抓地式爬墙机器人.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文）（2016届） 一种抓地式爬墙机器人机械部分的设计学生姓名 学 号 院 系 机械与电气工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 完成日期 2016年 5 月 4日 一种抓地式爬墙机器人机械部分的设计摘要爬墙机器人属于移动机器人的一个重要分支, 可在垂直或者角度墙壁面上自由移动, 代替人工在各种条件下完成多种作业任务, 在当前机器人领域越来越受到重视。文中介绍了基于涵道推进方式的抓地式爬墙机器人的设计，利用机器人推进风扇的反向推力与摩擦力及机器人自身重力的协调使机器人吸附在墙面，使其能够适应各种墙面，完成设计时需要其完成的工作，增大爬墙机器人的应用效率。关键词：爬墙机器人；抓地式；涵道推进；吸附；履带式Design of a grip type wall climbing robotAbstractWall climbing robot is an important branch of the mobile robot can move freely in the vertical or angle of the wall surface, replace the artificial in a variety of conditions to complete a variety of tasks, in the current robot field, more and more attention. This paper introduces the Culvert propulsion method based grasping of the type wall climbing robot is designed, the robot propulsion fan reverse thrust and friction force and robot self gravity of the coordination of the robot adsorbed on the wall, making it can adapt to the wall, to complete the design need to complete the work, increase the utilization efficiency of wall climbing robot.Key word：Climbing robot; grip; Culvert propulsion; adsorption; crawler目录摘要IAbstractII1、 绪论11.1研究背景11.2国内外发展现状1（1） 机器人移动方式3（2） 驱动装置3（3） 能源问题3 1.3本文研究的主要内容32. 爬墙机器人的总体方案的设计42.1爬墙机器人基本原理42.2机器人力学分析42.3机器人的抗倾覆能力52.4机器人的自竖直机制62.5爬墙机器人的运动分析73. 涵道推进式爬墙机器人结构83.1基本结构83.2总体设计要求83.3确定相关参数83.4相关数据的计算9（1） 轮毂与底盘链接轴的相关计算9（2） 滚动轴承寿命计算103.5爬墙机器人的工作结构104. 整体分析115. 总结12参考文献：12致谢141、 绪论1.1研究背景 随着工业4.0的到来，机器人领域越发的活跃起来，其在各行各业中都得到了应用和发展，其中爬墙机器人在生产生活中的作用也凸现出来。 首先在建筑领域，随着人类建筑物高度的不断提升，高层建筑的各种问题随之出现，高层建筑的日常维护，以及救援成了棘手的问题。爬墙机器人的出现可以代替人工从事高空喷涂墙面、壁面清洗、擦洗高层玻璃等工作。其次在石油化工领域，爬墙机器人还可以对各种储存罐进行视觉检查、测厚、焊缝探伤，以及对于金属内外壁进项检查、除锈、喷砂、喷漆防腐等。再次在消防部门中，爬墙机器人还可以用于进行救援工作或者运输救援物资等工作，大大保证了消防员的安全。1.2国内外发展现状爬墙机器人在墙面上的移动功能和吸附功能是其最基本的两个功能。国际上，在研究开发爬壁机器人上日本是开始较早且技术领先的国家之一，其相继成功设计了各种爬壁移动机器人。如日本应用技术研究所研制的车轮磁吸附式爬壁机器人（如图1）图1 车轮磁吸附式爬壁机器人它可以吸附在各种大型构造物如球形煤气罐、油罐、船舶等的壁面， 代替人进行各种所需检查或修理等作业。这种爬壁机器人利用磁性车轮对壁面产生吸附力， 其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达到9mmin， 适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。国内爬壁机器人相对与国外而言，开展时间较晚，不过技术进步也很快，先后出现了各种检测用机器人以及玻璃外墙清洗机器人等。例如我国哈尔滨工业大学机器人研究所，已经成功研制出永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人和单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人。永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构（如图2）图2 磁吸附式履带爬壁机器人结构利用在履带上安装的数多个永磁体其中的几个吸附块，使其更好地吸附在墙壁表面上(受墙壁材料的限制)，形成一定的吸附力，通过履带（由链条和永磁块组成 )和墙面的直接接触，实现机器人在墙面上的吸附和移动功能。单吸盘（如图3）真空吸附车轮行走式爬壁机器人利用真空泵是产生的负压使负压腔内形成一定程度的真空度（不受墙壁材料限制，但受墙面粗糙度的限制）。使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力， 从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。图3 单吸盘车轮式密封机构近些年来，英、美、俄等国的科研团队解释了壁虎在墙壁上攀爬的因素，由于分子间的作用力范德华力。范德华力是指分子间距离非常小时产生的一种电磁力。着手于壁虎爬墙的原理的研究，可用于爬壁机器人的研制。（1） 机器人移动方式在历来的爬壁机器人的设计中，应用最为广泛的是履带式和轮式的移动方式其中有着其独特的有点，但也有其不足之处。足式移动方式的出现可以使机器人拥有更强大的跨障能力，对于复杂平面有着更好地适应能力。另外，足式移动方式根据其结构的特点有多自由度的存在，使得机器人的运动变得更加的自由。由此可见，足式移动方式的机器人对于爬壁机器人方面有着很大的发展空间。（2） 驱动装置传统的伺服电机体积大、重量大，在较高速运行时还需要庞大的减速机构，对于爬壁机器人移动带来困难，寻找各种轻重量、小体积、高效率的电机变的尤为重要。微特电机的出现很好的解决这一问题，其大扭矩、轻重量、小体积对于各种机器人来讲都意义非凡。微特电机技术可以使机器人智能、轻巧可靠和高的运行寿命的需要变得更易满足。爬壁机器人的发展顺应微特电机的趋势，朝着更小、更轻、更灵活等方向改变。（3） 能源问题现存的锂电池虽然相同体积、重量下的储电量已不容小觑，但是对于爬壁机器人来讲仍然庞大，探索出一种新的供电性能强、体积小的电池或者另外的能量传输方式变得很迫切。目前在国内外都在为此进行研究，日本在这方面取得了较大成果。日本已经最近告成将微博技术应用到无线机械产品上，该技术功能的实现将会对爬壁机器人的成长进程有着很大的促进作用。1.3本文研究的主要内容笔者在本文所讨论的爬墙机器人是一种基于涵道风扇的反向推进方式的爬壁式机器人，机器人利用推进风扇的反向推力与摩擦力及机器人自身重力的协调使机器人吸附在墙面。相对于以往的磁吸附式爬墙机器人或者真空式爬墙机器人，基于涵道推进的爬墙机器人没有对于墙面有着更多的限制，不需要属于可吸附金属和高的平整密封性，可实现各种墙面的运动，具有很好的应用前景。2. 爬墙机器人的总体方案的设计2.1爬墙机器人基本原理涵道推进式爬墙机器人主要由机器人底盘和涵道风扇装置组成，能在各种角度的平面上行驶以及悬停。通过添加机器人工作所需的相关工作元件，可以使机器人在墙面、壁面棚顶等极限环境中进行检查、清洗、喷涂、运输等工作。在现实生活中，大部分物体之间的摩擦系数都在0.3-0.8之间，机器人若是想吸附在墙壁表面，则需要有超过自身重力一两倍的压力才得以实现，因而实现功能是比较困难的。由此在实际应用中，机器人的这种正压力一般只是用作其贴附在墙面上满足实际应用做需要的必要压力，而真正的在墙面上的移动主要是通过上方悬挂缆绳来实现的，然而这种方式有很大的局限性，并不能在实际应用中得到大力的推广。 为了解决上述问题，本文提出的爬墙机器人充分利用了在墙面上时，机器人和负载的重力、风扇的反向推力以及摩擦力的合理协调，经过合理的设计实现爬墙机器人的工作需求。涵道推进式爬墙机器人的移动系统采用履带式运动，增加机器人抓地效果，并且增强机器人的的越障能力，使机器人适应多样化的墙壁表面。机器人的吸附系统利用机器人自身的涵道风扇的方向推力作用使机器人更好的吸附在表面，受墙壁表面的材质以及外形的影响很小。2.2机器人力学分析为了方便表述与计算，现将机器人的所受的涵道风扇的推力用力F代替（如图4示），机器人受到的向上的合力为，当摩擦力的方向竖直向上时，与车体底盘和风扇端面的夹角（通过涵道风扇上的调节舵机的转向作用来实现风扇的倾角效果）以及履带和墙壁之间的摩擦系数的关系如下（2-1）所示：（2-1）其中，关于摩擦因数的函数关系式如下（2-2）示：（2-2）为了更好地发挥涵道风扇的推进作用，取最大时的夹角为最佳夹角，易得（如图5示），此时的夹角为。此时机器人所受的升力的最大值为。（2-3）机器人所受的总的合力为涵道风扇自身推力的倍，机器人所需推力的最小值比起自身的重力要小。如果采用正压力式的推进方式，则需要为机器人自身重力的2-3倍左右的涵道推力，因而此时采用一定角度的风扇更好地利用了涵道风扇的推力，提高了爬墙机器人的效率，降低了能量的消耗。 图4 图52.3机器人的抗倾覆能力当机器人的涵道风扇与机器人的底盘有一定夹角的时候，其风扇的推力跟中心不会跟车体平面重合，将会产生一个容易使机器人发生倾覆的力矩（如图6示），其受力关系如下式（2-4）所示（忽略履带的摩擦力矩产生的轻微影响）：（2-4）图6 受力情况上图中，H、h分别为涵道风扇的力的作用点和机器人的中心跟车体表面高度的距离，L、l分别为前后轮轨的轴距及风扇和后轮轨的轴距。（2-5）（2-6）从以上各式可以看出，导致机器人发生倾覆的原因主要和轴距L、l的大小有关系，并且涵道风扇的位置也对其有影响。当其轴距满足上述关系式时，机器人车体不会有倾覆的趋势。2.4机器人的自竖直机制 利用涵道风扇推进机器人在墙面进行转弯时面临一个问题，就是随着机器人的转向涵道风扇会跟着转变推理的方向，这将无法实现机器人在墙面上的悬停。因此为了确保机器人在转向或者发生偏转时仍能够保证涵道风扇的推力方向不变，采取一种方案：设计一个支架使其能绕着机器人的底盘自由旋转，将电池和风扇放在底盘的后方，保证其重心远离支架的旋转中心（如图7所示）。这样支架能够像摆锤一样始终保持着竖直。但是由于风扇的推力远大于支架加上风扇的重力，因而要对其受力做必要的分析。风扇的推力方向朝着风扇与支架的旋转中心，当机器人旋转或者偏向时，设其中心线与竖直重力方向的夹角为，此时重力G的方向边不再与其中心线重合，G会产生一个回复力矩（如图7所示），其关系如下所示： 图 7 图8 （2-7）上式中，G、k分别为风扇、电池和支架的总重及他们的重心跟旋转轴的距离；为装配误差产生的旋转轴摩擦力矩推力偏心力矩的和，其值很小。针对而言Gk的值比其要大很多，因而支架的偏转角很小。在机器人进行转向或者偏转时，这个微小夹角的存在并不会怎么影响涵道风扇推力的方向。2.5爬墙机器人的运动分析具体的运动轨迹是用于移动覆盖在所有未占据空间的重要信息。区回补操作也叫全覆盖路径规划是一种常见的和有用的一种路径规划，这需要机器人路径覆盖的每一个部分工作区。选择和评价的标准不同种类的路径规划应综合工作安全，工作效率和百分比移动覆盖。一种爬墙机器人的应用可缓解工作人员的危险，并进行自动工作的可能，安全生产是用于评估该路径的第一个重要的因素。在爬墙机器人的运动作业中，要实现例如清洗墙壁表面的功能，难以和地面上的多足机器人那样轻松跨越障碍，并且针对于在墙面上的机器人具有更好的危险性。针对于差异的限定条件以及完善策略，即可归纳得到合适的机器人基本运动的序列组合，可以实现爬墙机器人所需的工作目标。本文中结合涵道推进方式容易发生偏转的特点，对于爬墙机器人的运动路径采用“川”字型路线，将涵道推进式的爬墙机器人缺点所带来的影响减到最低。3. 涵道推进式爬墙机器人结构3.1基本结构涵道推进式爬墙机器人由运动底盘和涵道风扇两大部分组成（如图9所示）。其中运动底盘实现机器人在相关墙面上的运动和完成所需要的工作的装置；涵道风扇用于提供机器人吸附在墙面上的吸附力以及工作所需的吸附力。在机器人的底盘上分布有传动动力、推进转向、控制、所需完成工作的机构等部分。机器人的运动动力系统由带有自锁机制的蜗轮蜗杆减速器和直流电机提供。利用蜗轮蜗杆的自锁机制和履带式推进机构的结合可以使机器人在墙面上时不产生滑动，并且具有较好的跨障能力，适应各种墙面。涵道推进装置包含有涵道推进风扇、电池以及支架等。涵道风扇在支架上可自由旋转以适应机器人的转向偏转和各种角度的墙面，并且提高了风扇推进力的应用效率。图 93.2总体设计要求外形尺寸：600（长）300（宽）300（高）mm清扫面积：不小于10平米/小时负载能力：不小于1kg噪声：90dB3.3确定相关参数根据上文的公式，取现实生活中橡胶轮胎与粗糙水泥之间的摩擦因数=0.5，得涵道风扇的偏角=26.6，另取推力。支架的高度H和涵道风扇的半径R确定H，其关系为。根据设计的要求，选取64涵道风扇标配kv4500马达，适配电调40A，标准反向推力2.5Kg，直径为64mm。结合上式，旋转支架的高度H取在510的范围内，由此可得H=42。有估算可得由底盘、风扇和电池确定的h=1/3H=14.结合以上各式及其参数可得：（3-1）当时，机器人的前后轮对于墙面有着相同的压力，此时车体维持平衡，L和l的关系为：（3-2）根据电机和电池的相关尺寸，可得l的取值范围为（3-3）综合各项数据，涵道推进式爬墙机器人的相关参数如下表所示：表1长度（mm）宽度（mm）风扇倾角（）总重（Kg）负载重（Kg）26215026.561.813.4相关数据的计算（1） 轮毂与底盘链接轴的相关计算轴的扭转强度关系为：（3-4）其中：为扭转切应力，单位MPa； T为轴所受扭矩，单位为Nmm； 为轴的抗扭截面系数，单位为； n为轴的转速，单位为r/min； P为轴的传递功率，单位KW； D为轴截面处直径，单位mm； 为需用扭转切应力，单位MPa。由上式可得轴的直径：（3-5）带入上式可得：D5.7mm，所以取轴的直径为6mm。（2） 滚动轴承寿命计算根据机器人在墙面上需要满足的运动，轮毂收到很小的轴向力，因而选择深沟球轴承即可满足基本要求。轴承基本额定寿命（以小时数表示）为：（3-8）代入上式可得： 查阅资料可得，该轴承的基本而定报告动载荷为综上可得，符合要求。3.5爬墙机器人的工作结构以上所述主要讲述了，机器人在墙面上吸附和运动的得以实现，对于机器人所需要完成工作的基本结构没有讲述，现针对应用最广的墙壁清洁机器人的结构做以下分析：机器人的清洗装置是机器人在墙面执行清洗工作时所需的具体的工作装置，对于不同的墙壁表面其清洗方式和用于工作的机构装置有着很大的不同。对于表面比较光滑的玻璃幕墙，可以利用清洗刷加上刮水器的组合或者由喷雾剂、擦洗器以及雨刷的组合。对于水泥壁面，其表面污渍较多，切容易存于缝隙之中，可以利用类似牙刷的软硬毛交替设计的清洗刷，其去污能力强，但是在应用中振动比较激烈，对于教软表面的清洗是不适合的。墙壁清洁机器人由爬墙机器人和完成清洗所需要的机械手组合而成。机械手的设计如下图9所示。在机械手的肘部的前端位置安装有用于观察和检测墙以及前端情况的微型摄像头。机器手位于爬墙机器人的前端（可拆卸），是一个用于自动清洗墙壁的装置。机械手由清扫刷、清扫电机、连杆、腕部电机、小臂、肘部电机以及肩部电机等机构组成，拥有4个自由度。由于清扫电机只可以实现清扫动作，无法实现位置上的移动，利用腕部电机、肘部电机以及肩部电机之间的协调配合，实现清扫刷足以清扫所需清扫的区域。清洗装置的整体结构应用四杆连杆机构的设计，使其在机械手移动换位置时，可以确保清扫刷始终保持垂直墙面。另外，利用四杆机构可以减少机器人在空间上的自由度，有利于对爬墙机器人和其清扫机器手的整体控制。图10 清扫机械手结构4. 整体分析通过涵道风扇的推力使爬墙机器人吸附在墙面上，在爬墙机器人的相关研究方面又是一种新的尝试。这种爬墙机器人对于墙壁的表面没有特别的要求，可适应多种基本墙面。另一方面，机器人采用履带式的移动方式，可以实现一定程度的跨障要求，适应性相对较高。但是由于采用涵道风扇的推进方式，会受外界风速的一定影响。另外，在涵道风扇转动时会对机器人车体产生一个逆向力矩，造成机器人的两条履带对与墙面的抓地力不同，影响机器人的转向。并且由于实现机器人的吸附所需的推力较大，涵道风扇由此产生的噪声不容忽视。总的来讲，涵道推进式的爬墙机器人有着广阔的发展应用前景。通过我们的不断努力，克服更多的问题，相信在未来这种机器人一定会有其用武之地。5. 总结通过将近半个学期的认真的搜索和写作，终于完成了一种抓地式爬墙机器人机械部分的设计这篇毕业设计（论文）的写作。从最初有关机械课程总结的论文题目的确定一直到论文主题内容的完成，在此过程的每一次向前都是我对于大学四年所学知识的一次完善和对未知困难的挑战和创新的尝试。这篇毕业论文的完成也代表这我大学最大的一份作业的完成，同时也是我凭自己的认真负责独自完成的最大的一份任务。在对于论文写作的整个过程中，我加深了自己很多不熟悉的只是，并且也了解到了自己之前不清楚的信息，通过对于所需信息的各种查询和整理，使我对于自己专业的相关知识变得越来越熟悉起来，脑海中那些模糊不清的知识点一点点串了起来，变得更加的清晰。同于书本上查询不到或者感受不到的东西，通过在毕业实习公司的认真学习了解，我对自己毕业论文的完成变得越来越有信心。每一次对于论文改进都是我学习的收获，每一次对于新知识的掌握，都会让我的心情激动好久。 尽管我的毕业论文不是想象中的那么完善，还存在着许许多多的不足，但我可以自豪的讲，论文中的字里行间，都有我艰辛的付出。当看到自己通过克服各种困难而完成的毕业论文，有一种莫大的欣慰感。我相信在论文写作过程中的酸甜苦辣最终都会成为我人生大道的垫脚石。相信这次学以致用，认认真真完成论文的经历，会是我人生的一大笔财富，它将在我以后的学习生活中，给我更加积极进取、奋发向上的动力。参考文献：1 濮良贵主编机械设计（第七版）M 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Climbing cleaning robot for vertical surfacesJ. Industrial Robot: An International Journal . 2009 (4) 15 U.S. Patnaik Durgumahanti,Vijayender Singh,P. Venkateswara Rao. A New Model for Grinding Force Prediction and AnalysisJ. International Journal of Machine Tools and Manufacture . 2009 (3) 16 Hwang Kim,Dongmok Kim,Hojoon Yang,Kyouhee Lee,Kunchan Seo,Doyoung Chang,Jongwon Kim. Development of a wall-climbing robot using a tracked wheel mechanismJ. Journal of Mechanical Science and Technology . 2008 (8) 17 Jinyuan Tang,Jin Du,Yongping Chen. Modeling and experimental study of grinding forces in surface grindingJ. Journal of Materials Processing Tech. . 2008 (