【正文】 ......................................... 10 第三章 吸附機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 吸附原理 ............................................................... 11 吸附方式的實(shí)現(xiàn) ......................................................... 12 風(fēng)機(jī)推力 ........................................................... 12 負(fù)壓的產(chǎn)生 ......................................................... 14 真空腔的負(fù)壓與葉片推力可合成 ....................................... 15 小結(jié) ................................................................... 17 第四章 模型建設(shè)與仿真驗(yàn)證 GAMBIT 幾何造型建模圖 .................................................. 18 仿真驗(yàn)證 ............................................................... 19 詳細(xì)結(jié)構(gòu)方案 ........................................................... 22 小結(jié) ................................................................... 23 結(jié)束語(yǔ) .................................................................... 24 致 謝 .................................................................... 25 參考文獻(xiàn) ................................................................. 26 附錄 ...................................................................... 27 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 1 第一章 引言 課題研究的背景及意義 玻璃清潔機(jī)器人是 擁有 特殊功能的壁面移動(dòng)機(jī)器人， 是 可以在 垂直和傾斜 的玻璃表面上進(jìn)行清洗作業(yè)的 特種 機(jī)器人 [1]。 作為一種可在高空極限環(huán)境下工作的自動(dòng) 化 機(jī)械裝置，它 的發(fā)展現(xiàn)在 越來(lái)越受到人們的 關(guān)注 。而吸附裝置是玻璃清潔機(jī)器人包括移動(dòng)裝置、清潔裝置、控 制裝置在內(nèi)的核心 裝置 ，玻璃清潔機(jī)器人性能的優(yōu)異直接取決于機(jī)器人吸附裝置性能 的 優(yōu)異 。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的研究，有兩個(gè)問(wèn)題必須要 妥善 處理好：一是如何穩(wěn)當(dāng)?shù)匚接诓ＡП砻?；二是使機(jī)器人吸附在玻璃表面 的 同時(shí)又不影響機(jī)器人在玻璃表面上移動(dòng)。玻璃清潔機(jī)器人要想 具備 有良好的移動(dòng)能力就得損失一定的吸附能力，但是當(dāng)吸附裝置提供的吸附力過(guò)強(qiáng)又會(huì)給機(jī)器人 在玻璃表面的 移動(dòng)帶來(lái)困難，所以機(jī)器人在玻璃表面上的吸附與移動(dòng)這是個(gè)自身矛盾的問(wèn)題。就是優(yōu)化吸附和移動(dòng)的關(guān)系，既 要求 吸附裝置的研究設(shè)計(jì) 方案 在保證玻璃清潔機(jī)器人吸附裝置 為機(jī)器人 提 供足夠的吸附力的同時(shí) ，又 不影響機(jī)器人在玻璃表面面的移動(dòng)能力 [2]。因此國(guó)內(nèi)外的許多科研機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)壁面移動(dòng)機(jī)器人時(shí)，都在對(duì)這問(wèn)題展開(kāi)相關(guān)的探討和研究。 國(guó)內(nèi)外對(duì)玻璃清潔機(jī)器人吸附方式的研究概況 通過(guò) 按吸附方式 的不同， 可 將 玻璃幕墻清潔機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu) 分為三種，即磁吸附、真空吸附和推力吸附 [3]。其中 磁吸附 按提供吸附力材質(zhì)的不同， 可分為電磁體和永磁體兩種 。 對(duì)壁面的平整程度 都 沒(méi)有 要求 ， 不僅機(jī)器人的有效載荷 遠(yuǎn)勝于真空吸附和推力吸附，而且在作業(yè)過(guò)程中 不存在真空漏氣的問(wèn)題， 但要求機(jī)器人工作時(shí) 所 吸附的壁面必須是導(dǎo)磁材料， 這一點(diǎn) 使 得采用 磁吸附 作為吸附方式的 機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境收到嚴(yán)重地限制； 真空吸附 按吸盤(pán)個(gè)數(shù) 又分為單吸盤(pán)和多吸盤(pán)兩種，真空吸附雖然不受壁面材料限制但對(duì)吸盤(pán)的密封性能 卻 要求較高， 在附著 面不平 整 時(shí)吸盤(pán)容易漏氣， 使 密封性能下降從而 造成 吸附力下降， 使得 機(jī)器人的 實(shí)際 承載能力降低；推力吸附方式整合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，有一定的吸附力而且對(duì)壁面的平整程度沒(méi)有要求，但是 由于 要求風(fēng)機(jī)排風(fēng)量很大 所以整體重量會(huì)很重 。各種方式優(yōu)缺點(diǎn)如下表 [4]。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 2 表 玻璃清潔機(jī)器人吸附方式的比較 吸附方式 缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 磁吸附 永磁吸 附 移動(dòng)時(shí) 需要機(jī)器人主體跟吸附 表面 分離 不需要外部施加能量，安全 性高 電磁吸附 要外部施加能量，電磁鐵重量 大，機(jī)器人笨重 容易實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人主 體與壁面的離合，吸附力強(qiáng) 真空吸附 單吸盤(pán)吸附 吸盤(pán)的泄露量一旦超過(guò)極限，本 體將失去吸附能力 允許有一定的泄露量，允許 壁面有凹凸 多吸盤(pán)吸附 對(duì) 壁面 要求高，壁面有凹凸或裂 縫時(shí)將會(huì)有泄露 吸盤(pán)尺寸小，機(jī)器人更加靈 活 推力吸附 風(fēng)機(jī)噪聲大啊，機(jī)器人重量大， 體積大 對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，不存在泄 露問(wèn)題 圖 是清華大學(xué)采用電磁體吸附方式研制的用于儲(chǔ)罐表面檢測(cè)的磁吸附 機(jī)器人THClimberI [5]，行走方式為履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在儲(chǔ)罐表面行走檢測(cè)。 實(shí) 驗(yàn)表明，它具有較高的運(yùn)動(dòng) 速率 、 具有很好 穩(wěn)定性和定位精度，其運(yùn)動(dòng)速 率 最大可達(dá) 8m/min ，可以跨越 10mm 以上的焊縫和表面凸起障礙，角度誤差 也 可控制在 度以?xún)?nèi)。圖 為加拿大戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué)研制的壁面移動(dòng)機(jī)器人 [6]，它 的吸附裝置使用永磁體吸附履帶。使用永磁體方式使機(jī)器人吸附于儲(chǔ)罐表面，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶帶動(dòng)機(jī)器人在儲(chǔ)罐表面移動(dòng)檢測(cè)。 圖 清華大學(xué)磁吸附 圖 戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué) 的機(jī)器人 THClimberI 永磁體吸附履帶壁面移動(dòng)機(jī)器人 [7] 圖 是年哈爾濱工業(yè)大學(xué) 研制 的 CLRII 型壁面清洗壁面移動(dòng)機(jī)器人 [8]，它的吸附機(jī)構(gòu)采用的就是單吸盤(pán)真空吸附，清洗裝置懸掛于機(jī)器人下方。機(jī)器人有效載荷為 5kg，爬行速率最快為 10m/min，每次爬行高度是最高 100m，操控方式是有線遙控及 PLC 線路控制，行走方式采用雙輪式無(wú)級(jí)調(diào)速，機(jī)器自身攜帶有高壓水槍、旋轉(zhuǎn)刷從而在清洗作業(yè)時(shí)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主 清洗作業(yè)。由于它是專(zhuān)為建筑物外表面瓷磚壁面的清洗而設(shè)計(jì)制造的 ,所以目前已有成品并投入生產(chǎn)應(yīng)用。圖 是在 19901993 日本東京工業(yè)大學(xué)間研究設(shè)計(jì)的 NINJA[9]，第一代型號(hào)為 NINJIAI,自 1994 年開(kāi)始， NINJAII 在 NINJIAI 的基礎(chǔ)上不中國(guó)地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 3 斷的改善升級(jí)，可用于高樓壁面的檢查等。 NINJIAI和 NINJAII 的主要技術(shù)參考是相同，吸附裝置也都采用的多吸盤(pán)真空吸附。 圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 研制 的 CLRII 圖 日本東京工業(yè)大學(xué) 研制 的 NINJIA 1990 年西亮教授研制的爬壁機(jī)器人的吸附裝置采用的是推力吸附，如圖 為理論設(shè)計(jì)圖。 在吸附原理上 它借鑒直升機(jī)原理， 使用 螺旋槳產(chǎn)生的高速氣流 推動(dòng) 機(jī)器人 在墻壁表面移動(dòng)的同時(shí)貼合墻壁表面。 螺旋槳的軸線與壁面大約成 200176。 夾角， 如此 高速氣流產(chǎn)生的 推力在水平方向 始終有 分 力指向壁面，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的吸附吸附在 建筑表面上：在豎直方向也有向上的分力， 使機(jī)器人可以緊貼壁面移動(dòng)，且 使機(jī)器人 具有一定的越障能力。掌舵機(jī)構(gòu)控制機(jī)器人的移動(dòng)方向和傾斜角度，由于使用柴油機(jī)，所以不需要帶電源線，使用起來(lái)很方便。圖 為實(shí)物圖 。 圖 螺旋槳式推力吸附壁面 圖 螺旋槳式推力吸附壁面 移動(dòng)機(jī)器人理論設(shè)計(jì)圖 移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物圖 吸附方式的發(fā)展趨勢(shì) 經(jīng)過(guò)上文分析闡述，并且結(jié)合當(dāng)下機(jī)器人技術(shù)和科技前沿發(fā)展的總體趨勢(shì)， 我認(rèn)為 玻中國(guó)地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 4 璃清潔機(jī)器人 作為 具有特殊功能的壁面移動(dòng)機(jī)器人 ，那么它吸附機(jī)構(gòu)的也該順應(yīng) 壁面移動(dòng)機(jī)器人吸附 機(jī)構(gòu) 發(fā)展的如下趨勢(shì)。 吸附方式將更多地采用仿生技術(shù) 在目前現(xiàn)有技術(shù)的的支持下真空吸附方式和磁吸附方式發(fā)展得相對(duì)成熟，并伴隨著各種成熟產(chǎn)品相 繼投入市場(chǎng)，所以這些技術(shù)目 前得到適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，但他們的缺點(diǎn)卻不利于該技術(shù)進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用 。如果采用仿生技術(shù)，如仿生壁虎的干吸附、仿生蝸牛的濕吸附等，能夠適應(yīng)各種材質(zhì)壁面，而且無(wú)噪音，無(wú)污染。 盡管當(dāng)前 采用仿生技術(shù)的吸附裝置吸附能力還比較差，但隨著 MEMS 加工技術(shù)（微型加工技術(shù)）、 3D打印技術(shù)以及新材料技術(shù)的發(fā)展，相信吸附性能將會(huì)有 顯著的 提升 [10][11]。 當(dāng)前 ，西方發(fā)達(dá)國(guó)家都很 注重 對(duì)壁虎腳掌仿生材料 技術(shù) 的研究，我國(guó)南京航空航天大學(xué)也已經(jīng) 對(duì)該科研方向展開(kāi)有關(guān) 方面的研究。如圖 為仿壁虎機(jī)器人。 圖 模仿壁虎的機(jī)器人 向適應(yīng)微小型化機(jī)器人發(fā)展 微型機(jī)器人 在未來(lái)發(fā)展中將是人們開(kāi)發(fā)的一種高端科技 。 仿生微型機(jī)器人能夠利用其體型小的優(yōu)點(diǎn)，可以用于特殊環(huán)境檢測(cè)作業(yè)。 由其發(fā)展的生物醫(yī)療機(jī)器人還可以進(jìn)入人體內(nèi)部進(jìn)行檢查和實(shí)施 相關(guān) 治療而不傷害人