平面爬壁机器人运动机构设计（包含CAD图纸、三维模型）

- -平面爬壁机器人运动机构设计摘要平面爬壁机器人有着广泛的用途，特别是它可以在一些危险环境下进行作业，易于实现自动化，改善劳动条件、节省人力、提高效率，并可免去搭脚手架。其运动机构当前机器人研究的主要方向之一，研究人员在原有的基础上追求更高的移动速度、更优的移动和吸附方式、更轻巧的内部结构、更灵敏的反应和自我调节等。为此，本论文研究了一种平面爬壁机器人的运动机构设计。本研究的主要思路是将机器人设计成为一个吸附机构，使其吸附在垂直墙壁上，在吸附机构下面安装有行走装置，使机器人能自由地在垂直墙面运动。本研究主要通过原理研究、方案对比选择、机构三维模型、论文撰写实现研究成果展示。本论文的主要工作如下：首先，在深入分析当前机器人的研究情况下，查找资料研究爬壁机器人运动原理，在已有的研究基础上发挥想象力，对比各种方案，确定爬壁机器人总体框架的设计，主要是吸附和移动方案的设计。其次，通过各种吸附方案的对比和机构复杂程度等，确定吸附方案并进行设计；同时通过各种移动方案的对比和其应用场合等，确定移动方案并进行设计。再次，绘制方案、相关零部件的原理图、草图，并提供备选方案，利用 Solid works 建立有关机构的零部件的三维模型、装配模型仿真。最后，将设计成果以模拟仿真资料和图纸的方式展示，并总结本设计的优缺点以及用到的技术。关键词：爬壁机器人；运动机构；吸附机构；移动机构；模型- -IThe Kinematic Design of Mechanism for Plane Wall- climbing RobotAbstractThe plane wall-climbing robots are broad-spectrum in life and production, especially in some dangerous environment. Its easy for them to achieve automation, change working conditions, reduce manpower and increase efficiency. A t the same time they relieve of building false work. As a result, this discourse introduces the process of kinematic design of mechanism for this kind robot.The main idea of this design is to design a robot which adsorb on wall, so that it walk vertically. It bring forth mainly in data research, project selection contrast, three-dimensional model, Simulation and thesis. Firstly, do some research of principle of wall-climbing robot, and compare with different program to choose the overall frame work.Secondly, compare with different ways of adsorbing to choose the best way, and also the same to the moving program. Make sure that they are suit with each other.Thirdly, draw program, the relevant parts schematics and sketches, and to provide options. Use Solidworks set up three-dimensional model of the components and simulation of the assembly model.At last, bring forth the results of the simulation data and drawings. Sum up the advantages and disadvantages of this design and the technology used.Keyword: wall- climbing robot; kinematical design; adsorb; move; model- -II目录1 绪论 .11.1 平面爬壁机器人的研究背景和研究意义 .11.1.1 研究背景 11.1.2 研究意义 .21.2 平面爬壁机器人的研究内容和发展方向 .21.2.1 研究内容 21.2.2 发展方向 .41.3 国内外研究概况 .41.4 本文的主要研究内容 .61.5 小结 .62 平面爬壁机器人的总体框架设计和拟定 .72.1 研究方法和步骤 .72.2 总体框架设计和适用环境设定 .72.2.1 总体框架 .72.2.2 适用环境设定 .82.3 方案分析 .82.4 拟定方案 102.5 小结 103 吸附方案设计 113.1 方案原理 113.1.1 附着方式分类 113.1.2 本文采用的吸附方案 .123.2 结构设计和分析 133.2.1 吸盘设计 133.2.2 吸盘提升和复位机构 133.3 部分理论计算 143.3.1 附着力学分析 143.3.2 简化附着模型 153.4 影响附着稳定性的因素 163.5 小结 164 移动方案设计 174.1 方案原理 174.2 结构设计和分析 184.2.1 动力传递结构 18- -III4.2.2 导向结构 184.2.3 变向结构 194.2.4 安装结构 204.2.5 支撑结构 214.3 部分理论数据 214.4 小结 225 系统实例 235.1 零件和总装工程图 235.2 三维装配模型 235.3 其他一些关键部件的设计实例图 245.4 装配仿真演示 266 结论 276.1 本文的主要研究结论 276.2 平面爬壁机器人的关键技 术 27致谢 29参考文 献： 30附录 31- -01 绪论机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，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，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响 1。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。近年来，工业机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。特别是它可以在一些危险环境下进行作业，易于实现自动化，改善劳动条件、节省人力、提高效率，并可免去搭脚手架。这种垂直爬行作业超过了人的极限，所以又称极限作业机器人。其运动机构当前研究的主要方向之一，研究人员在原有的基础上追求更高的移动速度、更优的移动和吸附方式、更轻巧的内部结构、更灵敏的反应和自我调节等。所以在运动机构的研究成果，将促进爬壁机器人在更多的极限环境下作业，并有助于实现整体的自动化和智能化。同时研究还为计算机、自动控制、传感、无线通讯、精密机械，仿生材料，多主体系统中的合作、决策、实时规划和机器学习等众多学科提供了一个良好的研究背景；在商业应用上，在机器宠物等领域有直接的应用前景 2。1.1 平面爬壁机器人的研究背景和研究意义1.1.1 研究背景近年来，由于工业生产对特殊功能机器人的需求越来越大，爬壁机器人的研究备受关注，目前，国内外研究者已开发出各种类型的爬壁机器人，以满足不同的工业需求。爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支，它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可在垂直壁面上附着爬行 ,并能携带工具完成一定的作业任务 ,大大扩展了机器人的应用范围。目前，爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等 ,如对高楼外壁面进行清洗 ,对石化企业中的储料罐外壁进行检测和维护，对大面积钢板进行喷漆 ,以及在高楼事故中进行抢险救灾等。爬壁机器人的应用取得了良好的社会效益和经济效益。经过 30 多年的发展 ,爬壁机器人领域已经涌现出一大批丰硕的成果 ,特别是 20 世纪 90 年代以来 ,国内外在爬壁机器人领域中的发展尤为迅速 。近年来 ,由于多种新技术的发展 ,爬壁机器人的许多技术难题得到解决 ,极大地推动了爬壁机器人的发展 ,特别是小型爬壁机器人成为机器- -1人领域的一个研究热点。爬壁机器人在解决了吸附与移动的矛盾、跨越障碍等问题后，又开始向自主型机器人的方向发展。对机器人的控制采用无线遥控，是爬壁机器人今后的发展方向。1.1.2研究意义平面爬壁机器人有着广泛的用途，特别是它可以在一些危险环境下进行作业，易于实现自动化，改善劳动条件、节省人力、提高效率，并可免去搭脚手架。平面爬壁机器人的主要用途有：(1)对石化企业中大量圆柱形大罐或球罐内外壁面进行检查、探伤或喷砂除锈、喷漆防腐；(2)清洗高层建筑物的瓷砖壁面或玻璃墙面； (3)在建筑行业用于巨型墙面喷漆、砌砖、贴瓷砖和点检; (4)在核工业中对大罐进行视觉检查、测厚和焊缝探伤; (5)在消防部门用以递送急救布带 ,运送水带和水枪; (6)在造船行业用于喷砂除锈或喷涂船体及其内壁等,特别是对修船行业 ,可以快速地将船体进行防腐处理。其运动机构当前研究的一大方向，研究人员在原有的基础上追求更高的移动速度、更优的移动和吸附方式、更轻巧的内部结构、更灵敏的反应和自我调节等。所以在运动机构方面的研究成果，将促进爬壁机器人在更多的极限环境下作业，并有助于实现整体的自动化和智能化。同时研究还为计算机、自动控制、传感、无线通讯、精密机械，仿生材料，多主体系统中的合作、决策、实时规划和机器学习等众多学科提供了一个良好的研究背景；在商业应用上，在机器宠物等领域有直接的应用前景。1.2 平面爬壁机器人的研究内容和发展方向1.2.1 研究内容移动机构的研究，是机器人在运动过程中首要解决的问题。目前实现机器人壁面移动的方式很多，概括起来主要有以下几种：（1）轮驱动轨行式 移动机构用车轮夹紧在壁面轨道两测，当驱动轮旋转时，依靠车轮与轨道间的摩擦力实现上下移动，这种机构实现容易、运行可靠，但对壁面有铺设导轨要求且移动方向受导轨的限制。（2）偏心扭摆式机器人可采用偏心扭摆双吸盘行走机构形式，当一个吸盘吸附时，另一个吸盘通过偏心机构扭摆一定的角度实现移动，二个吸盘交替工作达到行走目的。偏心扭摆式机构的主要缺点是惯量大、行走效率低、速度慢。（3）车轮式- -2这种移动机构依靠排风方式产生密封腔的负压以达到壁面吸附，行走功能由车轮机构实现。车轮机构可以采用普通车轮形式，也可采用全方位车轮形式，行走速度较快，但由于要保持密封腔的负压，导致跨越障碍的能力较弱。（4）多层框架式在这种壁面移动机构中，两组吸盘用具有若干相对自由度的机构连接。当一组吸盘吸附工作时，另一组吸盘可以移动行走或转动方向。这种机构具有较好的越障能力和承载能力，但行走速度较慢。（5）特种履带式这种形式的壁面移动机构在履带上连接有多个吸盘，与壁面接触的吸盘处于吸附有效状态，不在壁面上的吸盘处于吸附无效状态。在机构的连续移动过程中，由于要求各吸盘的吸附状态按一定次序发生变化，因此，系统中需要有一套多通转阀形式的真空分配和控制装置，还要有防止缆管缠绕的机构，增加了复杂性。特种履带式壁面移动机构还可以采用滑移式真空分配与交换机构形式。（6）独立驱动足式多足壁面移动机构是在多足机构的足端连接一个或几个吸掌构成，其优点是机动性较好，可以适应不同形状的壁面，有较强的越障能力等。但具有冗余自由度的多足运动协调控制有一定难度，而且行走速度较慢。（7）索吊轨行式为克服在壁面铺设导轨带来的不便，可考虑用张紧钢索作为导轨，它的主要缺点是钢索的横向刚度小，而且水平移动困难。近来，随着研究的深入，爬壁机器人轮式全方位移动机构逐渐成熟。全方位移动机构一般由 3 到 4 个定向滑移轮组成。轮式全方位移动机构不仅具有轮式移动机构运动的快速性、灵活性、可控性，而且能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向直线移动或在原地旋转任意角度。其次是吸附机构的研究。传统爬壁机器人按吸附功能可分为真空吸附和磁吸附两种形式。真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，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。磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此限制了爬壁机器人的应用环境。在爬壁机器人的壁面吸附方面，国内外的研究者在不同的研究方向上取得了很大进展，并在许多方面实现了技术创新和突破。- -31.2.2发展方向驱动、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起来主要有以下几方面。(1)新型吸附技术的发展。吸附技术一直是爬壁机器人发展的一个瓶颈，它决定了机器人的应用范围。由于目前应用比较成熟的吸附技术都有很大的局限性，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。模仿壁虎等动物脚掌的仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展的热点。(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。比如机器人能够在空间飞行器上进行安装及外部维护作业等。(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，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，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。由于爬壁机器人的作业空间一般都较大，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，把需要的模块直接连接起来组成新的机器人 3。1.3 国内外研究概况壁面移动机器人广泛应用于维护、检查、消防、救援、清洗、情报和国防等领域，必将为人类带来巨大的经济效益和社会效益。因此，各工业发达国家都投入大量人力物力，积极进行其理论和技术研究，如日本、美国、俄罗斯、西班牙、英国、德国、奥地利等国相继研制出一些各具特色的壁面移动机器人实验样机。我国在国家自然基金和 863 计划的大力支持下，从上世纪 90 年代中期也相继开发出一些壁面移动机器- -4人样机。本节将针对国内外开展壁面移动机器人研究情况展开分析。1966 年，日本的西亮教授首次研制成功壁面移动机器人样机,并在大阪府立大学表演成功。这是一种依靠负压吸附的爬壁机器人。随后出现了各种类型的爬壁机器人,到 80 年代末期已经开始在生产中应用。日本在开发爬壁机器人方面发展最为迅速,主要应用在建筑行业与核工业。日本清水建设公司开发了建筑行业用的外壁涂装与贴瓷砖的机器人,他们研制的负压吸附清洗玻璃面的爬壁机器人,曾为加拿大使馆清洗。东京工业大学开发了无线遥控磁吸附爬壁机器人。在日本通产省“极限作业机器人“ 国家研究计划支持下,日晖株式会社开发了用于核电站大罐的负压吸附壁面检查机器人。日立制造所研制了履带式磁吸附检查机器人,带有超声检测装置。由于采用了负荷分散机构 ,它能够适应各种凹凸不平的曲面和棚顶。英国在爬壁机器人领域取得许多成果。90 年代初RTD 公司推出了轮式磁吸附爬壁机器人(取名 Beetle),已作为商品销售。最高爬行速度达每分 12 米,可以自动记录每隔一定距离的壁厚, 最高爬行高度为 25 米。俄罗期彼得堡国立技术大学也研制成功负压吸附爬壁机器人。日本应用技术研究所研制出的车轮式磁吸附爬壁机器人，可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达 9m/min，适用各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。1989 年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。由于爬壁机器人应具有能跨越障碍物，并能从地面自动爬上壁面或从壁面返回地面的功能。为此日挥公司在原单吸盘结构的基础上开发了多吸盘节状杆型壁面移动机器人。该机器人采用了两个吸盘，每个吸盘内均装有轮子，当它在壁面上的平面部分移动时，两个吸盘同时工作，当遇到障碍物时，只用一个吸盘吸住，另一个拖起来越过障碍物。我国自 90 年代以来,有许多单位根据国家经济建设需要, 研制成功各种类型与功能的爬壁机器人。上海交通大学研制成功测量大罐容积的磁吸附爬壁机器人。哈尔滨工业大学研究所在“863 计划”支持下，于 1994 年研制成功核工业用的壁面爬行遥控检查机器人，最近又与大庆采油一厂合作，研制成功采油行业中大量使用的储罐防腐用喷吵、喷漆履带式磁吸附爬壁机器人，在现场试验取得成功。我国的哈尔滨工业大学已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带爬壁机器人。其中磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过履带（由链条和永磁块组成）使机器人贴附在壁面上。机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行 4。- -51.4 本文的主要研究内容本文初步实现平面爬壁机器人运动机构的功能设计，主要是机械结构的设计工作，对运动控制、路径规划等方面暂不作研究。研究的内容包括以下几个方面：（1）爬壁机器人总体框架的设计，主要是运动机构设计；（2）通过各种吸附方案的对比和机构复杂程度等，确定吸附方案并进行设计；（3）通过各种移动方案的对比和其应用场合等，确定移动方案并进行设计；（4）利用三维绘图软件 Solid works 建立有关机构的零部件的三维模型、装配模型；（5）对各部分的设计进行说明，写成一份设计总报告书。1.5 小结本章主要讲述爬壁机器人领域取得了丰硕的研究成果。爬壁机器人的研究正向着采用新型吸附方式、多功能化、小型化、无缆化、智能化、可重构化等方向发展。着眼未来 ,爬壁机器人必然会向更多的领域延伸发展 ,反恐排爆、侦察救灾及空间作业等将来或许会成为爬壁机器人大显身手的领域。本论文研究具有重大意义和应用价值。- -62 平面爬壁机器人的总体框架设计和拟定2.1研究方法和步骤本研究主要通过原理研究、方案对比选择、零部件三维建模、产品虚拟装配、论文撰写实现研究成果展示。爬壁机器人运动原理研究：在已有的研究基础上发挥自己的想象力，对比各种方案，确定机构的方案。主要是吸附和移动方案的设计，其中吸附方案目的是使爬壁机器人能吸附于壁面而不下滑其实现的方法主要有两种: 负压吸附与永磁吸附。方案选择： 面对复杂的壁面环境, 要求吸附机构必须要产生并维持一定的吸附力, 使机器人安全可靠地吸附在工作壁面上, 要求出现更好的吸附及密封技术。从有关资料看出, 现有的以真空吸盘为吸附手段的爬壁机器人对于较为复杂的工作面适应性较差, 这是因为建筑物外墙结构形状复杂,材料多样 ,壁面有沟缝、凸起物和凹陷区等,所以需要解决密封、跨越、移动等许多技术难度大的问题。而磁吸附的方式适用的环境受到局限，其只能爬行于金属壁面。移动方案设计主要考虑移动方向、移动机构紧凑、越障能力等。三维建模及虚拟装配： 1、详细设计，结构草绘，2、三维建模，3、装配模型仿真。在方案选择之后，对大体结构进行草图设计，并不断改进。学习三维绘图软件，主要是 SolidWorks 机械设计软件，它易用、易学、功能强大、应用广泛，更容易检查设计中的错误以及不足之处。利用该绘图软件，将确定的运动机构方案和草图绘制成三维图，进行机构三维模型的装配。最后将研究的成果将以论文和图纸的方式展示。2.2 总体框架设计和适用环境设定2.2.1 总体框架本研究的主要思路是将机器人设计成为一个吸附机构，使其吸附在垂直墙壁上。在吸附机构下面安装有行走装置，使机器人能自由地在垂直墙面运动；并且以此机器人为基础运动平台，根据需要搭载各种民用或军用设备，成为一台有实用价值的新型平面爬壁机器人。所以其总体框架是具备平面爬壁机器人的吸附和移动功能，并能在这基础上添加其他的功能，比如幕墙清洗，罐壁检测，喷漆等工作机构，还有智能控制系统等。- -7本设计包括两大部分：吸附机构和移动机构，其包含的吸附、移动和越障功能都是通过机械本体设计来实现的，而且是机器人设计中的关键。2.2.2 适用环境设定由于本人设计能力有限和资源材料的限制，所以在本设计当中，利用大学所学的机械设计有关知识，设定了本设计的机器人是运动于普通光滑的平面壁面，其适用于目前大部分的壁面情况。故定位本机器人为多吸盘式的平面爬壁机器人。2.3 方案分析本设计为解决爬壁机器人吸附能力和运动性能之间的矛盾，查阅资料并考虑到本设计采用是多吸盘的附着方式，所以考虑到的总方案有以下三种：履带式：履带式结构的特点是爬行速度快，控制方便，吸附方式多吸盘，结构如图 2-1 所示。结构类似于坦克车的结构，主要通过驱动器带动履带滚动, 从而带动前端吸盘吸附、后端吸盘剥离, 以此来实现机器人的前移。本设计采用此方案的缺点是设计结构复杂，要求吸附能力较高，吸盘和真空泵安装困难，故本方案在初期就被否决了。另外又考虑到另外一种履带式就是吸盘在箱体正下部，吸盘一直工作，随着履带的转动而移动，在摩擦力的作用下前进，这个方案首先是吸盘的密封性要求高，而且吸盘一直摩擦，易损坏，同时越障能力低，故也被否定了。 框架式：运用壁虎爬行原理，科学家们设计构思了真空吸附式爬壁机器人。采用多组橡胶吸盘将机器人吸附在墙面上，配以简单十字框架机构完成其行走功能。由于选用了多子真空吸附、足式移动，其吸附性好，结构简单，由于吸盘采用列吸盘组，有效吸附面积大，吸附力大，对壁面的不平度、弯曲度、空隙都有较强的适应能力 5。最初的框架式方案（如图 2-2 所示）是利用箱体底部的方向转盘实现平面上任意方向的转动，十字框架只能在一条直线上交替移动，主要是靠电机的正反转实现。方向的改变是利用向心推力球轴承和转向齿轮组、电机、图 2-1 履带式机器人图 2-2带 方 向 盘 的 框 架 式 结 构 - -8吸盘架构成一个转向机构，在需要改变前进方向时，吸盘架上的吸盘组吸附于壁面，利用电机转动改变方向。这个方案的缺点是机器人的重心较高，吸盘架的机构设计较复杂，而且吸附力要很大。这个方案在中期设计时被否定了。 而第二种框架式机构（如图 2-3）依然是十字箱体的形状，也是利用吸盘组的交替吸附来实现移动，不同的是前进方向的改变不需要特别的转向机构了，而是利用箱体和横梁之间的两个电机实现 X-Y 两个方向的选择。框架式机器人构型具有如下特点。（1）机器人主体部分一般由可以相互平移和旋转的两个框架呈十字型构成，其中任意一个框架可相对另一平移和旋转； （2）机器人由 12 个主驱动关节驱动机器人运动，其他的关节只作局部调整；（3）每个框架具有成组配置、并可独立控制的腿足结构；（4）腿足结构具有一个主动直动关节，足端通常具有消极转动副；（5）机器人主要关节均为直线运动。框架式结构机器人与步行式结构机器人不同之处为腿足结构采用直线自由度方式，运动分为在框架带动下的平移和自主伸缩两种。采用成组对称的腿足连接，足端设有吸附装置，运动中的安全性通过吸附装置的分散布置来保证。随着腿部的交替吸附和框架主体各部分间的相对运动，机器人实现壁面移动功能。为了满足机器人运动的灵活性，可以在机器人本体中央增加一个转动自由度，使框架之间可以相对摆动，实现机器人壁面转向运动功能。车轮式：采用吸盘负压产生对壁面的正压力，然后利用摩擦系数大的材料做成车图 2-3 x-y 移动框架式- -9轮，电机驱动车轮转动，在摩擦力的作用下实现机器人移动。我国研制出了单吸盘轮式气囊密封装置的壁面移动机器人，如图 2.3.4 所示，其吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。图 2-4 中的真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。此方案的要求较高，而且本人的设计能力有限，故也不采用这个方案。2.4 拟定方案经过以上方案的分析，可以看出轮式、履带式爬壁机器人能够容易地实现连续运动。轮式结构可实现高速稳定的运动，能量利用率高；采用履带式结构在具有前者优点的同时，其对壁面的适应性强，运动的稳定性和机动性更佳。总的来说采用轮式和履带式结构的机器人一般结构简单，外形紧凑；运动控制相对简单，移动速度快，可靠性较高。由于磁吸附和旋翼吸附的局限性，此类机器人一般多采用滑动密封方式的负压吸附。单车体的移动机构结构特点决定其无法越障，并且不具备大折角面面转换的能力。若采用双车体结构，将移动与吸附装置相结合，将使机构变得十分复杂；此外吸附元件的使用寿命问题也是应用中的瓶颈。所以本设计采用了第二种的框架式结构。箱体与上下横梁组成了两组十字形状的结构，利用主箱体吸盘组和上或下梁吸盘组的交替吸附来实现直线移动，前进方向的改变不需要特别的转向机构，而是利用箱体和横梁之间的两个电机切换实现 X-Y 两个方向的选择。2.5 小结本章主要讲述本设计所要进行的研究内容和研究手段步骤，初定总体框架和拟定方案，通过设定具体的环境条件，对履带式、框架式、车轮式结构进行分析，了解各种方案的优缺点，最终采用本框架式结构进行本设计的有关工作，并围绕具体的设计内容进行下面的方案设计。图 2-4 单吸盘车轮式- -103 吸附方案设计3.1 方案原理3.1.1 附着方式分类目前应用较多的附着方式有：真空吸附、负压吸附、旋翼吸附、磁力吸附、机械力抓持，近年来也有人利用纳米技术研制出基于范德华力的仿生壁虎脚掌，但处于起步阶段。另一方面，由于墙壁通常采用非金属的致密结构材料，适用于平面爬壁机器人的附着方式主要有真空吸附、负压吸附、旋翼吸附和机械力抓持 4 种。真空吸附技术是利用压缩空气通过特殊的气动装置产生真空进行吸附的一种技术，该技术由德国 FESTO 公司首先提出并开发了配套产品。图 3-1 构成了一个典型的单吸盘真空吸附系统，由真空发生器、吸盘、管路组件和控制器组成。真空发生器产生真空的机理是射流原理，压缩空气从喷嘴高速喷出，在混合室中形成高速的空气流，通过气流的卷吸作用将混合室的空气带出从而在混合室产生真空。该方法所能达到的真空度最高可达80kpa 以上，但由于卷吸作用的流量有限，所以真空发生器产生的真空流量很低。在机器人中对吸附系统的要求是多方面的，如承载、运动、越障、面面转换等。所以，单个吸盘往往不能满足机器人的吸附要求，必须采用多个吸盘并通过合理布置构成吸盘组来满足使用要求，吸盘组作为独立的构件应用到机器人中并赋予了吸盘新的功能，如抗倾覆、容障等。通常吸盘可以承受轴向力（包括拉力和压力） 、切向力以及两者的组合力。轴向拉力将大幅削弱吸盘的切向承载能力，轴向压力则可以提高吸盘切向承载能力，所以，应避免拉切组合，尽量采取压切组合。另外，吸盘承受倾覆力矩的能力很差，所以，在吸盘设计时应尽量避免吸盘受倾覆力矩，通过合理布置吸盘的位置和选择适当的吸盘组件可以大大减少甚至消除吸盘所受的倾覆力矩 6。负压吸附技术也是利用真空原理进行吸附的，由于采用离心式或涵道式风机作为真空发生源，所能达到的真空度较低，通常在 2kpa15kpa 之间，因此称为负压吸附。目前负压吸附技术还处于初始阶段，根据所使用的风机种类不同，负压吸附又分为低图 3-1 真空吸附系统构成- -11流负压吸附和高流负压吸附，前者的负压发生器采用离心风机，负压最高可达 15kpa以上，但风机的流量较低，对吸附腔的密封条件要求较高，泄漏对负压的影响较大；后者的负压发生器采用涵道式风机，负压最高只能达到 3kpa 左右，但风机的流量较大，对吸附腔的密封要求不高，泄漏对负压影响较小，甚至可以省去密封环而只要简单的挡风装置。吸盘尺寸的大小与腔内负压和相应的吸附力、机器人重量、摩擦系数等有关，应符合以下二个条件： (1)不下滑条件,即摩擦力与重力相平衡 (2)不倾倒条件,即转矩平衡 由分析可知,增强负压,增大吸盘面积都可以增加负重能力。如果机器人边移动,边吸附,还会遇到吸盘密封技术的难点;如果机器人爬行的是弧形壁面 ,则更会增加制作度。已问世的各类负压吸附爬壁机器人都采取了许多措施。 虽然负压吸附的真空度较低，但负压吸附技术使用方便。负压吸附方式可以适用于玻璃、瓷砖和大理石等墙面，能实现连续运动的轮式或履带式幕墙清洗机器人一般采用负压吸盘作为吸附装置 7。目前有研究者根据蜜蜂飞行悬停原理研制了螺旋桨推进轮式载体结构壁面移动机器人，它首次利用了空气推进的原理产生壁面附着力，该机器人的推进螺旋桨轴线与壁面成 45角，当螺旋桨旋转时，产生的垂直于壁面的压力和沿壁面的推进力，使机器人可以在壁面上运动。采用螺旋桨旋转所产生的推动力将机器人紧贴在幕墙表面上的思路新颖，此方式可以适合任何介质的墙面，降低了机器人对作业表面属性的依赖程度。其特点为：吸附力一般较小，对壁面适应性强；但旋翼会产生反向扭矩，需平衡；但由于振动、噪音大，技术的安全性及可靠性仍有待提高。上述特点决定了该方式具有自身局限性，由于吸附力和驱动力均产自旋翼，因此要增加吸附力、提高运动速度和机器人负载能力就必须增加旋翼电机功率，这样振动噪音等的影响则更严重，因此旋翼吸附方式适于负载要求较小的轻便型机器人设计使用。通过对人类攀岩过程的爬壁机理研究可知，即使足端无特殊的吸附装置，合理的利用环境特征也可实现壁面人体附着保持功能。对于高层建筑物壁面而言，一般均有窗框、导轨等结构，墙上或墙之间交错的障碍，构成了对机器人运动的约束。如果对该结构不能很好的加以利用，其必将影响机器人作业安全性和效率。机械力抓持方案正是基于此观点，利用建筑物特征，当作机器人运动的参考和媒介，通过机械装置与特征结构的相互作用产生稳定吸附力。3.1.2 本文采用的吸附方案根据适用环境的设定和总体框架设计，以及采用的框架式结构，本设计的机器人属于间歇性运动的机器人，所以吸附方案采用多吸盘 8的真空吸附方式，采用真空泵装置,使吸盘内腔产生负压,利用大气压和吸盘内之间压差产生垂直于壁面的正压力，从而使机器人吸附壁面。- -123.2 结构设计和分析3.2.1吸盘设计吸盘的布局设计如图 3-2 所示。在十字箱体框架中，安装上下横梁，每个横梁上有 4 个吸盘组成的吸盘组，两梁的吸盘数量和大小可以根据具体要求增加，利用真空装置通过吸管产生真空，吸附于壁面上。吸盘形状如图 3-3 所示，吸盘通过螺母调节其到壁面的距离。由于十字框架式结构，所以上下横梁的吸盘长度不一样，具体参数见附件有关图纸。3.2.2吸盘提升和复位机构 如图 3-4 吸盘提升与复位机构所示由于本机器人是框架式，而且是间歇性运动，需要吸盘在机构移动时脱离壁面，起到保护吸盘在移动时不被磨损，同是也减少了移动的摩擦力，提高越障能力；而在吸盘要下压吸附时，电磁铁断电，吸盘又利用图 3-2 吸盘布局设计图 图 3-3 塑胶吸盘 1：电磁铁 2：复位弹簧 3：吸盘 图 3-4 吸盘提升和复位机构123- -13复位弹簧的作用贴紧壁面，增强吸附的密封性和有效性。3.3 部分理论计算3.3.1附着力学分析虽然爬壁机器人上与壁面接触的附着装置和驱动装置具有局部柔性，但总体看来，局部柔性对整个幕墙清洗机器人受力状况影响较小，同时为了简化问题分析，在建立力学模型前，做以下合理假设。（1）刚体假设即认为幕墙清洗机器人总是刚体。（2）对称假设即认为幕墙清洗机器人在水平方向所受的力总是对称的。若机器人与壁面之间保持静止或平稳运动的位置关系，称机器人附着在壁面上。由上述假设幕墙清洗机器人的受力状况可简化为平面力系。设幕墙清洗机器人以速度 v 向上沿幕墙做匀速直线运动，其受力情况（因为移动时吸盘起来，同时为简化分析，忽略了阻力的作用） ，如图 3-5 所示。O1 点为机器人的翻倒支撑点，由刚体假设，该点即机器人与壁面接触的最低点，当发生翻倒失效时，机器人绕该点发生翻倒。由平衡条件，有 式（3-1）01oMzy将图中各参数代入上式，可得式（3-2）0sinci1hGPNzFyo式中 G机器人的重力（N） ；P等效附着力（ N） ；N幕墙对机器人的等效反力（N） ； F机器人的驱动力（ N） ，F N ， （ 为摩擦系数） ；MP、N 向重心 O 简化时，所得对 O1 点的附着力矩（ Nm） ，M f(P,N)，f 由机器人的结构参数确定；壁面与水平面的夹角解上述方程组即可求得平衡状态下，机器人的各力学参数。同时也可以此对机器人的附着状态做出判断。在图示的坐标系中，机器人的重力可分解为 y 轴和 z 轴两个图 3-5 受力分析- -14方向分量，平衡状态下，重力的 y 分量由驱动力来平衡，而重力产生的翻倒力矩由附着力矩 M 来平衡。然而，考虑到外力干扰和惯性力等因素，实际的驱动力比上式求得的要大得多，因此，驱动力 F 介于 0F max 之间。F max 由机器人驱动装置与幕墙面之间的最大静摩擦力确定，其大小与介质摩擦系数和作用于驱动装置的附着力有关。同样实际可能产生的附着力矩比上式求得的值要大得多，并在一定范围内随外力的变化而变化，即附着力矩 M 介于 0M max 之间。M max 为最大附着力矩，其大小由附着力和机器人的结构尺寸和附着方式决定。3.3.2简化附着模型图 3.3.2 所示为爬壁机器人的简化附着模型。该模型将机器人与壁面接触的部位简化为 O1、O 2两点，该两点分别为机器人与壁面接触的最大外廓尺寸点，下方的 O1点即机器人的翻倒支撑点。同时将附着力和反力以及驱动力分别向这两点简化，在平衡状态下，将图中各力学参数代入式（3-1）得式（3-3) 0)()sin(45.00coi 221121 LNPGhLMPNzFyo 式中 G机器人的重力（N） ；P1O1点的等效附着力（N） ；P2O2点的等效附着力（N） ；N1O1点的反力（N） ；N2O2点的反力（N） ； F1O1点的驱动力（N） ；且 F1N 1， 为摩擦系数 F2O2点的驱动力（N） ，且 F2N 2， 为摩擦系数； 壁面与水平面的夹角；O1OD，由机器人的结构确定。式（3-3）的第 3 个方程的第一项即由重力引起的翻倒力矩，其大小随倾斜角变化而变化，因此，该方程可写成 Mg（P 2N 2）L0。在平衡状态下，当 Mg 增大时，第二项（P 2N 2）L 也随之增大。由于附着力 P2由机器人的附着装置决定，通常情况下不会改变，因而，其大小通过反力的重新分配来实现，反力 N2随的 Mg 增大而减小，从而保持机器人的附着状态。当反力 N2减小到 0 时， （P 2N 2）L 的值达到最大值，即机器人的附着力矩 Ms，且有 MsP 2L。由上述分析可得以下结论。（1）机器人附着力矩完全由 O2点的附着力 P2贡献，O 1点的附着力 P1对附着力矩无图 3-6 简化附着模型- -15贡献。（2）O 1、O 2点的反力随翻倒力矩的变化而变化。且通常情况下，有 N1P1，N 2P2。由上述结论可知，增大 O2 点的附着力，可提高机器人的抗翻倒的能力；另一方面，由于 O1 点的反力较 O2 点大，因此，驱动装置应尽量靠近 O1 点，以提高驱动力。3.4 影响附着稳定性的因素影响机器人附着稳定性的因素是多方面的，其中包括：环境因素、外力干扰因素以及机器人自身的因素等三个主要方面。环境因素中，墙壁表面的局部缺陷、表面附着的其他物质都可能降低附着装置的密封状况或摩擦系数，而墙壁的平面度会降低接触的紧密度，同样导致接触摩擦系数降低。外力干扰因素主要有风力和建筑群体结构引起的空气动力，这些干扰外力有可能直接导致翻倒力矩的大幅上升。机器人自身的驱动系统会产生振动和惯性力，以及工作作用力等也会降低附着的稳定性。因此，在进行附着系统设计时要充分考虑各种因素的影响，保证附着的稳定性和可靠性。然而，摩擦系数的大小对摩擦角的影响最为明显，附着的摩擦锥与摩擦系数密切相关。而且实际的工作过程中，摩擦系数随着幕墙表面状态变化而改变。因此，在确定介质的摩擦系数时，必须综合考虑各种因素的影响，如壁面附着的污物、水膜等介质都对摩擦系数产生影响 9。3.5 小结本章主要讲述本设计可能用到的吸附技术原理，并选择了最佳的吸附方案；接着讲述吸附的布置方式，以及相关的优化设计，如提升和复位；同时对一般情况下的机器人进行了刚性假设，受力分析得出机器人需具备的吸附力 F（吸） ，同是进行了简化附着模型的理论分析，对于具体的工作情况，则需要考虑更多的外加因素，本章只简单地分析一般情况。- -164 移动方案设计4.1 方案原理移动机构移动方式有4种:轮式、履带式、脚式、框架式。对于单吸盘吸附而言, 实现移动的快速有效的方式就是采用两个或多个轮子, 实现滚动式前进，但是这种机构不便于越障；履带式多吸盘吸附机构是通过驱动器带动履带滚动, 从而带动前端吸盘吸附、后端吸盘剥离, 以此来实现机器人的前移；脚式是采用仿生爬行方式( 四足或六足)，其中昆虫足式多吸盘机构具有较高的灵活度, 能实现直线移动、转向和越障功能。框架式也是利用仿生学，在吸盘的交替吸附下实现移动，本设计就是采用了十字结构的框架式，利用多吸盘组的交替吸附和提升机构实现X-Y方向的移动。在吸盘吸附在壁面时，机器人执行以下步骤实现移动的功能：循环实现间歇性前进，切换两个电机可以实现 XY 两个方向的移动。原理如流程图 4-1。上梁梁吸盘组吸附，下梁松开电磁铁作用提升下梁吸盘组电机驱动齿轮齿条，下梁相对运动电机停止，电磁铁断电，复位弹簧作用，下梁吸盘组贴住壁面下梁吸盘组吸附，上梁松开电磁铁作用提升上梁吸盘组电机停止，电磁铁断电，复位弹簧作用，上梁吸盘组贴住壁面电机驱动齿轮齿条，上梁相对运动图 4-1 移动方案流程图- -174.2 结构设计和分析移动结构主要包括动力传递结构齿轮齿条、导轨结构滑槽滑块、变向结构上下梁切换移动、安装结构挡板滑槽、支撑结构支撑滚轮，这些结构是相互作用完成简单的 XY 方向的移动，原理和结构简单，功能易实现。4.2.1动力传递结构如图 4-2 所示，其中电机 1 和电机 2 分别安装主箱体的上下面，对应箱体齿条也与电机齿轮配对安装，上下梁的齿条各自与箱体的齿条对应，动力按照动作顺序分成 4路传递出去。移动方案的动力传递路径是减速电机的转动将通过圆柱齿轮，传递力矩和转矩至齿条，使得电机所在的结构和齿条所在的结构发生相对的移动，使得机器人获得移动的动力。电机的控制通过控制系统进行启动和停止及正反转等。初定电机参数为：12V 直流减速微型电机（1）输出扭矩：115mn/m; （2）转速：50RPM;（3）额定电流：60mA;（4）电压：12V;（5）体积（长度*直径）mm：小于 40*小于 25。齿轮参数为 Z18,m2，齿条参数为 Z12,m2,长度 l96mm。 4.2.2导向结构 如图 4-3 所示，移动机构的内部相对移动，采用的表面材料是高分子材料，做成的摩擦系数较小的 T 滑块，X 和 Y 方向各有 4 个滑块和两个滑槽。将 T 型滑块套入与之相配合的 T 型槽1：减速电机 2：圆柱齿轮 3：齿条 4：螺栓图 4-2 动力传递结构31241 2 3 1：滑块 2：挡板 3：螺栓图 4-3 导向滑块结构- -18里，通过一个薄挡板的限位防止滑动脱落。上梁的 T 型滑块与箱体的 T 型槽配合滑动，下梁的 T 型滑槽与箱体的 T 型滑块配合滑动，实现 X-Y 两个方向的导向功能。与槽（图 4-4 滑槽结构）接触的滑块不单将箱体和上下梁连成一体，而且为机器人的移动方向起了导向作用。滑块表面材料可以选择耐磨的高分子材料，比如聚甲醛。它是一种高结晶聚合物，具有表面光滑、有光泽、吸水性小尺寸稳定、耐磨、 强度高、自润滑性好、着色性好，耐油、耐过氧化物。POM 具有较好的综合性能，在热塑性塑料中是最坚硬的，是塑料材料中力学性能最接近金属的品种之一，其 抗张强度、弯曲强度、耐疲劳强度，耐磨性和电性能都十分优良，可在-40-100之间长期使用。 4.2.3变向结构本设计采用的是两个微型减速电机分别驱动 X、Y 的方向移动，其变向是切换两个电机的转动。该部分功能是通过控制系统来实现方向的选择，而且变向结构的上下两部分一样，都是齿轮齿条的啮合结构。其结构如图4-5 所示，当要竖直行进时，Y 方向电机启动，并通过正反转控制达到竖直方向移动；当要水平方向移动时，停止 Y 方向的电机，并止动锁住，使得本体呈刚性状态，启动 X 方向电机，到达改变方向目的。 本设计方案，改变了最初的齿轮齿条啮合困难问题，利用箱体1：滑槽 2：挡板安装位置图 4-4 滑槽结构121：上梁电机 2：上梁 3：箱体 4：下梁电机 5：下梁图 4-5 变向结构14325- -19的中间作用，使得 X-Y 方向的啮合不受彼此影响，而且降低了空间结构的复杂程度，原理简单。 4.2.4安装结构下梁的安装结构是通过 T 型滑槽（下梁）与 T 型滑块（箱体）的配合安装，它们之间存在一定的间隙，防止滑动卡死，在滑块与滑槽装好后，用一个薄的挡板零件和螺栓封住槽的一端开口，防止脱落，如图 4-6 下梁安装所示。同样下梁的安装也一样处理，如图 4-7 上梁安装，不同的是滑块和滑槽分别在下梁和箱体，上梁的形状是中部突起，安装电机和齿轮齿条，所以在导入安装时，上梁1：箱体滑块 2：下梁滑槽 3：挡板图 4-6 下梁的安装结构1：上梁滑块 2：箱体滑槽 3：挡板图 4-7 上梁的安装结构31212 3- -20的一端需要挖空一定的面积，使得滑块导入时上梁的一翼不会碰撞电机发生干涉。具体见。4.2.5支撑结构为了减少吸盘的承受力和支撑机器人，减少不必要的变形和提高移动的安全性，在箱体的两端各安装了一个方向可以任意转动的支撑轮，如图 4-8 支撑结构所示。通过螺柱和螺母的配合紧固在箱体，其长度与吸盘的长度相适应，保持吸附的密封性。支撑轮可以选择合金和塑料材料做成一个方向可以任意转动的轮子，为减轻主体重量，可以做成空心的支撑杆。同时考虑到吸盘的吸附，支撑轮只设置两个，只起支撑作用，不起维持平衡和固定作用，防止吸盘高度不一时吸盘吸附不到壁面的情况。 4.3 部分理论数据（1）移动速度计算：驱动部件由两个同型号的直流减速电机驱动。假设减速电机工作电压 12V，功率 P=12W，转速 n=50r/min，齿轮直径 D=40。所以车轮角速度 =2n=25060= 5.236rad/s那齿轮的线速度 =r=5.2364021000=0.105m/s，即齿条的移动速度。v计算得移动速度 。min/3.6（2）移动时吸盘提升距离 h 和弹簧回复力：如图 4-9 所示，提升吸盘不单保护吸盘，同时也减少摩擦力，提升距离 h 根据越障能力要求和具体环境决定，本设计的移动提升距离 h5mm，如图 4-10 所示。 1：支撑轮 2：箱体 3：螺母图 4-8 支撑结构图 4-9 移动时提升示意图 图 4-10 提升距离 h5mm12 3- -21弹簧回复力计算： ，假设预紧时弹簧长度为 ，电磁铁通电弹)(0XkF 0X簧被拉伸，长度为 X，回复力依照上面理论公式计算。调节上下螺母可以改变预紧力（即预紧长度 ） ，从而改变回复力。0（3）移动距离计算：已知传动齿轮 ，则有齿轮每转一齿时的角度为 ，1Z 1/2Z则对应的弧长 ,mdl2/即每转一齿，对应齿条移动距离 ，mdls/转化成电机每转一度时，对应距离为 。0100 8/8/)1(2mdl 将本设计的参数带入得， ，s8.64.3mZs 0184.32180/ 4.4 小结本章主要通过移动方式的分析选择了十字框架式的方案，对其进行了原理流程图的分析，接着针对与移动方案有关的局部结构设计进行了分析，并附图说明动力传递、导向、变向、安装和支撑结构等主要部分。最后假设了移动的原始条件，计算了机器人移动的速度等，具体的结果要根据控制系统的快慢和使用要求来获得。5 系统实例5.1 零件和总装工程图本设计说明书主要给出“齿轮齿条组合图” 、 “轮与吸盘组合图” 、 “上梁” 、 “下梁” 、 “提升与复位零件组合图” 、 “主箱体”以及“总装配图”等工程图。- -22（具体见附件）5.2 三维装配模型利用三维绘图软件 Solidworks 建立装配图文件，将绘制好的各部件依照设计的安装顺序装配成一个完整的运动机构，见图 5-1 三维装配图 1 和图 5-2 三维装配图2。图 5-1 三维装配图 1- -23图 5-2 三维装配图 25.3 其他一些关键部件的设计实例图本设计利用 Solidworks 进行各部件的三维设计，以下给出本设计的关键部件实例图。依次是图 5-3 齿轮齿条组件图、图 5-4 主箱体图、图 5-5 上梁图、图 5-6 下梁图、图 5-7 吸盘图、图 5-8 支撑轮图、图 5-9 复位弹簧图、图 5-10 电磁铁及图 5-11 局部滑块视图。图 5-3 齿轮齿条组件图 图 5-4 主箱体- -24图 5-5 上梁 图 5-6 下梁图 5-7 吸盘 图 5-8 支撑轮 图 5-9 复位弹簧图 5-10 电磁铁 图 5-11 滑块- -255