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摘 要
随着城市高层建筑的兴起，以玻璃壁面为代表的壁面结构逐渐演绎成华丽的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任务，爬壁移动机器人可承担此清洗、任务，将为人类带来巨大的经济效益和社会效益。
爬壁移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。
吸附式爬壁清洗机主要由吸附部分、移动部分和清洗部分组成。爬壁清洗机应该具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力大于清洗机的重力，从而防止坠落，同时还应具有驱动机构，能够使清洗机在壁面上自由移动，并且有电机控制清洁头旋转，当清洗机在壁面上移动时能够完成对壁面的清洁工作。
本文设计的吸盘吸附爬壁清洗机器人具有如下功能：吸附与行走功能、壁面适应功能、完成清洗工作的能力。
行走功能由履带与履带轮相啮合形成履带完成。
吸附机构采用真空吸附技术，设计吸附机构要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。
清洁机构是与爬壁机器人相配合用于壁面清洁的机器人附件，实现对壁面的清洗。
本文设计的吸盘吸附爬壁清洗机器人结构简单，操作方便，适合未来发展方向，有很大的市场前景。
关键词：吸盘吸附 机器人 爬壁清洗 履带
ABSTRACT
With the development of city of tall buildings with glass wall, as the representative of the wall structure has evolved gradually into a gorgeous "city coat", derived from the heavy wall cleaning tasks, wall climbing robot can undertake the cleaning, tasks, will bring huge economic benefits and social benefits for human.
Wall climbing robot is a kind of ultimate robot capable of moving on the vertical wall of the operation, the robots in Japan in the limit of robot has been particularly active.
Adsorption type wall climbing cleaning machine is mainly composed of adsorption part, a moving part and a cleaning part. Wall climbing cleaning machine should have certain adsorption capacity, friction generated more than cleaning machine, gravity, and thus prevent the fall, but also has a drive mechanism, can make the cleaning machine free movement on the wall, and a motor control cleaning head rotation, when the cleaning machine to move on the wall surface can finish the work on time wall cleaning.
The suction wall climbing cleaning robot is designed in this paper has the following functions: adsorption and walking function, adaptability to wall surfaces function, complete cleaning work.
Walking function by the track and the track wheel meshed track to complete the form.
The adsorption mechanism adopts vacuum adsorption, adsorption mechanism design to produce adsorption ability, it can safely and reliably adsorbed on the work surface to ensure the robot working process.
Cleaning mechanism is matched with the wall climbing robot for wall cleaning robot for wall cleaning accessories.
Sucking the wall climbing cleaning robot has the advantages of simple structure, convenient operation, suitable for the future direction of development, have great market prospects.
Keywords: suction wall climbing cleaning robot crawler
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪 论 1
1.1选题背景及其意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3 Pro/E软件介绍 4
第二章 爬壁机器人原理方案拟定 7
2.1 履带式磁吸附爬壁 7
2.2 车轮式磁吸附爬壁 7
2.3 履带式吸盘吸附爬壁 7
2.4 原理方式比较 7
2.5履带式吸盘吸附爬壁机器人各部分方案拟定 8
2.5.1 吸盘吸附爬壁机器人功能要求 8
2.5.2 清扫履带结构的方案拟定 9
2.5.3 爬行机构的方案拟定 9
2.5.4 清洗机行走机构方案 10
2.5.5 清洗机清洗机构的设计 10
第三章 传动及动力设计与计算 11
3.1 吸盘设计 11
3.2 吸盘机构设计 15
3.3 清洗机构齿轮传动设计 16
第四章 结构设计 22
4.1 行车主体设计 22
4.2 清扫刷设计 22
4.3 履带结构设计 23
4.4 配气盘结构设计 26
第五章 三维建模与虚拟装配 28
5.1 零件建模 28
5.1.1车体底座建模 29
5.1.2履带建模 30
5.1.3配气盘建模 30
5.1.4 轮轴建模 31
5.1.5 齿轮箱盖建模 31
5.1.5 齿轮建模 32
5.2 虚拟装配 33
结 论 35
参考文献 36
致谢 38
第一章 绪 论
1.1选题背景及其意义
机器人是人类二十一世纪的伟大发明之一，是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会产生深远的影响。机器人产业已经成为当代应用最广泛、发展迅速的高科技产业之一。机器人作为高科技领域的一个重要分支，将成为二十一世纪各国争夺的经济技术的制高点。
随着城市现代化发展，特别是高层建筑的兴起，以玻璃壁面为代表的壁面结构逐渐演绎成华丽的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任务，并且许多国家已经对建筑壁面的清洗要求做出了明确规定。另一方面，越来越奇特的建筑结构使清洗的难度越来越大，甚至采用传统的清洗方法已无能为力。然而，在社会文明高度发展的今天，人们对生命安全越来越重视，要求停止使用蜘蛛人的呼声已不绝于耳，因此人们期待新的具有人性化的清洗方式出现
在高层建筑墙面清洁工作中，爬壁清洁机得到了广泛关注，它将人类从繁重、危险的高楼清洗工作中解放出来，它凭借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。爬壁清洗机能有效降低高层建筑的清洗成本，提高清洁效率，同时也推动了清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。
本课题主要设计一种履带吸盘式爬壁清洗剂，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，可为清洗机提供足够的吸附力。吸盘式结构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。
1.2国内外研究现状
爬壁移动机器人广泛应用于维护、检查、消防、救援、清洗、情报和国防领域等，必将为人类带来巨大的经济效益和社会效益。各工业发达国家都投入大量人力物力，积极进行其理论和技术研究，如日本、美国、英国、俄罗斯、德国、奥地利、西班牙等国相继研制出一些各具特色的爬壁移动机器人实验样机。我国在国家自然基金和863计划的大力支持下，从上世纪90年代中期也相继开发出一些爬壁移动机器人样机。
爬壁移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。早在1966年，在大阪府立大学工学部任讲师的西亮利用电风扇进行侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机。1975年，已经身为宫崎大学工学院部教授的西亮又制作了以实用化为目标的二号样机，这是个单吸盘结构、靠轮子行走的壁面移动机器人。此次以后各国著名的大学、研究所、公司纷纷投入力量广泛开展用于极限作业的壁面移动式机器人的研究。
传统爬壁机器人有很多的不足之处，例如对壁面的材料和形状适应性不强、跨越障碍物的能力弱、体积大、质量重等，因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展，在以下三个方面做到进一步完善或有所突破。
首先，新的吸附方式与吸附装置的产生与应用。最近几年，美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力——范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现，壁虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛，每根细毛直径约为200至500纳米，约是人类毛发的直径的十分之一。如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时，可吸附住质量为13千克的物体。
利用壁虎吸附壁面的原理，由美国斯坦福大学教授马克库特科斯基带领的研究小组开发了一种称为“粘虫”( Stickybot )的“壁虎机器人”，这种机器人的足底长着人造毛(由人造橡胶制成)。这些微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。这种突破很好地解决了吸附力不足及机器人对壁面的材料和形状适应性不强的问题。
为了探索新的吸附方式与吸附装置，相关研究可以综合运用仿生学、类比、模拟和模型方法，通过高分子材料化学、工程材料科学、力学和机械学的交叉研究，以产生出更多更好的吸附壁面的方式，打破制约机器人吸附壁面的种种瓶颈。
其次，移动方式得到改善与优化。在移动机器人中广泛应用的是轮式和履带式移动方式，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对容易地跨过比较大的障碍例如瓷砖间隙、壁面小突起等；并且机器人的足具有大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，因此可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。
第三，驱动系统和动力部分朝着原理更新、可靠性更高、机电一体化、超微化、新结构等方向发展。传统的爬壁机器人因为伺服电机功率重量比低，为平衡重量应放置在离驱动系统较远的位置，但这种布置会使机器人结构更加复杂。普通的蓄电池重量大、储能少不能满足爬壁机器人对能源的需求。这些问题都需要驱动和能源相关技术的发展进步，需要将先进的、最新的科研成果应用于爬壁机器人的研究与开发。
相对国外，我国研究和开发机器人始于七十年代初期，国内爬壁移动机器人研究起步较晚。1975年在北京举行的日本科技展览会上，川崎重工业公司首先在中国展出了工业机器人，以此为起点，我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。北京自动化研究所、上海交大、沈阳自动化所、大连组合机床所。广州机床所等十几个单位纷纷开始研制机器人。
目前高层建筑墙面作为高楼外防护结构的现象越来越普遍，为了保证玻璃外观的整洁美丽，就需要定期对玻璃表面进行清洗，而大部分玻璃幕墙采用人工清洗作业。这种清洗方法是靠升降平台或吊绳悬挂由人进行玻璃幕墙的清洗，作业方式简单易行，但效率低且成本高，更重要的是高空环境条件恶劣易引发安全事故。随着控制和机电技术的发展，壁面清洗机器人应运而生。利用壁面清洗机器人作业将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有相当的社会、经济意义和广阔的应用前景。玻璃幕墙爬壁清洗机器人的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命。
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