多吸盘式玻璃幕墙清洗机器人本体设计 上海交大
上海交通大学
硕士学位论文
多吸盘式玻璃幕墙清洗机器人本体设计
姓名：胡启宝
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：赵言正
20070201
多吸盘式玻璃幕墙清洗机器人本体设计
摘要
目前大部分高楼玻璃幕墙的清洗由人工完成，这种清洗方式不仅效率低，而且因工作环境恶劣极易发生事故。本文所研究的玻璃幕墙清洗机器人是一种能够在垂直壁面上移动并完成清洗作业的服务机器人，该机器人可实现高楼外墙清洗的自动化，大大改善了工作环境、提高了清洗效率。
本论文首先介绍了目前爬壁机器人的研究现状，阐明了本课题的研究目的和意义。在总结和借鉴各种吸附模型及移动机构的基础上，提出了一种采用多吸盘交替吸附、自身无驱动下滑的玻璃幕墙清洗机器人方案，详细分析了该机器人各部分结构的工作原理。针对本机器人的机构特点，提出了一种能够保证机器人稳定工作的PLC控制方案。
本文根据机器人滑动式吸盘的特点，对机器人在下滑过程中各种运动状态进行了详细的分析。对清洗机器人跨越水平窗框障碍的过程进行了规划和分析，研究了机器人无驱动下滑作业方式的技术可行性，讨论了清洗机器人在无驱动下滑过程中满足吸附、清洗和下滑动作实现的条件，分析了机器人清洗过程中可能存在的问题并提出了解决措施
本文研究了负压吸附式清洗机器人吸盘的理想密封系统模型，并采用流体网络理论，将吸盘结构参数分别等效为流阻、流容，建立了多吸盘流体网络模型。在该模型基础上分析吸盘系统在不同情况下的
负压动态响应曲线，为吸盘的结构设计提供了理论依据。
本文最后对机器人的设计以及相关问题的研究进行了总结，实验结果表明该机器人对壁面泄漏具有一定适应能力，在下滑清洗过程中能始终保持平稳姿态，并能很好的完成壁面清洗工作，具备较好的壁面适应性。
关键词：清洗机器人， PLC控制，负压吸附，密封模型
DEDIGN OF A WALL-CLEANING ROBOT
WITH SEVERAL SUCTION CUPS
ABSTRACT
At present, most cleaning work of skyscrapers' glass wall is performed by cleaners to data. It is hard work under horrible environment with low efficiency, moreover it is dangerous. Wall-climbing robot is a kind of mobile service robot, which can climb on the surface of building and clean it. This provides city construction industry with a highly efficient wall-climbing robot for cleaning glass wall automatically and improves the work efficiency and environment greatly.
At first, this paper introduces the research state of this kind of robots and then lays out the purpose and importance of this study. The author proposes a non-actuated wall-cleaning robot prototype using several suction cups with adhering alternatively method with reference to present foreign and domestic relevant research work. This paper introduces the detail constitution of the cleaning robotic system and analysis on operation principle of each component. The key technology in control system of this robot is expounded and the PLC control system is also presented.
The technical feasibility of the scheme is discussed and the implementation conditions are obtained when adhering, sliding down and cleaning simultaneously. Some possible occurring problems and corresponding solution measures are presented according to the new mechanism. Besides, the procedure of crossing obstacles of cleaning
robot, such as horizontal window frames, are planned and then analyzed.
Moreover, this paper presents fluidic network theory to analyze the negative pressure in the suction cups and get flow resistance and flow capacitance from the equivalent of the structure parameter of suction cups. To offer academic basis for designing suction cup, the author establishes a model of dual suction cups and vacuum pumps, and studies the dynamic response curves with different conditions based on fluidic network theory.
Finally, experimental results of the wall-cleaning robot are performed. The results show that the robot can keep proper posture and do excellent work in cleaning glass wall surface of high buildings. It proves that the posture and negative pressure control algorithm works well and the robot has good adaptability to wall surface.
Keywords: wall-climbing robot, PLC control system, negative pressure adhering, sealing model
上海交通大学
学位论文原创性声明
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学位论文作者签名：胡启宝
日期： 2007年 2 月 10 日
上海交通大学
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学位论文作者签名：胡启宝指导教师签名：赵言正
日期： 2007年 2月10 日日期：2007年 2月10日
第一章绪论
1.1 课题研究背景、目的及意义
爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。概括起来，爬壁机器人主要用于：
(1) 核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；
(2) 石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；
(3) 建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；
(4) 消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；
(5) 造船业：用于喷涂船体的内外壁等。
如此，将爬壁机器人应用于高楼玻璃幕墙清洗的问题就凸现出来。壁面清洗爬壁机器人也属于移动式服务机器人的一种，可在垂直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗作业。清洗爬壁机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有相当的社会、经济意义和广阔的应用前景。而目前针对此类机器人的研究还没有比较成熟、可靠的方案[1]。
玻璃幕墙清洗爬壁机器人的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命。同时通过更换其周边设备可适应其他的操作任务，其主要系统壁面移动机器人载体可以深入应用到核工业、石化、消防、造船等行业[2-7]。根据中华人民共和国行业标准“玻璃幕墙工程技术规范”（JG.J102-2003），其中关于玻璃幕墙的相关术语规定如下：由玻璃面板与支承结构体组成的相对主体结构有一定位移能力、不分担主体结构荷载和作用的建筑外维护结构或装饰性结构，通称为玻璃幕墙。由于城市景观和建筑艺术的要求，建筑的平面形状和竖向体型日趋复杂，墙面线条、凹凸、开洞也采用较多。幕墙几何造型丰富多彩，有竖直、斜面、圆柱面、棱台面、球面等。幕墙有明框、隐框、半隐框及全玻璃幕墙等结构形式。幕墙与房屋主体结构之间柔性连接，在水平、铅直、内外方向上预留微量变形余地，并在相邻玻璃间预留“伸缩缝”，缝隙下部用橡胶条隔开，以补偿温度影响。玻璃幕墙拼接胶缝宽度满足玻璃和胶变形程度，不宜小于
10mm，并且幕墙玻璃表面周边与建筑内、外装饰物之间的缝隙不宜小于5mm。
玻璃幕墙就结构形式而言分为：
1. 明框玻璃幕墙：金属框架的构件显露于面板外表面的框支承玻璃幕墙
2. 隐框玻璃幕墙：金属框架的构件完全没有显露于面板外表面的框支承玻璃幕墙
3. 半隐框玻璃幕墙：金属框架的竖向或横向构件显露于面板外表面的框支承玻璃幕墙
4. 全玻璃幕墙：由玻璃肋和玻璃面板构成的玻璃幕墙。
一般玻璃幕墙壁面上可能存在以下多种物体：突起的水平或竖直窗框、密封胶条、窗面凹缝及黑漆、泥块、纸屑、尘埃、油渍、积灰等污垢。国标中关于幕墙清洗要求如下：
1. 幕墙外表面的检查、清洗、保养与维修工作不得在4级以上风力和大雨(雪)天气下进行
2. 幕墙外表面的检查、清洗、保养与维修的作业中，凡属高空作业者，应符合现有行业标准《建筑施工高处作业安全技术规范》JGJ-80的有关规定
3. 业主应根据幕墙表面的积灰污染程度，确定其清洗次数，但不应少于每年一次
4. 清洗幕墙应按《幕墙使用维护说明书》要求选用清洗液
5. 清洗幕墙过程中不得撞击和损伤幕墙。
为此，本课题顺应当前服务清洗机器人的发展趋势，结合高楼玻璃幕墙的结构特点以及国标对玻璃幕墙清洗的规定，设计一种高楼玻璃幕墙壁面清洗机器人机构载体系统，并在此基础上，对负压吸附式爬壁机器人在复杂玻璃幕墙壁面上的适应性能力以及楼顶起吊安全系统防摆动控制进行研究，从而提高爬壁机器人的移动及工作性能，保证机器人的平稳、可靠、安全工作，改变当前城市玻璃幕墙清洗自动化水平落后的局面，促进清洗机器人系统早日投入实用化，解决人工清洗危险性大、效率低和成本高等问题。
1.2 爬壁机器人分类及比较分析
爬壁机器人能够在壁面上自由移动并完成一定功能，必须具备两大机能：吸
附机能、移动机能。吸附功能就是机器人通过面接触方式紧贴于壁面，按吸附方式一般可分为负压吸附、磁吸附、推力吸附。按移动方式一般又分为轮式、履带式和脚足式。
根据不同的贴附方式和移动方式，可以组合多种不同功能和用途形式的壁面移动机器人。负压吸附对壁面材料要求不严格，因此使用十分广泛。其中，单吸盘负压吸附式爬壁机器人吸附真空度的保持主要依赖于密封装置来维持。故而，壁面状况对其真空度的保持影响较大，且密闭装置在机器人壁面移动时一般与壁面间存在滑动，易磨损，对壁面适应性差。跨越沟槽或凹凸面时，若密封装置不可靠，则真空度不易于保持，安全性能差。而多吸盘脚式负压吸附式壁面移动机器人虽然对壁面适应性增强了，但移动是间断的，且移动速度也较慢[8-14]。
多吸盘履带式负压吸附爬壁机器人是在履带上装有多个独立的吸盘室。各室构成独立的吸盘，这样就综合了多吸盘脚式和单吸盘轮式的优点，使机器人不仅移动速度快，而且吸附可靠，越障能力强，对壁面适应性好。即使部分吸盘不能吸附时，其它吸盘照常吸附，保证了机器人在壁面移动安全可靠，且行走时，壁面与吸附带无滑动。但在机器人做急转弯时，履带与壁面间存在滑动，吸附带就会受到较大磨损。其他的各种推力式机器人的主要优点是它能够适应各种壁面且具有较强的避障能力，但是这种机器人负重能力非常差且不易控制，目前看来离实际应用还有较大距离。
对真空吸附的实现大致有三种方式：真空吸附、滑动密封负压吸盘和无密封负压吸盘。其中滑动密封负压吸盘一般采用充气橡胶密封裙边，通过调定合适的密封圈内气体压力，可以使密封圈较好地填补吸盘和壁面间的缝隙，从而使吸盘腔内形成一定的密封环境，对不平整壁面有一定的适应能力。
对于表面平整、摩擦系数小的玻璃壁面而言，采用滑动密封负压吸盘具有一定的优势：
1、容易实现连续运动，有利于提高运动速度；
2、吸盘内真空度较高，利于减轻机器人的总体尺寸和重量；
3、吸盘对玻璃面上小的胶条缝隙有一定的适应性；
4、吸盘和玻璃面之间摩擦力小，运动阻力小，可减少吸盘磨损；
因此，在玻璃幕墙清洗机器人的设计中可以优先考虑滑动密封负压吸盘。
1.3 爬壁机器人研究概况
1.3.1清洗服务机器人的研究发展概况
在机器人领域，工业机器人已经被大量投入使用，它们从事着高速度高精度的单调的工作，而且只有训练有素的人才会操作它。随着传感器、控制、驱动及材料技术等领域的技术进步，机器人除了应用在工业控制外，又开辟了新的领域－服务行业。服务机器人与工业机器人不同，它只需要与具备普通技术知识的人合作。在（部分）自动完成服务领域种各种各样的任务时，不可能像工业领域的机器人那样，总是具有良好结构化的或已知的环境。服务机器人与其工作环境的有关信息往往是多意的，不完全的或不准确的，而且可能随时间而改变。因此在部分已知或未知的环境中同时又要求自主执行任务时，就要求它用传感器探测环境，分析信号，以及通过适当的建模方式理解环境。所以服务机器人必须具有高度的灵活性，能够适应不断变化的条件。目前在许多领域已经进行了很大的努力来开发服务机器人系统，并力争在较大范围内使用它们。这些机器人系统尽管有不同的应用领域，但它们从事的工作则大体分为以下几种：维护保养、修理、运输、清洗、保安及救援、数据采集和其他方面。
维修清洗机器人被划分为服务机器人的几大应用领域之一，目前还仅用于大面积平面及物体的清洗，如车站、广场、马路等地面的自动吸附、清扫，飞机、船舶、桥梁的除垢清洁，高楼建筑物外墙及内壁面的清洗等。由于它的特殊工作性质，即服务机器人都要直接或者间接地与人接触，因此，它必须具有安全完备的避障系统，能够灵活控制。
第一个最为成功的例子就是受德国汉萨航空公司委托制作的“清洗巨人”(Sky wash)[15-17],如图1-1所示，其主要结构是一个作用距离为33米的多关节巨型伸缩臂，有11个自由度，冗余的运动链系使得它可以做各种复杂运动，而其结构不会有任何变化。清洗滚刷长1.2米，定位精度为50mm，滚刷与飞机外形精确匹配。该机器人安装在一个标准汽车底盘上，可以从四个位置出发，完成对飞机几乎所有表面的清洗工作。其特点是动作灵活，适合于各种规格的飞机。
图1-1 Sky wash在清洗现场
Fig. 1-1 Sky wash on site
壁面移动机器人可用来传递救援物质，但更广泛的用途是进行壁面的检查、测量、清洗等维护性工作。而用于壁面清洗的移动机器人需携带有效的清洗工具、水源、清洗液等，因此要求机器人的承载能力大。鉴于市场对这种壁面移动机器人的迫切需求，目前世界上多家研究机构都在进行这方面的研究与探讨。
德国马格堡的弗劳恩霍费尔自动控制与操作研究所(IPA)是德国主要的生产及自动化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自动系统。图1-2所示是其中之一，曾对柏林新建火车站的巨大玻璃隧道进行了自动清洗。该机器人悬挂在水平的横向轨道上，可沿轨道左右移动，同时横向轨道可以沿垂直导槽上下移动，从而完成对整块玻璃的清洗。
图1-2. IPA清洗机器人图1-3 日本固定轨道擦窗机
Fig.1-2. Cleaning Robot of IPA Fig.1-3.Wall-Cleanning Robot of Japan
日本BVE 公司成功研制的一种固定轨道式全自动擦窗机器人，如图1-3所示。机器人靠安装在楼顶的轨道及吊装系统使擦窗机对准窗户，沿固定安装在建筑物表面的导槽垂直上下移动进行自动清洗，清洗机构带有多个旋盘刷。该设备的自动化程度和效率都很高，但价格也很昂贵。另外，该设备是针对每一座建筑物的，要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去，铺设相应的轨道，这大大限制了该机器人的使用范围及效率。
国内在壁面自动清洗机的研究也已经做了相当工作，主要有如下一些单位： 哈尔滨工业大学研制的清洗玻璃壁面的CLE-II 型壁面清洗爬壁机器人，其系统总体如图所示。其技术特征是采用轮式移动机构、单吸盘吸附方式，移动速度较快、清洗效率较高、清洗效果也较好、操作方便、造价低，但不能跨越窗框等障碍[18-20]。
北京航空航天大学机器人研究所研制了Washman ，Cleanout-I 和蓝天洁士
-I 型等系列真空吸附足式擦窗机器人[21]，
适合于不同玻璃幕墙清洗。其主要技术特征是采用全气动驱动方式的框架式移动机构，并采用多足多吸盘吸附，因此对玻璃壁面的凹凸有一定的适应能力，清洗效果也较好、智能化程度高，但移动速度慢、清洗效率低、结构复杂且造价高。机器人系统由三部分组成：地面支援小车，随动小车以及擦窗机器人本体。地面支援小车装载空压机、污水回收、清水供给等单元。随动小车位于楼顶，分担部分机器人所承受的载荷和干扰力，并为系统安全提供保证。机器人本体是整个系统中沿窗面爬行的部分。机器人有X,Y 两个方向的两个双向作用作为驱动元件和结构框架。X,Y 方向的两个气缸的交替运动，实现机器人沿X,Y 方向的自主运动，在X 气缸的两端各有一个毛刷，在X 气缸带动下沿左右往复运动完成玻璃壁面擦洗工作。在X,Y 向气缸上，分别有
图1-4哈尔滨工业大学CLE-II 型壁面清洗爬壁机器人
Fig. 1-4 CLE-II washing-robot
四组16个以一定的方式排列的真空吸盘作为吸附装置，保证机器人具备跨越窗框的功能。机器人的控制采用程序控制与人工遥控相结合的方式，擦洗效率为2000～3000平方米/日。为使机器人具有自主移动能力，该机器人配备了相当数量的内外传感器，如光电编码器、真空度传感器、保险张力传感器、保险绳索倾角传感器、机器人倾角传感器、污水传感器、视觉传感器等。该机器人自重35kg ,能实现按照预先设定的擦洗程序对壁面进行清洗，并可通过全局遥控或以局部自主方式在垂直玻璃面上行走、擦洗检测窗框及跨越障碍等。图1-5为北航的多足式清洗机器人。
北航机器人研究所的张启先教授又研制出了一种利用航空技术原理的，型号为3W 的壁面清洗机器人[22]，这种新型擦窗机器人主体部分为一涵道风扇，由电驱动螺旋桨片高速旋转以产生指向墙面的推力，由装在楼顶的缆车通过缆绳拉动实现机器人的上下运动，其移动机构部分不带动力仅为四只导向轮，机器人的行进路线就是由这四只导向轮控制的。其清洗机构模仿人工操作而设计，先用湿布在玻璃上擦抹除去污垢，再用橡胶刮子刮去污水，清洗的速度可达每分钟10平方米，是人工清洗的5～10倍。机器人各部分运动的协调控制通过地面设备进行遥操作，机器人上装有摄像头及无线视频传输系统，可在地面监视机器人的工作情况，其样机如图1-6。
上海大学研制一种真空吸附轮式全方位车轮机构爬壁机器人[23]，其结构如图所示。该机器人采用全方位车轮机构，可在姿态保持不变的前提下沿任意方向直线行走，能跨越存在于机器人路径中的窗框类障碍。图1-7为上海大学研制的
图1-5北航的多足式清洗机器人
Fig 1-5 Cleaning Robot of BUAA 图1-6北航的3W 清洗机器人 Fig 1-6 Cleaning Robot 3W of BUAA
清洗机器人的结构简图。
香港城市大学和内地大学合作，研制了一系列高楼清洗爬壁机器人。
Cleanbot-I 采用北航机器人原型,Cleanbot-II 采用了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计,该机器人采用多个吸盘组成的吸附机构和单链条爬行及转向机构，它可以在玻璃幕墙和船壳等墙面上连续爬行,并有一定的越障能力。
Cleanbot-I Cleanbot-II 图1-8香港城市大学和国内大学合作研制的高楼清洗爬壁机器人
Fig 1-8 washing-robot of HK
图1-7 上海大学的清洗机器人
Fig 1-7 Cleaning Robot of SHU
1.3.2机器人壁面适应性的研究发展概况
爬壁机器人一般工作在高空危险环境，保证壁面爬行的安全稳定是爬壁机器人研究与开发中最重要的问题，而研究爬壁机器人对复杂壁面的适应能力是保证机器人壁面爬行稳定性的关键。国内外很多学者分别从爬壁机器人吸附机构，运动过程中的受力状态或从智能控制算法上入手，研究影响吸附装置产生吸附力大小的各种因素，分析提高爬壁机器人壁面爬行稳定性和适应性能力。
在针对改进吸盘结构角度提高机器人壁面适应能力的主要有：
日本的宏濑茂男研制了一种阀控多孔吸盘（Valve-regulated Multiple Sucker VM吸盘），其结构原理见图1-9所示。该吸盘由均布小空腔构成，利用各空腔底部的控制阀可以将吸盘真空腔与壁面缝隙之间隔离开，从而提高吸盘对壁面的适应能力。
图1-9 VM 吸盘
Fig. 1-9 VM Suction Cup
Tomoake YANO等人在其第一代真空吸附式足式爬壁机器人的基础上，开发的第二代自包容爬壁机器人。该机器人有两只脚，每只脚上有5个小吸盘，并配有两个空气阀，通过其中的凸轮机构使得在每只脚上同一时间内只有一个吸盘通气，从而能适应壁面因凹缝造成的空气泄漏。机器人共安装有三个电机，两个电机分别安装于每只脚上，驱动凸轮机构旋转，另外一个电机驱动两只脚的交替抬起和放下[23]。
Domenico Longo等人设计了一种无需驱动的“SCID”的爬壁机器人。该机器人主要结构是在机器人头尾两端分别有电磁铁吸盘，其运动只能在导磁性材料壁面上依靠重力的作用从上往下运动，当机器人一端电磁铁吸附，另外一端放松
时，在重力的作用下，通过机器人旋转关节的旋转机器人就向下运动[24]。
J.Savall等人设计了一种用于核电站危险环境下检测用的称为“ROBICEN III”的真空吸附足式爬壁机器人。机器人由四个真空吸盘提供吸附力。真空吸盘有一个旋转副，使机器人能适应曲面和球形壁面，并由一气缸使真空吸盘能上下抬放。在机器人机体两侧有平行的两个气缸，在如图中的位置安装有两个真空吸盘，当机器人机体上的两个气缸同时动作时，机器人可以实现直线行走；当该气缸动作不同步时，机器人可以实现转弯行走[25]。
Toshio FUKUDA等人研制了一种真空吸附履带式爬壁机器人，其真空吸盘安装于履带上，真空吸盘中的空气阀使用机械阀，保证吸盘的可靠性。该吸盘选用的材料为橡胶片和海绵片，因此真空吸盘既能随履带的运动而变形，又能适应比较粗糙的壁面[26]。
在针对机器人运动过程中的受力状态或从智能控制算法上入手提高机器人壁面适应能力的主要有：
T. AKINFIEV等人对永磁吸附六足爬壁机器人的壁面爬行的稳定性进行了研究，包括对倾覆和滑移两种失稳情况。其主要方法是根据机器人吸盘吸附于壁面的受力临界条件作为判断是否失稳的判据，由此给出在不同壁面倾斜角、不同负载下，机器人爬行稳定性的状态。此外，还对重力对该机器人在倾斜或垂直壁面移动时的规划轨迹偏移影响进行了研究，得到了纠正机器人姿态的一些简单算法[27]。
B.BAHR,Y.LI等人描述了一种可以借助吸盘从一个表面到达另一个表面的两腿移动机器人的动力学设计和安全分析。得到了三个人为约束方程形成雅克比工作矩阵，然后编写了一个估算反作用力和扭矩驱动力的程序，据此得出机器人最危险的位置。由于重力影响，还研究了变形吸盘上应力分布和机器人负载分布的大小[28]。
张海洪、谈士力等人对爬壁机器人全方位移动机构的运动学及越障能力进行了分析。通过对全方位移动轮在跨越障碍时的受力情况，给出了机器人跨越障碍的高度和轮子结构尺寸的关系。
邵浩等人对一种爬壁机器人在弧面上爬行时的吸附稳定性进行了分析，利用积分方程的理论分析了弧面爬行，提出了一种针对弧面爬行的爬壁机器人的弹簧
气垫式密封结构，并通过试验验证了此结构能够解决机器人在弧面上爬行时气体泄漏量大的问题；邵浩等人还对单吸盘爬壁机器人的吸附稳定性进行了分析计算，提出并采用变动力矩轴的方法，建立了爬壁机器人系统力学模型，解决了爬壁机器人吸盘压力分布函数不可解的问题，并在此基础上，分析了爬壁机器人在匀速爬行时的稳定吸附条件，为在爬壁机器人设计过程中确定一些主要参数提供了必要的理论基础，并得到了机器人在匀速运动时的稳定性分析的数学模型。通过这个模型，可以很方便地在机器人设计过程中确定合理的载荷，选择合适的密封气垫材料以及驱动轮的摩擦系数。这些为爬壁机器人吸附稳定性的研究提供了必要的理论基础。
Nikos Tsourveloudis等人提出一种模糊控制方法来调节和维持吸盘夹具机械手挟持柔性物体必要的吸附力。通过模糊逻辑控制方法，调节负压发生器两端电压大小，从而增强机械手夹具系统吸附不同柔性物体的适应性能力[29]。
Jizhong Xiao等人针对高度非线性系统微型爬壁机器人，设计了一种模糊运动规划器从而提高机器人对复杂壁面环境的适应能力[30-32]。
赵言正等提出一种流体网络理论分析方法用来分析单吸盘爬壁机器人的吸附特性[33]。该方法将吸盘流体模型等效为电路模型并利用电路分析的相关理论进行分析，得到了设计吸盘的一些基本原则，分析了吸盘在发生泄漏时对壁面的适应性能力。
徐泽亮等对履带式永磁吸附爬壁机器人壁面适应能力及其应用做了研究，包括永磁吸盘的设计、计算和优化以及越障能力分析。
1.4本文的主要研究内容及章节安排
本课题研究针对高楼玻璃幕墙的清洗机器人。主要研究内容包括:清洗机器人本体机构设计；机器人下滑过程中的受力分析；机器人吸盘吸附特性的分析研究；
基于以上研究，本论文各章主要内容安排如下：
第一章介绍了本课题的背景、目的和意义，对国内外清洗服务机器人的研究现状进行了分析，并介绍了课题的研究内容；
第二章提出了一种爬壁清洗机器人方案，阐述了机器人系统总体构成，并
侧重介绍了清洗机器人本体的设计；
第三章主要研究了清洗机器人的运动学特性，通过分析机器人的受力状况，得出机器人可靠吸附并顺利下滑的实现条件。并对此移动方式下机器人的越障过程进行了规划分析和实验验证；
第四章构造吸盘理想模型，同时基于流体网络理论研究清洗机器人吸盘的吸附特性，并通过针对性的实验加以验证。对机器人吸盘负压值闭环控制系统的实现提出了理论支持；
第五章对整个研究项目和本论文加以总结，并展望了今后爬壁清洗机器人的研发工作。
第二章清洗机器人本体系统设计
2.1引言
课题的目标是研制一种高楼玻璃幕墙清洗机器人，能够满足壁面适应性良好，清洗效率高，移动灵活，快速越障等特点。更好的代替人工进行城市高楼外表面的清洗工作。为此，对课题提出如下技术指标要求：
清洗机器人在手动和计算机控制下，能紧贴玻璃幕墙，由下到上的清洗整个大厦周围的玻璃及横向框架，并达到没有污渍、流痕、干净和清洁
的目的。
喷水及喷清洗剂系统能按要求操控并均匀的喷射，喷水压力要符合实际要求，污水必须回收，不能流到地面上，影响市容。
手动控制和计算机遥控功能必须能任意转换，自由操作，计算机必须在整个大厦的距离范围内能灵活应用（遥控距离可达200~500米，以满
足遥控功能为准）。
清洗机在整套及配套设备，包括配电柜，行走吊机及吊床装置，清洗系统，供水系统，供电系统，输出清洗剂系统，送线系统，手动及遥控系
统，污水收集系统等所有部分都必须能完整的配合操作，清洗机整套设
备能独立清洗，并能配合大厦的吊床自动清洗幕墙，并达到安全的、高
效的、干净的清洗整个大厦周围的玻璃幕墙和水平窗框。
清洗机必须能清洗跨越高2英寸以上的横框，宽度为2～3英寸。
清洗时不得损坏幕墙和玻璃，并可在人工能进行正常清洗工作的气候下进行清洗。
2.2 清洗机器人的本体系统结构设计
2.2.1 清洗机器人总体介绍
根据项目总体要求，结合现有技术，清洗机器人总体结构采用传统的三部