履式爬壁机器人设计-履带吸盘式爬壁机器人【8张CAD高清图纸、说明书】【JS系列】
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8张CAD高清图纸、说明书
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履带吸盘式爬壁机器人设计1、概述随着科技的进步，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。2、结构原理及组成 2、1爬壁机器人结构原理研究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。22几种爬壁机器人结构原理分析与对比现在爬壁机器人技术仍处于研究与试验阶段，国内外一些知名的研究所和高校的科研人员都提出了自己的爬壁机器人的结构方案，这些结构方案在原理和结构布局上有着较大的不同。下面列出三种较为典型同时也是与履带吸盘式爬壁机器人的研究相关的结构原理科研实例，通过分析这些设计实例的优缺点可以引出在爬壁机器人结构原理设计时需要注意与注重的问题。2.2.1车轮式磁吸附爬壁机器人日本应用技术研究所研制出的车轮式磁吸附爬壁机器，结构原理如右图所示。机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。主要特征是：行走稳定、速度快 车轮式磁吸附爬壁机器人最大速度可达9m/min，适用各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。但是该机器人有自己的缺点：磁吸附使它仅适用于导磁材料壁面，即这种原理有其使用局限性；车轮式的行走方式使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；车轮的行走轨迹是连续的，这不利于机器人跨越壁面的凹凸不平处，使机器人对壁面的平整质量要求提高。2.2.2多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot IV香港城市大学智能设计、制造及控制中心(CIDAM) 和内地大学合作设计的Cleanbot I 能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行，主要由行走及转向机构、吸附机构、吸盘组导向和提升装置以及控制系统组成。行走机构模仿坦克履带结构，采用单履带模式。吸附机构多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot IV由安装在链条上的13组吸盘及真空发生器等组成。该机器人的特点是采用单链和多吸盘相配合的结构可以可靠解决转向的问题；采用弹性机构，使该机器人具有跨越一定障碍的能力；旋转接头供气方式够给每一个吸盘供气而避免通气管缠绕。该爬壁机器人的缺点为结构复杂，其可靠性相应降低；单履带的模式使机器人工作时受到吸附力不均匀，吸盘受到较大扭曲力，从而降低了爬壁机器人的工作寿命。2.2.3 履带式磁吸附爬壁机器人国家教委博士点基金资助项目履带式磁吸附爬壁机器是将永磁体片离散的装在爬壁机器人的履带上，采用双履带方式，主动轮安装在一端，前后双轮。电动机带动主动轮转动进而带动爬壁机在壁面上行进。该机器人的特点是：在机器人设计中采取加长履带、浮动支撑、载荷分散机构、柔性履带等措施，以提高爬壁机器人的壁面适应能力， 实现其在壁面的安全爬行。 履带式磁吸附爬壁机器人其缺点是，履带是用铰链联接的，不能将垂直于履带方向的载荷分布到各个永磁体上，也就是说履带在垂直于拉力方向上没有刚性，这对于爬壁机器人工作的安全性极其有害；主动轮偏置，使履带受力不均匀对履带损害较大。2.3履带吸盘式爬壁机器人结构原理本文所研究与开发的履带吸盘式爬壁机器人的结构原理是将吸盘的真空吸附方式和履带式移动方式相结合，真空吸盘固定在柔性的履带上，采用双履带对称结构。固定式配气盘结构作为16组吸盘和真空泵抽进气系统相连接的媒介。主动轮置中，两侧各有一从动轮，主、从动轮和履带衔接均是模拟齿轮齿条啮合。壁面清洁组件、传递救援物资组件通过功能组件耦合处与机器人机体相连以完成相应能。履带吸盘式爬壁机的外形简图如图所示，上面为俯视图，下面为左视图3、履带吸盘式爬壁机器人结构方案3.1爬壁机器人的主要设计参数本课题研究的爬壁机器人主要应用于高层建筑壁面清洁和救援物质传递，由其工作性质决定爬壁机工作必须稳定可靠，工作效率高。本课题对机器人的设计要求如下：根据玻璃壁面特点和清洗机器人爬行、清洗作业要求，机器人需要达到如下性能：壁面移动速度：1115 m/ min ；越障高度：50 mm；本体重量：30 Kg ；负载能力：15 Kg ；作业高度：0100 m；作业功能：可进行8 mm 以上厚度的玻璃幕墙的清洗作业；吸附方式：真空吸附方式；控制方式：用PLC可编程控制器，完成顺序控制，地面遥控操作。研制满足以上技术要求的机器人存在的主要技术难点如下:吸附和密封技术：要求吸附机构能产生一定的吸附力，确保机器人工作过程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。爬行技术：爬行机构要简单、高效、小型。使机器人能够实现直线移动，能够实现自动转向。保证机器人能够按照地面操作人员的遥控进行工作。配气技术：吸盘和履带轮均是旋转的，为防止配气管相互缠绕，应有效解决配气问题。控制技术：使机器人可以在地面操作人员的控制下准确工作，机器人自身各部分密切配合；有简洁、方便的人机界面，便于操作人员控制3.2爬壁机器人移动机构方案设计爬壁机器人通常采用的移动方式有足式、履带式和车轮式。足式能较好的跨越障碍，但结构复杂且移动速度慢，控制系统也比较复杂；履带式着地面积大，可提供足够的吸附力，壁面适应性好，但其结构不容易转弯；车轮式移动速度快、转弯灵活，但是很难保证提供足够大的吸附力，车轮式重心距壁面较远，对吸盘的扭矩较大，影响吸盘的工作寿命。本课题研究的爬壁机器人在高层建筑的垂直壁面上行走并完成清洁及传递救援物质工作，为了防止机器人从垂直壁面上滑落，机器人必须与壁面间保持足够的吸附力，并具有一定的抗倾覆能力。履带吸盘式的机构能够提供较大的吸附力，吸盘距壁面近可防止倾覆；吸盘在履带上离散布置使机器人对壁面凹凸不平适应性强。具有结构简单，控制方便，运动速度快等优点。综合考虑各方面因素，本课题中爬壁机器人的移动机构选用履带吸盘式结构。3.2.1 履带的结构形式如下图所示为三种常见的履带形状。图a）中驱动轮及导向轮兼作支撑轮，因此增大了支撑面积，改善了稳定性。图 b）所示为不作支撑轮的驱动轮与导向轮位置高于地面，链条引入时的角度达50度，其好处是适合于穿越障碍。图c）中驱动轮（主动轮）置中，导向轮（从动轮）对称分布，驱动轮及导向轮兼做支撑轮，可增大接触面积且使履带上受力集中处远离履带弯曲处，减少了对履带的损害。由于爬壁机器人的工作壁面一般比较平整，可能的障碍仅有玻璃的连接处窄沟凸起等，壁面凹凸起伏不大，履带吸盘式的结构具有逾越较小障碍的功能；同时，考虑到机器人运行的平稳性和履带的使用寿命，因此采用图c）所示的结构形式。 a）双履带轮平行履带 b）多履带轮梯形履带 c）三履带轮平行履带三种常见的履带形状3.2.2 履带与履带轮的联结履带与履带轮（包括主动轮和从动轮）的联结模拟了齿轮与齿条的啮合，两者齿的模数等参数是相同的。为了保证在运动时履带与履带轮不会咬死，把履带上的齿的厚度做的相对薄一点，保证有足够的啮合空间。为了防止吸盘的尾部与履带轮发生碰撞干涉，履带轮中间部位有深45mm的槽；履带上的孔用于装配吸盘组件和导气管通过，履带上的凸起部分与配气盘相联结用以为吸盘供气。图a）为履带与履带轮啮合的原理图，二者啮合可以看作齿轮与齿条联结的变形，这种联结运行可靠平稳，传递力矩均匀。图 b）为研究课题开发的机器人三维造型图的履带与履带轮啮合部分。a）履带与履带轮啮合原理图b）履带与履带轮啮合三维造型图履带与履带轮的啮合3.2.3 履带吸盘式爬壁机器人壁面适应能力分析机器人主要由真空吸附、履带行走、支撑车体、背仓及清洁机构组成。真空吸附机构包括气动回路、真空泵和吸盘系统。吸盘系统由16组吸盘及配气盘装置组成。当真空泵运行，处于工作状态的4组吸盘平整贴近壁面时，在配气盘装置作用下，吸盘内产生真空负压，机器人吸附于壁面，在保证机器人自身能够牢固吸附于壁面的同时还足以维持清洗刷高速旋转时对壁面的抽打力。在机器人自下往上移动清洗过程中，因吸盘与壁面间有相对滑动，所以吸附力并不是越大越好，因为吸附力过大，机器人就不能顺利上下滑移动；但吸附力过小，在吸盘遭遇壁面凹缝气体过量泄漏时，机器人就不能可靠吸附于壁面，壁面适应能力变差。此外，在作业过程中，清洁头在壁面上的清洗力靠吸盘的吸附力维持，若作用在壁面的清洗压力过小，清洗质量就得不到保证；但清洗压力过大，壁面对机器人反作用力也大，吸附力就需要增加，否则机器人容易脱离壁面。图所示是机器人工作时的静力学，因而有： G / (3-2) 式中： 是机器人重心到壁面的距离； 是 作用点到点O 的距离。为保证机器人能在驱动力的作用下在壁面稳定移动，由式(3-1) 、(3-2) 得到的临界条件为： Max (3-3) 可见, 必须稳定在式(3-3) 所示的区间内,实际值由机器人移动速度确定，当机器人的移动速度为一变化值时，则实际值由机器人当前移动速度确定。机器人工作时的静力学分析 3.3 爬壁机器人吸附机构方案设计爬壁机器人实现对壁面的吸附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上，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。本课题要求机器人有足够的吸附力，以保证工作安全可靠，高层建筑壁面凹凸不平不太明显，玻璃壁面为非导磁材料，综合考虑以上问题，在本设计中选择吸盘式真空吸附的方式，多吸盘的结构形式。在开发的爬壁机器人中共有16组吸盘，吸盘组件通过吸盘固定装置固定在履带上，随履带实现移动；真空泵通过供气回路、配气盘完成对吸盘吸附、脱离的控制。3.3.1 吸盘式吸附机构方案设计吸盘吸附材料采用软橡胶。机器人的工作状况与吸盘的吸力大小有关，如图所示为机器人静止吸附在壁面时的受力。 机器人静止吸附在壁面时的受力情况 机器人能维持吸附的条件为: （设） （3-4）式中： F 为摩擦力，为摩擦系数，为单个吸盘的吸力，G 为机器人自重与其附件重量之和，n 为吸盘的个数。由于机器人重心离壁面距离为h， 与F 形成的力矩将影响到重心上半部分对壁面的有效压力，同时，考虑到由于地面有缝隙而减少真正吸附壁面的吸盘个数，引入安全系数，则单个吸盘的吸附力为： （3-5）值的大小取决于壁面灰尘、空隙大小、凹凸平度以及行走中遇到障碍物如电线、导气管等因素，一般取23。3.3.2 吸盘机构设计如图所示为单个吸盘的结构图，它是由钢球1、手动调速阀2、橡皮圈3、弹簧4、弹簧5、导气管6组成。在忽略气体摩擦和位置时，由伯努利方程得： 即 (3-6) 单个吸盘的结构图式中：V 为气体的速度，K 为气压压缩系数，P 为压力，为密度，C 为常数。机器人工作前，可根据工作壁面的性质和载重量通过手动调节阀设定气流通过导气管的速度；在机器人工作时，当导气管中的气压减小，同时有几个吸盘（正常工作时有4组吸盘）已经处于有效吸附的情况下，吸盘在大气压力的作用下吸附于壁面。而在缝隙上的吸盘将与大气相通，因此V值将增大，气体进入吸盘，吸盘即脱离壁面。 （3-7） 式中：为气体密度，Q 为流量， 为气体流速的改变量，g为重力加速度，k为弹簧屈强系数，为压缩位移。则： （3-8）3.3.3 吸盘式爬壁机器人吸附安全性研究为了确定吸盘式爬壁机器人的负载能力和安全性能，必须对机器人所受的力进行分析。当机器人吸附在玻璃壁面上时，受力情况如图，各符号意义如下:墙壁对第i组吸盘的法向支撑力(垂直于墙面) ，i = 1，4；作用在第i组吸盘上的真空吸力，i = 1，4 ；墙壁作用在第i吸盘上的摩擦力， i = 1，4 ；G 作用在机器人上的重力(包括外设) ；p 相邻两组吸盘之间的距离；d 机器人的等效重心到玻璃壁面的距离； 爬壁机器人受力示意图 机器人在工作时，当其在玻璃壁面上移动时有两种危险的情况可能发生：一种情况是它从墙面上滑落；另一种情况是由于最上方接触的吸盘由于受倾翻力矩太大脱离墙面，引起机器人的倾翻。设计中，机器人的吸附机构受力应避免滑落和倾翻两种情况发生，为了简化分析计算，这里只考虑了静态吸附情况。(1)避免机器人从墙面上滑落。根据摩擦力的特性，同样工况下，最大静摩擦力要大于滑动摩擦力，所以有：G 0 ( i = 1，4) (3-10)假设作用在支撑轮上的力不加考虑，认为墙壁对机器人的反作用力只作用在与墙壁接触的吸盘上，由此静态下，机器人在x 、y 方向受力分别满足： (3-11) (3-12)所受的平衡力矩为(以O 点为参照点) ： (3-13)并假定各个吸盘的真空度是均衡的，则作用在吸盘上的吸力为：V = = sv (3-14)式中： s 每组吸盘总的吸附面积；v 工作吸盘内的真空度。为了方便计算 ，假设几个约定条件，设作用于吸盘上的支撑力 ( i = 1，5) 形成一对，并且从到比例增加，以上假设可用下式表示为：- = - ( i = 1，2) (3-15)联立解式(3-12)，(3-13) ，(3-14) ，得到 ( i = 1，4) 表示式： (3-16)理论上，由式(2-16) 可知，只要满足 0 ,则条件(2) 满足条件，求得： (3-17)根据式(3-9) 和(3-17) ，机器人牢靠吸附在工作面上(不从玻璃壁面上滑落或倾翻下来) 的条件应该满足:G min(，) (3-18)理论上： = 5V (3-19)f c2 = (3-20)在进行爬壁机开发和设计时，可以根据具体的尺寸p，d确定，的大小，根据计算式(10)来计算设计是否满足爬壁机不滑落不倾翻的条件。（在计算时基于安全考虑，玻璃与吸盘间的典型摩擦因数按最小计 = 0. 11 。）根据计算分析出最可能发生危险的情形是（1）或（2）。在保证次危险安全的情况下，保证最危险的情况不会发生，由此才能保证爬壁机器人安全地工作。考虑到机器人在越障时第一组吸盘可能发生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，应当另外增加安全系数，在设计时,考虑只有下面4 组吸盘组工作时机器人仍能够安全吸附。因此，保证机器人的安全，要确保： (3-21)或表示为： (3-22)式中：G 机器人和负载总的质量； 作用在机器人吸盘上吸力的总和，= 4V ； = 1/ ； n 安全系数。3.4爬壁机器人行走机构的设计履带吸盘式爬壁机器人的行走机构主要由：吸盘组件、履带、履带轮、动力源、传动系统、控制系统等构成。履带采用橡胶履带，橡胶履带是由橡胶主体、芯金、帘线骨架材料，通过模压硫化而制成。橡胶履带具有接地比压小、牵引力大、振动小、噪音低、湿田通过性能好、不损伤路面、速度快的优点。履带轮采用的材料为聚碳酸酯注塑而成。履带和履带轮联结模拟齿轮齿条啮合，相啮合齿的模数为2。表格3-1所示为橡胶履带基质天然橡胶和顺丁橡胶的主要性能，表格3-2为履带轮材料聚碳酸酯的主要。表3-1 天然橡胶和顺丁橡胶的主要性能品种抗拉强度（MPa）伸长率（%）使用温度（）天然橡胶2535650900120顺丁橡胶1825450800120表3-2 聚碳酸酯的主要性能塑料名称密度(透明性抗拉强度（MPa）抗拉弹性模量（熔点（）聚碳酸酯（PC） 1.2透66702.225220230由表格3-1和表格3-2可以看出，履带基质天然橡胶和顺丁橡胶的抗拉强度比履带轮材料聚碳酸酯低。但是履带是由橡胶主体、芯金、帘线骨架材料组成，碳素弹簧钢丝（如直径为0.08mm）抗拉强度为20592452MPa，因此履带轮出现危险的可能性大，下面对履带轮进行校核。图为主动轮的三维造型图。 主动轮的三维造型图履带轮驱动履带转动时，根据功率的关系： (3-23)式中各符号的意义为：P驱动轮传递给履带的功率，单位为W；主动轮驱动履带的扭矩，单位为；为主动轮转动的角速度，单位rad/s；安全系数，是为了保证有一定的功率裕量和功率损耗，一般取23；机器人的总质量，单位为；重力加速度，单位为；机器人在壁面上运行的速度，单位。设在主动轮工作中一个齿上的剪力为，则有： (3-24)式中，A主动轮齿底部的截面积，单位为；主动轮轮齿底部受到的切应力，单位为Pa；主动轮轮齿底部截面的长度，单位为；主动轮轮齿底部截面的宽度，单位为。对主动轮中心取矩，由平衡方程，可得： (3-25)式中，主动轮工作中一个齿上的剪力为；主动轮的直径，单位为mm；同时处于工作状态的齿轮数；对于主动轮的转动有： (3-26)式中，r主动轮的半径，单位m；联立式3-23，3-24，3-25，3-26可以得到，主动轮轮齿底部受到的切应力： (3-27)式中，安全系数k取2.5，机器人的总重量m为45Kg，重力加速度g取9.8，机器人工作时同时处于工作状态的轮齿数取2.3，主动轮轮齿底部宽l为30mm，主动轮轮齿底部长度b为4.86mm，将以上数据代入式（3-27），可以得到： (3-28)对于主动轮的聚碳酸酯材料可以由其抗拉强度参考其抗切应力的强度，故有： (3-29)由式3-29可知，爬壁机器人的主动轮强度满足要求，综合以上讨论证明可知爬壁机器人的行走机构满足强度要求，能够保证机器人安全可靠地完成工作任务。3.5爬壁机器人车体的设计爬墙机器人的车体是支撑爬壁机器人所有部件的基础，因此机器人车体的设计应尽量简洁工作可靠。机器人的动力源、传动系统、背仓等都是装在车体内部的，因此车体应当做成上下车体组装的形式；为了扩大零部件安装的空间车体设计成上下分层的结构。上下车体之间是用螺栓进行连接的，在机器人工作的过程中车体连接螺栓受到很大的剪切力，因此为保证机器人正常工作应当对螺栓的强度进行校核。爬壁机器人车体长为900mm，宽为400mm，硬质合金铸件壁厚8mm，为提高车体强度，上下车体的内侧均有加强肋板。上下车体连接螺栓使用M16，共12个螺栓，均布在上下车体连接凸出面上。上车体上面凸出室分为两个空间分别放置控制系统和供气系统，上车体前端预留有两个孔一个用于为汽油机加油，一个用于启动汽油机。下车体后部有功能部件联结口，功能部件由螺栓安装在下车体上。在机器人工作的过程中，上下车体连接螺栓承载上车体的重量以使上车体紧紧贴在下车体上并随下车体一同沿壁面移动。因此，车体连接螺栓受到较大的剪。在爬壁机器人工作时，螺栓在结合面除受剪还与被连接件即车体相互挤压。联结损坏可能的形式有：螺栓被剪断，孔壁被压溃等。为防止硬质合金的车体螺栓孔壁被压溃，在安装螺栓时采用衬套，因此孔壁被压溃的可能性相对于螺栓被剪断低。在此，仅进行螺栓受剪强度的校核。设螺栓所受的剪力为（联结受横向力，），如图所示为上下车体联结受剪螺栓受力图，则螺栓受到的切应力为： （3-30）式中，螺栓受到的切应力； 螺栓抗剪面直径； 螺栓抗剪面数目； 螺栓所受的剪力为； 上下车体联结受剪螺栓受力图在爬壁机器人工作时，因为其匀速移动，故可认为螺栓受到静载荷，螺栓的许用切应力为： (3-31)式中，螺栓的许用切应力； 螺栓的屈服强度； 安全系数，取2.5；选择螺栓的材料为35钢，螺栓的性能等级为5.6级则，螺栓的拉伸强度为： (3-32)螺栓的屈服强度为： (3-33)可得螺栓的许用切应力为： (3-34)估算可得爬墙机器人工作时需有12枚
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