创新SIT多功能爬壁机器人phk.docx

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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: 多功能爬壁壁机器人人学校名称湖南大学学生姓名专 业业性 别入 学 年年 份金睿工程力学男2013李雷机械设计制制造及其其自动化化男2012王琨淇机械设计制制造及其其自动化化男2012韩进华机械设计制制造及其其自动化化男2012指导教师金秋谈职称副教授学科专业机械设计理理论学生曾经参参与科研研的情况况湖南省工程程模型设设计制作作大赛 获省级级二等奖奖大学生工程程能力训练练大赛 获省级三等等奖挑战杯湖南南大学校校赛 获校级一等奖奖指导教师承承担科研研课题情情况1995-20003参与与小型水水稻联合合收割机机研发，通通过省级级成果

2、鉴鉴定，220022年参与与类菱形形新概念念成研发发，2006年年参与四四轮三轴轴月球车车的结构构设计及及着陆器器的结构构设计；本项目目为教育育部的重重点项目目。20008年年参与无无人驾驶驶汽车机机械结构构设改造造设计；获全国国智能车车大赛冠冠军。220100年参与与中气子子项“基于新新概念通通用底盘盘的关键键技术研研究”，20014年年主持重重庆市“1511”汽车产产业升级级转型重重大专项项-C级级车AMMT变速速箱摘挂挂挡及离离合器执执行器开开发，220066年指导导学生参参与全国国第二届届大学生生机械设设计创新新大赛，项项目获国国家级三三等奖，220111级评为为优秀毕毕业设计计指导老

3、老师，220122年第五五届全国国大学生生机械设设计创新新大赛二二等奖，220122年获全全国大学学生挑战战杯银奖奖。20013年年获全国国大学生生挑战杯杯省赛二二等奖。指指导SIIT国家家级重点点项目五五项，组组织第五五届、第第六届全全国大学学生机械械创新设设计大赛赛湖南大大学选拔拔赛，两两项发明明专利（第第一作者者）。项目研究和和实验的的目的、内内容和要要解决的的主要问问题1、项目研研究的目目的和要要解决的的主要问问题：现代城市高高楼林立立，采用用的瓷砖或或玻璃结结构的大大厦壁面面常年裸裸露在外外，需要要进行维维护和清清洁。通通过查阅阅相关文文献资料料和实地地调研发发现，迄迄今为止止，这类

4、类工作仍仍由人工工搭乘吊吊篮完成成，不仅仅效率低低、成本本高，而而且对人人身安全全和大楼楼壁面构构成极大大威胁，下下图中的的“蜘蛛侠侠”想必我我们已经经司空见见惯。 图1 瓷瓷砖墙壁壁 图2 玻璃幕幕墙 图3 人人工高空空外墙清清洗 图4 城城市蜘蛛蛛侠并且随着科科学技术术的发展展，生活活趋向自自动化、智能化化，琳琅琅满目的的机器人人有效地地提高了了生产、生生活效率率，改进进生产、生活质质量。同同时在国国家中长长期科学学和技术术发展规规划纲要要（20006-20220年）中中，明确确指出将将机器人人作为未未来优先先发展的的战略高高新技术。综综上所述研研究并制制作一种种爬壁机器人人，代替替人类从

5、从事危险险性与重复性性高的体体力活动动，为人人们的生生活提供供更大的的安全和和方便，刻刻不容缓缓。并且，现在在市场上上的壁面面清洁机机器人类类型较少少并且很很杂，普普遍采用用的是真真空吸附附交替行行走的足足爬方式式。其真真空吸附附分为单单吸盘和和多吸盘盘两种形形式，单单吸盘无无冗长性性，一旦旦不抽风风便立刻刻会脱落落；多吸吸盘的壁壁面若有有凸凹或或裂缝则则会产生生真空泄泄漏，两两种吸附附都不尽尽人意，并并且清洁洁机器人人体积比比较大，清清洁过程程很复杂杂。查询已有专专利号为为CN 104421664077 A公布的的一种爬墙墙机器人人（图55），它它的主要要结构包包括蜗轮轮吸附装装置、驱驱动装

6、置置和清理理装置，其其工作原原理是利利用涡轮轮11产产生气压压差使遥遥控车主主体100吸附在在墙面，驱驱动车轮轮1022控制车车主体110在墙墙面上爬爬行，爬爬行过程程中清理理装置116会对对经过的的墙面进进行清理理。上述述技术方方案利用用类似于于直升机机螺旋桨桨的原理理而设计计，尽管管能产生生吸附，但但是对蜗蜗轮叶片片的转速速要求高高，功率率要求大大，从而而使整个个装置体体积大，质质量重，不不方便操操作、携携带和移移动。此此外功能能单一，不不适合复复杂的工工作环境境，成本本高；此此机器人人的出现现标志着着爬壁机机器人兴兴起于清清洁领域域。图5 已已有专利利爬壁机机器人 与此同时，如如今常用用

7、投影设设备是固固定的，不不能全方方位全角角度摄影影与自拍拍。最近近风靡的的自拍神神器自拍杆杆，也受受到距离离的限制制。该爬爬壁机器器人可在在壁面上上携带微微型摄像像头任意意行走，自自动捕捉捉识别人人脸，图图像通过过蓝牙自自动传输输至移动动终端设设备，带带来极大大便利。此此外在机机器人上上可配备备微型投投影仪，通通过控制制系统输输入源文文件，经经过融合合调试，组组建成显显示系统统。随着着机器人人运动而而形成移移动的投投影，可可有效地地渲染各各种效果果。我们也注意意到，墙墙绘作为为建筑物物的附属属部分，它它的装饰饰和美化化功能使使它成为为环境艺艺术的宠宠儿。目目前墙绘绘普遍均均由人工工绘制而而成（

8、如如图7），耗耗时长，对对工人水水平要求求高。在在机器人人功能末末端上安安装可拆拆卸的颜颜料绘笔笔，通过过控制系系统，在在移动终终端设备备上输入入需要的的绘画程程序，通通过控制制机器人人运动轨轨迹完成成墙绘。人人工与机机器特点点对比见见表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 人工工与机器器特点对对比 图6 人工工墙绘 鉴于此，我我们小组组通过市市场调研研和论证证后决定定设计一一种高效效的便携携式多功功能爬壁壁机器人人来弥补补这方面面

9、的空白白。2、研究内内容和要要解决的的问题：该项目以高高层建筑筑作业比比较困难难为创意意来源，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。对于普通家家庭，可可作为清清洁利器器，能清清洁有缝缝隙的多多种壁面面，在各各个墙面面间实现现翻转；对于电电器爱好好者，可可作为二二次开发发的模型型，制作作出更加加便利的的产品；对于学学校或科科普馆，该该机器人人可用于

10、于科普教教育，开开启学生生想象力力大门的的钥匙；对于高高层维护护人员，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、全方位摄影以及墙绘。表2 功能能简表国外爬壁机机器人的的发展概概况：爬壁机器人人是一种种能够在在壁面爬爬行作业业的机器器

11、人，过过去的几几十年里里在世界界范围内内得到迅迅速发展展。早在在19666年，大大阪府立立大学利利用电风风扇进气气侧低压压空气产产生的负负压作为为吸附力力，制作作了一台台垂直壁壁面移动动机器人人的原理理样机，这这被看作作是爬壁壁机器人人研究的的开端。而而后，日日本应用用技术研研究所研研制出了了磁吸附附爬壁机机器人，它它可以吸吸附在各各种大型型构造物物如油罐罐、船舶舶等的壁壁面，代代替人进进行检查查或修理理等作业业。19990年年以来，西西班牙马马德里CCSICC大学工工业自动动化研究究所研制制出一种种6足式式爬壁机机器人，该该机器人人为磁力力吸附式式，具有有较大的的静载荷荷，掀起起了爬壁壁机器

12、人人在工业业上应用用的热潮潮。国外外在爬壁壁机器人人的研制制和生产产上，日日本、俄俄罗斯、美美国等国国起步较较早，早早在200世纪770年代代开始，这这些国家家就开始始了大量量的研究究与制造造；此后后的四十十年里，爬爬壁机器器人技术术得到了了迅速发发展，相相继研制制出了不不同种类类的样机机，大部部分已经经投入实实用。目目前这些些先进工工业国家家爬壁机机器人技技术处于于国际先先进水平平，在部部分领域域甚至还还处于垄垄断地位位。近年年来，发发达国家家纷纷将将突破爬爬壁机器器人技术术、大力力发展爬爬壁机器器人产业业作为自自己的发发展目标标之一，并并将此产产业作为为新世纪纪拉动国国民经济济增长的的重要

13、引引擎。国内爬壁行行机器人人的发展展概况：和国外相比比，国内内爬壁机机器人的的研究起起步较晚晚，应用用领域窄窄，与国国外的主主要差距距体现在在自主研研发能力力落后于于世界先先进水平平、产学学研脱节节现象较较为严重重，创新新体系建建设尚处处于起步步阶段。但但近几年年已取得得了很大大进步。在在国内自自19888年以以来，在在国家“8633”高技术术计划的的支持下下。哈尔尔滨工业业大学机机器人研研究所先先后研制制成功了了采用磁磁吸附和和真空吸吸附两个个系列的的5种型型号壁面面爬行机机器人。其其中我国国第一台台壁面爬爬行遥控控检测机机器人，采采用负压压吸附，全全方位移移动轮，用用于核废废液储存存罐罐壁

14、壁焊缝缺缺陷检测测。上海海大学也也较早开开展高楼楼壁面清清洗作业业机器人人的研究究，先后后研制出出垂直壁壁面爬壁壁机器人人和球形形壁面爬爬壁机器器人。由由于传统统爬壁机机器人具具有很多多不足之之处（如如对壁面面的材料料和形状状适应性性不强，跨跨越障碍碍物的能能力弱，体体积大，质质量重等等），因因此未来来爬壁机机器人的的结构应应该向着着实用化化的方向向发展。面对当前的的发展现现状与趋趋势，针针对我国国服务机机器人发发展中存存在的不不足，“十二五五”期间，国国民经济济和社会会发展对对我国服服务机器器人产业业的发展展也提出出了新的的要求；并且随随着国民民经济和和社会的的发展，推推进国家家民生科科技领

15、域域的应用用，可以以预见，爬爬壁机器器人作为为一种战战略性新新兴产业业， 必必将迎来来新的巨巨大的发发展空间间。本项目学生生有关的的研究积积累和已已取得的的成绩该项目已获获湖南大大学校级级sitt立项资资格该作品已通通过湖南南大学挑挑战杯初初赛，进进入省赛赛项目的创新新点和特特色1、功能设设计创新新1）本产品品主要用用于玻璃璃、瓷砖砖、粉刷刷墙面等等壁面的的清洁，并并且可以以工作于于有缝隙隙的壁面面，清洁洁效率高高，实用用性强。2）通过控控制子母母机的相相对旋转转可使机机器人从从任一壁壁面翻转转至另一一壁面，如如自竖直直壁面翻翻转至天天花板。3）通过WWIFII实现移移动终端端APPP对机器器

16、人的控控制与管管理，时时尚便捷捷。 4）附带多多功能工工具箱，连连接微型型投影仪仪，实现现移动投投影；连连接颜料料绘笔，实实现墙绘绘；连结结摄像头头，实现现多角度度摄影、自自拍；功功能丰富富，可操操作性好好，娱乐乐性强。2、结构设设计创新新1)采用真真空式吸吸盘结构构，内层层主吸盘盘采用三三角形最最优化的的布局结结构，在存在在壁缝的的情况下下，能够够保证至至少有一一个工作作吸盘处处于工作作状态，增增加了对对壁面适适应性，使使用更安安全。2）采用主主辅双层层吸盘结结构，外外层辅助助吸盘形形成初步步真空，三三个内层层主吸盘盘在初步步真空中中进一步步形成真真空，吸吸附力增增大，气气密性提提高，大大大

17、降低低主吸盘盘因为泄泄漏而失失效的机机率，运运行更稳稳定。3）大变形形柔性铰铰链具有有变形大大、疲劳劳强度高高等特点点，可通通过其实实现翻转转功能，无无需任何何辅助动动力且结结构简单单，自适适应性好好，成本本低。项目的技术术路线、进进度安排排及预期期成果1、技术路路线：通过查阅相相关资料料，将整整个设计计过程分分为方案案设计、技技术设计计和制作作调试三三个阶段段。在产产品方案案设计阶阶段，通通过市场场调研、需需求分析析、预测测及可行行性分析析，确定定任务设设计书，根根据任务务设计书书进行产产品功能能原理的的设计。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

18、和控制系统等。其主要设计过程如图7。图7.设计计流程图图建立功能结结构后，对设设计任务务进行抽抽象，确确定本质质功能，然然后建立立功能结结构，将将复杂的的总功能能（爬壁壁）分解解成相对对较简单单、相互互联系的的分功能能（吸附附、运动动、翻转转等），通通过以下下所述实实现各种种功能，确确定设计计方案。1）吸附功功能的实实现吸附功能是是爬壁机机器人的的根本要要求。目目前吸附附方式主主要有真真空吸附附、磁吸吸附和推推力吸附附三种方方案。每每一种吸吸附方式式都有显显著的特特点和限限制条件件，与工工作环境境的要求求、壁面面的结构构形式、材材质、高高度、表表面质量量以及几几何形状状密切相相关。所所以，吸吸

19、附方式式的选择择必须综综合考虑虑上述各各种因素素的影响响，如何何求得一一个最优优解决方方案，以以及评价价标准是是我们必必须面对对的问题题。推力力吸附利利用直升升机原理理，由螺螺旋桨产产生的高高速气流流产生始始终指向向壁面的的推力，从从而实现现了机器器人的吸吸附功能能，该吸吸附机构构噪声很很大且效效率很低低,所以以首先排排除,在在真空吸吸附以及及磁吸附附之间进进行选择择。真空空吸附与与磁吸附附优缺点点对比见见表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

20、表3 真空吸吸附与磁磁吸附优优缺点对对比鉴于建筑物物壁面的的非导磁磁性,爬壁机机器人多多采用真真空吸附附方式,通常是是依靠抽抽风机、真真空泵等等真空发发生设备备在机器器人的吸吸盘和墙墙壁的接接触面间间形成负负压,依靠压压差使机机器人吸吸附在墙墙壁上。在日常生活活中，真真空吊具具随处可可见；真真空吊具具真空能能量存储储在真空空蓄能器器里，主要是是依靠真真空源在在抽空吸吸盘内部部的空气气产生真真空，使使用时不不仅对表表面无伤伤害，而而且操作作简单，安安全性高高。通过过观察日日常生活活中的真真空吊具具，我们们根据需需要设计计出综合合以上优优点的主主辅真空空吸盘。该该吸盘由由圆形的的耐磨塑塑料制成成，

21、辅助助吸盘包包围三个个主吸盘盘，此种种方式的的优势是是减小了了吸盘失失效的可可能性。2）运动功功能的实实现要求：1）可可驱动真真空吸盘盘运动； 2）结结构简单单，移动动速度快快，适应应能力强强； 3） 壁面光光滑且绝绝缘，无无其他辅辅助装置置；方案一：车车轮式（图图8）: 外形与与汽车相相似，有有四个小小型车轮轮，后面面两个车车轮通过过电机驱驱动，控控制电机机的运动动方向与与速度，实实现机器器人的前前进、后后退和转转弯。机机械结构构简单，控控制简单单便捷，运运动灵活活，但是是与墙壁壁之间属属于线接接触，摩摩擦力小小，须特特制车轮轮以防止止打滑。图8 轮式式运动方案二：履履带式（图图9）：爬爬墙

22、机器器人采用用的是履履带轮作作为移动动机构。履履带式爬爬墙机器器人可以以连续运运动，因因此可以以提高移移动速度度。它的的最大爬爬行速度度可以达达到155m/mmin，其其控制方方式和车车轮式一一致，简简单便捷捷，通过过编程控控制两侧侧电机的的运转方方向、速速度，实实现机器器人的前前进、后后退和转转弯。不不仅与壁壁面的接接触面积积大，适适应能力力强，而而且硅胶胶履带增增强吸附附能力，提提高与壁壁面的摩摩擦力，能能有效的的防止移移动打滑滑。图9 履带带运动方案三：足足脚式（图图10）：通过动动物仿生生，设计计四足爬爬行（类类似壁虎虎），需需要设计计多项关关节和肢肢体，技技术要求求高。同同时驱动动装

23、置众众多，结结构复杂杂，体积积和重量量增大，成成本大大大提高。此此方案结结构复杂杂，操作作和控制制难度较较大，工工艺性差差，效率率较低。表4 运动动方式对对比图10足脚脚式运动动根据上述要要求，通通过查找找论文等等资料建建表4，结合合实际情情况综合合考虑，采采用方案案二。3)翻转功功能的实实现方案一：采采用电机机控制的的行星轮轮式结构构，在母母机的末末端装有有伺服电电机驱动动装置，同同时传动动出的动动力通过过相啮合合齿轮及及两端的的装配形形成行星星轮机构构；子机机与母机机末端带带有连接接装置，通通过电磁磁继电器器控制其其翻转处处的联接接，此时时还需携携带传感感器等设设备。制制作成本本高，结结构

24、复杂杂，并且且给机器器人本身身重量带带来负担担。如下下图111所示，功功能拓展展区绕11转动，伺伺服电机机输出动动力通过过齿轮33与齿轮轮4啮合合，齿轮轮3在绕绕2自转转的同时时，也绕绕1公转转，形成成行星轮轮机构。 1.轴11 2.轴2 3.齿齿轮1 4.齿齿轮2 5.功功能拓展展区6.电磁继继电器 77.电动动机 8.母母机图11 行行星轮系系翻转机机构方案二：大大变形柔柔性铰链链由弹性性较大的的橡胶材材料制成成,具有无无摩擦、变变形大、疲疲劳强度度高等特特点；当当使用大大变形柔柔性铰链链时，其其两端凹凹槽为与与母机与与子机的的连接端端，中间间为变形形段，如如图122；当连连接的子子母机运

25、运动至需需翻转处处时，前前侧机器器人关闭闭动力源源，后侧侧挤压前前侧机器器人，与与此同时时前侧机机器人前前端的翻翻转轮与与圆弧形形结构的的设计使使大变形形柔性铰铰链挤压压并逐渐渐带动前前侧机器器人翻转转，直至至翻转的的那侧的的爬壁机机器人与与墙壁接接触，形形成真空空负压，此此时后侧侧机器人人关闭动动力源。在在此过程程中通过过压力传传感器的的检测，完完成由任任一墙面面向任一一墙面上上的翻转转。 图12 大大变形柔柔性铰链链综合考虑两两种方案案，方案案二无需需任何附附加动力力，且机机构简单单，自适适应性好好，成本本低，明明显优于于方案一一，由此此选择方方案二。4）控制功功能的实实现要求： 11)使

26、用用成本低低，开发发周期短短； 22)可拓拓展性强强，易于于维护和和更新； 33)系统统稳定，反反映灵敏敏，操作作方便；方案一：551单片片机开发发板与红红外遥控控控制系系统: 即以551单片片机为控控制核心心，驱动动各个运运动部件件及传感感器，综综合收集集传感器器信息并并分析，如如下图113所示示；操作作人员通通过红外外遥控器器进行机机器人的的运动控控制，与与此同时时51单单片机通通过对超超声波传传感器，压压力传感感器等信信息的处处理，综综合决定定爬墙机机器人的的运动。（避避免由于于人为的的误操作作，撞上上障碍物物或超过过爬行壁壁面等，降降低风险险保护机机器。）图13 551单片片机控制制系

27、统框框图方案二：AArduuinoo电路板板下位机机与WIIFI上上位机（平平板、手手机等智智能终端端）控制制系统：即以AAVR单单片机为为控制核核心，基基于Arrduiino开开源电子子原型平平台进行行控制系系统设计计，通过过外围压压力传感感器与距距离传感感器，搭搭建起一一个能自自动避障障、自动动翻转识识别的系系统，由由 WIIFI连连接上位位机Anndrooid APPP进行视视频实时时画面传传回并远远程控制制的爬墙墙机器人人，系统统联系如如下图114所示示。根据上述初初始方案案， 查查找论文文、书籍籍等资料料。可知知，Arrduiino是是一款便便捷灵活活、方便便上手的的开源电电子原型型

28、平台，包包含硬件件（各种种型号板板）和软软件（IIDE)。系统统开发周周期短，有有许多成成熟的库库文件，编编程容易易，调试试方便，易易于上手手，外围围传感器器模块化化程度高高，方便便使用且且成本低低廉（控控制板代代码见附附件三）；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，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 AArd

29、uuinoo开发板板控制系系统框图图方案确定：根据系统结结合法结结合所有有子功能能，形成成初步设设计方案案，再评评价和筛筛选初步步设计方方案（主主要通过过技术经经济评价价），确确定吸附附系统采采用真空空式的主辅辅双层四四吸盘结构构，移动动系统采采用硅胶胶式履带带，翻转转功能采采用大变变形柔性性铰链；下步将进进行技术术设计阶阶段，确确定结构构原理方方案，而而后进行行总体设设计和结结构设计计以及工工艺设计计。经过过方案论论证与分分析，最最后确定定以下结结构方案案，通过过对个结结构方案案的计算算分析（见见附件一一）与建建模仿真真（见附附件二），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

30、结构方案案设计中中，总体体布局上上采用简简单的对对称结构构，受力力均匀,真空吸吸盘位于于底盘中中央，提提供足够够的吸附附力，硅硅胶履带带对称布布置，提供机机器人移移动的摩摩擦力驱驱使运动动。零部件件设计充充分考虑虑强度、刚刚度、可可靠性等等机械性性能，以以及加工工工艺性性、产品品经济性性和环保保性等诸诸多因素素。考虑虑到部分分零件是是标准件件、可以以购买;同时除除部分要要求加工工精度高高的部分分需要特特殊加工工外，大大多数都都可以通通过3DD打印技技术加工工，由此此可以节节约制作作成本。33D打印印常用材材料有尼尼龙纤维维、铝材材料、钛钛合金、不不锈钢、镀镀银、橡橡胶类材材料等。在在查阅资资料

31、时发发现，打打印结构构的排斥斥性是很很低的，换换句话说说，3DD打印能能够打印印出很多多的结构构类型，甚甚至一些些复杂的的结构对对它来说说也易如如反掌利利用3DD打印“切片式式”的原理理，可以以非常便便利的完完成制作作。加工工零件见见表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 主主要零件件信息1）原动装装置原动装置采采用直流流动电机机和锂电电池作为为动力源源。锂电电池额定定容量110000mAhh，电压压12VV。伺服服电动机机的额定定电压为为12VV，额定定功率117W， 转速速

32、7800r/mmin，额额定转矩矩1.33NM。锂电池能量量比较高高，具有有高储存存能量密密度，使使用寿命命长，具具备高功功率承受受力，便便于高强强度的启启动加速速，体积积小、重重量轻，绿绿色环保保，不论论生产、使使用和报报废，都都不产生生有毒有有害重金金属元素素和物质质。伺服电动机机可使控控制速度度，位置置精度非非常准确确，可以以将电压压信号转转化为转转矩和转转速以驱驱动控制制对象。伺伺服电机机转子转转速受输输入信号号控制，并并能快速速反应，在在自动控控制系统统中，用用作执行行元件，且且具有起起动转矩矩大，调速速性能好好，过载载能力较较强。据以上分析析，我们们确定采采用原动动装置采采用伺服服

33、电动机机和锂电电池。2)抽气装装置气动隔膜泵泵是容积积泵中较较为特殊殊的一种种形式，采采用压缩缩空气为为动力源源，利用用缸内的的隔膜来来回鼓动动做功，达达到输送送各种介介质的目目的。其其原理(如图115)是是依靠一一个隔膜膜片的来来回鼓动动而改变变工作室室容积来来吸入和和排出气气体的。11电机启启动驱动动10凸凸轮，110凸轮轮经轴承承带动曲曲柄旋转转，从而而使膜片片来回运运动发生生形变。11电机驱驱动时使使两气室室分别同同时处于于吸气和和排气的的状态，77飞轮充充当储能能装置，使使凸轮走走过死点点。当66膜片运运动使22气室中中的体积积增大时时，吸盘盘中的气气体从55吸气管管经4单单向阀进进

34、入气室室，当66膜片运运动使22气室中中的体积积减少时时，吸盘盘中的气气体从33吸气管管经4单单向阀从从气室中中排出。从从而将吸吸盘中的的气体吸吸出，形形成真空空。图15 隔隔膜泵结结构示意意图选用优势：1)由于吸吸附装置置采用的的是双层层吸盘机机构，需需要双气气泵或者者气泵与与各种压压力阀联联合使用用。两种种情况都都会增大大机器人人的体积积和质量量，布局局和设计计更加复复杂，系系统控制制量增大大。2)在机器器人清洁洁过程中中，可能能含有较较大颗粒粒的灰尘尘，使用用普通泵泵会造成成堵塞，而而气动隔隔膜泵则则不仅不不会发生生此种状状况，且且可以当当作是对对壁面的的再一次次清洁。3)气动隔隔膜泵可

35、可以空运运行，安安全性能能好。在泵将将吸盘中中抽成相相对真空空时，泵泵会停止止下不被被烧坏，提提高了整整个机器器人的安安全性能能。4)无需复复杂的控控制系统统，体积积小、重重量轻，便便于移动动。无需需润滑所所以维修修简便，泵泵始终能能保持高高效，不不会因为为磨损而而降低。表6 气泵泵对比表表3)底盘设设计真空吸盘在在吸附时时主要的的失效形形式是吸吸盘与工工件贴合合不理想想产生大大量泄漏漏，导致致破坏真真空，失失去吸附附性能。在在单吸盘盘行走的的过程中中遇到墙墙壁的微微小缝隙隙或者壁壁面与壁壁面接头头处时，会会导致吸吸盘漏气气，吸附附力不足足，为解解决该问问题，暂暂决定采采用图116所示示的三吸

36、吸盘结构构。根据据两点确确定一条条直线，至至多有22个吸盘盘吸附能能力下降降，所以以在工作作情况下下至少一一个吸盘盘保持正正常工作作，保证证机器人人正常工工作。由于单个吸吸盘所负负压产生生墙体的的压力有有限，出出于安全全考虑最最终确定定如图117所示示吸盘组组；外层层为大吸吸盘提供供初步真真空，而而内层三三个吸盘盘的在初初步真空空基础上上形成再再真空，使使吸附更更可靠。同同时当内内层吸盘盘通过壁壁缝时真真空度减减小时，外外层的大大吸盘也也可起保保护作用用。 图16 无安全全缓冲吸吸盘布置置图 图17 具有安安全缓冲冲吸盘布布置图 当吸盘1与与吸盘22因壁缝缝影响而而不能正正常工作作时，吸吸盘3

37、正正常工作作；若壁壁缝相对对移动到到右下图图时，吸吸盘2与与吸盘33均正常常工作，如如图188，从而而实现了了跨越壁壁缝的功功能。图18吸盘盘跨缝的的简单原原理示意意图4)执行装装置执行装置目目的是为为实现壁壁面清洁洁、摄影影、移动动投影、墙墙绘等四四项功能能，采用用可拆换换装置，闲闲置时，并并功能实实现装置置收入多多功能工工具箱。 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

38、对壁面的全尺寸无死角的清洁。图19 清清洁抹布布建模图图及示意意图墙绘执行机机构：将将颜料绘绘笔末端端与预留留的卡槽槽相配合合，如图图20所示示，将绘绘笔颜料料更换部部分与控控制系统统相连接接，在移移动终端端内输入入需要的的图画，并并确定绘绘图基准准，由控控制系统统确定携携带绘笔笔的爬壁壁机器人人的运动动路径实实现墙绘绘功能。图20 墙墙绘笔建建模图摄影、移动动投影执执行机构构：将摄摄像头、微微型投影影仪，通通过卡槽槽与机器器人外壳壳连接，如如图211所示，通通过机器器人移动动至需要要位置，即即可自动动开启设设备，实实现全方方位的摄摄影与移移动投影影。图21 摄摄像机构构建模图图2、进度安安排

39、：2015年年4月-5月，理理论设计计及建模模2015年年6月，成成品制作作与调试试2015年年10月月，代表表湖南大大学参加加湖南省省第十一一届挑战战杯比赛赛2016年年2月，论论文总结结及成品品改进3、预期成成果：1、代表湖湖南大学学参加湖湖南省挑挑战杯比比赛，期期望取得得好成绩绩；2、参加全全国机械械产品数数字化大大赛，期期望取得得好成绩绩；3、该作品品可适用用于生活活各个方方面，根根据机器器人的特特点，该该产品针针对两方方面的需需求；一一方面主主要服务务于高层层建筑清清洁，壁壁面检修修与墙绘绘；另一一方面用用于移动动投影，全全方位摄摄影，多多角度自自拍。目目前市场场上的高高层壁面面作业

40、机机器人类类型较少少，并且且功能单单一，安安全问题题也不能能保证；与此同同时该机机器人的的出现给给投影设设备带来来了自由由移动控控制的方方便性，解解决了墙墙绘易出出现不满满足雇主主意愿、效效率较低低，工作作时所占占空间较较大的问问题，并并且移动动投影也也给生活活带来了了许多便利利性和娱娱乐性。由由于集多多项功能能于一体体，减小小了成本本，具有有良好的的经济性性。以期期为将来来多功能能爬壁机机器人的的研究发发展带来来借鉴意意义。指导教师意意见同意推荐签字： 日日期：附录一：理论计算与与分析1、 大变变形柔性性铰链的的设计与与分析柔性铰链是是经过一一体化设设计和加加工并利利用材料料弹性变变形来实实

41、现预期期运动的的具有一一定形状状的特殊殊运动副副。大变变性铰链链可由弹弹性较大大的橡胶胶材料制制成,具有无无摩擦、变变形大、疲疲劳强度度高等特特点；而而圆角型型柔性铰铰链，链链的变形形集中在在柔性铰铰链的圆圆弧部分分,该铰链链最大变变形角为：其中，L与与C为系系数，MM为转矩矩，R为为圆角型型铰链的的半径，tt为厚度度，b为为厚度，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在大变形柔柔性铰链链的基础础上，通通过位移移传感器器与压力力传感器器的精确确控制实实现壁面面间的翻翻转，具具有良好好的

42、自适适应性，结结构简单单。橡胶胶材料的的应变应力关关系属于于大变形形,不满足足广义胡胡克定律律的小变变形假设设，可用用Moooneyy2Riivliin 模模型来描描述以橡橡胶材料料为基质质的柔性性铰链力力学特性性。由于于适用范范围的限限制，要要求对柔柔性铰链链的转角角最大值值进行一定的的限制,|raad与参参数t/R 的关系系如图22. 图2考虑到机器器人的大大小与体体积，可可拆卸大大变形柔柔性铰链链的宽度度b=112cmm；若需需自竖直直壁面翻翻转至天天花板，则则翻转的的角度为为90度度，由上上表可知知， tt/R=0.55；翻转转时，当当母机行行至另一一侧壁面面，此时时若使子子机通过过大

43、变形形柔性铰铰链变形形自动回回复，需需要的力力矩为：M=FL=G2/L1=1.11Nm由上述两个个已知条条件来设设计大变变形柔性性铰链并并进行有有限元分分析，用用二分法法不断逼逼近，求求取其最最优化结结果，设设计过程程如下所所示：a)首先假假定t=1cmm,R=2cmm,在铰铰链施加加1.11 Nm的力力矩时，其其ANSSYS有有限元受受力分析析如图33所示：此时其其刚度符符合要求求，但变变形角度度远小于于90度度，故不不符合设设计要求求,并且且R应减减小。图3b)假定tt=0.3cmm,R=0.66cm,在铰链链施加11.1 Nm的力力矩时，其其有限元元受力分分析如图图4所示示：变形形过大，

44、刚刚度符合合应用要要求，所所以适当当增加RR的值。 图44c)假定tt=0.5cmm,R=1cmm; 在在铰链施施加1.1 NNm的力力矩时，其其有限元元受力分分析如图图5所示示：此种种情况下下刚好符符合设计计要求，故故大变形形柔性铰铰链t=0.55cm,R=11cm;而与子子母机相相连的可可拆卸结结构选用用内凹性性，受力力稳定，安安全可靠靠。图52、 吸附附力的计计算与分分析A0吸盘盘与壁面面的接触触面积； A吸盘腔腔内面积积；P0吸盘盘腔内的的压力； P吸盘外外部的大大气压力力；G母机机机器人的的重量； G11子机机机器人的的重量；F机器人人的驱动动力； F1 履带与与壁面的的摩擦力力；n

45、安全系系数，取取2。吸附力满足足要求是是机器人人整个设设计制作作过程中中最根本本的问题题。由吸吸盘结构构可知，在在机器人人运动过过程中，辅辅助吸盘盘起密封封保护作作用，而而三个主主吸盘决决定吸附附力的大大小，因因此我们们主要分分析三个个主吸盘盘的力学学性能。由由底盘的的面积确确定辅助助吸盘的的的R=13ccm（不不包含密密封厚度度b），利利用CAAD建模模确定三三个最大大内切圆圆，考虑虑到机器器人可通通过的最最大缝隙隙为200mm,两吸盘盘间的间间 距为为d;即即 2bb+d=20。由由实际工工作条件件，对三三个主吸吸盘进行行有限元元分析，施施加0.03MMpa（由由理想压压力与接接触面积积比

46、值确确定）的的压力时时，如下下图6所所示，在在满足刚刚度强度度及应力力的条件件下，通通过改变变b的值值不断进进行优化化，最终终确定bb=8mmm,dd=4mmm.图6真空气泵的的抽气速速率S=2.3303VV/t*Logg(P11/P22)，而而微型隔隔膜泵流流量大于于等于11.1LL/miin，真真空度可可达-550kppa,可可抽气至至半个真真空度，此此时最大大吸附力力为：F= P(A+AA0)-P0AAA0=0.001116，AA=0.00224，所所以F=2244.3NN而在实际工工作过程程中，由由于壁面面粗糙度度的不同同及考虑虑壁缝存存在时，安安全系数数n=22,吸附附力可达达到1112.115N，此此种硅胶胶的摩擦擦系数为为0.997，可可最大负负重111.2kkg的重重物；由由此可知知此种设设计的大大变形柔柔性铰链链是完全全符合功功能需要要的。3、 吸附附力与驱驱动力的的关系当吸附力过过大时，吸吸盘与壁壁面静摩摩擦力较较大导致致