【《关于某负压式爬壁机器人的总体结构设计分析案例》5900字（论文）】

关于某负压式爬壁机器人的总体结构设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u3459关于某负压式爬壁机器人的总体结构设计分析案例 197481.1爬壁机器人的主体结构设计 1285001.1.1爬壁机器人的底板结构设计 229191.1.2爬壁机器人的吸附结构设计 3321671.2爬壁机器人的移动结构设计 324811.1.1采用麦克纳姆轮作为机器人的移动结构 4232091.3爬壁机器人的驱动结构设计 5287181.3.1麦克纳姆轮的驱动电机选型 580041.3.2螺旋桨的驱动电机选型 6266831.4爬壁机器人的电源选型 81.1爬壁机器人的主体结构设计在许多发展建设中，有许多各种各样的爬壁机器人已经进入或者即将进入各类危险的工程作业中，负压吸附式爬壁机器人最主要的一个特征，就是机器人可以克服机体本身重力的作用，使机器人本体可以工作在水平、竖直或倾斜度较大的一些壁面，通过控制机器人的移动，以达成人们的工作目的，负压吸附式机器人的体重相对于各类爬壁机器人来说，相对于处在一个比较低的位置，其原因是由于机器人的吸附方式是通过大气压强的作用使其能够在壁面移动和工作，不同于各类具有强抓能力的爬壁机器人，此类机器人并不具备强抓属性，其本身是通过螺旋桨转动形成的近工作壁面与远工作壁面压力差使得的空气压强能够作用在机器人远工作壁面上，以此完成吸附，由此其体重是首要考虑的问题。本文设计的爬壁机器人主体结构采用更加轻盈、价格优美的亚克力材料作为机体的主要结构组成，机体的构建以及底板的承重。由于本文采用的吸附方式为负压吸附式爬壁机器人，该机体本身体积较小，整体结构较为简易，其组成零部件皆为小型器械和轻质材料，主体结构的设计要求也会按照原先计划好的，整体采用便宜轻质的材料制作，为的是使得整个爬壁机器人的重量尽可能的降低，以符合螺旋桨产生的动力，防止由于吸附力不足，导致机器人无法稳定的在壁面上进行运动，出现脱落的危险，因此，该机体的主体结构部分主要选用轻质材料制作。1.1.1爬壁机器人的底板结构设计爬壁机器人的底板结构作为机器人其他结构的支撑及连结，同时满足轻质的要求，在现有的DIY定制板中，有以下几种轻质材料可供选用，PP板，也可以叫做聚丙烯板，密度在0.89~0.91克/立方厘米，通过PP板加工出来的成品，厚度均匀、表面光滑平整、耐热性好、机械强度高，材料制成的成品韧性较好，被广泛运用于各个领域。亚克力板，又叫有机玻璃，密度在1.19~1.20克/立方厘米，制作材料为聚甲基丙烯酸甲酯，是一种发展较早的重要可塑性高分子材料，具有良好的化学稳定性、透明性、易加工、耐磨性较好，硬度上优于PP板所制成的成品。碳纤维板，指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，其密度在1.5~1.8克/立方厘米，有着较高的强度和韧性，具有耐高温、抗摩擦及耐腐蚀等特性。本文的机器人底板结构采用亚克力板材定制加工，底板如图2-1所示图2-1负压吸附式爬壁机器人底板图-长宽高分别为280mm*280mm*3mm，同时需要能够支撑的起电机带动螺旋桨所产生的推力，PP板相对于亚克力板来说，在密度上小于亚克力板的密度，重量也更轻，但在厚度比较小的情况下，PP板由于其韧性较强，同时也更柔软，板块会产生较大的形变弯曲，无法能够很好的支撑起机器人的各个结构，有可能使得机器人的各个部件发生位移，对机器人的运动产生不好的影响。在碳纤维板和亚克力板的定制选择上，由于本文的机器人体型不大，在两种材料的强度皆可满足机器人底板要求的情况下，将采取定制加工亚克力板的方案，为机器人设计一块负责支撑和连结各个模块和装置结构的底板。1.1.2爬壁机器人的吸附结构设计吸附式的爬壁机器人的吸附原理主要通过利用空气流速不同所产生的内外压力差，使得压力小的一面被压力大的一面通过空气产生的内外压力差牢牢的压在壁面，使得机器人受到一个垂直于壁面的压力。本文所设计的爬壁机器人采用负压吸附式的方式，通过微型高速无刷电机带动螺旋桨转动使得机器人内外层产生压力差，爬壁机器人在空气压力的作用下，克服重力的影响吸附在壁面。本文的吸附装置如图2-2所示图2-2吸附装置整体结构图由一个朗宇X2820，1100KV高速无刷电机、一个乾丰马刀桨APC桨、一个XT60和香蕉头80A电调以及一块电调控制器测试仪组成，各个零件之间相互连结通过专门的电源给予供能，使电机带动螺旋桨高速旋转，此时吸附装置会给机器人一个垂直于壁面的推力，同时靠近壁面一侧的机器人底下空间内的空气会受到吸附装置的影响向外流出，使得机器人靠近壁面一侧的气压小于远离壁面一侧的气压，在内外压力差的影响下，爬壁机器人会受到垂直于壁面的压力，从而吸附于壁面上，实现爬壁作用，机器人受到的压力大小取决于电机带动螺旋桨的转速有多大，螺旋桨转动的越快，机器人内外层的压力差就越大，吸附的效果也就越好。1.2爬壁机器人的移动结构设计目前在爬壁机器人系统中，绝大部分爬壁机器人的移动方式会跟随机器人结构做出特化处理，更加贴合机器人本身的行为方式和结构类型，从而进行移动方式的设计以配合机体本身的结构，但是其运动的灵活性会随着机体结构而下降，如磁吸附式的由磁性材料制作成的移动机构本身重量会变得更大，使得灵活性大大下降。仿生吸附式的移动机构在壁面爬行时无法迅速的进行移动，同时价格昂贵。静电吸附式其本身的重量较大，同时对于工作环境的要求较高，无法实现灵活度较高的动作。因此在本次设计中机器人的移动结构采用轮式结构，由于其制作材料重量较轻，结构较为简单，在当今科技发展水平下，使得轮式制作成本较低。使用轮式结构作为机器人的移动方式，在其本身具有良好的结构下，为了能够让机器人获得更高的灵活度，采用麦克纳姆轮作为爬壁机器人的移动结构，使得机器人拥有更好的灵活性，具有原地转向，可在行进过程中任意改变方向，反应更为快速等优点。1.1.1采用麦克纳姆轮作为机器人的移动结构爬壁机器人在能够在壁面进行爬行的工作得益于前人优秀的想法诞生的吸附方式，在完成了能够依存壁面的状态后，需要考虑如何让该技术应用于更多的场合，而移动方式的选用成为机器人工作方式拓展的基础，在不同的移动方式下机器人发挥的功能也各不相同，本文将采用如图2-3所示图2-3爬壁机器人的麦克纳姆轮移动结构图轮式结构的60mm麦克纳姆轮作为爬壁机器人的移动结构，麦克纳姆轮结构不同于往常的轮式结构，麦克纳姆轮是一种可全方位移动的全向轮，简称麦轮，麦轮辊子轴线和轮毂轴线夹角成45°，麦轮的轮毂的轮缘上斜向分布着许多小轮子，所以轮子可以横向滑移，小轮子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小轮子的包络线为圆柱面，所以该轮可以向前滚动，通过四个麦轮的组合，可以使机构实现全方位的移动，使得爬壁机器人灵活度大大增加，在狭窄的空间也可做出方向的改变，适应不同的工作场景。1.3爬壁机器人的驱动结构设计爬壁机器人的驱动结构主要由机器人移动结构与吸附结构组成，驱动方式的选用将会直观的体现在爬壁机器人在攀爬时能否以正确的姿态、稳定的吸附、高效的移动进行工作。科学技术发展的今天，常见的机器人的驱动方式主要由气压驱动、液压驱动、电机驱动组成，各类型的驱动方式皆有其各自的优缺点。气动驱动其应用范围较广，整体结构重量较轻，结构及原理较为简单，其工作内容物为空气，对环境较为友好，但在工作过程中由于空气具有压缩性，在运作过程中会出现压力的损失，使得精度下降，同时该驱动结构需要外接空气源，使得其整体体积较大。液压驱动是工业上常见的驱动结构，其结构本身具有较大的驱动力，技术成熟，可靠性高，适用于大型设备的驱动装置，但由于结构本身的工作元器件需要较高的要求，重量较大，需要液压泵进行充能，并不适合安装在小型的机器人上。电机驱动种类较多，以直流电机为例进行介绍，包括了普通电机，步进电机，减速电机和伺服电机。普通电机经常出现在我们生活中，常见于各类电动玩具，通过正负极接电转动，该电机转速过快，扭力过小的特点，无法很好的进行调控，一般不应用于机器人上。步进电机通过接收步进驱动器的脉冲信号进行固定角度的转动，在非超载的情况下，电机的转速，停转的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，伺服电机驱动方式其信号响应速度快，力矩大，精度高等优点，但需要与减速传动结构系统搭配使用，设计上较为复杂。减速电机是传动方式新的技术结晶，新型的减速电机占用空间小，坚固牢靠，足够耐用，能够承受一定的过载能力，相对于往时的普通电机增加了齿轮减速箱，使其电机能够输出较低转速同时增加较大的力矩，同时能耗低，性能优越，在小型机器人的领域被广泛使用。1.3.1麦克纳姆轮的驱动电机选型本文将采用TT直流减速电机作为机器人移动方式的驱动结构如图2-4所示图2-4TT直流减速电机图由于机器人所采用的为尺寸为60mm的麦轮，其轮式结构较小，所以机器人的麦轮驱动电机不需要太过强劲的动力，小型的直流减速电机即可实现基本的驱动功能，满足大部分小型DIY机械电子设备的运动需求，能够很好的充当机械构件的运动装置。本文的直流减速电机选用的是塑料轴TT马达，其参数为，减速比1：48，输入：3-8V，输出：120-240RPM，重量约30克，选用TT塑料联轴器作为驱动电机和麦轮的连结杆，TT直流减速电机，简称TT马达，作为减速电机的一种，TT马达以其简单的组装方式，扩展性强，价格低廉，小巧轻便等诸多特点被广泛应用于电子DIY，机器人制作等动力装置的驱动结构，通过对TT联轴器的应用为TT马达和麦轮之间提供连结通道，再通过普通型号的TT马达支架，使用对应的M3螺钉螺母使TT马达固定在支架上，由剩下的马达支架螺孔负责支架与底板之间的连接固定，使得麦轮能够在设计好的底板对应位置进行工作，作为机器人的运动装置进行控制移动。1.3.2螺旋桨的驱动电机选型随着科学技术沿着信息化、智能化的道路不断前进，机电一体化的水平也在不断的进步，在大致了解了目前科技发展水平下的各类爬壁机器人后，结合本人所学的知识，吸附方案的选取会在便于完成的吸附方式上选择一种进行设计，本文采用负压吸附式方案进行设计制作，负压吸附式机器人本篇会采取较为轻量化的材料进行结构设计，通过螺旋桨的压力对机器人机体实现壁面吸附，其机体本身重量较轻，吸附方式较为简单，符合本人技术难度要求，故选取负压吸附式较为好控制的方式作为本次论文设计方案。早期的小型电机驱动，多数采用有刷电机作为动力来源，其原理可以简单概括为，在电机工作时，线圈和换向器旋转，碳刷和磁钢不转动，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。随着科技发展，生产制造的需求，无刷电机也由此出现了，其采用半导体开关器件来实现换向，代替掉了传统的接触式换向器和电刷，大大增加了可靠性，转动过程中无换向火花，噪音小。相比于有刷电机碳刷的损耗，无刷电机的寿命和运转得到了充分的提升。本文设计的的吸附方式，十分依赖电机的性能，其性能的优劣将会直接影响机器人能否利用空气压强的特性稳定的吸附于壁面，从而稳定的进行壁面工作，又有该机器人的体型不算大，整体结构由于吸附的方式，质量不能过于超额，以免降低吸附系统的性能，无刷电机在微型电机方面相对于有刷电机而言，在同样的体积大小下，其性能和特性更加适合小型机器人，无刷电机的寿命相对于有刷电机而言，工作时长有更好的保障，使用寿命将大大提升，以便于更好的进行调试，电机高速的运转能够带动螺旋桨旋转，随着电机高速的运转，螺旋桨能够获得更大吸附力，使得机器人能够更好的吸附于壁面，由于螺旋桨旋转切割空气会产生较大的噪音，包括其他的电机运转也同样如此，随着时间的影响有刷电机的磨损会产生较大的噪音，而无刷电机的噪音相对于有刷电机低于不少，由此降低部分电机带来的噪音污染。本文吸附装置驱动电机选用SUNNYSKY公司生产的X2820，KV1100朗宇高速无刷电机如图2-5所示图2-5无刷电机螺旋桨结构图该公司成立于2006年，为全球飞行器制造企业及爱好者提供高性能的无刷电机、电机控制器等产品，拥有全球最全的飞行器动力产品，其电机性能相较于其他品牌，有着出色的表现，该款无刷电机的定子外径为28mm，转子直径为35mm，出轴直径为5mm，不含轴电机长度为42mm，电机KV值为1100，空载电流1.3A/10V，最大连续电流为60A/15s，最大连续功率为880W，重量138g，支持3-5S锂电节数。在小型电机性价比较高的价格上，有着不错的性能，采用4S锂电池，APC桨11*5.5，80A电调的搭配，电机拉力可达3060gf，输入电压为14.8V，利用高速无刷电机带动螺旋桨产生的内外压力差以达成吸附效果，电机的重量为138g，能够有效降低机器人整体的重量。1.4爬壁机器人的电源选型爬壁机器人的电源模块，对于机器人而言相当于人类的心脏，它所储存的能源作为机器人的动力源，为机器人搭载的各个装置各个模块提供动力能量，其本身的能量效益，决定着机器人各个结构能否充分的发挥各自的作用，以便能在良好的工作状态下，进行稳定的运作，使控制运动能够顺利进行，完成我们想要机器人达成的目标。目前市面上主流的电池分为两大类，一类是由碳性干电池、碱性干电池、纽扣电池和方形电池等组成的一次性电池，该类电池通常应用于生活中的各类小型电器用品，其本身储电量不高，在小型电池使用方面，比较适合应用于不经常使用的电器或者用电量较小的电器之中，但其寿命短，可循环能力差，需要经常更换。另一大类是由镍铬、镍氢电池、铅酸电池、锂电池等组成的可充电电池，该类电池可以进行充放电行为，在配有对应的充电器的情况下，能够进行较长时间的循环使用，相应的价格要比一次性电池高，比较适合应用于经常使用的电器设备，从长远来讲，这类电器使用可充电电池会比一次性电池成本低。本文所设计的爬壁机器人的电源部分，由于主体为小型机器人，相对于其他吸附类型的爬壁机器人，体积上、重量上要小