真空吸盤式獨立行走爬壁機器人的設計【優(yōu)秀設計文檔】

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摘要 摘 要 近年來，隨著社會的發(fā)展，樓層越來越高，使用玻璃幕墻的樓房也越來越多，避免清洗時一個很重要的問題，傳統(tǒng)的方式多數(shù)為人工，或者是采用電纜從樓頂將機器人吊下，工作效率偏低，危險性高，于是清洗用爬壁機器人應運而生，本文的任務就是設計一種能夠在壁面上吸附行走的清洗爬壁機器人。 本文在簡單介紹爬壁機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，基于三維軟件 一些關鍵部分進行了設計計算及校核計算，重點是爬壁機器人的移動結構、吸附結構和驅(qū)動系統(tǒng)的設計計算。 本文設計 的爬壁機器人采用四輪式小車形狀結構，結構簡單；采用真空吸盤吸附方式，設計一個月牙形的真空艙，利用機械結構完成機器人真空吸盤的吸附與排氣控制，避免在每個真空吸盤配備傳感器的需要，降低了控制難度；采用后輪驅(qū)動，一個電機驅(qū)動兩個后輪，后輪帶動前輪完成機器人的行走，使用蝸輪蝸桿傳動裝置作為減速器；采用地面供電，地面提供負壓的方式；機器人可以在水平面或者垂直表面直線行走。 關鍵詞：真空吸附 蝸輪蝸桿機構 電機驅(qū)動 四輪式小車 n of to a of of or a of be a is to a on to on on on on on of by of a of of of to a to of a a of to or 目錄 i 目錄 第一章 緒論 ......................................................... 4 課題的研究背景 ............................................ 4 內(nèi)外爬壁機器人的研究現(xiàn)狀 .................................. 5 內(nèi)外爬壁機器人的發(fā)展趨勢 .................................. 6 ....................... 7 ..................................................... 8 第二章 軟件介紹 ..................................................... 9 第三章 爬壁機器人的設計方案 ....................................... 13 ........................................ 13 ........................................ 13 ............................................ 14 壁機器人的總體結構 .................................. 15 動裝置和吸附裝置的設計 .............................. 15 速裝置及傳動裝置的設計 .............................. 19 軸器和軸承選擇 ...................................... 24 壁機器人機體建模 .................................... 24 ..................................... 25 第四章 結論 ........................................................ 27 參考文獻 ...........................................未定義書簽。 致謝 ??????????????????????????????? 29 4 致謝爬壁機器人設計 第一章 緒論 機器人是傳統(tǒng)的機構學與現(xiàn)代電子技術結合的產(chǎn)物，是計算 機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多學科綜合性高科技產(chǎn)物，他是一種高速運行、重復操作和精確度較高的自動化設備。以機器人代替人類從事各種危險、繁重、重復、單調(diào)及有毒有害的工作是社會發(fā)展的一個趨勢。 爬壁機器人是機器人的一個分支，主要運用于壁面和頂部內(nèi)部進行清洗、消防、檢修等移動作業(yè)，現(xiàn)代社會中，在許多場合實施作業(yè)必須采取安全防護措施，而這些工作對對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重要的作用。爬壁機器人是得到了大力發(fā)展的其中的主要的開發(fā)項目。目前，已經(jīng)有相當數(shù)量的爬壁機器人已經(jīng)投入或?qū)⒁度胱鳂I(yè)現(xiàn)場作業(yè)，主要應用有 以下幾個方面： （ 1） 核工業(yè)：對核廢液儲罐進行視覺檢查、測厚、探傷等； （ 2） 石化企業(yè)：對儲罐的內(nèi)表面進行檢查、除銹等處理； （ 3） 建筑行業(yè)：安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃等； （ 4） 消防部門：傳遞救援物質(zhì)，進行救援工作等； （ 5） 造船行業(yè)：對船體或內(nèi)壁進行噴涂等； （ 6） 電力行業(yè)：電站鍋爐水冷管壁厚的檢測等。 爬壁機器人必須具有兩個基本功能：在壁面上的吸附功能和移動的功能，以這兩個功能為基礎可以將爬壁機器人分為若干種 [1]。 課題的研究背景 近年來 ,我國城市面貌發(fā)生了翻天覆地的變化 ,高層建筑拔地而起 ,不僅節(jié)約了土地資 源 ,也使城市面貌煥然一新 ,成為城市現(xiàn)代化水平的重要標志之一。很大一部分樓房的壁面加了玻璃幕墻。建筑物的外包覆層不僅增加了建筑物的外觀美，同時也使得它們更有耐久性。但也帶來了如高空擦洗玻璃、高空消防急救、高空建筑施工等難題。以高層建筑外墻面的清洗為例 ,目前多采用吊籃懸吊或用液壓升降臺升降的人工作業(yè)方式 ,但其勞動強度大、效率低、安全隱患多。開發(fā)與應用清洗用機器人系統(tǒng)可以解放從事于這種危險工作的勞動力，同時可以做到對高大建第二章 軟件介紹 5 筑物的墻壁的自動清洗，更深層次的是，可以提高建筑維修行業(yè)的技術水平和生產(chǎn)力。同時清洗機器人系 統(tǒng)可以用于不同的建筑物，這樣就可以節(jié)省很多由于個別的建筑物而搭建清洗系統(tǒng)的花費。 以此為背景 ,研究人員設計提出了多種解決壁面清洗機器人的方案。但仍存在著一定的局限性。如磁力吸盤爬壁機器人只能用于導磁金屬壁面上 ,而對普通玻璃墻壁無法適用 ;許多大型懸掛清洗機器人要求有樓頂懸掛機構 ;履帶式機器人轉(zhuǎn)彎困難等 ,為應用帶來困難。本次畢業(yè)設計介紹一款真空吸盤式獨立行走爬壁機器人 ,它無需樓梯懸掛機構 ,巧妙地運用了機械傳動機構實現(xiàn)吸排氣的控制。 內(nèi)外爬壁機器人的研究現(xiàn)狀 爬壁機器人作為機器人的一個分支，發(fā)展歷史也 是比較長，早在 1966年，就有人設計出了一臺簡單的原理樣機：是在日本大阪府立大學工學部任講師的西亮，利用電風扇進氣低壓空氣產(chǎn)生的負壓為吸附動力制作的，這被看做是爬壁機器人的研究開端。自此，爬壁機器人技術在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，在這一領域，日本所取得的成績最為突出，美國、英國、意大利等多個國家也取得了不小的成就；在國內(nèi)，對爬壁機器人的研究，是由哈爾濱工業(yè)大學在 1988年率先進行的，發(fā)展到現(xiàn)在，經(jīng)過了二十幾年的發(fā)展歷程，先后加入了一些大學及研究所等研究機構；如：上海交通大學、北京航空航天大學、長春光機所、 上海大學等，他們?yōu)閲鴥?nèi)爬壁機器人的研究做出了重要貢獻，到目前為止，國內(nèi)的爬壁機器人技術也取得了不小的進展。已經(jīng)有將機器人投入使用的先河：如 2001年由北航設計的用來清洗上?？萍疾┪镳^的 （ 1）爬壁機器人移動機構的研究現(xiàn)狀 目前有很多實現(xiàn)在光滑垂直墻壁安全移動的方案：輪式，履帶式，多腿等。 輪式和履帶式爬壁機器人已經(jīng)比較常見，它們的優(yōu)點是，移動速度相對較快，結構比較簡單，但是不適用于清洗有障礙物的玻璃幕墻，而且不能自動完成地面和墻壁之間的轉(zhuǎn)移。多腿的機器人在運動學上很復雜，因為自由度太多，但 是這也是它的優(yōu)點，它可以自動處理障礙物。 （ 2）爬壁機器人吸附裝置的研究現(xiàn)狀 傳統(tǒng)爬壁機器人的吸附方式有兩種形式：真空吸附和磁吸附。真空吸附方式6 致謝爬壁機器人設計 不受壁面材料的限制，但是容易在凹凸不平的表面漏氣，導致吸附力下降，承載能力比較低。磁吸附方式有電磁體和永磁體兩種方式，與真空吸附方式相比，磁吸附形式對壁面的凹凸適應性較強，吸附力大，也不存在漏氣的隱患，但是要求壁面必須是導磁材料，因此對磁吸附式爬壁機器人的工作環(huán)境有限制。 在爬壁機器人壁面吸附方面，國內(nèi)外的研究機構或研究者已經(jīng)取得了不小的進展。 應用于金屬壁面的爬壁 機器人，因為磁吸附式爬壁機器人的優(yōu)點，通常情況下都是磁吸附式，同時，爬行機構一般采用履帶式結構，其爬行速度較快，控制也比較方便。其采用的次吸附方式多為永磁吸附，因為永磁吸附吸附力大，且不需要考慮斷電的可能性，安全性比較高。由于這些吸附方式各自都有局限性，所研制的爬壁機器人往往針對性較強，只適用于某種特定任務，較難通用化。機器人的設計需要針對工作任務、環(huán)境，選取合適的吸附方式。近年來，人們通過研究壁虎等爬行動物腳掌的吸附機理，制作出高分子合成的粘性材料，這些材料利用分子與分子之間的范德華力，在很小的接觸面積上 就可獲得巨大的吸附力，而且具有吸附力與表面材料特性無關的優(yōu)點 （ 3）爬壁機器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 在無障礙的避免運行時對機器人的控制相對比較簡單，然而越障能力是爬壁機器人壁面適應性能的一個重要指標。當工作面上有凸起、溝槽時，機器人要通過這些障礙物，就必須有足夠的越障能力。由于爬壁機器人工作于壁面的特殊性，移動機構常和吸附機構存在耦合，這給機器人的運動控制帶來了一些困難。如多吸盤足式爬壁機器人，腿末端各有一個吸盤，每移動一個腿需要完成“消除吸力一抬腿一邁腿一落腿一產(chǎn)生吸附力”一系列動作。在此過程中，機器人移動 機構的動作要和吸附機構相互協(xié)調(diào)，才能保證機器人在壁面上的靈活移動。此外，也有移動機構與吸附機構分離的，如單吸盤爬壁機器人，吸盤可持續(xù)吸附，驅(qū)動輪連續(xù)運動實現(xiàn)機器人的移動，運動控制較為簡單 [2]。 內(nèi)外爬壁機器人的發(fā)展趨勢 驅(qū)動、傳感、控制等硬軟件技術的發(fā)展極大地推動了爬壁機器人技術的發(fā)展 ,實際應用的需求也對爬壁機器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn) ,爬壁機器人的發(fā)展趨勢歸結第二章 軟件介紹 7 起來主要有以下幾方面 。 (1)新型吸附技術的發(fā)展。吸附技術決定了機器人的應用范圍，目前應用比較成熟的吸附技術主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很 大的局限性 ,在很多情況下難以滿足實際應用的要求。因此 ,開發(fā)和研究新型吸附技術是當前爬壁機器人領域的一個重要方向，其中，仿壁虎腳掌仿生粘性材料的發(fā)展是當前新型吸附技術發(fā)展趨勢。 (2)爬壁機器人的任務由單一化向多功能化方向發(fā)展。過去所研制的爬壁機器人大多用于清洗、噴涂、檢測等作業(yè) ,作業(yè)任務往往只局限于單一的任務。而目前人們則希望爬壁機器人能夠裝備多種工具 ,在不同的場合進行工作，實現(xiàn)一機多用的功能。這樣可以減小人類使用機器人的成本，有利于爬壁機器人的發(fā)展。 (3)小型化、微型化是當前爬壁機器人發(fā)展的趨勢。在滿足 功能要求的前提下 ,體積小、質(zhì)量輕的機器人可較小能耗 ,具有較高靈活性 ,可以承載更多的負荷，有利于實現(xiàn)爬壁機器人的多功能性，并且在某些特殊場合也需要機器人具有小的體積。各種微型驅(qū)動元件、控制元件及能源供應方式的發(fā)展 ,以及在納米材料方面取得的進步，為小型化、微型化奠定了基礎。 (4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(fā)展。帶纜作業(yè)極大地限制了機器人的作業(yè)空間 ,所以 ,為了提高機器人的靈活性和擴大工作空間 ,無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機器人的發(fā)展趨勢。 (5)由簡單遠距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結合 ,使機器人在封閉環(huán)境中能 夠具有一定的自主決策能力 ,完成任務 ,并具有自我保護能力 ,是移動機器人發(fā)展的重要方向 ,也是爬壁移動機器人的重要發(fā)展方向。 (6)可重構是機器人適應能力的一項重要指標。為了使機器人能夠應用于不同場合 ,根據(jù)任務需求 ,在不需要重新設計系統(tǒng)條件下 ,充分利用已有的機器人系統(tǒng) ,應使機器人具有可重構性 ,即具有模塊化結構。根據(jù)任務需求 ,可以把需要的模塊直接連接起來組成新的機器人。此可以大大降低機器人的制造成本 [2]。 面自動清洗機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 目前壁面自動清洗機器人已成為國內(nèi)外的一個研究熱點。國外在這方面 比較有代表性的有日本通產(chǎn)工業(yè)技術設計院、日本三菱電機公司、美國國際機器人技8 致謝爬壁機器人設計 術公司、英國樸茨茅斯理工學院等，國內(nèi)比較有代表性的有哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、上海大學等。目前國內(nèi)外開發(fā)出的壁面自動清洗機器人歸納起來主要有兩種類型：一種是為研究而研制的實驗性壁面清洗機器人，另一種是為應用而開發(fā)的實用性壁面清洗機器人。從實用化和產(chǎn)業(yè)化的角度出發(fā)，壁面清洗機器人的主要研究技術方向為 : 方面開發(fā)出新的壁面清洗裝置，清潔、高效的清洗壁面；另一方面開發(fā)出高效的清洗裝置的載體 (即機器人 本體 )，提高機器人的機動性、靈活性。 滿足特殊壁面的清洗要求如階梯狀表面、傾斜面、球型面等外墻面。 可靠性和通用性的壁面清洗機器人 [3]。 計內(nèi)容 本次畢業(yè)設計的任務是設一款真空吸盤式獨立行走爬壁機器人 ,是一個形體約為 500400100長方體四輪小車，每個車輪都分兩排裝設有 24 個真空吸盤，由地面的真空泵提供負壓。它無需樓梯懸掛機構 ,巧妙地運用了機械傳動機構實現(xiàn)吸排氣的控制。該機器人的設計是這樣實現(xiàn)的： 爬壁機器人最主要的要求是 能夠在墻壁吸附行走，所以首先在確定的總體結構的基礎上設計吸附裝置，即輪子與真空發(fā)生裝置，運用了一種機械傳動結構實現(xiàn)機器人稀奇排氣的控制；然后設計傳動減速裝置，選擇合適的電機后，采用蝸輪蝸桿裝置，選擇聯(lián)軸器和軸承等傳動裝置；最后建立機器人小車的模型，并對其基于 動分析，進一步改善機器人結構。由于能力有限，所以本次設計只要求機器人能夠在墻壁上上下行走即可，不要求轉(zhuǎn)彎。 第二章 軟件介紹 9 第二章 軟件介紹 本次畢業(yè)設計，是基于軟件 首先設計出輪子、真空艙、減速傳 動裝置和機器人機體等，然后再用該軟件裝配，最后基于 傳統(tǒng)的機械設計中，首先要構思設備三維結構，繪制相應的機械零件圖、裝配圖等二維圖紙，然后進行尺寸鏈分析，繪制機械運動部件的特定位置圖或者求解運動方程，檢驗各個運動部件的結構和裝配尺寸、運動規(guī)律是否合格。以往計算機輔助設計以二維圖紙繪制為主，直觀性差。 軟件，即 用 E，問世于 1988年。 10多年來，經(jīng)歷 20余次的改版，已成為全世界及中國地區(qū)最 普及的 3D 以實現(xiàn)機械零部件的實體建模、虛擬裝配、運動仿真、強度分析等工作，具有直觀、便捷等特點，是現(xiàn)代機械設計中非常重要的設計工具之一。 與二維繪圖軟件相比，三維設計軟件 可進行結構分析、虛擬裝配和干涉檢驗、機構動力學分析、強度分析、工業(yè)造型設計和模具設計、工程圖制作等功能，可自動生成多視圖的二維圖紙并自動標注。所有在三維模型上所做的修改可即刻反映在所有生成的二維圖紙上。建立好的三維模型經(jīng)過渲染后，可以直接作為產(chǎn)品宣傳的內(nèi)容， 表現(xiàn)產(chǎn)品形態(tài)、功能等。相對二維圖形，三維模型更易實現(xiàn)數(shù)控代碼的生成 從而使用戶縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間并簡化了開發(fā)的流程 。 (1)基于特征的參數(shù)化建模 參數(shù)化設計是一種使用重要幾何參數(shù)快速構造和修改幾何模型的造型方法。參數(shù)化模型通過調(diào)整幾何參數(shù)來修改和控制幾何形狀，從而自動實現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。這些幾何參數(shù)包括模型定型、定位尺寸等。不同于 構建特征入手，建立零件數(shù)字化模塊。參數(shù)化技術以約束為核心。優(yōu)點主要有： a．對設計人員的初始設計要 求低。提高了設計的柔性。 10 致謝爬壁機器人設計 b．便于系列化設計。同種規(guī)格零件的不同尺寸系列可在一次設計成型后通過修改尺寸得到。節(jié)省了大量的重復設計時間，簡便快捷，為數(shù)字化制造建立了基礎。 c．便于隨時編輯、修改，滿足反復設計要求。 （ 2）全相關性 的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā) 揮其作用。 （ 3）工程數(shù)據(jù)再利用 三維實體造型將三維實體模型用于機械產(chǎn)品的 戶可以隨時計算出產(chǎn)品的質(zhì)量、體積、慣性矩等相關的物理量、幾何量，可迅速了解產(chǎn)品的結構，掌握產(chǎn)品的信息，減少人為計算時間。 （ 4）在裝配圖中構建實體 根據(jù)已建好的實體模型，在裝配中，利用其特征（平面，曲面或軸線）為基準，直接構建新的實體模型。這樣建立的模型便于裝配，在系統(tǒng)默認狀態(tài)下，完成裝配。 軟件在產(chǎn)品開發(fā)中的應用 (1)零部件設計： 這是 計者首先規(guī)劃出要設計的零部件的功能、形 態(tài)，然后利用 一些基本幾何體進行加工并最終形成滿足設計要求的直觀三維零部件模型。該模型的建立是后續(xù)機構運動分析、裝配仿真等工作的基礎。 (2)運動仿真與分析： 機構運動仿真技術就是通過對機構添加運動副、驅(qū)動器，使其運動起來，實現(xiàn)機構的運動模擬。機構運動仿真可以在任意時刻查看各個組成部件的位置、速度、加速度、軌跡、位移、運動干涉等參數(shù)并加以分析，根據(jù)結果調(diào)整模型設計，以達到最優(yōu)的零件機構配置。機構仿真還可分析力與運動之間的關系，分析運動量以及各運動副之間的相互運動關系，關鍵部件的 受力情況，實時測量指定部分的第二章 軟件介紹 11 各種參數(shù)并繪制相應曲線、圖表，可直觀了解運動主體上某點的運動軌跡。 （ 3）生成工程圖， 可以用來實現(xiàn)基于實體建模的工作流程而生成工程圖紙，用戶可以輕松地生成和保存 2于工程圖紙和 3此當用戶修改生成視圖的 3件視圖、尺寸和注釋等都自動更新，節(jié)約了圖紙管理和維護的時間。 3）本次畢業(yè)設計過程中對 學習了該軟件基本功能的實現(xiàn)，利用該軟件進行機器人的輪子、吸附裝置和真空艙的設計，爬壁機器人建模，對機器人進行仿真 [7]。 12 致謝爬壁機器人設計 第三章 爬壁機器人的設計方案 13 第三章 爬壁機器人的設計方案 根據(jù)此次設計的要求，簡單檢驗機器人的吸附力的強弱，確定機器人的自重以及所要攜帶的裝置的重量對于機器人的安全運行的影響，如果再加上機器人在墻壁上行走時的傾覆力矩的檢驗計算，就可以確定是否可以將真空泵安置在機器人上，以及能夠攜帶的清洗裝置的多少。然后依次設計出機器人的吸附裝置，傳動裝置等，初步建立機器人小車的模型。 壁機器人的工作過程 本次畢業(yè)設計的任務是設計一個爬壁機器人，采用真空吸附四輪式機器人，結構類似于小車，是用來清 洗高層建筑物上的玻璃幕墻，所以要求設計的爬壁機器人能夠攜帶清洗結構，在玻璃幕墻上按照一定的路徑行走，與此同時，機器人攜帶的清洗機構能夠完成對玻璃幕墻的清洗工作。 壁機器人的基本功能 爬壁機器人要能夠完成對高層建筑物的清洗工作，就需要解決一下幾個問題： （ 1）吸附與行走 吸附和行走是爬壁機器人的兩個最基本功能 爬壁機器人應用具有兩個基本功能：吸附功能和移動功能。爬壁機器人應該具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機器人的自重和負載之和，防止墜落，還應該保持一定的驅(qū)動力，能夠保持機器人前進，且能夠保 證機器人的移動速度為 0. 15m/s 左右。 爬壁機器人的墜落可能是車體平行滑落導致的。其中吸盤在垂直壁面上時最容易發(fā)生脫落，此時是一個臨界條件，此時應該有： 錯誤 !未找到引用源。 其中， a 為車體運動的最大加速度，估取 a=0. 5未找到引用源。 ， p· S，其中 14 致謝爬壁機器人設計 錯誤 !未找到引用源。 為吸盤內(nèi)外壓力差Δ p= 7× 錯誤 !未找到引用源。 自于真空泵銘牌 ）， g=9. 8m/錯誤 !未找到引用源。 ，μ是吸盤橡膠與玻璃幕墻之間的摩擦系數(shù)，取μ=璃幕墻 不是干凈的，這只是估算） ,本次畢業(yè)設計中設計的是一個四輪式的爬壁機人 根據(jù)結構的設計可以知道，每時每刻都能夠保證，每一個輪子上都有三個真空吸 盤吸附在玻璃幕墻上，所以機器人每時每刻都能夠保證同時有 12個真空吸盤吸 附在玻璃幕墻上。所以根據(jù)上式有： 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 將已知數(shù)據(jù)代入解得： 錯誤 !未找到引用源。 400機器人的安全方面，機器人的重力過大構不成隱患，同時由于玻璃幕墻的不干凈而帶來的摩擦系數(shù)的改變所帶來的影響也可以不計，并不影響機器人的安全可靠性。 （ 2）轉(zhuǎn)彎問題和清洗能力 研究清洗爬壁機器人的初衷是代替手工工人，在高層建筑的玻璃幕墻上開展清洗或是玻璃幕墻維修工作，所以自主轉(zhuǎn)彎是爬壁機器人能夠?qū)嵱玫幕竟δ苤?。在本次的畢業(yè)設計中，由于自身能力的不足和時間的緊迫，放棄了對轉(zhuǎn)彎問題的考慮，本次設計中的爬壁機器人只是能夠在壁面上吸附，并且能夠完成直上直下的行走即可，也尚未涉及到清洗機構的攜帶方式。 壁機器人的設計 基于 機器人進行整體建模。在前面所作工作的基礎上，首先確定機器人的總體結構為輪子上裝置有真空吸盤的小車，然后進一步設計出機器人小車的移動系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、傳動減速裝置等，最后確定機器人的車體結構，并將這些結構裝配在一起。 壁機器人的總體結構 該爬壁機器人利用輪式式行走機構吸附在墻壁上并自由爬行 ,通過外掛的清洗機構清洗玻璃。該爬壁機器人外形就如玩具小車 ,后輪驅(qū)動四輪式，只是輪子上第三章 爬壁機器人的設計方案 15 帶了真空吸盤，形體約為 500400100空泵位于地面裝 置，為真空吸盤提供負壓。它由固定在機架上的吸附系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)組成。 動裝置和吸附裝置的設計 爬壁機器人的采用四輪式移動方式，真空吸盤方式，每個輪子設置有 24個真空吸盤，分為兩排，為了減少傳感器的使用，使機器人的控制更容易實現(xiàn)，設計了一個月牙形的真空艙，連接于地面的真空泵，為真空吸盤提供負壓，并且控制真空吸盤的吸附與釋放動作。 動系統(tǒng) 清洗爬壁機器人按照移動方式可分為車輪式、履帶式和腳步行式。履帶式由電機驅(qū)動兩個無軌道履帶，對墻面適應性強，但體積較大，不宜轉(zhuǎn)彎；腳步行式是通過多個腳 的反復吸附與脫落進行移動，帶載能力強，但移動困難，移動速度慢；車輪式移動速度較快，著地面積小，便于控制，易于實現(xiàn)，所以，在這次設計過程中，選擇了車輪式機器人。 附系統(tǒng) 按吸附功能，爬壁機器人可分為：真空吸附、磁吸附和推力吸附三類。真空吸附法是通過真空泵設置或者是真空發(fā)生器形成真空，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負壓，從而使機器人吸附在壁面上。本次設計過程中主要考慮了真空吸附和磁吸附兩種方式，磁吸附法要求壁面必須是導磁材料，分為永磁吸附和電磁吸附。它的結構簡單，吸附力遠大于真空吸附，且對壁面的凸凹適應性強，不 存在真空吸附的漏氣問題；真空吸附具有不受壁面材料限制的特點，但當壁面凸凹不平時容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低。真空吸附方式的爬壁機器人在玻璃幕墻上的使用有著明顯的優(yōu)點，但是在瓷磚表面的墻壁上不得不面對一個新的問題：墻壁的凹凸不平可能會導致真空吸盤漏氣，使得機器人的安全產(chǎn)生隱患。因為現(xiàn)實社會中爬壁機器人的清洗對象多為玻璃幕墻，或是瓷轉(zhuǎn)表面，不適于磁吸附方式，所以選擇了真空吸附的方式 [11]。 16 致謝爬壁機器人設計 在爬壁機器人與墻體間直接產(chǎn)生吸附力的裝置是固定在兩側輪子上的真空吸盤，輪子直徑定初步定為 20空 吸盤采用廣方氣動 圖 產(chǎn)品的優(yōu)勢：國內(nèi)生產(chǎn)商，供貨及時，價格合理。 每個輪子上均勻分布地固定有 24只直徑 8024個吸盤每 12個為一排，每兩個吸盤之間相隔 30度，輪子上的兩排吸盤每兩個之間相錯開 15度，見圖 樣在任意時刻至少有其中 3只吸盤呈品字形處于吸附工作狀態(tài) ,總共有 12只吸盤處于吸附狀態(tài)，依靠外內(nèi)壓差將吸盤牢固地壓緊在墻面上。同一輪子上的 24個吸盤通過管路匯總到與輪轂設計為一體的氣體分配器上 ,氣體分配器再匯總到真空泵 ,組成真空抽氣系統(tǒng)。吸盤的 吸附能力不會隨著吸盤個數(shù)的增加而降低 [5]。 圖 真空吸盤實物圖 圖 空泵實物圖 第三章 爬壁機器人的設計方案 17 圖 機器人輪子與吸盤模型 該爬壁機器人的最大特點是，機器人吸盤的吸氣和排氣的有序控制是依靠純粹機械結構的氣體分配器來實現(xiàn)的。 氣體分配器內(nèi)設有月牙形真空室 ,見圖 側氣口與真空泵相連 ,前側在分配器的下 1/4 處開有一個月牙形吸氣口 ,氣體分配盤（即為輪子的輪轂，見圖 之壓緊密封 ,氣體分配盤上均布著 12 個管每個管嘴連 接著一個真空吸盤。其中帶有月牙形真空室的氣體分配器是固定在車體上不動的，爬壁機器人由電機驅(qū)動輪子前行時，當某一個吸盤完全接觸墻壁 ,與之對應的管嘴也恰好進入了真空室的吸氣口 ,形成了氣流通路 ,真空泵便對這個吸盤抽氣 ;當這個吸盤即將脫離墻壁時 ,與之對應的管嘴也恰好轉(zhuǎn)出了吸氣口 ,與大氣相通 ,吸盤便可順利脫離墻壁。完成機器人在爬壁過程中的自動吸附與脫離工作 [5]。見圖 18 致謝爬壁機器人設計 a b 圖 真空艙與輪轂的配合 月牙形真空室所在處，月牙盤突出，其原因在于：該氣體分配器是固定在機器人機體上的，真空室所在面與 輪盤之間有相對運動，同時必須保證這兩個結構之間相對運動時不能發(fā)生過多的漏氣，此處突出四分之一處既可以保證真空室所在面能夠與真空吸盤的氣嘴相接處，保證與輪盤緊密接觸，還可以降低兩個結構相對運動時產(chǎn)生的摩擦力過大，給動力能源帶來額外的負載，同時過大的摩擦會降低機器人的使用壽命。 真空室離月牙盤為 2圓心角為 40 度，這是因為真空室必須要同時為三個真空吸盤提供負壓，而每兩個吸盤接到輪盤上的接口相差 15度，的所以圓心角第三章 爬壁機器人的設計方案 19 應該稍大于 30 度。而真空室的寬度設為 7為輪盤上孔的直徑為 6外還要將真空室與真空 泵相連，所以要在月牙形盤上開孔至真空室。月牙盤的設計為控制帶來了方便，同時也增加了加工難度。 此處設計在運行過程中的要求比較高：既能夠產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，還要保證足夠的密封。對此，在設計中用泡沫作為兩個結構的使用材料，測試了漏氣的情況和真空艙容積對吸盤吸附能力的影響，實驗發(fā)現(xiàn)負壓效果與材料有一定的關系。用泡沫材料是這樣想的：泡沫材料是一種軟質(zhì)材料，它的結構決定它的密封能力不夠好，容易產(chǎn)生漏氣，所以如果用泡沫材料做實驗的時候吸附力比較大，那么如果采用別的材料，一樣有一定的可行度。 圖 月牙形真空艙 圖 氣體分配盤及輪轂 速裝置及傳動裝置的設計 這部分由驅(qū)動系統(tǒng)電機、蝸輪蝸桿減速器、以及所附帶的聯(lián)軸器和軸承組成。蝸輪蝸桿裝置既是傳動裝置，也起到了減速作用。 動系統(tǒng) 這部分由驅(qū)動系統(tǒng)電機、蝸輪蝸桿減速器、以及所附帶的聯(lián)軸器和軸承組成。連接于地面的電纜通直流電與機器人攜帶的直流電機，電機輸出轉(zhuǎn)速太高，所以設計一臺雙側出軸的開式蝸輪蝸桿減速器，經(jīng)減速后傳遞到連接機器人作為驅(qū)動輪的后輪軸上，從而驅(qū)動機器人的從動輪，完成機器人的 整體移動，正常的前進速度應該在 s。 20 致謝爬壁機器人設計 圖 測試泡沫移動的漏氣情況 機器人的驅(qū)動方式可采用氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電機驅(qū)動等三種。不同的動力驅(qū)動方式具有不同的特點，選擇哪種作為動力源，可以根據(jù)應用的場合以及具體的要求選擇。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)為地面設備常用，結構較重；氣動系統(tǒng)具有重量輕、成本低的特點，但是氣體的可壓縮性和系統(tǒng)氣路上的眾多元件，導致系統(tǒng)的線性度低，實 現(xiàn)系統(tǒng)的精確位置控制比較困難，系統(tǒng)的抗干擾能力較差。爬壁機器人作為自主移動機器人的一種特例，應具有良好的靈活性，一方面要求機器人載體重 量輕，另一方面更要求與周邊的環(huán)境相對獨立。且相對于氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動，控制方法成熟，簡單易行，在技術方面的要求低于前面兩種方式，因此選用電機驅(qū)動的方式作為機器人的驅(qū)動方式 [9]。 第三章 爬壁機器人的設計方案 21 圖 模仿月牙形真空艙的分離和貼合圖 在電動執(zhí)行機構中，有直流電機、交流電機、步進電機和直接驅(qū)動電機等實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的電動機，以及實現(xiàn)直線運動的直流電機。對于小型移動機器人的控制，較為常用的電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機 [8]。 其中直流電機實際上是機器人平臺的標準電機，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍、實用性好、具有很 高的性價比，是一種最為通用的電機。到目前為止，很多深入的研究使得直流電機變得更快、更有效。與步進電機相比，直流電動機具有更小的體積和更少的功耗，直流電機的機器人的機體比較小。所以選擇了直流電動機，下面是直流電動機的選擇過程 [5]： （ 1）確定電動機的功率 電動機所需的工作功率按下式可求得： 錯誤 !未找到引用源。 ; 電動機產(chǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩依次通過聯(lián)軸器，蝸輪蝸桿減速器，一對軸承傳遞到機器人輪子上，效率分別為 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 = 須克服真空吸盤所施加的摩擦力，所以有 22 致謝爬壁機器人設計 錯誤 !未找到引用源。 其中， S， 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 已經(jīng)在計算機器人會不會滑落的計算中涉及過。 綜上可得電動機的最小功率為 錯誤 !未找到引用源。 （ 2）確定電動機的轉(zhuǎn)速 已知，機器人以 v=s 左右的速度向前移動，輪子直徑為 D=20盤離輪子的距離約為 2以得到連接輪子的軸的轉(zhuǎn)速 n。 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 ； 可得， n= 根據(jù)以上球的的電動機的最小功率和最小轉(zhuǎn)速可以有一定的選擇電動機的范圍。 速裝置的設計 電動機輸出的轉(zhuǎn)速較高，所以不能將電動機直接連接到轉(zhuǎn)動軸，本次設計中，選擇一個開式蝸輪蝸桿傳動裝置作為過渡，起到減速的作用。 第三章 爬壁機器人的設計方案 23 圖 蝸輪蝸桿裝置 選擇蝸輪蝸桿裝置作為減速裝置有這樣一些優(yōu)點：蝸輪蝸桿的傳動比比較大，減速效果明顯，一般傳動比 5～ 80，零件數(shù)目少，可以保證結構的緊湊 ，也能夠保證機器人的自身重量不會太高；沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低，負荷爬壁機器人的要求；蝸輪蝸桿在一定的條件下可以滿足自鎖條件，可以防止電動機偶然斷電時機器人反向移動。按齒面疲勞強度設計蝸輪蝸桿： 先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再交合齒根彎曲疲勞強度 [4]。 （ 1）其中 錯誤 !未找到引用源。 為作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩，由電機的輸出功率和轉(zhuǎn)速以及蝸輪蝸桿的傳動效率決定： 錯誤 !未找到引用源。 （ 2） 工作載荷的性質(zhì)有關； 錯誤 !未找到引用源。 為彈性影響系數(shù)，與所用的蝸輪蝸桿的材料的 搭配有關； 錯誤 !未找到引用源。 為接觸系數(shù)，與蝸桿的直徑和蝸輪蝸桿的傳動中心距 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。有關； 錯誤 !未找到引用源。 ? ?H?為材料的許用接觸應力自然與蝸輪蝸桿的材料有關，以上所述四個參數(shù)都是標準數(shù)，可以查表得到。 這樣按齒面接觸強度進行設計，就可以得到蝸輪蝸桿的傳動中心距的最小值，可以進一步得到蝸輪蝸桿所必須的一些參數(shù)，模數(shù) m，蝸桿和渦輪的分度圓直徑等。 軸器和軸承選擇 根據(jù)已經(jīng)選擇的電機和設計出的蝸輪 蝸桿的參數(shù)選擇合適的聯(lián)軸器和軸承。因為爬壁機器人的軸的轉(zhuǎn)速比較小，且所承受的載荷也并不大，所以軸承選擇最為常見的深溝球軸承，價格低廉，可減少成本。考慮到爬壁機器人中所選的電機輸出功率和轉(zhuǎn)矩并不是特別大，也并不存在嚴重的沖擊載荷，所以決定選擇普通的剛性聯(lián)軸器。利用 備在后面的設計過程中使用 [5]。 24 致謝爬壁機器人設計 圖 溝球軸承 壁機器人機體建模 考慮到應該盡量降低爬壁機器人的自身重量，再加上本次設計的爬壁機器人有很多問題沒有解決，諸如如何攜帶清洗機構，如何 實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等問題，所以建模過程中用了簡單的用空心桿搭建的桁架結構。真空泵設在地面裝置上，用一臺電機通過蝸輪蝸桿減速傳動裝置帶動后輪機器人前進。 壁機器人 動仿真 設計爬壁機器人的目的是：代替人工進行高層建筑物的墻壁尤其是玻璃幕墻的清洗檢修等，吸附功能和行走功能是機器人最主要的功能，對其運動狀態(tài)運用 析結果，檢查爬壁機器人模型的可行性。 仿真過程 首先進入裝配模塊，將前面設計過稱中設計的輪子、真空艙、蝸輪蝸桿減速裝置以及機器人車體等裝配起來，搭建機器人整體模型；然后進入機械 運動仿真模塊，根據(jù)前面選擇的電機的類型，定義伺服電機；再建立運動分析，設置參數(shù) 且選擇當前位置作為運動分析的初始位置；最后運行運動分析。 第三章 爬壁機器人的設計方案 25 機器人的運動系統(tǒng)中最重要的是傳動系統(tǒng)，蝸輪蝸桿機構，首先對此進行仿真。選擇電機的參數(shù)為： 額定電壓： 6V 額定功率： 載轉(zhuǎn)速： 6000速比： 8： 1 26 致謝爬壁機器人設計 第四章 結論 爬壁機器人是現(xiàn)下相對比較前端的技術，但是經(jīng)過幾十年的世界上有關科技人員的努力研究，也取得了不小的成就。本次設計完 成了機器人基本的吸附功能和直線行走功能，然而由于本人的知識儲備不夠，以及時間上的緊迫等原因，使得在設計過程中依然存在很多沒有解決的問題。 清洗用爬壁機器人的用途主要是代替人工用于清洗高層建筑的玻璃幕墻這樣的高危險工作，有些幕墻上的玻璃是一個整塊，沒有障礙物，但更多的幕墻上的玻璃是用金屬分隔成小塊的，有時候還需要機器人從水平位置轉(zhuǎn)換到垂直位置，所以就牽涉到以下幾個本人在這次設計中沒有解決的問題： （ 1）自主控制 機器人在高位數(shù)百米的位置工作，如果要越過障礙物，首先要確定障礙物的具體位置及形狀，在于地面的人眼是 沒有辦法確定的，自然需要機器人自主識別能力和自我完成跨越障礙物的工作，如果要完成自主控制功能就要用到大量的傳感器甚至是攝像裝置。 （ 2）轉(zhuǎn)彎問題 清洗用爬壁機器人應該具有轉(zhuǎn)彎功能，人工令其轉(zhuǎn)彎是不現(xiàn)實的，因為這樣就失去機器人的優(yōu)點了。對于轉(zhuǎn)彎問題，一開始設計的是三輪機器人，后輪作為驅(qū)動輪，而一個前輪作為轉(zhuǎn)向輪，因為擔心機器人吸附裝置的吸附力的大小，機器人在載荷爬壁過程中可能會存在安全隱患，所以改為四輪式機器人。對于真空吸附式爬壁機器人轉(zhuǎn)彎，最大的問題存在于轉(zhuǎn)彎過程中真空吸盤要承受一定的扭矩，難度較大，所以在 設計的過程中并沒有實現(xiàn)，但是有一種實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的方法值得借鑒：增加一個腹部吸盤 [6]。機器人在正常爬行的過程中，腹部吸盤停止工作，當機器人需要轉(zhuǎn)彎時，腹部吸盤緊緊吸附在墻壁上，車體完成轉(zhuǎn)彎。 （ 3）安全問題 本次設計過程中，只是驗證了四輪式機器人在墻壁爬行的過程中，自生重力加上機器人所帶載荷小于 400右時安全的，因為最小質(zhì)量比較大，所以可以確定機器人一般不會在爬壁過程中沿著墻壁滑落。然而爬壁機器人的實效方式還有一種方式：翻倒，即在傾覆力矩的作用下前輪失去吸附能力，設計中并沒有對此第四章 結論 27 進行檢驗，但是還是考慮到了 它可能存在的影響，并沒有將質(zhì)量比較大，而且比較高的真空泵設計安裝在機體上，而是設計成為了地面裝置提供負壓的形式。28 致謝爬壁機器人設計 致 謝 四年的大學生活匆匆而過，大學生活中的最后一項學習任務也即將結束。在這四年的大學生活中，我始終生活在老師的關懷和同學的幫助之中，尤其在這次畢業(yè)設計的過程中，我更是深深感受了這一點。 本文是在段清娟老師的精心指導下完成的。從畢業(yè)設計的選題到論文的結構，再到論文的表述規(guī)范，段老師都給予了非常悉心的知道和嚴格的要求。在整個畢業(yè)設計的過程中，段老師總是一絲不茍，不辭辛苦，按時為我們幾個學生做精心的指導和監(jiān)督。在這次畢業(yè)設計的過程中，段老師留給我最深的影響是老師她一心一意為學生負責的態(tài)度，令我深深敬佩。 我一直對我的老師心存感激，在這畢業(yè)設計即將結束的時候，我再一次對我的老師表示衷心的感謝，感謝老師給我無私的幫助和嚴格的要求。 29 參考文獻 [1] 肖立，佟仕忠，丁啟敏，吳俊生 . 爬壁機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展 2004（ 11）：81～ 83 [2] 付宜利 ,李志海 . 爬壁機器人的研究進展 2008,25（ 4） :1～ 5 [3] 姬國釗 ,張世偉 ,王奇斌 ,李俊 秀 ,王卓 . 真空吸盤式爬壁清洗機器人的研究與開發(fā) 2009（ 4）： 5～ 8 [4] 吳宗澤，羅圣國 . 機械設計手冊（第二版） . 高等教育出版社， 1998:119～ 154 [5] 紀銘剛，濮良貴 . 機械設計（第八版） . 高等教育出版社， 2006:239～ 269 [6] S. in 8001： 252～ 256 [7] 葛云 羅冬梅 陳志剛 吳雪飛 . 基于 的挖掘機鏟土裝置的建模與運動仿真 . 機械 ,2005(6)： 43～ 45 [8] 吳神麗 . 新型高樓清洗爬壁機器人的研究與設計 ,成都理工大學 碩士學位 論文 ,2009 [9] 王鵬 . 壁面自動清洗機器人關鍵技術研究 , 上海大學 碩士學位論文 , 2004 [10] 張興悟 . 高機動性小型清潔爬壁機器人的研究 , 機械研究與應用 ， 2007（ 2）： 28～ 31 [11] 吳善強 李滿天 孫立寧 林業(yè)機械與木工設備 35（ 2）： 36～ 37