1、湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項 目 申 報 表項目名稱：多功能爬壁機器人學校名稱湖南大學學生姓名專業性另S入學年份金睿工程力學男2013李雷機械設計制造及其自動化男2012王琨淇機械設計制造及其自動化男2012韓進華機械設計制造及其自動化男2012指導教師金秋談職稱副教授學科專業機械設計理論學生曾經參與科研的情況湖南省工程模型設計制作大賽 獲省級二等獎 大學生工程能力訓練大賽 獲省級三等獎 挑戰杯湖南大學校賽 獲校級一等獎指導教師承擔科研課題情況1995-2003參與小型水稻聯合收割機研發，通過省級成果鑒定，2002年參與類菱形新概念成研發，2006年參與四輪三軸月球車的結構設計及著

2、陸器的結構設計；本項目為教育部 的重點項目。2008年參與無人駕駛汽車機械結構設改造設計；獲全國智能車大 賽冠軍。2010年參與中氣子項“基于新概念通用底盤的關鍵技術研究”，2014年主持重慶市“ 151”汽車產業升級轉型重大專項-C級車AMT變速箱摘掛擋及離 合器執行器開發，2006年指導學生參與全國第二屆大學生機械設計創新大賽， 項目獲國家級三等獎，2011級評為優秀畢業設計指導老師，2012年第五屆全國 大學生機械設計創新大賽二等獎，2012年獲全國大學生挑戰杯銀獎。2013年獲 全國大學生挑戰杯省賽二等獎。指導 SIT國家級重點項目五項，組織第五屆、 第八屆全國大學生機械創新設計大賽湖

3、南大學選拔賽，兩項發明專利（第一作者）項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題1、項目研究的目的和要解決的主要問題：現代城市高樓林立，采用的瓷磚或玻璃結構的大廈壁面常年裸露在外，需 要進行維護和清潔。通過查閱相關文獻資料和實地調研發現，迄今為止，這類 工作仍由人工搭乘吊籃完成，不僅效率低、成本高，而且對人身安全和大樓壁 面構成極大威脅，下圖中的“蜘蛛俠”想必我們已經司空見慣。圖1瓷磚墻壁圖2玻璃幕墻圖3人工高空外墻清洗圖4城市蜘蛛俠并且隨著科學技術的發展，生活趨向自動化、智能化，琳瑯滿目的機器人 有效地提高了生產、生活效率，改進生產、生活質量。同時在國家中長期科 學和技術發展規劃綱要（20

4、06-2020年）中，明確指出將機器人作為未來優先 發展的戰略高新技術。綜上所述研究并制作一種爬壁機器人，代替人類從事危 險性與重復性高的體力活動，為人們的生活提供更大的安全和方便，刻不容緩。并且，現在市場上的壁面清潔機器人類型較少并且很雜，普遍采用的是真 空吸附交替行走的足爬方式。其真空吸附分為單吸盤和多吸盤兩種形式，單吸 盤無冗長性，一旦不抽風便立刻會脫落；多吸盤的壁面若有凸凹或裂縫則會產 生真空泄漏，兩種吸附都不盡人意，并且清潔機器人體積比較大，清潔過程很 復雜。查詢已有專利號為CNA公布的一種爬墻機器人（圖5），它的主要結構包括 蝸輪吸附裝置、驅動裝置和清理裝置，其工作原理是利用渦輪1

5、1產生氣壓差使遙控車主體10吸附在墻面，驅動車輪102控制車主體10在墻面上爬行，爬行 過程中清理裝置16會對經過的墻面進行清理。上述技術方案利用類似于直升機 螺旋槳的原理而設計，盡管能產生吸附，但是對蝸輪葉片的轉速要求高，功率 要求大，從而使整個裝置體積大，質量重，不方便操作、攜帶和移動。此外功 能單一，不適合復雜的工作環境，成本高；此機器人的出現標志著爬壁機器人興起于清潔領域。圖5已有專利爬壁機器人與此同時，如今常用投影設備是固定的，不能全方位全角度攝影與自拍。 最近風靡的自拍神器一一自拍桿，也受到距離的限制。該爬壁機器人可在壁面 上攜帶微型攝像頭任意行走，自動捕捉識別人臉，圖像通過藍牙自

6、動傳輸至移 動終端設備，帶來極大便利。此外在機器人上可配備微型投影儀，通過控制系 統輸入源文件，經過融合調試，組建成顯示系統。隨著機器人運動而形成移動 的投影，可有效地渲染各種效果。我們也注意到，墻繪作為建筑物的附屬部分，它的裝飾和美化功能使它成為環境藝術的寵兒。目前墻繪普遍均由人工繪制而成（如圖7），耗時長，對工人水平要求高。在機器人功能末端上安裝可拆卸的顏料繪筆，通過控制系統， 在移動終端設備上輸入需要的繪畫程序，通過控制機器人運動軌跡完成墻繪。人工與機器特點對比見表1人工墻繪機器墻繪缺點：對工人技術要求高、 效率較低，成本咼、工作時所占 空間較大，一般只能在裝修期間 進行繪圖。優點：能繪

7、制出較為規整復 雜的圖形，成本低、效率高、工 作時所用空間較小，不受空間限 制。表1人工與機器特點對比圖6人工墻繪鑒于此，我們小組通過市場調研和論證后決定設計一種高效的便攜式多功能爬 壁機器人來彌補這方面的空白。2、研究內容和要解決的問題：該項目以高層建筑作業比較困難為創意來源，通過真空式主輔雙層四吸盤實 現真空吸附，可以跨越縫隙，氣密性好，安全性高；采用大變形柔性鉸鏈，實 現豎直平面至天花板的翻轉；通過變速箱減速，由主軸驅動硅膠履帶實現靈活 運動與轉向；該機器人集機械結構，電氣控制，終端操縱于一體，是一臺機電 一體化、自動化、智能化的代表產物，可廣泛應用于生活各個方面。對于普通家庭，可作為清

8、潔利器，能清潔有縫隙的多種壁面，在各個墻面 間實現翻轉；對于電器愛好者，可作為二次開發的模型，制作出更加便利的產 品；對于學?；蚩破震^，該機器人可用于科普教育，開啟學生想象力大門的鑰 匙；對于高層維護人員，降低高層建筑的作業成本，改善工人的勞動環境的同 時提高了勞動生產率；對于產品宣傳，移動投影作為“可移動的電視”，給產 品潤色了許多；同時，作為一款拓展性強大的產品，可以用作攝像、自拍、墻 繪等功能，也可用作監控、壁面檢查等安全功能；以求用途廣泛，達到更高的 實用價值。主要功能拓展功能本作品用于自動清潔瓷磚、玻璃、 粉刷墻等壁面，實現壁面間翻轉且可 跨越縫隙。附帶多功能工具相，手動更換功能區

9、攜帶的工具，可以實現移動投影、全 方位攝影以及墻繪。表2功能簡表國外爬壁機器人的發展概況：爬壁機器人是一種能夠在壁面爬行作業的機器人，過去的幾十年里在世界 范圍內得到迅速發展。早在1966年，大阪府立大學利用電風扇進氣側低壓空氣 產生的負壓作為吸附力，制作了一臺垂直壁面移動機器人的原理樣機，這被看 作是爬壁機器人研究的開端。而后，日本應用技術研究所研制出了磁吸附爬壁 機器人，它可以吸附在各種大型構造物如油罐、船舶等的壁面，代替人進行檢 查或修理等作業。1990年以來，西班牙馬德里CSIC大學工業自動化研究所研制 出一種6足式爬壁機器人，該機器人為磁力吸附式，具有較大的靜載荷，掀起 了爬壁機器人

10、在工業上應用的熱潮。國外在爬壁機器人的研制和生產上，日本、 俄羅斯、美國等國起步較早，早在 20世紀70年代開始，這些國家就開始了大 量的研究與制造；此后的四十年里，爬壁機器人技術得到了迅速發展，相繼研 制出了不同種類的樣機，大部分已經投入實用。目前這些先進工業國家爬壁機 器人技術處于國際先進水平，在部分領域甚至還處于壟斷地位。近年來，發達 國家紛紛將突破爬壁機器人技術、大力發展爬壁機器人產業作為自己的發展目 標之一，并將此產業作為新世紀拉動國民經濟增長的重要引擎。國內爬壁行機器人的發展概況：和國外相比，國內爬壁機器人的研究起步較晚，應用領域窄，與國外的主 要差距體現在自主研發能力落后于世界先

11、進水平、產學研脫節現象較為嚴重， 創新體系建設尚處于起步階段。但近幾年已取得了很大進步。在國內自1988年以來，在國家“ 863”高技術計劃的支持下。哈爾濱工業大學機器人研究所先后 研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個系列的5種型號壁面爬行機器人。其中我國第一臺壁面爬行遙控檢測機器人，采用負壓吸附，全方位移動輪，用于核 廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。上海大學也較早開展高樓壁面清洗作業機器人 的研究，先后研制出垂直壁面爬壁機器人和球形壁面爬壁機器人。由于傳統爬 壁機器人具有很多不足之處（如對壁面的材料和形狀適應性不強，跨越障礙物 的能力弱，體積大，質量重等），因此未來爬壁機器人的結構應該向著實用化的

12、 方向發展。面對當前的發展現狀與趨勢，針對我國服務機器人發展中存在的不足，“十二五”期間，國民經濟和社會發展對我國服務機器人產業的發展也提出了新的 要求；并且隨著國民經濟和社會的發展，推進國家民生科技領域的應用，可以 預見，爬壁機器人作為一種戰略性新興產業，必將迎來新的巨大的發展空間。本項目學生有關的研究積累和已取得的成績該項目已獲湖南大學校級sit立項資格該作品已通過湖南大學挑戰杯初賽，進入省賽項目的創新點和特色1、功能設計創新1）本產品主要用于玻璃、瓷磚、粉刷墻面等壁面的清潔，并且可以工作于 有縫隙的壁面，清潔效率高，實用性強。2）通過控制子母機的相對旋轉可使機器人從任一壁面翻轉至另一壁面

13、，如 自豎直壁面翻轉至天花板。3）通過WIFI實現移動終端APP對機器人的控制與管理，時尚便捷。4）附帶多功能工具箱，連接微型投影儀，實現移動投影；連接顏料繪筆， 實現墻繪；連結攝像頭，實現多角度攝影、自拍；功能豐富，可操作性好，娛 樂性強。2、結構設計創新1）采用真空式吸盤結構，內層主吸盤采用三角形最優化的布局結構，在存 在壁縫的情況下，能夠保證至少有一個工作吸盤處于工作狀態，增加了對壁面 適應性，使用更安全。2）采用主輔雙層吸盤結構，外層輔助吸盤形成初步真空，三個內層主吸盤 在初步真空中進一步形成真空，吸附力增大，氣密性提高，大大降低主吸盤因 為泄漏而失效的機率，運行更穩定。3）大變形柔性

14、鉸鏈具有變形大、疲勞強度高等特點，可通過其實現翻轉功 能,無需任何輔助動力且結構簡單，自適應性好，成本低。項目的技術路線、進度安排及預期成果1、技術路線：通過查閱相關資料，將整個設計過程分為方案設計、技術設計和制作調試 三個階段。在產品方案設計階段，通過市場調研、需求分析、預測及可行性分 析，確定任務設計書，根據任務設計書進行產品功能原理的設計。經過對設計 任務的抽象，建立功能結構，將產品設計模塊分為吸附系統，運動系統，翻轉 系統和控制系統等。其主要設計過程如圖 7。圖7.設計流程圖建立功能結構后，對設計任務進行抽象，確定本質功能，然后建立功能結 構，將復雜的總功能（爬壁）分解成相對較簡單、相

15、互聯系的分功能（吸附、 運動、翻轉等），通過以下所述實現各種功能，確定設計方案。1）吸附功能的實現吸附功能是爬壁機器人的根本要求。目前吸附方式主要有真空吸附、磁吸 附和推力吸附三種方案。每一種吸附方式都有顯著的特點和限制條件，與工作 環境的要求、壁面的結構形式、材質、高度、表面質量以及幾何形狀密切相關。 所以，吸附方式的選擇必須綜合考慮上述各種因素的影響，如何求得一個最優 解決方案，以及評價標準是我們必須面對的問題。推力吸附利用直升機原理， 由螺旋槳產生的高速氣流產生始終指向壁面的推力，從而實現了機器人的吸附功能，該吸附機構噪聲很大且效率很低，所以首先排除，在真空吸附以及磁吸附 之間進行選擇。

16、真空吸附與磁吸附優缺點對比見表3。吸附種類單吸盤真空吸附多吸盤吸附磁吸附電磁吸附對墻面光潔度要求一般一般較低較低對墻面材質要求不咼不咼鐵金屬鋼鐵金屬是否備氣泵帶帶不帶不帶對墻面傷害程度一般小大大吸附穩定性低較高較低較高表3 真空吸附與磁吸附優缺點對比鑒于建筑物壁面的非導磁性，爬壁機器人多采用真空吸附方式，通常是依靠 抽風機、真空泵等真空發生設備在機器人的吸盤和墻壁的接觸面間形成負壓 ，依 靠壓差使機器人吸附在墻壁上。在日常生活中，真空吊具隨處可見；真空吊具真空能量存儲在真空蓄能器 里，主要是依靠真空源在抽空吸盤內部的空氣產生真空，使用時不僅對表面無 傷害，而且操作簡單，安全性高。通過觀察日常生

17、活中的真空吊具，我們根據 需要設計出綜合以上優點的主輔真空吸盤。該吸盤由圓形的耐磨塑料制成，輔 助吸盤包圍三個主吸盤，此種方式的優勢是減小了吸盤失效的可能性。2）運動功能的實現要求：1）可驅動真空吸盤運動；2）結構簡單，移動速度快，適應能力強；3）壁面光滑且絕緣，無其他輔助裝置；方案一：車輪式（圖8）:外形與汽車相似，有四個小型車輪，后面兩個車 輪通過電機驅動，控制電機的運動方向與速度，實現機器人的前進、后退和轉 彎。機械結構簡單，控制簡單便捷，運動靈活，但是與墻壁之間屬于線接觸， 摩擦力小，須特制車輪以防止打滑。圖8輪式運動方案二：履帶式（圖9）：爬墻機器人采用的是履帶輪作為移動機構。履帶

18、式爬墻機器人可以連續運動，因此可以提高移動速度。它的最大爬行速度可以 達到15m/mi n,其控制方式和車輪式一致，簡單便捷，通過編程控制兩側電機的 運轉方向、速度，實現機器人的前進、后退和轉彎。不僅與壁面的接觸面積大， 適應能力強，而且硅膠履帶增強吸附能力，提高與壁面的摩擦力，能有效的防 止移動打滑。圖9履帶運動方案三：足腳式（圖10）：通過動物仿生，設計四足爬行（類似壁虎），需 要設計多項關節和肢體，技術要求高。同時驅動裝置眾多，結構復雜，體積和 重量增大，成本大大提高。此方案結構復雜，操作和控制難度較大，工藝性差， 效率較低。舉肥方式優點缺點輪式動速度快，控制簡單， 靈活性好接觸面積小，

19、越障能力差， 適應性差殖帶式播觸面積大，承載能力好， 適應能力強履帶腐損嚴重. 機動性差蛇開澤爬效率咼：.靈活性好. 工作空間大多目由度控制難， 承載能力差蜻行式承載能力大，平穏性奸， 適應能力強速度慢、 復雜性高表4運動方式對比 圖10足腳式運動根據上述要求，通過查找論文等資料建表4,結合實際情況綜合考慮，采用3）翻轉功能的實現方案一：采用電機控制的行星輪式結構，在母機的末端裝有伺服電機驅動裝 置，同時傳動出的動力通過相嚙合齒輪及兩端的裝配形成行星輪機構；子機與母 機末端帶有連接裝置，通過電磁繼電器控制其翻轉處的聯接，此時還需攜帶傳感 器等設備。制作成本高，結構復雜，并且給機器人本身重量帶來

20、負擔。如下圖11所示，功能拓展區繞1轉動，伺服電機輸出動力通過齒輪 3與齒輪4嚙合，齒輪 3在繞2自轉的同時，也繞1公轉，形成行星輪機構。1. 軸12.軸23.齒輪14.齒輪25.功能拓展區6.電磁繼電器 7.電動機8.母機圖11行星輪系翻轉機構方案二：大變形柔性鉸鏈由彈性較大的橡膠材料制成，具有無摩擦、變形大、疲勞強度高等特點；當使用大變形柔性鉸鏈時，其兩端凹槽為與母機與子機的連 接端，中間為變形段，如圖12；當連接的子母機運動至需翻轉處時，前側機器人 關閉動力源，后側擠壓前側機器人，與此同時前側機器人前端的翻轉輪與圓弧形 結構的設計使大變形柔性鉸鏈擠壓并逐漸帶動前側機器人翻轉，直至翻轉的那

21、側 的爬壁機器人與墻壁接觸，形成真空負壓，此時后側機器人關閉動力源。在此過 程中通過壓力傳感器的檢測，完成由任一墻面向任一墻面上的翻轉。圖12大變形柔性鉸鏈綜合考慮兩種方案，方案二無需任何附加動力，且機構簡單，自適應性好， 成本低，明顯優于方案一，由此選擇方案二。4）控制功能的實現要求：1）使用成本低，開發周期短；2）可拓展性強，易于維護和更新；3）系統穩定，反映靈敏，操作方便；方案一：51單片機開發板與紅外遙控控制系統：即以51單片機為控制核心， 驅動各個運動部件及傳感器，綜合收集傳感器信息并分析，如下圖 13所示；操作 人員通過紅外遙控器進行機器人的運動控制，與此同時51單片機通過對超聲波

22、傳 感器，壓力傳感器等信息的處理，綜合決定爬墻機器人的運動。 （避免由于人為的 誤操作，撞上障礙物或超過爬行壁面等，降低風險保護機器。）圖13 51單片機控制系統框圖方案二：Arduino電路板下位機與 WIFI上位機（平板、手機等智能終端）控 制系統：即以AVR單片機為控制核心，基于 Arduino開源電子原型平臺進行控制 系統設計，通過外圍壓力傳感器與距離傳感器，搭建起一個能自動避障、自動翻 轉識別的系統，由 WIFI連接上位機An droid APP進行視頻實時畫面傳回并遠程 控制的爬墻機器人，系統聯系如下圖 14所示。根據上述初始方案，查找論文、書籍等資料?？芍珹rduino是一款便

23、捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號板）和軟件（ IDE）。系 統開發周期短，有許多成熟的庫文件，編程容易，調試方便，易于上手，外圍傳 感器模塊化程度高，方便使用且成本低廉（控制板代碼見附件三）；開發An droidAPP使用MIT的AppInventor可以方便的編寫好所需的 APP程序；如今智能手機 普及，通過An droid應用控制爬壁機器人，更加方便且不受位置限制。如果基于 51單片機開發系統，開發難度高，編程代碼量大，切模塊化程度低，不宜調試和 維護；紅外遙控容易受機器人位置的影響而無法準確的下達命令。因此，綜合各 方面因素考慮，采用方案二。圖14 Arduino開

24、發板控制系統框圖方案確定：根據系統結合法結合所有子功能，形成初步設計方案，再評價和篩選初步 設計方案（主要通過技術經濟評價），確定吸附系統采用真空式的主輔雙層四吸 盤結構，移動系統采用硅膠式履帶，翻轉功能采用大變形柔性鉸鏈；下步將進 行技術設計階段，確定結構原理方案，而后進行總體設計和結構設計以及工藝 設計。經過方案論證與分析，最后確定以下結構方案，通過對個結構方案的計 算分析（見附件一）與建模仿真（見附件二），證明了其理論上的正確性以及可 行性。以下為最終結構方案：在結構方案設計中，總體布局上采用簡單的對稱結構，受力均勻，真空吸盤位 于底盤中央，提供足夠的吸附力，硅膠履帶對稱布置，提供機器人

25、移動的摩擦力 驅使運動。零部件設計充分考慮強度、剛度、可靠性等機械性能，以及加工工藝 性、產品經濟性和環保性等諸多因素。考慮到部分零件是標準件、可以購買；同時除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外， 大多數都可以通過3D打印技術加 工，由此可以節約制作成本。3D打印常用材料有尼龍纖維、鋁材料、鈦合金、不 銹鋼、鍍銀、橡膠類材料等。在查閱資料時發現，打印結構的排斥性是很低的， 換句話說，3D打印能夠打印出很多的結構類型，甚至一些復雜的結構對它來說也 易如反掌利用3D打印“切片式”的原理，可以非常便利的完成制作。加工零件見 表5。序號名稱數量3D打印材料1底盤1ABC塑料2吸盤3ABC塑料3吸盤

26、螺釘12樹脂4履帶1ABC塑 料5履帶輪4ABC塑 料6安全閥1樹脂7電機固定架3樹脂8柔順鉸鏈1橡膠表5主要零件信息1）原動裝置原動裝置采用直流動電機和鋰電池作為動力源。鋰電池額定容量lOOOmAh電壓12V。伺服電動機的額定電壓為12V,額定功率17W 轉速780r/min，額定 轉矩 M鋰電池能量比較高，具有高儲存能量密度，使用壽命長，具備高功率承受力， 便于高強度的啟動加速，體積小、重量輕，綠色環保，不論生產、使用和報廢， 都不產生有毒有害重金屬元素和物質。伺服電動機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將信號轉化為和轉速以 驅動控制對象。伺服轉子轉速受輸入控制，并能快速反應，在自動控制

27、系統中， 用作執行元件，且具有大，調速性能好，過載能力較強。據以上分析，我們確定采用原動裝置采用伺服電動機和鋰電池。2）抽氣裝置氣動隔膜泵是容積泵中較為特殊的一種形式，采用壓縮空氣為動力源，利用 缸內的隔膜來回鼓動做功，達到輸送各種介質的目的。其原理（如圖15）是依靠一個隔膜片的來回鼓動而改變工作室容積來吸入和排出氣體的。1電機啟動驅動10凸輪，10凸輪經軸承帶動曲柄旋轉，從而使膜片來回運動發生形變。1電機驅動時使兩氣室分別同時處于吸氣和排氣的狀態，7飛輪充當儲能裝置，使凸輪走過死點。當6膜片運動使2氣室中的體積增大時，吸盤中的氣體從 5吸氣管經4單 向閥進入氣室，當6膜片運動使2氣室中的體積

28、減少時，吸盤中的氣體從 3吸氣 管經4單向閥從氣室中排出。從而將吸盤中的氣體吸出，形成真空。圖15隔膜泵結構示意圖選用優勢：1）由于吸附裝置采用的是雙層吸盤機構，需要雙氣泵或者氣泵與各種壓力閥 聯合使用。兩種情況都會增大機器人的體積和質量，布局和設計更加復雜，系統 控制量增大。2）在機器人清潔過程中，可能含有較大顆粒的灰塵，使用普通泵會造成堵塞， 而氣動隔膜泵則不僅不會發生此種狀況，且可以當作是對壁面的再一次清潔。3）氣動隔膜泵可以空運行，安全性能好。在泵將吸盤中抽成相對真空時，泵 會停止下不被燒壞，提高了整個機器人的安全性能。4）無需復雜的控制系統，體積小、重量輕，便于移動。無需潤滑所以維修

29、簡 便，泵始終能保持高效，不會因為磨損而降低。表6氣泵對比表3）底盤設計真空吸盤在吸附時主要的失效形式是吸盤與工件貼合不理想產生大量泄漏， 導致破壞真空，失去吸附性能。在單吸盤行走的過程中遇到墻壁的微小縫隙或者 壁面與壁面接頭處時，會導致吸盤漏氣，吸附力不足，為解決該問題，暫決定采 用圖16所示的三吸盤結構。根據兩點確定一條直線，至多有2個吸盤吸附能力下 降，所以在工作情況下至少一個吸盤保持正常工作，保證機器人正常工作。由于單個吸盤所負壓產生墻體的壓力有限， 出于安全考慮最終確定如圖17所 示吸盤組；外層為大吸盤提供初步真空，而內層三個吸盤的在初步真空基礎上形 成再真空，使吸附更可靠。同時當內

30、層吸盤通過壁縫時真空度減小時，外層的大 吸盤也可起保護作用。圖16無安全緩沖吸盤布置圖圖17具有安全緩沖吸盤布置圖當吸盤1與吸盤2因壁縫影響而不能正常工作時，吸盤 3正常工作；若壁縫 相對移動到右下圖時，吸盤 2與吸盤3均正常工作，如圖18,從而實現了跨越壁 縫的功能。圖18吸盤跨縫的簡單原理示意圖4）執行裝置執行裝置目的是為實現壁面清潔、攝影、移動投影、墻繪等四項功能，采用 可拆換裝置，閑置時，并功能實現裝置收入多功能工具箱。壁面清潔執行機構：采用背膠魔術貼，將可更換抹布粘在多功能爬壁機 器人的功能區，如圖19所示，清潔抹布上凹槽設計可收集臟物，以免其進入吸盤； 開啟機器人運動，當接觸到壁面

31、邊緣時，所搭載的超聲波距離傳感器將信號反饋 給控制系統進行處理，確定壁面尺寸形狀以后進行軌跡的計算實現對壁面的全尺 寸無死角的清潔。圖19清潔抹布建模圖及示意圖墻繪執行機構：將顏料繪筆末端與預留的卡槽相配合，如圖20所示，將繪筆顏料更換部分與控制系統相連接，在移動終端內輸入需要的圖畫，并確定繪圖基 準，由控制系統確定攜帶繪筆的爬壁機器人的運動路徑實現墻繪功能。圖20墻繪筆建模圖攝影、移動投影執行機構：將攝像頭、微型投影儀，通過卡槽與機器人外殼 連接，如圖21所示，通過機器人移動至需要位置，即可自動開啟設備，實現全方 位的攝影與移動投影。圖21攝像機構建模圖2、進度安排：2015年4月-5月，理

32、論設計及建模2015年6月，成品制作與調試2015年10月，代表湖南大學參加湖南省第一屆挑戰杯比賽2016年2月，論文總結及成品改進3、預期成果：1、代表湖南大學參加湖南省挑戰杯比賽，期望取得好成績；2、參加全國機械產品數字化大賽，期望取得好成績；3、該作品可適用于生活各個方面，根據機器人的特點，該產品針對兩方面 的需求；一方面主要服務于高層建筑清潔，壁面檢修與墻繪；另一方面用于移 動投影，全方位攝影，多角度自拍。目前市場上的高層壁面作業機器人類型較 少，并且功能單一，安全問題也不能保證；與此同時該機器人的出現給投影設 備帶來了自由移動控制的方便性，解決了墻繪易出現不滿足雇主意愿、效率較 低，

33、工作時所占空間較大的問題，并且移動投影也給生活帶來了許多便利性和 娛樂性。由于集多項功能于一體，減小了成本，具有良好的經濟性。以期為將 來多功能爬壁機器人的研究發展帶來借鑒意義。指導教師意見同意推薦簽字：日期:附錄一：理論計算與分析1、大變形柔性鉸鏈的設計與分析柔性鉸鏈是經過一體化設計和加工并利用材料彈性變形來實現預期運動的具有一定形狀的特殊運動副。大變性鉸鏈可由彈性較大的橡膠材料制成 ，具有無摩擦、變形大、疲 勞強度高等特點；而圓角型柔性鉸鏈，鏈的變形集中在柔性鉸鏈的圓弧部分 ，該鉸鏈最大 變形角a為：其中，L與C為系數，M為轉矩，R為圓角型鉸鏈的半徑，t為厚度，b為厚度，B為 R對應的角度

34、忽略柔性鉸鏈圓弧以外部分的變形， 此種方法完全符合實際需要，而且柔性 好、轉角范圍大，所以該項目采用此種大變形柔性鉸鏈，如下圖 1所示。圖1在大變形柔性鉸鏈的基礎上，通過位移傳感器與壓力傳感器的精確控制實現壁面間 的翻轉，具有良好的自適應性，結構簡單。橡膠材料的應變一應力關系屬于大變形，不滿足廣義胡克定律的小變形假設，可用 Mooney2Rivlin模型來描述以橡膠材料為基質的柔性鉸鏈力學特性。由于適用范圍的限制，要求對柔性鉸鏈的轉角最大值進行a定的限制,a |rad與參數t/R的關系如圖2.圖2考慮到機器人的大小與體積，可拆卸大變形柔性鉸鏈的寬度b=12cm若需自豎直壁面翻轉至天花板，則翻轉

35、的角度為 90度，由上表可知， t/R= ；翻轉時，當母機行至另一側 壁面，此時若使子機通過大變形柔性鉸鏈變形自動回復，需要的力矩為：M=F<L=GX2/L 仁 m由上述兩個已知條件來設計大變形柔性鉸鏈并進行有限元分析，用二分法不斷逼近，求取 其最優化結果，設計過程如下所示：a）首先假定t=1cm,R=2cm,在鉸鏈施加N m的力矩時，其ANSY有限元受力分析如圖3所示: 此時其剛度符合要求，但變形角度遠小于 90度，故不符合設計要求,并且R應減小。圖3b）假定t=,R=,在鉸鏈施加N m的力矩時，其有限元受力分析如圖4所示：變形過大，剛度 符合應用要求，所以適當增加R的值。圖4c）假定

36、t=,R=1cm;在鉸鏈施加N m的力矩時，其有限元受力分析如圖5所示：此種情況下 剛好符合設計要求，故大變形柔性鉸鏈 t=,R=1cm; 而與子母機相連的可拆卸結構選用內凹 性，受力穩定，安全可靠。圖52、 吸附力的計算與分析A0-吸盤與壁面的接觸面積；P0-吸盤腔內的壓力；PGl母機機器人的重量；F機器人的驅動力；F1n安全系數，取2。A 吸盤腔內面積；吸盤外部的大氣壓力；G1子機機器人的重量；履帶與壁面的摩擦力；吸附力滿足要求是機器人整個設計制作過程中最根本的問題。由吸盤結構可知，在機 器人運動過程中，輔助吸盤起密封保護作用，而三個主吸盤決定吸附力的大小，因此我們主要分析三個主吸盤的力學

37、性能。由底盤的面積確定輔助吸盤的的R=13cm（不包含密封厚度b）,利用CAD建模確定三個最大內切圓，考慮到機器人可通過的最大縫隙為20mm兩吸盤間的間 距為d;即2b+d=20。由實際工作條件，對三個主吸盤進行有限元分析， 施加（由 理想壓力與接觸面積比值確定）的壓力時，如下圖 6 所示，在滿足剛度強度及應力的條件 下，通過改變 b 的值不斷進行優化，最終確定 b=8mm,d=4mm.圖6真空氣泵的抽氣速率S=t*Log（P1/P2）?，而微型隔膜泵流量大于等于 min,真空度可達-50kpa, 可抽氣至半個真空度，此時最大吸附力為：F= PX（A+A0）-P0 XAA0=, A=，所以 F

38、=而在實際工作過程中，由于壁面粗糙度的不同及考慮壁縫存在時，安全系數n=2,吸附力可達到，此種硅膠的摩擦系數為，可最大負重的重物；由此可知此種設計的大變形柔性鉸鏈是完全符合功能需要的。3、吸附力與驅動力的關系當吸附力過大時，吸盤與壁面靜摩擦力較大導致機器人難以驅動，無法靈活運動，所 以吸附力與驅動力存在一定的關系，通過以下的過程進一步探討二者之間的關系。負壓的控制通過調節隔膜泵的電機電壓來改變電機的轉速，同時采用負壓傳感器作為 檢測元件，實時檢測負壓的變化，反饋給控制器，為調整壓力提供依據。 P0 由隔膜泵的抽 氣速率決定， F 由伺服電機決定，兩者在不同狀態下分別對應不同的關系式，通過控制系

39、 統調節，根據壓力傳感器采集的壓力值調節吸附能力，所以在運動中要找到每一種情況下 對應的對應關系。a) 在豎直壁面運動如下圖 7左所示，1為壁面，2 為吸盤，二者之間構成真空室。工作時吸盤與壁面之間 形成密封腔，此時水平方向的正壓力滿足：N=PX(A+AO)-PO XA>0其次，機器人運動時，需滿足驅動力至少等于摩擦力與重力之和，F >F1+GF-NXu-n XG>0F-P X (A+ AO) - PO X A Xu-n XG>0PO>(n XG-F)/u+ P X(A+ AC)/Au為摩擦系數，取，由上式可得出除 PO與驅動力F外，其他量均為已知量，同時也得 到

40、PO余F的關系。當機器人在豎直壁面運動時另一種極限情況時， 如下圖右所示， 此時水平方向上滿足：F> P X(A+ AO) - POXA Xu豎直方向上滿足：nXG=F1PO > P X(A+ AC) Xu- F/ (A Xu)圖7b) 在壁面翻轉翻轉時，機器人的可靠性分析主要集中在機器人重力與傾覆力矩的分析。當母機與子 機運動至剛開始翻轉時，如下圖 8 所示，母機此時不工作，通過大變形柔性鉸鏈與前段翻 轉弧設計逐漸貼合另一墻面，整個系統的動力源來自于子機，此時同樣需滿足：N=PX(A+AO)-PO XA>OF-NXu-n X(G+G1) X)F-P X (A+ AO) -

41、PO X A Xu-n X(G+G1) X)POX(n X(G+G1)-F)/u+ PX(A+ AO)/A與第一種情況相比，此時整個系統的重量增加了 G1,其他均不變。當母機與子機運動至即將翻轉結束時，如下圖所示，子機此時不工作，通過大變形柔 性鉸鏈并逐漸翻轉至天花板，母機此時工作并貼緊整個壁面運動，整個系統的動力源來自 于母機，此時水平方向需要滿足：F>F1，即 FX P X(A+ AO)- PO XA Xu豎直方向需滿足：PX(A+ AO) - POXA X(G+G1)POXPX(A+ AO) Xu- F/(A Xu)PO<G + G1- P X(A+ AC)/A圖8由受力分析

42、可知，此時機器人系統受到的傾覆力矩最大，并且底盤如下圖9左裝配于底 部時是最危險的。為了簡化計算，我們研究此種極限情況來判定其可靠性。根據實際情況 我們完全假定各個主吸盤的真空度是相同的，則作用在所有吸盤組上的吸附力是相同的，同樣對壁面的吸附力大小均為 N/3;由受力分析列出力矩方程：-r x N X2>GX -232G IP0 < P X(A+ AO)- - x ? /A圖9綜合可知，在機器人翻轉的整個過程中，同樣可通過控制系統控制隔膜泵抽氣速率與 伺服電機控制F的關系來實現翻轉功能。c) 在天花板運動當母機或子機運動時，水平方向需要滿足：F>F1，即 FA P X(A+

43、A0) - PO XA Xu豎直方向需滿足：P X(A+ AC) - P0 XA| AGP0 耳 P X (A+ AC) X u- F/(A Xu)PO <G- P X(A+ AC)/A當在天花板運動時，同樣可通過控制系統來實現運動功能。4、變速箱的設計在傳動裝置中，考慮到伺服電機輸出的額定轉矩及轉速，我們在伺服電機的輸出端采 用可增大轉矩、減小轉速圓柱齒輪傳動減速箱結構。根據其功能要求可知，機器人的運動 速度不宜過大；當運動速度過高時，噪音大、安全性也降低，通過分析和運動仿真，基于 高效性和安全性兩個因素，模擬其爬壁及工作過程并考慮安全系數的影響，我們最終確定 最大速度為15M/mi

44、n。輸入條件：1) 機器人移動的最大速度15 m/mi n;2) 機器人移動的最小速度m/mi n;3) 電動機的額定轉速nd=78O r/min;4)電動機的額定功率P= w5）電動機的最高轉速設計參數：ndmax=13500 r/min;取履帶直徑 D=6 cm,由v=;則鏈輪的最大轉速：nLmax=Vmax（/ *D）=1500/（6*=80 r/min;鏈輪的最小轉速：nLmin=Vmin/（*D）=180/（6*= r/min;鏈輪要求的恒功率調速范圍：RLN= nLmax / nLmin =80/=;電動機可達到的恒功率調速范圍：RdN= ndmax / ndmin =13500/

45、780=;因為 RLN < RdN ;故只需在電機額定轉速時，經減速箱減速輸出的鏈輪轉速為 nLmin= r/min ，電機 在整個需求速度范圍內都是恒功率變速。因此減速箱的傳動比為：I= nd / nLmin =780/=82;此時電動機所需的最大轉速為：Nd =I* nLmax =82*80=6560 r/min結論：減速箱的傳動比 i>82, 電動機的速度需求范圍 7806560r/min初步確定變速箱結構的總體傳動比為 90，通過五級傳動實現，如圖 10，其傳動比分別 為 Z11：Z12=10:25； Z21：Z22=11:26； Z31：Z32=11:26 ； Z41：Z

46、42=13:31； Z51：Z52=10:27。 使用圓柱齒輪傳動裝置結構緊湊，承載能力大，傳動效率高，效率值可達；圖 10齒輪副的強度計算與論證整體過程類似，為不產生贅述，這里我們對Z21： Z22=11:26作出強度計算及論證如下：已知條件：P仁，n2仁2880r/min , z1=11, z2=26,壽命Lh=1200h,小齒輪相對其軸的 支承為不對稱布置。a）選定齒輪類型、精度等級、材料齒輪類型選擇：無特別要求的情況下，優先選擇直齒圓柱齒輪；精度等級選擇：查P210表10-8，減速器屬于通用減速器，推薦精度等級為 類比選擇精度等級為8級(算比較高的)；材料選擇：查P189表10-1，選

47、擇小齒輪材料為45鋼，調質處理，硬度為 齒輪材料為45鋼，調質處理，硬度為240HBSb) 屬于軟齒面，按齒面接觸疲勞強度設計| 2設計公式為：d!2.32U1 dU h1) 、確定公式中的各個參數值和系數(1) 、試選載荷系數Kt=(2) 、小齒輪傳遞的轉矩為：(3) 、查P205表10-7得齒寬系數© d=(4) 、查P201表10-6得彈性影響系數 ZE=( Mpa?(5) 查P207圖10-21d)，以材料品質與熱處理質量一般計(即取ML線)， 觸疲勞強度極限為：68 級，240HBS 大得齒輪的接大齒輪:(T Iim2 =530 ( Mpa(6)、齒數比uZ；26112.

48、364小齒輪：(T lim1 = 530 ( Mpa(7) 、按P202式10-13計算工作應力循環次數為:小齒輪：N仁60n 1jLh=60X 2880X 1 X 1200=x 108大齒輪：N2=N1/i= X 108/= X 108(8) 、由P203圖10-19查得接觸疲勞壽命系數小齒輪 KHN1 =大齒輪 KHN2=(9) 、取接觸疲勞強度安全系數SH=1(10) 、則兩齒輪的接觸疲勞強度許用應力為:小齒輪：H】1KHN1H lim 10.95530503. 5( MPaSH11大齒輪：h2KHN2H lim 20. 96530508. & MPaSh 212) 、代入接觸疲

49、勞強度設計式并進行設計計算(1) 、按設計公式確定小齒輪分度圓的直徑 di，計算時取上面計算出的兩個許用應力 中較小的一個代入：(2) 、計算圓周速度v(3) 、計算齒寬bb= © dx d1t= x =(mm)(4) 、計算齒寬與齒高之比b/hd5 1模數：m 丄一0.464( mn)Zi11齒高：h= x = (mr)b/h=(mm)(5) 、計算載荷系數根據v = (m/s), 8級精度，由P194圖10-8查得動Z載系數KV=直齒輪，假設KAFt/b<100N/mm 查P195表10-3得齒間載荷分配系數 KHa =KFa =>查P193表10-2得使用系數KA=查P196表10-4，知8級精度、小齒輪相對其軸的支承為不對稱布置時的齒向載荷分 布系數為：KHB =查P198圖10-13得使用系數KFB =載荷系數 K=KAKVKHKHB =1XXX =(6) 、按實際的