2020年創(chuàng)新管理創(chuàng)新SIT多功能爬壁機(jī)器人

1、（創(chuàng)新管理）創(chuàng)新SIT多功能爬壁機(jī)器人20XX年XX月多年的企業(yè)涔詢顧詡遢,經(jīng)過(guò)實(shí)戰(zhàn)臉證可以落地抑亍的卓越管理方案，值得您下戟用M湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng) 目 申 報(bào) 表項(xiàng)目名稱：多功能爬壁機(jī)器人學(xué)校名稱湖南大學(xué)學(xué)生姓名專業(yè)性別入學(xué)年份金睿工程力學(xué)男2013李雷機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化男2012王琨淇機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化男2012韓進(jìn)華機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化男2012指導(dǎo)教師金秋談職稱 副教授學(xué)科專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)理論學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況湖南省工程模型設(shè)計(jì)制作大賽獲省級(jí)二等獎(jiǎng)大學(xué)生工程能力訓(xùn)練大賽獲省級(jí)三等獎(jiǎng)挑戰(zhàn)杯湖南大學(xué)校賽獲校級(jí)一等獎(jiǎng)指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況1995-2003參

2、與小型水稻聯(lián)合收割機(jī)研發(fā)，通過(guò)省級(jí)成果鑒定，2002年參與類菱形新概念成研發(fā)，2006年參與四輪三軸月球車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及著陸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；本項(xiàng)目為教育 部的重點(diǎn)項(xiàng)目。2008年參與無(wú)人駕駛汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)改造設(shè)計(jì)；獲全國(guó)智能 車大賽冠軍。2010年參與中氣子項(xiàng)“基于新概念通用底盤的關(guān)鍵技術(shù)研究”， 2014年主持重慶市“ 151 ”汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型重大專項(xiàng)-C級(jí)車AMT變速箱 摘掛擋及離合器執(zhí)行器開(kāi)發(fā)，2006年指導(dǎo)學(xué)生參與全國(guó)第二屆大學(xué)生機(jī)械設(shè) 計(jì)創(chuàng)新大賽，項(xiàng)目獲國(guó)家級(jí)三等獎(jiǎng)，2011級(jí)評(píng)為優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師，2012年第五屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)，2012年獲全國(guó)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯銀獎(jiǎng)。

3、2013年獲全國(guó)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯省賽二等獎(jiǎng)。指導(dǎo) SIT國(guó)家級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目五 項(xiàng)，組織第五屆、第六屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽湖南大學(xué)選拔賽，兩項(xiàng) 發(fā)明專利（第一作者）。項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題1、項(xiàng)目研究的目的和要解決的主要問(wèn)題：現(xiàn)代城市高樓林立，采用的瓷磚或玻璃結(jié)構(gòu)的大廈壁面常年裸露在外，需 要進(jìn)行維護(hù)和清潔。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，迄今為止，這類 工作仍由人工搭乘吊籃完成，不僅效率低、成本高，而且對(duì)人身安全和大樓壁 面構(gòu)成極大威脅，下圖中的“蜘蛛俠”想必我們已經(jīng)司空見(jiàn)慣。圖1瓷磚墻壁圖2玻璃幕墻圖3 人工高空外墻清洗圖4城市蜘蛛俠并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生活趨向自

4、動(dòng)化、智能化，琳瑯滿目的機(jī)器人 有效地提高了生產(chǎn)、生活效率，改進(jìn)生產(chǎn)、生活質(zhì)量。同時(shí)在國(guó)家中長(zhǎng)期科 學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）中，明確指出將機(jī)器人作為未來(lái)優(yōu) 先發(fā)展的戰(zhàn)略高新技術(shù)。綜上所述研究并制作一種爬壁機(jī)器人，代替人類從事 危險(xiǎn)性與重復(fù)性高的體力活動(dòng)，為人們的生活提供更大的安全和方便，刻不容 緩。并且，現(xiàn)在市場(chǎng)上的壁面清潔機(jī)器人類型較少并且很雜，普遍采用的是真 空吸附交替行走的足爬方式。具真空吸附分為單吸盤和多吸盤兩種形式，單吸 盤無(wú)冗長(zhǎng)性，一旦不抽風(fēng)便立刻會(huì)脫落；多吸盤的壁面若有凸凹或裂縫則會(huì)產(chǎn)生真空泄漏，兩種吸附都不盡人意，并且清潔機(jī)器人體積比較大，清潔過(guò)程很復(fù)雜。查

5、詢已有專利號(hào)為CN 104216407 A 公布的一種爬墻機(jī)器人（圖5）,它 的主要結(jié)構(gòu)包括蝸輪吸附裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和清理裝置，其工作原理是利用渦輪11產(chǎn)生氣壓差使遙控車主體10吸附在墻面，驅(qū)動(dòng)車輪102控制車主體10在墻面上爬行，爬行過(guò)程中清理裝置 16會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)的墻面進(jìn)行清理。上述技術(shù)方案利用類似于直升機(jī)螺旋槳的原理而設(shè)計(jì)，盡管能產(chǎn)生吸附，但是對(duì)蝸輪葉片 的轉(zhuǎn)速要求高，功率要求大，從而使整個(gè)裝置體積大，質(zhì)量重，不方便操作、 攜帶和移動(dòng)。此外功能單一，不適合復(fù)雜的工作環(huán)境，成本高；此機(jī)器人的出 現(xiàn)標(biāo)志著爬壁機(jī)器人興起于清潔領(lǐng)域。圖5已有專利爬壁機(jī)器人與此同時(shí)，如今常用投影設(shè)備是固定的，不能全方位

6、全角度攝影與自拍。最近風(fēng)靡的自拍神器一一自拍桿， 也受到距離的限制。該爬壁機(jī)器人可在壁面 上攜帶微型攝像頭任意行走，自動(dòng)捕捉識(shí)別人臉，圖像通過(guò)藍(lán)牙自動(dòng)傳輸至移 動(dòng)終端設(shè)備，帶來(lái)極大便利。此外在機(jī)器人上可配備微型投影儀，通過(guò)控制系 統(tǒng)輸入源文件，經(jīng)過(guò)融合調(diào)試，組建成顯示系統(tǒng)。隨著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而形成移動(dòng) 的投影，可有效地渲染各種效果。我們也注意到，墻繪作為建筑物的附屬部分，它的裝飾和美化功能使它成為環(huán)境藝術(shù)的寵兒。目前墻繪普遍均由人工繪制而成（如圖 7）,耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)工 人水平要求高。在機(jī)器人功能末端上安裝可拆卸的顏料繪筆，通過(guò)控制系統(tǒng)， 在移動(dòng)終端設(shè)備上輸入需要的繪畫(huà)程序，通過(guò)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡完成

7、墻繪。人工與機(jī)器特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1人工墻繪機(jī)器墻繪缺點(diǎn)：對(duì)工人技術(shù)要求高、優(yōu)點(diǎn)：能繪制出較為規(guī)整復(fù)效率較低，成本局、工作時(shí)所占雜的圖形，成本低、效率高、工空間較大，一般只能在裝修期間作時(shí)所用空間較小，不受空間限進(jìn)行繪圖。制。表1人工與機(jī)器特點(diǎn)對(duì)比圖6人工墻繪鑒于此，我們小組通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和論證后決定設(shè)計(jì)一種高效的便攜式多功能爬壁機(jī)器人來(lái)彌補(bǔ)這方面的空白。2、研究?jī)?nèi)容和要解決的問(wèn)題：該項(xiàng)目以高層建筑作業(yè)比較困難為創(chuàng)意來(lái)源，通過(guò)真空式主輔雙層四吸盤實(shí)現(xiàn)真空吸附，可以跨越縫隙，氣密性好，安全性高；采用大變形柔性較鏈，實(shí)現(xiàn)豎直平面至天花板的翻轉(zhuǎn)；通過(guò)變速箱減速，由主軸驅(qū)動(dòng)硅膠履帶實(shí)現(xiàn)靈 活運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向；該機(jī)器

8、人集機(jī)械結(jié)構(gòu)，電氣控制，終端操縱于一體，是一臺(tái)機(jī) 電一體化、自動(dòng)化、智能化的代表產(chǎn)物，可廣泛應(yīng)用于生活各個(gè)方面。對(duì)于普通家庭，可作為清潔利器，能清潔有縫隙的多種壁面，在各個(gè)墻面 間實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)；對(duì)于電器愛(ài)好者，可作為二次開(kāi)發(fā)的模型，制作出更加便利的產(chǎn) 品；對(duì)于學(xué)?；蚩破震^，該機(jī)器人可用于科普教育，開(kāi)啟學(xué)生想象力大門的鑰 匙；對(duì)于高層維護(hù)人員，降低高層建筑的作業(yè)成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境的同 時(shí)提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率；對(duì)于產(chǎn)品宣傳，移動(dòng)投影作為“可移動(dòng)的電視”，給產(chǎn) 品潤(rùn)色了許多；同時(shí)，作為一款拓展性強(qiáng)大的產(chǎn)品，可以用作攝像、自拍、墻繪等功能，也可用作監(jiān)控、壁面檢查等安全功能；以求用途廣泛，達(dá)到更高的 實(shí)用

9、價(jià)值。主要功能拓展功能本作品用于自動(dòng)清潔瓷磚、玻璃、 粉刷墻等壁面，實(shí)現(xiàn)壁面間翻轉(zhuǎn)且 可跨越縫隙。附帶多功能工具箱，手動(dòng)更換功能 區(qū)攜帶的工具，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)投影、 全方位攝影以及墻繪。表2功能簡(jiǎn)表國(guó)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況：爬壁機(jī)器人是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的機(jī)器人，過(guò)去的幾十年里在世界 范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。早在1966年，大阪府立大學(xué)利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓空 氣產(chǎn)生的負(fù)壓作為吸附力，制作了一臺(tái)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)，這被 看作是爬壁機(jī)器人研究的開(kāi)端。而后，日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出了磁吸附爬 壁機(jī)器人，它可以吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)行 檢查或修理等作業(yè)。1990年以

10、來(lái)，西班牙馬德里CSIC大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所 研制出一種6足式爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人為磁力吸附式，具有較大的靜載荷， 掀起了爬壁機(jī)器人在工業(yè)上應(yīng)用的熱潮。國(guó)外在爬壁機(jī)器人的研制和生產(chǎn)上， 日本、俄羅斯、美國(guó)等國(guó)起步較早，早在20世紀(jì)70年代開(kāi)始，這些國(guó)家就開(kāi) 始了大量的研究與制造；此后的四十年里，爬壁機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展， 相繼研制出了不同種類的樣機(jī)，大部分已經(jīng)投入實(shí)用。目前這些先進(jìn)工業(yè)國(guó)家 爬壁機(jī)器人技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，在部分領(lǐng)域甚至還處于壟斷地位。近年來(lái), 發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將突破爬壁機(jī)器人技術(shù)、 大力發(fā)展爬壁機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為自己的發(fā) 展目標(biāo)之一，并將此產(chǎn)業(yè)作為新世紀(jì)拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要引擎

11、。國(guó)內(nèi)爬壁行機(jī)器人的發(fā)展概況：和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，與國(guó)外的主 要差距體現(xiàn)在自主研發(fā)能力落后于世界先進(jìn)水平、產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)現(xiàn)象較為嚴(yán)重， 創(chuàng)新體系建設(shè)尚處于起步階段。但近幾年已取得了很大進(jìn)步。在國(guó)內(nèi)自1988年以來(lái)，在國(guó)家“ 863”高技術(shù)計(jì)劃的支持下。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所 先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個(gè)系列的5種型號(hào)壁面爬行機(jī)器人。其中我國(guó)第一臺(tái)壁面爬行遙控檢測(cè)機(jī)器人，采用負(fù)壓吸附，全方位移動(dòng)輪，用于核廢液儲(chǔ)存罐罐壁焊縫缺陷檢測(cè)。上海大學(xué)也較早開(kāi)展高樓壁面清洗作業(yè)機(jī) 器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁機(jī)器人和球形壁面爬壁機(jī)器人。由于傳 統(tǒng)爬壁機(jī)器人具

12、有很多不足之處（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。面對(duì)當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，針對(duì)我國(guó)服務(wù)機(jī)器人發(fā)展中存在的不足，“十 二五”期間，國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)我國(guó)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也提出了新的 要求；并且隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，推進(jìn)國(guó)家民生科技領(lǐng)域的應(yīng)用，可以 預(yù)見(jiàn)，爬壁機(jī)器人作為一種戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，必將迎來(lái)新的巨大的發(fā)展空間。本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)?cè)擁?xiàng)目已獲湖南大學(xué)校級(jí)sit立項(xiàng)資格該作品已通過(guò)湖南大學(xué)挑戰(zhàn)杯初賽，進(jìn)入省賽項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色1、功能設(shè)計(jì)創(chuàng)新1）本產(chǎn)品主要用于玻璃、瓷磚、粉刷

13、墻面等壁面的清潔，并且可以工作 于有縫隙的壁面，清潔效率高，實(shí)用性強(qiáng)。2）通過(guò)控制子母機(jī)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)可使機(jī)器人從任一壁面翻轉(zhuǎn)至另一壁面， 如自豎直壁面翻轉(zhuǎn)至天花板。3）通過(guò)WIFI實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端APP對(duì)機(jī)器人的控制與管理，時(shí)尚便捷。4）附帶多功能工具箱，連接微型投影儀，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)投影；連接顏料繪筆， 實(shí)現(xiàn)墻繪；連結(jié)攝像頭，實(shí)現(xiàn)多角度攝影、自拍；功能豐富，可操作性好，娛 樂(lè)性強(qiáng)。2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新1）采用真空式吸盤結(jié)構(gòu)，內(nèi)層主吸盤采用三角形最優(yōu)化的布局結(jié)構(gòu)，在存 在壁縫的情況下，能夠保證至少有一個(gè)工作吸盤處于工作狀態(tài)，增加了對(duì)壁面 適應(yīng)性，使用更安全。2）采用主輔雙層吸盤結(jié)構(gòu)，外層輔助吸盤形成初步真空，

14、三個(gè)內(nèi)層主吸 盤在初步真空中進(jìn)一步形成真空，吸附力增大，氣密性提高，大大降低主吸盤 因?yàn)樾孤┒У臋C(jī)率，運(yùn)行更穩(wěn)定。3）大變形柔性較鏈具有變形大、疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可通過(guò)其實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn) 功能，無(wú)需任何輔助動(dòng)力且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自適應(yīng)性好，成本低。項(xiàng)目的技術(shù)路線、進(jìn)度安排及預(yù)期成果1、技術(shù)路線：通過(guò)查閱相關(guān)資料，將整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程分為方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和制作調(diào)試 三個(gè)階段。在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、需求分析、預(yù)測(cè)及可行性分 析，確定任務(wù)設(shè)計(jì)書(shū)，根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)書(shū)進(jìn)行產(chǎn)品功能原理的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì) 任務(wù)的抽象，建立功能結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊分為吸附系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，翻轉(zhuǎn) 系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其主要設(shè)計(jì)過(guò)程如圖

15、7。圖7.設(shè)計(jì)流程圖建立功能結(jié)構(gòu)后，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行抽象，確定本質(zhì)功能，然后建立功能結(jié) 構(gòu)，將復(fù)雜的總功能（爬壁）分解成相對(duì)較簡(jiǎn)單、相互聯(lián)系的分功能（吸附、 運(yùn)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)等），通過(guò)以下所述實(shí)現(xiàn)各種功能，確定設(shè)計(jì)方案。1）吸附功能的實(shí)現(xiàn)吸附功能是爬壁機(jī)器人的根本要求。目前吸附方式主要有真空吸附、磁吸 附和推力吸附三種方案。每一種吸附方式都有顯著的特點(diǎn)和限制條件，與工作 環(huán)境的要求、壁面的結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、高度、表面質(zhì)量以及幾何形狀密切相關(guān)。 所以，吸附方式的選擇必須綜合考慮上述各種因素的影響，如何求得一個(gè)最優(yōu) 解決方案，以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是我們必須面對(duì)的問(wèn)題。推力吸附利用直升機(jī)原理， 由螺旋槳產(chǎn)生的高速氣流

16、產(chǎn)生始終指向壁面的推力，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的吸附功能，該吸附機(jī)構(gòu)噪聲很大且效率很低，所以首先排除，在真空吸附以及磁吸附 之間進(jìn)行選擇。真空吸附與磁吸附優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表 3。吸附種類單吸盤真空吸附多吸盤吸附磁吸附電磁吸附對(duì)墻向光潔度要求較低較低對(duì)墻向材質(zhì)要求不圖不圖鐵金屬鋼鐵金屬是否備氣泵帶帶不帶不帶對(duì)墻面?zhèn)Τ潭纫话阈〈蟠笪椒€(wěn)定性低較高較低較高表3 真空吸附與磁吸附優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比鑒于建筑物壁面的非導(dǎo)磁性，爬壁機(jī)器人多采用真空吸附方式，通常是依靠 抽風(fēng)機(jī)、真空泵等真空發(fā)生設(shè)備在機(jī)器人的吸盤和墻壁的接觸面間形成負(fù)壓 依靠壓差使機(jī)器人吸附在墻壁上。在日常生活中，真空吊具隨處可見(jiàn)；真空吊具真空能量存儲(chǔ)在真空

17、蓄能器 里，主要是依靠真空源在抽空吸盤內(nèi)部的空氣產(chǎn)生真空，使用時(shí)不僅對(duì)表面無(wú) 傷害，而且操作簡(jiǎn)單，安全性高。通過(guò)觀察日常生活中的真空吊具，我們根據(jù) 需要設(shè)計(jì)出綜合以上優(yōu)點(diǎn)的主輔真空吸盤。該吸盤由圓形的耐磨塑料制成，輔 助吸盤包圍三個(gè)主吸盤，此種方式的優(yōu)勢(shì)是減小了吸盤失效的可能性。2）運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)要求：1）可驅(qū)動(dòng)真空吸盤運(yùn)動(dòng)；2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移動(dòng)速度快，適應(yīng)能力強(qiáng)；3）壁面光滑且絕緣，無(wú)其他輔助裝置；方案一：車輪式（圖8）:外形與汽車相似，有四個(gè)小型車輪，后面兩個(gè) 車輪通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向與速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和 轉(zhuǎn)彎。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單便捷，運(yùn)動(dòng)靈活，但是與墻壁之間屬于

18、線接觸， 摩擦力小，須特制車輪以防止打滑。圖8輪式運(yùn)動(dòng)方案二：履帶式（圖9）:爬墻機(jī)器人采用的是履帶輪作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)。履帶 式爬墻機(jī)器人可以連續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此可以提高移動(dòng)速度。它的最大爬行速度可以 達(dá)到15m/min ,其控制方式和車輪式一致，簡(jiǎn)單便捷，通過(guò)編程控制兩側(cè)電 機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向、速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。不僅與壁面的接觸面 積大，適應(yīng)能力強(qiáng)，而且硅膠履帶增強(qiáng)吸附能力，提高與壁面的摩擦力，能有 效的防止移動(dòng)打滑。攀爬方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)輪式移動(dòng)速度快，控制簡(jiǎn)單， 靈活性好挎觸面積小，越躥能力差， 適應(yīng)性差履帶式接觸面積大F承載能力好, 適應(yīng)能力強(qiáng)履帶磨損嚴(yán)重， 機(jī)動(dòng)性差蛇形攀爬效率高.靈活性

19、好， 工作空間大笏自由度控制難， 承教能力差蠕行式承載能力大,平根性好， 適應(yīng)能力強(qiáng)速度慢、 復(fù)雜性高圖9履帶運(yùn)動(dòng)方案三：足腳式（圖10）:通過(guò)動(dòng)物仿生，設(shè)計(jì)四足爬行（類似壁虎） 需要設(shè)計(jì)多項(xiàng)關(guān)節(jié)和肢體，技術(shù)要求高。同時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積 和重量增大，成本大大提高。此方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作和控制難度較大，工藝性 差，效率較低。表4運(yùn)動(dòng)方式對(duì)比圖10足腳式運(yùn)動(dòng)根據(jù)上述要求，通過(guò)查找論文等資料建表 4,結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，采用3）翻轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn)方案一：采用電機(jī)控制的行星輪式結(jié)構(gòu)，在母機(jī)的末端裝有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，同時(shí)傳動(dòng)出的動(dòng)力通過(guò)相嚙合齒輪及兩端的裝配形成行星輪機(jī)構(gòu)；子機(jī)與母 機(jī)末端帶有

20、連接裝置，通過(guò)電磁繼電器控制其翻轉(zhuǎn)處的聯(lián)接， 此時(shí)還需攜帶傳感 器等設(shè)備。制作成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且給機(jī)器人本身重量帶來(lái)負(fù)擔(dān)。如下圖 11所示，功能拓展區(qū)繞1轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)輸出動(dòng)力通過(guò)齒輪 3與齒輪4嚙合， 齒輪3在繞2自轉(zhuǎn)的同時(shí)，也繞1公轉(zhuǎn)，形成行星輪機(jī)構(gòu)。1.軸12.軸23.齒輪14.齒輪25.功能拓展區(qū)6.電磁繼電器 7.電動(dòng)機(jī) 8.母機(jī)圖11行星輪系翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案二：大變形柔性較鏈由彈性較大的橡膠材料制成，具有無(wú)摩擦、變形大、 疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn)；當(dāng)使用大變形柔性銀鏈時(shí)，其兩端凹槽為與母機(jī)與子機(jī)的連 接端，中間為變形段，如圖12;當(dāng)連接的子母機(jī)運(yùn)動(dòng)至需翻轉(zhuǎn)處時(shí)，前側(cè)機(jī)器 人關(guān)閉動(dòng)力源，后側(cè)

21、擠壓前側(cè)機(jī)器人，與此同時(shí)前側(cè)機(jī)器人前端的翻轉(zhuǎn)輪與圓弧 形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使大變形柔性較鏈擠壓并逐漸帶動(dòng)前側(cè)機(jī)器人翻轉(zhuǎn)，直至翻轉(zhuǎn)的那側(cè)的爬壁機(jī)器人與墻壁接觸，形成真空負(fù)壓，此時(shí)后側(cè)機(jī)器人關(guān)閉動(dòng)力源。在此 過(guò)程中通過(guò)壓力傳感器的檢測(cè)，完成由任一墻面向任一墻面上的翻轉(zhuǎn)。圖12大變形柔性較鏈綜合考慮兩種方案，方案二無(wú)需任何附加動(dòng)力，且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，自適應(yīng)性好， 成本低，明顯優(yōu)于方案一，由此選擇方案二。4）控制功能的實(shí)現(xiàn)要求：1）使用成本低，開(kāi)發(fā)周期短；2）可拓展性強(qiáng)，易于維護(hù)和更新；3）系統(tǒng)穩(wěn)定，反映靈敏，操作方便；方案一：51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板與紅外遙控控制系統(tǒng)：即以51單片機(jī)為控制核心， 驅(qū)動(dòng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件及傳感器

22、，綜合收集傳感器信息并分析，如下圖 13所示；操 作人員通過(guò)紅外遙控器進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，與此同時(shí) 51單片機(jī)通過(guò)對(duì)超聲 波傳感器，壓力傳感器等信息的處理，綜合決定爬墻機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。（避免由于人為的誤操作，撞上障礙物或超過(guò)爬行壁面等，降低風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)機(jī)器。 ）圖13 51單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖方案二：Arduino電路板下位機(jī)與WIFI上位機(jī)（平板、手機(jī)等智能終端） 控制系統(tǒng)：即以AVR單片機(jī)為控制核心，基于Arduino開(kāi)源電子原型平臺(tái)進(jìn)行 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)外圍壓力傳感器與距離傳感器， 搭建起一個(gè)能自動(dòng)避障、自 動(dòng)翻轉(zhuǎn)識(shí)別的系統(tǒng)，由 WIFI連接上位機(jī)Android APP進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)畫(huà)面?zhèn)骰?

23、并遠(yuǎn)程控制的爬墻機(jī)器人，系統(tǒng)聯(lián)系如下圖 14所示。根據(jù)上述初始方案，查找論文、書(shū)籍等資料?？芍?，Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)板）和軟件（ IDE）。 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，有許多成熟的庫(kù)文件，編程容易，調(diào)試方便，易于上手，外圍 傳感器模塊化程度高，方便使用且成本低廉（控制板代碼見(jiàn)附件三）；開(kāi)發(fā)Android APP 使用MIT的App Inventor 可以方便的編寫(xiě)好所需的 APP程序;如今智能手機(jī)普及，通過(guò) Android 應(yīng)用控制爬壁機(jī)器人，更加方便且不受位置 限制。如果基于51單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)難度高，編程代碼量大，切模塊化程 度低，不宜調(diào)試

24、和維護(hù)；紅外遙控容易受機(jī)器人位置的影響而無(wú)法準(zhǔn)確的下達(dá)命 令。因此，綜合各方面因素考慮，采用方案二。圖14 Arduino 開(kāi)發(fā)板控制系統(tǒng)框圖方案確定：根據(jù)系統(tǒng)結(jié)合法結(jié)合所有子功能，形成初步設(shè)計(jì)方案，再評(píng)價(jià)和篩選初步 設(shè)計(jì)方案（主要通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)），確定吸附系統(tǒng)采用真空式的主輔雙層四 吸盤結(jié)構(gòu)，移動(dòng)系統(tǒng)采用硅膠式履帶，翻轉(zhuǎn)功能采用大變形柔性較鏈；下步將 進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)階段，確定結(jié)構(gòu)原理方案，而后進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工 藝設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)方案論證與分析，最后確定以下結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)對(duì)個(gè)結(jié)構(gòu)方案的 計(jì)算分析（見(jiàn)附件一）與建模仿真（見(jiàn)附件二），證明了其理論上的正確性以 及可行性。以下為最終結(jié)構(gòu)方案：在

25、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中，總體布局上采用簡(jiǎn)單的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，受力均勻，真空吸盤位于底盤中央，提供足夠的吸附力，硅膠履帶對(duì)稱布置，提供機(jī)器人移動(dòng)的摩擦 力驅(qū)使運(yùn)動(dòng)。零部件設(shè)計(jì)充分考慮強(qiáng)度、剛度、可靠性等機(jī)械性能，以及加工工 藝性、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等諸多因素。考慮到部分零件是標(biāo)準(zhǔn)件、可以購(gòu)買 ； 同時(shí)除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數(shù)都可以通過(guò)3D打印技術(shù)加工，由此可以節(jié)約制作成本。3D打印常用材料有尼龍纖維、鋁材料、鈦 合金、不銹鋼、鍍銀、橡膠類材料等。在查閱資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，打印結(jié)構(gòu)的排斥性是 很低的，換句話說(shuō)，3D打印能夠打印出很多的結(jié)構(gòu)類型，甚至一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 對(duì)它來(lái)說(shuō)也易如反掌利用3D打印“

26、切片式”的原理，可以非常便利的完成制作。加工零件見(jiàn)表5廳P名稱數(shù)量3D打印材料1底盤1ABC塑料2吸盤3ABC塑料3吸盤螺釘1 2樹(shù)脂41ABC塑料5履帶輪4ABC塑料6安全閥1樹(shù)脂7電機(jī)固定架3樹(shù)脂8柔順錢鏈1橡膠表5主要零件信息1）原動(dòng)裝置原動(dòng)裝置采用直流動(dòng)電機(jī)和鋰電池作為動(dòng)力源。鋰電池額定容量 1000mAh ,電壓12V。伺服電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 12V ,額定功率17W , 轉(zhuǎn) 速780r/min ,額定轉(zhuǎn)矩1.3N M。鋰電池能量比較高，具后高儲(chǔ)存能量密度，使用壽命長(zhǎng)，具備高功率承受力， 便于高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速，體積小、重量輕，綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢， 都/、產(chǎn)生啟毒后害重金屬

27、兀素和物質(zhì)。伺服電動(dòng)機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制， 并能快速反應(yīng)，在 自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好，過(guò)載能力較 強(qiáng)。據(jù)以上分析，我們確定采用原動(dòng)裝置采用伺服電動(dòng)機(jī)和鋰電池。2）抽氣裝置氣動(dòng)隔膜泵是容積泵中較為特殊的一種形式，采用壓縮空氣為動(dòng)力源，利用 缸內(nèi)的隔膜來(lái)回鼓動(dòng)做功，達(dá)到輸送各種介質(zhì)的目的。其原理（如圖15）是依靠一 個(gè)隔膜片的來(lái)回鼓動(dòng)而改變工作室容積來(lái)吸入和排出氣體的。1電機(jī)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)10凸輪，10凸輪經(jīng)軸承帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，從而使膜片來(lái)回運(yùn)動(dòng)發(fā)生形變。1電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)使兩氣室分別

28、同時(shí)處于吸氣和排氣的狀態(tài)，7飛輪充當(dāng)儲(chǔ)能裝置，使凸輪 走過(guò)死點(diǎn)。當(dāng)6膜片運(yùn)動(dòng)使2氣室中的體積增大時(shí)，吸盤中的氣體從 5吸氣管 經(jīng)4單向閥進(jìn)入氣室，當(dāng)6膜片運(yùn)動(dòng)使2氣室中的體積減少時(shí)，吸盤中的氣體 從3吸氣管經(jīng)4單向閥從氣室中排出。從而將吸盤中的氣體吸出，形成真空。圖15隔膜泵結(jié)構(gòu)示意圖選用優(yōu)勢(shì)：1）由于吸附裝置采用的是雙層吸盤機(jī)構(gòu)， 需要雙氣泵或者氣泵與各種壓力閥 聯(lián)合使用。兩種情況都會(huì)增大機(jī)器人的體積和質(zhì)量， 布局和設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，系統(tǒng) 控制量增大。2）在機(jī)器人清潔過(guò)程中，可能含有較大顆粒的灰塵，使用普通泵會(huì)造成堵塞， 而氣動(dòng)隔膜泵則不僅不會(huì)發(fā)生此種狀況，且可以當(dāng)作是對(duì)壁面的再一次清潔。3）氣

29、動(dòng)隔膜泵可以空運(yùn)行，安全性能好。在泵將吸盤中抽成相對(duì)真空時(shí)，泵 會(huì)停止下不被燒壞，提高了整個(gè)機(jī)器人的安全性能。4）無(wú)需復(fù)雜的控制系統(tǒng)，體積小、重量輕，便于移動(dòng)。無(wú)需潤(rùn)滑所以維修簡(jiǎn)便，泵始終能保持高效，不會(huì)因?yàn)槟p而降低。表6氣泵對(duì)比表3）底盤設(shè)計(jì)真空吸盤在吸附時(shí)主要的失效形式是吸盤與工件貼合不理想產(chǎn)生大量泄漏，導(dǎo)致破壞真空，失去吸附性能。在單吸盤行走的過(guò)程中遇到墻壁的微小縫隙或者 壁面與壁面接頭處時(shí)，會(huì)導(dǎo)致吸盤漏氣，吸附力不足，為解決該問(wèn)題，暫決定采 用圖16所示的三吸盤結(jié)構(gòu)。根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線，至多有 2個(gè)吸盤吸附能力 下降，所以在工作情況下至少一個(gè)吸盤保持正常工作，保證機(jī)器人正常工作。由

30、于單個(gè)吸盤所負(fù)壓產(chǎn)生墻體的壓力有限，出于安全考慮最終確定如圖17所示吸盤組；外層為大吸盤提供初步真空，而內(nèi)層三個(gè)吸盤的在初步真空基礎(chǔ)上 形成再真空，使吸附更可靠。同時(shí)當(dāng)內(nèi)層吸盤通過(guò)壁縫時(shí)真空度減小時(shí)，外層的 大吸盤也可起保護(hù)作用。圖16 無(wú)安全緩沖吸盤布置圖圖17具有安全緩沖吸盤布置圖當(dāng)吸盤1與吸盤2因壁縫影響而不能正常工作時(shí)，吸盤 3正常工作；若壁 縫相對(duì)移動(dòng)到右下圖時(shí)，吸盤 2與吸盤3均正常工作，如圖18,從而實(shí)現(xiàn)了跨 越壁縫的功能。圖18吸盤跨縫的簡(jiǎn)單原理示意圖4）執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置目的是為實(shí)現(xiàn)壁面清潔、攝影、移動(dòng)投影、墻繪等四項(xiàng)功能，采用 可拆換裝置，閑置時(shí)，并功能實(shí)現(xiàn)裝置收入多功能工具

31、箱。壁面清潔執(zhí)行機(jī)構(gòu)：采用背膠魔術(shù)貼，將可更換抹布粘在多功能爬壁機(jī)器人 的功能區(qū)，如圖19所示，清潔抹布上凹槽設(shè)計(jì)可收集臟物，以免其進(jìn)入吸盤； 開(kāi)啟機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接觸到壁面邊緣時(shí)，所搭載的超聲波距離傳感器將信號(hào)反饋 給控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，確定壁面尺寸形狀以后進(jìn)行軌跡的計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的全尺 寸無(wú)死角的清潔。圖19清潔抹布建模圖及示意圖墻繪執(zhí)行機(jī)構(gòu)：將顏料繪筆末端與預(yù)留的卡槽相配合，如圖 20所示，將繪 筆顏料更換部分與控制系統(tǒng)相連接， 在移動(dòng)終端內(nèi)輸入需要的圖畫(huà)，并確定繪圖 基準(zhǔn)，由控制系統(tǒng)確定攜帶繪筆的爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑實(shí)現(xiàn)墻繪功能。圖20墻繪筆建模圖攝影、移動(dòng)投影執(zhí)行機(jī)構(gòu)：將攝像頭、微型投影

32、儀，通過(guò)卡槽與機(jī)器人外殼 連接，如圖21所示，通過(guò)機(jī)器人移動(dòng)至需要位置，即可自動(dòng)開(kāi)啟設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全 方位的攝影與移動(dòng)投影。圖21攝像機(jī)構(gòu)建模圖2、進(jìn)度安排：2015年4月-5月，理論設(shè)計(jì)及建模2015年6月，成品制作與調(diào)試2015年10月，代表湖南大學(xué)參加湖南省第十一屆挑戰(zhàn)杯比賽2016年2月，論文總結(jié)及成品改進(jìn)3、預(yù)期成果：1、代表湖南大學(xué)參加湖南省挑戰(zhàn)杯比賽，期望取得好成績(jī)；2、參加全國(guó)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化大賽，期望取得好成績(jī)；3、該作品可適用于生活各個(gè)方面，根據(jù)機(jī)器人的特點(diǎn)，該產(chǎn)品針對(duì)兩方 面的需求；一方面主要服務(wù)于高層建筑清潔，壁面檢修與墻繪；另一方面用于 移動(dòng)投影，全方位攝影，多角度自拍。目

33、前市場(chǎng)上的高層壁面作業(yè)機(jī)器人類型 較少，并且功能單一，安全問(wèn)題也不能保證；與此同時(shí)該機(jī)器人的出現(xiàn)給投影 設(shè)備帶來(lái)了自由移動(dòng)控制的方便性，解決了墻繪易出現(xiàn)不滿足雇主意愿、效率 較低，工作時(shí)所占空間較大的問(wèn)題，并且移動(dòng)投影也給生活帶來(lái)了許多便利性 和娛樂(lè)性。由于集多項(xiàng)功能于一體，減小了成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。以期為 將來(lái)多功能爬壁機(jī)器人的研究發(fā)展帶來(lái)借鑒意義。指導(dǎo)教師意見(jiàn)同意推薦簽字：日期:附錄一：理論計(jì)算與分析1、大變形柔性較鏈的設(shè)計(jì)與分析柔性錢鏈?zhǔn)墙?jīng)過(guò)一體化設(shè)計(jì)和加工并利用材料彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)的具有一定形狀的特殊運(yùn)動(dòng)副。大變性較鏈可由彈性較大的橡膠材料制成，具有 無(wú)摩擦、變形大、疲勞強(qiáng)度

34、高等特點(diǎn)；而圓角型柔性較鏈，鏈的變形集中在柔性錢鏈的圓弧部分，該校鏈最大變形角a為：其中，L與C為系數(shù)，M為轉(zhuǎn)矩，R為圓角型較鏈的半徑，t為厚度，b為厚度,8為R對(duì)應(yīng)的角度忽略柔性較鏈圓弧以外部分的變形，此種方法完全符合實(shí)際需要，而且柔性好、轉(zhuǎn)角范圍大，所以該項(xiàng)目采用此種大變形柔性較鏈， 如下圖1所示。在大變形柔性較鏈的基礎(chǔ)上，通過(guò)位移傳感器與壓力傳感器的精確控制實(shí) 現(xiàn)壁面間的翻轉(zhuǎn)，具有良好的自適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。橡膠材料的應(yīng)變一應(yīng)力關(guān) 系屬于大變形，不滿足廣義胡克定律的小變形假設(shè)， 可用Mooney2Rivlin 模型 來(lái)描述以橡膠材料為基質(zhì)的柔性較鏈力學(xué)特性。由于適用范圍的限制，要求對(duì) 柔性

35、較鏈的轉(zhuǎn)角最大值進(jìn)行a一定的限制，a|rad與參數(shù)t/R的關(guān)系如圖2.圖2考慮到機(jī)器人的大小與體積，可拆卸大變形柔性較鏈的寬度b=12cm ；若需自豎直壁面翻轉(zhuǎn)至天花板，則翻轉(zhuǎn)的角度為90度，由上表可知，t/R=0.5 ;翻轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)母機(jī)行至另一側(cè)壁面，此時(shí)若使子機(jī)通過(guò)大變形柔性較鏈變形自動(dòng)回 復(fù)，需要的力矩為：M=FL=G2/L1=1.1N. m由上述兩個(gè)已知條件來(lái)設(shè)計(jì)大變形柔性較鏈并進(jìn)行有限元分析，用二分法不斷逼近，求取其最優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)過(guò)程如下所示：a）首先假定t=1cm,R=2cm,在錢鏈?zhǔn)┘?.1 N . m的力矩時(shí)，其ANSYS有限元受 力分析如圖3所示：此時(shí)其剛度符合要求，但變形角

36、度遠(yuǎn)小于 90度，故不符合設(shè) 計(jì)要求，并且R應(yīng)減小。圖3b）假定t=0.3cm,R=0.6cm,在錢鏈?zhǔn)┘?.1 N . m的力矩時(shí)，其有限元受力分析R的值如圖4所示：變形過(guò)大，剛度符合應(yīng)用要求，所以適當(dāng)增加圖4c）假定t=0.5cm,R=1cm; 在錢鏈?zhǔn)┘?.1 N . m的力矩時(shí)，其有限元受力分析如圖5所示：此種情況下剛好符合設(shè)計(jì)要求，故大變形柔性較鏈t=0.5cm,R=1cm;而與子母機(jī)相連的可拆卸結(jié)構(gòu)選用內(nèi)凹性，受力穩(wěn)定，安全可靠。圖52、吸附力的計(jì)算與分析A0 吸盤與壁面的接觸面積；A吸盤腔內(nèi)面積；P0吸盤腔內(nèi)的壓力；P吸盤外部的大氣壓力；G母機(jī)機(jī)器人的重量；G1 子機(jī)機(jī)器人的重量

37、；F一機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力；F1 履帶與壁面的摩擦力；n安全系數(shù)，取2。吸附力滿足要求是機(jī)器人整個(gè)設(shè)計(jì)制作過(guò)程中最根本的問(wèn)題。由吸盤結(jié)構(gòu)可知，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，輔助吸盤起密封保護(hù)作用，而三個(gè)主吸盤決定吸附力 的大小，因此我們主要分析三個(gè)主吸盤的力學(xué)性能。由底盤的面積確定輔助吸盤 的的R=13cm （不包含密封厚度b）,利用CAD建模確定三個(gè)最大內(nèi)切圓，考 慮到機(jī)器人可通過(guò)的最大縫隙為 20mm,兩吸盤間的間 距為d;即2b+d=20。由實(shí)際工作條件，對(duì)三個(gè)主吸盤進(jìn)行有限元分析，施加 0.03Mpa （由理想壓力 與接觸面積比值確定）的壓力時(shí)，如下圖6所示，在滿足剛度強(qiáng)度及應(yīng)力的條件 下，通過(guò)改變b

38、的值不斷進(jìn)行優(yōu)化，最終確定 b=8mm,d=4mm.圖6真空氣泵的抽氣速率S=2.303V/t*Log(P1/P2),而微型隔膜泵流量大于等 于1.1L/min ,真空度可達(dá)-50kpa,可抽氣至半個(gè)真空度，此時(shí)最大吸附力為：F= P(A+A0)-P0AA0=0.00116 , A=0.0024 ,所以 F=224.3N而在實(shí)際工作過(guò)程中，由于壁面粗糙度的不同及考慮壁縫存在時(shí)， 安全系數(shù) n=2,吸附力可達(dá)到112.15N，此種硅膠的摩擦系數(shù)為0.97,可最大負(fù)重11.2kg 的重物；由此可知此種設(shè)計(jì)的大變形柔性較鏈?zhǔn)峭耆瞎δ苄枰摹?、吸附力與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系當(dāng)吸附力過(guò)大時(shí)，吸盤與壁面靜摩擦

39、力較大導(dǎo)致機(jī)器人難以驅(qū)動(dòng)，無(wú)法靈活運(yùn)動(dòng)，所以吸附力與驅(qū)動(dòng)力存在一定的關(guān)系，通過(guò)以下的過(guò)程進(jìn)一步探討二者之問(wèn)的關(guān)系。負(fù)壓的控制通過(guò)調(diào)節(jié)隔膜泵的電機(jī)電壓來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)采用負(fù)壓傳感器作為檢測(cè)元件，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)壓的變化，反饋給控制器，為調(diào)整壓力提供依據(jù)。 P0由隔膜泵的抽氣速率決定，F(xiàn)由伺服電機(jī)決定，兩者在不同狀態(tài)下分別對(duì)應(yīng) 不同的關(guān)系式，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，根據(jù)壓力傳感器采集的壓力值調(diào)節(jié)吸附能力， 所以在運(yùn)動(dòng)中要找到每一種情況下對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。a)在豎直壁面運(yùn)動(dòng)如下圖7左所示，1為壁面，2為吸盤，二者之間構(gòu)成真空室。工作時(shí)吸盤 與壁面之間形成密封腔，此時(shí)水平方向的正壓力滿足：N=P(A+A0)-

40、P0A0其次，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，需滿足驅(qū)動(dòng)力至少等于摩擦力與重力之和,FF1+GF-Nu-nG0F-u-nG0P0(nG-F)/u+/Au為摩擦系數(shù)，取0.97,由上式可得出除P0與驅(qū)動(dòng)力F外，其他量均為已 知量，同時(shí)也得到P0余F的關(guān)系。當(dāng)機(jī)器人在豎直壁面運(yùn)動(dòng)時(shí)另一種極限情況時(shí)，如下圖右所示，此時(shí)水平方向上滿足：Fu豎直方向上滿足：nG=F1uF/ (Au)圖7b)在壁面翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人的可靠性分析主要集中在機(jī)器人重力與傾覆力矩的分析。當(dāng)母機(jī)與子機(jī)運(yùn)動(dòng)至剛開(kāi)始翻轉(zhuǎn)時(shí)， 如下圖8所示，母機(jī)此時(shí)不工作，通過(guò)大變形 柔性較鏈與前段翻轉(zhuǎn)弧設(shè)計(jì)逐漸貼合另一墻面，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源來(lái)自于子機(jī)， 此時(shí)同樣需滿

41、足：N=P(A+A0)-P0A0F-Nu-nG0F-u-nG0P0(nG-F)/u+/A與第一種情況相比，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的重量增加了，其他均不變。當(dāng)母機(jī)與子機(jī)運(yùn)動(dòng)至即將翻轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)， 如下圖所示，子機(jī)此時(shí)不工作，通過(guò)大變形柔性較鏈并逐漸翻轉(zhuǎn)至天花板， 母機(jī)此時(shí)工作并貼緊整個(gè)壁面運(yùn)動(dòng)， 整個(gè) 系統(tǒng)的動(dòng)力源來(lái)自于母機(jī)，此時(shí)水平方向需要滿足：FF1,即 Fu豎直方向需滿足：- F/(Au)G/A分析可知，此時(shí)機(jī)器人系統(tǒng)受到的傾覆力矩最大，并且底盤如下圖9左裝配于底部時(shí)是最危險(xiǎn)的。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們研究此種極限情況來(lái)判定其可靠性。根據(jù)實(shí)際情況我們完全假定各個(gè)主吸盤的真空度是相同的，則作用在所有吸盤組上的吸

42、附力是相同的，同樣對(duì)壁面的吸附力大小均為 N/3;由受力分析列出力矩方程：r2G/A可知，在機(jī)器人翻轉(zhuǎn)的整個(gè)過(guò)程中，同樣可通過(guò)控制系統(tǒng)控制隔膜泵抽氣速率與伺服電機(jī)控制F的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能c）在天花板運(yùn)動(dòng)當(dāng)母機(jī)或子機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，水平方向需要滿足：FF1,即 Fu豎直方向需滿足：G-F/（Au）G/A當(dāng)在天花板運(yùn)動(dòng)時(shí)，同樣可通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能。4、變速箱的設(shè)計(jì)在傳動(dòng)裝置中，考慮到伺服電機(jī)輸出的額定轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，我們?cè)谒欧姍C(jī)的輸出端采用可增大轉(zhuǎn)矩、減小轉(zhuǎn)速圓柱齒輪傳動(dòng)減速箱結(jié)構(gòu)。根據(jù)其功能要求可 知，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度不宜過(guò)大；當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度過(guò)高時(shí)，噪音大、安全性也降低， 通過(guò)分析和運(yùn)動(dòng)仿真，基于高

43、效性和安全性兩個(gè)因素，模擬其爬壁及工作過(guò)程并 考慮安全系數(shù)的影響，我們最終確定最大速度為15M/min。輸入條件：1）機(jī)器人移動(dòng)的最大速度15 m/min;2）機(jī)器人移動(dòng)的最小速度1.8 m/min;3）電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nd=780 r/min;4)電動(dòng)機(jī)的額定功率P=2.8 w ;5)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速ndmax=13500 r/min;設(shè)計(jì)參數(shù)：取履帶直徑D=6 cm ,由v=3.14Dn ;則鏈輪的最大轉(zhuǎn)速：nLmax=Vmax/ (3.14*D ) =1500/(6*3.14)=80 r/min;鏈輪的最小轉(zhuǎn)速：nLmin=Vmin/ (3.14*D ) =180/(6*3.14)=9.

44、554 r/min;鏈輪要求的恒功率調(diào)速范圍：RLN= nLmax / nLmin =80/9.554=8.377;電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的恒功率調(diào)速范圍：RdN= ndmax / ndmin =13500/780=17.3077;因?yàn)?RLN 82,電動(dòng)機(jī)的速度需求范圍7806560r/min初步確定變速箱結(jié)構(gòu)的總體傳動(dòng)比為 90,通過(guò)五級(jí)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖10,其 傳動(dòng)比分別為 Z11 : Z12=10:25 ; Z21 : Z22=11:26 ; Z31 : Z32=11:26 ; Z41 : Z42=13:31 ; Z51 : Z52=10:27。使用圓柱齒輪傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊， 承載能力大， 傳動(dòng)效

45、率高，效率值可達(dá)0.9-0.97 ;圖10齒輪副的強(qiáng)度計(jì)算與論證整體過(guò)程類似，為不產(chǎn)生贅述，這里我們對(duì) Z21 : Z22=11:26作出強(qiáng)度計(jì)算及論證如下：已知條件：P1=2.8W , n21=2880r/min,z1=11 , z2=26，壽命 Lh=1200h ,小齒輪相對(duì)其軸的支承為不對(duì)稱布置。a）選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料齒輪類型選擇：無(wú)特別要求的情況下，優(yōu)先選擇直齒圓柱齒輪；精度等級(jí)選擇：查P210表10-8 ,減速器屬于通用減速器，推薦精度等級(jí) 為68級(jí)，類比選擇精度等級(jí)為8級(jí)（算比較高的）；材料選擇：查P189表10-1 ,選擇小齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為 240HB

46、S ;大齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為240HBs ;b）屬于軟齒面，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)公式為：1)、確定公式中的各個(gè)參數(shù)值和系數(shù)(1)、試選載荷系數(shù)Kt=1.3(2)、小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為：(3)、查P205表10-7得齒寬系數(shù)小d=0.23(4)、查P201表10-6得彈性影響系數(shù) ZE=189.8 (Mpa?)(5)查P207圖10-21d ),以材料品質(zhì)與熱處理質(zhì)量一般計(jì)(即取ML線), 得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為：小齒輪：eim1 = 530 (Mpa)大齒輪：Olim2 =530 (Mpa )(6)、齒數(shù)比(7)、按P202式10-13計(jì)算工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：小齒輪：N1

47、=60n1jLh=60 X2880 X1 X1200=2.074 X108大齒輪：N2=N1/i=2.074 X108/2.364=0.8772 X108(8)、由P203圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)小齒輪KHN1=0.95大齒輪KHN2=0.96(9)、取接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)SH=1(10)、則兩齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力為：小齒輪：大齒輪：2)、代入接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)式并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算(1)、按設(shè)計(jì)公式確定小齒輪分度圓的直徑di ,計(jì)算時(shí)取上面計(jì)算出的兩個(gè)許用應(yīng)力中較小的一個(gè)代入：(2)、計(jì)算圓周速度v(3)、計(jì)算齒寬bb=(|)dXd1t=0.23 X5.1=1.173(mm)(4)、計(jì)

48、算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)：齒高：h=2.25m=2.25 X0.464=1.043 (mm)b/h=1.173/1.043=1.12(mm)(5)、計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)產(chǎn)0.6 (m/s), 8級(jí)精度，由P194圖10-8查得動(dòng)Z載系數(shù)KV=1.1 , 直齒輪，假設(shè)KAFt/b1.4查P193表10-2得使用系數(shù) KA=1.0查P196表10-4 ,知8級(jí)精度、小齒輪相對(duì)其軸的支承為不對(duì)稱布置時(shí)的齒向載荷分布系數(shù)為：KH 0=1.16查P198圖10-13得使用系數(shù)KF 3=1.25載荷系數(shù) K=KAKVKH aKH 芹1 X1.16 X1.1 X1.5=1.914(6)、按實(shí)際的載荷系數(shù)校正前

49、已計(jì)算出來(lái)的分度圓直徑：由P200式10-10a得修正后的分度圓直徑為：(7)、計(jì)算并確定模數(shù)m套標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)(見(jiàn)現(xiàn)彳t機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè) P82表2.22),取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=0.5 (GB/T1357-1987 )(8)、計(jì)算分度圓直徑：d1=mz1=0.5 X11=5.5 (mm)c)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式為：1)、確定公式中的各個(gè)參數(shù)值和系數(shù)(1)、載荷系數(shù)K與上面計(jì)算的K值不一樣(注意系數(shù)KFa、KF0)K=KAKVKF aKFB其中KA和KV與前面查得的一樣：KH a=KF a=1.5根據(jù)b/h=5.377 和KH芹1.16 (前面已算出)查P198圖10-13得齒向載荷分布系數(shù) KF