履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究与开发

单位代码：学 号：分类号：密 级： 学士学位论文论文题目：履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究与开发姓 名 学 院 专 业 年 级 指导教师 学院： 专业：机械设计制造及其自动化 年级： 姓 名 设计（论文）成绩设计（论文）题目 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究与开发指 导 教 师 评 语评定成绩： 签名： 年 月 日评 阅 人 评 语 评定成绩： 签名： 年 月 日答 辩 小 组 评 语 答辩成绩： 组长签名： 年 月 日注：设计（论文）成绩=指导教师评定成绩（30%）评阅人评定成绩（30%）答辩成绩（40%）目录目录摘要IAbstractIII第1章 绪论11.1 爬壁机器人结构原理研究与开发的价值11.2 爬壁机器人结构原理研究与开发的现状及趋势21.2.1 爬壁机器人结构原理研究的现状21.2.2 爬壁机器人结构原理研究的发展趋势31.3 几种爬壁机器人结构原理分析与对比41.3.1 车轮式磁吸附爬壁机器人51.3.2 多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot IV51.3.3 履带式磁吸附爬壁机器人61.4 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色与价值71.4.1 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色71.4.2 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究价值81.5本章小结9第2章 履带吸盘式爬壁机器人结构方案研究112.1 履带吸盘式爬壁机器人的功能要求112.1.1 爬壁机器人的工作过程112.1.2 爬壁机器人的基本功能112.1.3 爬壁机器人的主要设计参数122.2 爬壁机器人移动机构方案设计132.2.1 履带的结构形式132.2.2 履带与履带轮的联结142.2.3 履带吸盘式爬壁机器人壁面适应能力分析152.3 爬壁机器人吸附机构方案设计172.3.1 吸盘式吸附机构方案设计172.3.2 吸盘机构设计182.3.3 吸盘式爬壁机器人吸附安全性研究192.4 机器人气动回路方案设计222.4.1 配气盘结构设计222.4.2 吸盘气动回路设计242.5 本章小结25第3章 履带吸盘式爬壁机器人结构的开发与论证273.1 爬壁机器人吸附结构的设计与论证273.1.1 爬壁机器人吸附结构的设计273.1.2 爬壁机器人吸附结构的论证293.2 爬壁机器人行走机构的设计与论证303.2.1 爬壁机器人行走机构的设计313.2.2 爬壁机器人行走机构的论证313.3 爬壁机器人车体的设计与论证333.3.1 爬壁机器人车体的设计343.3.2 爬壁机器人车体的论证343.4 本章小结36第4章 履带吸盘式爬壁机器人附属部件开发与设计374.1 背仓部件开发与设计374.2 清洁壁面部件开发与设计374.3 传递消防水管部件开发与设计384.4 控制系统部件开发与设计394.5 本章小结39第5章 结论与展望41参考文献43注释45谢辞47译文与原文49汉语译文49英语原文57i摘要摘要随着科技的进步，工业机器人在各个领域得到了广泛地运用。其中，爬壁机器人以其在核工业、建筑、消防等行业的突出优点越来越受到人们的关注。本文在详述国内外爬壁机器人研究现状的基础上，对各种现有爬壁机器人结构原理进行了分析、对比与评价，对履带吸盘式爬壁机器人的结构原理进行了深入地研究与开发，并对一些关键部分进行了设计计算。本课题研究的履带吸盘式爬壁机器人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，可为机器人提供足够的吸附力。在地面操作人员的遥控下，爬壁机器人能够在玻璃等特定壁面上完成清洁壁面、传递救援物资等任务。履带吸盘式结构是现有爬壁机器人结构样式的优化组合，它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。关键词 爬壁机器人；履带；吸盘；结构原理IAbstractAbstractWith the development of technology, industrial robots have been used in various fields. Among these, wall-climbing robot with its outstanding advantages in areas of nuclear industry, construction and firefighting has being gotten more and more attention. On the base of summarizing the research on wall-climbing robots domestic and overseas, this paper evaluates structure theory of some existing wall-climbing robots, studies the structure theory of tracked sucker wall-climbing robot and checks some key components as well. The track moving mode is chosen in the tracked sucker wall-climbing robots, which are study in this subject, this component build up the basis frame of this kind of robots. Vacuum sucker, with perfect distribution system, can offer enough adsorption force to keep the robot working on vertical wall. Under the remote control of operator on the ground, wall-climbing robot can complete the tasks just like cleaning glass and transferring rescue goods on particular wall. Tracked sucker-type structure is the optimization and combination of existing wall- -climbing robot structure types, it also overcomes some shortages of them. This structure type improves the practical performance of wall-climbing robots, therefore, the research subject has high scientific value and economic value.Keyword wall-climbing robot ; track ; sucker ; structure theory15第1章 绪论第1章 绪论 本章中将分析与阐述四个方面的内容，即爬壁机器人结构原理研究与开发的价值、国内外爬壁机器人科研的现状、几种爬壁机器人结构原理的分析与评价、履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色。1.1 爬壁机器人结构原理研究与开发的价值在引言中提到的爬壁机器人（又称“爬墙机”）在清洁高层建筑壁面上的应用，可以看出随着控制和机电技术的发展，这种可以替代手工劳作的壁面清洗机器人的出现将人从繁重、危险的高楼清洗工作中解放出来，降低高层建筑的清洗成本，提高生产效率，同时也推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。但这仅仅是爬壁机器人的一个应用领域，近几年来，随着各式各样的机器人在各个领域中的广泛应用和发展，爬壁机器人作为能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，以其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。概括起来，爬壁机器人主要可以应用于以下：(1) 在建筑行业可应用于喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面探伤、壁面修复整容、壁面清洗、擦拭玻璃壁面等；(2) 在消防部门可应用于携带消防器械、传递救援物资、进行高空救援工作；(3) 在核工业可用于对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等危险的工作；(4) 在石化企业可用于对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；(5) 在造船业可用于喷涂船体的内外壁、对船体的内外壁进行检查、船体内外壁清洁等；(6) 在抢险救灾上可应用于向高空被困人员运送逃生器械、传递食物水给养等；(7) 在航空航天上，可用于太空探索、空间卫星维修等。 由此可见，爬壁机器人的应用领域广泛涉及民生、核工业、造船工业等，并在这些领域中担任着十分重要的工作，能够促进生产力的提高、改善人民的生活与工作条件。爬壁机器人结构原理的研究与开发能够为壁面机器人的生产制造和升级进步起到指导与促进的作用；另外，爬壁机器人相关技术的研究科研成果可以直接应用于或带动相关链条产业的进步，从整体上促进生产力的发展，提高人民的生活质量。总之，积极研究与发展爬壁机器人技术，努力开发与设计制造可以转化为实际生产力的爬壁机器人是生产力发展的需要，是人民生活质量和工作条件改善与提高的需要，也是我国科技兴国、技术进步的需要。该项技术的科研与创新必将会产生巨大的经济价值和社会价值。1.2 爬壁机器人结构原理研究与开发的现状及趋势1.2.1 爬壁机器人结构原理研究的现状较为高端的爬壁机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品，因此爬壁机器人技术的研究是伴随着各项科技的发展而发展的。自80年代以来，爬壁机器人技术在国内外取得了迅速的发展，有的已开始进入实用试验阶段。到1992 年底，国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功，其中以日本发展最快。国内较早发展该项技术的是哈尔滨工业大学，他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人，采用真空吸附方式，通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走。另外，上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行机器人。上海交通大学亦于1995 年研制了磁吸附爬壁机器人用于油罐。爬壁机器人必须具有两个基本功能：吸附功能和移动功能，而为了实现爬壁机器人的特定功能只需在机器人本体上耦合或车载相应的功能执行部件即可，因此国内外爬壁机器人技术的研究与探讨大致是围绕如何实现它的两个基本功能展开的。根据较为公认的爬壁机器人技术划分方法壁面吸附功能的实现有三种方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附较为常用的是吸盘吸附法，利用大气压力使机器人吸附在壁面上，这种方法多用于爬行于玻璃壁面的机器人，真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式。当壁面比较粗糙时，真空吸附方式的机器人容易产生漏气的现象，因此多改为使用磁吸附的方式，磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，但磁吸附式机器人仅适用于导磁材料壁面。推力吸附的方式即利用机器人自身产生的推力使其吸附于壁面上，这种方式结构较为复杂且工作可靠性较低。爬壁机器人移动功能的实现方式主要是足式、车轮式和履带式。足式机器人能跨越较小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难，车轮的直径会使机器人相对于壁面的扭矩增大，使机器人运行的稳定型和安全性相应降低；履带式对壁面适应性强，着地面积大，机器人运行平稳，但其不易转弯。这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱。除爬壁机器人的两项基本功能的实现外，当今相关科研人员也在研究诸如驱动方式、能源动力、机器人结构布局设计等方面的课题，这些技术也是机器人能够正常运行所必须研究与优化的。由于爬壁机器人的工作受到重力吸引、工作环境恶劣、相关技术滞后等条件的制约，因此爬壁机器人技术虽有了一些成果但仍需要进一步的努力研究与发展。1.2.2 爬壁机器人结构原理研究的发展趋势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。1.3 几种爬壁机器人结构原理分析与对比现在爬壁机器人技术仍处于研究与试验阶段，国内外一些知名的研究所和高校的科研人员都提出了自己的爬壁机器人的结构方案，这些结构方案在原理和结构布局上有着较大的不同。下面列出三种较为典型同时也是与履带吸盘式爬壁机器人的研究相关的结构原理科研实例，通过分析这些设计实例的优缺点可以引出在爬壁机器人结构原理设计时需要注意与注重的问题。1.3.1 车轮式磁吸附爬壁机器人日本应用技术研究所研制出的车轮式磁吸附爬壁机器，结构原理如右图所示。机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。主要特征是：行走稳定、速度快 图1-1 车轮式磁吸附爬壁机器人（图片来自文献1）最大速度可达9m/min，适用各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。但是该机器人有自己的缺点：磁吸附使它仅适用于导磁材料壁面，即这种原理有其使用局限性；车轮式的行走方式使维持一定的吸附力较困难，车轮的直径会使机器人相对于壁面的扭矩增大，使机器人运行的稳定型和安全性相应降低；车轮的行走轨迹是连续的，这不利于机器人跨越壁面的凹凸不平处，使机器人对壁面的平整质量要求提高。1.3.2 多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot IV香港城市大学智能设计、制造及控制中心(CIDAM) 和内地大学合作设计的Cleanbot I 能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行，主要由行走及转向机构、吸附机构、吸盘组导向和提升装置以及控制系统组成。行走机构模仿坦克履带结构，采用单履带模式。吸附机构由安装在链条上的13组吸盘及真空发生器等组成。该机器人的特点是采用单链和多吸盘相配合的结构可以可靠解决转向的问题；采用弹性机构，使该机器人具有跨越一定障碍的能力；旋转接头供气方式能够给每一个吸盘供气而避免通气管缠绕。该爬壁机器人的缺点为结构复杂，其可靠性相应降低；单履带的模式使机器人工作时受到吸附力不均匀，吸盘受到较大扭曲力，从而降低了爬壁机器人的工作寿命。图1-2多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot IV（图片来自文献2）1.3.3 履带式磁吸附爬壁机器人国家教委博士点基金资助项目履带式磁吸附爬壁机器是将永磁体片离散的装在爬壁机器人的履带上，采用双履带方式，主动轮安装在一端，前后双轮。电动机带动主动轮转动进而带动爬壁机在壁面上行进。该机器人的特点是：在机器人设计中采取加长履带、浮动支撑、载荷分散机构、柔性履带等措施，以提高爬壁机器人的壁面适应能力， 实现其在壁面的安全爬行。 图1-3 履带式磁吸附爬壁机器人（图片来自文献3）其缺点是，履带是用铰链联接的，不能将垂直于履带方向的载荷分布到各个永磁体上，也就是说履带在垂直于拉力方向上没有刚性，这对于爬壁机器人工作的安全性极其有害；主动轮偏置，使履带受力不均匀对履带损害较大。1.4 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色与价值本文所研究与开发的履带吸盘式爬壁机器人的结构原理是将吸盘的真空吸附方式和履带式移动方式相结合，真空吸盘固定在柔性的履带上，采用双履带对称结构。固定式配气盘结构作为16组吸盘和真空泵抽进气系统相连接的媒介。主动轮置中，两侧各有一从动轮，主、从动轮和履带衔接均是模拟齿轮齿条啮合。壁面清洁组件、传递救援物资组件通过功能组件耦合处与机器人机体相连以完成相应功能。履带吸盘式爬壁机的外形简图如图1-4所示，上面为俯视图，下面为左视图。 图1-4 履带吸盘式爬壁机器人外形图1.4.1 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色履带吸盘式爬壁机的结构原理融合了吸盘式真空吸附和履带式移动方式的优点，克服了现存的爬壁机器人的一些缺点。整体上讲，履带吸盘式爬壁机器人的结构原理具有以下特色：（1）吸盘在履带上的离散分布特点和履带自身的柔性使得爬壁机能够相对容易的逾越障碍物，如玻璃缝隙、墙面小突起等。履带不直接与壁面接触，减少了不平滑壁面对履带的损害，提高了机器人的工作寿命。（2）吸盘真空式吸附方式适用于非导磁壁面，克服了磁吸附原理对壁面性质要求较高的缺点，扩大了机器人的工作范围。（3）配气盘式的吸盘抽进气系统可以稳定可靠地完成吸盘的抽进气工作，有效地解决了在旋转的履带间通气管相互缠绕的问题。（4）模拟齿轮齿条啮合的履带轮与履带的联结方式使机器人能够平稳快速地在壁面上移动；主动轮置中，从动轮对称布置的方式使履带受力最大处避开了履带弯曲处，减少了对履带的损害，提高了履带的使用寿命。1.4.2 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究价值通过本章第三节对3种现存的爬壁机器人的结构原理的分析评价可以看出，现在相关科研人员的注意力也主要集中在爬壁机器人的结构原理的研究开发上，现有的科研成果的缺点与不足需要由进一步的研究来弥补。本文所研究的履带吸盘式爬壁机器人结构原理有效地将真空吸附和履带移动相融合，探索实验一种新的爬壁机器人结构原理，该项研究的价值有：（1）在已有研究成果的基础上将真空吸附和履带移动的优点相叠加，利用这一研究开发出相应的爬壁机器人，对爬壁机器人结构原理做了有益的创新与探索。（2）现有的科研成果多将履带式结构与磁吸附相结合，其缺点为机器人不能行走于非导磁材料壁面，履带吸盘式结构实现了履带式爬壁机器人在玻璃等壁面上的行走，拓宽了爬壁机器人的使用市场。（3）配气盘结构的研究与设计为解决旋转装置供气、供水、供油等问题提供了设计思路和参考模型。（4）本文中所开发的履带吸盘式爬壁机器人初步定位可应用于壁面清洁、携带消防器械、传递救援物资，这些及将被开发出的功用能够产生较好的社会效益，并为生产厂商和使用者产生较高的经济效益。1.5本章小结 本章介绍了爬壁机器人结构原理研究与开发的价值，指出爬壁机器人在建筑业、核工业等领域的重要作用，以及研究更加可靠实用的爬壁机器人社会与经济价值。在详述了爬壁机器人结构原理研究现状的基础上，对爬壁机器人的结构原理研究与开发的发展趋势进行了分析与预测。对三种与履带吸盘式爬壁机器人相关的已有爬壁机器人结构原理进行了分析与评价，分析了车轮式磁吸附、多吸盘吸附、履带式磁吸附吸附方式的优缺点，为下文履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究与开发做好积累。 分析了履带吸盘式结构原理的研究特色，重点对比了其与现有结构原理的异同点。履带吸盘式的结构原理提高了爬壁机器人对不同壁面的适应能力，提高了机器人工作可靠性，必将带来很高的社会效益与经济效益。第2章 履带吸盘式爬壁机器人结构方案研究第2章 履带吸盘式爬壁机器人结构方案研究2.1 履带吸盘式爬壁机器人的功能要求本课题研究的是在高层建筑玻璃等较平整壁面上完成壁面清洁，传递消防器械等功能的遥控式爬壁机器人。为了更好地进行对此机器人结构原理的研究与开发，首先应当了解本课题研究机器人的基本功能要求和设计参数。2.1.1 爬壁机器人的工作过程履带吸盘式爬壁机器人能够在玻璃等较平整的壁面上上下平稳地移动，通过携带清洁组件，在自身移动的过程中完成对壁面的清洁工作。将消防或救援器械、物品放入爬壁机器人的背仓或装夹在相应接口上随爬壁机器人移动，可完成传递救援物质的工作。2.1.2 爬壁机器人的基本功能爬壁机器人要在壁面移动，对壁面进行清洁或传递救援物质，就需要具备以下基本的功能：（1） 吸附与行走功能吸附与行走是爬壁机器人所需具备的两个基本功能，因此爬壁机器人应具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力能够大于机器人的重力，防止坠落；同时，还应当有驱动机构，能够使机器人在壁面上自由行走移动。（2） 转向功能清洁过程中，爬壁机器人需要按照一定的路径在壁面行走，对整个壁面完成清洁工作，就要求爬壁机器人能够自由的转向，从而提高清洁效率。（3） 壁面适应功能爬壁机器人能够逾越较小的障碍（如玻璃接缝），即要求爬壁机器人具有一定的适应壁面凹凸不平的能力，这也是爬壁机器人的工作性质和工作环境决定的。（4） 完成工作任务能力爬壁机器人在壁面上移动的同时要完成相应的功能，这就要求功能组件能够在爬壁机器人上正确稳定地定位，可以发挥其功能。这要求爬壁机器人开发时应从实用的角度进行研究设计。针对上述各项基本的功能，本文进行机器人的本体结构设计，重点完成机器人的吸附机构和移动机构的设计。2.1.3 爬壁机器人的主要设计参数本课题研究的爬壁机器人主要应用于高层建筑壁面清洁和救援物质传递，由其工作性质决定爬壁机工作必须稳定可靠，工作效率高。本课题对机器人的设计要求如下：根据玻璃壁面特点和清洗机器人爬行、清洗作业要求，机器人需要达到如下性能：壁面移动速度：1115 m/ min ；越障高度：50 mm；本体重量：30 Kg ；负载能力：15 Kg ；作业高度：0100 m；作业功能：可进行8 mm 以上厚度的玻璃幕墙的清洗作业；吸附方式：真空吸附方式；控制方式：用PLC可编程控制器，完成顺序控制，地面遥控操作。研制满足以上技术要求的机器人存在的主要技术难点如下:吸附和密封技术：要求吸附机构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。爬行技术：爬行机构要简单、高效、小型。使机器人能够实现直线移动，能够实现自动转向。保证机器人能够按照地面操作人员的遥控进行工作。配气技术：吸盘和履带轮均是旋转的，为防止配气管相互缠绕，应有效解决配气问题。控制技术：使机器人可以在地面操作人员的控制下准确工作，机器人自身各部分密切配合；有简洁、方便的人机界面，便于操作人员控制。2.2 爬壁机器人移动机构方案设计爬壁机器人通常采用的移动方式有足式、履带式和车轮式。足式能较好的跨越障碍，但结构复杂且移动速度慢，控制系统也比较复杂；履带式着地面积大，可提供足够的吸附力，壁面适应性好，但其结构不容易转弯；车轮式移动速度快、转弯灵活，但是很难保证提供足够大的吸附力，车轮式重心距壁面较远，对吸盘的扭矩较大，影响吸盘的工作寿命。本课题研究的爬壁机器人在高层建筑的垂直壁面上行走并完成清洁及传递救援物质工作，为了防止机器人从垂直壁面上滑落，机器人必须与壁面间保持足够的吸附力，并具有一定的抗倾覆能力。履带吸盘式的机构能够提供较大的吸附力，吸盘距壁面近可防止倾覆；吸盘在履带上离散布置使机器人对壁面凹凸不平适应性强。具有结构简单，控制方便，运动速度快等优点。综合考虑各方面因素，本课题中爬壁机器人的移动机构选用履带吸盘式结构。2.2.1 履带的结构形式如下图所示为三种常见的履带形状。图2-1 a）中驱动轮及导向轮兼作支撑轮，因此增大了支撑面积，改善了稳定性。图2-1 b）所示为不作支撑轮的驱动轮与导向轮位置高于地面，链条引入时的角度达50度，其好处是适合于穿越障碍。图2-1 c）中驱动轮（主动轮）置中，导向轮（从动轮）对称分布，驱动轮及导向轮兼做支撑轮，可增大接触面积且使履带上受力集中处远离履带弯曲处，减少了对履带的损害。由于爬壁机器人的工作壁面一般比较平整，可能的障碍仅有玻璃的连接处窄沟凸起等，壁面凹凸起伏不大，履带吸盘式的结构具有逾越较小障碍的功能；同时，考虑到机器人运行的平稳性和履带的使用寿命，因此采用图2-1 c）所示的结构形式。 a）双履带轮平行履带 b）多履带轮梯形履带 c）三履带轮平行履带图2-1 三种常见的履带形状（图片a、b来自文献11）2.2.2 履带与履带轮的联结履带与履带轮（包括主动轮和从动轮）的联结模拟了齿轮与齿条的啮合，两者齿的模数等参数是相同的。为了保证在运动时履带与履带轮不会咬死，把履带上的齿的厚度做的相对薄一点，保证有足够的啮合空间。为了防止吸盘的尾部与履带轮发生碰撞干涉，履带轮中间部位有深45mm的槽；履带上的孔用于装配吸盘组件和导气管通过，履带上的凸起部分与配气盘相联结用以为吸盘供气。图2-2 a）为履带与履带轮啮合的原理图，二者啮合可以看作齿轮与齿条联结的变形，这种联结运行可靠平稳，传递力矩均匀。图2-2 b）为研究课题开发的机器人三维造型图的履带与履带轮啮合部分。a）履带与履带轮啮合原理图b）履带与履带轮啮合三维造型图图2-2 履带与履带轮的啮合2.2.3 履带吸盘式爬壁机器人壁面适应能力分析机器人主要由真空吸附、履带行走、支撑车体、背仓及清洁机构组成。真空吸附机构包括气动回路、真空泵和吸盘系统。吸盘系统由16组吸盘及配气盘装置组成。当真空泵运行，处于工作状态的4组吸盘平整贴近壁面时，在配气盘装置作用下，吸盘内产生真空负压，机器人吸附于壁面，在保证机器人自身能够牢固吸附于壁面的同时还足以维持清洗刷高速旋转时对壁面的抽打力。在机器人自下往上移动清洗过程中，因吸盘与壁面间有相对滑动，所以吸附力并不是越大越好，因为吸附力过大，机器人就不能顺利上下滑移动；但吸附力过小，在吸盘遭遇壁面凹缝气体过量泄漏时，机器人就不能可靠吸附于壁面，壁面适应能力变差。此外，在作业过程中，清洁头在壁面上的清洗力靠吸盘的吸附力维持，若作用在壁面的清洗压力过小，清洗质量就得不到保证；但清洗压力过大，壁面对机器人反作用力也大，吸附力就需要增加，否则机器人容易脱离壁面。图2-3所示是机器人工作时的静力学，因而有：G / (2-2)式中： 是机器人重心到壁面的距离； 是 作用点到点O 的距离。为保证机器人能在驱动力的作用下在壁面稳定移动，由式(2-1) 、(2-2) 得到的临界条件为：Max (2-3) 可见, 必须稳定在式(2-3) 所示的区间内,实际值由机器人移动速度确定，当机器人的移动速度为一变化值时，则实际值由机器人当前移动速度确定。图2-3 机器人工作时的静力学分析 2.3 爬壁机器人吸附机构方案设计爬壁机器人实现对壁面的吸附有三种方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附较为常用的是吸盘吸附法，利用大气压力使机器人吸附在壁面上，这种方法多用于爬行于玻璃壁面的机器人上，真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式。当壁面比较粗糙时，真空吸附方式的机器人容易产生漏气的现象，因此多改为使用磁吸附的方式，磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，但磁吸附式机器人仅适用于导磁材料壁面。推力吸附的方式即利用机器人自身产生的推力使其吸附于壁面上，这种方式结构较为复杂且工作可靠性较低。本课题要求机器人有足够的吸附力，以保证工作安全可靠，高层建筑壁面凹凸不平不太明显，玻璃壁面为非导磁材料，综合考虑以上问题，在本设计中选择吸盘式真空吸附的方式，多吸盘的结构形式。在开发的爬壁机器人中共有16组吸盘，吸盘组件通过吸盘固定装置固定在履带上，随履带实现移动；真空泵通过供气回路、配气盘完成对吸盘吸附、脱离的控制。2.3.1 吸盘式吸附机构方案设计吸盘吸附材料采用软橡胶。机器人的工作状况与吸盘的吸力大小有关，如图2-4 所示为机器人静止吸附在壁面时的受力。图2-4 机器人静止吸附在壁面时的受力情况 机器人能维持吸附的条件为: （设） （2-4）式中： F 为摩擦力，为摩擦系数，为单个吸盘的吸力，G 为机器人自重与其附件重量之和，n 为吸盘的个数。由于机器人重心离壁面距离为h， 与F 形成的力矩将影响到重心上半部分对壁面的有效压力，同时，考虑到由于地面有缝隙而减少真正吸附壁面的吸盘个数，引入安全系数，则单个吸盘的吸附力为： （2-5）值的大小取决于壁面灰尘、空隙大小、凹凸平度以及行走中遇到障碍物如电线、导气管等因素，一般取23。2.3.2 吸盘机构设计如图2-5 所示为单个吸盘的结构图，它是由钢球1、手动调速阀2、橡皮圈3、弹簧4、弹簧5、导气管6组成。在忽略气体摩擦和位置时，由伯努利方程得： 即 (2-6)图2-5 单个吸盘的结构图式中：V 为气体的速度，K 为气压压缩系数，P 为压力，为密度，C 为常数。机器人工作前，可根据工作壁面的性质和载重量通过手动调节阀设定气流通过导气管的速度；在机器人工作时，当导气管中的气压减小，同时有几个吸盘（正常工作时有4组吸盘）已经处于有效吸附的情况下，吸盘在大气压力的作用下吸附于壁面。而在缝隙上的吸盘将与大气相通，因此V值将增大，气体进入吸盘，吸盘即脱离壁面。 （2-7） 式中：为气体密度，Q 为流量， 为气体流速的改变量，g为重力加速度，k为弹簧屈强系数，为压缩位移。则： （2-8）2.3.3 吸盘式爬壁机器人吸附安全性研究为了确定吸盘式爬壁机器人的负载能力和安全性能，必须对机器人所受的力进行分析。当机器人吸附在玻璃壁面上时，受力情况如图2-6，各符号意义如下:墙壁对第i组吸盘的法向支撑力(垂直于墙面) ，i = 1，4；作用在第i组吸盘上的真空吸力，i = 1，4 ；墙壁作用在第i吸盘上的摩擦力， i = 1，4 ；G 作用在机器人上的重力(包括外设) ；p 相邻两组吸盘之间的距离；d 机器人的等效重心到玻璃壁面的距离； 图2-6 爬壁机器人受力示意图 机器人在工作时，当其在玻璃壁面上移动时有两种危险的情况可能发生：一种情况是它从墙面上滑落；另一种情况是由于最上方接触的吸盘由于受倾翻力矩太大脱离墙面，引起机器人的倾翻。设计中，机器人的吸附机构受力应避免滑落和倾翻两种情况发生，为了简化分析计算，这里只考虑了静态吸附情况。(1)避免机器人从墙面上滑落。根据摩擦力的特性，同样工况下，最大静摩擦力要大于滑动摩擦力，所以有：G 0 ( i = 1，4) (2-10)假设作用在支撑轮上的力不加考虑，认为墙壁对机器人的反作用力只作用在与墙壁接触的吸盘上，由此静态下，机器人在x 、y 方向受力分别满足： (2-11) (2-12)所受的平衡力矩为(以O 点为参照点) ： (2-13)并假定各个吸盘的真空度是均衡的，则作用在吸盘上的吸力为：V = = sv (2-14)式中： s 每组吸盘总的吸附面积；v 工作吸盘内的真空度。为了方便计算 ，假设几个约定条件，设作用于吸盘上的支撑力 ( i = 1，5) 形成一对，并且从到比例增加，以上假设可用下式表示为：- = - ( i = 1，2) (2-15)联立解式(2-12)，(2-13) ，(2-14) ，得到 ( i = 1，4) 表示式： (2-16)理论上，由式(2-16) 可知，只要满足 0 ,则条件(2) 满足条件，求得： (2-17)根据式(2-9) 和(2-17) ，机器人牢靠吸附在工作面上(不从玻璃壁面上滑落或倾翻下来) 的条件应该满足:G min(，) (2-18)理论上： = 5V (2-19)f c2 = (2-20)在进行爬壁机开发和设计时，可以根据具体的尺寸p，d确定，的大小，根据计算式(10)来计算设计是否满足爬壁机不滑落不倾翻的条件。（在计算时基于安全考虑，玻璃与吸盘间的典型摩擦因数按最小计 = 0. 11 。）根据计算分析出最可能发生危险的情形是（1）或（2）。在保证次危险安全的情况下，保证最危险的情况不会发生，由此才能保证爬壁机器人安全地工作。考虑到机器人在越障时第一组吸盘可能发生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，应当另外增加安全系数，在设计时,考虑只有下面4 组吸盘组工作时机器人仍能够安全吸附。因此，保证机器人的安全，要确保： (2-21)或表示为： (2-22)式中：G 机器人和负载总的质量； 作用在机器人吸盘上吸力的总和，= 4V ； = 1/ ； n 安全系数。2.4 机器人气动回路方案设计为了保证爬壁机器人有足够的吸附力，应当为机器人配备真空泵等抽真空设备和可靠的气动回路。机器人工作时吸盘所固定的履带和履带轮都是旋转的，为了防止供气管相互缠绕，必须设计合理的配气盘结构。本文中配气系统主要研究配气盘结构设计、吸盘气动回路设计两部分内容。2.4.1 配气盘结构设计配气盘结构的作用是在爬壁机器人工作时完成吸盘的抽气与进气，配气盘结构主要有配气盘、密封毡、配气接口组成，配气盘通过配气盘固定杆固定于下车体上，密封毡紧贴于配气盘的内表面；配气接口安装于配气盘的下侧，用于完成对即将进入工作或退出工作状态的吸盘完成抽气、进气工作。图2-7为履带与配气盘的联结示意图，履带的突起部恰好装配于配气盘和密封毡的凹槽内；当机器人工作时，履带处于旋转状态，当相应的吸盘进入或退出工作状态时，由配气孔完成它们的抽气、进气工作。 图2-7 履带与配气盘的联结示意图1履带 2配气盘 3通气孔4密封毡 5配气孔图2-8（a）为吸盘组件与履带联结的三维造型图，配气盘的固定杆可以伸过履带轮的中间固定于下车体上，图2-8（b）为吸盘组件的三维造型图内部淡黄色零件为紧贴于配气盘内表面的密封毡；伸出杆为配气盘固定杆，顶端有螺纹；两个深红色接头即为配气接头，配气接头安装于配气盘下侧的配气孔内，配气接头上连接来源于气动回路的通气管即能完成吸盘抽气、进气功能。a）配气盘结构与履带联结的三维造型图 b) 配气盘组件的三维造型图 图2-8 配气盘结构2.4.2 吸盘气动回路设计气动回路是指由真空泵到配气盘配气接口之间的气动系统，包括真空过滤器、真空供给阀、真空破坏阀、真空开关等。如图2-9所示为由真空发生器组件组成的吸附与快速放开。该回路由真空发生器1、真空供给阀2、真空破坏阀3、节流阀4、真空开关5、真空过滤器6、配气接口7组成的真空控制回路。当需要产生真空时，电磁阀2通电；当需要破坏真空放开壁面时，电磁阀2断电、电磁阀3通电。这些真空控制元件可以组成一体，形成一个真空发生器组件。 图2-9 真空产生与破坏回路上述一套真空发生器组件只能与一个配气接口相连接，为了给两个配气接口完成配气需要两套这样的设备。但是，在实际爬壁机器人工作时一个配器接口的吸盘需要产生真空，而另外一个则恰好需要破坏真空，因此为了简化结构和节约成本可以在气动回路中串联一个两位四通的电磁换向阀，该电磁换向阀与真空供给阀、真空破坏阀均由PLC控制工作，协同完成对两个配器接口的配气。2.5 本章小结本章描述了清洁壁面爬壁机器人的工作过程，指出为完成此工作过程爬壁机器人所需完成的功能，包括基本功能吸附、行走以及一些辅助功能。确定了本文研究的爬壁机器人的主要设计参数，为下一步的研究开发做出导向。对爬壁机器人两个重要基本功能吸附和移动进行了机构方案设计和分析。吸附机构采用吸盘式真空吸附方式，对吸附方式的机器人滑落和倾翻的两个安全性问题进行了分析与讨论。详述了履带上固连吸盘的移动机构，履带与履带轮的模拟齿轮齿条啮合的联结方式，重点对履带式移动机构的壁面适应能力进行了分析论证。机器人的辅助功能本章仅介绍了气动回路的真空形成与破坏功能，介绍了配气盘的结构以及采用配气盘结构的优缺点。简单分析了真空发生器为基础的真空形成与破坏回路。第3 章 履带吸盘式爬壁机器人结构的开发与设计第3章 履带吸盘式爬壁机器人结构的开发与论证在履带吸盘式爬壁机器人的结构原理研究的基础上，为了将理论更好的与实践相结合，本课题进行了爬墙机器人结构的开发与设计。在机器人开发的过程中，注重运用前面理论研究的结果，设计了爬壁机器人的结构；在方案设计、详细设计的基础上进行了三维造型，零件生成、部件组装、总装配。在前文结构原理研究中可以看出为了使爬壁机器人能够正常工作，在结构设计时需要使设计满足一些参数与技术条件。在机器人开发与设计的基础上，本文针对机器人吸附结构的吸附性能、行走机构对壁面的的适应能力、机器人车体强度进行了校核论证。3.1 爬壁机器人吸附结构的设计与论证爬壁机器人的吸附机构主要由16组吸盘、配气盘组件、气动回路等构成。吸盘通过吸盘固定装置固定在履带上，在机器人工作的过程中随履带转动，配气盘按照固定的设计给到达相应位置的吸盘组件进行抽气或进气，产生或破坏真空环境使吸盘吸附或放开壁面。在机器人工作过程中，总有4组吸盘处于工作状态，16组吸盘轮流进入工作状态，完成机器人在壁面的吸附与移动。吸附机构的设计应防止机器人从壁面滑落及倾翻两种危险的发生，因此可根据临界条件对设计进行论证校核。3.1.1 爬壁机器人吸附结构的设计吸盘是履带吸盘式爬壁机器人的重要的组件，它的工作性能将直接影响爬壁机气人的正常工作，如图3-1(a) 所示为单个吸盘的结构图，它是由钢球1、手动调速阀2、橡皮圈3、弹簧4、弹簧5、导气管6组成。图3-1(b)为单个吸盘组件的三维造型图。整个吸盘组件高100mm，装配在履带上后伸出履带外尺寸为60mm，装吸盘组件处履带厚8mm，故凹于履带内的吸盘组件长度为32mm，不会与履带轮发生干涉。a) 吸盘结构简图 b) 吸盘三维造型图 图3-1 吸盘结构 吸盘由软塑料经注塑制成，壳体为铝合金件，为了防止在机器人工作过程中吸盘组件壳体折断发生危险，吸盘与履带结合部材料较厚。为了减轻整个机器人的总质量，在满足工作和强度要求的情况下，零件均采用塑料、铝合金或其他轻质材料做成。 图3-2 吸盘固定于履带上的装配图图3-2为吸盘固定于履带上的装配图，吸盘组件均布于履带上，吸盘组件间的中心距p=208.9mm，吸盘组件中心与爬壁机器人重心的距离为d=320mm。3.1.2 爬壁机器人吸附结构的论证根据2.3.3关于吸盘式爬壁机器人吸附安全性研究，当机器人在玻璃壁面上移动时有两种危险的情况可能发生：一种情况是它从墙面上滑落；另一种情况是由于最上方接触的吸盘由于受倾翻力矩太大脱离墙面，引起机器人的。避免机器人从墙面上滑落。根据摩擦力的特性，同样工况下，最大静摩擦力要大于滑动摩擦力，所以有：G 0 ,则条件(2) 满足条件，求得： (3-2)根据式(3-1) 和(3-2) ，机器人牢靠吸附在工作面上(不从玻璃壁面上滑落或倾翻下来) 的条件应该满足:G min(，) (3-3)理论上： = 5V (3-4)= (3-5)根据设计数据可知，p=208.9mm，d=320mm，根据图3-3的吸力与最大负载，当负载为大约500N时应取真空度V=，最小摩擦因数取0.11，由此可以得到： (3-6) (3-7)图3-3 吸力与最大负载曲线图（图片来自文献1） (3-8)根据计算分析出最可能发生危险的情形是爬墙机从壁面滑落。在保证次危险安全的情况下，保证最危险的情况不会发生，由此才能保证爬壁机安全地工作。考虑到机器人在越障时第一组吸盘可能发生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，应当另外增加安全系数，在设计时，考虑只有下面4 组吸盘组工作时机器人仍能够安全吸附。因此，保证机器人的安全，要确保： (3-9) 取安全系数为2.5，根据爬壁机器人的设计要求，总重量M=45kg，故： (3-10) G (3-11)由式（3-11）可知，爬墙机不会发生滑落的危险，由知其也不会从壁面倾翻。综合以上论证，爬