● 摘要
高大建筑清洗机器人系统的作业对象是具有垂直或倾斜壁面的高大建筑。这些建筑的高度一般都超过数十米甚至数百米，其顶部或有屋檐伸出或有女儿墙凸起。面对这样的作业对象就要求机器人系统有一些特殊的结构。比如它的楼顶小车应有一悬臂伸出，以便使吊索躲开女儿墙或屋檐的遮挡。吊索不仅对机器人起到安全保护的作用，还要为机器人的上下行走提供牵引力。同时也要求机器人自身必须带有动力系统、传感系统以及控制系统，以使自己能够从自由吊挂状态下贴向壁面，并且在到达壁面以后又吸附在壁面上，从而进行行走及清洗作业。这样的机器人系统与一般的高大建筑吊篮系统有很大区别。本论文针对高大建筑清洗机器人系统的特点，抽象出物理模型，对它的力学问题进行了深入分析，通过理论和实验研究给出了一些在工程设计上可资参考或直接利用的设计准则。第一、对处于自由状态下“吊索-机器人”系统的非退化和退化情况进行了分析，指出适当地选择吊索的刚度、机器人的质量等参数可使系统避开内共振区。对考虑悬臂激励的“吊索-机器人”系统的主共振情况及其定常周期运动的稳定性进行了分析，给出了稳定与非稳定区域的分界线。分析了卷扬机工作时“吊索-机器人”系统的参变振动情况，给出了系统做参变共振的边界点。分析了楼顶小车做加速运动，且它的加速度与吊索摆动的角速度成比例关系条件下“吊索-机器人”系统的运动，并分析了其稳定性。第二、对机器人拉力及吸附力形成的机理进行了分析。机器人贴壁前的拉力由两部分组成：风扇叶片的拉力和风扇的负压吸附力（所谓的附壁效应）。机器人贴壁后的吸附力由风扇旋转形成的真空产生（所谓的真空吸附力）。第三、针对摆动和振动中的机器人如何贴壁吸附的问题提出了一种可以直接利用机器人摆动和振动的规律而无须等待机器人停止摆动和振动或楼顶小车的配合，只要把握启动风扇的时机，就可以使机器人贴到壁面并在其上“吸正”的被动控制方法。第四、分析了机器人本体在风扇拉力作用下与壁面贴合时碰撞的机理，指出采取缓冲措施是必要的，并给出了缓冲系统刚度的确定方法以及靠机器人裙边和导向机构吸收冲击能量的二者缓冲刚度的分配准则。第五、关于机器人本体刚度对机器人在壁面上的振动形态、清洗刷位置布局、机器人移动临界牵引速度等三个方面的影响进行了讨论，给出了在机器人本体刚度、几何尺度已知的条件下，使机器人只有振动或摇动出现的条件，以及机器人移动的临界牵引速度的确定准则。第六、利用经典的分析方法对依靠真空吸盘吸附、汽缸驱动、吊索分重的最短滑轨问题进行了研究，给出了几种不同阻尼情况下的最短滑轨设计准则及在弱阻尼状态下防碰撞传感器的最小工作范围。第七、通过研究吊索在垂直于壁面的平面内受到诸如风力、机器人在壁面上振动的扰动情况，给出了只考虑一阶主振动情况吊索抗风的设计准则及系统不发生共振诸参数的选用准则。第八、通过对“蓝天洁宝”实验样机的试验研究，应用本文得出的一些结论和准则对“蓝天洁宝”实验样机进行了部分理论上的验算，结果满足要求。