创新SIT多功能爬壁机器人

1、湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项 目 申 报 表项目名称: 多功能爬壁机器人学校名称湖南大学学生姓名专 业性 别入 学 年 份金睿工程力学男2013李雷机械设计制造及其自动化男2012王琨淇机械设计制造及其自动化男2012韩进华机械设计制造及其自动化男2012指导教师金秋谈职称副教授学科专业机械设计理论学生曾经参与科研的情况湖南省工程模型设计制作大赛 获省级二等奖大学生工程能力训练大赛 获省级三等奖挑战杯湖南大学校赛 获校级一等奖指导教师承担科研课题情况1995-2003参与小型水稻联合收割机研发，通过省级成果鉴定，2002年参与类菱形新概念成研发，2006年参与四轮三轴月球车的结构设

2、计及着陆器的结构设计；本项目为教育部的重点项目。2008年参与无人驾驶汽车机械结构设改造设计；获全国智能车大赛冠军。2010年参与中气子项“基于新概念通用底盘的关键技术研究”，2014年主持重庆市“151”汽车产业升级转型重大专项-C级车AMT变速箱摘挂挡及离合器执行器开发，2006年指导学生参与全国第二届大学生机械设计创新大赛，项目获国家级三等奖，2011级评为优秀毕业设计指导老师，2012年第五届全国大学生机械设计创新大赛二等奖，2012年获全国大学生挑战杯银奖。2013年获全国大学生挑战杯省赛二等奖。指导SIT国家级重点项目五项，组织第五届、第六届全国大学生机械创新设计大赛湖南大学选拔赛

3、，两项发明专利（第一作者）。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题1、项目研究的目的和要解决的主要问题：现代城市高楼林立，采用的瓷砖或玻璃结构的大厦壁面常年裸露在外，需要进行维护和清洁。通过查阅相关文献资料和实地调研发现，迄今为止，这类工作仍由人工搭乘吊篮完成，不仅效率低、成本高，而且对人身安全和大楼壁面构成极大威胁，下图中的“蜘蛛侠”想必我们已经司空见惯。 图1 瓷砖墙壁 图2 玻璃幕墙 图3 人工高空外墙清洗 图4 城市蜘蛛侠并且随着科学技术的发展，生活趋向自动化、智能化，琳琅满目的机器人有效地提高了生产、生活效率，改进生产、生活质量。同时在国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006

4、-2020年）中，明确指出将机器人作为未来优先发展的战略高新技术。综上所述研究并制作一种爬壁机器人，代替人类从事危险性与重复性高的体力活动，为人们的生活提供更大的安全和方便，刻不容缓。并且，现在市场上的壁面清洁机器人类型较少并且很杂，普遍采用的是真空吸附交替行走的足爬方式。其真空吸附分为单吸盘和多吸盘两种形式，单吸盘无冗长性，一旦不抽风便立刻会脱落；多吸盘的壁面若有凸凹或裂缝则会产生真空泄漏，两种吸附都不尽人意，并且清洁机器人体积比较大，清洁过程很复杂。查询已有专利号为CN 104216407 A公布的一种爬墙机器人（图5），它的主要结构包括蜗轮吸附装置、驱动装置和清理装置，其工作原理是利用涡

5、轮11产生气压差使遥控车主体10吸附在墙面，驱动车轮102控制车主体10在墙面上爬行，爬行过程中清理装置16会对经过的墙面进行清理。上述技术方案利用类似于直升机螺旋桨的原理而设计，尽管能产生吸附，但是对蜗轮叶片的转速要求高，功率要求大，从而使整个装置体积大，质量重，不方便操作、携带和移动。此外功能单一，不适合复杂的工作环境，成本高；此机器人的出现标志着爬壁机器人兴起于清洁领域。图5 已有专利爬壁机器人 与此同时，如今常用投影设备是固定的，不能全方位全角度摄影与自拍。最近风靡的自拍神器自拍杆，也受到距离的限制。该爬壁机器人可在壁面上携带微型摄像头任意行走，自动捕捉识别人脸，图像通过蓝牙自动传输至

6、移动终端设备，带来极大便利。此外在机器人上可配备微型投影仪，通过控制系统输入源文件，经过融合调试，组建成显示系统。随着机器人运动而形成移动的投影，可有效地渲染各种效果。我们也注意到，墙绘作为建筑物的附属部分，它的装饰和美化功能使它成为环境艺术的宠儿。目前墙绘普遍均由人工绘制而成（如图7），耗时长，对工人水平要求高。在机器人功能末端上安装可拆卸的颜料绘笔，通过控制系统，在移动终端设备上输入需要的绘画程序，通过控制机器人运动轨迹完成墙绘。人工与机器特点对比见表1。人工墙绘机器墙绘缺点：对工人技术要求高、效率较低，成本高、工作时所占空间较大，一般只能在装修期间进行绘图。优点：能绘制出较为规整复杂的图

7、形，成本低、效率高、工作时所用空间较小，不受空间限制。 表1 人工与机器特点对比 图6 人工墙绘 鉴于此，我们小组通过市场调研和论证后决定设计一种高效的便携式多功能爬壁机器人来弥补这方面的空白。2、研究内容和要解决的问题：该项目以高层建筑作业比较困难为创意来源，通过真空式主辅双层四吸盘实现真空吸附，可以跨越缝隙，气密性好，安全性高；采用大变形柔性铰链，实现竖直平面至天花板的翻转；通过变速箱减速，由主轴驱动硅胶履带实现灵活运动与转向；该机器人集机械结构，电气控制，终端操纵于一体，是一台机电一体化、自动化、智能化的代表产物，可广泛应用于生活各个方面。对于普通家庭，可作为清洁利器，能清洁有缝隙的多种

8、壁面，在各个墙面间实现翻转；对于电器爱好者，可作为二次开发的模型，制作出更加便利的产品；对于学校或科普馆，该机器人可用于科普教育，开启学生想象力大门的钥匙；对于高层维护人员，降低高层建筑的作业成本，改善工人的劳动环境的同时提高了劳动生产率；对于产品宣传，移动投影作为“可移动的电视”，给产品润色了许多；同时，作为一款拓展性强大的产品，可以用作摄像、自拍、墙绘等功能，也可用作监控、壁面检查等安全功能；以求用途广泛，达到更高的实用价值。主要功能拓展功能本作品用于自动清洁瓷砖、玻璃、粉刷墙等壁面，实现壁面间翻转且可跨越缝隙。附带多功能工具箱，手动更换功能区携带的工具，可以实现移动投影、全方位摄影以及墙

9、绘。表2 功能简表国外爬壁机器人的发展概况：爬壁机器人是一种能够在壁面爬行作业的机器人，过去的几十年里在世界范围内得到迅速发展。早在1966年，大阪府立大学利用电风扇进气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，这被看作是爬壁机器人研究的开端。而后，日本应用技术研究所研制出了磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。1990年以来，西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所研制出一种6足式爬壁机器人，该机器人为磁力吸附式，具有较大的静载荷，掀起了爬壁机器人在工业上应用的热潮。国外在爬壁机器人的研制和生产上，日本、俄

10、罗斯、美国等国起步较早，早在20世纪70年代开始，这些国家就开始了大量的研究与制造；此后的四十年里，爬壁机器人技术得到了迅速发展，相继研制出了不同种类的样机，大部分已经投入实用。目前这些先进工业国家爬壁机器人技术处于国际先进水平，在部分领域甚至还处于垄断地位。近年来，发达国家纷纷将突破爬壁机器人技术、大力发展爬壁机器人产业作为自己的发展目标之一，并将此产业作为新世纪拉动国民经济增长的重要引擎。国内爬壁行机器人的发展概况：和国外相比，国内爬壁机器人的研究起步较晚，应用领域窄，与国外的主要差距体现在自主研发能力落后于世界先进水平、产学研脱节现象较为严重，创新体系建设尚处于起步阶段。但近几年已取得了

11、很大进步。在国内自1988年以来，在国家“863”高技术计划的支持下。哈尔滨工业大学机器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附两个系列的5种型号壁面爬行机器人。其中我国第一台壁面爬行遥控检测机器人，采用负压吸附，全方位移动轮，用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。上海大学也较早开展高楼壁面清洗作业机器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁机器人和球形壁面爬壁机器人。由于传统爬壁机器人具有很多不足之处（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。面对当前的发展现状与趋势，针对我国服务机器人发展中存在的不足，“十二五”期间，国

12、民经济和社会发展对我国服务机器人产业的发展也提出了新的要求；并且随着国民经济和社会的发展，推进国家民生科技领域的应用，可以预见，爬壁机器人作为一种战略性新兴产业， 必将迎来新的巨大的发展空间。本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩该项目已获湖南大学校级sit立项资格该作品已通过湖南大学挑战杯初赛，进入省赛项目的创新点和特色1、功能设计创新1）本产品主要用于玻璃、瓷砖、粉刷墙面等壁面的清洁，并且可以工作于有缝隙的壁面，清洁效率高，实用性强。2）通过控制子母机的相对旋转可使机器人从任一壁面翻转至另一壁面，如自竖直壁面翻转至天花板。3）通过WIFI实现移动终端APP对机器人的控制与管理，时尚便捷。

13、4）附带多功能工具箱，连接微型投影仪，实现移动投影；连接颜料绘笔，实现墙绘；连结摄像头，实现多角度摄影、自拍；功能丰富，可操作性好，娱乐性强。2、结构设计创新1)采用真空式吸盘结构，内层主吸盘采用三角形最优化的布局结构，在存在壁缝的情况下，能够保证至少有一个工作吸盘处于工作状态，增加了对壁面适应性，使用更安全。2）采用主辅双层吸盘结构，外层辅助吸盘形成初步真空，三个内层主吸盘在初步真空中进一步形成真空，吸附力增大，气密性提高，大大降低主吸盘因为泄漏而失效的机率，运行更稳定。3）大变形柔性铰链具有变形大、疲劳强度高等特点，可通过其实现翻转功能，无需任何辅助动力且结构简单，自适应性好，成本低。项目

14、的技术路线、进度安排及预期成果1、技术路线：通过查阅相关资料，将整个设计过程分为方案设计、技术设计和制作调试三个阶段。在产品方案设计阶段，通过市场调研、需求分析、预测及可行性分析，确定任务设计书，根据任务设计书进行产品功能原理的设计。经过对设计任务的抽象，建立功能结构，将产品设计模块分为吸附系统，运动系统，翻转系统和控制系统等。其主要设计过程如图7。图7.设计流程图建立功能结构后，对设计任务进行抽象，确定本质功能，然后建立功能结构，将复杂的总功能（爬壁）分解成相对较简单、相互联系的分功能（吸附、运动、翻转等），通过以下所述实现各种功能，确定设计方案。1）吸附功能的实现吸附功能是爬壁机器人的根本

15、要求。目前吸附方式主要有真空吸附、磁吸附和推力吸附三种方案。每一种吸附方式都有显著的特点和限制条件，与工作环境的要求、壁面的结构形式、材质、高度、表面质量以及几何形状密切相关。所以，吸附方式的选择必须综合考虑上述各种因素的影响，如何求得一个最优解决方案，以及评价标准是我们必须面对的问题。推力吸附利用直升机原理，由螺旋桨产生的高速气流产生始终指向壁面的推力，从而实现了机器人的吸附功能，该吸附机构噪声很大且效率很低,所以首先排除,在真空吸附以及磁吸附之间进行选择。真空吸附与磁吸附优缺点对比见表3。吸附种类单吸盘真空吸附多吸盘吸附磁吸附电磁吸附对墙面光洁度要求一般一般较低较低对墙面材质要求不高不高铁

16、金属钢铁金属是否备气泵带带不带不带对墙面伤害程度一般小大大吸附稳定性低较高较低较高表3 真空吸附与磁吸附优缺点对比鉴于建筑物壁面的非导磁性,爬壁机器人多采用真空吸附方式,通常是依靠抽风机、真空泵等真空发生设备在机器人的吸盘和墙壁的接触面间形成负压,依靠压差使机器人吸附在墙壁上。在日常生活中，真空吊具随处可见；真空吊具真空能量存储在真空蓄能器里，主要是依靠真空源在抽空吸盘内部的空气产生真空，使用时不仅对表面无伤害，而且操作简单，安全性高。通过观察日常生活中的真空吊具，我们根据需要设计出综合以上优点的主辅真空吸盘。该吸盘由圆形的耐磨塑料制成，辅助吸盘包围三个主吸盘，此种方式的优势是减小了吸盘失效的

17、可能性。2）运动功能的实现要求：1）可驱动真空吸盘运动； 2）结构简单，移动速度快，适应能力强； 3） 壁面光滑且绝缘，无其他辅助装置；方案一：车轮式（图8）: 外形与汽车相似，有四个小型车轮，后面两个车轮通过电机驱动，控制电机的运动方向与速度，实现机器人的前进、后退和转弯。机械结构简单，控制简单便捷，运动灵活，但是与墙壁之间属于线接触，摩擦力小，须特制车轮以防止打滑。图8 轮式运动方案二：履带式（图9）：爬墙机器人采用的是履带轮作为移动机构。履带式爬墙机器人可以连续运动，因此可以提高移动速度。它的最大爬行速度可以达到15m/min，其控制方式和车轮式一致，简单便捷，通过编程控制两侧电机的运转

18、方向、速度，实现机器人的前进、后退和转弯。不仅与壁面的接触面积大，适应能力强，而且硅胶履带增强吸附能力，提高与壁面的摩擦力，能有效的防止移动打滑。图9 履带运动方案三：足脚式（图10）：通过动物仿生，设计四足爬行（类似壁虎），需要设计多项关节和肢体，技术要求高。同时驱动装置众多，结构复杂，体积和重量增大，成本大大提高。此方案结构复杂，操作和控制难度较大，工艺性差，效率较低。表4 运动方式对比图10足脚式运动根据上述要求，通过查找论文等资料建表4，结合实际情况综合考虑，采用方案二。3)翻转功能的实现方案一：采用电机控制的行星轮式结构，在母机的末端装有伺服电机驱动装置，同时传动出的动力通过相啮合齿

19、轮及两端的装配形成行星轮机构；子机与母机末端带有连接装置，通过电磁继电器控制其翻转处的联接，此时还需携带传感器等设备。制作成本高，结构复杂，并且给机器人本身重量带来负担。如下图11所示，功能拓展区绕1转动，伺服电机输出动力通过齿轮3与齿轮4啮合，齿轮3在绕2自转的同时，也绕1公转，形成行星轮机构。 1.轴1 2.轴2 3.齿轮1 4.齿轮2 5.功能拓展区6.电磁继电器 7.电动机 8.母机图11 行星轮系翻转机构方案二：大变形柔性铰链由弹性较大的橡胶材料制成,具有无摩擦、变形大、疲劳强度高等特点；当使用大变形柔性铰链时，其两端凹槽为与母机与子机的连接端，中间为变形段，如图12；当连接的子母机

20、运动至需翻转处时，前侧机器人关闭动力源，后侧挤压前侧机器人，与此同时前侧机器人前端的翻转轮与圆弧形结构的设计使大变形柔性铰链挤压并逐渐带动前侧机器人翻转，直至翻转的那侧的爬壁机器人与墙壁接触，形成真空负压，此时后侧机器人关闭动力源。在此过程中通过压力传感器的检测，完成由任一墙面向任一墙面上的翻转。 图12 大变形柔性铰链综合考虑两种方案，方案二无需任何附加动力，且机构简单，自适应性好，成本低，明显优于方案一，由此选择方案二。4）控制功能的实现要求： 1)使用成本低，开发周期短； 2)可拓展性强，易于维护和更新； 3)系统稳定，反映灵敏，操作方便；方案一：51单片机开发板与红外遥控控制系统: 即

21、以51单片机为控制核心，驱动各个运动部件及传感器，综合收集传感器信息并分析，如下图13所示；操作人员通过红外遥控器进行机器人的运动控制，与此同时51单片机通过对超声波传感器，压力传感器等信息的处理，综合决定爬墙机器人的运动。（避免由于人为的误操作，撞上障碍物或超过爬行壁面等，降低风险保护机器。）图13 51单片机控制系统框图方案二：Arduino电路板下位机与WIFI上位机（平板、手机等智能终端）控制系统：即以AVR单片机为控制核心，基于Arduino开源电子原型平台进行控制系统设计，通过外围压力传感器与距离传感器，搭建起一个能自动避障、自动翻转识别的系统，由 WIFI连接上位机Android

22、 APP进行视频实时画面传回并远程控制的爬墙机器人，系统联系如下图14所示。根据上述初始方案， 查找论文、书籍等资料。可知，Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号板）和软件（IDE)。系统开发周期短，有许多成熟的库文件，编程容易，调试方便，易于上手，外围传感器模块化程度高，方便使用且成本低廉（控制板代码见附件三）；开发Android APP 使用MIT的App Inventor可以方便的编写好所需的APP程序；如今智能手机普及，通过Android应用控制爬壁机器人，更加方便且不受位置限制。如果基于51单片机开发系统，开发难度高，编程代码量大，切模块化程度低

23、，不宜调试和维护；红外遥控容易受机器人位置的影响而无法准确的下达命令。因此，综合各方面因素考虑，采用方案二。图14 Arduino开发板控制系统框图方案确定：根据系统结合法结合所有子功能，形成初步设计方案，再评价和筛选初步设计方案（主要通过技术经济评价），确定吸附系统采用真空式的主辅双层四吸盘结构，移动系统采用硅胶式履带，翻转功能采用大变形柔性铰链；下步将进行技术设计阶段，确定结构原理方案，而后进行总体设计和结构设计以及工艺设计。经过方案论证与分析，最后确定以下结构方案，通过对个结构方案的计算分析（见附件一）与建模仿真（见附件二），证明了其理论上的正确性以及可行性。以下为最终结构方案：在结构方

24、案设计中，总体布局上采用简单的对称结构，受力均匀,真空吸盘位于底盘中央，提供足够的吸附力，硅胶履带对称布置，提供机器人移动的摩擦力驱使运动。零部件设计充分考虑强度、刚度、可靠性等机械性能，以及加工工艺性、产品经济性和环保性等诸多因素。考虑到部分零件是标准件、可以购买;同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过3D打印技术加工，由此可以节约制作成本。3D打印常用材料有尼龙纤维、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、橡胶类材料等。在查阅资料时发现，打印结构的排斥性是很低的，换句话说，3D打印能够打印出很多的结构类型，甚至一些复杂的结构对它来说也易如反掌利用3D打印“切片式”的原理，可以

25、非常便利的完成制作。加工零件见表5。序号名称数量3D打印材料1底盘ABC塑料2吸盘ABC塑料3吸盘螺钉树脂4履带ABC塑料5履带轮ABC塑料6安全阀树脂7电机固定架树脂8柔顺铰链橡胶表5 主要零件信息1）原动装置原动装置采用直流动电机和锂电池作为动力源。锂电池额定容量1000mAh，电压12V。伺服电动机的额定电压为12V，额定功率17W， 转速780r/min，额定转矩1.3N·M。锂电池能量比较高，具有高储存能量密度，使用寿命长，具备高功率承受力，便于高强度的启动加速，体积小、重量轻，绿色环保，不论生产、使用和报废，都不产生有毒有害重金属元素和物质。伺服电动机可使控制速度，位置精

26、度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有起动转矩大，调速性能好，过载能力较强。据以上分析，我们确定采用原动装置采用伺服电动机和锂电池。2)抽气装置气动隔膜泵是容积泵中较为特殊的一种形式，采用压缩空气为动力源，利用缸内的隔膜来回鼓动做功，达到输送各种介质的目的。其原理(如图15)是依靠一个隔膜片的来回鼓动而改变工作室容积来吸入和排出气体的。1电机启动驱动10凸轮，10凸轮经轴承带动曲柄旋转，从而使膜片来回运动发生形变。1电机驱动时使两气室分别同时处于吸气和排气的状态，7飞轮充当储能装置，使凸轮走

27、过死点。当6膜片运动使2气室中的体积增大时，吸盘中的气体从5吸气管经4单向阀进入气室，当6膜片运动使2气室中的体积减少时，吸盘中的气体从3吸气管经4单向阀从气室中排出。从而将吸盘中的气体吸出，形成真空。图15 隔膜泵结构示意图选用优势：1)由于吸附装置采用的是双层吸盘机构，需要双气泵或者气泵与各种压力阀联合使用。两种情况都会增大机器人的体积和质量，布局和设计更加复杂，系统控制量增大。2)在机器人清洁过程中，可能含有较大颗粒的灰尘，使用普通泵会造成堵塞，而气动隔膜泵则不仅不会发生此种状况，且可以当作是对壁面的再一次清洁。3)气动隔膜泵可以空运行，安全性能好。在泵将吸盘中抽成相对真空时，泵会停止下

28、不被烧坏，提高了整个机器人的安全性能。4)无需复杂的控制系统，体积小、重量轻，便于移动。无需润滑所以维修简便，泵始终能保持高效，不会因为磨损而降低。表6 气泵对比表3)底盘设计真空吸盘在吸附时主要的失效形式是吸盘与工件贴合不理想产生大量泄漏，导致破坏真空，失去吸附性能。在单吸盘行走的过程中遇到墙壁的微小缝隙或者壁面与壁面接头处时，会导致吸盘漏气，吸附力不足，为解决该问题，暂决定采用图16所示的三吸盘结构。根据两点确定一条直线，至多有2个吸盘吸附能力下降，所以在工作情况下至少一个吸盘保持正常工作，保证机器人正常工作。由于单个吸盘所负压产生墙体的压力有限，出于安全考虑最终确定如图17所示吸盘组；外

29、层为大吸盘提供初步真空，而内层三个吸盘的在初步真空基础上形成再真空，使吸附更可靠。同时当内层吸盘通过壁缝时真空度减小时，外层的大吸盘也可起保护作用。 图16 无安全缓冲吸盘布置图 图17 具有安全缓冲吸盘布置图 当吸盘1与吸盘2因壁缝影响而不能正常工作时，吸盘3正常工作；若壁缝相对移动到右下图时，吸盘2与吸盘3均正常工作，如图18，从而实现了跨越壁缝的功能。图18吸盘跨缝的简单原理示意图4)执行装置执行装置目的是为实现壁面清洁、摄影、移动投影、墙绘等四项功能，采用可拆换装置，闲置时，并功能实现装置收入多功能工具箱。 壁面清洁执行机构：采用背胶魔术贴，将可更换抹布粘在多功能爬壁机器人的功能区，如

30、图19所示，清洁抹布上凹槽设计可收集脏物，以免其进入吸盘；开启机器人运动，当接触到壁面边缘时，所搭载的超声波距离传感器将信号反馈给控制系统进行处理，确定壁面尺寸形状以后进行轨迹的计算实现对壁面的全尺寸无死角的清洁。图19 清洁抹布建模图及示意图墙绘执行机构：将颜料绘笔末端与预留的卡槽相配合，如图20所示，将绘笔颜料更换部分与控制系统相连接，在移动终端内输入需要的图画，并确定绘图基准，由控制系统确定携带绘笔的爬壁机器人的运动路径实现墙绘功能。图20 墙绘笔建模图摄影、移动投影执行机构：将摄像头、微型投影仪，通过卡槽与机器人外壳连接，如图21所示，通过机器人移动至需要位置，即可自动开启设备，实现全

31、方位的摄影与移动投影。图21 摄像机构建模图2、进度安排：2015年4月-5月，理论设计及建模2015年6月，成品制作与调试2015年10月，代表湖南大学参加湖南省第十一届挑战杯比赛2016年2月，论文总结及成品改进3、预期成果：1、代表湖南大学参加湖南省挑战杯比赛，期望取得好成绩；2、参加全国机械产品数字化大赛，期望取得好成绩；3、该作品可适用于生活各个方面，根据机器人的特点，该产品针对两方面的需求；一方面主要服务于高层建筑清洁，壁面检修与墙绘；另一方面用于移动投影，全方位摄影，多角度自拍。目前市场上的高层壁面作业机器人类型较少，并且功能单一，安全问题也不能保证；与此同时该机器人的出现给投影

32、设备带来了自由移动控制的方便性，解决了墙绘易出现不满足雇主意愿、效率较低，工作时所占空间较大的问题，并且移动投影也给生活带来了许多便利性和娱乐性。由于集多项功能于一体，减小了成本，具有良好的经济性。以期为将来多功能爬壁机器人的研究发展带来借鉴意义。指导教师意见同意推荐签字： 日期：附录一：理论计算与分析1、 大变形柔性铰链的设计与分析柔性铰链是经过一体化设计和加工并利用材料弹性变形来实现预期运动的具有一定形状的特殊运动副。大变性铰链可由弹性较大的橡胶材料制成,具有无摩擦、变形大、疲劳强度高等特点；而圆角型柔性铰链，链的变形集中在柔性铰链的圆弧部分,该铰链最大变形角为：其中，L与C为系数，M为转

33、矩，R为圆角型铰链的半径，t为厚度，b为厚度，为R对应的角度忽略柔性铰链圆弧以外部分的变形，此种方法完全符合实际需要，而且柔性好、转角范围大,所以该项目采用此种大变形柔性铰链，如下图1所示。图1在大变形柔性铰链的基础上，通过位移传感器与压力传感器的精确控制实现壁面间的翻转，具有良好的自适应性，结构简单。橡胶材料的应变应力关系属于大变形,不满足广义胡克定律的小变形假设，可用Mooney2Rivlin 模型来描述以橡胶材料为基质的柔性铰链力学特性。由于适用范围的限制，要求对柔性铰链的转角最大值进行一定的限制,|rad与参数t/R 的关系如图2. 图2考虑到机器人的大小与体积，可拆卸大变形柔性铰链的

34、宽度b=12cm；若需自竖直壁面翻转至天花板，则翻转的角度为90度，由上表可知， t/R=0.5；翻转时，当母机行至另一侧壁面，此时若使子机通过大变形柔性铰链变形自动回复，需要的力矩为：M=F×L=G×2/L1=1.1Nm由上述两个已知条件来设计大变形柔性铰链并进行有限元分析，用二分法不断逼近，求取其最优化结果，设计过程如下所示：a)首先假定t=1cm,R=2cm,在铰链施加1.1 Nm的力矩时，其ANSYS有限元受力分析如图3所示：此时其刚度符合要求，但变形角度远小于90度，故不符合设计要求,并且R应减小。图3b)假定t=0.3cm,R=0.6cm,在铰链施加1.1 Nm

35、的力矩时，其有限元受力分析如图4所示：变形过大，刚度符合应用要求，所以适当增加R的值。 图4c)假定t=0.5cm,R=1cm; 在铰链施加1.1 Nm的力矩时，其有限元受力分析如图5所示：此种情况下刚好符合设计要求，故大变形柔性铰链t=0.5cm,R=1cm;而与子母机相连的可拆卸结构选用内凹性，受力稳定，安全可靠。图52、 吸附力的计算与分析A0吸盘与壁面的接触面积； A吸盘腔内面积；P0吸盘腔内的压力； P吸盘外部的大气压力；G母机机器人的重量； G1子机机器人的重量；F机器人的驱动力； F1 履带与壁面的摩擦力；n安全系数，取2。吸附力满足要求是机器人整个设计制作过程中最根本的问题。由

36、吸盘结构可知，在机器人运动过程中，辅助吸盘起密封保护作用，而三个主吸盘决定吸附力的大小，因此我们主要分析三个主吸盘的力学性能。由底盘的面积确定辅助吸盘的的R=13cm（不包含密封厚度b），利用CAD建模确定三个最大内切圆，考虑到机器人可通过的最大缝隙为20mm,两吸盘间的间 距为d;即 2b+d=20。由实际工作条件，对三个主吸盘进行有限元分析，施加0.03Mpa（由理想压力与接触面积比值确定）的压力时，如下图6所示，在满足刚度强度及应力的条件下，通过改变b的值不断进行优化，最终确定b=8mm,d=4mm.图6真空气泵的抽气速率S=2.303V/t*Log(P1/P2) ，而微型隔膜

37、泵流量大于等于1.1L/min，真空度可达-50kpa,可抽气至半个真空度，此时最大吸附力为：F= P×(A+A0)-P0×AA0=0.00116，A=0.0024，所以F=224.3N而在实际工作过程中，由于壁面粗糙度的不同及考虑壁缝存在时，安全系数n=2,吸附力可达到112.15N，此种硅胶的摩擦系数为0.97，可最大负重11.2kg的重物；由此可知此种设计的大变形柔性铰链是完全符合功能需要的。3、 吸附力与驱动力的关系当吸附力过大时，吸盘与壁面静摩擦力较大导致机器人难以驱动，无法灵活运动，所以吸附力与驱动力存在一定的关系，通过以下的过程进一步探讨二者之间的关系。负压的

38、控制通过调节隔膜泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，反馈给控制器，为调整压力提供依据。P0由隔膜泵的抽气速率决定，F由伺服电机决定，两者在不同状态下分别对应不同的关系式，通过控制系统调节，根据压力传感器采集的压力值调节吸附能力，所以在运动中要找到每一种情况下对应的对应关系。a)在竖直壁面运动如下图7左所示，1为壁面，2为吸盘，二者之间构成真空室。工作时吸盘与壁面之间形成密封腔，此时水平方向的正压力满足：N=P×(A+A0)-P0×A0其次，机器人运动时，需满足驱动力至少等于摩擦力与重力之和， FF1+GF-N×u-n&

39、#215;G0F-P×(A+A0)-P0×A×u-n×G0P0(n×G-F)/u+ P×(A+A0)/Au为摩擦系数，取0.97，由上式可得出除P0与驱动力F外，其他量均为已知量，同时也得到P0余F的关系。当机器人在竖直壁面运动时另一种极限情况时，如下图右所示，此时水平方向上满足：F P×(A+A0)-P0×A×u竖直方向上满足：n×G=F1P0P×(A+A0) ×u-F/ (A×u)图7b)在壁面翻转翻转时，机器人的可靠性分析主要集中在机器人重力与倾覆力矩的分析。

40、当母机与子机运动至刚开始翻转时，如下图8所示，母机此时不工作，通过大变形柔性铰链与前段翻转弧设计逐渐贴合另一墙面，整个系统的动力源来自于子机，此时同样需满足：N=P×(A+A0)-P0×A0F-N×u-n×(G+G1)0F-P×(A+A0)-P0×A×u-n×(G+G1)0P0(n×(G+G1)-F)/u+ P×(A+A0)/A与第一种情况相比，此时整个系统的重量增加了G1，其他均不变。当母机与子机运动至即将翻转结束时，如下图所示，子机此时不工作，通过大变形柔性铰链并逐渐翻转至天花板，母机此时工

41、作并贴紧整个壁面运动，整个系统的动力源来自于母机，此时水平方向需要满足：FF1，即FP×(A+A0)-P0×A×u竖直方向需满足：P×(A+A0)-P0×A (G+G1)P0P×A+A0×u- F/(A×u)P0G+G1- P×(A+A0)/A图8由受力分析可知，此时机器人系统受到的倾覆力矩最大,并且底盘如下图9左装配于底部时是最危险的。为了简化计算，我们研究此种极限情况来判定其可靠性。根据实际情况我们完全假定各个主吸盘的真空度是相同的，则作用在所有吸盘组上的吸附力是相同的,同样对壁面的吸附力大小均为N/

42、3;由受力分析列出力矩方程：32r×N3×2G×L2P0P×(A+A0)- G2×Lr /A图9综合可知，在机器人翻转的整个过程中，同样可通过控制系统控制隔膜泵抽气速率与伺服电机控制F的关系来实现翻转功能。c)在天花板运动当母机或子机运动时，水平方向需要满足：FF1，即FP×(A+A0)-P0×A×u竖直方向需满足：P×(A+A0)-P0×A GP0P×A+A0×u- F/(A×u)P0G- P×(A+A0)/A当在天花板运动时，同样可通过控制系统来实现运

43、动功能。4、变速箱的设计在传动装置中，考虑到伺服电机输出的额定转矩及转速，我们在伺服电机的输出端采用可增大转矩、减小转速圆柱齿轮传动减速箱结构。根据其功能要求可知，机器人的运动速度不宜过大；当运动速度过高时，噪音大、安全性也降低，通过分析和运动仿真，基于高效性和安全性两个因素，模拟其爬壁及工作过程并考虑安全系数的影响，我们最终确定最大速度为15M/min。输入条件：1）机器人移动的最大速度 15 m/min;2）机器人移动的最小速度 1.8 m/min;3）电动机的额定转速 nd=780 r/min;4）电动机的额定功率 P=2.8 w；5）电动机的最高转速 ndmax=13500 r/min

44、;设计参数：取履带直径D=6 cm，由v=3.14Dn；则链轮的最大转速：nLmax=Vmax/（3.14*D）=1500/(6*3.14)=80 r/min;链轮的最小转速：nLmin=Vmin/（3.14*D）=180/(6*3.14)=9.554 r/min;链轮要求的恒功率调速范围：RLN= nLmax / nLmin =80/9.554=8.377;电动机可达到的恒功率调速范围：RdN= ndmax / ndmin =13500/780=17.3077;因为 RLN < RdN ; 故只需在电机额定转速时，经减速箱减速输出的链轮转速为nLmin=9.554 r/min，电机在整

45、个需求速度范围内都是恒功率变速。因此减速箱的传动比为：I= nd / nLmin =780/9.554=82;此时电动机所需的最大转速为： Nd =I* nLmax =82*80=6560 r/min结论：减速箱的传动比i>82,电动机的速度需求范围7806560r/min初步确定变速箱结构的总体传动比为90，通过五级传动实现，如图10，其传动比分别为Z11：Z12=10:25；Z21：Z22=11:26；Z31：Z32=11:26；Z41：Z42=13:31；Z51：Z52=10:27。使用圆柱齿轮传动装置结构紧凑，承载能力大，传动效率高，效率值可达0.9-0.97； 图10齿轮副的强

46、度计算与论证整体过程类似，为不产生赘述，这里我们对Z21：Z22=11:26作出强度计算及论证如下：已知条件：P1=2.8W，n21=2880r/min，z1=11，z2=26，寿命Lh=1200h，小齿轮相对其轴的支承为不对称布置。a)选定齿轮类型、精度等级、材料齿轮类型选择：无特别要求的情况下，优先选择直齿圆柱齿轮；精度等级选择：查P210表10-8，减速器属于通用减速器，推荐精度等级为68级，类比选择精度等级为8级（算比较高的）；材料选择：查P189表10-1，选择小齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS；大齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS；b)属于软齿面，按齿面接

47、触疲劳强度设计设计公式为： 1）、确定公式中的各个参数值和系数（1）、试选载荷系数Kt=1.3 （2）、小齿轮传递的转矩为：（3）、查P205表10-7得齿宽系数d=0.23（4）、查P201表10-6得弹性影响系数ZE=189.8（Mpa½）（5）查P207图10-21d），以材料品质与热处理质量一般计(即取ML线)，得齿轮的接触疲劳强度极限为：小齿轮：lim1= 530（Mpa）大齿轮：lim2=530（Mpa）（6）、齿数比（7）、按P202式10-13计算工作应力循环次数为：小齿轮：N1=60n1jLh=60×2880×1×1200=2.074&

48、#215;108大齿轮：N2=N1/i=2.074×108/2.364=0.8772×108（8）、由P203图10-19查得接触疲劳寿命系数小齿轮 KHN1=0.95大齿轮 KHN2=0.96（9）、取接触疲劳强度安全系数SH=1 （10）、则两齿轮的接触疲劳强度许用应力为：小齿轮：大齿轮：2）、代入接触疲劳强度设计式并进行设计计算（1）、按设计公式确定小齿轮分度圆的直径d1，计算时取上面计算出的两个许用应力中较小的一个代入：（2）、计算圆周速度（3）、计算齿宽bb=d×d1t=0.23×5.1=1.173(mm)（4）、计算齿宽与齿高之比b/h模数：

49、 齿高： h=2.25m=2.25×0.464=1.043（mm）b/h=1.173/1.043=1.12(mm)（5）、计算载荷系数根据=0.6（m/s），8级精度，由P194图10-8查得动Z载系数KV=1.1，直齿轮，假设KAFt/b<100N/mm 查P195表10-3得齿间载荷分配系数KH=KF=1.51.4查P193表10-2得使用系数KA=1.0查P196表10-4，知8级精度、小齿轮相对其轴的支承为不对称布置时的齿向载荷分布系数为：KH=1.16 查P198图10-13得使用系数KF=1.25 载荷系数K=KAKVKHKH=1×1.16×1.

50、1×1.5=1.914（6）、按实际的载荷系数校正前已计算出来的分度圆直径：由P200式10-10a得修正后的分度圆直径为：（7）、计算并确定模数m套标准模数（见现代机械传动手册P82表2.22），取标准模数m=0.5（GB/T1357-1987）（8）、计算分度圆直径： d1=mz1=0.5×11=5.5（mm）c)校核齿根弯曲疲劳强度校核公式为：1)、确定公式中的各个参数值和系数（1）、载荷系数K与上面计算的K值不一样（注意系数KF、KF）K=KAKVKFKF 其中KA和KV与前面查得的一样：KH=KF=1.5根据b/h=5.377和KH=1.16（前面已算出）查P19

51、8图10-13得齿向载荷分布系数KF=1.25 载荷系数K=KAKVKFKF=1×1.1×1.5×1.25=2.0625 （2）、小齿轮传递的转矩：T1=（3）、齿宽系数仍取为d=0.23（4）、模数按上面刚确定的值，即m=0.5（5）、小齿轮齿数按Z1=11齿计算（6）、查P200表10-5得齿形系数为YFa1=2.3，YFa2=2.6（插值法）（7）、查P200表10-5得应力校正系数为YSa1=1.46，YSa2=1.595对小齿轮：YFa1×YSa1=2.3×1.46=3.358对大齿轮：YFa2×YSa2=2.6×

52、1.595=4.147可见：大齿轮的YFa×YSa=4.147较大些，应取较大的值代入校核式进行计算。于是：（8）、计算弯曲疲劳强度许用应力F 取弯曲疲劳强度的安全系数为SF=1.4根据工作应力循环系数N（前已求得）查P206图10-18，得弯曲疲劳寿命系数为：小齿轮取： KFN=0.95 大齿轮取： KFN=0.96查P208图10-20c），对小齿轮：FE1=330（Mpa）对大齿轮：FE2=330（Mpa）设取Fmin=F则：对小齿轮：对大齿轮：（9）、比较并判断由知故满足弯曲疲劳强度的要求，可见前面设计所得到的数据是正确的。d)几何齿轮计算1）、计算分度圆直径d1=Z1m=11×0.5=5.5 (mm)d2=Z2m=26×0.5=13 (mm)2)、计算中心距