爬墙机器人设计-机器人结构设计+外文翻译

爬墙机器人设计—结构设计摘要本文设计一种以涵道风扇和负压吸盘为吸附系统主体的轮式爬墙机器人，对爬墙机器人的结构设计是个人主要研究方向。首先提出基于负压吸附原理的机器人结构设计方案和要求，根据要求和尺寸，首先对爬墙机器人硬件设备和机械结构进行合理排布，自主设计一体化的机器人底板，并对其及主要运动组件进行Proe软件上的建模。最后通过Proe的MDX模块对爬墙机器人进行虚拟模型运动仿真，检验基本机械结构的合理性和可行性。关键词：爬墙机器人；负压吸附；机器人结构WallClimbingRobotDesign-StructuralDesignAbstractThispaperdesignsawheeledwallclimbingrobotwithductedfanandnegativepressuresuctioncupasthemainbodyoftheadsorptionsystem.Thestructuraldesignofthewallclimbingrobotismymainresearchdirection.Firstly,thestructuraldesignschemeandrequirementsoftherobotbasedonthenegativepressureadsorptionprincipleareproposed.Accordingtotherequirementsandsizes,thehardwareequipmentandmechanicalstructureofthewallclimbingrobotarearrangedreasonably,theintegratedrobotbaseplateisdesignedindependently,andtheProesoftwaremodelingiscarriedoutontherobotbaseplateandthemainmovingcomponents.Finally,theMDXmoduleofProeisusedtosimulatethemotionofthevirtualmodelofthewallclimbingrobottoverifytherationalityandfeasibilityofthebasicmechanicalstructure.Keyword:Wallclimbingrobot;Negativepressureadsorption;Robotstructure;Ductedfan目录7665目录 2137741绪论 1281211.1引言 1134481.2研究背景及意义 128071.3国内外发展状况及发展趋势 2254441.3.1国外研究现状 2300491.3.2国内研究现状 387771.4研究的主要内容和目标 453471.5本章小结 4110912爬墙机器人的总体设计方案 5201542.1本文主要研究内容 5235672.2爬墙机器人的总体设计方案 526562.2.1系统总体设计要求 514532.2.2个人结构设计技术路线 595942.3爬墙机器人的主要组成系统 5255082.4本章小结 662443爬墙机器人的结构设计 752773.1移动方式 7225143.2移动机构 740083.3结构硬件布置 898173.4主要硬件设备 981863.4.2硬件外部设备区域安装 10216103.5本章小结 109744Proe建模 11157394.1Proe建模软件介绍 11284444.2在Proe软件上的总体设计 11234694.3机器人底板建模设计 12310484.4驱动组件 13326414.4.1步进电机 13299354.4.2电机安装板组件 14196574.5涵道风扇组件 15275194.6其他组件 17287994.6.1涵道风扇装夹套 175814.6.2联轴器 18240804.6.3万向轮 18320084.6.4车体外壳 1961554.7本章小结 19292975仿真设计 20264665.1运动仿真准备 20104515.2Proe中的机构运动模块 21157755.3机器人的运动仿真 2115535.3本章小结 2586236结论 2650306.1设计的总结 26174706.2不足之处 26246196.3展望 2632695参考文献 274554致谢 2826970附录1相关设计件二维图纸 2922908附录2总装二维图纸 321044附录3英文文献及翻译 321绪论1.1引言本文针对爬墙机器人这一研究话题展开探究，作为研究者应该首先明确对于爬墙机器人的基本概念，这是一类机器人是在倾斜或者直接垂直的墙壁上灵活移动的机器人，该类机器人借助特殊的设计，使其自身的吸附功能和移动功能都得以顺利实现。而正由于石油化工业、核工业、造船业等一些存在大型工业设施设备的行业蓬勃发展，这种特殊的机器人也接受到了一系列作业任务，拥有了广阔的发展前景。爬墙机器人领域在多年以来的发展没有让岁月白白流逝，20世纪90年代开始，凭借着工业机器人控制技术、传感器技术、机械结构制造与应用等方面的实质科技推进，国内外在爬墙机器人技术难题上都有了不同的突破，并且针对不同的应用环境，各种各样的机械结构、吸附方式涌现。良好的发展势头使各国各高校纷纷成立了爬墙墙机器人研究项目组，而爬墙机器人的可究性和广阔的发展空间对机器人行业的开发研制以及专业人才的培养具有积极性意义。1.2研究背景及意义结合石化工业联合发布，关于我国石油以及化学工业的实际经济运行情况相关报告指出，到2019年12月底，我国石油以及化工类企业发展良好，大约有26271家企业形成规模。该行业产业关联度高，是推动全球经济发展的核心力量，而这种特殊又具中坚地位的行业多采用大型的储存设备；另一方面，致力于建筑研究的相关组织明确提出，一直到2017年，我国大陆的超高层建筑完成情况理想，其中两百米以上的建筑约700栋左右，其中有六栋建筑高达六百米，同时与其相关的的国际数据也明确指出，我国超高层建筑规划建成在两百米以上的建筑占据了世界总数量的45%之多。可以说随着各国工业化程度的不断加深和建筑行业的迅速发展，许多大型工业设备和高层建筑巍然耸立，但从而派生的问题存在有—长期表露在外的壁面难免会因自然灾害受到损害或因气候环境产生腐蚀性损伤，若对其进行人工的维护和保护设施安装工作，具有危险性高、操作难度高、效率低等问题。工人在进行高楼大厦的外高层擦洗时往往是用绳索捆绑腰间或者采用吊篮搭乘，非常容易发生安全事故和引发人员伤亡等，而且一幢高楼大厦的完全清洁工作往往耗时数周，工作效率低的情况下还耗费巨资[1]。图1.2大型油罐和高空作业而相较于人工，利用爬墙机器人进行高空作业有不错的收益：（1）爬墙机器人灵活度高，而非像人工吊篮一般人工调节作业位置。（2）高度对爬墙机器人本身的工作造成极少的影响和限制，高空作业灵活展开，所以高空作业人员的工作负担减小。高空作业人员培养难度高、心理因素要求高等问题得以解决。（3）大面积壁面工作时间长，爬墙机器人工作时长足，节省人工人员换班时间，带来良好的经济效益。因此，爬墙机器人的设计产业化可以极大地改善工人现状，而爬壁机器人的设计制造也涉及了机械电子、气压液压、信息通讯等各个领域的知识技术，是一个重大且结合程度高的研究课题，爬墙机器人的发展有利于各个技术领域的交流与合作。1.3国内外发展状况及发展趋势1.3.1国外研究现状相比较我国，国外对于爬墙类机器人的研究工作起步较早，同时国外在研究爬墙机器人的时候，将极大的注意力放在吸附方法以及具体的运行模式方面，这使物理、机械、电子等领域的相交性大幅提升。热衷于爬墙式机器人研究的国家，以日本为代表，发展起步最早同时投入实际应用也最早。其实在1978年的时候，日本就已经借助机械技术完成核电站内壁污物的清理工作了，之所以研制爬墙机器人，就是为了更好地服务高空作业。此初代爬墙机器人仅有单一吸盘，所以不具有自走功能，铰车拉动是其主要的辅助移动模式。后续在这一研究基础上，日本相关小组研发出了独立行走的爬墙机器人，而这一机器人同样有一个单个吸盘结构，但其移动模式摒弃对辅助机构的依赖为一大创新突破。该小组研发的第一、二代机器人均具备单一真空腔，但是必须保障壁面平整才能够保障爬行的稳定性，一旦壁面有裂缝或者凹凸不平等情况，那么也无法稳定爬行。此后，日本小组用了三年时间完成了第三代产品的开发，第三代爬墙机器人采用了履带移动模式，同时在移动组织的位置上设置了很多真空吸盘。相比较第一、二代机器人，三代机器人的吸附性能更可靠，同时有着更理想化的移动水平。再有东京某企业研究出来大型的煤气罐机器人，该机器人在煤气罐焊缝情况的检查工作中发挥着重要作用。考虑到这一机器人的内外框架有八个具备吸盘的脚，同时分布状态为放射状，气缸的驱动力促进脚运动，直流伺服阀辅助传统机构运动，使得机器本身的负载能力大大增强。而随着爬墙机器人在各国铺展式的研究发展，机器人存在各色各样的结构形态和吸附方式。不久前，ToyohashiUniversityofTechnology的机械工程系副教授tomoakimashimo博士和剑桥大学工程系机器人专业的Fumiyaiida博士的研究团队已经成功开发出一种水蛭形状的机器人“LEeCH”，该类机器人轻而易举的实现垂直墙壁爬行操作，但其一大特点是自主完成墙面过渡的操作，包括互相垂直壁面的过渡、薄壁正反面的过渡。此种水蛭机器人由处于并联状态的三大柔软管子形成，其技术含量高，保障柔性管长度得以有效控制需要控制好各处舵机和传动装置的供给，同时配合柔性管主体的随意弯曲伸长，发挥结构和控制两类转变优势。由于这种仿生吸附爬墙机器人可以同时实现垂直墙壁的爬行以及水平方向的灵活过渡，使得其备受业内青睐。具有显著变形和连续紧凑控制的爬墙机器人是翻墙柔性机器人的“鼻祖”。可以说，现有研究中的爬墙机器人种类特别丰富，根据不同的吸附和移动方式的组合就产生了各种类别的爬壁机器人，例如:框架式多吸盘爬壁机器人、轮式磁吸附爬壁机器人、履带式多吸盘爬壁机器人等，不同类别之间各有特色[2]。图1.3.1水蛭爬墙机器人1.3.2国内研究现状我国在研究爬墙机器人方面的起始时间赶不上西方国家，当然研究差距肯定也存在，但是研究取得的成功仍然值得肯定。例如哈工大、北理工、华南理工等院校，都在爬墙机器人的研究方面取得了傲人的成绩，同时也有对应的机样制成。其中哈尔滨工业大学在六足爬墙机器人的研究设计工作中极其出色，其一款设计的六足机器人借助中枢系统发生器工作，属于仿生控制算法的一种。借助此款爬墙机器人腿部结构系统反反复复的运动，令系统不断转变到原始状态，实则在实际行走环节中腿与腿之间的关系是发生改变的。这属于一种基于CPG算法的爬墙机器人，其独立性强，对于传感器的依赖程度不大，同时越障能力更强，但是也存在应用缺陷，那就是有着相当繁杂的驱动程序，对于实际运算能力要求高。哈工大也注意到这些弊端，所以想方设法优化整体机械结构，试图改善运算不足的劣势。此外哈工大在对爬墙式机器人吸附方式方面的研究工作也开展的较为深入，例如依托静电吸附原理的爬墙机器人等。另一方面，我国科学院沈阳市研究所的董伟光，在五年前成功研发出了轮足式复合爬墙机器人，这个爬墙机器人依托行星轮系结构，使得负压模块、真空模块有机结合起来，在实际移动环节中，可以借助密封腔内部的三轮移动机构在直线层面移动或者灵活转向，当然还可以借助真空吸附组织形成双足移动相似的抬腿移动，其核心优势在于，光滑的外表保障了三轮移动机构迅速移动的目的顺利实现，即便在遇到大的阻碍的情况下仍然可以借助双足运动模式轻松越过。华南理工大学还提出对于六足爬墙机器人基于能耗目标优化的转矩的分配方法，寻找机器人最安全的位姿[3]。可见国内爬墙机器人发展迅速，在技术趋于成熟的同时也拥有别众的设计理念与方法。1.4研究的主要内容和目标本文主要在爬墙机器人的机械结构和硬件系统上作研究设计。第一章：本章为绪论，从选择课题的背景出发，先分析了当下爬墙机器人的使用对高程度工业化有何意义，再根据国内外的研究现状牵引出爬墙机器人的大致研究内容，为本次的研究工作开拓思路，也对接下来的研究设计进行向导；第二章：主要对爬墙机器人硬件、结构设计的整体方案进行阐述，先介绍本文研究的基本要求，再从个人研究的结构技术路线总结整体设计方案；第三章：根据整体设计方案的要求，进行关键部件的选择和解释介绍，再根据所选元器件的尺寸进行机器人主体结构的排布；第四章：本章主要对机器人机械结构、部件结构进行分析，并介绍Proe此款3D建模软件，对机械结构的主要模块进行建模。第五章：本章主要对构成爬墙机器人结构的主要零部件进行集合组装，在条件有限的情况下，弱化样机调试，以基于Proe软件对爬墙机器人主要运动件的仿真为主，对机器人内部硬件结构排查干涉检测，并运动仿真；第六章：总结本次研究的弊端与不足之处，对未来展望。1.5本章小结本章首先论述了所选课题的背景和研究依据，表明爬墙机器人具有实用意义和可究性，再从世界出发，选例分析概括了国内外爬墙机器人的研究现状，最后介绍了论文的章节安排和主要研究内容。2爬墙机器人的总体设计方案2.1本文主要研究内容本文主要对一种基于涵道风扇负压发生装置的单负压腔体爬墙机器人进行探究，其以STM32F407芯片作为控制系统核心，两独立步进电机驱动轮实现差速轮转向，文中主要对机器人机械结构方面进行研究设计。2.2爬墙机器人的总体设计方案2.2.1系统总体设计要求设计合理的结构和选用经济适用的元器件，配合上合适的机构和硬件，最大限度发挥出涵道负压吸附装置的性能，使爬墙机器人具有独立行走、吸附墙体的能力。再通过STM32F407与uCOS-III操作系统的联系工作，使机器人在平地、基本平整的墙体上根据指示运动。 本文中所研究的爬墙机器人的设计要求是： （1）在阅读大量文献的前提下，对爬墙机器人基本运动方式进行确定，再根据参数合理排布硬件，基本保证平地运动、静力吸附、墙体上吸附运动在结构上的可行； （2）设计合理的STM32单片机程序并烧入，基本实现通过红外遥控控制步进电机的速度以及正、反转和停止状态切换，要求精准性高地通过控制完成基本动作； （3）爬墙机器人要有一定的避障能力，并能通过手机蓝牙发送指令，实现实时通信，另外设置蜂鸣器，方便监控。2.2.2个人结构设计技术路线查阅相关文献，而后从满足设计要求和经济性出发，依照路线进行以下工作：（1）通过对比确定机器人的驱动移动方式，再根据合理性进行机器人移动机构的排布，确保机器人有独立的行走能力。（2）根据所选器件尺寸大小、质量等参数，设计大小合适的机器人底盘，对部分动作部件的进行布置，并设计固定架、夹装器等安装机构，硬件上保持各模块工作的稳定性，最小化机器人工作时各个部件的物理干涉。（3）利用建模软件对设计件进行建模，为制作样机进行3D打印文件的准备，若条件有限则进行运动仿真，查看是否实现基本功能，后期进行硬件的调试与改进。2.3爬墙机器人的主要组成系统爬墙机器人系统主要分为机械硬件系统和软件（编程控制）系统。其中个人研究方向上的硬件系统可细分为机械本体、电机、供电电池、通信模块、传感器模块、电机驱动模块等。机器人功能的实现依赖两个主要系统的配合工作。图2.3硬件系统工作原理图2.4本章小结本章首先从组成核心方面简单阐述了爬墙机器人的总体设计方案，再介绍了总体设计的要求，并根据个人的结构设计方向划出了路线，简单介绍了爬墙机器人的主要系统。3爬墙机器人的结构设计3.1移动方式当前国内外所研究的爬墙机器人移动方式大致可分为轮式、履带式、多足式三类。轮式爬墙机器人继承了平地轮式小车灵活、转向方便、控制难度低的特点，而且由于轮轴的固定，对吸附底盘高度的物理干涉较小，若加上一定的控距缓震系统，会有不俗的吸附性能与稳定性。履带式爬墙机器人拥有平整的履带机构，对凹凸不平的壁面有良好的消化能力，因此保障了机器人的吸附能力，但苦于履带材料的厚重和设计所需的大面积吸附底盘，增加了此类爬墙机器人的重量，且履带式在转向功能上也不及轮式灵活；足式爬墙机器人具有出色的越障能力，但由于步态规划繁琐、所需舵机数量多，在控制系统的的复杂程度上相对较高，在控制到位的情况下也难以达到较高的运行速度。因此设计轮式的机器人能带来不错的可见成果。3.2移动机构由结构简易地实现轮式爬墙机器人功能、最少化材料使用以赋予爬墙机器人良好的吸附能力的出发点，考虑常见的三轮和四轮结构，如图3.2所示。图3.2三轮与四轮机构简易图图3.2（b）中的四轮结构相比于三轮结构有更好的平衡性，遇到凹凸不平的行走面不易侧倒，但考虑到其因为多了一个轮的缘故，会受到更多的阻力，降低了电机的输出功率，若在此基础上采用独立电机驱动轮，相比于三轮式的机器人质量更大，增加了工作负载。而图3.2（a）中的三轮布置常见的有两种：（1）两个前轮为连接的驱动轮，后轮为连接舵机的转向轮，这种布置安排依赖后轮转向，前轮同动同止，增加了机器人转向的角度，灵活性低。（2）两个前轮为独立电机驱动的主动轮，后轮为多向轮或万向轮，转向灵活，便于控制调节，这种布置对于作业有一定墙面覆盖率要求的机器人是一种不错的选择。本次设计采用独立电机驱动两轮，从动轮为万向轮的移动机构布置方案。3.3结构硬件布置本次设计出于对爬墙机器人减少用料、轻便结构的经济性考虑，对负压腔、器件安装板、底板进行了一体化设计，而采用的涵道风扇负压发生装置，其快速运行赋予机器人吸附的能力，但这也反映了涵道工作时有一定危险，不合理布置硬件设备，不仅会影响机器人的性能，严重时还可能造成设备故障、机械结构破损的情况。因为涵道风扇是负压发生器，其入风口必然是位于负压腔上方，可以确定其应安装在底板上方，而控制系统相关的硬件，若设置在负压腔内，会因为涵道产生的流体力产生固定不稳甚至脱落，这是负压吸附机器人的共同点，而主要不同的是轮子安装的位置。在其他研究中存在将轮子设计在负压腔体内的例子，如图3.3.1。图3.3.1内置轮负压机器人此类爬墙机器人多数底板面积大、负压腔密封性好、吸附力稳定、电机扭力足，本次研究设计的机器人相对体型小，负压发生依赖涵道风机的持续输出，若将驱动轮设计在负压腔内，轮胎将会随机器人工作而不均匀受力，对机器人正常的运动影响大，因此将轮胎设置在负压腔之外。结合上述，总体结构布置如图3.3.2所示。图3.3.2硬件布置示意图3.4主要硬件设备要排布各个硬件模块及结构，需要先选型确定器件、模块，再通过尺寸等参数具体化硬件设备对底板的占用空间，根据硬件的工作性质进行排布，设计出合理的机器人机械结构。而本次所设计机器人的主要运动组件选择为28BYJ-48步进电机、4S4300KV型50mm涵道风扇。除了两个赋予机器人移动功能和吸附功能的运动发生器组件，还有一些为机器人进行吸附力调节、供电、测距、报警的硬件，列于表3.4.1。硬件设备尺寸重量橡胶轮×2直径65mm，轮胎宽度27mm共68g一寸万向轮轮宽15mm，高度33mm，轮直径25mm约36g4S1800mah25C涵道风扇电池组35mm×28mm×110mm130g40A好盈电调30mm×70mm×9mm48g舵机测试仪30mm×37mm×10mm约6gstm32主控板95mm×75mm约50gULN2003驱动模块×232mm×34mm共13.6g锂电池供电模块60mm×31mm×11mm35g超声波模块45mm×20mm（3mm）约10g有源蜂鸣器模块32mm*13mm8g表3.4.1机器人硬件模块尺寸参数3.4.2硬件外部设备区域安装为了保障爬墙机器人的平衡器和抗颠覆能力，硬件的布置应该在位置上相对对称，各模块硬件能正常运行、易于拆卸和组装操作、接线方便的情况下重量分布均匀，根据上小节硬件组件的参数，对机器人进行大概的结构排布，为硬件进行安放区域的设计，本次研究的爬墙机器人的硬件布置大致如图3.4.2所示。图3.4.2外部设备固定区域构想图其中，1为电机安装区域，2为外置的65mm驱动轮，3为涵道风扇电池组定位区域，4为涵道风扇装夹平台，5为万向轮安装区域，6为涵道风扇定位区域，7为封装锂电池、电调及舵机测试仪、蜂鸣器、蓝牙模块安装区域，8为超声波测距模块、主控板、电机驱动模块安装区域。在实际的设计中，各区域应根据布置的硬件工作情况保持一定的间距，以最小化众多器件、结构的物理干涉。设计中会为有定位孔的模块进行底板孔的同步设置，另外，对于部分无自带固定孔位的硬件，如锂电池组、涵道风扇电池组等，为其设置高度合适的矩形凸台定位，再在定位区域周围设计小孔，意在用尼龙自锁扎带加以固定。3.5本章小结本章首先通过对比明确了爬墙机器人的移动方式，而后进行轮式移动结构的安排，根据所需硬件模块的尺寸制定了定位分布方案。4Proe建模4.1Proe建模软件介绍Proe软件全称为Pro/Engineer操作软件，是一款由美国参数技术公司开发集计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程（CAD、CAM、CAE）为一身的三维建模软件，拥有草图绘制、组件制作、装配、钣金件设计等各式模块，独立的模块化使用方式满足人们的设计需求，其在当今众多三维造型设计软件中不落下风，得到机械设计业界使用者们的青睐。Proe主要占据的优势为参数化和数据库统一，在几何模型的设计中可以将模型分解为有限的特征，其可以用有限的参数完全约束，另外在建模的过程中各个模块使用单一的数据库，模块间会根据特征的修改而随之同步参数，这意味着在组件装配、工程图输出的过程中修改某一零件的尺寸时，装配图和工程图上相应的部件也会随之同步尺寸，无需重新修改特征和设置约束，模型设计灵活，变更方便。4.2在Proe软件上的总体设计机器人与主要部件的机械装配图如图4.2.1所示。机器人的运动部件主要由底板、减速电机、电机支架、65mm橡胶轮、联轴器、涵道风扇、涵道装夹件、万向轮、外壳组成。图4.2机器人装配图4.3机器人底板建模设计图4.3.1与图4.3.2为机器人主体的建模，一体化底板主体，同时具有负压腔、涵道风扇装夹机构、万向轮安装板等机械结构，在3D打印的构想中，选择塑料材料。图4.3.1机器人底板图4.3.2机器人底板底部设计的基本考虑因素有下：负压腔：如图4.3所示，机器人的负压腔主要由涵道风扇对接口、引流通道、底板底部边缘突起构成，原理为作为负压发生器能够将机器人底板下部空气抽出，使底板上部压强大于下部从而产生差值负压，所生成的吸附力让机器人吸附在接触壁面，以保证机器人在运动时不轻易发生倾覆[4]。其中负压腔涵道接口比涵道风扇引流圈直径大约1mm—2mm，方便涵道风扇的安装接入，接入后可选择合适的海绵条或胶条作为密封机构，进行接口缝隙的贴紧密封。而根据电机安装高度和驱动轮直径，底板边缘凸起挡板设计为距接触地面约5mm—8mm，厚度为10mm，三轮爬墙机器人在平衡性上有相对不足，在运动时遇到不平整的壁面难免会倾侧，造成壁面与底板的摩擦碰撞，因此留有合适的高度，选择经济实惠的海绵条或胶条进行粘贴密封，能在保证负压腔密封性的同时代替机械磨损。涵道风扇装夹机构：夹装柱机台构配合装夹套作涵道风扇的安装定位，因为涵道风扇工作时通过螺栓连接有横向的力矩，柱台机构的设置相当于对为装夹套提供一个支撑受力面，为连接孔缓冲了涵道风扇运作时的反作用力，保证机构不会因为外力断裂受破坏。万向轮安装板：安装板孔位根据选择的一寸万向轮设计，万向轮安装板凸台的高度根据电机安装高度、驱动轮直径进行确定，确保机器人底板与地面保持相对平行。吸附系统所产生的文丘里效应是伯努利原理的一种体现，根据伯努利原理，流体流速大的地方压强小，流速小的地方压强大[5]。若万向轮安装板高度设置过低或过高，负压腔与壁面缝隙不等会造成机器人整体吸附力不均，影响机器人的平衡性和吸附能力。另外万向轮活动腔根据万向轮尺寸所定，保证万向轮在墙体内的转向不与腔体发生摩擦碰撞。底板上存在有三个外壳安装的卡扣插入孔，其一孔设置得较大，使得在安装外壳时便于卡扣梁的插入，减少其弹性变形。另外底板上方的凸起与3mm小孔为对应尺寸硬件模块的定位辅助机构。4.4驱动组件4.4.1步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，由于是以脉冲驱动，很适合数字或微型计算机来控制，因此可把他当做一种基于脉冲控制的数字元件[6]。本次设计采用的28BYJ48步进电机尺寸与建模如图4.4.1所示。图4.4.1步进电机尺寸及去线建模图4.4.2电机安装板组件因所选电机无配套的安装机构，需根据电机4.2mm安装孔设计电机固定安装支架，建模如图4.4.2，以M4内六角螺栓、M4螺母连接电机和安装板。图4.4.2电机安装板组件4.5涵道风扇组件本次设计所选POWERFUN牌的50mm-11叶涵道风扇，涵道风扇与无涵道旋翼相比，涵道对桨叶起到一定的保护作用，具有安全性高、结构更加紧凑、气动效率高及噪音低等特点[7]，本次设计所选POWERFUN牌的50mm-11叶涵道风扇实物如图4.3.1所示，可提供最大970g推力。图4.5.1涵道风扇实物图而其中组件包括有：1、4300KV-4S电机为负压发生装置的电机，最大工作电流为40A，满载功率达670W，重57g，搭配1800MAH25C电池组。空涵道腔体外径为55.4mm、内径51.4mm，采用PA66工程塑胶材料，涵道包裹运作的浆叶，除具有上说到的优点外，对于本次设计的机器人还有减少器件间的物理干涉、降低机器人运作的危险性等。导流圈最大直径为63mm，其引导气流适应负压腔，减少风力的损失，另外桨叶直径为50.7mm的11叶风扇叶为产生风力的主要结构。涵道风扇组件相关建模图如下：图4.5.2涵道风扇组件建模图4.5.3涵道风扇装配4.6其他组件4.6.1涵道风扇装夹套因涵道风扇裸露的电芯电机不能设置安装架，为固定涵道风扇，需要一个装夹结构，选择对涵道外壁进行套装，通过伸出与底板安装柱台进行螺栓连接，装夹套内径为54.2mm，外径为60mm，通过M4螺栓与螺母配合与底板固定连接。因为装夹套在涵道风扇工作时承受推力，若进行3D打印应选择轻质铝合金材料。图4.6.1装夹套4.6.2联轴器考虑到机器人在工作过程中有一定负载，直接用电机伸出轴连接轮毂会使中心孔受力过大，因此根据电机伸出轴选用5mm六角联轴器，配合M4螺栓进行电机伸出轴的固定连接。而轮子是选用宽度为27mm，外径为66mm的玩具橡胶轮子，通过中心外孔用M4内六角螺栓与联轴器连接。图4.6.2联轴器建模4.6.3万向轮在本次设计中，作为从动轮的万向轮主要提供支撑、辅助变向功能，在机器人吸附墙体工作时不能提供较大的静摩擦力。图4.6.3万向轮组装4.6.4车体外壳车体外壳高度约为57mm，上方有涵道风扇的伸出口，这样进行设计保证出风口的畅通，提高涵道负压发生器的性能和效率。外壳上设有卡扣，卡扣是连接件上的一种结构形式，与螺钉相比，不需要额外配对螺母或加工设计件螺纹[8]。如图4.6.4所示。图4.6.4小车外壳建模4.7本章小结本章简单介绍了Proe建模软件，并在该软件上进行机器人的设计建模，阐述了各机器人各个组件的使用及安装，罗列出主要组件的建模图片。5仿真设计5.1运动仿真准备在3D模型的设计当中，进行零件配合的检查是排除机械结构间的干涉的重要步骤，而在运动仿真之前，应先行考虑机器人组装后尚未投入工作时零件之间的静态配合，而Proe软件当中有内置的干涉检查功能，主要步骤如下：打开总体装配图后，点击分析栏，选择【模型】-【全局干涉】；在弹出的窗口中将【包括面组】选项打开；点击预览按钮按钮；在点击预览之后，若零件间出现干涉，会在信息提示栏里显示，点击零件编号，模型中被加亮的特征即为互相干涉零件。图5.1.1静态干涉检测步骤而本次机器人模型设计检测当中，出现了螺栓、螺母、孔之间的干涉，如图5.1.2。据此的分析为：在本次三维建模中，螺栓与螺母间只保证了节距与截面的正确性，没有进行紧固件数据的精确传输，而这也符合在实体装配中，所配螺栓与螺母并非精准配套，螺纹紧固件均存在无法避免的干涉，因此建模中规格相符的螺纹紧固件存在干涉是常见的。逐个排查后，机器人无其他零件间的干涉。5.1.2静态干涉结果5.2Proe中的机构运动模块在机械设计领域中，在计算机上进行运动仿真，对设计产品进行机构运行图像、技术参数进行输出，是非常关键的设计步骤。在制造和成型过程中有许多的缺陷我们无法预测，单单进行实验验证都会大大增加成本和延长生产周期，然而计算机辅助技术与数字化模拟成型技术给我们的设计和制造带来了很大的便利[9]。其可在计算机上检验产品设计上的缺陷，及早发现并进行模型修改，为研发、制造人员对设计产品的模型制造节省了时间精力，毋需从产品样机中进行检测分析，有助于缩短投入生产使用所需的时间，大幅度提高工作效率。而本次设计中主要对机器人的机械结构方面进行模拟，而Proe软件当中的机构运动学模块可对机器人进行运动仿真、干涉检测、运动轨迹等模拟。5.3机器人的运动仿真本文对材料校核、环境因素的涉及较少，主要验证机械结构的运动可行性和硬件间的干涉情况，因此用机构运动仿真模块进行动态干涉检测即可，大致步骤如下：（1）导入组装图，此处应注意的是步进电机伸出轴、万向轮轴应与其本体分开建模然后组装，定义为销钉连接约束，在动态仿真中应留有机构运动的自由度，此外还应在机器人驱动轮相距的中点建立基准点，再通过槽连接功能与运动轨迹进行机构连接而非约束；（2）点击应用程序栏，选择【机构】进入机构运动模块；（3）对驱动轮、万向轮、涵道风扇叶片、运动轨迹起始点加入伺服电机定义，根据右手定则设置机器人前进时的机构旋转方向、运动轴设置为速度，模选择常数50，而在转向运动仿真时，转弯方向的伺服电机定义模数的设定应相对上调；（4）通过快照模块查看机器人基本运动情况，无误后进行主要运动部件的分析定义，使用回放模块进行部分碰撞检测，设置为碰撞时动画结束，将相关螺纹紧固件除外，选择主要的运动部件进行运动仿真。而本次机器人运动仿真结果理想，回放正常。图5.3.1进入机构运动仿真模块图5.3.2转弯轨迹的伺服电机定义图5.3.3左转时左轮的伺服电机定义图5.3.4分析定义设置图5.3.5直线运动仿真图5.3.5曲线运动仿真5.3本章小结本章主要作所设计机器人的建模仿真分析，通过Proe内置的全局干涉功能检测机器人建模的结构是否合理，再由机构运动学模块的碰撞检测功能对机器人运动中的主要组件进行干涉分析。6结论6.1设计的总结本文为保证爬墙机器人工作运行在机械结构上可行性，从机构方面研究了一种以涵道风扇为负压发生装置的单负压腔体爬墙机器人，验证机械结构的合理性。论文研究成果总结如下：符合设计要求，选择三轮布置的移动机构，设置万向轮为从动轮，并配合两个独立步进电机对驱动轮进行控制，赋予所设计爬墙机器人在移动机构上的可操作性与灵活性，而且硬件结构上用料的减少，易于实现机器人的吸附功能，同时达到的经济性目的。根据器件的使用和布置，设计出机器人主体、相关安装机构、外壳等机械零件，对负压腔与壁面的接触面积和高度进行了一定范围内的控制，为相关密封措施提供便捷，增加了负压腔的利用率以提高吸附性能，同时结构相对紧凑，确保了硬件的固定安装和正常使用。通过Proe三维软件对机器人的仿真，验证了机器人的内部硬件干涉。总的来说，本次设计成功设计出一种爬墙机器人的合理结构，体现了机器人运动、吸附功能的实现在机械结构上是可行的，总体装配无突出干涉，硬件布置安排较为合理，而在研究的知识收益上也深入接触到了爬墙机器人工作原理和结构设计的主要问题。6.2不足之处本次设计中存在很多未涉及到的相关知识原理，相信如果在时间和资金充足的情况下，能有更佳的结构设计和拓展度更高的结构优化考虑。就机器人结构设计有以下未涉及到的研究方向和欠缺考虑的不足之处：（1）在缺少样机调试的环节下，机械结构上无具体谈论到材料方向上的研究，应该配合材料的性能与结构上力学的分析校核进行机构合理性验证。（2）在运动力学方向上无具体的分析计算，从而无法从整体上验证机器人的运动能力。6.3展望在今后的研究或者修改工作上，应结合不足之处展开，爬墙机器人涉及机械设计、控制原理、电路设计等众多领域，机与电配合要求较高，是一个很值得不断深究的交叉领域研究课题。本人也希望通过对此课题的研究，实现知识水平和能力上的自我增值，定会以虚心诚恳、积极进取的姿态接受建议和思考学习。参考文献[1]孙锦山.气动爬壁机器人的机构设计及其控制系统的研究[D].浙江工业大学,2006.6.[2]赵兴飞.气驱爬壁机器人理论于实验的研究[D].重庆大学,2004.6.[3]魏武,蔡钊雄,邓高燕.基于耗能目标优化的多足爬墙机器人足力控制研究[J].中国机械工程,2012,23(9):1289-1295.[4]齐晓龙.负压吸附式爬墙机器人关键参数确定方法的研究[J].甘肃电气工程学院,2018(4):58.[5]景江红,卢启勇,陈杰.伯努利原理在生活中的应用[J].科学技术创新,2020(03):27-28.[6]李毅航,刘权兵,徐重瑶,张国为.步进电机控制器[D].长春工程学院,2011.7.[7]丛伟.涵道风扇的气动特性与优化研究[D].南航航空大学,2013.7.[8]陈燕.塑料卡扣设计研究及CAD应用模块开发[D].江南大学,2006.6.[9]吕雪,牛海霞.基于Pro/E的清洁机器人爬壁机构设计[J].黄河科技学院学报,2019,21(05):52-54.[10]孙立新,杨兴宇,杨改文,高菲菲,王传龙.基于负压吸附的船体清刷机器人研究[J].机床与液压,2019,47(17):56-59.[11]肖世贵,章亚男,沈林勇,宋薇,钱晋武.一种双体负压吸附爬壁机器人的研究[J].工业控制计算机,2018,31(06):85-87.[12]QiangZhou,XinLi.Experimentalinvestigationonclimbingrobotusingrotation-flowadsorptionunit[J].RoboticsandAutonomousSystems,2018,105.[13]刘明芹,戴永雄,黄文攀.小型吸附式爬壁机器人机械结构及平衡性[J].机械设计及制造,2011(5):146-148.[14]王园宇,武利生,李元宗.壁面清洗机器人发展趋势浅析[J].引进与咨询,2002(4):3-4.[15]孟宪宇,董华伦.爬壁机器人结构设计及曲面磁力吸附关键技术研究[J].制造业自动化,2018,40(06):19-22+39.[16]任志奇.负压吸附式爬壁机器人的设计与研究[D].华北电力大学,2018.[17]王富杰,孙静,王吉岱,伊晓丽.壁面移动机器人移动方式及移动机构的研究进展[J].机械传动,2012,36(06):115-120.附录1相关设计件二维图纸下图为电机安装板二维图下图为底板二维图下图为涵道装夹板二维图附录2总装二维图纸附录3英文文献及翻译Thedevelopmenttrendoftherobot1.Preface:Climbingrobotisanimportantbranchinthefieldofmobilerobot,flexiblemobileonverticalwall,replaceartificialundertheconditionofthelimittocompletevarioustasks,isoneofthehotspotinresearchoftherobot.Itismainlyusedinthenuclearindustry,petrochemicalindustry,shipbuilding,firedepartmentsandinvestigationactivities,suchasthebuildingexternalwallcleaning,materialstoragetankinpetrochemicalenterprisetestingandmaintenance,theouterwalloflargesteelplatespraypaint,andinbuildingaccidentrescueandrelief,etc.,andachievedgoodsocialbenefitsandeconomicbenefits,haswidedevelopmentprospects.After30yearsofdevelopment,thefieldofrobotwhichhasemergedalargenumberoffruitfulresults,especiallysincethe1990s,especiallyrapiddevelopmentinthefieldofclimbingrobotathomeandabroad.Inrecentyears,duetothedevelopmentofavarietyofnewtechnology,therobotwhichsolvedmanytechnicalchallenges,greatlypromotethedevelopmentoftheclimbingrobot.Therobotdesignactivitiesofuniversitiesinourcountryalsohasawidedevelopment,thiskindofatmosphereforourrobotresearchanddevelopmentofspecialandprofessionaltalents'cultivationisofpositivesignificance.2.Climbingrobotresearchstatusabroad1966Japaneseprofessorwestlightwallmobilerobotprototypeisdevelopedforthefirsttime,andperformancesuccessinOsakaprefectureuniversity.Thisisakindofrelyonnegativepressureadsorptionclimbingrobot.Thenappearedvarioustypesofclimbingrobot,hasalreadybeguntothelate80sapplicationintheproduction.Japan'smostrapiddevelopmentinthedevelopmentofclimbingrobot,mainlyusedintheconstructionindustryandnuclearindustry.Suchas:Japanshimizuconstructioncompanyhasdevelopedwiththeouterwallofthebuildingindustrycoatingwithceramictileoftherobot,theydevelopedbynegativepressureadsorptioncleaningclimbingrobot,onthesurfaceoftheglassfortheCanadianembassytoclean.Tokyouniversityoftechnologydevelopmentofthewirelessremotecontrolmagneticadsorptionclimbingrobot.InJapan'smiti"limithomeworkrobot"nationalresearchprojects,supportedbydayCDH,developedalargepotofnegativepressureadsorptionsurfaceinspectionrobotsusedinnuclearpowerplants,etc.Othercountriesarealsoaddedtotheclimbingrobotresearchupsurge,suchas:SeattleHenryRSeemannunderthefundingoftheBoeingcompanydevelopedavacuumadsorptioncrawler"AutoCrawler"robot.Onthetwotrackseachcontaininganumberofsmalladsorptionchamber,withthemovingofthecrawler,adsorptionchamberformcontinuousvacuumcavityandmakesthecrawlerwalkingagainstthewall.AmericanCaseWesternReserveUniversitydevelopedbyusingfourclimbingrobotprototype"legs".Similartothefirsttworobots,therobotdependsonfour"legs"onbiomimeticviscousmaterialstoadsorption,theprototypeisthefourlegswheelonthesoleofthefootevenspecialdistributionismoreadvantageoustotherobotstablecrawlingonthewall.Thequalityoftherobotisonly87g.Polytechnicschoolintheearly1990s,BritishPortsmouthhasdevelopedaclimbingrobotmultileggedwalkingtype.Adoptingmodulardesign,therobotiscomposedoftwosimilarmodules,eachmoduleincludestwomechanicallegsandlegcontroller.Accordingtothetaskneedtoinstalladifferentnumberoflegs,reconfigurableability.Mechanicallegsusingbionicsmechanism,simulationofthelargeanimalsarmmusclefunction,istwotype,includingupperandlowertwoandthreedouble-actingcylinder,withthreedegreesoffreedom.Goodstabilityandbearingcapacityisbig,therobot'slightweight,andcanspanbiggerobstacles.Inadditiontothelegononeendofvacuumcups,robotequippedwithsuctioncups,abdomenmassratioofpowderandmaketherobothasalargerloadof2:1.3.ClimbingrobotresearchstatusinChinaChinaisalsoinasimilarstudysincethe1990s.In1988atthenational"863"hightechnologyprogram,underthesupportoftheroboticsinstituteofHarbininstituteoftechnologyhassuccessfullydevelopedtheuseofmagneticadsorptionandvacuumadsorptiontwoseriesoffivetypesofwallclimbingrobot.Successfuldevelopmentoftheourcountrythefirstwallclimbingrobotremotedetection,usingnegativepressureadsorption,omni-directionalmobilewheel,usedfornuclearwastestoragejarsofwallwelddefectdetection.Developedin1994fortallbuildingswallclimbingrobotcleaningCLR-Ⅰ,adoptstheomni-directionalmobilemechanism,therobotinsitucanarbitrarilychangethedirectionofmovement.AfterthedevelopmentoftheCLR-Ⅱ,drivenbytwoindependentways--coaxialtwo-wheeleddifferentialmechanism,throughthecoordinationoftworoundsofspeedcontroltorealizetheomni-directionalmobilerobot,therobotontologyandusingpowerlinecarriercommunicationmethodsbetweenthegroundcontrolstation.Above-mentionedthreeclimbingmachineadoptssinglesuctioncupstructure,springairsealed,ensurethecrawlrobotwithhighspeedandreliableadhesionability.In1995successfullydevelopedthemetalcorrosionbymagneticadsorptionclimbingrobot,structureofpermanentmagneticadsorption,accomplishedbytwotrackspositive&negativemobileturn.Therobotcandoforpetrochemicalenterprisestotheouterwallofthemetalmaterialstoragetanktospraypaint,sandblasting,aswellaswithautomaticdetectionsystemtotestthetankwallthickness.Developedin1997'sdetectionofwaterwallclimbingrobot,acircularpermanentmagnetadsorptionblockinconformitywiththetankwallarc,improvetheadsorptioncapacity,andimprovetheefficiencyoftheoperation.Shanghaiuniversityalsoconductedearlytallwallcleaningrobotresearch,successivelydevelopedaverticalwallclimbingrobotandsphericalwallclimbingrobot.Thesphericalwallclimbingrobotadoptsmanysuckers,negativepressureadsorption,6footindependentdrivinglegfeetwalkingstyle,canbeusedfordifferentradiusofcurvatureofthesphericalouterwallsince1996,theBeijinguniversityofaeronauticsandastronauticshassuccessfullydevelopedWASH2MAN,CLEANBOT1,SKYCLEAN,"hangingbaskettypewindowrobot"and"LanTianJietreasure"curtainwallcleaningrobotprototype.Forallthewindowisbrushedpneumaticrobot;Hangingbaskettypecleaningrobot,therobotdependsontheroofofthesafetylinetraction,attachedwiththenegativepressuremadebyfanrobotonthewallintheapplicationbackgroundofnationalgrandtheatreellipsoidceilingcleaningdevelopedsuitableforcomplexcurvedsurfacefromclimbingrobotprototype,theclimbingmechanism,mobilemechanism,cleaningrobothasmanysimilarities,butduetoitsspecialworkingenvironmentandmissionrequirements,intermsoftheoryandtechnologyhassomeparticularity.4.Thekeytechnologyofrobot:4.1adsorptionmechanism,adsorptionmechanismofactionistoproduceanupwardforcetobalancethegravityoftherobot,keepitonthewall.Currently,magneticadsorptionmethodsmainlyincludevacuumnegativepressureadsorption,adsorption,propellerthrustandbinderetc.Severalways.Duetotheadsorptionmethodseachhavelimitations,climbingrobotdevelopedbyoftentargetedstrong,appliesonlytoaspecifictask,difficulttogeneralize.Robotdesignneedtoworkontask,environment,choosetherightmeansofadsorption.Inrecentyears,peoplethroughthestudyoftheadsorptionmechanismofgeckoreptilessuchasthesolesofyourfeet,makingthepolymersynthesisofviscousmaterial,theuseofvanderWaalsforcebetweenthemoleculesandmolecularmaterials,canbeobtainedonthecontactareaofsmallhugeadsorptioncapacity,andhastheadvantagesofadsorptionhasnothingtodowiththesurfacematerialproperties.Shortlifebutatthemoment,theuseofthesematerials,theuseofacertainnumberoftimesafterloseviscosity,practical,needfurtherstudy.4.2mobilemechanismandmotioncontrolsystem:mobilemechanismandthemovementcontrolsystemofrobotwhichmajorwheeledmobilemechanism,morefoottype,suchascaterpillar,amongthem,thewheelandfoottypewhichhasbeenwidelyused,caterpillarmuchformagneticadsorptionmethod.Obstacleabilityiswallrobotwhichusedtoanimportantindicatorofperformance.Whenworksurfaceisconvex,groove,therobottogothroughtheseobstacles,wemusthaveenoughobstacleability.Allkindsofmobilemechanism,morefoottyperobotobstacle-navigationabilityisstronger,itseachlegsmallsuctioncupisplaced,whenfacedwithobstacles,cancontrolthe"leg",makethesmallsuctioncupacrosstheobstaclesonebyone.Wallmobilemechanismoftherobotcanmaketherobotonthepremiseofreliableadsorptioncanmoveonthewall.Duetotheparticularityofclimbingrobotworkinginwall,mobilemechanismandadsorptionmechanismexistscoupling,whichbroughtsomedifficultiestotherobot'smotioncontrol.Thanclimbingrobotsuckerfoottypeandlegswithasuctioncupattheend,everymovealegneedstobedone"toeliminatesuction-leg-Wallaceleg,leftleg-generateadsorptionforce"aseriesofactions.Inthisprocess,therobotmobilemechanismoftheactionshouldcoordinatewitheachother,andtheadsorptionmechanismtotoguaranteetheflexiblemobilerobotonthewall.Inaddition,thereisalsoamobilemechanismandadsorptionseparation,suchassinglesuctioncups,robotsuckeradsorption,sustainablecontinuousmovementofdrivingwheelmobilerobot,motioncontrolisrelativelysimple.Energysupplyanddrivemode:4.3thedrivingmodeofenergysupplyandenergysupplywaywithpeopleviathewirelineforthemachinetoprovideenergysuchaselectricity,gas,alsohasabuilt-inbattery,cylindersandsoon.Drivewaysmainlyhavethepneumaticmotorandotherseveralways.Climbingrobotisdesignedtoadopthighefficiencyqualitythandriveandsourceofpower,especiallythewirelesscontrolcases.Usingmotordrive,energysupplymainlyincludepolymerlithiumbattery,nickelmetalhydridebatteries,electrochemicalbatteriesandfuelcells.Inaddition,duetotheenergyofinternalcombustionengine--gasoline,hydrogenfuelcanhavehigherweightratio,suchasadvancedmicrointernalcombustionenginecanalsobeappliedtotheclimbingrobot.Safetyproblems:4.4therobotbyinterference,environmentalchangecircumstances,howtoensurethesafetyoftherobotisattachedtothewallwithoutfalling,fallingorafterhowtominimizethedamageoftherobot.Thepastbuildingscleaningclimbingrobot,developedbymostusedbyincarryingthecaratthetopofthetower,hoistingandwireropeofinsurancesystemontherobot.Robotforsomeotherpurposes,suchasdetectionwithsmallclimbingrobot,thegoalisnotsure,cannotusetheropewayofinsurance,soneedtostudynewwaytopreventfalling.Couldconsiderusingaparachute,smallpowerintoapulp,fastsu