电子科学方法论作业

项目名称： 壁面爬行机器人 申请人：

单位： 电子信息工程学院

二○一三年 六 月 十 日

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1.课题简介（简要说明课题的目的意义、主要研究内容、预期目标等。字数要求1000字以内） 1.1 课题的目的意义 随着人类社会的不断进步，科学技术的日益发展，机器人作为一种新型的生产工具，已经越来越进入人们的生活领域，以机器人代替人类从事各种单调、重复、繁重、危险及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。壁面爬行机器人作为高空极限作业的一种特殊机器人，越来越受到人们的重视，原因是使用壁面爬行机器人不仅可以代替人进行危险作业，而且可以让人们从恶劣的工作环境中解脱出来。 由于壁面爬行机器人的研究和开发有着广阔的前景和良好的社会效益，因此它的发展非常迅速，世界上很多国家都开展了这方面的研究工作。 本项目的研究目的在于： 1）针对壁面爬行机器人在实际应用中存在的问题，提出针对壁面爬行机器人在一定曲率面上工作的新策略。从而降低成本，提高控制精度、可靠度。 2）在原有机器人的基础上，对其进行完善，使其可以适应多种墙面，以及能在平面和曲面壁面爬行、越障、转向的全方位移动。 1.2主要研究内容 该课题的主要研究内容包括机器人本体机构设计、静力学分析和运动学建模、控制系统设计和机器人路径规划的研究。 1.3预期目标 1）移动能力：能够在平整壁面和一定曲率球面上自由爬行，可灵活自如的调节行走的速度； 2）吸附能力：能够安全可靠的吸附在各种表面材料的壁面上，如高层建筑全封闭玻璃外墙，粉墙，漆墙，水磨石墙等； 3）转向功能：能做到任意方位旋转，有利于机器人的全方位移动； 4）越障功能：具有一定的越障能力，能跨越条形障碍物； 5）控制系统：重量轻、体积小，操作监控方便，运算速度快，保证信号通讯的实时性，可靠性； 6）路径规划：全区域覆盖路径规划，自主避障。 2

2.课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势，课题主要研究技术国内外专利授权情况 2.1国内外发展现状与趋势 国外发展现状与趋势 早在1966年，在本大阪府立大学工学部任讲师的西亮，就利用电风扇进气侧低压空气产生的负压作吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机，这被看作是爬壁机器人研究的开端。 1982年日本宫崎大学的西梁教授研制出双足爬壁机器人。 1984年日本日立制作的内藤绅司等人研制出脚式磁吸附爬壁机器人。 1986年美国国际机器人公司研制了用于清洗摩天大楼的爬壁移动机器人。 1988年日本钢管株式会社（NKK）开发了车轮式磁吸附爬壁机器人。将履带上布置了多个独立的吸附室，充当吸盘。两条履带件有一个中央吸盘，这个吸盘可以实现机器人的大幅转动。 1992年日本清水建设株式会社为加拿大驻日本大使馆研制出顶棚玻璃清洗爬壁机器人，能完成沿纵向、横向直线运动和纵向越障，但不能进行横向越障和转向。 1994年西班牙研制出有实用意义的框架式爬壁机器人ROBICEN，具有一定的转向和面面转换能力，单步最大直线位移为200mm，转向角60°，构型变换角90°。 1998年，德国研制成功一种单履带多吸盘壁面移动机器人，西班牙研制成功一种叫REST的六足壁面机器人，美国研制了一种用于检测飞机机身外表面的多吸盘真空吸附式壁面机器人。 2002年日本三菱重工研制成功多用途壁面机器人，根据作业任务的不同，机器人上可以安装CCD、傻子、喷头等设备分别用于检查、清洁和喷漆作业。 此后，国外很多机器人爱好者也开始了对于壁面爬行机器人的研究，并把自己研究的成果在于网上公布。 3

国内发展现状与趋势 相对外国，国内壁面爬行机器人研究起步较晚。虽然1988年上海大学就开始了爬壁擦窗机器人的研究，由于资金有限，进展没有达到预期目标。直到1996年以后，国家自然科学基金、国家“863”计划陆续资助北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、上海大学、上海交通大学等高校，才正式启动壁面移动机器人技术的研究和开发。 1997年上海大学特种机器人技术应用研究室开发了多层框架，多真空吸盘式，伺服电机驱动的壁面移动机器人。 1999年，哈尔滨工业大学开发了是用于玻璃幕墙的壁面清洗机器人，该机器人采用单轮驱动，设计了精巧的清洗机构，设置了抬起气缸，避免刷子对已清洗壁面进行二次污染。 北京航空航天大学机器人研究所自1996年先后成功研制两种爬壁机器人。这两种机器人均由纵、横呈十字交叉的无杆气缸组成本体，可沿纵横自由运动和越障。全气动的驱动方式、重量轻，适合在玻璃面上工作。但它们都不具备构型变化的功能，不能进行面面转换。之后北航又推出3种擦窗机器人。2000年开发研制的灵巧擦窗机器人，本体结构采用具有滑动密封负压吸附装置的履带式驱动的双车体结构，能够实现越障和面面转换功能。2001年研发的吊篮式擦窗机器人和蓝天洁宝，使用大面积负压吸盘吸附，利用风机产生真空，结构简单，工作效率高，具有很高的实用价值。 2003年北京航空航天大学设计了首台复杂曲面自攀爬式机器人样机。 2.2国内外专利授权情况 1）国外专利授权情况 日本、美国、西班牙、德国等国家纷纷通过了相应的专利。 2）国内专利授权情况 虽然国内对于双轮白平衡机器人的研究起步比较晚。但发展也很迅速，有很多这个课题的专利发明。 4

3.课题主要研究内容、拟解决的技术难点和主要创新点，现有研究基础 3.1课题主要研究内容 本研究的重点是机器人本体机构设计、静力学分析和运动学建模、控制系统设计和机器人路径规划的研究。 1）对机器人本体系统进行总体设计，包括移动机构、转向机构、腿部伸缩机构、吸附装置和驱动方式的选择设计等。提出一种适应多种墙面，以及能在平面和曲面壁面爬行、越障、转向的全方位移动的爬壁机器人设计方案； 2）对所设计的机器人进行静力学分析，建立了其常见的下滑落和倾覆条件； 3）对所设计的机器人进行运动学描述，建立其位姿误差运动学模型； 4）对机器人控制系统进行总体设计和分析，从硬件和软件两方面对控制系统提出了设计思想，控制方式和性能特点； 5）对机器人的路径规划进行了研究，包括全区域覆盖全局路径规划和局部路径规划。 3.2拟解决的技术难点和主要创新点 1） 吸附剂密封技术：面对复杂的壁面环境，要求吸附机构必须要产生一定的吸附力，并能够维持之，使机器人能安全可靠地吸附在工作壁面上； 2）移动技术：移动机构要小型、高效，使机器人可以在壁面上移动，并可以灵活自如的调节行走的速度和方向具有较强的越障能力； 3）控制技术：必须保证信号通讯的实时性，可靠性。控制机器人的整体工作，进行故障诊断和综合管理，实现机器人各个部分的协调工作和配合； 4）路径规划：壁面爬行机器人在运动中经常遇到的问题是遍历规划、避碰和跨越障碍，而不单单是地面移动机器人的避碰问题。 5

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