论文部分内容阅读
摘 要：针对传统壁面机器人存在的适应性差、费用高昂等问题，设计了一款自适应多壁面智能移动作业平台。平台作品基于间隙式负压吸附原理实现，搭载有气压传感器、光流传感器、陀螺仪等多种传感器，以及视频采集模块和4G无线传输模块，实现了多功能化应用，市场前景广阔。
关键词：智能移动作业平台
1 作品简介
针对目前在复杂环境下直立壁面或大倾角斜面上，机器人执行侦查、探测、清洁等作业的需求，开发了一种适应于多种材质壁面的负压吸附式智能移动作业平台。
作品基于间隙式负压吸附原理，将履带式行进装置融入吸附所需的密封装置中，构成增强密封性能的行进阻流机构，有效解决了传统负压吸附为增强密封效果而增大行走阻力的问题。同时，作品中搭载有气压传感器、光流传感器、陀螺仪等多种传感器，以及视频采集模块和4G无线传输模块，在实现对机体本身吸附负压、运行姿态、行走路径速度等的智能控制外，可进一步实时上传环境数据，利用远程服务器实现环境的三维重构和监测，为大数据背景下的工程应用提供数据支撑。该平台可进一步搭载不同的检测模块和机械机构，实现多功能化应用，以满足不同负载应用环境下的特殊作业需求。
目前试制样机已完成对多种直立壁面的运行测试以及传感器和视频数据采集，如图1所示。
样机平台的技术关键和指标如下。
（1）吸附技术：载荷比优于2，壁面平整度的偏差数值范围为-12～13 mm，且最大值不超过20 mm;
（2）移动技术：运行速度为8 m/min，工作电压为12 V，额定功率为240 W，续航能力为37 min（额定功率）;
团队还将进一步针对吸附结构优化、多传感器数据融合等进行深入研究，并朝着实用化方向不断完善和提升该作品。
2 工作原理
本作品研制的基于行进阻流机构的气密增强型可适用于多种壁面的小型无缆化智能移动作业平台具有路径追踪控制、无线视频传输等基本功能，预留了多种可拓展接口，并搭载了多类传感器，可满足不同需求。
作品搭载气压传感器、光流传感器、陀螺仪等多种模块。气压传感器实时监测密封腔内的气压值，光流传感器与陀螺仪监测机体位置和姿态，利用无线视频传输技术实现对机体的智能化控制，将采集信息反馈至服务器，实现人机交互，满足复杂环境下的作业需求，同时，可为基于大数据背景下的工程应用提供数据支撑。
除上述内容外，本产品还利用 PID 控制方法实现对密封腔内负压的自动调节，搭建出可用于各种城市壁面的远程遥控平台。平台具有路径追踪控制、无线视频传输等功能，并预留有多种可拓展接口，可满足不同应用场景的需求。
3 创新点
作品主要创新点总结如下：
（1）基于负压吸附原理，创新性地将履带运动装置嵌入密封腔内构成行进阻流机构，解决行走阻力与密封效果的矛盾，降低对壁面材质及粗糙度的要求;
（2）通过车载多种传感器、视频采集模块和4G无线模块实现对机体的智能控制及环境数据的实时反馈，并利用远程服务器，实现环境的三维重构和监控，亦可为大数据背景下的工程应用提供数据支撑;
（3）平台可搭载不同检测模块和机械机构，实现多功能应用，满足特殊工况下的作业需求。
4 市场前景
随着社会的不断发展，不同领域都对机器人有了更高的要求，能够灵活行走的小型机器人受到越来越多领域的青睐，主要体现为：
（1）高空作業：风电塔筒清洗、船舶侧壁除锈、火电炉壁检测等;
（2）智能巡检：石油站场巡检、高压电站巡检、码头港口安检等;
（3）侦查排爆：消防辅助救援、核电高危监控、军用侦查排爆等。
随着我国高空及斜面作业规模的不断增加，爬壁应用要求不断提高，人工成本逐年提升。爬壁机器人平台研究是集机械与材料学、电子与通讯技术、力学计算、传感器技术、控制技术等学科于一体的高科技成果的集中体现。小型多功能爬壁机器人具有小巧、灵活、适用性强等优点，其经济前景广阔。
经过市场调研，本设计的单机成本远低于市场传统同类机器人，若批量生产可进一步降低成本。
该平台设计预留了大量可拓展接口，机器人可通过搭载不同的模块满足不同的应用需求，目前平台已成功应用于光伏板运维和消防救援，相信该平台能够满足未来不同应用场景的需求。平台可通过人工智能、物联网、大数据等技术的加持与新技术融合应用，以有效满足不同行业、不同工况下的壁面作业需求，为“中国制造2025”做出贡献。
关键词：智能移动作业平台
1 作品简介
针对目前在复杂环境下直立壁面或大倾角斜面上，机器人执行侦查、探测、清洁等作业的需求，开发了一种适应于多种材质壁面的负压吸附式智能移动作业平台。
作品基于间隙式负压吸附原理，将履带式行进装置融入吸附所需的密封装置中，构成增强密封性能的行进阻流机构，有效解决了传统负压吸附为增强密封效果而增大行走阻力的问题。同时，作品中搭载有气压传感器、光流传感器、陀螺仪等多种传感器，以及视频采集模块和4G无线传输模块，在实现对机体本身吸附负压、运行姿态、行走路径速度等的智能控制外，可进一步实时上传环境数据，利用远程服务器实现环境的三维重构和监测，为大数据背景下的工程应用提供数据支撑。该平台可进一步搭载不同的检测模块和机械机构，实现多功能化应用，以满足不同负载应用环境下的特殊作业需求。
目前试制样机已完成对多种直立壁面的运行测试以及传感器和视频数据采集，如图1所示。
样机平台的技术关键和指标如下。
（1）吸附技术：载荷比优于2，壁面平整度的偏差数值范围为-12～13 mm，且最大值不超过20 mm;
（2）移动技术：运行速度为8 m/min，工作电压为12 V，额定功率为240 W，续航能力为37 min（额定功率）;
团队还将进一步针对吸附结构优化、多传感器数据融合等进行深入研究，并朝着实用化方向不断完善和提升该作品。
2 工作原理
本作品研制的基于行进阻流机构的气密增强型可适用于多种壁面的小型无缆化智能移动作业平台具有路径追踪控制、无线视频传输等基本功能，预留了多种可拓展接口，并搭载了多类传感器，可满足不同需求。
作品搭载气压传感器、光流传感器、陀螺仪等多种模块。气压传感器实时监测密封腔内的气压值，光流传感器与陀螺仪监测机体位置和姿态，利用无线视频传输技术实现对机体的智能化控制，将采集信息反馈至服务器，实现人机交互，满足复杂环境下的作业需求，同时，可为基于大数据背景下的工程应用提供数据支撑。
除上述内容外，本产品还利用 PID 控制方法实现对密封腔内负压的自动调节，搭建出可用于各种城市壁面的远程遥控平台。平台具有路径追踪控制、无线视频传输等功能，并预留有多种可拓展接口，可满足不同应用场景的需求。
3 创新点
作品主要创新点总结如下：
（1）基于负压吸附原理，创新性地将履带运动装置嵌入密封腔内构成行进阻流机构，解决行走阻力与密封效果的矛盾，降低对壁面材质及粗糙度的要求;
（2）通过车载多种传感器、视频采集模块和4G无线模块实现对机体的智能控制及环境数据的实时反馈，并利用远程服务器，实现环境的三维重构和监控，亦可为大数据背景下的工程应用提供数据支撑;
（3）平台可搭载不同检测模块和机械机构，实现多功能应用，满足特殊工况下的作业需求。
4 市场前景
随着社会的不断发展，不同领域都对机器人有了更高的要求，能够灵活行走的小型机器人受到越来越多领域的青睐，主要体现为：
（1）高空作業：风电塔筒清洗、船舶侧壁除锈、火电炉壁检测等;
（2）智能巡检：石油站场巡检、高压电站巡检、码头港口安检等;
（3）侦查排爆：消防辅助救援、核电高危监控、军用侦查排爆等。
随着我国高空及斜面作业规模的不断增加，爬壁应用要求不断提高，人工成本逐年提升。爬壁机器人平台研究是集机械与材料学、电子与通讯技术、力学计算、传感器技术、控制技术等学科于一体的高科技成果的集中体现。小型多功能爬壁机器人具有小巧、灵活、适用性强等优点，其经济前景广阔。
经过市场调研，本设计的单机成本远低于市场传统同类机器人，若批量生产可进一步降低成本。
该平台设计预留了大量可拓展接口，机器人可通过搭载不同的模块满足不同的应用需求，目前平台已成功应用于光伏板运维和消防救援，相信该平台能够满足未来不同应用场景的需求。平台可通过人工智能、物联网、大数据等技术的加持与新技术融合应用，以有效满足不同行业、不同工况下的壁面作业需求，为“中国制造2025”做出贡献。