大型钢结构爬壁机器人控制文献综述

 2022-07-17 04:07

大型钢结构爬壁机器人控制

摘要:爬壁机器人作为一种能够用于极限作业的特种机器人,可以代替人类在高空垂直立面位置作业。现在爬壁机器人已经在多个行业尤其是建筑行业、消防、核工业、石油化工行业和制造业等得到了极为广泛的应用。视觉测量具有测量范围广、信息量大等优势,能够便捷、有效地给出环境信息,是其他类型的传感器无法比拟的。机器人通过视觉远程控制能够增加机器人对环境的适应能力,增加机器人的工作可靠性。在主从控制方式中上位机负责对整个系统的控制及人机界面的实现等,下位机负责接收上位命令、控制下位机器人完成作业命令等。

关键词:爬壁机器人;视觉测量;远程控制;上位机;下位机

1. 引言

建筑物尤其是高层建筑物,由于其高空作业的独有特点,使得其立面的检测不但难度大、效率低而且危险性极高,以往只有通过靠搭建脚手架或采用吊篮等人工目测方式进行检测,检测精度低,检测过程十分危险,效率不高且成本较高。因此研制出能够代替人工对建筑物立面进行检测的方法显得很有必要。随着机器人技术的日益进步,加之机器人在作业中的灵活、自主等特点,越来越多的研究人员将研究重点集中到建筑爬壁检测机器人的研究开发上。

2. 国内外研究现状

2.1国外研究现状

日本是研究爬壁机器人较早且技术领先的国家之一。早在1966年,日本大坂府立大学的西亮讲师就成功设计了一种利用电风扇进气侧低压空气产生的负压进行吸附的原理样机。从这第一台机器人样机成功研制以来,日本的机器人技术一直处在世界前列。1984年,日本日立制作所的内藤绅司和佐藤主税等人成功设计了一种足式磁吸附壁面移动机器人,采用永磁吸附式,内测四只脚和外侧四只脚在行走过程中交替吸附。机器人吸附磁力约为600N,最大移动速度仅为1.1m/min[1]。此后広濑茂男等人开发出“内部力补偿型磁吸附单元”,有效地解决了磁吸附吸脱困难的问题。针对以往的爬壁机器人吸附力差以及行走速度慢等特点,広濑茂男领导的研究小组于1990年成功设计了一种名为“NINJA-Ⅰ”的四足式爬壁机器人,最大爬行速度可达0.16m/s。此后该研究小组又成功研制了性能更好的“NINJA-Ⅱ”壁面移动机器人[2]。日本清水建设株式会社成功研制了一种用于建筑立面玻璃清洗的爬壁机器人,东京消防厅也相继开发了一种用于高层建筑消防的壁面移动机器人,这些就是最初的建筑立面清洗机器人及建筑立面消防机器人的典型代表[3]

在爬壁机器人研究方面,美国也是开展较早的国家之一。在1989年,卫奇塔州立大学的Benham bahr教授带领的科研小组成功研制了几款ROSTAM系列的爬壁机器人。随后在1990年,卡内基梅隆大学的Wolfe成功设计开发了一种壁面移动机器人ANDI,该机器人基于十字几何结构,首次在机器人的设计中采用十字构架型结构[4-5]。2008年,美国斯坦福大学设计开发了一种重约7kg的壁面移动机器人Capuchin。该机器人攀岩性能良好,为将来机器人在火星的探索提供了良好的保证[6]。2010 年,美国的 Luther 等研制了一款具有18个自由度的模块化六足爬壁机器人 DIGBot,采用了模仿鸟类指端的柔性倒钩形足端,能够攀爬口距较大(约1cm)的丝网面。2011 年,以色列的 Sintov 等研制的爬壁机器人 CLIBO 也采用了模块化构型和微刺附着方式,采用四肢结构,每肢有 4个自由度,攀爬速度为 12cm/min。2012 年,美国 Paul Birkmeyer 等人研制的 CLASH,体长 10cm,采用六足结构,应用仿生吸附材料,在与水平面70 度夹角的有机玻璃面上攀爬速度可达 10cm / s,在竖直粗糙壁面速度可达 15cm/s[7]

2.2国内研究现状

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