【正文】 圖如圖14所示，上面為俯視圖，下面為左視圖。圖12多吸盤單鏈爬壁機(jī)器人Cleanbot – IV（圖片來(lái)自文獻(xiàn)[2]） 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人國(guó)家教委博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目履帶式磁吸附爬壁機(jī)器是將永磁體片離散的裝在爬壁機(jī)器人的履帶上，采用雙履帶方式，主動(dòng)輪安裝在一端，前后雙輪。機(jī)器人靠磁性車輪對(duì)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(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動(dòng)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(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。庫(kù)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(jī)器人”，這種機(jī)器人的足底長(zhǎng)著人造毛(由人造橡膠制成)。由于爬壁機(jī)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(jī)器人技術(shù)雖有了一些成果但仍需要進(jìn)一步的努力研究與發(fā)展。根據(jù)較為公認(rèn)的爬壁機(jī)器人技術(shù)劃分方法壁面吸附功能的實(shí)現(xiàn)有三種方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。該項(xiàng)技術(shù)的科研與創(chuàng)新必將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。履帶吸盤式爬壁機(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價(jià)值 1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的現(xiàn)狀及趨勢(shì) 2 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究的現(xiàn)狀 2 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究的發(fā)展趨勢(shì) 3 幾種爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理分析與對(duì)比 4 車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人 5 多吸盤單鏈爬壁機(jī)器人Cleanbot – IV 5 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人 6 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色與價(jià)值 7 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色 7 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究?jī)r(jià)值 8 9第2章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案研究 11 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的功能要求 11 爬壁機(jī)器人的工作過程 11 爬壁機(jī)器人的基本功能 11 爬壁機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)參數(shù) 12 爬壁機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 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(jī)器人壁面適應(yīng)能力分析 15 爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 17 吸盤式吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 17 吸盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 吸盤式爬壁機(jī)器人吸附安全性研究 19 機(jī)器人氣動(dòng)回路方案設(shè)計(jì) 22 配氣盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 吸盤氣動(dòng)回路設(shè)計(jì) 24 本章小結(jié) 25第3章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與論證 27 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證 27 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 27 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的論證 29 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證 30 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 31 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的論證 31 爬壁機(jī)器人車體的設(shè)計(jì)與論證 33 爬壁機(jī)器人車體的設(shè)計(jì) 34 爬壁機(jī)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(jī)器人附屬部件開發(fā)與設(shè)計(jì) 37 背倉(cāng)部件開發(fā)與設(shè)計(jì) 37 清潔壁面部件開發(fā)與設(shè)計(jì) 37 傳遞消防水管部件開發(fā)與設(shè)計(jì) 38 控制系統(tǒng)部件開發(fā)與設(shè)計(jì) 39 本章小結(jié) 39第5章 結(jié)論與展望 41參考文獻(xiàn) 43注釋 45謝辭 47譯文與原文 49漢語(yǔ)譯文 49英語(yǔ)原文 5725第1章 緒論第1章 緒論 本章中將分析與闡述四個(gè)方面的內(nèi)容，即爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價(jià)值、國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人科研的現(xiàn)狀、幾種爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的分析與評(píng)價(jià)、履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色。 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的現(xiàn)狀及趨勢(shì) 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究的現(xiàn)狀較為高端的爬壁機(jī)器人是集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等科學(xué)為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，因此爬壁機(jī)器人技術(shù)的研究是伴隨著各項(xiàng)科技的發(fā)展而發(fā)展的。真空吸附較為常用的是吸盤吸附法，利用大氣壓力使機(jī)器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機(jī)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。 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究的發(fā)展趨勢(shì)傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人有很多的不足之處，例如對(duì)壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)、跨越障礙物的能力弱、體積大、質(zhì)量重等，因此未來(lái)爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí)用化的方向發(fā)展，在以下三個(gè)方面做到進(jìn)一步完善或有所突破。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大，進(jìn)而使范德瓦爾斯粘性達(dá)到最大化。第三，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力部分朝著原理更新、可靠性更高、機(jī)電一體化、超微化、新結(jié)構(gòu)等方向發(fā)展。主要特征是：行走穩(wěn)定、速度快 圖11 車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人（圖片來(lái)自文獻(xiàn)[1]）最大速度可達(dá)9m/min，適用各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)爬壁機(jī)在壁面上行進(jìn)。 圖14 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人外形圖 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色履帶吸盤式爬壁機(jī)的結(jié)構(gòu)原理融合了吸盤式真空吸附和履帶式移動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)存的爬壁機(jī)器人的一些缺點(diǎn)。（2）現(xiàn)有的科研成果多將履帶式結(jié)構(gòu)與磁吸附相結(jié)合，其缺點(diǎn)為機(jī)器人不能行走于非導(dǎo)磁材料壁面，履帶吸盤式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了履帶式爬壁機(jī)器人在玻璃等壁面上的行走，拓寬了爬壁機(jī)器人的使用市場(chǎng)。第2章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案研究第2章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案研究 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的功能要求本課題研究的是在高層建筑玻璃等較平整壁面上完成壁面清潔，傳遞消防器械等功能的遙控式爬壁機(jī)器人。這要求爬壁機(jī)器人開發(fā)時(shí)應(yīng)從實(shí)用的角度進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。③配氣技術(shù)：吸盤和履帶輪均是旋轉(zhuǎn)的，為防止配氣管相互纏繞，應(yīng)有效解決配氣問題。 履帶的結(jié)構(gòu)形式如下圖所示為三種常見的履帶形狀。圖22 a）為履帶與履帶輪嚙合的原理圖，二者嚙合可以看作齒輪與齒條聯(lián)結(jié)的變形，這種聯(lián)結(jié)運(yùn)行可靠平穩(wěn)，傳遞力矩均勻。圖23所示是機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)，因而有：G Σ= = (21)Σ = μ 式中：G 為機(jī)器人總重量，該重量包括機(jī)器人自身的重量、清潔組件質(zhì)量、背倉(cāng)傳遞物質(zhì)質(zhì)量；μ為壁面摩擦系數(shù)；Σ為壁面總摩擦力； 分別為壁面對(duì)4工作狀態(tài)吸盤反作用力；為4個(gè)處于工作狀態(tài)吸盤的等效吸附力；為吸盤等效吸附面積；為吸盤內(nèi)負(fù)壓。在開發(fā)的爬壁機(jī)器人中共有16組吸盤，吸盤組件通過吸盤固定裝置固定在履帶上，隨履帶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)；真空泵通過供氣回路、配氣盤完成對(duì)吸盤吸附、脫離的控制。而在縫隙上的吸盤將與大氣相通，因此V值將增大，氣體進(jìn)入吸盤，吸盤即脫離壁面。在顛覆力矩的作用下，應(yīng)該滿足： 0 　( i = 1，…，4) (210)假設(shè)作用在支撐輪上的力不加考慮，認(rèn)為墻壁對(duì)機(jī)器人的反作用力只作用在與墻壁接觸的吸盤上，由此靜態(tài)下，機(jī)器人在x 、y 方向受力分別滿足： (211) (212)所受的平衡力矩為(以O(shè) 點(diǎn)為參照點(diǎn)) ： (213)并假定各個(gè)吸盤的真空度是均衡的，則作用在吸盤上的吸力為：V = = sv (214)式中： s ———每組吸盤總的吸附面積；v ———工作吸盤內(nèi)的真空度。機(jī)器人工作時(shí)吸盤所固定的履帶和履帶輪都是旋轉(zhuǎn)的，為了防止供氣管相互纏繞，必須設(shè)計(jì)合理的配氣盤結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要產(chǎn)生真空時(shí)，電磁閥2通電；當(dāng)需要破壞真空放開壁面時(shí)，電磁閥2斷電、電磁閥3通電。詳述了履帶上固連吸盤的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，履帶與履帶輪的模擬齒輪齒條嚙合的聯(lián)結(jié)方式，重點(diǎn)對(duì)履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的壁面適應(yīng)能力進(jìn)行了分析論證。吸盤通過吸盤固定裝置固定在履帶上，在機(jī)器人工作的過程中隨履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，配氣盤按照固定的設(shè)計(jì)給到達(dá)相應(yīng)位置的吸盤組件進(jìn)行抽氣或進(jìn)氣，產(chǎn)生或破壞真空環(huán)境使吸盤吸附或放開壁面。 圖32 吸盤固定于履帶上的裝配圖圖32為吸盤固定于履帶上的裝配圖，吸盤組件均布于履帶上，吸盤組件間的中心距p=，吸盤組件中心與爬壁機(jī)器人重心的距離為d=320mm。綜合以上論證，爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的，是能夠支持爬壁機(jī)器人正常工作的。 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的論證表格31所示為橡膠履帶基質(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的主要性能，表格32為履帶輪材料聚碳酸酯的主要。機(jī)器人的動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)、背倉(cāng)等都是裝在車體內(nèi)部的，因此車體應(yīng)當(dāng)做成上下車體組裝的形式；為了擴(kuò)大零部件安裝的空間車體設(shè)計(jì)成上下分層的結(jié)構(gòu)。因此，車體連接螺栓受到較大的剪。履帶與履帶輪的聯(lián)結(jié)經(jīng)過校核最可能出現(xiàn)的不安全事故為履帶輪輪齒的失效，因此對(duì)履帶輪的輪齒進(jìn)行了校核計(jì)算。它由清潔系統(tǒng)支架、清潔電機(jī)、清潔頭、電池、開關(guān)等組成，清潔電機(jī)由電池供電，清潔口安裝在電機(jī)伸出桿上。遙控控制系統(tǒng)包括地面遙控器和安裝于機(jī)器人上的信號(hào)接收器，它的作用分別是用于地面操作人員對(duì)機(jī)器人的操控和接收操控信號(hào)并將相應(yīng)的命令轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)傳給動(dòng)作控制系統(tǒng)。 爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)由遙控控制系統(tǒng)和動(dòng)作控制系統(tǒng)組成，本章中對(duì)兩類控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成進(jìn)行了簡(jiǎn)單的敘述，側(cè)重于功能的定義與分39第5 章 結(jié)論與展望第5章 結(jié)論與展望履帶吸盤式爬壁機(jī)器人融合了真空吸盤吸附方式和履帶式行走方式的優(yōu)點(diǎn)，在越障、壁面適應(yīng)性等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)的爬壁機(jī)器人研究起步較晚但成果還是比較突出，因此我相信在相關(guān)研究人員的共同努力下，我國(guó)的爬壁機(jī)器人行業(yè)必將會(huì)迎來(lái)更加燦爛輝煌的明天。圖注釋3 安全測(cè)試的裝置 注釋4吸力和安全負(fù)載之間的關(guān)系 （圖片來(lái)自文獻(xiàn)[1]） （圖片來(lái)自文獻(xiàn)[2]）45謝辭謝辭47能量物料信號(hào)模型：應(yīng)用于TRIZ理論的工程設(shè)計(jì)黑箱模型的改進(jìn)譯文與原文漢語(yǔ)譯文能量物料信號(hào)模型：應(yīng)用于TRIZ理論的工程設(shè)計(jì)黑箱模型的改進(jìn)Madara Ogot（美國(guó)賓夕法尼亞州州立大學(xué)，工程設(shè)計(jì)綱要及機(jī)械與核工程系，大學(xué)園，PA 16802,，美國(guó) madaraogot）摘要：“發(fā)明問題的解決理論”（TRIZ）被廣泛地認(rèn)為是一種適用于多學(xué)科領(lǐng)域的有效的系統(tǒng)的創(chuàng)新方法。盡管TRIZ有如此強(qiáng)大的用途，但是無(wú)論是在工業(yè)上還是學(xué)術(shù)上它都沒有在工程設(shè)計(jì)方面得到廣泛的運(yùn)用。這些最初的分析從眾多專利中提取出了眾多的解決模式，這些解決模式可以被成功地用來(lái)解決新問題。TRIZ被認(rèn)為是一種可以產(chǎn)生解決問題良好方法的原理，該原理運(yùn)用了先前發(fā)明家濃縮的知識(shí)精華。但是成功與有價(jià)值的創(chuàng)新應(yīng)該是在數(shù)字技術(shù)環(huán)境下的進(jìn)行。在39個(gè)工程參量和一個(gè)矛盾解決矩陣中，我們可以由實(shí)際問題依據(jù)40個(gè)原理選其中有用部分，選擇的前提是這些參量和要解決的矛盾有關(guān)連的。參數(shù)S1 、S2也常常被稱為功能載體、功能作用體，功能作用體分別地作用于功能載體以對(duì)其產(chǎn)生所需要的影響。SFA和TOP算法都要求工程設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)新的建模技術(shù)、習(xí)慣和術(shù)語(yǔ)，因此它將阻礙技術(shù)更新。每種潛在狀態(tài)同樣也蘊(yùn)含著蘊(yùn)含一種或幾種關(guān)于潛在解決技術(shù)矛盾的新想法、新原理，這些新想法及原理可作為當(dāng)前技術(shù)方案在將來(lái)發(fā)展中的改進(jìn)。因此，一個(gè)工程系統(tǒng)最初可以被建模成一個(gè)如圖2所示的“黑箱”，在“黑箱”的兩側(cè)有能源、物料、信號(hào)作為輸入或者輸出。每個(gè)子問題映射到相應(yīng)的子功能則一個(gè)小小的設(shè)計(jì)形成了，最后整合所有已獲得的子功能就可以得到整體所需要的總功能。人們這些從低級(jí)需求到高級(jí)需求的轉(zhuǎn)變對(duì)于企業(yè)來(lái)說則意味著機(jī)遇。整個(gè)汽車安全氣囊的“黑箱”模型有一個(gè)信號(hào)輸入，輸入信號(hào)即為由汽車碰撞產(chǎn)生的機(jī)械能。在圖中，箭頭表示出了事情發(fā)生的先后順序，始于沖擊的檢測(cè)，（傳感器）發(fā)信號(hào)給化學(xué)反應(yīng)裝置，化學(xué)反應(yīng)裝置迅速產(chǎn)生填充氣體和機(jī)械能給氣囊。“黑箱”建模實(shí)例在本論文中舉出了從TRIZ文獻(xiàn)中摘取的兩則實(shí)例用以說明“黑箱”模型的使用方法。另一方面，“黑箱”建?？梢赃M(jìn)行對(duì)現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)：將現(xiàn)存系統(tǒng)分解為對(duì)應(yīng)子功能的子系統(tǒng)，然后將子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的子功能，如此下去就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。因此這種工程系統(tǒng)可以表示出輸入和輸出之間的功能關(guān)系。系列5則被用來(lái)對(duì)預(yù)先解做最后的修正并得到終解。在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，通過檢索進(jìn)化理論中不同思維模式和問題解決路線可以發(fā)現(xiàn)與我們正在研究的現(xiàn)有產(chǎn)品的相關(guān)聯(lián)的解決問題的方法。另外，如果功能作用體對(duì)功能載體具有損害性的影響，這時(shí)直的場(chǎng)線將會(huì)被彎曲成波浪線以表示將會(huì)有損害發(fā)生。TRIZ理論中共有75個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，根據(jù)問題解決方式的不同，它們被劃分成五個(gè)大類。發(fā)明的原理、標(biāo)準(zhǔn)解和作用解這些TRIZ原理的基本工具在這些情形下非常有用和有效的。從圖1可以看出，一個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用TRIZ原理將一個(gè)具體的設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)一般的TRIZ設(shè)計(jì)問題。而核心是基于TRIZ的用于產(chǎn)品開發(fā)的程序模型。該目的的實(shí)現(xiàn)是通過將黑箱建模技術(shù)這一廣泛運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)問題描述和分析的方法進(jìn)行改進(jìn)以使其能夠應(yīng)用于TRIZ。例如，黑箱建模技術(shù)，一種在工程設(shè)計(jì)中較為普遍的問題表達(dá)分析方法，被修改以應(yīng)用于TRIZ原理。力偶對(duì)物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。本文對(duì)履帶吸盤式爬壁機(jī)人的研究與開發(fā)正是本著這樣的宗旨，因此本結(jié)構(gòu)原理的研究與探討嘗試對(duì)啟發(fā)引導(dǎo)相關(guān)設(shè)計(jì)人員注重將現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理相互融合并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行推陳出新具有重要的作用。本課題對(duì)控制系統(tǒng)部分沒有做較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)，僅做了相應(yīng)零部件的三維造型。圖42（a）所示為壁面清潔系統(tǒng)的三維裝配圖，（b）為裝配圖的爆炸