真空吸盘式独立行走爬壁机器人的设计【优秀设计文档】

摘要 摘 要 近年来，随着社会的发展，楼层越来越高，使用玻璃幕墙的楼房也越来越多，避免清洗时一个很重要的问题，传统的方式多数为人工，或者是采用电缆从楼顶将机器人吊下，工作效率偏低，危险性高，于是清洗用爬壁机器人应运而生，本文的任务就是设计一种能够在壁面上吸附行走的清洗爬壁机器人。 本文在简单介绍爬壁机器人的国内外研究现状的基础上，基于三维软件 一些关键部分进行了设计计算及校核计算，重点是爬壁机器人的移动结构、吸附结构和驱动系统的设计计算。 本文设计 的爬壁机器人采用四轮式小车形状结构，结构简单；采用真空吸盘吸附方式，设计一个月牙形的真空舱，利用机械结构完成机器人真空吸盘的吸附与排气控制，避免在每个真空吸盘配备传感器的需要，降低了控制难度；采用后轮驱动，一个电机驱动两个后轮，后轮带动前轮完成机器人的行走，使用蜗轮蜗杆传动装置作为减速器；采用地面供电，地面提供负压的方式；机器人可以在水平面或者垂直表面直线行走。 关键词：真空吸附 蜗轮蜗杆机构 电机驱动 四轮式小车 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 目录 i 目录 第一章 绪论 . 4 课题的研究背景 . 4 内外爬壁机器人的研究现状 . 5 内外爬壁机器人的发展趋势 . 6 . 7 . 8 第二章 软件介绍 . 9 第三章 爬壁机器人的设计方案 . 13 . 13 . 13 . 14 壁机器人的总体结构 . 15 动装置和吸附装置的设计 . 15 速装置及传动装置的设计 . 19 轴器和轴承选择 . 24 壁机器人机体建模 . 24 . 25 第四章 结论 . 27 参考文献 .未定义书签。 致谢 29 4 致谢爬壁机器人设计 第一章 绪论 机器人是传统的机构学与现代电子技术结合的产物，是计算 机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，他是一种高速运行、重复操作和精确度较高的自动化设备。以机器人代替人类从事各种危险、繁重、重复、单调及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。 爬壁机器人是机器人的一个分支，主要运用于壁面和顶部内部进行清洗、消防、检修等移动作业，现代社会中，在许多场合实施作业必须采取安全防护措施，而这些工作对对国民经济的发展有着重要的作用。爬壁机器人是得到了大力发展的其中的主要的开发项目。目前，已经有相当数量的爬壁机器人已经投入或将要投入作业现场作业，主要应用有 以下几个方面： （ 1） 核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚、探伤等； （ 2） 石化企业：对储罐的内表面进行检查、除锈等处理； （ 3） 建筑行业：安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等； （ 4） 消防部门：传递救援物质，进行救援工作等； （ 5） 造船行业：对船体或内壁进行喷涂等； （ 6） 电力行业：电站锅炉水冷管壁厚的检测等。 爬壁机器人必须具有两个基本功能：在壁面上的吸附功能和移动的功能，以这两个功能为基础可以将爬壁机器人分为若干种 1。 课题的研究背景 近年来 ,我国城市面貌发生了翻天覆地的变化 ,高层建筑拔地而起 ,不仅节约了土地资 源 ,也使城市面貌焕然一新 ,成为城市现代化水平的重要标志之一。很大一部分楼房的壁面加了玻璃幕墙。建筑物的外包覆层不仅增加了建筑物的外观美，同时也使得它们更有耐久性。但也带来了如高空擦洗玻璃、高空消防急救、高空建筑施工等难题。以高层建筑外墙面的清洗为例 ,目前多采用吊篮悬吊或用液压升降台升降的人工作业方式 ,但其劳动强度大、效率低、安全隐患多。开发与应用清洗用机器人系统可以解放从事于这种危险工作的劳动力，同时可以做到对高大建第二章 软件介绍 5 筑物的墙壁的自动清洗，更深层次的是，可以提高建筑维修行业的技术水平和生产力。同时清洗机器人系 统可以用于不同的建筑物，这样就可以节省很多由于个别的建筑物而搭建清洗系统的花费。 以此为背景 ,研究人员设计提出了多种解决壁面清洗机器人的方案。但仍存在着一定的局限性。如磁力吸盘爬壁机器人只能用于导磁金属壁面上 ,而对普通玻璃墙壁无法适用 ;许多大型悬挂清洗机器人要求有楼顶悬挂机构 ;履带式机器人转弯困难等 ,为应用带来困难。本次毕业设计介绍一款真空吸盘式独立行走爬壁机器人 ,它无需楼梯悬挂机构 ,巧妙地运用了机械传动机构实现吸排气的控制。 内外爬壁机器人的研究现状 爬壁机器人作为机器人的一个分支，发展历史也 是比较长，早在 1966年，就有人设计出了一台简单的原理样机：是在日本大阪府立大学工学部任讲师的西亮，利用电风扇进气低压空气产生的负压为吸附动力制作的，这被看做是爬壁机器人的研究开端。自此，爬壁机器人技术在世界范围内得到了迅速的发展，在这一领域，日本所取得的成绩最为突出，美国、英国、意大利等多个国家也取得了不小的成就；在国内，对爬壁机器人的研究，是由哈尔滨工业大学在 1988年率先进行的，发展到现在，经过了二十几年的发展历程，先后加入了一些大学及研究所等研究机构；如：上海交通大学、北京航空航天大学、长春光机所、 上海大学等，他们为国内爬壁机器人的研究做出了重要贡献，到目前为止，国内的爬壁机器人技术也取得了不小的进展。已经有将机器人投入使用的先河：如 2001年由北航设计的用来清洗上海科技博物馆的 （ 1）爬壁机器人移动机构的研究现状 目前有很多实现在光滑垂直墙壁安全移动的方案：轮式，履带式，多腿等。 轮式和履带式爬壁机器人已经比较常见，它们的优点是，移动速度相对较快，结构比较简单，但是不适用于清洗有障碍物的玻璃幕墙，而且不能自动完成地面和墙壁之间的转移。多腿的机器人在运动学上很复杂，因为自由度太多，但 是这也是它的优点，它可以自动处理障碍物。 （ 2）爬壁机器人吸附装置的研究现状 传统爬壁机器人的吸附方式有两种形式：真空吸附和磁吸附。真空吸附方式6 致谢爬壁机器人设计 不受壁面材料的限制，但是容易在凹凸不平的表面漏气，导致吸附力下降，承载能力比较低。磁吸附方式有电磁体和永磁体两种方式，与真空吸附方式相比，磁吸附形式对壁面的凹凸适应性较强，吸附力大，也不存在漏气的隐患，但是要求壁面必须是导磁材料，因此对磁吸附式爬壁机器人的工作环境有限制。 在爬壁机器人壁面吸附方面，国内外的研究机构或研究者已经取得了不小的进展。 应用于金属壁面的爬壁 机器人，因为磁吸附式爬壁机器人的优点，通常情况下都是磁吸附式，同时，爬行机构一般采用履带式结构，其爬行速度较快，控制也比较方便。其采用的次吸附方式多为永磁吸附，因为永磁吸附吸附力大，且不需要考虑断电的可能性，安全性比较高。由于这些吸附方式各自都有局限性，所研制的爬壁机器人往往针对性较强，只适用于某种特定任务，较难通用化。机器人的设计需要针对工作任务、环境，选取合适的吸附方式。近年来，人们通过研究壁虎等爬行动物脚掌的吸附机理，制作出高分子合成的粘性材料，这些材料利用分子与分子之间的范德华力，在很小的接触面积上 就可获得巨大的吸附力，而且具有吸附力与表面材料特性无关的优点 （ 3）爬壁机器人控制系统的研究现状 在无障碍的避免运行时对机器人的控制相对比较简单，然而越障能力是爬壁机器人壁面适应性能的一个重要指标。当工作面上有凸起、沟槽时，机器人要通过这些障碍物，就必须有足够的越障能力。由于爬壁机器人工作于壁面的特殊性，移动机构常和吸附机构存在耦合，这给机器人的运动控制带来了一些困难。如多吸盘足式爬壁机器人，腿末端各有一个吸盘，每移动一个腿需要完成“消除吸力一抬腿一迈腿一落腿一产生吸附力”一系列动作。在此过程中，机器人移动 机构的动作要和吸附机构相互协调，才能保证机器人在壁面上的灵活移动。此外，也有移动机构与吸附机构分离的，如单吸盘爬壁机器人，吸盘可持续吸附，驱动轮连续运动实现机器人的移动，运动控制较为简单 2。 内外爬壁机器人的发展趋势 驱动、传感、控制等硬软件技术的发展极大地推动了爬壁机器人技术的发展 ,实际应用的需求也对爬壁机器人的发展提出了挑战 ,爬壁机器人的发展趋势归结第二章 软件介绍 7 起来主要有以下几方面 。 (1)新型吸附技术的发展。吸附技术决定了机器人的应用范围，目前应用比较成熟的吸附技术主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很 大的局限性 ,在很多情况下难以满足实际应用的要求。因此 ,开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向，其中，仿壁虎脚掌仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展趋势。 (2)爬壁机器人的任务由单一化向多功能化方向发展。过去所研制的爬壁机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业 ,作业任务往往只局限于单一的任务。而目前人们则希望爬壁机器人能够装备多种工具 ,在不同的场合进行工作，实现一机多用的功能。这样可以减小人类使用机器人的成本，有利于爬壁机器人的发展。 (3)小型化、微型化是当前爬壁机器人发展的趋势。在满足 功能要求的前提下 ,体积小、质量轻的机器人可较小能耗 ,具有较高灵活性 ,可以承载更多的负荷，有利于实现爬壁机器人的多功能性，并且在某些特殊场合也需要机器人具有小的体积。各种微型驱动元件、控制元件及能源供应方式的发展 ,以及在纳米材料方面取得的进步，为小型化、微型化奠定了基础。 (4)由带缆作业向无缆化方向发展。带缆作业极大地限制了机器人的作业空间 ,所以 ,为了提高机器人的灵活性和扩大工作空间 ,无缆化成为现在和未来爬壁机器人的发展趋势。 (5)由简单远距离遥控向智能化方向发展。与人工智能相结合 ,使机器人在封闭环境中能 够具有一定的自主决策能力 ,完成任务 ,并具有自我保护能力 ,是移动机器人发展的重要方向 ,也是爬壁移动机器人的重要发展方向。 (6)可重构是机器人适应能力的一项重要指标。为了使机器人能够应用于不同场合 ,根据任务需求 ,在不需要重新设计系统条件下 ,充分利用已有的机器人系统 ,应使机器人具有可重构性 ,即具有模块化结构。根据任务需求 ,可以把需要的模块直接连接起来组成新的机器人。此可以大大降低机器人的制造成本 2。 面自动清洗机器人的研究现状与发展方向 目前壁面自动清洗机器人已成为国内外的一个研究热点。国外在这方面 比较有代表性的有日本通产工业技术设计院、日本三菱电机公司、美国国际机器人技8 致谢爬壁机器人设计 术公司、英国朴茨茅斯理工学院等，国内比较有代表性的有哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海大学等。目前国内外开发出的壁面自动清洗机器人归纳起来主要有两种类型：一种是为研究而研制的实验性壁面清洗机器人，另一种是为应用而开发的实用性壁面清洗机器人。从实用化和产业化的角度出发，壁面清洗机器人的主要研究技术方向为 : 方面开发出新的壁面清洗装置，清洁、高效的清洗壁面；另一方面开发出高效的清洗装置的载体 (即机器人 本体 )，提高机器人的机动性、灵活性。 满足特殊壁面的清洗要求如阶梯状表面、倾斜面、球型面等外墙面。 可靠性和通用性的壁面清洗机器人 3。 计内容 本次毕业设计的任务是设一款真空吸盘式独立行走爬壁机器人 ,是一个形体约为 500400100长方体四轮小车，每个车轮都分两排装设有 24 个真空吸盘，由地面的真空泵提供负压。它无需楼梯悬挂机构 ,巧妙地运用了机械传动机构实现吸排气的控制。该机器人的设计是这样实现的： 爬壁机器人最主要的要求是 能够在墙壁吸附行走，所以首先在确定的总体结构的基础上设计吸附装置，即轮子与真空发生装置，运用了一种机械传动结构实现机器人稀奇排气的控制；然后设计传动减速装置，选择合适的电机后，采用蜗轮蜗杆装置，选择联轴器和轴承等传动装置；最后建立机器人小车的模型，并对其基于 动分析，进一步改善机器人结构。由于能力有限，所以本次设计只要求机器人能够在墙壁上上下行走即可，不要求转弯。 第二章 软件介绍 9 第二章 软件介绍 本次毕业设计，是基于软件 首先设计出轮子、真空舱、减速传 动装置和机器人机体等，然后再用该软件装配，最后基于 传统的机械设计中，首先要构思设备三维结构，绘制相应的机械零件图、装配图等二维图纸，然后进行尺寸链分析，绘制机械运动部件的特定位置图或者求解运动方程，检验各个运动部件的结构和装配尺寸、运动规律是否合格。以往计算机辅助设计以二维图纸绘制为主，直观性差。 软件，即 用 E，问世于 1988年。 10多年来，经历 20余次的改版，已成为全世界及中国地区最 普及的 3D 以实现机械零部件的实体建模、虚拟装配、运动仿真、强度分析等工作，具有直观、便捷等特点，是现代机械设计中非常重要的设计工具之一。 与二维绘图软件相比，三维设计软件 可进行结构分析、虚拟装配和干涉检验、机构动力学分析、强度分析、工业造型设计和模具设计、工程图制作等功能，可自动生成多视图的二维图纸并自动标注。所有在三维模型上所做的修改可即刻反映在所有生成的二维图纸上。建立好的三维模型经过渲染后，可以直接作为产品宣传的内容， 表现产品形态、功能等。相对二维图形，三维模型更易实现数控代码的生成 从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程 。 (1)基于特征的参数化建模 参数化设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法。参数化模型通过调整几何参数来修改和控制几何形状，从而自动实现产品的精确造型。这些几何参数包括模型定型、定位尺寸等。不同于 构建特征入手，建立零件数字化模块。参数化技术以约束为核心。优点主要有： a对设计人员的初始设计要 求低。提高了设计的柔性。 10 致谢爬壁机器人设计 b便于系列化设计。同种规格零件的不同尺寸系列可在一次设计成型后通过修改尺寸得到。节省了大量的重复设计时间，简便快捷，为数字化制造建立了基础。 c便于随时编辑、修改，满足反复设计要求。 （ 2）全相关性 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发 挥其作用。 （ 3）工程数据再利用 三维实体造型将三维实体模型用于机械产品的 户可以随时计算出产品的质量、体积、惯性矩等相关的物理量、几何量，可迅速了解产品的结构，掌握产品的信息，减少人为计算时间。 （ 4）在装配图中构建实体 根据已建好的实体模型，在装配中，利用其特征（平面，曲面或轴线）为基准，直接构建新的实体模型。这样建立的模型便于装配，在系统默认状态下，完成装配。 软件在产品开发中的应用 (1)零部件设计： 这是 计者首先规划出要设计的零部件的功能、形 态，然后利用 一些基本几何体进行加工并最终形成满足设计要求的直观三维零部件模型。该模型的建立是后续机构运动分析、装配仿真等工作的基础。 (2)运动仿真与分析： 机构运动仿真技术就是通过对机构添加运动副、驱动器，使其运动起来，实现机构的运动模拟。机构运动仿真可以在任意时刻查看各个组成部件的位置、速度、加速度、轨迹、位移、运动干涉等参数并加以分析，根据结果调整模型设计，以达到最优的零件机构配置。机构仿真还可分析力与运动之间的关系，分析运动量以及各运动副之间的相互运动关系，关键部件的 受力情况，实时测量指定部分的第二章 软件介绍 11 各种参数并绘制相应曲线、图表，可直观了解运动主体上某点的运动轨迹。 （ 3）生成工程图， 可以用来实现基于实体建模的工作流程而生成工程图纸，用户可以轻松地生成和保存 2于工程图纸和 3此当用户修改生成视图的 3件视图、尺寸和注释等都自动更新，节约了图纸管理和维护的时间。 3）本次毕业设计过程中对 学习了该软件基本功能的实现，利用该软件进行机器人的轮子、吸附装置和真空舱的设计，爬壁机器人建模，对机器人进行仿真 7。 12 致谢爬壁机器人设计 第三章 爬壁机器人的设计方案 13 第三章 爬壁机器人的设计方案 根据此次设计的要求，简单检验机器人的吸附力的强弱，确定机器人的自重以及所要携带的装置的重量对于机器人的安全运行的影响，如果再加上机器人在墙壁上行走时的倾覆力矩的检验计算，就可以确定是否可以将真空泵安置在机器人上，以及能够携带的清洗装置的多少。然后依次设计出机器人的吸附装置，传动装置等，初步建立机器人小车的模型。 壁机器人的工作过程 本次毕业设计的任务是设计一个爬壁机器人，采用真空吸附四轮式机器人，结构类似于小车，是用来清 洗高层建筑物上的玻璃幕墙，所以要求设计的爬壁机器人能够携带清洗结构，在玻璃幕墙上按照一定的路径行走，与此同时，机器人携带的清洗机构能够完成对玻璃幕墙的清洗工作。 壁机器人的基本功能 爬壁机器人要能够完成对高层建筑物的清洗工作，就需要解决一下几个问题： （ 1）吸附与行走 吸附和行走是爬壁机器人的两个最基本功能 爬壁机器人应用具有两个基本功能：吸附功能和移动功能。爬壁机器人应该具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力能够大于机器人的自重和负载之和，防止坠落，还应该保持一定的驱动力，能够保持机器人前进，且能够保 证机器人的移动速度为 0. 15m/s 左右。 爬壁机器人的坠落可能是车体平行滑落导致的。其中吸盘在垂直壁面上时最容易发生脱落，此时是一个临界条件，此时应该有： 错误 !未找到引用源。 其中， a 为车体运动的最大加速度，估取 a=0. 5未找到引用源。 ， p· S，其中 14 致谢爬壁机器人设计 错误 !未找到引用源。 为吸盘内外压力差 p= 7× 错误 !未找到引用源。 自于真空泵铭牌 ）， g=9. 8m/错误 !未找到引用源。 ，是吸盘橡胶与玻璃幕墙之间的摩擦系数，取=璃幕墙 不是干净的，这只是估算） ,本次毕业设计中设计的是一个四轮式的爬壁机人 根据结构的设计可以知道，每时每刻都能够保证，每一个轮子上都有三个真空吸 盘吸附在玻璃幕墙上，所以机器人每时每刻都能够保证同时有 12个真空吸盘吸 附在玻璃幕墙上。所以根据上式有： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 将已知数据代入解得： 错误 !未找到引用源。 400机器人的安全方面，机器人的重力过大构不成隐患，同时由于玻璃幕墙的不干净而带来的摩擦系数的改变所带来的影响也可以不计，并不影响机器人的安全可靠性。 （ 2）转弯问题和清洗能力 研究清洗爬壁机器人的初衷是代替手工工人，在高层建筑的玻璃幕墙上开展清洗或是玻璃幕墙维修工作，所以自主转弯是爬壁机器人能够实用的基本功能之一。在本次的毕业设计中，由于自身能力的不足和时间的紧迫，放弃了对转弯问题的考虑，本次设计中的爬壁机器人只是能够在壁面上吸附，并且能够完成直上直下的行走即可，也尚未涉及到清洗机构的携带方式。 壁机器人的设计 基于 机器人进行整体建模。在前面所作工作的基础上，首先确定机器人的总体结构为轮子上装置有真空吸盘的小车，然后进一步设计出机器人小车的移动系统、吸附系统、传动减速装置等，最后确定机器人的车体结构，并将这些结构装配在一起。 壁机器人的总体结构 该爬壁机器人利用轮式式行走机构吸附在墙壁上并自由爬行 ,通过外挂的清洗机构清洗玻璃。该爬壁机器人外形就如玩具小车 ,后轮驱动四轮式，只是轮子上第三章 爬壁机器人的设计方案 15 带了真空吸盘，形体约为 500400100空泵位于地面装 置，为真空吸盘提供负压。它由固定在机架上的吸附系统和传动系统组成。 动装置和吸附装置的设计 爬壁机器人的采用四轮式移动方式，真空吸盘方式，每个轮子设置有 24个真空吸盘，分为两排，为了减少传感器的使用，使机器人的控制更容易实现，设计了一个月牙形的真空舱，连接于地面的真空泵，为真空吸盘提供负压，并且控制真空吸盘的吸附与释放动作。 动系统 清洗爬壁机器人按照移动方式可分为车轮式、履带式和脚步行式。履带式由电机驱动两个无轨道履带，对墙面适应性强，但体积较大，不宜转弯；脚步行式是通过多个脚 的反复吸附与脱落进行移动，带载能力强，但移动困难，移动速度慢；车轮式移动速度较快，着地面积小，便于控制，易于实现，所以，在这次设计过程中，选择了车轮式机器人。 附系统 按吸附功能，爬壁机器人可分为：真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。真空吸附法是通过真空泵设置或者是真空发生器形成真空，使吸盘内腔产生负压，从而使机器人吸附在壁面上。本次设计过程中主要考虑了真空吸附和磁吸附两种方式，磁吸附法要求壁面必须是导磁材料，分为永磁吸附和电磁吸附。它的结构简单，吸附力远大于真空吸附，且对壁面的凸凹适应性强，不 存在真空吸附的漏气问题；真空吸附具有不受壁面材料限制的特点，但当壁面凸凹不平时容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低。真空吸附方式的爬壁机器人在玻璃幕墙上的使用有着明显的优点，但是在瓷砖表面的墙壁上不得不面对一个新的问题：墙壁的凹凸不平可能会导致真空吸盘漏气，使得机器人的安全产生隐患。因为现实社会中爬壁机器人的清洗对象多为玻璃幕墙，或是瓷转表面，不适于磁吸附方式，所以选择了真空吸附的方式 11。 16 致谢爬壁机器人设计 在爬壁机器人与墙体间直接产生吸附力的装置是固定在两侧轮子上的真空吸盘，轮子直径定初步定为 20空 吸盘采用广方气动 图 产品的优势：国内生产商，供货及时，价格合理。 每个轮子上均匀分布地固定有 24只直径 8024个吸盘每 12个为一排，每两个吸盘之间相隔 30度，轮子上的两排吸盘每两个之间相错开 15度，见图 样在任意时刻至少有其中 3只吸盘呈品字形处于吸附工作状态 ,总共有 12只吸盘处于吸附状态，依靠外内压差将吸盘牢固地压紧在墙面上。同一轮子上的 24个吸盘通过管路汇总到与轮毂设计为一体的气体分配器上 ,气体分配器再汇总到真空泵 ,组成真空抽气系统。吸盘的 吸附能力不会随着吸盘个数的增加而降低 5。 图 真空吸盘实物图 图 空泵实物图 第三章 爬壁机器人的设计方案 17 图 机器人轮子与吸盘模型 该爬壁机器人的最大特点是，机器人吸盘的吸气和排气的有序控制是依靠纯粹机械结构的气体分配器来实现的。 气体分配器内设有月牙形真空室 ,见图 侧气口与真空泵相连 ,前侧在分配器的下 1/4 处开有一个月牙形吸气口 ,气体分配盘（即为轮子的轮毂，见图 之压紧密封 ,气体分配盘上均布着 12 个管每个管嘴连 接着一个真空吸盘。其中带有月牙形真空室的气体分配器是固定在车体上不动的，爬壁机器人由电机驱动轮子前行时，当某一个吸盘完全接触墙壁 ,与之对应的管嘴也恰好进入了真空室的吸气口 ,形成了气流通路 ,真空泵便对这个吸盘抽气 ;当这个吸盘即将脱离墙壁时 ,与之对应的管嘴也恰好转出了吸气口 ,与大气相通 ,吸盘便可顺利脱离墙壁。完成机器人在爬壁过程中的自动吸附与脱离工作 5。见图 18 致谢爬壁机器人设计 a b 图 真空舱与轮毂的配合 月牙形真空室所在处，月牙盘突出，其原因在于：该气体分配器是固定在机器人机体上的，真空室所在面与 轮盘之间有相对运动，同时必须保证这两个结构之间相对运动时不能发生过多的漏气，此处突出四分之一处既可以保证真空室所在面能够与真空吸盘的气嘴相接处，保证与轮盘紧密接触，还可以降低两个结构相对运动时产生的摩擦力过大，给动力能源带来额外的负载，同时过大的摩擦会降低机器人的使用寿命。 真空室离月牙盘为 2圆心角为 40 度，这是因为真空室必须要同时为三个真空吸盘提供负压，而每两个吸盘接到轮盘上的接口相差 15度，的所以圆心角第三章 爬壁机器人的设计方案 19 应该稍大于 30 度。而真空室的宽度设为 7为轮盘上孔的直径为 6外还要将真空室与真空 泵相连，所以要在月牙形盘上开孔至真空室。月牙盘的设计为控制带来了方便，同时也增加了加工难度。 此处设计在运行过程中的要求比较高：既能够产生相对转动，还要保证足够的密封。对此，在设计中用泡沫作为两个结构的使用材料，测试了漏气的情况和真空舱容积对吸盘吸附能力的影响，实验发现负压效果与材料有一定的关系。用泡沫材料是这样想的：泡沫材料是一种软质材料，它的结构决定它的密封能力不够好，容易产生漏气，所以如果用泡沫材料做实验的时候吸附力比较大，那么如果采用别的材料，一样有一定的可行度。 图 月牙形真空舱 图 气体分配盘及轮毂 速装置及传动装置的设计 这部分由驱动系统电机、蜗轮蜗杆减速器、以及所附带的联轴器和轴承组成。蜗轮蜗杆装置既是传动装置，也起到了减速作用。 动系统 这部分由驱动系统电机、蜗轮蜗杆减速器、以及所附带的联轴器和轴承组成。连接于地面的电缆通直流电与机器人携带的直流电机，电机输出转速太高，所以设计一台双侧出轴的开式蜗轮蜗杆减速器，经减速后传递到连接机器人作为驱动轮的后轮轴上，从而驱动机器人的从动轮，完成机器人的 整体移动，正常的前进速度应该在 s。 20 致谢爬壁机器人设计 图 测试泡沫移动的漏气情况 机器人的驱动方式可采用气压驱动、液压驱动、电机驱动等三种。不同的动力驱动方式具有不同的特点，选择哪种作为动力源，可以根据应用的场合以及具体的要求选择。 液压驱动系统为地面设备常用，结构较重；气动系统具有重量轻、成本低的特点，但是气体的可压缩性和系统气路上的众多元件，导致系统的线性度低，实 现系统的精确位置控制比较困难，系统的抗干扰能力较差。爬壁机器人作为自主移动机器人的一种特例，应具有良好的灵活性，一方面要求机器人载体重 量轻，另一方面更要求与周边的环境相对独立。且相对于气压驱动和液压驱动，控制方法成熟，简单易行，在技术方面的要求低于前面两种方式，因此选用电机驱动的方式作为机器人的驱动方式 9。 第三章 爬壁机器人的设计方案 21 图 模仿月牙形真空舱的分离和贴合图 在电动执行机构中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直流电机。对于小型移动机器人的控制，较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机 8。 其中直流电机实际上是机器人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围、实用性好、具有很 高的性价比，是一种最为通用的电机。到目前为止，很多深入的研究使得直流电机变得更快、更有效。与步进电机相比，直流电动机具有更小的体积和更少的功耗，直流电机的机器人的机体比较小。所以选择了直流电动机，下面是直流电动机的选择过程 5： （ 1）确定电动机的功率 电动机所需的工作功率按下式可求得： 错误 !未找到引用源。 ; 电动机产产生的转矩依次通过联轴器，蜗轮蜗杆减速器，一对轴承传递到机器人轮子上，效率分别为 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 =误 !未找到引用源。 = 须克服真空吸盘所施加的摩擦力，所以有 22 致谢爬壁机器人设计 错误 !未找到引用源。 其中， S， 错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 已经在计算机器人会不会滑落的计算中涉及过。 综上可得电动机的最小功率为 错误 !未找到引用源。 （ 2）确定电动机的转速 已知，机器人以 v=s 左右的速度向前移动，轮子直径为 D=20盘离轮子的距离约为 2以得到连接轮子的轴的转速 n。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 ； 可得， n= 根据以上球的的电动机的最小功率和最小转速可以有一定的选择电动机的范围。 速装置的设计 电动机输出的转速较高，所以不能将电动机直接连接到转动轴，本次设计中，选择一个开式蜗轮蜗杆传动装置作为过渡，起到减速的作用。 第三章 爬壁机器人的设计方案 23 图 蜗轮蜗杆装置 选择蜗轮蜗杆装置作为减速装置有这样一些优点：蜗轮蜗杆的传动比比较大，减速效果明显，一般传动比 5 80，零件数目少，可以保证结构的紧凑 ，也能够保证机器人的自身重量不会太高；冲击载荷小，传动平稳，噪声低，负荷爬壁机器人的要求；蜗轮蜗杆在一定的条件下可以满足自锁条件，可以防止电动机偶然断电时机器人反向移动。按齿面疲劳强度设计蜗轮蜗杆： 先按齿面接触疲劳强度进行设计，再交合齿根弯曲疲劳强度 4。 （ 1）其中 错误 !未找到引用源。 为作用在涡轮上的转矩，由电机的输出功率和转速以及蜗轮蜗杆的传动效率决定： 错误 !未找到引用源。 （ 2） 工作载荷的性质有关； 错误 !未找到引用源。 为弹性影响系数，与所用的蜗轮蜗杆的材料的 搭配有关； 错误 !未找到引用源。 为接触系数，与蜗杆的直径和蜗轮蜗杆的传动中心距 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。有关； 错误 !未找到引用源。 H为材料的许用接触应力自然与蜗轮蜗杆的材料有关，以上所述四个参数都是标准数，可以查表得到。 这样按齿面接触强度进行设计，就可以得到蜗轮蜗杆的传动中心距的最小值，可以进一步得到蜗轮蜗杆所必须的一些参数，模数 m，蜗杆和涡轮的分度圆直径等。 轴器和轴承选择 根据已经选择的电机和设计出的蜗轮 蜗杆的参数选择合适的联轴器和轴承。因为爬壁机器人的轴的转速比较小，且所承受的载荷也并不大，所以轴承选择最为常见的深沟球轴承，价格低廉，可减少成本。考虑到爬壁机器人中所选的电机输出功率和转矩并不是特别大，也并不存在严重的冲击载荷，所以决定选择普通的刚性联轴器。利用 备在后面的设计过程中使用 5。 24 致谢爬壁机器人设计 图 沟球轴承 壁机器人机体建模 考虑到应该尽量降低爬壁机器人的自身重量，再加上本次设计的爬壁机器人有很多问题没有解决，诸如如何携带清洗机构，如何 实现转弯等问题，所以建模过程中用了简单的用空心杆搭建的桁架结构。真空泵设在地面装置上，用一台电机通过蜗轮蜗杆减速传动装置带动后轮机器人前进。 壁机器人 动仿真 设计爬壁机器人的目的是：代替人工进行高层建筑物的墙壁尤其是玻璃幕墙的清洗检修等，吸附功能和行走功能是机器人最主要的功能，对其运动状态运用 析结果，检查爬壁机器人模型的可行性。 仿真过程 首先进入装配模块，将前面设计过称中设计的轮子、真空舱、蜗轮蜗杆减速装置以及机器人车体等装配起来，搭建机器人整体模型；然后进入机械 运动仿真模块，根据前面选择的电机的类型，定义伺服电机；再建立运动分析，设置参数 且选择当前位置作为运动分析的初始位置；最后运行运动分析。 第三章 爬壁机器人的设计方案 25 机器人的运动系统中最重要的是传动系统，蜗轮蜗杆机构，首先对此进行仿真。选择电机的参数为： 额定电压： 6V 额定功率： 载转速： 6000速比： 8： 1 26 致谢爬壁机器人设计 第四章 结论 爬壁机器人是现下相对比较前端的技术，但是经过几十年的世界上有关科技人员的努力研究，也取得了不小的成就。本次设计完 成了机器人基本的吸附功能和直线行走功能，然而由于本人的知识储备不够，以及时间上的紧迫等原因，使得在设计过程中依然存在很多没有解决的问题。 清洗用爬壁机器人的用途主要是代替人工用于清洗高层建筑的玻璃幕墙这样的高危险工作，有些幕墙上的玻璃是一个整块，没有障碍物，但更多的幕墙上的玻璃是用金属分隔成小块的，有时候还需要机器人从水平位置转换到垂直位置，所以就牵涉到以下几个本人在这次设计中没有解决的问题： （ 1）自主控制 机器人在高位数百米的位置工作，如果要越过障碍物，首先要确定障碍物的具体位置及形状，在于地面的人眼是 没有办法确定的，自然需要机器人自主识别能力和自我完成跨越障碍物的工作，如果要完成自主控制功能就要用到大量的传感器甚至是摄像装置。 （ 2）转弯问题 清洗用爬壁机器人应该具有转弯功能，人工令其转弯是不现实的，因为这样就失去机器人的优点了。对于转弯问题，一开始设计的是三轮机器人，后轮作为驱动轮，而一个前轮作为转向轮，因为担心机器人吸附装置的吸附力的大小，机器人在载荷爬壁过程中可能会存在安全隐患，所以改为四轮式机器人。对于真空吸附式爬壁机器人转弯，最大的问题存在于转弯过程中真空吸盘要承受一定的扭矩，难度较大，所以在 设计的过程中并没有实现，但是有一种实现转弯的方法值得借鉴：增加一个腹部吸盘 6。机器人在正常爬行的过程中，腹部吸盘停止工作，当机器人需要转弯时，腹部吸盘紧紧吸附在墙壁上，车体完成转弯。 （ 3）安全问题 本次设计过程中，只是验证了四轮式机器人在墙壁爬行的过程中，自生重力加上机器人所带载荷小于 400右时安全的，因为最小质量比较大，所以可以确定机器人一般不会在爬壁过程中沿着墙壁滑落。然而爬壁机器人的实效方式还有一种方式：翻倒，即在倾覆力矩的作用下前轮失去吸附能力，设计中并没有对此第四章 结论 27 进行检验，但是还是考虑到了 它可能存在的影响，并没有将质量比较大，而且比较高的真空泵设计安装在机体上，而是设计成为了地面装置提供负压的形式。28 致谢爬壁机器人设计 致 谢 四年的大学生活匆匆而过，大学生活中的最后一项学习任务也即将结束。在这四年的大学生活中，我始终生活在老师的关怀和同学的帮助之中，尤其在这次毕业设计的过程中，我更是深深感受了这一点。 本文是在段清娟老师的精心指导下完成的。从毕业设计的选题到论文的结构，再到论文的表述规范，段老师都给予了非常悉心的知道和严格的要求。在整个毕业设计的过程中，段老师总是一丝不苟，不辞辛苦，按时为我们几个学生做精心的指导和监督。在这次毕业设计的过程中，段老师留给我最深的影响是老师她一心一意为学生负责的态度，令我深深敬佩。 我一直对我的老师心存感激，在这毕业设计即将结束的时候，我再一次对我的老师表示衷心的感谢，感谢老师给我无私的帮助和严格的要求。 29 参考文献 1 肖立，佟仕忠，丁启敏，吴俊生 . 爬壁机器人的现状与发展 2004（ 11）：81 83 2 付宜利 ,李志海 . 爬壁机器人的研究进展 2008,25（ 4） :1 5 3 姬国钊 ,张世伟 ,王奇斌 ,李俊 秀 ,王卓 . 真空吸盘式爬壁清洗机器人的研究与开发 2009（ 4）： 5 8 4 吴宗泽，罗圣国 . 机械设计手册（第二版） . 高等教育出版社， 1998:119 154 5 纪铭刚，濮良贵 . 机械设计（第八版） . 高等教育出版社， 2006:239 269 6 S. in 8001： 252 256 7 葛云 罗冬梅 陈志刚 吴雪飞 . 基于 的挖掘机铲土装置的建模与运动仿真 . 机械 ,2005(6)： 43 45 8 吴神丽 . 新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计 ,成都理工大学 硕士学位 论文 ,2009 9 王鹏 . 壁面自动清洗机器人关键技术研究 , 上海大学 硕士学位论文 , 2004 10 张兴悟 . 高机动性小型清洁爬壁机器人的研究 , 机械研究与应用 ， 2007（ 2）： 28 31 11 吴善强 李满天 孙立宁 林业机械与木工设备 35（ 2）： 36 37