高楼住户自动擦窗装置的研究与设计(3)
2.国内外现有技术综述
2.1擦窗装置研究综述
目前，机器人的移动方式主要有车轮式、履带式、腿足式、框架式、轮腿式。车轮式[1]机构简单、移动速度较快、控制灵活方便，但越障能力以及跨过沟槽时建立和保持真空度的能力较差。
履带式[2]机构利用履带和多个吸盘组成吸附装置，设计紧凑，对壁面的适应性强、着地面积大、承载能力强、行走速度较快，可跨越一定的障碍物。但这种结构很复杂，而且运动过程中姿态调整比较困难，重量及能耗也比较大。
腿足式[3]机构在自动擦窗装置的设计过程中可选择两腿、四腿、吹冰腿、八腿等结构。该结构能适应不同形状的壁面、跨障能力强，腿的数目越多越稳定，但是控制系统也越复杂，因为运动不连续，所以速度和效率均比较低。
框架式[4]机构的基本结构是一个框架和滑动部件。框架上的吸盘与滑动腿机构使得机器人可以前进及旋转。吸附－运动－吸附的简单运动模式使得它的控制策略和工作过程并不复杂。但它的缺点在于尺寸过于庞大，不能用于狭窄空间，同时，运动不连续，速度低。
轮腿式机构简单，对壁面的适应性强，能够连续运动，行走速度较快，并可跨越一定障碍物。
不像地面移动机器人，自动擦窗装置还必须有一个恰当的吸附结构以确保机器人在不牺牲灵活性的前提下能可靠地吸附在壁面上。到目前为止，采用的吸附方式主要有以下五种：磁吸附、真空吸附、推力吸附、机械硬接触吸附、粘着剂材料吸附。
磁吸附方式要求壁面必须是导磁材料，但它的吸附结构简单、吸附力大、对壁面的凹凸适应性强，不像真空吸附法存在漏气问题，因而对导磁壁面而言具有突出的优势。永磁式或电磁式吸附的机器人可以在巨大的钢铁结构上爬行，也可用于铁质管道的内部检测。该类型机器人的移动结构可采用车轮式、脚足式、履带式等。但是，高层建筑玻璃幕墙和瓷砖并非导磁材料，因此，该吸附方式无法用于高层建筑自动擦窗装置。由于玻璃幕墙等壁面多存在凹槽、窗框等结构，且单吸盘自动擦窗装置壁面适应能力差、吸盘不存在冗余度，因此，目前多采用多吸盘结构作为高层清洗装置的吸附方式。除吸附结构外，由有针对性的应用决定的机械结构和机动性也是机器人设计必须考虑的关键因素。
真空吸附技术是通过真空发生装置使吸盘内腔产生负压，机器人利用吸盘内外的压力差贴附在壁面上。该方法由于不受壁面材质的限制，因此适应范围较广，特别适合高层清洗装置使用，但它对壁面的平整度有一定的要求。真空吸附爬壁机器人按照吸盘数量又可分为单吸盘机器人和多吸盘机器人，下面分别进行详细介绍。对单吸盘爬壁机器人而言，前人一般采用履带或车轮作为运动机构。其中，日本大阪府立大学工学部的西亮教授开发了单吸盘履带式爬壁机器人，日本Daifuku 公司研制了单吸盘轮式驱动高层清洗装置。目前，少量单吸盘爬壁机器人已经投入实际使用，主要包括日本化工机械技术服务株式会社开发的用于核电站炉心内壁面上附着物清扫的机器人“Walker”，日本竹中工务店研制的用于检测瓷砖贴和情况的单吸盘吸附履带式壁面诊断机器人，东京消防厅消防科学研究所研制的单吸盘吸附履带式消防急救用爬壁机器人，哈尔滨工业大学机器人研究所开发的用于核工业的单吸盘全方位遥控检查爬壁机器人。由于玻璃幕墙等壁面多存在凹槽、窗框等结构，且单吸盘爬壁机器人壁面适应能力差、吸盘不存在冗余度，因此，目前多采用多吸盘结构作为高层清洗装置的吸附方式。除吸附结构外，由有针对性的应用决定的机械结构和机动性也是机器人设计必须考虑的关键因素。目前，多吸盘爬壁机器人的移动方式多采用脚足式、履带式、框架式。在类似反应堆池、航行器的外表面等近乎平面上运动时，要求机器人结构简单，具有真空吸盘的轮式或履带式机器人、具有滑动框架的机器人可以满足这种要求。当在更复杂的任务中机器人被要求具备面—面转换的功能时，多采用双足或八足脚足式结构。目前已经开发的双足机器人包括 ROSTAM III、ROBIN以及 Nishi设计的机器人。为了增加安全性和负载能力，四足或者更多足的机器人也被开发出来，其中，ROBUG II、NINJA-I和 NINJA-II是四足机器人，它们的特征是多自由度的腿从中心体伸出并且携带吸盘足，而文献则开发了吹冰足机器人，ROBUG III用 8 条腿提供更高的稳定性。这些多足机器人具有更高的复杂性和更大的尺寸，例如，外形酷似蜘蛛的管道机器人需要更多的腿提供冗余的支撑，使得负载能力和安全性大大提高，但这些是以增加复杂度、增大尺寸和重量为代价的。除了上述这些停留在理论阶段的机器人外，一些采用吸盘结构的机器人已经被投入实际使用。例如，喷射推进实验室开发的采用多吸盘结构的 MACS 机器人被用于检测大型军用航行器。采用气动执行机构和吸盘的 Robicen 机器人被用于对核电站进行远程检测。采用滑动框架和吸盘结构的 SADIE 机器人被用于检测核电站气管内部的焊缝。此外，据报导，具有吸盘结构的水下爬行机器人已被用于接触式弧焊和切割作业。文献也对采用气动执行机构和真空吸盘的爬行机器人进行了报导。上述脚足式机构的主要缺陷是限制了移动速度，但是它的优势也很突出：多个吸盘足能够产生强大的吸附力，气动结构有出色的重量功率比，一个具有关节结构和吸盘足的爬行机器人使用腿的运动自由度即可实现面—面转换。对运动机构而言，框架式和脚足式机器人的运动是间歇的，且速度慢；而履带式结构运动速度较快，但重量较大，转弯不灵活。除了脚足式爬壁机器人，上述其他结构很难实现面—面转换功能。面—面转换功能给机器人的设计和控制也带来了进一步的困难，为了完成这一使命，机器人具有多种运动形式是必要的。
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