基于气旋流无接触式吸附技术的爬壁清洗机器人系统的关键技术研究

Targeting on the wall cleaning of high buildings, the project will develop a wall-climbing cleaning robot system. The system consists of several cleaning robots and a multifunctional vehicle. The cleaning robot uses the noncontact suction technology of rotational air flow, thus has the abilities of climbing rough walls, passing through 40-mm high obstacles, moving flexibly, and working in a dirty environment, which is completely superior to the traditional wall-climbing robots. The applicant will study the key technologies and scientific problems, including force- transmission mechanism, flow patterns of rotational flow in semi-open boundary condition, theoretical models of high-speed rotational flow, and the measurement-integrated method for force estimation, etc. At the same time, the applicant will develop an efficient operation system using camera vision and wireless distance measurement technology. In the period of the project, the applicant along with the cooperation partners will clean 10 high buildings, and carry out demonstrative cleaning on the Shenzhen KingKey Financial Center (400 meters high), Shenzhen Tianli building (150 meters high) and Shenzhen Yanxiang Technology Building (90 meters high), such that the project can attract social attention.

针对高层建筑物的外墙清洗问题，本项目拟研发一套爬壁清洗机器人系统。项目采用“爬壁清洗机器人 + 多功能箱车”的整体设计方案。爬壁清洗机器人采用气旋流无接触式吸附技术，具有“可攀爬粗糙墙面、能通过凸起障碍物（最大高度40毫米）、移动灵活、能适应污浊工况”的优越性能，彻底突破传统的爬壁机器人的技术局限。申请人将深入研究“气旋流的力传递机制”、“半开放边界条件下的旋转流动机理”、“高速旋转流场的理论模型构建”、“融合压力特征点实测值的吸附力推定方法”等科学问题，为爬壁机器人吸附机构的性能提升奠定理论基础。同时，申请人还将结合摄像视觉和无线测距技术为爬壁清洗机器人开发一套高效的操控作业系统。在项目期间，申请人和合作单位将完成清洗高楼10座以上，并在深圳地标京基100（高400米）、深圳天利中央商务大厦（高150米）、深圳研祥科技大厦（高90米）实施示范清洗作业，以期获得社会的关注。

针对竖直立面的清洗问题，本研究研制了一种基于电动气旋流无接触式吸附技术的爬壁清洗机器人，按计划完成了研究内容，取得了以下创新研究成果。.(1) 本研究建立了电动气旋流无接触式吸附机构（下称吸附机构）的理论模型，阐明了气旋流的边界条件与速度梯度、压力分布的相互影响机制，并进一步提出了两种改变旋转流动边界条件的优化设计方法（增设薄圆盘、增设柔性裙边），使机器人不仅能够攀爬粗糙墙面，还能通过高度40毫米以上的凸起障碍物，彻底突破传统的爬壁机器人的技术局限。.(2) 本研究通过改变吸附机构的流体介质（由空气改为水）大幅提高了吸附力、吸附力-功率比和吸附力-重量比，使机器人在粗糙的表面上具有了更显著的节能优势和轻量化优势，也大幅提升了机器人的负重能力。.(3) 本研究提出了根据进气口处和间隙入口处压强来估测无接触间距和吸附力的方法，确立了吸附力和转速、间距之间的函数关系，并构建了吸附力的闭环控制系统，实现了机器人在不同工况下的吸附力控制。.(4) 针对竖直立面上的自然特征稀少和特征重复性较高的问题，本研究提出了基于固定相机的视觉检测+投影变换定位方案，直接预测投影矩阵参数值的STN-Homography模型以及基于多尺度视觉特征进行投影矩阵四点参数化值估计的HomographyFpnNet模型，有效地降低了投影矩阵估计的误差。.(5) 针对机器人视觉定位方案中的位姿检测问题，本研究提出了全局目标框检测器结合局部位姿检测器的方案，提高了位姿检测的精度和速度。实验表明，像素定位误差在2~3pixel，方向角预测误差的均值为1.1度，满足机器人在竖直立面上的位置检测精度要求。.(6) 本研究成功地将机器人及其控制系统应用到光伏电站的清扫、大型油罐的除锈等实际场景中，取得了非常好的应用效果，为今后的进一步推广应用奠定了实践基础。. 在本项目实施期间，培养博士生3人、硕士生8人，发表和录用论文19篇，获得16项发明专利授权（中国5项，美国4项，日本4项，欧洲3项），并完成了4个发明专利、金额120万元的专利成果转化。

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