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1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计（论文）（2016届） 一种抓地式爬墙机器人机械部分的设计学生姓名 学 号 院 系 机械与电气工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 完成日期 2016年 5 月 4日 专心-专注-专业一种抓地式爬墙机器人机械部分的设计摘要爬墙机器人属于移动机器人的一个重要分支, 可在垂直或者角度墙壁面上自由移动, 代替人工在各种条件下完成多种作业任务, 在当前机器人领域越来越受到重视。文中介绍了基于涵道推进方式的抓地式爬墙机器人的设计，利用机器人推进风扇的反向推力与摩擦力及机器人自身重力的协调使机器人吸附在墙面，使其能够适应各种墙面，完成设计时需要其完成的工作，
2、增大爬墙机器人的应用效率。关键词：爬墙机器人；抓地式；涵道推进；吸附；履带式Design of a grip type wall climbing robotAbstractWall climbing robot is an important branch of the mobile robot can move freely in the vertical or angle of the wall surface, replace the artificial in a variety of conditions to complete a variety of tasks, in the
3、 current robot field, more and more attention. This paper introduces the Culvert propulsion method based grasping of the type wall climbing robot is designed, the robot propulsion fan reverse thrust and friction force and robot self gravity of the coordination of the robot adsorbed on the wall, maki
4、ng it can adapt to the wall, to complete the design need to complete the work, increase the utilization efficiency of wall climbing robot.Key word：Climbing robot; grip; Culvert propulsion; adsorption; crawler目录1、 绪论1.1研究背景 随着工业4.0的到来，机器人领域越发的活跃起来，其在各行各业中都得到了应用和发展，其中爬墙机器人在生产生活中的作用也凸现出来。 首先在建筑领域，随着人类建
5、筑物高度的不断提升，高层建筑的各种问题随之出现，高层建筑的日常维护，以及救援成了棘手的问题。爬墙机器人的出现可以代替人工从事高空喷涂墙面、壁面清洗、擦洗高层玻璃等工作。其次在石油化工领域，爬墙机器人还可以对各种储存罐进行视觉检查、测厚、焊缝探伤，以及对于金属内外壁进项检查、除锈、喷砂、喷漆防腐等。再次在消防部门中，爬墙机器人还可以用于进行救援工作或者运输救援物资等工作，大大保证了消防员的安全。1.2国内外发展现状爬墙机器人在墙面上的移动功能和吸附功能是其最基本的两个功能。国际上，在研究开发爬壁机器人上日本是开始较早且技术领先的国家之一，其相继成功设计了各种爬壁移动机器人。如日本应用技术研究所研
6、制的车轮磁吸附式爬壁机器人（如图1）图1 车轮磁吸附式爬壁机器人它可以吸附在各种大型构造物如球形煤气罐、油罐、船舶等的壁面， 代替人进行各种所需检查或修理等作业。这种爬壁机器人利用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，最大速度可达到9mmin， 适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。国内爬壁机器人相对与国外而言，开展时间较晚，不过技术进步也很快，先后出现了各种检测用机器人以及玻璃外墙清洗机器人等。例如我国哈尔滨工业大学机器人研究所，已经成功研制出永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人和单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人。永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构（
7、如图2）图2 磁吸附式履带爬壁机器人结构利用在履带上安装的数多个永磁体其中的几个吸附块，使其更好地吸附在墙壁表面上(受墙壁材料的限制)，形成一定的吸附力，通过履带（由链条和永磁块组成 )和墙面的直接接触，实现机器人在墙面上的吸附和移动功能。单吸盘（如图3）真空吸附车轮行走式爬壁机器人利用真空泵是产生的负压使负压腔内形成一定程度的真空度（不受墙壁材料限制，但受墙面粗糙度的限制）。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。图3 单吸盘车轮式密封机构近些年来，英、美、俄等国的科研团队解释了壁虎在墙壁上攀爬的因素，由于分子间的作用力范德华力。范德华力
8、是指分子间距离非常小时产生的一种电磁力。着手于壁虎爬墙的原理的研究，可用于爬壁机器人的研制。（1） 机器人移动方式在历来的爬壁机器人的设计中，应用最为广泛的是履带式和轮式的移动方式其中有着其独特的有点，但也有其不足之处。足式移动方式的出现可以使机器人拥有更强大的跨障能力，对于复杂平面有着更好地适应能力。另外，足式移动方式根据其结构的特点有多自由度的存在，使得机器人的运动变得更加的自由。由此可见，足式移动方式的机器人对于爬壁机器人方面有着很大的发展空间。（2） 驱动装置传统的伺服电机体积大、重量大，在较高速运行时还需要庞大的减速机构，对于爬壁机器人移动带来困难，寻找各种轻重量、小体积、高效率的电
9、机变的尤为重要。微特电机的出现很好的解决这一问题，其大扭矩、轻重量、小体积对于各种机器人来讲都意义非凡。微特电机技术可以使机器人智能、轻巧可靠和高的运行寿命的需要变得更易满足。爬壁机器人的发展顺应微特电机的趋势，朝着更小、更轻、更灵活等方向改变。（3） 能源问题现存的锂电池虽然相同体积、重量下的储电量已不容小觑，但是对于爬壁机器人来讲仍然庞大，探索出一种新的供电性能强、体积小的电池或者另外的能量传输方式变得很迫切。目前在国内外都在为此进行研究，日本在这方面取得了较大成果。日本已经最近告成将微博技术应用到无线机械产品上，该技术功能的实现将会对爬壁机器人的成长进程有着很大的促进作用。1.3本文研究
10、的主要内容笔者在本文所讨论的爬墙机器人是一种基于涵道风扇的反向推进方式的爬壁式机器人，机器人利用推进风扇的反向推力与摩擦力及机器人自身重力的协调使机器人吸附在墙面。相对于以往的磁吸附式爬墙机器人或者真空式爬墙机器人，基于涵道推进的爬墙机器人没有对于墙面有着更多的限制，不需要属于可吸附金属和高的平整密封性，可实现各种墙面的运动，具有很好的应用前景。2. 爬墙机器人的总体方案的设计2.1爬墙机器人基本原理涵道推进式爬墙机器人主要由机器人底盘和涵道风扇装置组成，能在各种角度的平面上行驶以及悬停。通过添加机器人工作所需的相关工作元件，可以使机器人在墙面、壁面棚顶等极限环境中进行检查、清洗、喷涂、运输等
11、工作。在现实生活中，大部分物体之间的摩擦系数都在0.3-0.8之间，机器人若是想吸附在墙壁表面，则需要有超过自身重力一两倍的压力才得以实现，因而实现功能是比较困难的。由此在实际应用中，机器人的这种正压力一般只是用作其贴附在墙面上满足实际应用做需要的必要压力，而真正的在墙面上的移动主要是通过上方悬挂缆绳来实现的，然而这种方式有很大的局限性，并不能在实际应用中得到大力的推广。 为了解决上述问题，本文提出的爬墙机器人充分利用了在墙面上时，机器人和负载的重力、风扇的反向推力以及摩擦力的合理协调，经过合理的设计实现爬墙机器人的工作需求。涵道推进式爬墙机器人的移动系统采用履带式运动，增加机器人抓地效果，并
12、且增强机器人的的越障能力，使机器人适应多样化的墙壁表面。机器人的吸附系统利用机器人自身的涵道风扇的方向推力作用使机器人更好的吸附在表面，受墙壁表面的材质以及外形的影响很小。2.2机器人力学分析为了方便表述与计算，现将机器人的所受的涵道风扇的推力用力F代替（如图4示），机器人受到的向上的合力为，当摩擦力的方向竖直向上时，与车体底盘和风扇端面的夹角（通过涵道风扇上的调节舵机的转向作用来实现风扇的倾角效果）以及履带和墙壁之间的摩擦系数的关系如下（2-1）所示：（2-1）其中，关于摩擦因数的函数关系式如下（2-2）示：（2-2）为了更好地发挥涵道风扇的推进作用，取最大时的夹角为最佳夹角，易得（如图5示
13、），此时的夹角为。此时机器人所受的升力的最大值为。（2-3）机器人所受的总的合力为涵道风扇自身推力的倍，机器人所需推力的最小值比起自身的重力要小。如果采用正压力式的推进方式，则需要为机器人自身重力的2-3倍左右的涵道推力，因而此时采用一定角度的风扇更好地利用了涵道风扇的推力，提高了爬墙机器人的效率，降低了能量的消耗。 图4 图52.3机器人的抗倾覆能力当机器人的涵道风扇与机器人的底盘有一定夹角的时候，其风扇的推力跟中心不会跟车体平面重合，将会产生一个容易使机器人发生倾覆的力矩（如图6示），其受力关系如下式（2-4）所示（忽略履带的摩擦力矩产生的轻微影响）：（2-4）图6 受力情况上图中，H、h
14、分别为涵道风扇的力的作用点和机器人的中心跟车体表面高度的距离，L、l分别为前后轮轨的轴距及风扇和后轮轨的轴距。（2-5）（2-6）从以上各式可以看出，导致机器人发生倾覆的原因主要和轴距L、l的大小有关系，并且涵道风扇的位置也对其有影响。当其轴距满足上述关系式时，机器人车体不会有倾覆的趋势。2.4机器人的自竖直机制 利用涵道风扇推进机器人在墙面进行转弯时面临一个问题，就是随着机器人的转向涵道风扇会跟着转变推理的方向，这将无法实现机器人在墙面上的悬停。因此为了确保机器人在转向或者发生偏转时仍能够保证涵道风扇的推力方向不变，采取一种方案：设计一个支架使其能绕着机器人的底盘自由旋转，将电池和风扇放在底盘的后方，保证其重心远离支架的旋转中心（如图7所示）。这样支架能够像摆锤一样始终保持着竖直。但是由于风扇的推力远大于支架加上风扇的重力，因而要对其受力做必要的分析。风扇的推力方向朝着风扇与支架的旋转中心，当机器人旋转或者偏向时，设其中心线与竖直重力方向的夹角为，此时重力G的方向边不再与其中心线重合，G会产生一个回复力矩（如图7所示），其关系如下所示： 图 7 图8 （2-7）上式中，G、k分别为风扇、电池和支架的总重及他们
