【文章內(nèi)容簡介】 以集思廣益、 自由闡述的方式，討論了設(shè)計方案，經(jīng)過多方 的 比較，全方位 的 考慮，最終將所有方案的優(yōu)點結(jié)合在一起，確定了現(xiàn)在的 設(shè)計方案。 該爬壁噴涂機器人在現(xiàn)有技術(shù)的情況下其總體結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的四部分組成：機器人本體系統(tǒng)，噴涂作業(yè)系統(tǒng)，地面遙控與監(jiān)控系統(tǒng)和 樓頂懸掛 系統(tǒng)。爬壁噴涂機器人的設(shè)計方案主要包括機器人的本體方案設(shè)計和機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計。其中機器人的本體方案設(shè)計包括機器人的移動方式、吸附方式、噴涂裝置 的設(shè)計 。 而機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計方案主要德州學(xué)院 機電工程學(xué)院 20xx 屆 機械設(shè)計制造及其 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 是機器人的控制方式設(shè)計 。 爬壁 噴涂機器人的吸附方式 爬壁機器人的吸附 方式有三種：真空吸附、磁吸附和推力吸附。 不同吸附方式的機器人都各有 自己特點，能夠 應(yīng)用于不同的場合，使用時需要根據(jù) 具體的使用條件 來 進行 吸附方式的 選擇。下面列出各種吸附方案的優(yōu)缺點： 1）真空吸附。真空吸附分為單吸盤和多吸盤吸附，單吸盤結(jié)構(gòu)簡單允許有一定的泄露，但是單吸盤會使系統(tǒng)穩(wěn)定性差，吸盤沒有冗余性，斷了電之后就沒有了吸附能力。多吸盤吸附吸盤的尺寸小，密封性也好，斷電有冗余性。但其也有缺點，它對墻面的適應(yīng)能力較差，如果墻面不平整或有裂縫吸盤將會發(fā)生真空泄漏，從而使機器本體掉落。 2）磁吸附。磁吸附分為永磁式和電磁式兩種。永磁式耗能少，比較安全。但磁體在離開吸附的墻壁時需要很大的力量這將會使機器人本體有慣性產(chǎn)生，從而導(dǎo) 致主體的不穩(wěn)定。電磁式可以避免這種狀況，它的離合比較容易，但它會消耗很大的電能電磁體的重量也比較大。 3）推力吸附。推力吸附適應(yīng)能力強，不受吸附表面形狀和材料的限制，穿越障礙能力強。但是它有很多缺點就是體積比較大難以控制，噪聲也比較大，工作效率也很低。 經(jīng)過以上各方面的分析可以很明確的選擇真空吸附 作為 該機器人的吸附方式用以 實現(xiàn) 機器人的爬墻功能。由真空吸附的特點知道吸盤對墻壁的平滑度 要求相對較高 。 壁面 不平整或縫隙的存會使吸盤不能形成真空吸附從而 導(dǎo)致 爬壁 機器人爬墻失敗。因此，如何有效 的 解決真空吸盤 能夠 可靠 的吸附 在墻壁表面成為爬壁 機器人 完成爬墻 的關(guān)鍵技術(shù)問 題。但是不能盲目的 追求 盤徑 大 吸力強的大吸盤 ，大吸盤的吸力強固然 能夠有助于機器人在墻壁上牢固的吸附，但其盤徑大，遭遇壁面縫隙的等缺陷的幾率也相對較大。同時，考慮到 機器人 本 體質(zhì)量和尺寸等一系列 的 因素，可 以通過減小吸盤直徑、增加吸盤數(shù)量的 并 且使吸盤之間的 位置 布局合理，使吸盤不在同一直線上，一旦遇墻壁縫隙 時，能夠保證其中一定數(shù)量的真空吸盤可靠吸附，從而最終保證機器人在墻壁上的可靠行走 [3] 。 爬壁 噴涂機器人的移動方式 現(xiàn)階段 爬壁機器人多采用車輪式、履帶式和 腳足式 三種 移動方式 ，現(xiàn)介紹各移動方式的優(yōu)缺點。 車輪式轉(zhuǎn)向性好，移 動速度快，控制靈活方便，但一般由單吸盤組成，很難 維持一定的 吸附力 ， 而且磨損很嚴(yán)重，但這種移動方式多應(yīng)用于需要全方位移動的爬壁機器人，如德國哈默爾曼設(shè)計的 清洗除銹機器人， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計的高樓玻璃幕墻清洗機器人等。 德州學(xué)院 機電工程學(xué)院 20xx 屆 機械設(shè)計制造及其 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 履帶式著地面積 較 大， 對 壁面 的適應(yīng)能力 強， 在移動過程中 能 夠 始終保持較大的吸附力 ，但對其運動路徑 和姿態(tài) 比較難以控制 ， 此移動方式 多用于磁吸附 式機器人， 如上海交大 學(xué) 所研制的除銹機器人等。 腳足式 有 一定 的 越障能力，動作 較 靈活， 但缺點是移動速 度慢，機構(gòu)設(shè)計和機器人運動的路徑 規(guī)劃比較復(fù)雜， 此種移動方式 多用于工作壁面 狀況 較為復(fù)雜的 機器人，如上海大學(xué)研制的球形壁面爬壁機器人，北京航空航天大學(xué)研究制作 的多足多洗盤 的 清洗機器人等。 輪式和履帶式爬壁機器人 的應(yīng)用比較常見，它們的優(yōu)點是 結(jié)構(gòu)比較簡單，移動速度相對較快，但是 對于 有障礙物的建筑墻面 很難工作 ，而且 在 地面和墻壁之間的轉(zhuǎn)移不能自動的 完成。腳足式機器人因為自由度太多在運動學(xué)上很復(fù)雜，但是這也 算 是它的優(yōu)點，它可以自動處理障礙物，所以 本設(shè)計 采用腳足式移動方式。這里可以采用氣動或液壓元件實現(xiàn)吸盤在某個方向的運動 ，即將吸盤與液壓缸或氣缸相連，通過驅(qū)動液壓缸或氣缸運動，帶動吸盤移動。 爬壁 噴涂機器人的噴涂裝置 為了滿足油漆噴涂節(jié)能環(huán)保的要求，現(xiàn)代油漆噴槍在性能以及噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計上 應(yīng) 滿足以下幾方面要求。 （ 1） 噴槍的噴幅大而穩(wěn)定； （ 2） 經(jīng)霧化的油漆 均勻的噴涂在噴幅內(nèi) ； （ 3） 噴涂出的油漆顆粒大小均勻； （ 4） 薄的油漆層 , 例如 HS/VHS/UHS 油漆； （ 5） 能保證噴涂后的漆膜平滑均勻； （ 6） 應(yīng)根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計槍體，方便操作，經(jīng)久耐用； （ 7） 噴槍的調(diào)節(jié)和設(shè)定簡單、快捷 [4] 。 該 機器人的 設(shè)計采用自 動噴槍進行噴涂， 若要噴涂設(shè)備能夠相對于墻面在一定范圍內(nèi)進行噴涂，就需要設(shè)計一個移動機構(gòu)，將噴涂部件置于移動機構(gòu)上，由 移動機構(gòu) 來 帶動噴涂部件實現(xiàn) 機器人在一定范圍的噴涂作業(yè)。移動機構(gòu)的設(shè)計借鑒了數(shù)控機床的工作臺的工作原理，將其放置在爬壁機器人的本體上作為 噴涂裝置的移動機構(gòu)，實現(xiàn) 噴涂裝置的橫向和縱向 移動。其機構(gòu)設(shè)計如下圖所示： 德州學(xué)院 機電工程學(xué)院 20xx 屆 機械設(shè)計制造及其 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 圖 1 爬壁噴涂機器人的本體機構(gòu) 該移動 機構(gòu)主要有橫向和縱向兩個方向的移動部件組成。 該機構(gòu)通過橫向移動部件與機器人的本體用螺栓連 接在一起， 橫向機構(gòu) 和 縱向移動機構(gòu)主要由橫向絲杠副，導(dǎo)軌副 ，軸承支座，聯(lián)軸器組成。 縱向移動機構(gòu) 通過橫向滑塊連接在橫向?qū)к壣?，其動作原理是 由電機通過聯(lián)軸器帶動絲杠轉(zhuǎn)動， 轉(zhuǎn)動則通過螺母座 變?yōu)橹本€移動傳到導(dǎo)軌 的滑塊上，進而實現(xiàn)橫向的直線移動，縱向的移動原理與橫向相同只不過整個噴涂部件 通過滑塊與縱向?qū)к?相連接通過 電機帶動縱向絲杠轉(zhuǎn)動，將運動轉(zhuǎn)化為噴涂部件的縱向移動 [5] 。 對于這種 移動機構(gòu)， 設(shè)計有兩種噴涂的路線 ， 如圖 2： 圖 2 噴涂路線 在設(shè)定噴涂路線時 應(yīng) 先考慮移動部件的結(jié)構(gòu)。由于縱向機構(gòu)放置在橫向機構(gòu) 上，所以在選擇噴涂路線時，應(yīng)先使其縱向直線移動， 再橫向直線移動， 只有 第二種噴涂路線 符合條件 。 由于每個噴槍的噴涂范圍大約在 300500mm 之間，這種范圍相對于 墻面 的 噴幅 比較小，可以考慮 將多個噴槍排列組合 在一起 形成噴槍組，這樣 既 可以增加噴涂 的 面積， 又能夠 提高噴涂 的效率，可謂一舉兩得。 而噴槍的排列方式 又有許多 種，比如： （ 1） （ 2） 德州學(xué)院 機電工程學(xué)院 20xx 屆 機械設(shè)計制造及其 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 圖 3 噴槍的排列方式 圖中圓形區(qū)域為噴槍的噴 涂 幅面，考慮以上三種 噴槍 的布置方式，矩形排列噴槍時，噴涂過后涂層前后重疊 ， 所以如果使用這種噴槍的排列方式在 噴涂前需調(diào)整好噴 涂的 流量，避免 噴涂后產(chǎn)生涂層過厚的情況。 斜線布置噴槍時，由 于三個噴槍的相對位置很難調(diào)整，所以涂層的重疊區(qū)域不易調(diào)整，這種噴槍的排列方式很難 適用于噴涂距離不同的 噴涂作業(yè)中 。對于直線排列的噴槍組， 不僅沒有涂層重疊問題，而且還 可以通過機器人本體的直線運動 很容易的 改變 涂 層重疊區(qū)域的大小。綜上 所述 ， 本設(shè)計應(yīng) 采取第三種 噴槍的排列方式， 既 直線排列噴槍。 采用傳統(tǒng)的圓形噴嘴進行噴涂作業(yè)時，噴涂的幅面邊緣地帶擴散比較大，可能 會導(dǎo)致所噴涂的涂 層不均勻， 而在 原有噴槍基礎(chǔ)上將圓形噴嘴改為矩形噴嘴， 則會 有效的改善這個問題。在噴涂作業(yè) 過程 中， 應(yīng) 將涂料等置于建筑物的頂部平臺上。 爬壁 噴涂機器人的控制方案 由于高層建筑 爬壁噴涂機器人工作環(huán)境比較特殊 ， 對于控制系統(tǒng)不僅需要有很高的可靠性 ， 而且要有很強的 抗干擾能力 ?？刂葡到y(tǒng)由該機器人本體控制系統(tǒng)，噴涂系統(tǒng)，樓頂?shù)跹b控制系統(tǒng)及地面上的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)四部分組成。在機器人工作時，地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)爬壁噴涂機器人 的任務(wù)調(diào)度， 而經(jīng)無線通信系統(tǒng)傳輸給機器人本體系統(tǒng)的控制指令是由操作工人在經(jīng)過 培訓(xùn)有鍵盤輸入的。爬壁噴涂機器人本體 完成 的 吸附、噴涂、移動等 各種 動作 是在各 控制器的控制下 完成的 并由樓頂 的卷揚機牽引著向下滑運動。操作工人則 通過 放置機器人本體和樓頂機構(gòu)上的 傳感器采集 到的經(jīng)過 處理 和規(guī)劃后的 系統(tǒng) 的 工作信息 來 實時掌握機器人的工作狀態(tài)，在機器人發(fā)生意外情況時 地面操作工人 可以及時 的向機器人 發(fā)出控制命令。 爬壁 噴涂機器人的驅(qū)動方案 機器 人一般有兩種驅(qū)動方式，液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動。由于在此次設(shè)計中，噴涂設(shè)備 及吸盤 的吸附都需要有空氣壓縮機 ， 而后 再綜合考慮氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動的優(yōu)缺點，決定選用氣壓驅(qū)動 的方式，由氣缸 來 帶動吸盤運動。由于噴涂距離的不同，吸盤需要在任意一個直線排列 斜線排列 矩形排列 德州學(xué)院 機電工程學(xué)院 20xx 屆 機械設(shè)計制造及其 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 位置都能夠停止，所以采用鎖緊氣缸，它可以實現(xiàn)在任意位置停止并鎖緊。 3 爬壁噴涂機器人的 主 體設(shè)計 機器人的本體結(jié)構(gòu)是指其機體 結(jié)構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)，也是機器人的支撐基礎(chǔ)和執(zhí)行機構(gòu)是一個機器人最 重要 的部分。 所有的計算、分析和編程最終 都 要通過本體的運動和動作來完成特定的任務(wù)。機器人本體各部分的基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計和 材料的選擇 等 將直接 會 影響 到機器人的整體性能。 爬壁 噴涂機器人的爬行結(jié)構(gòu)的設(shè)計 在該噴涂機器人噴涂作業(yè)規(guī)劃中，出于安全等各方面的因素考慮， 針對不同的優(yōu)化準(zhǔn)則設(shè)計出一種最佳的運動方案用以實現(xiàn)既定的工作方式，在本結(jié)構(gòu)中此爬壁噴涂機器人的噴涂路線采用“川”字形，其爬行機構(gòu)則通過縱向前后氣缸的伸縮實現(xiàn)上下運動至于左右移動則通過該爬壁噴涂機器人承接前后氣缸的一個橫向氣缸來實現(xiàn)。由于該爬行機構(gòu)重量較大本設(shè)計采用雙氣缸并列雙吸盤交替吸附式真空吸附結(jié)構(gòu)。 機器人爬