【正文】 的吸附力， Ni=Δ p 第三章 爬壁機器人的設(shè)計方案 13 爬壁機器人的總體結(jié)構(gòu) 該爬壁機器人利用輪式式行走機構(gòu)吸附在墻壁上并自由爬行 ,通過外掛的清洗機構(gòu)清洗玻璃。本次設(shè)計過程中主要考慮了真空吸附和磁吸附兩種方式， 磁吸附法要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，分為永磁吸附和電磁吸附。同一輪子上的 24個吸盤通過管路匯總到與輪轂設(shè)計為一體的氣體分配器上 ,氣體分配器再匯總到真空泵 ,組成真空抽氣系統(tǒng)。 16 致謝 爬壁機器人設(shè)計 a b 圖 真空艙與輪轂的配合 月牙形真空室所在處，月牙盤突出，其原因在于：該氣體分配器是固定在機器人機體上的，真空室所在面與輪盤之間有相對運動，同時必須保證這兩個結(jié)構(gòu)之間相對運動時不能發(fā)生過多的漏氣，此處突出四分之一處既可以保證真空室所在面能夠與真空吸盤的氣嘴相接處，保證與輪盤緊密接觸，還可以降低兩個結(jié) 構(gòu)相對運動時產(chǎn)生的摩擦力過大，給動力能源帶來額外的負載，同時過大的摩擦會降低機器人的使用壽命。使用泡沫材料是這樣想的：泡沫材料是一種軟質(zhì)材料，它的結(jié)構(gòu)決定它的密封能力不夠好，容易產(chǎn)生漏氣，所以如果用泡沫材料做實驗的時候吸附力比較大，那么如果采用別的材料，一樣有一定的可行度。爬壁機器人作為自主移動機器人的一種特例，應(yīng)具有良好的靈活性，一方面要求機器人載體重量輕，另一方面更要求與周邊的環(huán)境相對獨立。 電動機產(chǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩依次通過聯(lián)軸器，蝸輪蝸桿減速器，一對軸承傳遞到機器人輪子上，效率分別為 =， =， =，而 F為加在輪子上的驅(qū)動力，必須克服真空吸盤所施加的摩擦力，所以有 20 致謝 爬壁機器人設(shè)計 其中， S， ， 已經(jīng)在計算機器人會不會滑落的計算中涉及過。 這樣按齒面接觸強度進行設(shè)計，就可以得到蝸輪蝸桿的傳動中心距的最小值，可以進一步得到蝸輪蝸桿所必須的一些參數(shù)，模數(shù) m，蝸桿和渦輪的分度圓直徑等。 仿真過程 首先進入裝配模塊，將前面設(shè)計過稱中設(shè)計的輪子、真空艙、蝸輪蝸桿減速裝置以及機器人車體等裝配起來，搭建機器人整體模型；然后進入機械運動仿真模塊，根據(jù)前面選擇的電機的類型，定義伺服電機；再建立運動分析，設(shè)置參數(shù) Start time 和 End time，并且選擇當前位置作為運動分析的初始位置；最后運行運動分析。機器人在正常爬行的過程中，腹部吸盤停止工作，當機器人需要轉(zhuǎn)彎時，腹部吸盤緊緊吸附在墻壁上，車體完成 轉(zhuǎn)彎。在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，段老師留給我最深的影響是老師她一心一意為學(xué)生負責的態(tài)度，令我深深敬佩。在這四年的大學(xué)生活中，我始終生活在老師的關(guān)懷和同學(xué)的幫助之中，尤其在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我更是深深感受了這一點。 清洗用爬壁機器人的用途主要是代替人工用于清 洗高層建筑的玻璃幕墻這樣的高危險工作，有些幕墻上的玻璃是一個整塊，沒有障礙物，但更多的幕墻上的玻璃是用金屬分隔成小塊的，有時候還需要機器人從水平位置轉(zhuǎn)換到垂直位置，所以就牽涉到以下幾個本人在這次設(shè)計中沒有解決的問題： （ 1）自主控制 機器人在高位數(shù)百米的位置工作，如果要越過障礙物，首先要確定障礙物的具體位置及形狀，在于地面的人眼是沒有辦法確定的，自然需要機器人自主識別能力和自我完成跨越障礙物的工作，如果要完成自主控制功能就要用到大量的傳感器甚至是攝像裝置。利用 PROE 軟件畫出所選擇的聯(lián)軸器和軸承的立體圖，以備在后面的設(shè)計過程中使用 [5]。 減速裝置的設(shè)計 電動機輸出的轉(zhuǎn)速較高，所以不能將電動機直接連接到轉(zhuǎn)動軸，本次設(shè)計中，選擇一個開式蝸輪蝸桿傳動裝置作為過渡，起到減速的作用。 其中直流電機實際上是機器人平臺的標準電機，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍、實用性好、具有很高的性價比，是一種最為通用的電機。連接于地面的電纜 通直流電與 機器人攜帶的直流電機， 電機輸出轉(zhuǎn)速太高，所以設(shè)計一臺雙側(cè)出軸的開式蝸輪蝸桿減速器，經(jīng)減速后傳遞到連接機器人作為驅(qū)動輪的后輪軸上， 從而驅(qū)動機器人的從動輪 ， 完成機器人的整體移動 ，正常的前進速度應(yīng)該在 。月牙盤的設(shè)計為控制帶來了方便，同時也增加了加工難度。其中帶有月牙形真空室的氣體分配器是固定在車體上不動的，爬壁機器人由電機驅(qū)動輪子前行時，當某一個吸盤完全接觸墻壁 ,與之對應(yīng)的管嘴也恰好進入了真空室的吸氣口 ,形成了氣 流通路 ,真空泵便對這個吸盤抽氣 。 在爬壁機器人與墻體間直接產(chǎn)生吸附力的裝置是固定在兩側(cè)輪子上的真空吸盤，輪子直徑定 初步 定 為 20cm， 真空吸盤采用廣方氣動 ZHP50WM6真空吸盤 ，見圖 。 移動系統(tǒng) 清洗爬壁機器人按照移動方式可分為車輪式、履帶式和腳步行式。 （ 2）轉(zhuǎn)彎問題和清洗 能力 研究清洗爬壁機器人的初衷是代替手工工人，在高層建筑的玻璃幕墻上開展清洗或是玻璃幕墻維修工作，所以自主轉(zhuǎn)彎是爬壁機器人能夠?qū)嵱玫幕竟δ苤弧? 爬壁機器人的工作過程 本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個爬壁機器人，采用真空吸附四輪式機器人，結(jié)構(gòu)類似于小車，是用來清洗高層建筑物上的玻璃幕墻，所以要求設(shè)計的爬壁機器人能夠攜帶清洗結(jié)構(gòu)，在玻璃幕墻上按照一定的路徑行走，與此同時，機器人攜帶的清洗機構(gòu)能夠完成對玻璃幕墻的清洗工作。該模型的建立是后續(xù)機構(gòu)運動分析、裝配仿真等工作的基礎(chǔ)。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。參數(shù)化技術(shù)以約束為核心。 與二維繪圖 軟件相比，三維設(shè)計軟件 Pro／ Engineer不僅可以進行三維實體建模，還可進行結(jié)構(gòu)分析、虛擬裝配和干涉檢驗、機構(gòu)動力學(xué)分析、強度分析、工業(yè)造型設(shè)計和模具設(shè)計、工程圖制作等功能，可自動生成多視圖的二維圖紙并自動標注。該機器人的設(shè)計是這樣實現(xiàn)的： 爬壁機器人最主要的要求是能夠在墻壁吸附行走，所以首先在確定的總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計吸附裝置，即輪子與真空發(fā)生裝置，運用了一種機械傳動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機器人稀奇排氣的控制；然后設(shè)計傳動減速裝置，選擇合適的電機后，采用蝸輪蝸桿裝置，選擇聯(lián)軸器和軸承等傳動裝置；最后建立機器人小車的模型，并對其基于 PROE 軟件進行運動仿真，運動分析，進一步改善機器人結(jié)構(gòu)。國外在這方面比較有代表性的有日本通產(chǎn)工業(yè)技術(shù)設(shè)計院、日本三菱電機公司、美國國際機器人技 第一章 緒論 5 術(shù)公司、英國樸茨茅斯理工學(xué)院等，國內(nèi)比較有代表性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海大學(xué)等。帶纜作業(yè)極大地限制了機器人的作業(yè)空間 ,所以 ,為了提高機器人的靈活性和擴大工作空間 ,無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機器人的發(fā)展趨勢。 (2)爬壁機器人的任務(wù)由單一化向多功能化方向發(fā)展。由于爬壁機器人工作于壁面的特殊性，移動機構(gòu)常和吸附機構(gòu)存在耦合，這給機器人的運動控制帶來了一些困難。磁吸附方式有電磁體和永磁體兩種方式，與真 空吸附方式相比，磁吸附形式對壁面的凹凸適應(yīng)性較強，吸附力大，也不存在漏氣的隱患，但是要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，因此對磁吸附式 爬壁 機器人的工作環(huán)境有限制。 國內(nèi)外爬壁機器人的研究現(xiàn)狀 爬壁機器人作為機器人的一個分支，發(fā)展歷史也是比較長，早在 1966 年，就有人設(shè)計出了一臺簡單的原理樣機：是在日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部任講師的西亮，利用電風扇進氣低壓空氣產(chǎn)生的負壓為吸附動力制作的，這被看做是爬壁機器人的研究開端。 開發(fā)與應(yīng)用清洗用機器人系統(tǒng)可以解放從事于這種危險工作的勞動力，同時可以做到對高大建2 致謝 爬壁機器人設(shè)計 筑物的墻壁的自動清洗，更深層次的是，可以提高建筑維修行業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)力。爬壁機器人是得到了大力發(fā)展的其中的主要的開發(fā)項目。 關(guān)鍵 詞： 真空吸附 蝸輪蝸桿機構(gòu) 電機驅(qū)動 四輪式小車ii Abstract Abstract In recent years, with the development of society, more and more floors, with glass curtain wall building more and more to avoid cleaning a very important issue, most of the traditional way of artificial, or a cable from the top of the building will be used under the robotic crane, low efficiency, highrisk, then cleaned with a wallclimbing robot came into being, th