颗粒，以下是清扫机构示意图，在前端中间和两侧分别设置一个
需要电机带动旋转和两个固定的清洁装置，中间清洁装置如图2-3(b)所示，由刚性联轴
器、轴、羊毛轮固定装置组成，下方设置有羊毛轮，由于羊毛轮具有柔性，质量较轻且
能够轻易弯曲，需电机带动的清洁装置主要清理壁面非凸起面及两侧斜面，固定的清洁
装置清理凸起面。

1万 · 2019-7-6 10:16

为提高工作效率和方便运输，整个机器人由子母机器人组成，由母机携带子机沿着
墙面行进，由子机经母机的承载装置向墙面爬行，结束清洁后再返回母机。机器人分别
如图2-4和图2-_5所示，母机由四个驱动模块、承载装置以及固定架构成，每个驱动模
块带有一个电机和麦克纳姆轮，可以通过控制每个麦克纳姆轮的旋转速度及旋转方向，
实现母机器人沿着各个方向运动，承载装置于母机器人上方，通过推杆实现承载装置的
角度变化，子机器人通过承载装置行进至壁面进行清洁作业。

1万 · 2019-7-6 10:16

1万 · 2019-7-6 10:16

1万 · 2019-7-6 10:16

1万 · 2019-7-6 10:17

1万 · 2019-7-6 10:17

1万 · 2019-7-6 10:18