[精品論文]爬壁機器人論文

1、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(yīng)運而生，本 文的任務(wù)就是設(shè)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(chǔ)上，基于三維軟件proe 對四輪式真空吸附爬壁機器人的本體機構(gòu)進行了設(shè)計，對一些關(guān)鍵部分進行了設(shè) 計計算及校核計算，重點是爬壁機器人的移動結(jié)構(gòu)、吸附結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 計算。木文設(shè)計的爬壁機器人采用四輪式小車形狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單；采用真空吸盤吸 附方式，設(shè)計一個刀才形的真空艙，利用

2、機械結(jié)構(gòu)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；釆用后輪 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(guān)鍵詞：真空吸附蝸輪蝸桿機構(gòu)電機驅(qū)動四輪式小車abstractin recent years, with the development of society, more and more floors, with glass curtain wall building more and more to avoid cle

3、aning a very important issue, most of the traditional way of artificial, or a cable from the top of the building will be used under the robotic crane, low efficiency, high-risk, then cleaned with a wall-climbing robot came into being, this task is to design a walk on the adsorption to the wall climb

4、ing robot for cleaningthis paper briefly wall-climbing robot based on the research status, based on three-dimensional software, proe, four-wheel vacuum on wall-climbing robot body bodies were designed, carried out on some key satisfied with the design calculation and checking terms, focusing on the

5、mobile climbing robot structure, adsorption structure and drive system design and calculation.this designed wall-climbing robot car with four-wheel-type shape of the structure, simple structure; by vacuum suction adsorption, design of a crescent-shaped vacuum chamber, the completion of the mechanica

6、l structure of robot vacuum suction of the adsorption and emission control, to avoid each a vacuum suction cups equipped with sensors need to reduce the difficulty of control; with rear-wheel drive, a motor drive two rear wheels, rear wheel drive front wheel complete the robot walk, use a worm gear

7、reducer; use of ground power the ground to provide negative pressure means; robot can walk straight horizontal or vertical surface.keywords:目錄第一章緒論11.1本課題的研究背景11.2國內(nèi)外爬壁機器人的研究現(xiàn)狀21.3國內(nèi)外爬壁機器人的發(fā)展趨勢31. 4壁面自動清洗機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向415設(shè)計內(nèi)容5第二章軟件介紹7第三章 爬壁機器人的設(shè)計方案113. 1爬壁機器人的工作過程113. 2爬壁機器人的基本功能113. 3爬壁機器人的設(shè)計123. 3.

8、 1爬壁機器人的總休結(jié)構(gòu)133. 3. 2移動裝置和吸附裝置的設(shè)計133. 3. 3減速裝置及傳動裝置的設(shè)計173. 3. 4聯(lián)軸器和軸承選擇223. 3. 5爬壁機器人機體建模223. 4爬壁機器人proe運動仿真23第四章結(jié)論25參考文獻錯誤！未定義書簽。致謝29第一章緒論機器人是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與現(xiàn)代電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機科淫、控制論、 機構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，他是一種高速運行、 重復(fù)操作和精確度較高的自動化設(shè)備。以機器人代替人類從事各種危險、繁重、 重復(fù)、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

9、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)必須釆取安全防護措施, 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(dāng)數(shù)量的爬壁機器人已經(jīng)投入或?qū)⒁?投入作業(yè)現(xiàn)場作業(yè)，主要應(yīng)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)表而進行檢查、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：在壁而上的吸附功能

10、和移動的功能，以 這兩個功能為基礎(chǔ)可以將爬壁機器人分為若干種。1.1木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，也使城市而貌煥然一新，成為城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志z。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, 同吋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(yīng)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 筑物的墻

11、壁的h動清洗，更深層次的是，可以提高建筑維修行業(yè)的技術(shù)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(shè)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(dǎo)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(gòu);履帶式機器人轉(zhuǎn)彎 困難等，為應(yīng)用帶來困難。本次畢業(yè)設(shè)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(gòu)，巧妙地運用了機械傳動機構(gòu)實現(xiàn)吸排氣的控制。1.2國內(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

12、比較長，早在1966年，就 有人設(shè)計出了一臺簡單的原理樣機：是在日木大阪府立大學(xué)工學(xué)部任講師的西亮， 利用電風(fēng)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(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，在這一領(lǐng) 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，是曲哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)及研究所等 研究機構(gòu)：如：上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、t春光機所、上海大學(xué)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

13、壁機器人 技術(shù)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(shè) 計的用來清洗上?？萍疾┪镳^的sky三號機器人。(1) 爬壁機器人移動機構(gòu)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(jié)構(gòu)比較簡單，但是不適用于清洗有障礙物的玻璃幕墻，而且不能口動完成地面 和墻壁之間的轉(zhuǎn)移。多腿的機器人在運動學(xué)上很復(fù)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冇兩種形式：真空吸附和磁吸附。真空吸附方式 不受壁而材料

14、的限制，但是容易在凹凸不平的表面漏氣，導(dǎo)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(yīng)性較強，吸附力大，也不存在漏氣的隱患，但是耍求 壁面必須是導(dǎo)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(gòu)或研究者已經(jīng)取得了不小的 進展。應(yīng)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，同吋，爬行機構(gòu)一般采用履帶式結(jié)構(gòu)，其爬行速度較快，控制 也比較方便。其釆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

15、方式各口都右局限性，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(wù)，較難通用化。機器 人的設(shè)計需要針對工作任務(wù)、環(huán)境，選取合適的吸附方式。近年來，人們通過研 究璉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 用分了與分了z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(guān)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(yīng)性能的一個重耍指標(biāo)。當(dāng)工作面上有凸起、溝槽吋，機器人耍通 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

16、機構(gòu)常和吸附機構(gòu)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，腿末端齊有一個吸盤，每移動一個腿需要完成“消除吸力 一抬腿一邊腿一落腿一產(chǎn)生吸附力” 一系列動作。在此過程中，機器人移動機構(gòu) 的動作要和吸附機構(gòu)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(gòu)與吸附機構(gòu)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。1.3國內(nèi)外爬壁機器人的發(fā)展趨勢驅(qū)動、傳感、控制等碩軟件技術(shù)的發(fā)展極大地推動了爬壁機器人技術(shù)的發(fā)展, 實際應(yīng)用的需求也對爬壁機器人的發(fā)展捉岀了挑戰(zhàn),爬壁機器人的發(fā)展趨勢歸結(jié) 起來主要有以下幾方面。(

17、1) 新型吸附技術(shù)的發(fā)展。吸附技術(shù)決定了機器人的應(yīng)用范圍，fi前應(yīng)用比較 成熟的吸附技術(shù)主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很人的同限性，在很多情況下 難以滿足實際應(yīng)用的要求。因此,開發(fā)和研究新型吸附技術(shù)是當(dāng)前爬壁機器人領(lǐng)域 的一個重要方向，其屮，仿壁虎腳掌仿生粘性材料的發(fā)展是當(dāng)前新型吸附技術(shù)發(fā) 展趨勢。(2) 爬壁機器人的任務(wù)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(wù)往往只局限于單一的任務(wù)。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

18、型化、微型化是當(dāng)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 利丁實現(xiàn)爬壁機器人的多功能性，并冃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(yīng)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(chǔ)。(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(jié)合,使機器人在封 閉環(huán)境屮能夠具有一定的自主決策能力，完

19、成任務(wù)，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(gòu)是機器人適應(yīng)能力的一項重要指標(biāo)。為了使機器人能夠應(yīng)用于不同 場合,根據(jù)任務(wù)需求，在不需要重新設(shè)計系統(tǒng)條件下，充分利用已有的機器人系統(tǒng)， 應(yīng)使機器人具有可重構(gòu)性，即具有模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)任務(wù)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。14壁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己成為國內(nèi)外的一個研究熱點。國外在這方面比較 冇代表性的冇日本通產(chǎn)工業(yè)技術(shù)設(shè)計院、日本三菱電機公司、美國國際機器人技 術(shù)公司、英國樸茨茅斯理工學(xué)院等，國內(nèi)比較有

20、代表性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北 京航空航天大學(xué)、上海大學(xué)等。目前國內(nèi)外開發(fā)出的壁面自動清洗機器人歸納起 來主耍有兩種類型：一種是為研究而研制的實驗性璉面清洗機器人，另一種是為 應(yīng)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(shù)方向為：1高清洗效率的壁面清洗機器人。一方面開發(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。2. 對壁面廣泛適應(yīng)性的清洗機器人，以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。3. 合理的性價比、高可靠性和通用性的壁面清洗機器人。1.5

21、設(shè)計內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是設(shè)一款真空吸盤式獨立行走爬壁機器人，是一個形體約 為500mmx400mmx 100mm的長方體四輪小車，每個車輪都分兩排裝設(shè)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(gòu)，巧妙地運用了機械傳動機 構(gòu)實現(xiàn)吸排氣的控制。該機器人的設(shè)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休結(jié)構(gòu) 的基礎(chǔ)上設(shè)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(jié)構(gòu)實現(xiàn) 機器人稀奇排氣的控制；然后設(shè)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proe軟件進行運動

22、仿真，運動分析，進一步改善機器人結(jié)構(gòu)。由于能力有限, 所以本次設(shè)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。第二章軟件介紹本次畢業(yè)設(shè)計，是基于軟件proe系統(tǒng)軟件來進行的，首先設(shè)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proe的仿真功能 對機器人的運動功能進行仿真。傳統(tǒng)的機械設(shè)計中，首先要構(gòu)思設(shè)備三維結(jié)構(gòu)，繪制相應(yīng)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(jié)構(gòu)和裝配尺寸、運動規(guī)律是否合格。以往計 算機輔助設(shè)計以二維圖紙繪制為主，直觀性差。pro/e軟件，即pm/e是三維實體

23、建模與分析軟件中性能非常出色的一款。應(yīng) 用pro / 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 cad/cam系統(tǒng)的標(biāo)準軟件，可以實現(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(shè)計 屮非常重要的設(shè)計工具z-o與二維繪圖軟件相比，三維設(shè)計軟件pro / engineer 不僅可以進行三維實體建模，還可進行結(jié)構(gòu)分析、虛擬裝配和干涉檢驗、機構(gòu)動 力學(xué)分析、強度分析、工業(yè)造型設(shè)計和模具設(shè)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(biāo)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

24、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。pro / e的特點(1) 基于特征的參數(shù)化建模參數(shù)化設(shè)計是一種使用重要兒何參數(shù)快速構(gòu)造和修改兒何模型的造型方法。參 數(shù)化模世通過調(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cad設(shè)計以圖形線條為設(shè)計 元索，pro/e以參數(shù)為設(shè)計元索，從構(gòu)建特征入手，建立零件數(shù)字化模塊。參數(shù) 化技術(shù)以約束為核心。優(yōu)點主要有：a. 對設(shè)計人員的初始設(shè)計要求低。提高了設(shè)計

25、的柔性。b. 便丁系列化設(shè)計。同種規(guī)格零件的不同尺寸系列可在一次設(shè)計成型后通過 修改尺寸得到。節(jié)省了大量的重復(fù)設(shè)計時間，簡便快捷，為數(shù)字化制造建立了基 礎(chǔ)。c. 便于隨吋編輯、修改，滿足反復(fù)設(shè)計要求。(2) 全相關(guān)性pro/e的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程屮某一處進行的 修改，能夠擴展到整個設(shè)計屮，同時自動更新所有的工程文檔，包括製配體、設(shè) 計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)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cad / cae / ca

26、m過程。用戶可以 隨時計算出產(chǎn)品的質(zhì)量、體積、慣性矩等相關(guān)的物理量、幾何量，可迅速了解產(chǎn) 品的結(jié)構(gòu)，掌握產(chǎn)品的信息，減少人為計算吋間。(4) 在裝配圖中構(gòu)建實體根據(jù)已建好的實休模型，在裝配屮，利用其特征(平面，曲面或軸線)為基 準，直接構(gòu)建新的實體模型。這樣建立的模型便于製配，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(yīng)用(1) 零部件設(shè)計：這是pro / e的基本功能。設(shè)計者首先規(guī)劃岀要設(shè)計的零部件的功能、形態(tài)，然 后利用pro / e提供的各種造型工具，對一些基本幾何體進行加工并最終形成滿足 設(shè)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(gòu)運動分析、裝配仿真 等工作的基礎(chǔ)。(2)

27、 運動仿真與分析：機構(gòu)運動仿真技術(shù)就是通過對機構(gòu)添加運動副、驅(qū)動器，使其運動起來，實現(xiàn) 機構(gòu)的運動模擬。機構(gòu)運動仿真可以在任意時刻查看齊個組成部件的位置、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(jié)果調(diào)整模型設(shè)計，以 達到最優(yōu)的零件機構(gòu)配置。機構(gòu)仿真還可分析力與運動之間的關(guān)系，分析運動量 以及各運動副z間的相互運動關(guān)系，關(guān)鍵部件的受力情況，實時測量指定部分的 各種參數(shù)并繪制相應(yīng)曲線、圖表，可直觀了解運動主休上某點的運動軌跡。(3) 生成工程圖，pro/e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，用戶町以輕松地生成和保存2d工程圖紙，由于工程圖紙和3d零件動態(tài)連接， 因

28、此當(dāng)用戶修改生成視圖的3d模型時，零件視圖、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(shè)計過程中對pr0e的運用學(xué)習(xí)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(shè)計，爬壁機器人建模，對機器人進行仿真。第三章爬壁機器人的設(shè)計方案根據(jù)此次設(shè)計的耍求，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拒的檢驗計算，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(shè)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。3

29、.1爬壁機器人的工作過程本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個爬璉機器人，采用真空吸附以輪式機器人， 結(jié)構(gòu)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(shè)計的爬壁機 器人能夠攜帶清洗結(jié)構(gòu)，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(gòu)能夠完成對玻璃幕墻的清洗工作。3.2爬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木功能爬壁機器人應(yīng)用具有兩個基木功能：吸附功能和移動功能。爬壁機器人應(yīng)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口重和負載之和，防止 墜落，述應(yīng)該保持一定的驅(qū)動力，能

30、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(dǎo)致的。其中吸盤在垂直璉面上時最 容易發(fā)生脫落，此時是一個臨界條件，此時應(yīng)該有：a> m*g + m -a其中，m為爬壁機器人的質(zhì)量，a為車體運動的最大加速度，估取a=0. 5m/s:, ni為吸盤的吸附力，ni二aps,其中s為吸盤的吸附面積s - w(80 x 10s) /4m2為吸盤內(nèi)外壓力差ap二7 x10* pa (來自于真空泵銘牌)，g為重力加速度，取 g二9. 8m/s2, u是吸盤橡膠與玻璃幕墻之間的摩擦系數(shù)，取u二0.4(玻璃幕墻 不是干凈的，這只是估算)，本次畢業(yè)設(shè)

31、計中設(shè)計的是一個四輪式的爬壁機人 根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以知道，每吋每刻都能夠保證，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：m 蘭 12p x s/(g + a)將己知數(shù)據(jù)代入解得：m 400kgo在機器人的安全方面，機器人的重力過大 構(gòu)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躾 一

32、。在本次的畢業(yè)設(shè)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，木次設(shè)計中的爬壁機器人只是能夠在壁面上吸附，并冃能夠完成直上 直下的行走即可，也尚未涉及到清洗機構(gòu)的攜帶方式。3.3爬壁機器人的設(shè)計基于pr0e軟件，對機器人進行整體建模。在前面所作工作的基礎(chǔ)上，首先確 定機器人的總體結(jié)構(gòu)為輪子上裝置有真空吸盤的小車，然后進一步設(shè)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(jié)構(gòu)，并 將這些結(jié)構(gòu)裝配在一起。3.3.1爬辟機器人的總體結(jié)構(gòu)該爬壁機器人利用輪式式行走機構(gòu)吸附在墻壁上并口由爬行,通過外掛的清 洗機構(gòu)清洗玻璃。該爬壁機器人外形就如玩具小車，后輪驅(qū)

33、動四輪式，只是輪子上 帶了真空吸盤，形體約為500mmx400mmx 100mm的長方體，真空泵位于地面裝置, 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。3.3.2移動裝置和吸附裝置的設(shè)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(shè)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(shè)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。3.3.2.1移動系統(tǒng)清洗爬璧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 電機張動兩個無軌道履帶，對墻面適應(yīng)性強，但體積較大，不宜轉(zhuǎn)彎；

34、腳步行式 是通過多個腳的反復(fù)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(shè) 計過程中，選擇了車輪式機器人。3.3.2.2吸附系統(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(shè)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(shè)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(dǎo)磁材料，分為永磁吸附和屯磁吸附。它的結(jié)構(gòu)簡 單，吸附力遠大于真空吸附，且對壁面的凸凹適應(yīng)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

35、點，但當(dāng)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(dǎo)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3。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(cè)輪了上的真空吸 盤，輪子直徑定初步定為20cm,真空吸盤采用廣方氣動zhp-50-w-m6真空吸盤， 見圖3.1。該產(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

36、只直徑80mm的真空吸盤。24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3. 3,這樣在任 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(shè)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。圖3.1真空吸盤實物圖圖3.2真空泵實物圖圖3. 3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(jié)構(gòu)的氣體分配器來實現(xiàn)的。氣體

37、分配器內(nèi)設(shè)有月牙形真空室，見圖3. 4,后側(cè)氣口與真空泵和連，前側(cè)在分 配器的下1/4處開有一個丿牙形吸氣口，氣體分配盤（即為輪子的輪轂，見圖3. 5） 與z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。其屮 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(dāng)某一個吸盤完全接觸墻壁，與之對應(yīng)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(dāng)這個吸盤即將脫離墻壁時, 與之對應(yīng)的管嘴也恰好轉(zhuǎn)岀了吸氣口，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同。見圖3.6。ab圖3. 6真空艙與

38、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(jié)構(gòu)之 間相對運動時不能發(fā)生過多的漏氣，此處突岀川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和接處，保證與輪盤緊密接觸，還可以降低兩個結(jié)構(gòu)和 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?xí)?低機器人的使用壽命。真空室離月牙盤為2cm,其圓心角為40度，這是i大i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 應(yīng)該稍大于30度。而真空室的寬度設(shè)為7mm,因為輪盤上孔的直徑

39、為6mmo另外 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(shè)計 為控制帶來了方便，同吋也增加了加工難度。此處設(shè)計在運行過程中的要求比較高：既能夠產(chǎn)生和對轉(zhuǎn)動，還要保證足夠的 密封。對此，在設(shè)計中用泡沫作為兩個結(jié)構(gòu)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(guān)系。見圖 3. 7與圖3. 8。使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(jié)構(gòu)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吋候吸附 力比較大，那么如果采用別的材料，一樣有一定的可行度。圖3. 4月牙形真空艙圖3. 5氣體分配盤及輪轂3.

40、3.3減速裝置及傳動裝置的設(shè)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。3.3.3.1傳動系統(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(shè)計一臺雙側(cè)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，止常的而進 速度應(yīng)該在0. 15m/so圖3. 7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

41、特點，選擇哪種作為動力源，可以根據(jù)應(yīng)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(shè)備常用，結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(yīng)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)境和對獨立。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(shù)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。圖3. 8模仿刀牙形真空艙的分離和貼合圖在電動執(zhí)行機構(gòu)中，有直流電機、交流電機、

42、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。其中直流電機實際上是機器人平臺的標(biāo)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休比較小。所以選擇了直流電動機, 卜面是直流電動機的選擇過程叫（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：pa " ggiia，電動機產(chǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩依次通過聯(lián)軸器，蝸輪蝸

43、桿減速器，一對軸承傳遞到機器人輪子上,效率分別為"o二0.99,力二0. 4,"二0.98,而hd = nohihaf為加在輪子上的驅(qū)動力，必須克服真空吸盤所施加的摩擦力，所以有其屮，s, , p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pa = 565kw（2）確定電動機的轉(zhuǎn)速已知，機器人以v=0. 15m/s左右的速度向前移動，輪子直徑為d=20cm,吸盤離輪子的距離約為2cm,可以得到連接輪子的軸的轉(zhuǎn)速notil)可得,n=13. 02r/mino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fflo3.3.3.2減速裝置

44、的設(shè)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，木次設(shè)計屮, 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。圖3. 9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580,零件數(shù)目少，可以保證結(jié)構(gòu)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，負荷爬璉機器 人的要求；蝸輪蝸桿在一定的條件下可以滿足口鎖條件，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(shè)計蝸輪蝸桿：先按齒而接觸疲勞強度進行設(shè)計，再交合齒根彎曲疲勞強度。(1) 其屮g為作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩，由電機的輸出功率和轉(zhuǎn)速

45、以及蝸輪蝸桿 的傳動效率決定：= 9.55 x106£i =(2) k為載荷系數(shù)，與工作載荷的性質(zhì)有關(guān)；zg為彈性影響系數(shù)，與所用的蝸輪蝸桿的材料的搭配冇關(guān)；zp為接觸系數(shù)，與蝸樸的直徑和蝸輪蝸桿的傳動屮心距q =令有關(guān)；r訂為材料的許用接觸應(yīng)力自然與蝸輪蝸桿的材料有關(guān)，以上 所述四個參數(shù)都是標(biāo)準數(shù)，可以查衣得到。這樣按齒面接觸強度進行設(shè)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)in,蝸桿和渦輪的分度圓直徑等。334聯(lián)軸器和軸承選擇根據(jù)己經(jīng)選擇的電機和設(shè)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

46、受的載荷也并不大，所以軸樂選擇最為 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屯機輸 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proe軟件畫出所選擇的聯(lián)軸器和軸承的立體圖，以備在后面的 設(shè)計過程屮使用。圖3. 9深溝球軸承3.3.5爬壁機器人機體建?？紤]到應(yīng)該盡量降低爬壁機器人的自身重量，再加上本次設(shè)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(gòu)，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(jié)構(gòu)。真空泵設(shè)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。3.4爬壁機器人proe

47、運動仿真設(shè)計爬壁機器人的r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proe 軟件進行仿真，分析結(jié)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，將前而設(shè)計過稱屮設(shè)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)前面選擇的屯機的類型，定義伺服電機；再建立運動分析，設(shè)置參數(shù)start time和end time,并且選擇當(dāng)前位置作為運動分析的初始位置；最后運行運動分 析。機器人的運動系統(tǒng)屮最重要的是傳動系統(tǒng)，蝸輪蝸樸機構(gòu)，首先對此進行仿真。 選

48、擇電機的參數(shù)為：額定電壓：6v額定功率：4. 2w空載轉(zhuǎn)速：6000rpm減速比：8： 1第四章結(jié)論爬壁機器人是現(xiàn)下相對比較前端的技術(shù)，但是經(jīng)過幾十年的世界上冇關(guān)科技人 員的努力研究，也取得了不小的成就。本次設(shè)計完成了機器人基本的吸附功能和 直線行走功能，然而出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(shè)計過程屮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，冇些幕墻上的玻璃是一個整塊，沒冇障礙物，但更多的幕墻上的 玻璃是用金屈分隔成小塊的，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(shè)計中沒冇解決的問題：（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，在于地而的人眼是沒