【正文】 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開發(fā)畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract III第1章 緒論 1 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價值 1 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的現(xiàn)狀及趨勢 2 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究的現(xiàn)狀 2 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究的發(fā)展趨勢 3 幾種爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理分析與對比 4 車輪式磁吸附爬壁機器人 5 多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV 5 履帶式磁吸附爬壁機器人 6 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色與價值 7 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色 7 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究價值 8 9第2章 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)方案研究 11 履帶吸盤式爬壁機器人的功能要求 11 爬壁機器人的工作過程 11 爬壁機器人的基本功能 11 爬壁機器人的主要設(shè)計參數(shù) 12 爬壁機器人移動機構(gòu)方案設(shè)計 13 履帶的結(jié)構(gòu)形式 13 履帶與履帶輪的聯(lián)結(jié) 14 履帶吸盤式爬壁機器人壁面適應(yīng)能力分析 15 爬壁機器人吸附機構(gòu)方案設(shè)計 17 吸盤式吸附機構(gòu)方案設(shè)計 17 吸盤機構(gòu)設(shè)計 18 吸盤式爬壁機器人吸附安全性研究 19 機器人氣動回路方案設(shè)計 22 配氣盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 22 吸盤氣動回路設(shè)計 24 本章小結(jié) 25第3章 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與論證 27 爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計與論證 27 爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計 27 爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的論證 29 爬壁機器人行走機構(gòu)的設(shè)計與論證 30 爬壁機器人行走機構(gòu)的設(shè)計 31 爬壁機器人行走機構(gòu)的論證 31 爬壁機器人車體的設(shè)計與論證 33 爬壁機器人車體的設(shè)計 34 爬壁機器人車體的論證 34 本章小結(jié) 36第4章 履帶吸盤式爬壁機器人附屬部件開發(fā)與設(shè)計 37 背倉部件開發(fā)與設(shè)計 37 清潔壁面部件開發(fā)與設(shè)計 37 傳遞消防水管部件開發(fā)與設(shè)計 38 控制系統(tǒng)部件開發(fā)與設(shè)計 39 本章小結(jié) 39第5章 結(jié)論與展望 41參考文獻 43注釋 45謝辭 47譯文與原文 49漢語譯文 49英語原文 5725第1章 緒論第1章 緒論 本章中將分析與闡述四個方面的內(nèi)容，即爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價值、國內(nèi)外爬壁機器人科研的現(xiàn)狀、幾種爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的分析與評價、履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色。 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價值在引言中提到的爬壁機器人（又稱“爬墻機”）在清潔高層建筑壁面上的應(yīng)用，可以看出隨著控制和機電技術(shù)的發(fā)展，這種可以替代手工勞作的壁面清洗機器人的出現(xiàn)將人從繁重、危險的高樓清洗工作中解放出來，降低高層建筑的清洗成本，提高生產(chǎn)效率，同時也推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當?shù)纳鐣б妗⒔?jīng)濟效益。但這僅僅是爬壁機器人的一個應(yīng)用領(lǐng)域，近幾年來，隨著各式各樣的機器人在各個領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，爬壁機器人作為能夠在垂直陡壁上進行作業(yè)的機器人，以其能夠成為高空極限作業(yè)的一種自動機械裝置的優(yōu)良特性，越來越受到人們的重視。概括起來，爬壁機器人主要可以應(yīng)用于以下：(1) 在建筑行業(yè)可應(yīng)用于噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面探傷、壁面修復整容、壁面清洗、擦拭玻璃壁面等；(2) 在消防部門可應(yīng)用于攜帶消防器械、傳遞救援物資、進行高空救援工作；(3) 在核工業(yè)可用于對核廢液儲罐進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等危險的工作；(4) 在石化企業(yè)可用于對立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐；(5) 在造船業(yè)可用于噴涂船體的內(nèi)外壁、對船體的內(nèi)外壁進行檢查、船體內(nèi)外壁清潔等；(6) 在搶險救災上可應(yīng)用于向高空被困人員運送逃生器械、傳遞食物水給養(yǎng)等；(7) 在航空航天上，可用于太空探索、空間衛(wèi)星維修等。 由此可見，爬壁機器人的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛涉及民生、核工業(yè)、造船工業(yè)等，并在這些領(lǐng)域中擔任著十分重要的工作，能夠促進生產(chǎn)力的提高、改善人民的生活與工作條件。爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開發(fā)能夠為壁面機器人的生產(chǎn)制造和升級進步起到指導與促進的作用；另外，爬壁機器人相關(guān)技術(shù)的研究科研成果可以直接應(yīng)用于或帶動相關(guān)鏈條產(chǎn)業(yè)的進步，從整體上促進生產(chǎn)力的發(fā)展，提高人民的生活質(zhì)量?？傊?，積極研究與發(fā)展爬壁機器人技術(shù)，努力開發(fā)與設(shè)計制造可以轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力的爬壁機器人是生產(chǎn)力發(fā)展的需要，是人民生活質(zhì)量和工作條件改善與提高的需要，也是我國科技興國、技術(shù)進步的需要。該項技術(shù)的科研與創(chuàng)新必將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的現(xiàn)狀及趨勢 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究的現(xiàn)狀較為高端的爬壁機器人是集機構(gòu)學、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等科學為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，因此爬壁機器人技術(shù)的研究是伴隨著各項科技的發(fā)展而發(fā)展的。自80年代以來，爬壁機器人技術(shù)在國內(nèi)外取得了迅速的發(fā)展，有的已開始進入實用試驗階段。到1992 年底，國外已有不同類型的爬壁機器人研制成功，其中以日本發(fā)展最快。國內(nèi)較早發(fā)展該項技術(shù)的是哈爾濱工業(yè)大學，他們已研制成功壁面爬行遙控檢測機器人，采用真空吸附方式，通過運載小車使機器人在壁面上下左右自由行走。另外，上海大學研制了用于高層建筑窗戶擦洗的真空吸附足式爬行機器人。上海交通大學亦于1995 年研制了磁吸附爬壁機器人用于油罐。爬壁機器人必須具有兩個基本功能：吸附功能和移動功能，而為了實現(xiàn)爬壁機器人的特定功能只需在機器人本體上耦合或車載相應(yīng)的功能執(zhí)行部件即可，因此國內(nèi)外爬壁機器人技術(shù)的研究與探討大致是圍繞如何實現(xiàn)它的兩個基本功能展開的。根據(jù)較為公認的爬壁機器人技術(shù)劃分方法壁面吸附功能的實現(xiàn)有三種方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附較為常用的是吸盤吸附法，利用大氣壓力使機器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機器人，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式。當壁面比較粗糙時，真空吸附方式的機器人容易產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)象，因此多改為使用磁吸附的方式，磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強，但磁吸附式機器人僅適用于導磁材料壁面。推力吸附的方式即利用機器人自身產(chǎn)生的推力使其吸附于壁面上，這種方式結(jié)構(gòu)較為復雜且工作可靠性較低。爬壁機器人移動功能的實現(xiàn)方式主要是足式、車輪式和履帶式。足式機器人能跨越較小的障礙，但移動速度慢；車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難，車輪的直徑會使機器人相對于壁面的扭矩增大，使機器人運行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；履帶式對壁面適應(yīng)性強，著地面積大，機器人運行平穩(wěn)，但其不易轉(zhuǎn)彎。這三種移動方式的跨越障礙能力都很弱。除爬壁機器人的兩項基本功能的實現(xiàn)外，當今相關(guān)科研人員也在研究諸如驅(qū)動方式、能源動力、機器人結(jié)構(gòu)布局設(shè)計等方面的課題，這些技術(shù)也是機器人能夠正常運行所必須研究與優(yōu)化的。由于爬壁機器人的工作受到重力吸引、工作環(huán)境惡劣、相關(guān)技術(shù)滯后等條件的制約，因此爬壁機器人技術(shù)雖有了一些成果但仍需要進一步的努力研究與發(fā)展。 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究的發(fā)展趨勢傳統(tǒng)爬壁機器人有很多的不足之處，例如對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強、跨越障礙物的能力弱、體積大、質(zhì)量重等，因此未來爬壁機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實用化的方向發(fā)展，在以下三個方面做到進一步完善或有所突破。首先，新的吸附方式與吸附裝置的產(chǎn)生與應(yīng)用。最近幾年，美、英、俄等國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力——范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時產(chǎn)生的一種微弱電磁引力。科學家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬根次納米級的細毛，每根細毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)的直徑的十分之一。如果壁虎腳上650萬根細毛全部附著在物體表面上時，可吸附住質(zhì)量為13千克的物體。利用壁虎吸附壁面的原理，由美國斯坦福大學教授馬克庫特科斯基帶領(lǐng)的研究小組開發(fā)了一種稱為“粘蟲”( Stickybot )的“壁虎機器人”，這種機器人的足底長著人造毛(由人造橡膠制成)。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大，進而使范德瓦爾斯粘性達到最大化。這種突破很好地解決了吸附力不足及機器人對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強的問題。為了探索新的吸附方式與吸附裝置，相關(guān)研究可以綜合運用仿生學、類比、模擬和模型方法，通過高分子材料化學、工程材料科學、力學和機械學的交叉研究，以產(chǎn)生出更多更好的吸附壁面的方式，打破制約機器人吸附壁面的種種瓶頸。其次，移動方式得到改善與優(yōu)化。在移動機器人中廣泛應(yīng)用的是輪式和履帶式移動方式，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點。足式移動方式的機器人可以相對容易地跨過比較大的障礙例如瓷磚間隙、壁面小突起等；并且機器人的足具有大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，因此可以在可達到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運動靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機器人上有著較好的應(yīng)用前景。第三，驅(qū)動系統(tǒng)和動力部分朝著原理更新、可靠性更高、機電一體化、超微化、新結(jié)構(gòu)等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的爬壁機器人因為伺服電機功率重量比低，為平衡重量應(yīng)放置在離驅(qū)動系統(tǒng)較遠的位置，但這種布置會使機器人結(jié)構(gòu)更加復雜。普通的蓄電池重量大、儲能少不能滿足爬壁機器人對能源的需求。這些問題都需要驅(qū)動和能源相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進步，需要將先進的、最新的科研成果應(yīng)用于爬壁機器人的研究與開發(fā)。 幾種爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理分析與對比現(xiàn)在爬壁機器人技術(shù)仍處于研究與試驗階段，國內(nèi)外一些知名的研究所和高校的科研人員都提出了自己的爬壁機器人的結(jié)構(gòu)方案，這些結(jié)構(gòu)方案在原理和結(jié)構(gòu)布局上有著較大的不同。下面列出三種較為典型同時也是與履帶吸盤式爬壁機器人的研究相關(guān)的結(jié)構(gòu)原理科研實例，通過分析這些設(shè)計實例的優(yōu)缺點可以引出在爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理設(shè)計時需要注意與注重的問題。 車輪式磁吸附爬壁機器人日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出的車輪式磁吸附爬壁機器，結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。機器人靠磁性車輪對壁面產(chǎn)生吸附力吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。主要特征是：行走穩(wěn)定、速度快 圖11 車輪式磁吸附爬壁機器人（圖片來自文獻[1]）最大速度可達9m/min，適用各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。但是該機器人有自己的缺點：磁吸附使它僅適用于導磁材料壁面，即這種原理有其使用局限性；車輪式的行走方式使維持一定的吸附力較困難，車輪的直徑會使機器人相對于壁面的扭矩增大，使機器人運行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；車輪的行走軌跡是連續(xù)的，這不利于機器人跨越壁面的凹凸不平處，使機器人對壁面的平整質(zhì)量要求提高。 多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV香港城市大學智能設(shè)計、制造及控制中心(CIDAM) 和內(nèi)地大學合作設(shè)計的Cleanbot – I 能夠在地面和垂直的玻璃幕墻等工作面上爬行，主要由行走及轉(zhuǎn)向機構(gòu)、吸附機構(gòu)、吸盤組導向和提升裝置以及控制系統(tǒng)組成。行走機構(gòu)模仿坦克履帶結(jié)構(gòu)，采用單履帶模式。吸附機構(gòu)由安裝在鏈條上的13組吸盤及真空發(fā)生器等組成。該機器人的特點是采用單鏈和多吸盤相配合的結(jié)構(gòu)可以可靠解決轉(zhuǎn)向的問題；采用彈性機構(gòu)，使該機器人具有跨越一定障礙的能力；旋轉(zhuǎn)接頭供氣方式能夠給每一個吸盤供氣而避免通氣管纏繞。該爬壁機器人的缺點為結(jié)構(gòu)復雜，其可靠性相應(yīng)降低；單履帶的模式使機器人工作時受到吸附力不均勻，吸盤受到較大扭曲力，從而降低了爬壁機器人的工作壽命。圖12多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV（圖片來自文獻[2]） 履帶式磁吸附爬壁機器人國家教委博士點基金資助項目履帶式磁吸附爬壁機器是將永磁體片離散的裝在爬壁機器人的履帶上，采用雙履帶方式，主動輪安裝在一端，前后雙輪。電動機帶動主動輪轉(zhuǎn)動進而帶動爬壁機在壁面上行進。該機器人的特點是：在機器人設(shè)計中采取加長履帶、浮動支撐、載荷分散機構(gòu)、柔性履帶等措施，以提高爬壁機器人的壁面適應(yīng)能力， 實現(xiàn)其在壁面的安全爬行。 圖13 履帶式磁吸附爬壁機器人（圖片來自文獻[3]）其缺點是，履帶是用鉸鏈聯(lián)接的，不能將垂直于履帶方向的載荷分布到各個永磁體上，也就是說履帶在垂直于拉力方向上沒有剛性，這對于爬壁機器人工作的安全性極其有害；主動輪偏置，使履帶受力不均勻?qū)β膸p害較大。 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色與價值本文所研究與開發(fā)的履帶吸盤式爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理是將吸盤的真空吸附方式和履帶式移動方式相結(jié)合，真空吸盤固定在柔性的履帶上，采用雙履帶對稱結(jié)構(gòu)。固定式配氣盤結(jié)構(gòu)作為16組吸盤和真空泵抽進氣系統(tǒng)相連接的媒介。主動輪置中，兩側(cè)各有一從動輪，主、從動輪和履帶銜接均是模擬齒輪齒條嚙合。壁面清潔組件、傳遞救援物資組件通過功能組件耦合處與機器人機體相連以完成相應(yīng)功能。履帶吸盤式爬壁機的外形簡圖如圖14所示，上面為俯視圖，下面為左視圖。 圖14 履帶吸盤式爬壁機器人外形圖 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色履帶吸盤式爬壁機的結(jié)構(gòu)原理融合了吸盤式真空吸附和履帶式移動方式的優(yōu)點，克服了現(xiàn)存的爬壁機器人的一些缺點。整體上講，履帶吸盤式爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理具有以下特色：（1）吸盤在履帶上的離散分布特點和履帶自身的柔性使得爬壁機能夠相對容易的逾越障礙物，如玻璃縫隙、墻面小突起等。履帶不直接與壁面接觸，減少了不平滑壁面對履帶的損害，提高了機器人的工作壽命。（2）吸盤真空式吸附方式適用于非導磁壁面，克服了磁吸附原理對壁面性質(zhì)要求較高的缺點，擴大了機器人的工作范圍。（3）配氣盤式的吸盤抽進氣系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地完成吸盤的抽進氣工作，有效地解決了在旋轉(zhuǎn)的履帶間通氣管相互纏繞的問題。