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1、研究报告研究报告一、 立项背景近几年来，机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。其中，爬壁机器人（Wall Climbing Robot，WCR）是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。概括起来，爬壁机器人主要用于：(1)核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；(2)石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐、测量和保养；(3)建筑行业：用于对巨型壁面的喷涂，玻璃壁面的清洗，磁砖安装，桥梁探伤等；(4)消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；(5)造船业：用于喷涂船体的内外壁等。国内外现有爬壁机器人
2、的壁面吸附方式主要包括：负压吸附、真空吸附、磁吸附、气体推力吸附、粘性吸附和仿生学吸附等。负压和真空吸附方式具有不受壁面材料限制、适用范围广等特点。但当壁面凹凸不平时，吸盘容易发生气体过量泄漏，导致吸附力不足，减低爬壁机器人的承载能力，甚至使爬壁机器人从壁面跌落。磁吸附有永磁和电磁两种方式，但要求壁面必须是导磁材料，主要特点是吸附机构较简单，产生的吸附力远大于负压和真空吸附，也不存在漏气现象，对凹凸不平壁面的适应性较强。气体推力吸附是利用与壁面成一定角度的气体推力使爬壁机器人贴紧壁面，结构简单，但效率低，受环境影响大，而且控制不易。粘性吸附和仿生学吸附（仿壁虎）虽然他们的灵活性强，体积小，但是
3、他们的吸附性差有待提高，所以注定载重量小。爬壁机器人的运动机构主要有足式、框架式、履带式及轮式等。足式和框架式动作灵活，具备一定越障能力，但移动速度较慢，机构设计和运动步态规划比较复杂；履带式爬壁机器人的壁面吸附力较大，移动速度较快，但调整姿态比较困难；轮式运动机构的主要特点是机构简单、移动速度快、控制灵活方便，但由于一般采用带滑动式吸盘（Sliding Suction Cup，SSC）作为吸附装置，受壁面环境影响较大且对滑动式吸盘的滑动密封性能要求比较高。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。但
4、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和高层居民对家中窗户的清洗为例,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。以此为背景,设计出一种能在多种壁面上行动的小型爬壁机器人的。二、 研究过程在设计爬壁机器人之前，研究人员了解了一些爬壁机器人的吸附特性：如磁力吸盘爬壁机器人吸附力目前最大，但是只能用于导磁金属壁面上，而对普通玻璃墙壁无法适用；负压吸附力大，但当壁面凹凸不平时，吸盘容易发生气体过量泄漏而许多大型悬挂式清洗机器人要求有楼顶悬挂机构； 气体推力效率低；粘性吸附和仿生学吸附载重量小。为了载重量大，吸附力强
5、，所以最后决定在吸附套件方面选用磁吸附和负压吸附两种，这样可以应对更多的壁面。对于爬壁机器人的运动机构选择，研究人员采取了几种方案来设计：履带式，把真空吸盘和电磁铁如坦克履带一样排列（结构类似图 2-1,2-2）达到吸附壁面的目的。（2-1） （2-2）但是在设计完成实验过程中发觉把吸盘这样排列机器人的行进会很慢，体积会很大；而电磁铁这样排列的话，重量会很大，就背离了我们制作小型爬壁机器人的初衷。框架式，把真空吸盘和电磁铁分别安装于框架上（图 2-3）（2-3）但是这样移动速度较慢，机构设计和运动步态规划比较复杂，在实际应用中如果损坏修复麻烦。底盘式和履带式结合，把真空吸盘和电磁铁安装于底盘（
6、图 2-4） ，过电机驱动履带使吸附套件和壁面形成滑动摩擦，从而稳步移动。这样就具有了壁面吸附力较大，移动速度较快，具备一定越障能力的特点。三、 结构参数、结构描述履带坦克车底盘 1 底板上装有两套吸附装置，每套吸附装置由吸盘式电磁铁 3 和真空吸盘 2 组成，且两套吸附装置呈倒三角的方式排列。履带坦克车底盘 1 内左右各装有一个微型真空泵 6 和电池盒 4。真空吸盘 2 与微型真空泵 6连接；履带坦克车底盘 1 两边分别连接有电机驱动履带 5。本发明的爬壁机器人通过吸附套件来达到在垂直墙壁上攀爬的遥控机器人。它一共有两套吸附装置：一套是通过吸盘式电磁铁 3 吸附导磁性壁面达到爬壁的功能；另一
7、套是通过微型真空泵 6 连接真空吸盘 2，对吸盘内部进行抽气形成负压吸附，使机器人吸附在光滑壁面（玻璃，瓷砖，油漆粉刷过的光滑壁面等） 。当机器人开启吸附套件后，吸附壁面。通过电机驱动履带 5 使吸附套件和壁面形成滑动摩擦，从而稳步移动。在机器人的制作过程中为了减轻自身的重量就决定不使用铁铝合金等金属制作的机器人底盘，所以就用 ASURO 的 RP6 履带坦克车底盘 1，此底盘采用 ABS工程塑料具有高强度能基本应付由于坠落导致造成的冲击。由于履带坦克车底盘 1 的内部空间较小，无法加装吸盘式电磁铁 3 和微型真空泵。所以经过计算决定把底盘的宽度从 125.5MM 加到 179MM，从而可以正
8、好装入三个吸盘 2，左右各一个的微型真空泵 6 和电池盒 4。加宽底盘 1 的材料是定做的透明有机板，厚度为 2MM，和底盘原本厚度差不多。而且具有强韧抗耐冲（拉伸强度(Mpa)46.0） 、耐化学药品性（柔曲温度54.0，透湿度 g/m224h0.1mm15，透光率%(厚度 0.11-0.30mm)86） 、折叠韧性强（落球冲击破碎率(%)40.0） 、质量轻等特点，符合机器人自重轻具有一定强度的特点。为了平衡重量，在机器人内部电池左右各微型抽气泵安装两个电池盒 4 和微型真空泵 6。一个电池盒 4 放三节超大容量 2300mAh，1.2v 镍氢电池以保证机器人的电量，而且充电方便利于环保减
9、少污染。微型真空泵 6 体积小（55mm*16mm*36mm） ，吸气流量大（真空压力：45kp，每分钟气流量：2.5 升）工作电压适宜（电压：5v） 。真空吸盘 2 最大直径为 60MM,气孔的直径为 6MM 的透明硅胶吸盘。硅胶摩擦力大而且比较柔软能很好的吸附壁面。吸附装置采用倒三角的方式来排列，因为三点固定一个平面，这样比较平稳，而且由于重力关系上面二个吸附装置有利于增大吸附力，防止机器人由于吸附力不足导致的上半部分外翘。配合 M6 的真空橡胶管连接微型真空泵 6 和真空吸盘 2，使二个微型真空泵 6 和三个真空吸盘 2 互相连通，让每个真空吸盘 2 有较平均的吸气流量。由于电磁铁的额定
10、电压都过高，在外型上符合我要求的吸盘电磁铁 TAU-2520P 最低电压也要 12V，所以我按照它的外形定做了工作电压在 5-8V 的电磁铁。在制作过程中减少了它内部线圈，导致它的高度降低，从而减小了降低了工作电压，这样它的体积减小（体积：直径 50*14.7） ，质量也减轻，也符合了我需求的工作电压，但是吸力也不变（吸力：5KG） 。本发明采用无限遥控设备，其中无线遥控模块-超再生无线接发收头（315M） 。它采用 SMD 贴片工作制造生产，为超再生接收方式，它内含放大整形，可直接输出至解码器 IC，使用极为方便，接收电路性能稳定，加之又采用 SMD贴片工艺技术制造，即使强烈振动也不必担心频
11、点偏高。DF 接收模块的工作电压为 5 伏，静态电流 5 毫安，它为超再生接收电路，接收灵敏度为105dbm，接收天线最好为 2530 厘米的导线，最好能竖立起来。这种设计有很多优点，它可以和各种解码电路或者单片机配合，设计电路灵活方便。 这种电路的优点在于：（1）天线输入端有选频电路，而不依赖 1/4 波长天线的选频作用，控制距离较近时可以剪短甚至去掉外接天线（2）输出端的波形在没有信号比较干净，干扰信号为短暂的针状脉冲，而不象其它超再生接收电路会产生密集的噪声波形，所以抗干扰能力较强。（3）DF 模块自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号
12、的侵入。（4）采用带骨架的铜芯电感将频率调整到 315M 后封固，这与采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善。可调电容调整精度较低，只有 3/4 圈的调整范围，而可调电感可以做到多圈调整。可调电容调整完毕后无法封固，因为无论导体还是绝缘体，各种介质的靠近或侵入都会使电容的容量发生变化，进而影响接收频率。另外未经封固的可调电容在受到振动时定片和动片之间发生位移；温度变化时热胀冷缩会使定片和动片间距离改变；湿度变化因介质变化改变容量；长期工作在潮湿环境中还会因定片和动片的氧化改变容量，这些都会严重影响接收频率的稳定性，而采用可调电感就可解决这些问题，因为电
13、感可以在调整完毕后进行封固，绝缘体封固剂不会使电感量发生变化。俯视图主视图左视图具体参数履带坦克车底盘（1）宽度为 179MM，且由 ABS 工程塑料制成；微型真空泵（6）体积为 55mmX16mmX36mm，真空压力45kp，每分钟气流量2.5 升；工作电压为 5V；吸盘式电磁铁（3）体积：直径 25*14.7,吸力为 5KG；电机选择的是大扭力 280 马达。电机电压：7.212V，工作电流：160180 mA，最大速度：30cm/s，配套齿轮箱的齿轮减速比例：80 ：1。无限遥控设备的基本参数：1. 工作电压: DC5V2. 工作电流: 3.5mA3. 工作频率: 315MHz4. 接收
14、灵敏度：-105dbm5. 输出信号：TTL 电平6. 接口方式：插针（4PIN 间距 2.54mm）7. 外型尺寸：30148mm8. 工作温度：-10+50 。四、 基本功能爬壁机器人要在垂直或倾斜壁面上作业必须具有吸附和移动两大基本功能。当机器人开启吸附套件后，吸附壁面。通过电机驱动履带使吸附套件和壁面形成滑动摩擦，从而稳步移动。单个吸盘式电磁铁吸力为 5KG，所以在不影响行动的情况下，机器人单靠磁吸附套件工作时的载重量3KG；单靠负压吸附套件工作时的载重量2KG。这样无论是在光滑壁面还是在导磁性壁面都能装备一定的工具进行工作，解脱了在高空作业的工作人员，也解决了高层居民清洁家中窗户玻璃的问题，提高了安全性。六节容量为 2300mAh，1.2v 镍氢电池可以维持机器人爬行 1525 分钟，机器人的行驶速度8cm/s。五、发明创新爬壁机器人具有两套吸附装置，每套吸附装置分别由吸盘式电磁铁和真空吸盘组成。吸附性强，载重量相对较大。两套吸附装置时可以应付更多的壁面，增加了爬壁机器人的通用性。底盘式和履带式结合，把真空吸盘和电磁铁安装于底盘，过电机驱动履带使吸附套件和壁面形成滑动摩擦，从而稳步移动。这样就具有了壁面吸附力较大，移动速度较快，具备一定越障能力的特点。六、机器人实图
