自主攀爬式曲面作业机器人设计研究

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1、第26卷第1期2004年1月机器人ROBOTVoJ1．26，No．Ian．，2004文章编号：1002-0446(2004}01-0001-06自主攀爬式曲面作业机器人设计研究张厚祥，唐伯雁，刘荣，徐祯祥，李锡江，宗光华(北京航空航天大学机器人研究所，北京100083)摘要：以国家大剧院椭球壳体的清洗为应用背景，针对曲面高空作业的特点，设计了首台复杂曲面自主攀爬式机器人样机．机器人由攀爬机构、移动机构、清洗机构、俯仰调节机构组成；在对机器人总体结构和结构原理详细介绍后，对机器人运动功能实现进行了讨论．控制系统采用基于CAN总线的网络结构，以P80C592单片机为核心构成分布节点控制

2、器，并着重对检测系统进行了研究．机器人在国家大剧院的真实环境下进行了作业实验，结果表明样机系统的设计组成原理合理，机械结构和控制系统方案成功可靠．关键词：曲面；自主攀爬机器人；机械结构；运动功能；控制系统中图分类号：TP24文献标识码：BDESIGNOFASELF—SCRAM[BLEROBOTFORSPHERICALSURFACEZHANGHou—xiang，TANGBo—yan，LIURong，XUZhen—xiang，LIXi-jiang，ZONGGuang—hua(Robot／csResearchInstitute．UniversofAeronauticsandAstrona

3、utics，Beijng100083。China)Abstract：Basedontheanalysisofthecharacteristicsofclimbingrobot，anewkindofself-scramblerobotisproposed，whichwillbeusedforcleaningthesphericalsurfaceoftheNationalGrandTheater．Therobotconsistsoftheclimbingpart，themovingpart，thecleaningpartandthepitchingpart．Adistributedco

4、mrollerbasedonCANbusisdesignedtoeomroltherobot，whichismainlycomposedofsingleehipsP80C592．Thesystemsoftwareisprogrammedwithmodularizationmeth-od．Finally，themotionfunctionisdescribedindetails．Experimentshavebeenmadewiththisrobotundertherealciremn-stancesoftheNationalGrandTheater，andtheresutsshow

5、thatthedesignprincipleisrational，andthestructureandthecontrolsystemarereliable．Keywords：sphericalsurface；self-scramblerobot；mechanismstructure；motionfunction；controlsystem1引言(Introduction)机器人为步行式结构，通过两足交替吸附可在与关节轴线垂直的二维平面内完成移动、越障和面面转随着机器人技术的发展，高层建筑幕墙自动化换，但对三维空间壁面环境的适应能力明显不足lL4；清洗成为可能．机器人要完成的作业是

6、清洗国家大国内哈尔滨工业大学研制的单车体壁面移动机器人J剧院由金属和玻璃构成的外表面．该剧院地处北京和北京航空航天大学研制的双吸盘结构的履带式机器市中心，必将成为标志性建筑，加之北方的气候条件人均采用负压吸附原理，对平整壁面、结构化的极限恶劣，剧院外露墙面的清洗势必非常重要．作业环境有较高适应性，但运动时车体容易打滑，对安壁面作业机器人的研究在国内外均有开展，主要有框架式、步行式[3】、轮式或履带式等多全不利．综上所述，现有壁面机器人对表面平整、结构种结构形式．这些机器人均不适应广曲面幕墙情况．化的作业环境有较高适应性，但对圆弧面、球面等复杂如LeoncioBriones等研制的可

7、变形框架式壁面机器表面，尚无应用实例．本文针对曲面高空作业特点，详人具有一定的转向和面面转换能力，但结构复杂，通细介绍自主攀爬式机器人的机械组成、结构原理和控用性较差；H．Dulimarta等研制的多关节壁面移动制硬件系统，并对机器人的运动功能进行了讨论．基金项目：国家863计划资助项目(2oozAA422280)收稿日期：2003—05—162机器人2004年1月2曲面作业机器人设计目标(Designobjec-(1)安全性约束：即壁面附着稳定性对机器人结tives