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摘要 I
Abstract III
第1章 绪论 1
1.1 爬壁机器人结构原理研究与开发的价值 1
1.2 爬壁机器人结构原理研究与开发的现状及趋势 2
1.2.1 爬壁机器人结构原理研究的现状 2
1.2.2 爬壁机器人结构原理研究的发展趋势 3
1.3 几种爬壁机器人结构原理分析与对比 4
1.3.1 车轮式磁吸附爬壁机器人 5
1.3.2 多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot – IV 5
1.3.3 履带式磁吸附爬壁机器人 6
1.4 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色与价值 7
1.4.1 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色 7
1.4.2 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究价值 8
1.5本章小结 9
第2章 履带吸盘式爬壁机器人结构方案研究 11
2.1 履带吸盘式爬壁机器人的功能要求 11
2.1.1 爬壁机器人的工作过程 11
2.1.2 爬壁机器人的基本功能 11
2.1.3 爬壁机器人的主要设计参数 12
2.2 爬壁机器人移动机构方案设计 13
2.2.1 履带的结构形式 13
2.2.2 履带与履带轮的联结 14
2.2.3 履带吸盘式爬壁机器人壁面适应能力分析 15
2.3 爬壁机器人吸附机构方案设计 17
2.3.1 吸盘式吸附机构方案设计 17
2.3.2 吸盘机构设计 18
2.3.3 吸盘式爬壁机器人吸附安全性研究 19
2.4 机器人气动回路方案设计 22
2.4.1 配气盘结构设计 22
2.4.2 吸盘气动回路设计 24
2.5 本章小结 25
第3章 履带吸盘式爬壁机器人结构的开发与论证 27
3.1 爬壁机器人吸附结构的设计与论证 27
3.1.1 爬壁机器人吸附结构的设计 27
3.1.2 爬壁机器人吸附结构的论证 29
3.2 爬壁机器人行走机构的设计与论证 30
3.2.1 爬壁机器人行走机构的设计 31
3.2.2 爬壁机器人行走机构的论证 31
3.3 爬壁机器人车体的设计与论证 33
3.3.1 爬壁机器人车体的设计 34
3.3.2 爬壁机器人车体的论证 34
3.4 本章小结 36
第4章 履带吸盘式爬壁机器人附属部件开发与设计 37
4.1 背仓部件开发与设计 37
4.2 清洁壁面部件开发与设计 37
4.3 传递消防水管部件开发与设计 38
4.4 控制系统部件开发与设计 39
4.5 本章小结 39
第5章 结论与展望 41
参考文献 43
注释 45
摘要
随着科技的进步，工业机器人在各个领域得到了广泛地运用。其中，爬壁机器人以其在核工业、建筑、消防等行业的突出优点越来越受到人们的关注。
本文在详述国内外爬壁机器人研究现状的基础上，对各种现有爬壁机器人结构原理进行了分析、对比与评价，对履带吸盘式爬壁机器人的结构原理进行了深入地研究与开发，并对一些关键部分进行了设计计算。
本课题研究的履带吸盘式爬壁机器人采用履带式移动方式，双履带和车体构成机器人的基本框架；真空吸盘式吸附方式加以完善的配气系统，可为机器人提供足够的吸附力。在地面操作人员的遥控下，爬壁机器人能够在玻璃等特定壁面上完成清洁壁面、传递救援物资等任务。
履带吸盘式结构是现有爬壁机器人结构样式的优化组合，它克服了现有爬壁机器人结构上的缺点与不足，提高了爬壁机器人的实用性能；因此本课题的研究具有较高的科研价值和经济价值。
关键词 爬壁机器人；履带；吸盘；结构原理
Abstract
With the development of technology, industrial robots have been used in various fields. Among these, wall-climbing robot with its outstanding advantages in areas of nuclear industry, construction and firefighting has being gotten more and more attention.
On the base of summarizing the research on wall-climbing robots domestic and overseas, this paper evaluates structure theory of some existing wall-climbing robots, studies the structure theory of tracked sucker wall-climbing robot and checks some key components as well.
The track moving mode is chosen in the tracked sucker wall-climbing robots, which are study in this subject, this component build up the basis frame of this kind of robots. Vacuum sucker, with perfect distribution system, can offer enough adsorption force to keep the robot working on vertical wall. Under the remote control of operator on the ground, wall-climbing robot can complete the tasks just like cleaning glass and transferring rescue goods on particular wall.
Tracked sucker-type structure is the optimization and combination of existing wall- -climbing robot structure types, it also overcomes some shortages of them. This structure type improves the practical performance of wall-climbing robots, therefore, the research subject has high scientific value and economic value.
Keyword wall-climbing robot ; track ; sucker ; structure theory
第1章 绪论
本章中将分析与阐述四个方面的内容，即爬壁机器人结构原理研究与开发的价值、国内外爬壁机器人科研的现状、几种爬壁机器人结构原理的分析与评价、履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色。
1.1 爬壁机器人结构原理研究与开发的价值
在引言中提到的爬壁机器人（又称“爬墙机”）在清洁高层建筑壁面上的应用，可以看出随着控制和机电技术的发展，这种可以替代手工劳作的壁面清洗机器人的出现将人从繁重、危险的高楼清洗工作中解放出来，降低高层建筑的清洗成本，提高生产效率，同时也推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。但这仅仅是爬壁机器人的一个应用领域，近几年来，随着各式各样的机器人在各个领域中的广泛应用和发展，爬壁机器人作为能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，以其能够成为高空极限作业的一种自动机械装置的优良特性，越来越受到人们的重视。概括起来，爬壁机器人主要可以应用于以下：
(1) 在建筑行业可应用于喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面探伤、壁面修复整容、壁面清洗、擦拭玻璃壁面等；
(2) 在消防部门可应用于携带消防器械、传递救援物资、进行高空救援工作；
(3) 在核工业可用于对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等危险的工作；
(4) 在石化企业可用于对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；
(5) 在造船业可用于喷涂船体的内外壁、对船体的内外壁进行检查、船体内外壁清洁等；
(6) 在抢险救灾上可应用于向高空被困人员运送逃生器械、传递食物水给养等；
(7) 在航空航天上，可用于太空探索、空间卫星维修等。
由此可见，爬壁机器人的应用领域广泛涉及民生、核工业、造船工业等，并在这些领域中担任着十分重要的工作，能够促进生产力的提高、改善人民的生活与工作条件。爬壁机器人结构原理的研究与开发能够为壁面机器人的生产制造和升级进步起到指导与促进的作用；另外，爬壁机器人相关技术的研究科研成果可以直接应用于或带动相关链条产业的进步，从整体上促进生产力的发展，提高人民的生活质量。
总之，积极研究与发展爬壁机器人技术，努力开发与设计制造可以转化为实际生产力的爬壁机器人是生产力发展的需要，是人民生活质量和工作条件改善与提高的需要，也是我国科技兴国、技术进步的需要。该项技术的科研与创新必将会产生巨大的经济价值和社会价值。
1.2 爬壁机器人结构原理研究与开发的现状及趋势
1.2.1 爬壁机器人结构原理研究的现状
较为高端的爬壁机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品，因此爬壁机器人技术的研究是伴随着各项科技的发展而发展的。自80年代以来，爬壁机器人技术在国内外取得了迅速的发展，有的已开始进入实用试验阶段。到1992 年底，国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功，其中以日本发展最快。国内较早发展该项技术的是哈尔滨工业大学，他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人，采用真空吸附方式，通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走。另外，上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行机器人。上海交通大学亦于1995 年研制了磁吸附爬壁机器人用于油罐。
爬壁机器人必须具有两个基本功能：吸附功能和移动功能，而为了实现爬壁机器人的特定功能只需在机器人本体上耦合或车载相应的功能执行部件即可，因此国内外爬壁机器人技术的研究与探讨大致是围绕如何实现它的两个基本功能展开的。
根据较为公认的爬壁机器人技术划分方法壁面吸附功能的实现有三种方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附较为常用的是吸盘吸附法，利用大气压力使机器人吸附在壁面上，这种方法多用于爬行于玻璃壁面的机器人，真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式。当壁面比较粗糙时，真空吸附方式的机器人容易产生漏气的现象，因此多改为使用磁吸附的方式，磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，但磁吸附式机器人仅适用于导磁材料壁面。推力吸附的方式即利用机器人自身产生的推力使其吸附于壁面上，这种方式结构较为复杂且工作可靠性较低。
爬壁机器人移动功能的实现方式主要是足式、车轮式和履带式。足式机器人能跨越较小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难，车轮的直径会使机器人相对于壁面的扭矩增大，使机器人运行的稳定型和安全性相应降低；履带式对壁面适应性强，着地面积大，机器人运行平稳，但其不易转弯。这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱。
除爬壁机器人的两项基本功能的实现外，当今相关科研人员也在研究诸如驱动方式、能源动力、机器人结构布局设计等方面的课题，这些技术也是机器人能够正常运行所必须研究与优化的。由于爬壁机器人的工作受到重力吸引、工作环境恶劣、相关技术滞后等条件的制约，因此爬壁机器人技术虽有了一些成果但仍需要进一步的努力研究与发展。
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