- -平面爬壁機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要平面爬壁機(jī)器人有著廣泛的用途，特別是它可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，易于實(shí)現(xiàn)自動化，改善勞動條件、節(jié)省人力、提高效率，并可免去搭腳手架。其運(yùn)動機(jī)構(gòu)當(dāng)前機(jī)器人研究的主要方向之一，研究人員在原有的基礎(chǔ)上追求更高的移動速度、更優(yōu)的移動和吸附方式、更輕巧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、更靈敏的反應(yīng)和自我調(diào)節(jié)等。為此，本論文研究了一種平面爬壁機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。本研究的主要思路是將機(jī)器人設(shè)計(jì)成為一個吸附機(jī)構(gòu)，使其吸附在垂直墻壁上，在吸附機(jī)構(gòu)下面安裝有行走裝置，使機(jī)器人能自由地在垂直墻面運(yùn)動。本研究主要通過原理研究、方案對比選擇、機(jī)構(gòu)三維模型、論文撰寫實(shí)現(xiàn)研究成果展示。本論文的主要工作如下：首先，在深入分析當(dāng)前機(jī)器人的研究情況下，查找資料研究爬壁機(jī)器人運(yùn)動原理，在已有的研究基礎(chǔ)上發(fā)揮想象力，對比各種方案，確定爬壁機(jī)器人總體框架的設(shè)計(jì)，主要是吸附和移動方案的設(shè)計(jì)。其次，通過各種吸附方案的對比和機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度等，確定吸附方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)；同時通過各種移動方案的對比和其應(yīng)用場合等，確定移動方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)。再次，繪制方案、相關(guān)零部件的原理圖、草圖，并提供備選方案，利用 Solid works 建立有關(guān)機(jī)構(gòu)的零部件的三維模型、裝配模型仿真。最后，將設(shè)計(jì)成果以模擬仿真資料和圖紙的方式展示，并總結(jié)本設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)以及用到的技術(shù)。關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人；運(yùn)動機(jī)構(gòu)；吸附機(jī)構(gòu)；移動機(jī)構(gòu)；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. It’s 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目錄1 緒論 .11.1 平面爬壁機(jī)器人的研究背景和研究意義 .11.1.1 研究背景 11.1.2 研究意義 .21.2 平面爬壁機(jī)器人的研究內(nèi)容和發(fā)展方向 .21.2.1 研究內(nèi)容 21.2.2 發(fā)展方向 .41.3 國內(nèi)外研究概況 .41.4 本文的主要研究內(nèi)容 .61.5 小結(jié) .62 平面爬壁機(jī)器人的總體框架設(shè)計(jì)和擬定 .72.1 研究方法和步驟 .72.2 總體框架設(shè)計(jì)和適用環(huán)境設(shè)定 .72.2.1 總體框架 .72.2.2 適用環(huán)境設(shè)定 .82.3 方案分析 .82.4 擬定方案 102.5 小結(jié) 103 吸附方案設(shè)計(jì) 113.1 方案原理 113.1.1 附著方式分類 113.1.2 本文采用的吸附方案 .123.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析 133.2.1 吸盤設(shè)計(jì) 133.2.2 吸盤提升和復(fù)位機(jī)構(gòu) 133.3 部分理論計(jì)算 143.3.1 附著力學(xué)分析 143.3.2 簡化附著模型 153.4 影響附著穩(wěn)定性的因素 163.5 小結(jié) 164 移動方案設(shè)計(jì) 174.1 方案原理 174.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析 184.2.1 動力傳遞結(jié)構(gòu) 18- -III4.2.2 導(dǎo)向結(jié)構(gòu) 184.2.3 變向結(jié)構(gòu) 194.2.4 安裝結(jié)構(gòu) 204.2.5 支撐結(jié)構(gòu) 214.3 部分理論數(shù)據(jù) 214.4 小結(jié) 225 系統(tǒng)實(shí)例 235.1 零件和總裝工程圖 235.2 三維裝配模型 235.3 其他一些關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)實(shí)例圖 245.4 裝配仿真演示 266 結(jié)論 276.1 本文的主要研究結(jié)論 276.2 平面爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵技 術(shù) 27致謝 29參考文 獻(xiàn)： 30附錄 31- -01 緒論機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)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，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動化設(shè)備。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生根本性的變化，而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響 [1]。以機(jī)器人代替人類從事各種危險(xiǎn)、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。近年來，工業(yè)機(jī)器人在各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。特別是它可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，易于實(shí)現(xiàn)自動化，改善勞動條件、節(jié)省人力、提高效率，并可免去搭腳手架。這種垂直爬行作業(yè)超過了人的極限，所以又稱極限作業(yè)機(jī)器人。其運(yùn)動機(jī)構(gòu)當(dāng)前研究的主要方向之一，研究人員在原有的基礎(chǔ)上追求更高的移動速度、更優(yōu)的移動和吸附方式、更輕巧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、更靈敏的反應(yīng)和自我調(diào)節(jié)等。所以在運(yùn)動機(jī)構(gòu)的研究成果，將促進(jìn)爬壁機(jī)器人在更多的極限環(huán)境下作業(yè)，并有助于實(shí)現(xiàn)整體的自動化和智能化。同時研究還為計(jì)算機(jī)、自動控制、傳感、無線通訊、精密機(jī)械，仿生材料，多主體系統(tǒng)中的合作、決策、實(shí)時規(guī)劃和機(jī)器學(xué)習(xí)等眾多學(xué)科提供了一個良好的研究背景；在商業(yè)應(yīng)用上，在機(jī)器寵物等領(lǐng)域有直接的應(yīng)用前景 [2]。1.1 平面爬壁機(jī)器人的研究背景和研究意義1.1.1 研究背景近年來，由于工業(yè)生產(chǎn)對特殊功能機(jī)器人的需求越來越大，爬壁機(jī)器人的研究備受關(guān)注，目前，國內(nèi)外研究者已開發(fā)出各種類型的爬壁機(jī)器人，以滿足不同的工業(yè)需求。爬壁機(jī)器人是移動機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要分支，它把地面移動機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可在垂直壁面上附著爬行 ,并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務(wù) ,大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。目前，爬壁機(jī)器人主要應(yīng)用于核工業(yè)、石化工業(yè)、造船業(yè)、消防部門及偵查活動等 ,如對高樓外壁面進(jìn)行清洗 ,對石化企業(yè)中的儲料罐外壁進(jìn)行檢測和維護(hù)，對大面積鋼板進(jìn)行噴漆 ,以及在高樓事故中進(jìn)行搶險(xiǎn)救災(zāi)等。爬壁機(jī)器人的應(yīng)用取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展 ,爬壁機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批豐碩的成果 ,特別是 20 世紀(jì) 90 年代以來 ,國內(nèi)外在爬壁機(jī)器人領(lǐng)域中的發(fā)展尤為迅速 。近年來 ,由于多種新技術(shù)的發(fā)展 ,爬壁機(jī)器人的許多技術(shù)難題得到解決 ,極大地推動了爬壁機(jī)器人的發(fā)展 ,特別是小型爬壁機(jī)器人成為機(jī)器- -1人領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。爬壁機(jī)器人在解決了吸附與移動的矛盾、跨越障礙等問題后，又開始向自主型機(jī)器人的方向發(fā)展。對機(jī)器人的控制采用無線遙控，是爬壁機(jī)器人今后的發(fā)展方向。1.1.2研究意義平面爬壁機(jī)器人有著廣泛的用途，特別是它可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，易于實(shí)現(xiàn)自動化，改善勞動條件、節(jié)省人力、提高效率，并可免去搭腳手架。平面爬壁機(jī)器人的主要用途有：(1)對石化企業(yè)中大量圓柱形大罐或球罐內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查、探傷或噴砂除銹、噴漆防腐；(2)清洗高層建筑物的瓷磚壁面或玻璃墻面； (3)在建筑行業(yè)用于巨型墻面噴漆、砌磚、貼瓷磚和點(diǎn)檢; (4)在核工業(yè)中對大罐進(jìn)行視覺檢查、測厚和焊縫探傷; (5)在消防部門用以遞送急救布帶 ,運(yùn)送水帶和水槍; (6)在造船行業(yè)用于噴砂除銹或噴涂船體及其內(nèi)壁等,特別是對修船行業(yè) ,可以快速地將船體進(jìn)行防腐處理。其運(yùn)動機(jī)構(gòu)當(dāng)前研究的一大方向，研究人員在原有的基礎(chǔ)上追求更高的移動速度、更優(yōu)的移動和吸附方式、更輕巧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、更靈敏的反應(yīng)和自我調(diào)節(jié)等。所以在運(yùn)動機(jī)構(gòu)方面的研究成果，將促進(jìn)爬壁機(jī)器人在更多的極限環(huán)境下作業(yè)，并有助于實(shí)現(xiàn)整體的自動化和智能化。同時研究還為計(jì)算機(jī)、自動控制、傳感、無線通訊、精密機(jī)械，仿生材料，多主體系統(tǒng)中的合作、決策、實(shí)時規(guī)劃和機(jī)器學(xué)習(xí)等眾多學(xué)科提供了一個良好的研究背景；在商業(yè)應(yīng)用上，在機(jī)器寵物等領(lǐng)域有直接的應(yīng)用前景。1.2 平面爬壁機(jī)器人的研究內(nèi)容和發(fā)展方向1.2.1 研究內(nèi)容移動機(jī)構(gòu)的研究，是機(jī)器人在運(yùn)動過程中首要解決的問題。目前實(shí)現(xiàn)機(jī)器人壁面移動的方式很多，概括起來主要有以下幾種：（1）輪驅(qū)動軌行式 移動機(jī)構(gòu)用車輪夾緊在壁面軌道兩測，當(dāng)驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)時，依靠車輪與軌道間的摩擦力實(shí)現(xiàn)上下移動，這種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)容易、運(yùn)行可靠，但對壁面有鋪設(shè)導(dǎo)軌要求且移動方向受導(dǎo)軌的限制。（2）偏心扭擺式機(jī)器人可采用偏心扭擺雙吸盤行走機(jī)構(gòu)形式，當(dāng)一個吸盤吸附時，另一個吸盤通過偏心機(jī)構(gòu)扭擺一定的角度實(shí)現(xiàn)移動，二個吸盤交替工作達(dá)到行走目的。偏心扭擺式機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是慣量大、行走效率低、速度慢。（3）車輪式- -2這種移動機(jī)構(gòu)依靠排風(fēng)方式產(chǎn)生密封腔的負(fù)壓以達(dá)到壁面吸附，行走功能由車輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。車輪機(jī)構(gòu)可以采用普通車輪形式，也可采用全方位車輪形式，行走速度較快，但由于要保持密封腔的負(fù)壓，導(dǎo)致跨越障礙的能力較弱。（4）多層框架式在這種壁面移動機(jī)構(gòu)中，兩組吸盤用具有若干相對自由度的機(jī)構(gòu)連接。當(dāng)一組吸盤吸附工作時，另一組吸盤可以移動行走或轉(zhuǎn)動方向。這種機(jī)構(gòu)具有較好的越障能力和承載能力，但行走速度較慢。（5）特種履帶式這種形式的壁面移動機(jī)構(gòu)在履帶上連接有多個吸盤，與壁面接觸的吸盤處于吸附有效狀態(tài)，不在壁面上的吸盤處于吸附無效狀態(tài)。在機(jī)構(gòu)的連續(xù)移動過程中，由于要求各吸盤的吸附狀態(tài)按一定次序發(fā)生變化，因此，系統(tǒng)中需要有一套多通轉(zhuǎn)閥形式的真空分配和控制裝置，還要有防止纜管纏繞的機(jī)構(gòu)，增加了復(fù)雜性。特種履帶式壁面移動機(jī)構(gòu)還可以采用滑移式真空分配與交換機(jī)構(gòu)形式。（6）獨(dú)立驅(qū)動足式多足壁面移動機(jī)構(gòu)是在多足機(jī)構(gòu)的足端連接一個或幾個吸掌構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動性較好，可以適應(yīng)不同形狀的壁面，有較強(qiáng)的越障能力等。但具有冗余自由度的多足運(yùn)動協(xié)調(diào)控制有一定難度，而且行走速度較慢。（7）索吊軌行式為克服在壁面鋪設(shè)導(dǎo)軌帶來的不便，可考慮用張緊鋼索作為導(dǎo)軌，它的主要缺點(diǎn)是鋼索的橫向剛度小，而且水平移動困難。近來，隨著研究的深入，爬壁機(jī)器人輪式全方位移動機(jī)構(gòu)逐漸成熟。全方位移動機(jī)構(gòu)一般由 3 到 4 個定向滑移輪組成。輪式全方位移動機(jī)構(gòu)不僅具有輪式移動機(jī)構(gòu)運(yùn)動的快速性、靈活性、可控性，而且能夠在保持機(jī)體方位不變的前提下沿平面上任意方向直線移動或在原地旋轉(zhuǎn)任意角度。其次是吸附機(jī)構(gòu)的研究。傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人按吸附功能可分為真空吸附和磁吸附兩種形式。真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，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。磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，且吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，因此限制了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境。在爬壁機(jī)器人的壁面吸附方面，國內(nèi)外的研究者在不同的研究方向上取得了很大進(jìn)展，并在許多方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新和突破。- -31.2.2發(fā)展方向驅(qū)動、傳感、控制等硬軟件技術(shù)的發(fā)展極大地推動了爬壁機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用的需求也對爬壁機(jī)器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)，爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢歸結(jié)起來主要有以下幾方面。(1)新型吸附技術(shù)的發(fā)展。吸附技術(shù)一直是爬壁機(jī)器人發(fā)展的一個瓶頸，它決定了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。由于目前應(yīng)用比較成熟的吸附技術(shù)都有很大的局限性，在很多情況下難以滿足實(shí)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(jī)器人領(lǐng)域的一個重要方向。模仿壁虎等動物腳掌的仿生粘性材料的發(fā)展是當(dāng)前新型吸附技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。(2)爬壁機(jī)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(jī)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(jī)器人能夠裝備多種工具，在不同的場合進(jìn)行工作。比如機(jī)器人能夠在空間飛行器上進(jìn)行安裝及外部維護(hù)作業(yè)等。(3)小型化、微型化是當(dāng)前爬壁機(jī)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(jī)器人可較小能耗，具有較高靈活性，并且在某些特殊場合也需要機(jī)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，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。由于爬壁機(jī)器人的作業(yè)空間一般都較大，帶纜作業(yè)極大地限制了機(jī)器人的作業(yè)空間，所以，為了提高機(jī)器人的靈活性和擴(kuò)大工作空間，無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢。(5)由簡單遠(yuǎn)距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結(jié)合，使機(jī)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(wù)，并具有自我保護(hù)能力，是移動機(jī)器人發(fā)展的重要方向，也是爬壁移動機(jī)器人的重要發(fā)展方向。(6)可重構(gòu)是機(jī)器人適應(yīng)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了使機(jī)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(jì)系統(tǒng)條件下，充分利用已有的機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)使機(jī)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，把需要的模塊直接連接起來組成新的機(jī)器人 [3]。1.3 國內(nèi)外研究概況壁面移動機(jī)器人廣泛應(yīng)用于維護(hù)、檢查、消防、救援、清洗、情報(bào)和國防等領(lǐng)域，必將為人類帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都投入大量人力物力，積極進(jìn)行其理論和技術(shù)研究，如日本、美國、俄羅斯、西班牙、英國、德國、奧地利等國相繼研制出一些各具特色的壁面移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。我國在國家自然基金和 863 計(jì)劃的大力支持下，從上世紀(jì) 90 年代中期也相繼開發(fā)出一些壁面移動機(jī)器- -4人樣機(jī)。本節(jié)將針對國內(nèi)外開展壁面移動機(jī)器人研究情況展開分析。1966 年，日本的西亮教授首次研制成功壁面移動機(jī)器人樣機(jī),并在大阪府立大學(xué)表演成功。這是一種依靠負(fù)壓吸附的爬壁機(jī)器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的爬壁機(jī)器人,到 80 年代末期已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。日本在開發(fā)爬壁機(jī)器人方面發(fā)展最為迅速,主要應(yīng)用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。日本清水建設(shè)公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機(jī)器人,他們研制的負(fù)壓吸附清洗玻璃面的爬壁機(jī)器人,曾為加拿大使館清洗。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)了無線遙控磁吸附爬壁機(jī)器人。在日本通產(chǎn)省“極限作業(yè)機(jī)器人“ 國家研究計(jì)劃支持下,日暉株式會社開發(fā)了用于核電站大罐的負(fù)壓吸附壁面檢查機(jī)器人。日立制造所研制了履帶式磁吸附檢查機(jī)器人,帶有超聲檢測裝置。由于采用了負(fù)荷分散機(jī)構(gòu) ,它能夠適應(yīng)各種凹凸不平的曲面和棚頂。英國在爬壁機(jī)器人領(lǐng)域取得許多成果。90 年代初RTD 公司推出了輪式磁吸附爬壁機(jī)器人(取名 Beetle),已作為商品銷售。最高爬行速度達(dá)每分 12 米,可以自動記錄每隔一定距離的壁厚, 最高爬行高度為 25 米。俄羅期彼得堡國立技術(shù)大學(xué)也研制成功負(fù)壓吸附爬壁機(jī)器人。日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出的車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，可以吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機(jī)器人靠磁性車輪對壁面產(chǎn)生吸附力，其主要特征是：行走穩(wěn)定速度快，最大速度可達(dá) 9m/min，適用各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。1989 年日本東京工業(yè)大學(xué)的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤與壁面之間有一個很小的傾斜角度，這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大，每個吸盤分別由一個電動機(jī)來驅(qū)動，與壁面線接觸的吸盤旋轉(zhuǎn)，爬壁機(jī)器人就隨著向前移動，這種吸附機(jī)構(gòu)的吸附力可以達(dá)到很大。由于爬壁機(jī)器人應(yīng)具有能跨越障礙物，并能從地面自動爬上壁面或從壁面返回地面的功能。為此日揮公司在原單吸盤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)了多吸盤節(jié)狀桿型壁面移動機(jī)器人。該機(jī)器人采用了兩個吸盤，每個吸盤內(nèi)均裝有輪子，當(dāng)它在壁面上的平面部分移動時，兩個吸盤同時工作，當(dāng)遇到障礙物時，只用一個吸盤吸住，另一個拖起來越過障礙物。我國自 90 年代以來,有許多單位根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要, 研制成功各種類型與功能的爬壁機(jī)器人。上海交通大學(xué)研制成功測量大罐容積的磁吸附爬壁機(jī)器人。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究所在“863 計(jì)劃”支持下，于 1994 年研制成功核工業(yè)用的壁面爬行遙控檢查機(jī)器人，最近又與大慶采油一廠合作，研制成功采油行業(yè)中大量使用的儲罐防腐用噴吵、噴漆履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人，在現(xiàn)場試驗(yàn)取得成功。我國的哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功研制出單吸盤真空吸附車輪行走式爬壁機(jī)器人和永磁鐵吸附履帶爬壁機(jī)器人。其中磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人采用的是雙履帶永磁吸附結(jié)構(gòu)，在履帶一周上安裝有數(shù)十個永磁吸附塊，其中的一部分緊緊地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通過履帶（由鏈條和永磁塊組成）使機(jī)器人貼附在壁面上。機(jī)器人在壁面上的移動靠履帶來完成，移動時，履帶的旋轉(zhuǎn)使最后的吸附塊在脫離壁面的同時又使上面的一個吸附塊吸附于壁面，這樣周而復(fù)始，就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在壁面上的爬行 [4]。- -51.4 本文的主要研究內(nèi)容本文初步實(shí)現(xiàn)平面爬壁機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)，主要是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，對運(yùn)動控制、路徑規(guī)劃等方面暫不作研究。研究的內(nèi)容包括以下幾個方面：（1）爬壁機(jī)器人總體框架的設(shè)計(jì)，主要是運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）通過各種吸附方案的對比和機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度等，確定吸附方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)；（3）通過各種移動方案的對比和其應(yīng)用場合等，確定移動方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)；（4）利用三維繪圖軟件 Solid works 建立有關(guān)機(jī)構(gòu)的零部件的三維模型、裝配模型；（5）對各部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明，寫成一份設(shè)計(jì)總報(bào)告書。1.5 小結(jié)本章主要講述爬壁機(jī)器人領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果。爬壁機(jī)器人的研究正向著采用新型吸附方式、多功能化、小型化、無纜化、智能化、可重構(gòu)化等方向發(fā)展。著眼未來 ,爬壁機(jī)器人必然會向更多的領(lǐng)域延伸發(fā)展 ,反恐排爆、偵察救災(zāi)及空間作業(yè)等將來或許會成為爬壁機(jī)器人大顯身手的領(lǐng)域。本論文研究具有重大意義和應(yīng)用價值。- -62 平面爬壁機(jī)器人的總體框架設(shè)計(jì)和擬定2.1研究方法和步驟本研究主要通過原理研究、方案對比選擇、零部件三維建模、產(chǎn)品虛擬裝配、論文撰寫實(shí)現(xiàn)研究成果展示。爬壁機(jī)器人運(yùn)動原理研究：在已有的研究基礎(chǔ)上發(fā)揮自己的想象力，對比各種方案，確定機(jī)構(gòu)的方案。主要是吸附和移動方案的設(shè)計(jì)，其中吸附方案目的是使爬壁機(jī)器人能吸附于壁面而不下滑其實(shí)現(xiàn)的方法主要有兩種: 負(fù)壓吸附與永磁吸附。方案選擇： 面對復(fù)雜的壁面環(huán)境, 要求吸附機(jī)構(gòu)必須要產(chǎn)生并維持一定的吸附力, 使機(jī)器人安全可靠地吸附在工作壁面上, 要求出現(xiàn)更好的吸附及密封技術(shù)。從有關(guān)資料看出, 現(xiàn)有的以真空吸盤為吸附手段的爬壁機(jī)器人對于較為復(fù)雜的工作面適應(yīng)性較差, 這是因?yàn)榻ㄖ锿鈮Y(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,材料多樣 ,壁面有溝縫、凸起物和凹陷區(qū)等,所以需要解決密封、跨越、移動等許多技術(shù)難度大的問題。而磁吸附的方式適用的環(huán)境受到局限，其只能爬行于金屬壁面。移動方案設(shè)計(jì)主要考慮移動方向、移動機(jī)構(gòu)緊湊、越障能力等。三維建模及虛擬裝配： 1、詳細(xì)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)草繪，2、三維建模，3、裝配模型仿真。在方案選擇之后，對大體結(jié)構(gòu)進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，并不斷改進(jìn)。學(xué)習(xí)三維繪圖軟件，主要是 SolidWorks 機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，它易用、易學(xué)、功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛，更容易檢查設(shè)計(jì)中的錯誤以及不足之處。利用該繪圖軟件，將確定的運(yùn)動機(jī)構(gòu)方案和草圖繪制成三維圖，進(jìn)行機(jī)構(gòu)三維模型的裝配。最后將研究的成果將以論文和圖紙的方式展示。2.2 總體框架設(shè)計(jì)和適用環(huán)境設(shè)定2.2.1 總體框架本研究的主要思路是將機(jī)器人設(shè)計(jì)成為一個吸附機(jī)構(gòu)，使其吸附在垂直墻壁上。在吸附機(jī)構(gòu)下面安裝有行走裝置，使機(jī)器人能自由地在垂直墻面運(yùn)動；并且以此機(jī)器人為基礎(chǔ)運(yùn)動平臺，根據(jù)需要搭載各種民用或軍用設(shè)備，成為一臺有實(shí)用價值的新型平面爬壁機(jī)器人。所以其總體框架是具備平面爬壁機(jī)器人的吸附和移動功能，并能在這基礎(chǔ)上添加其他的功能，比如幕墻清洗，罐壁檢測，噴漆等工作機(jī)構(gòu)，還有智能控制系統(tǒng)等。- -7本設(shè)計(jì)包括兩大部分：吸附機(jī)構(gòu)和移動機(jī)構(gòu)，其包含的吸附、移動和越障功能都是通過機(jī)械本體設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，而且是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。2.2.2 適用環(huán)境設(shè)定由于本人設(shè)計(jì)能力有限和資源材料的限制，所以在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，利用大學(xué)所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)知識，設(shè)定了本設(shè)計(jì)的機(jī)器人是運(yùn)動于普通光滑的平面壁面，其適用于目前大部分的壁面情況。故定位本機(jī)器人為多吸盤式的平面爬壁機(jī)器人。2.3 方案分析本設(shè)計(jì)為解決爬壁機(jī)器人吸附能力和運(yùn)動性能之間的矛盾，查閱資料并考慮到本設(shè)計(jì)采用是多吸盤的附著方式，所以考慮到的總方案有以下三種：履帶式：履帶式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是爬行速度快，控制方便，吸附方式多吸盤，結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。結(jié)構(gòu)類似于坦克車的結(jié)構(gòu)，主要通過驅(qū)動器帶動履帶滾動, 從而帶動前端吸盤吸附、后端吸盤剝離, 以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前移。本設(shè)計(jì)采用此方案的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求吸附能力較高，吸盤和真空泵安裝困難，故本方案在初期就被否決了。另外又考慮到另外一種履帶式就是吸盤在箱體正下部，吸盤一直工作，隨著履帶的轉(zhuǎn)動而移動，在摩擦力的作用下前進(jìn)，這個方案首先是吸盤的密封性要求高，而且吸盤一直摩擦，易損壞，同時越障能力低，故也被否定了。 框架式：運(yùn)用壁虎爬行原理，科學(xué)家們設(shè)計(jì)構(gòu)思了真空吸附式爬壁機(jī)器人。采用多組橡膠吸盤將機(jī)器人吸附在墻面上，配以簡單十字框架機(jī)構(gòu)完成其行走功能。由于選用了多子真空吸附、足式移動，其吸附性好，結(jié)構(gòu)簡單，由于吸盤采用列吸盤組，有效吸附面積大，吸附力大，對壁面的不平度、彎曲度、空隙都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力 [5]。最初的框架式方案（如圖 2-2 所示）是利用箱體底部的方向轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)平面上任意方向的轉(zhuǎn)動，十字框架只能在一條直線上交替移動，主要是靠電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。方向的改變是利用向心推力球軸承和轉(zhuǎn)向齒輪組、電機(jī)、圖 2-1 履帶式機(jī)器人圖 2-2帶 方 向 盤 的 框 架 式 結(jié) 構(gòu) - -8吸盤架構(gòu)成一個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，在需要改變前進(jìn)方向時，吸盤架上的吸盤組吸附于壁面，利用電機(jī)轉(zhuǎn)動改變方向。這個方案的缺點(diǎn)是機(jī)器人的重心較高，吸盤架的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且吸附力要很大。這個方案在中期設(shè)計(jì)時被否定了。 而第二種框架式機(jī)構(gòu)（如圖 2-3）依然是十字箱體的形狀，也是利用吸盤組的交替吸附來實(shí)現(xiàn)移動，不同的是前進(jìn)方向的改變不需要特別的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)了，而是利用箱體和橫梁之間的兩個電機(jī)實(shí)現(xiàn) X-Y 兩個方向的選擇?？蚣苁綑C(jī)器人構(gòu)型具有如下特點(diǎn)。（1）機(jī)器人主體部分一般由可以相互平移和旋轉(zhuǎn)的兩個框架呈十字型構(gòu)成，其中任意一個框架可相對另一平移和旋轉(zhuǎn)； （2）機(jī)器人由 1～2 個主驅(qū)動關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動，其他的關(guān)節(jié)只作局部調(diào)整；（3）每個框架具有成組配置、并可獨(dú)立控制的腿足結(jié)構(gòu)；（4）腿足結(jié)構(gòu)具有一個主動直動關(guān)節(jié)，足端通常具有消極轉(zhuǎn)動副；（5）機(jī)器人主要關(guān)節(jié)均為直線運(yùn)動?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)機(jī)器人與步行式結(jié)構(gòu)機(jī)器人不同之處為腿足結(jié)構(gòu)采用直線自由度方式，運(yùn)動分為在框架帶動下的平移和自主伸縮兩種。采用成組對稱的腿足連接，足端設(shè)有吸附裝置，運(yùn)動中的安全性通過吸附裝置的分散布置來保證。隨著腿部的交替吸附和框架主體各部分間的相對運(yùn)動，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)壁面移動功能。為了滿足機(jī)器人運(yùn)動的靈活性，可以在機(jī)器人本體中央增加一個轉(zhuǎn)動自由度，使框架之間可以相對擺動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人壁面轉(zhuǎn)向運(yùn)動功能。車輪式：采用吸盤負(fù)壓產(chǎn)生對壁面的正壓力，然后利用摩擦系數(shù)大的材料做成車圖 2-3 x-y 移動框架式- -9輪，電機(jī)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，在摩擦力的作用下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動。我國研制出了單吸盤輪式氣囊密封裝置的壁面移動機(jī)器人，如圖 2.3.4 所示，其吸附機(jī)構(gòu)包括真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥、密封機(jī)構(gòu)等。圖 2-4 中的真空泵是產(chǎn)生負(fù)壓的裝置，其功能是不斷地從負(fù)壓腔內(nèi)抽出空氣，使負(fù)壓腔內(nèi)形成一定程度的真空度。為維持機(jī)器人負(fù)壓腔內(nèi)的負(fù)壓，還需要有密封機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人可靠地吸附在壁面上并產(chǎn)生足夠的正壓力，從而使驅(qū)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生足夠的摩擦力以實(shí)現(xiàn)移動功能。由于氣囊密封裝置具有較好的彈性，在壁面有凹凸時，通過氣囊的變形來減小縫隙的高度，可使機(jī)器人具有一定的越障能力，且充氣量可由調(diào)節(jié)閥來控制。此方案的要求較高，而且本人的設(shè)計(jì)能力有限，故也不采用這個方案。2.4 擬定方案經(jīng)過以上方案的分析，可以看出輪式、履帶式爬壁機(jī)器人能夠容易地實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動。輪式結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的運(yùn)動，能量利用率高；采用履帶式結(jié)構(gòu)在具有前者優(yōu)點(diǎn)的同時，其對壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)動的穩(wěn)定性和機(jī)動性更佳。總的來說采用輪式和履帶式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人一般結(jié)構(gòu)簡單，外形緊湊；運(yùn)動控制相對簡單，移動速度快，可靠性較高。由于磁吸附和旋翼吸附的局限性，此類機(jī)器人一般多采用滑動密封方式的負(fù)壓吸附。單車體的移動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其無法越障，并且不具備大折角面面轉(zhuǎn)換的能力。若采用雙車體結(jié)構(gòu)，將移動與吸附裝置相結(jié)合，將使機(jī)構(gòu)變得十分復(fù)雜；此外吸附元件的使用壽命問題也是應(yīng)用中的瓶頸。所以本設(shè)計(jì)采用了第二種的框架式結(jié)構(gòu)。箱體與上下橫梁組成了兩組十字形狀的結(jié)構(gòu)，利用主箱體吸盤組和上或下梁吸盤組的交替吸附來實(shí)現(xiàn)直線移動，前進(jìn)方向的改變不需要特別的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，而是利用箱體和橫梁之間的兩個電機(jī)切換實(shí)現(xiàn) X-Y 兩個方向的選擇。2.5 小結(jié)本章主要講述本設(shè)計(jì)所要進(jìn)行的研究內(nèi)容和研究手段步驟，初定總體框架和擬定方案，通過設(shè)定具體的環(huán)境條件，對履帶式、框架式、車輪式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，了解各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用本框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行本設(shè)計(jì)的有關(guān)工作，并圍繞具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行下面的方案設(shè)計(jì)。圖 2-4 單吸盤車輪式- -103 吸附方案設(shè)計(jì)3.1 方案原理3.1.1 附著方式分類目前應(yīng)用較多的附著方式有：真空吸附、負(fù)壓吸附、旋翼吸附、磁力吸附、機(jī)械力抓持，近年來也有人利用納米技術(shù)研制出基于范德華力的仿生壁虎腳掌，但處于起步階段。另一方面，由于墻壁通常采用非金屬的致密結(jié)構(gòu)材料，適用于平面爬壁機(jī)器人的附著方式主要有真空吸附、負(fù)壓吸附、旋翼吸附和機(jī)械力抓持 4 種。真空吸附技術(shù)是利用壓縮空氣通過特殊的氣動裝置產(chǎn)生真空進(jìn)行吸附的一種技術(shù)，該技術(shù)由德國 FESTO 公司首先提出并開發(fā)了配套產(chǎn)品。圖 3-1 構(gòu)成了一個典型的單吸盤真空吸附系統(tǒng)，由真空發(fā)生器、吸盤、管路組件和控制器組成。真空發(fā)生器產(chǎn)生真空的機(jī)理是射流原理，壓縮空氣從噴嘴高速噴出，在混合室中形成高速的空氣流，通過氣流的卷吸作用將混合室的空氣帶出從而在混合室產(chǎn)生真空。該方法所能達(dá)到的真空度最高可達(dá)－80kpa 以上，但由于卷吸作用的流量有限，所以真空發(fā)生器產(chǎn)生的真空流量很低。在機(jī)器人中對吸附系統(tǒng)的要求是多方面的，如承載、運(yùn)動、越障、面面轉(zhuǎn)換等。所以，單個吸盤往往不能滿足機(jī)器人的吸附要求，必須采用多個吸盤并通過合理布置構(gòu)成吸盤組來滿足使用要求，吸盤組作為獨(dú)立的構(gòu)件應(yīng)用到機(jī)器人中并賦予了吸盤新的功能，如抗傾覆、容障等。通常吸盤可以承受軸向力（包括拉力和壓力） 、切向力以及兩者的組合力。軸向拉力將大幅削弱吸盤的切向承載能力，軸向壓力則可以提高吸盤切向承載能力，所以，應(yīng)避免拉－切組合，盡量采取壓－切組合。另外，吸盤承受傾覆力矩的能力很差，所以，在吸盤設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量避免吸盤受傾覆力矩，通過合理布置吸盤的位置和選擇適當(dāng)?shù)奈P組件可以大大減少甚至消除吸盤所受的傾覆力矩 [6]。負(fù)壓吸附技術(shù)也是利用真空原理進(jìn)行吸附的，由于采用離心式或涵道式風(fēng)機(jī)作為真空發(fā)生源，所能達(dá)到的真空度較低，通常在 2kpa～15kpa 之間，因此稱為負(fù)壓吸附。目前負(fù)壓吸附技術(shù)還處于初始階段，根據(jù)所使用的風(fēng)機(jī)種類不同，負(fù)壓吸附又分為低圖 3-1 真空吸附系統(tǒng)構(gòu)成- -11流負(fù)壓吸附和高流負(fù)壓吸附，前者的負(fù)壓發(fā)生器采用離心風(fēng)機(jī)，負(fù)壓最高可達(dá) 15kpa以上，但風(fēng)機(jī)的流量較低，對吸附腔的密封條件要求較高，泄漏對負(fù)壓的影響較大；后者的負(fù)壓發(fā)生器采用涵道式風(fēng)機(jī)，負(fù)壓最高只能達(dá)到 3kpa 左右，但風(fēng)機(jī)的流量較大，對吸附腔的密封要求不高，泄漏對負(fù)壓影響較小，甚至可以省去密封環(huán)而只要簡單的擋風(fēng)裝置。吸盤尺寸的大小與腔內(nèi)負(fù)壓和相應(yīng)的吸附力、機(jī)器人重量、摩擦系數(shù)等有關(guān)，應(yīng)符合以下二個條件： (1)不下滑條件,即摩擦力與重力相平衡 (2)不傾倒條件,即轉(zhuǎn)矩平衡 由分析可知,增強(qiáng)負(fù)壓,增大吸盤面積都可以增加負(fù)重能力。如果機(jī)器人邊移動,邊吸附,還會遇到吸盤密封技術(shù)的難點(diǎn);如果機(jī)器人爬行的是弧形壁面 ,則更會增加制作度。已問世的各類負(fù)壓吸附爬壁機(jī)器人都采取了許多措施。 雖然負(fù)壓吸附的真空度較低，但負(fù)壓吸附技術(shù)使用方便。負(fù)壓吸附方式可以適用于玻璃、瓷磚和大理石等墻面，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動的輪式或履帶式幕墻清洗機(jī)器人一般采用負(fù)壓吸盤作為吸附裝置 [7]。目前有研究者根據(jù)蜜蜂飛行懸停原理研制了螺旋槳推進(jìn)輪式載體結(jié)構(gòu)壁面移動機(jī)器人，它首次利用了空氣推進(jìn)的原理產(chǎn)生壁面附著力，該機(jī)器人的推進(jìn)螺旋槳軸線與壁面成 45°角，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的垂直于壁面的壓力和沿壁面的推進(jìn)力，使機(jī)器人可以在壁面上運(yùn)動。采用螺旋槳旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的推動力將機(jī)器人緊貼在幕墻表面上的思路新穎，此方式可以適合任何介質(zhì)的墻面，降低了機(jī)器人對作業(yè)表面屬性的依賴程度。其特點(diǎn)為：吸附力一般較小，對壁面適應(yīng)性強(qiáng)；但旋翼會產(chǎn)生反向扭矩，需平衡；但由于振動、噪音大，技術(shù)的安全性及可靠性仍有待提高。上述特點(diǎn)決定了該方式具有自身局限性，由于吸附力和驅(qū)動力均產(chǎn)自旋翼，因此要增加吸附力、提高運(yùn)動速度和機(jī)器人負(fù)載能力就必須增加旋翼電機(jī)功率，這樣振動噪音等的影響則更嚴(yán)重，因此旋翼吸附方式適于負(fù)載要求較小的輕便型機(jī)器人設(shè)計(jì)使用。通過對人類攀巖過程的爬壁機(jī)理研究可知，即使足端無特殊的吸附裝置，合理的利用環(huán)境特征也可實(shí)現(xiàn)壁面人體附著保持功能。對于高層建筑物壁面而言，一般均有窗框、導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)，墻上或墻之間交錯的障礙，構(gòu)成了對機(jī)器人運(yùn)動的約束。如果對該結(jié)構(gòu)不能很好的加以利用，其必將影響機(jī)器人作業(yè)安全性和效率。機(jī)械力抓持方案正是基于此觀點(diǎn)，利用建筑物特征，當(dāng)作機(jī)器人運(yùn)動的參考和媒介，通過機(jī)械裝置與特征結(jié)構(gòu)的相互作用產(chǎn)生穩(wěn)定吸附力。3.1.2 本文采用的吸附方案根據(jù)適用環(huán)境的設(shè)定和總體框架設(shè)計(jì)，以及采用的框架式結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)的機(jī)器人屬于間歇性運(yùn)動的機(jī)器人，所以吸附方案采用多吸盤 [8]的真空吸附方式，采用真空泵裝置,使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓,利用大氣壓和吸盤內(nèi)之間壓差產(chǎn)生垂直于壁面的正壓力，從而使機(jī)器人吸附壁面。- -123.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析3.2.1吸盤設(shè)計(jì)吸盤的布局設(shè)計(jì)如圖 3-2 所示。在十字箱體框架中，安裝上下橫梁，每個橫梁上有 4 個吸盤組成的吸盤組，兩梁的吸盤數(shù)量和大小可以根據(jù)具體要求增加，利用真空裝置通過吸管產(chǎn)生真空，吸附于壁面上。吸盤形狀如圖 3-3 所示，吸盤通過螺母調(diào)節(jié)其到壁面的距離。由于十字框架式結(jié)構(gòu)，所以上下橫梁的吸盤長度不一樣，具體參數(shù)見附件有關(guān)圖紙。3.2.2吸盤提升和復(fù)位機(jī)構(gòu) 如圖 3-4 吸盤提升與復(fù)位機(jī)構(gòu)所示由于本機(jī)器人是框架式，而且是間歇性運(yùn)動，需要吸盤在機(jī)構(gòu)移動時脫離壁面，起到保護(hù)吸盤在移動時不被磨損，同是也減少了移動的摩擦力，提高越障能力；而在吸盤要下壓吸附時，電磁鐵斷電，吸盤又利用圖 3-2 吸盤布局設(shè)計(jì)圖 圖 3-3 塑膠吸盤 1：電磁鐵 2：復(fù)位彈簧 3：吸盤 圖 3-4 吸盤提升和復(fù)位機(jī)構(gòu)123- -13復(fù)位彈簧的作用貼緊壁面，增強(qiáng)吸附的密封性和有效性。3.3 部分理論計(jì)算3.3.1附著力學(xué)分析雖然爬壁機(jī)器人上與壁面接觸的附著裝置和驅(qū)動裝置具有局部柔性，但總體看來，局部柔性對整個幕墻清洗機(jī)器人受力狀況影響較小，同時為了簡化問題分析，在建立力學(xué)模型前，做以下合理假設(shè)。（1）剛體假設(shè)即認(rèn)為幕墻清洗機(jī)器人總是剛體。（2）對稱假設(shè)即認(rèn)為幕墻清洗機(jī)器人在水平方向所受的力總是對稱的。若機(jī)器人與壁面之間保持靜止或平穩(wěn)運(yùn)動的位置關(guān)系，稱機(jī)器人附著在壁面上。由上述假設(shè)幕墻清洗機(jī)器人的受力狀況可簡化為平面力系。設(shè)幕墻清洗機(jī)器人以速度 v 向上沿幕墻做勻速直線運(yùn)動，其受力情況（因?yàn)橐苿訒r吸盤起來，同時為簡化分析，忽略了阻力的作用） ，如圖 3-5 所示。O1 點(diǎn)為機(jī)器人的翻倒支撐點(diǎn)，由剛體假設(shè)，該點(diǎn)即機(jī)器人與壁面接觸的最低點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生翻倒失效時，機(jī)器人繞該點(diǎn)發(fā)生翻倒。由平衡條件，有 式（3-1）??????01oMzy將圖中各參數(shù)代入上式，可得式（3-2）???????0sinci1hGPNzFyo?式中 G——機(jī)器人的重力（N） ；P——等效附著力（ N） ；N——幕墻對機(jī)器人的等效反力（N） ； F——機(jī)器人的驅(qū)動力（ N） ，F(xiàn) ＝μN(yùn) ， （μ 為摩擦系數(shù)） ；M——P、N 向重心 O 簡化時，所得對 O1 點(diǎn)的附著力矩（ Nm） ，M ＝f(P,N)，f 由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定；α——壁面與水平面的夾角解上述方程組即可求得平衡狀態(tài)下，機(jī)器人的各力學(xué)參數(shù)。同時也可以此對機(jī)器人的附著狀態(tài)做出判斷。在圖示的坐標(biāo)系中，機(jī)器人的重力可分解為 y 軸和 z 軸兩個圖 3-5 受力分析- -14方向分量，平衡狀態(tài)下，重力的 y 分量由驅(qū)動力來平衡，而重力產(chǎn)生的翻倒力矩由附著力矩 M 來平衡。然而，考慮到外力干擾和慣性力等因素，實(shí)際的驅(qū)動力比上式求得的要大得多，因此，驅(qū)動力 F 介于 0～F max 之間。F max 由機(jī)器人驅(qū)動裝置與幕墻面之間的最大靜摩擦力確定，其大小與介質(zhì)摩擦系數(shù)和作用于驅(qū)動裝置的附著力有關(guān)。同樣實(shí)際可能產(chǎn)生的附著力矩比上式求得的值要大得多，并在一定范圍內(nèi)隨外力的變化而變化，即附著力矩 M 介于 0～M max 之間。M max 為最大附著力矩，其大小由附著力和機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸和附著方式?jīng)Q定。3.3.2簡化附著模型圖 3.3.2 所示為爬壁機(jī)器人的簡化附著模型。該模型將機(jī)器人與壁面接觸的部位簡化為 O1、O 2兩點(diǎn)，該兩點(diǎn)分別為機(jī)器人與壁面接觸的最大外廓尺寸點(diǎn)，下方的 O1點(diǎn)即機(jī)器人的翻倒支撐點(diǎn)。同時將附著力和反力以及驅(qū)動力分別向這兩點(diǎn)簡化，在平衡狀態(tài)下，將圖中各力學(xué)參數(shù)代入式（3-1）得式（3-3)???? ???????0)()sin(45.00coi 221121 LNPGhLMPNzFyo ??式中 G——機(jī)器人的重力（N） ；P1——O1點(diǎn)的等效附著力（N） ；P2——O2點(diǎn)的等效附著力（N） ；N1——O1點(diǎn)的反力（N） ；N2——O2點(diǎn)的反力（N） ； F1——O1點(diǎn)的驅(qū)動力（N） ；且 F1≤μN(yùn) 1，μ 為摩擦系數(shù) F2——O2點(diǎn)的驅(qū)動力（N） ，且 F2≤μN(yùn) 2，μ 為摩擦系數(shù)； α——壁面與水平面的夾角；β——∠O1OD，由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定。式（3-3）的第 3 個方程的第一項(xiàng)即由重力引起的翻倒力矩，其大小隨傾斜角變化而變化，因此，該方程可寫成 Mg－（P 2－N 2）L＝0。在平衡狀態(tài)下，當(dāng) Mg 增大時，第二項(xiàng)（P 2－N 2）L 也隨之增大。由于附著力 P2由機(jī)器人的附著裝置決定，通常情況下不會改變，因而，其大小通過反力的重新分配來實(shí)現(xiàn)，反力 N2隨的 Mg 增大而減小，從而保持機(jī)器人的附著狀態(tài)。當(dāng)反力 N2減小到 0 時， （P 2－N 2）L 的值達(dá)到最大值，即機(jī)器人的附著力矩 Ms，且有 Ms＝P 2L。由上述分析可得以下結(jié)論。（1）機(jī)器人附著力矩完全由 O2點(diǎn)的附著力 P2貢獻(xiàn)，O 1點(diǎn)的附著力 P1對附著力矩?zé)o圖 3-6 簡化附著模型- -15貢獻(xiàn)。（2）O 1、O 2點(diǎn)的反力隨翻倒力矩的變化而變化。且通常情況下，有 N1P1，N 2P2。由上述結(jié)論可知，增大 O2 點(diǎn)的附著力，可提高機(jī)器人的抗翻倒的能力；另一方面，由于 O1 點(diǎn)的反力較 O2 點(diǎn)大，因此，驅(qū)動裝置應(yīng)盡量靠近 O1 點(diǎn)，以提高驅(qū)動力。3.4 影響附著穩(wěn)定性的因素影響機(jī)器人附著穩(wěn)定性的因素是多方面的，其中包括：環(huán)境因素、外力干擾因素以及機(jī)器人自身的因素等三個主要方面。環(huán)境因素中，墻壁表面的局部缺陷、表面附著的其他物質(zhì)都可能降低附著裝置的密封狀況或摩擦系數(shù)，而墻壁的平面度會降低接觸的緊密度，同樣導(dǎo)致接觸摩擦系數(shù)降低。外力干擾因素主要有風(fēng)力和建筑群體結(jié)構(gòu)引起的空氣動力，這些干擾外力有可能直接導(dǎo)致翻倒力矩的大幅上升。機(jī)器人自身的驅(qū)動系統(tǒng)會產(chǎn)生振動和慣性力，以及工作作用力等也會降低附著的穩(wěn)定性。因此，在進(jìn)行附著系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要充分考慮各種因素的影響，保證附著的穩(wěn)定性和可靠性。然而，摩擦系數(shù)的大小對摩擦角的影響最為明顯，附著的摩擦錐與摩擦系數(shù)密切相關(guān)。而且實(shí)際的工作過程中，摩擦系數(shù)隨著幕墻表面狀態(tài)變化而改變。因此，在確定介質(zhì)的摩擦系數(shù)時，必須綜合考慮各種因素的影響，如壁面附著的污物、水膜等介質(zhì)都對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響 [9]。3.5 小結(jié)本章主要講述本設(shè)計(jì)可能用到的吸附技術(shù)原理，并選擇了最佳的吸附方案；接著講述吸附的布置方式，以及相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如提升和復(fù)位；同時對一般情況下的機(jī)器人進(jìn)行了剛性假設(shè)，受力分析得出機(jī)器人需具備的吸附力 F（吸） ，同是進(jìn)行了簡化附著模型的理論分析，對于具體的工作情況，則需要考慮更多的外加因素，本章只簡單地分析一般情況。- -164 移動方案設(shè)計(jì)4.1 方案原理移動機(jī)構(gòu)移動方式有4種:輪式、履帶式、腳式、框架式。對于單吸盤吸附而言, 實(shí)現(xiàn)移動的快速有效的方式就是采用兩個或多個輪子, 實(shí)現(xiàn)滾動式前進(jìn)，但是這種機(jī)構(gòu)不便于越障；履帶式多吸盤吸附機(jī)構(gòu)是通過驅(qū)動器帶動履帶滾動, 從而帶動前端吸盤吸附、后端吸盤剝離, 以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前移；腳式是采用仿生爬行方式( 四足或六足)，其中昆蟲足式多吸盤機(jī)構(gòu)具有較高的靈活度, 能實(shí)現(xiàn)直線移動、轉(zhuǎn)向和越障功能。框架式也是利用仿生學(xué)，在吸盤的交替吸附下實(shí)現(xiàn)移動，本設(shè)計(jì)就是采用了十字結(jié)構(gòu)的框架式，利用多吸盤組的交替吸附和提升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X-Y方向的移動。在吸盤吸附在壁面時，機(jī)器人執(zhí)行以下步驟實(shí)現(xiàn)移動的功能：循環(huán)實(shí)現(xiàn)間歇性前進(jìn)，切換兩個電機(jī)可以實(shí)現(xiàn) XY 兩個方向的移動。原理如流程圖 4-1。上梁梁吸盤組吸附，下梁松開電磁鐵作用提升下梁吸盤組電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條，下梁相對運(yùn)動電機(jī)停止，電磁鐵斷電，復(fù)位彈簧作用，下梁吸盤組貼住壁面下梁吸盤組吸附，上梁松開電磁鐵作用提升上梁吸盤組電機(jī)停止，電磁鐵斷電，復(fù)位彈簧作用，上梁吸盤組貼住壁面電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條，上梁相對運(yùn)動圖 4-1 移動方案流程圖- -174.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析移動結(jié)構(gòu)主要包括動力傳遞結(jié)構(gòu)－齒輪齒條、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)－滑槽滑塊、變向結(jié)構(gòu)－上下梁切換移動、安裝結(jié)構(gòu)－擋板滑槽、支撐結(jié)構(gòu)－支撐滾輪，這些結(jié)構(gòu)是相互作用完成簡單的 X－Y 方向的移動，原理和結(jié)構(gòu)簡單，功能易實(shí)現(xiàn)。4.2.1動力傳遞結(jié)構(gòu)如圖 4-2 所示，其中電機(jī) 1 和電機(jī) 2 分別安裝主箱體的上下面，對應(yīng)箱體齒條也與電機(jī)齒輪配對安裝，上下梁的齒條各自與箱體的齒條對應(yīng)，動力按照動作順序分成 4路傳遞出去。移動方案的動力傳遞路徑是減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動將通過圓柱齒輪，傳遞力矩和轉(zhuǎn)矩至齒條，使得電機(jī)所在的結(jié)構(gòu)和齒條所在的結(jié)構(gòu)發(fā)生相對的移動，使得機(jī)器人獲得移動的動力。電機(jī)的控制通過控制系統(tǒng)進(jìn)行啟動和停止及正反轉(zhuǎn)等。初定電機(jī)參數(shù)為：12V 直流減速微型電機(jī)（1）輸出扭矩：115mn/m; （2）轉(zhuǎn)速：50RPM;（3）額定電流：60mA;（4）電壓：12V;（5）體積（長度*直徑）mm：小于 40*小于 25。齒輪參數(shù)為 Z＝18,m＝2，齒條參數(shù)為 Z＝12,m＝2,長度 l＝96mm。 4.2.2導(dǎo)向結(jié)構(gòu) 如圖 4-3 所示，移動機(jī)構(gòu)的內(nèi)部相對移動，采用的表面材料是高分子材料，做成的摩擦系數(shù)較小的 T 滑塊，X 和 Y 方向各有 4 個滑塊和兩個滑槽。將 T 型滑塊套入與之相配合的 T 型槽1：減速電機(jī) 2：圓柱齒輪 3：齒條 4：螺栓圖 4-2 動力傳遞結(jié)構(gòu)31241 2 3 1：滑塊 2：擋板 3：螺栓圖 4-3 導(dǎo)向滑塊結(jié)構(gòu)- -18里，通過一個薄擋板的限位防止滑動脫落。上梁的 T 型滑塊與箱體的 T 型槽配合滑動，下梁的 T 型滑槽與箱體的 T 型滑塊配合滑動，實(shí)現(xiàn) X-Y 兩個方向的導(dǎo)向功能。與槽（圖 4-4 滑槽結(jié)構(gòu)）接觸的滑塊不單將箱體和上下梁連成一體，而且為機(jī)器人的移動方向起了導(dǎo)向作用。滑塊表面材料可以選擇耐磨的高分子材料，比如聚甲醛。它是一種高結(jié)晶聚合物，具有表面光滑、有光澤、吸水性小尺寸穩(wěn)定、耐磨、 強(qiáng)度高、自潤滑性好、著色性好，耐油、耐過氧化物。POM 具有較好的綜合性能，在熱塑性塑料中是最堅(jiān)硬的，是塑料材料中力學(xué)性能最接近金屬的品種之一，其 抗張強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、耐疲勞強(qiáng)度，耐磨性和電性能都十分優(yōu)良，可在-40℃--100℃之間長期使用。 4.2.3變向結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)采用的是兩個微型減速電機(jī)分別驅(qū)動 X、Y 的方向移動，其變向是切換兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)動。該部分功能是通過控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)方向的選擇，而且變向結(jié)構(gòu)的上下兩部分一樣，都是齒輪齒條的嚙合結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖4-5 所示，當(dāng)要豎直行進(jìn)時，Y 方向電機(jī)啟動，并通過正反轉(zhuǎn)控制達(dá)到豎直方向移動；當(dāng)要水平方向移動時，停止 Y 方向的電機(jī)，并止動鎖住，使得本體呈剛性狀態(tài)，啟動 X 方向電機(jī)，到達(dá)改變方向目的。 本設(shè)計(jì)方案，改變了最初的齒輪齒條嚙合困難問題，利用箱體1：滑槽 2：擋板安裝位置圖 4-4 滑槽結(jié)構(gòu)121：上梁電機(jī) 2：上梁 3：箱體 4：下梁電機(jī) 5：下梁圖 4-5 變向結(jié)構(gòu)14325- -19的中間作用，使得 X-Y 方向的嚙合不受彼此影響，而且降低了空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，原理簡單。 4.2.4安裝結(jié)構(gòu)下梁的安裝結(jié)構(gòu)是通過 T 型滑槽（下梁）與 T 型滑塊（箱體）的配合安裝，它們之間存在一定的間隙，防止滑動卡死，在滑塊與滑槽裝好后，用一個薄的擋板零件和螺栓封住槽的一端開口，防止脫落，如圖 4-6 下梁安裝所示。同樣下梁的安裝也一樣處理，如圖 4-7 上梁安裝，不同的是滑塊和滑槽分別在下梁和箱體，上梁的形狀是中部突起，安裝電機(jī)和齒輪齒條，所以在導(dǎo)入安裝時，上梁1：箱體滑塊 2：下梁滑槽 3：擋板圖 4-6 下梁的安裝結(jié)構(gòu)1：上梁滑塊 2：箱體滑槽 3：擋板圖 4-7 上梁的安裝結(jié)構(gòu)31212 3- -20的一端需要挖空一定的面積，使得滑塊導(dǎo)入時上梁的一翼不會碰撞電機(jī)發(fā)生干涉。具體見。4.2.5支撐結(jié)構(gòu)為了減少吸盤的承受力和支撐機(jī)器人，減少不必要的變形和提高移動的安全性，在箱體的兩端各安裝了一個方向可以任意轉(zhuǎn)動的支撐輪，如圖 4-8 支撐結(jié)構(gòu)所示。通過螺柱和螺母的配合緊固在箱體，其長度與吸盤的長度相適應(yīng)，保持吸附的密封性。支撐輪可以選擇合金和塑料材料做成一個方向可以任意轉(zhuǎn)動的輪子，為減輕主體重量，可以做成空心的支撐桿。同時考慮到吸盤的吸附，支撐輪只設(shè)置兩個，只起支撐作用，不起維持平衡和固定作用，防止吸盤高度不一時吸盤吸附不到壁面的情況。 4.3 部分理論數(shù)據(jù)（1）移動速度計(jì)算：驅(qū)動部件由兩個同型號的直流減速電機(jī)驅(qū)動。假設(shè)減速電機(jī)工作電壓 12V，功率 P=12W，轉(zhuǎn)速 n=50r/min，齒輪直徑 D=40㎜。所以車輪角速度 ω=2πn=2π×50÷60= 5.236rad/s那齒輪的線速度 =ω×r=5.236×40÷2÷1000=0.105m/s，即齒條的移動速度。v計(jì)算得移動速度 。min/3.6'?（2）移動時吸盤提升距離 h 和彈簧回復(fù)力：如圖 4-9 所示，提升吸盤不單保護(hù)吸盤，同時也減少摩擦力，提升距離 h 根據(jù)越障能力要求和具體環(huán)境決定，本設(shè)計(jì)的移動提升距離 h＝5mm，如圖 4-10 所示。 1：支撐輪 2：箱體 3：螺母圖 4-8 支撐結(jié)構(gòu)圖 4-9 移動時提升示意圖 圖 4-10 提升距離 h＝5mm12 3- -21彈簧回復(fù)力計(jì)算： ，假設(shè)預(yù)緊時彈簧長度為 ，電磁鐵通電彈)(0XkF?? 0X簧被拉伸，長度為 X，回復(fù)力依照上面理論公式計(jì)算。調(diào)節(jié)上下螺母可以改變預(yù)緊力（即預(yù)緊長度 ） ，從而改變回復(fù)力。0（3）移動距離計(jì)算：已知傳動齒輪 ，則有齒輪每轉(zhuǎn)一齒時的角度為 ，1Z 1/2Z???則對應(yīng)的弧長 ,??mdl??2/即每轉(zhuǎn)一齒，對應(yīng)齒條移動距離 ，mdls?/轉(zhuǎn)化成電機(jī)每轉(zhuǎn)一度時，對應(yīng)距離為 。0100' 8/8/)1(2???mdl ??將本設(shè)計(jì)的參數(shù)帶入得， ，s8.64.3mZs 0184.32180/' ????4.4 小結(jié)本章主要通過移動方式的分析選擇了十字框架式的方案，對其進(jìn)行了原理流程圖的分析，接著針對與移動方案有關(guān)的局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并附圖說明動力傳遞、導(dǎo)向、變向、安裝和支撐結(jié)構(gòu)等主要部分。最后假設(shè)了移動的原始條件，計(jì)算了機(jī)器人移動的速度等，具體的結(jié)果要根據(jù)控制系統(tǒng)的快慢和使用要求來獲得。5 系統(tǒng)實(shí)例5.1 零件和總裝工程圖本設(shè)計(jì)說明書主要給出“齒輪齒條組合圖” 、 “輪與吸盤組合圖” 、 “上梁” 、 “下梁” 、 “提升與復(fù)位零件組合圖” 、 “主箱體”以及“總裝配圖”等工程圖。- -22（具體見附件）5.2 三維裝配模型利用三維繪圖軟件 Solidworks 建立裝配圖文件，將繪制好的各部件依照設(shè)計(jì)的安裝順序裝配成一個完整的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，見圖 5-1 三維裝配圖 1 和圖 5-2 三維裝配圖2。圖 5-1 三維裝配圖 1- -23圖 5-2 三維裝配圖 25.3 其他一些關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)實(shí)例圖本設(shè)計(jì)利用 Solidworks 進(jìn)行各部件的三維設(shè)計(jì)，以下給出本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件實(shí)例圖。依次是圖 5-3 齒輪齒條組件圖、圖 5-4 主箱體圖、圖 5-5 上梁圖、圖 5-6 下梁圖、圖 5-7 吸盤圖、圖 5-8 支撐輪圖、圖 5-9 復(fù)位彈簧圖、圖 5-10 電磁鐵及圖 5-11 局部滑塊視圖。圖 5-3 齒輪齒條組件圖 圖 5-4 主箱體- -24圖 5-5 上梁 圖 5-6 下梁圖 5-7 吸盤 圖 5-8 支撐輪 圖 5-9 復(fù)位彈簧圖 5-10 電磁鐵 圖 5-11 滑塊- -255