plc的攀爬清洗机器人控制系统设计
【摘要】攀爬清洗机器人是由行走机构，吸附机构，提升装置，清洗装置等几个部位组成代替人工进行高层建筑外壁面自动清洗的机械装置。在多年的发展下，攀爬清洗机器人已发展多种形式：如车轮式磁吸附爬壁机器人、单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。本文设计的方向是基于PLC的控制系统设计。我通过公司对攀爬清洗机器人的认识以及网上的资料的查询机器人基于PLC的控制系统。目标是机器人系统爬行的可靠和灵活、清洗作业装置的高效率。
目 录
引言 1
一、国内外爬壁机器人的概述
（一） 国内外爬壁机器人的现状 2
（二）爬壁机器人的发展趋势 3
（三）本课题主要研究内容 3
二、壁面爬行机器人的系统组成 3
（一）系统概况和关键结构 3
（二） 机器人安全性分析 7
（三） 机器人越障的实现 9
（四） 转向技术 9
（五） 保险系统 9
三、壁面爬行机器人的控制系统设计 10
（一） 上位PC机与PLC通讯 11
（二） PLC的?I/O?口分配及上位机和plc部分程序 12
（三） PLC控制机器人响应动作 15
结 论 17
参考文献 18
致 谢 19
引言
在现代科学技术的高速发展的背景下，把那些单调、机械重复、繁重、危险以及有毒有害的工作交给机器人已然成为社会发展的一个必然趋势。也是各大高新技术产业发展的一个大的方向及流行趋势。因为越来越多的复杂高危领域等被我们所接触，从而促使机器人走进了我们的生活以及各个领域各个行业。去避免重复劳动的产生及减少社会危害。在今天，服务行业已然成为新世纪一大新产业，不可忽视。随之以来的服务型机器人也诞生了。本文是在看到高楼大厦上的“蜘蛛人”从而引发的设想：利用机器人代替人工进行高层建筑外壁面自动清洗。
本文设计的方向是基于PLC的攀爬清洗机器人控制系统设计。目标是机器人系统爬行的可靠和灵活、清洗作业装置的高效率。
一、国内外爬壁机器人的概述
（一）国内外爬壁机器人的现状<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
br /> 1996年车轮式磁吸附爬壁机器人在日本应用技术研究所成功面世（图1.1），它能够吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人类进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m／min，适用于各种形状的壁面，而且不损坏壁面的油漆。
图1.1 车轮式磁吸附爬壁机器人
20世纪我国的哈尔滨工业大学机器人研究所也已成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人是由移动机构和吸附机构这两大部分组成的，其中移动机构由电机、减速器、车轮构成的。移动机构控制管理机器人的行走移动。而吸附机构又是由真空泵、压力调节阀、密封机构等机构构成的。控制机器人吸附在壁面上。原理是利用真空泵从负压腔中抽出空气，从而产生负压促使爬壁机器人吸附在壁面上。
l步进电机 2谐波减速器 3链轮 4单元吸附块 5框架 6链条
图1.2 磁吸附爬壁机器人本体结构示意图
双履带永磁吸附结构这种独特的结构被应用于永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人上（图1.2），十几二十个小磁铁被分别固定在机器人的两条履带上，利用磁铁独特的磁吸能力充当机器人和壁面之间的吸附力。移动的时候，因为履带是不停地循环在旋转，所以每一个时间点都会有一定数量的磁铁接触机器人的工作面，所以爬壁机器人与壁面之间的吸附力是维持恒定不变的。这样就使得爬壁机器人不会滑落而在壁面上稳定移动。
（二）爬壁机器人的发展趋势
伴随着工作表面的复杂化，传统爬壁机器人开始暴露出了很多缺陷的地方，比如无法跨越一些工作面上复杂的障碍物，体积太大、质量太重引起的吸附能力要求大等，所以我们面对的爬壁机器人的改善进化的方向还有很多路要走，必须往能解决具体现实问题的角度延伸改进。
（三）本课题主要研究内容
考虑到现实情况下爬壁机器人在最真实现场的作业的需求，具体分析爬壁机器人的所有系统。
1、爬壁机器人必定要在高层墙面进行移动清洗工作，所以机器人必须具有在墙壁上转向和前后移动的功能。另一方面，由于玻璃表面比较光滑，所以要求机器人必须要有较强的壁面适应能力，并能跨越一定的障碍。
2、机器人的控制系统必须要简单而且能实现机器人在高楼大厦的玻璃墙面上进行可行性的实际清洗情况，所以要保证控制系统的操作既可靠方便也能操作机器人进行所以的要求动作。设计一套操作可靠方便、功能齐全、采用主从式控制结构的控制系统。上位PC机作为人的操作控制部分控制PLC发出机器人的各项行为指令。
二、壁面爬行机器人的系统组成
（一）系统概况和关键结构
机器人能在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行，必须要有移动转向功能、吸附机器人的至工作表面的吸附机构、保障机器人意外滑落且不会跌落坠毁的保险装置以及人为控制机器人做出各项指令的操作控制系统。
图2.1 壁面清洗机器人的系统结构框图
1、 行走机构
爬壁机器人的移动模仿了坦克的行走方式。但是在坦克两条履带行走及专门的转向机构控制方向的基础上，爬壁机器人进行了基于现实操作情况的改变，因为爬壁机器人在爬行的时候进行移动行走的履带得被吸附在玻璃墙面上，所以两条履带的情况下爬壁机器人就无法实现转向动作，所以一般壁面机器人都是选择采用单履带模式。行走履带由许多个吸盘安装在一条封闭链条上，通过前后两个独立的链轮，来驱使滚动履带。用一个电机来控制前轮转向从而控制整个机器人的方向：电机转动则前轮偏转，相对应，履带就又被前轮带动偏移一些角度，这样运转下去爬壁机器人就实现转向动作，因为履带需要能够转向所以机器人选用的履带必须是柔软的。前轮转向，而后轮提供动力用于驱动爬行，由另一个电机来驱动。
2、 吸附机构
吸附机构是由吸盘及真空器等在链条上安装组成，吸盘安装在吸盘支撑板上，因为连杆和链条连接板之前摩擦力不够或导致滑动，所以通过连杆及弹簧两个零件连接吸盘支撑板和链条连接板。
3、 提升装置
提升装置(图2.2) 是为了防止履带上的吸盘在随着履带进行滚动靠近壁面时漏气情况的发生。当履带上没有吸附在壁面上的吸盘即将吸附在壁面上时，提升轨道会被吸盘支撑板上的滚轮驱使，相对于链条连接板提升轨道会一起提升吸盘支撑板和吸盘，吸盘靠近壁面即将吸附壁面时，会被弹簧弹回，最后靠近壁面吸盘组吸附壁面。
目 录
引言 1
一、国内外爬壁机器人的概述
（一） 国内外爬壁机器人的现状 2
（二）爬壁机器人的发展趋势 3
（三）本课题主要研究内容 3
二、壁面爬行机器人的系统组成 3
（一）系统概况和关键结构 3
（二） 机器人安全性分析 7
（三） 机器人越障的实现 9
（四） 转向技术 9
（五） 保险系统 9
三、壁面爬行机器人的控制系统设计 10
（一） 上位PC机与PLC通讯 11
（二） PLC的?I/O?口分配及上位机和plc部分程序 12
（三） PLC控制机器人响应动作 15
结 论 17
参考文献 18
致 谢 19
引言
在现代科学技术的高速发展的背景下，把那些单调、机械重复、繁重、危险以及有毒有害的工作交给机器人已然成为社会发展的一个必然趋势。也是各大高新技术产业发展的一个大的方向及流行趋势。因为越来越多的复杂高危领域等被我们所接触，从而促使机器人走进了我们的生活以及各个领域各个行业。去避免重复劳动的产生及减少社会危害。在今天，服务行业已然成为新世纪一大新产业，不可忽视。随之以来的服务型机器人也诞生了。本文是在看到高楼大厦上的“蜘蛛人”从而引发的设想：利用机器人代替人工进行高层建筑外壁面自动清洗。
本文设计的方向是基于PLC的攀爬清洗机器人控制系统设计。目标是机器人系统爬行的可靠和灵活、清洗作业装置的高效率。
一、国内外爬壁机器人的概述
（一）国内外爬壁机器人的现状<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
br /> 1996年车轮式磁吸附爬壁机器人在日本应用技术研究所成功面世（图1.1），它能够吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人类进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m／min，适用于各种形状的壁面，而且不损坏壁面的油漆。
图1.1 车轮式磁吸附爬壁机器人
20世纪我国的哈尔滨工业大学机器人研究所也已成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人是由移动机构和吸附机构这两大部分组成的，其中移动机构由电机、减速器、车轮构成的。移动机构控制管理机器人的行走移动。而吸附机构又是由真空泵、压力调节阀、密封机构等机构构成的。控制机器人吸附在壁面上。原理是利用真空泵从负压腔中抽出空气，从而产生负压促使爬壁机器人吸附在壁面上。
l步进电机 2谐波减速器 3链轮 4单元吸附块 5框架 6链条
图1.2 磁吸附爬壁机器人本体结构示意图
双履带永磁吸附结构这种独特的结构被应用于永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人上（图1.2），十几二十个小磁铁被分别固定在机器人的两条履带上，利用磁铁独特的磁吸能力充当机器人和壁面之间的吸附力。移动的时候，因为履带是不停地循环在旋转，所以每一个时间点都会有一定数量的磁铁接触机器人的工作面，所以爬壁机器人与壁面之间的吸附力是维持恒定不变的。这样就使得爬壁机器人不会滑落而在壁面上稳定移动。
（二）爬壁机器人的发展趋势
伴随着工作表面的复杂化，传统爬壁机器人开始暴露出了很多缺陷的地方，比如无法跨越一些工作面上复杂的障碍物，体积太大、质量太重引起的吸附能力要求大等，所以我们面对的爬壁机器人的改善进化的方向还有很多路要走，必须往能解决具体现实问题的角度延伸改进。
（三）本课题主要研究内容
考虑到现实情况下爬壁机器人在最真实现场的作业的需求，具体分析爬壁机器人的所有系统。
1、爬壁机器人必定要在高层墙面进行移动清洗工作，所以机器人必须具有在墙壁上转向和前后移动的功能。另一方面，由于玻璃表面比较光滑，所以要求机器人必须要有较强的壁面适应能力，并能跨越一定的障碍。
2、机器人的控制系统必须要简单而且能实现机器人在高楼大厦的玻璃墙面上进行可行性的实际清洗情况，所以要保证控制系统的操作既可靠方便也能操作机器人进行所以的要求动作。设计一套操作可靠方便、功能齐全、采用主从式控制结构的控制系统。上位PC机作为人的操作控制部分控制PLC发出机器人的各项行为指令。
二、壁面爬行机器人的系统组成
（一）系统概况和关键结构
机器人能在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行，必须要有移动转向功能、吸附机器人的至工作表面的吸附机构、保障机器人意外滑落且不会跌落坠毁的保险装置以及人为控制机器人做出各项指令的操作控制系统。
图2.1 壁面清洗机器人的系统结构框图
1、 行走机构
爬壁机器人的移动模仿了坦克的行走方式。但是在坦克两条履带行走及专门的转向机构控制方向的基础上，爬壁机器人进行了基于现实操作情况的改变，因为爬壁机器人在爬行的时候进行移动行走的履带得被吸附在玻璃墙面上，所以两条履带的情况下爬壁机器人就无法实现转向动作，所以一般壁面机器人都是选择采用单履带模式。行走履带由许多个吸盘安装在一条封闭链条上，通过前后两个独立的链轮，来驱使滚动履带。用一个电机来控制前轮转向从而控制整个机器人的方向：电机转动则前轮偏转，相对应，履带就又被前轮带动偏移一些角度，这样运转下去爬壁机器人就实现转向动作，因为履带需要能够转向所以机器人选用的履带必须是柔软的。前轮转向，而后轮提供动力用于驱动爬行，由另一个电机来驱动。
2、 吸附机构
吸附机构是由吸盘及真空器等在链条上安装组成，吸盘安装在吸盘支撑板上，因为连杆和链条连接板之前摩擦力不够或导致滑动，所以通过连杆及弹簧两个零件连接吸盘支撑板和链条连接板。
3、 提升装置
提升装置(图2.2) 是为了防止履带上的吸盘在随着履带进行滚动靠近壁面时漏气情况的发生。当履带上没有吸附在壁面上的吸盘即将吸附在壁面上时，提升轨道会被吸盘支撑板上的滚轮驱使，相对于链条连接板提升轨道会一起提升吸盘支撑板和吸盘，吸盘靠近壁面即将吸附壁面时，会被弹簧弹回，最后靠近壁面吸盘组吸附壁面。
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