創(chuàng)新SIT多功能爬壁機(jī)器人

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1、湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 項(xiàng) 目 申 報(bào) 表 項(xiàng)目名稱(chēng)：多功能爬壁機(jī)器人 學(xué)校名稱(chēng) 湖南大學(xué) 學(xué)生姓名 專(zhuān) 業(yè) 性別 入學(xué)年份 金睿 工程力學(xué) 男 2013 李雷 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 男 2012 王琨淇 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 男 2012 韓進(jìn)華 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 男 2012 指導(dǎo)教師 金秋談 職稱(chēng) 副教授 學(xué)科專(zhuān)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)理論 學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況 湖南省工程模型設(shè)計(jì)制作大賽 獲省級(jí)二等獎(jiǎng) 大學(xué)生工程能力訓(xùn)練大賽 獲省級(jí)三等獎(jiǎng) 挑戰(zhàn)杯湖南大學(xué)校賽 獲校級(jí)一等獎(jiǎng) 指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況 1995-

2、2003參與小型水稻聯(lián)合收割機(jī)研發(fā)，通過(guò)省級(jí)成果鑒定， 2002年參與類(lèi) 菱形新概念成研發(fā)， 2006年參與四輪三軸月球車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及著陸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 本項(xiàng)目為教育部 的重點(diǎn)項(xiàng)目。2008年參與無(wú)人駕駛汽車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)改造設(shè)計(jì)； 獲全國(guó)智能車(chē)大 賽冠軍。2010年參與中氣子項(xiàng)“基于新概念通用底盤(pán)的關(guān)鍵技術(shù)研究” ，2014 年主持重慶市“151 ”汽車(chē)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型重大專(zhuān)項(xiàng)-C級(jí)車(chē)AMT變速箱摘掛擋及 離合器執(zhí)行器開(kāi)發(fā)，2006年指導(dǎo)學(xué)生參與全國(guó)第二屆大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大  賽，項(xiàng)目獲國(guó)家級(jí)三等獎(jiǎng)，2011級(jí)評(píng)為優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師，2012年第五 屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽二

3、等獎(jiǎng)， 2012年獲全國(guó)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯銀獎(jiǎng)。 2013年獲全國(guó)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯省賽二等獎(jiǎng)。 指導(dǎo)SIT國(guó)家級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目五項(xiàng)，組織 第五屆、第六屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽湖南大學(xué)選拔賽，兩項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利 （第一作者）。 項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題 1、項(xiàng)目研究的目的和要解決的主要問(wèn)題: 現(xiàn)代城市高樓林立，采用的瓷磚或玻璃結(jié)構(gòu)的大廈壁面常年裸露在外，需 要進(jìn)行維護(hù)和清潔。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，迄今為止，這類(lèi) 工作仍由人工搭乘吊籃完成，不僅效率低、成本高，而且對(duì)人身安全和大樓壁 面構(gòu)成極大威脅，下圖中的“蜘蛛俠”想必我們已經(jīng)司空見(jiàn)慣。 圖1瓷磚墻壁 圖2玻璃幕墻

4、 圖3人工高空外墻清洗 圖4城市蜘蛛俠 并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生活趨向自動(dòng)化、智能化，琳瑯滿(mǎn)目的機(jī)器人 有效地提高了生產(chǎn)、生活效率，改進(jìn)生產(chǎn)、生活質(zhì)量。同時(shí)在《國(guó)家中長(zhǎng)期科 學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，明確指出將機(jī)器人作為未來(lái)優(yōu)先 發(fā)展的戰(zhàn)略高新技術(shù)。綜上所述研究并制作一種爬壁機(jī)器人，代替人類(lèi)從事危 險(xiǎn)性與重復(fù)性高的體力活動(dòng)，為人們的生活提供更大的安全和方便，刻不容緩。 并且，現(xiàn)在市場(chǎng)上的壁面清潔機(jī)器人類(lèi)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(pán)和多吸盤(pán)兩種形式，單吸 盤(pán)無(wú)冗長(zhǎng)性，一旦不抽風(fēng)便立刻會(huì)脫落；多吸盤(pán)的壁面若有凸

5、凹或裂縫則會(huì)產(chǎn) 生真空泄漏，兩種吸附都不盡人意，并且清潔機(jī)器人體積比較大，清潔過(guò)程很 復(fù)雜。 查詢(xún)已有專(zhuān)利號(hào)為CN 104216407 A公布的一種爬墻機(jī)器人（圖 5），它的 主要結(jié)構(gòu)包括蝸輪吸附裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和清理裝置，其工作原理是利用渦輪11 產(chǎn)生氣壓差使遙控車(chē)主體10吸附在墻面，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪102控制車(chē)主體10在墻面 上爬行，爬行過(guò)程中清理裝置 16會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)的墻面進(jìn)行清理。上述技術(shù)方案利 用類(lèi)似于直升機(jī)螺旋槳的原理而設(shè)計(jì)，盡管能產(chǎn)生吸附，但是對(duì)蝸輪葉片的轉(zhuǎn) 速要求高，功率要求大，從而使整個(gè)裝置體積大，質(zhì)量重，不方便操作、攜帶 和移動(dòng)。此外功能單一，不適合復(fù)雜的工作環(huán)境，成本高；此機(jī)器人的出

6、現(xiàn)標(biāo) 志著爬壁機(jī)器人興起于清潔領(lǐng)域。 IM., ”1 &2 丄& 圖5已有專(zhuān)利爬壁機(jī)器人 與此同時(shí)，如今常用投影設(shè)備是固定的，不能全方位全角度攝影與自拍。 最近風(fēng)靡的自拍神器一一自拍桿，也受到距離的限制。該爬壁機(jī)器人可在壁面 上攜帶微型攝像頭任意行走，自動(dòng)捕捉識(shí)別人臉，圖像通過(guò)藍(lán)牙自動(dòng)傳輸至移 動(dòng)終端設(shè)備，帶來(lái)極大便利。此外在機(jī)器人上可配備微型投影儀，通過(guò)控制系 統(tǒng)輸入源文件，經(jīng)過(guò)融合調(diào)試，組建成顯示系統(tǒng)。隨著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而形成移動(dòng) 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(huán)境藝術(shù)的寵兒。目前墻繪普遍均由人工繪制而成

7、（如圖 7）,耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)工 人水平要求高。在機(jī)器人功能末端上安裝可拆卸的顏料繪筆，通過(guò)控制系統(tǒng)， 在移動(dòng)終端設(shè)備上輸入需要的繪畫(huà)程序，通過(guò)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡完成墻繪。 人工與機(jī)器特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。 人工墻繪 機(jī)器墻繪 缺點(diǎn)：對(duì)工人技術(shù)要求高、 效率較低，成本咼、工作時(shí)所占 空間較大，一般只能在裝修期間 進(jìn)行繪圖。 優(yōu)點(diǎn)：能繪制出較為規(guī)整復(fù) 雜的圖形，成本低、效率高、工 作時(shí)所用空間較小，不受空間限 制。 表1人工與機(jī)器特點(diǎn)對(duì)比 圖6人工墻繪 鑒于此，我們小組通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和論證后決定設(shè)計(jì)一種高效的便攜式多功能 爬壁機(jī)器人來(lái)彌補(bǔ)這方面的空白。 2、研究?jī)?nèi)容和要解決的問(wèn)

8、題： 該項(xiàng)目以高層建筑作業(yè)比較困難為創(chuàng)意來(lái)源，通過(guò)真空式主輔雙層四吸盤(pán) 實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)豎直平面至天花板的翻轉(zhuǎn)；通過(guò)變速箱減速，由主軸驅(qū)動(dòng)硅膠履帶實(shí)現(xiàn)靈 活運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向；該機(jī)器人集機(jī)械結(jié)構(gòu)，電氣控制，終端操縱于一體，是一臺(tái)機(jī) 電一體化、自動(dòng)化、智能化的代表產(chǎn)物，可廣泛應(yīng)用于生活各個(gè)方面。 對(duì)于普通家庭，可作為清潔利器，能清潔有縫隙的多種壁面，在各個(gè)墻面 間實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)；對(duì)于電器愛(ài)好者，可作為二次開(kāi)發(fā)的模型，制作出更加便利的產(chǎn) 品；對(duì)于學(xué)校或科普館，該機(jī)器人可用于科普教育，開(kāi)啟學(xué)生想象力大門(mén)的鑰 匙；對(duì)于高層維護(hù)人員，降低高層建筑的作業(yè)成本

9、，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境的同 時(shí)提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率；對(duì)于產(chǎn)品宣傳，移動(dòng)投影作為“可移動(dòng)的電視”，給產(chǎn) 品潤(rùn)色了許多；同時(shí)，作為一款拓展性強(qiáng)大的產(chǎn)品，可以用作攝像、自拍、墻 繪等功能，也可用作監(jiān)控、壁面檢查等安全功能；以求用途廣泛，達(dá)到更高的 實(shí)用價(jià)值。 主要功能 拓展功能 本作品用于自動(dòng)清潔瓷磚、玻璃、 粉刷墻等壁面，實(shí)現(xiàn)壁面間翻轉(zhuǎn)且 可跨越縫隙。 附帶多功能工具箱，手動(dòng)更換功能 區(qū)攜帶的工具，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)投影、 全方位攝影以及墻繪。 表2功能簡(jiǎn)表 國(guó)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況： 爬壁機(jī)器人是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的機(jī)器人，過(guò)去的幾十年里在世界 范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。早在 1966年，大

10、阪府立大學(xué)利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓空 氣產(chǎn)生的負(fù)壓作為吸附力，制作了一臺(tái)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)，這被 看作是爬壁機(jī)器人研究的開(kāi)端。而后，日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出了磁吸附爬 壁機(jī)器人，它可以吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)行 檢查或修理等作業(yè)。1990年以來(lái)，西班牙馬德里 CSIC大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所 研制出一種6足式爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人為磁力吸附式，具有較大的靜載荷， 掀起了爬壁機(jī)器人在工業(yè)上應(yīng)用的熱潮。國(guó)外在爬壁機(jī)器人的研制和生產(chǎn)上， 日本、俄羅斯、美國(guó)等國(guó)起步較早，早在 20世紀(jì)70年代開(kāi)始，這些國(guó)家就開(kāi) 始了大量的研究與制造；此后的四十年里，爬壁機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)

11、展， 相繼研制出了不同種類(lèi)的樣機(jī)，大部分已經(jīng)投入實(shí)用。目前這些先進(jìn)工業(yè)國(guó)家 爬壁機(jī)器人技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，在部分領(lǐng)域甚至還處于壟斷地位。近年來(lái), 發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將突破爬壁機(jī)器人技術(shù)、 大力發(fā)展爬壁機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為自己的發(fā) 展目標(biāo)之一，并將此產(chǎn)業(yè)作為新世紀(jì)拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要引擎。 國(guó)內(nèi)爬壁行機(jī)器人的發(fā)展概況： 和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，與國(guó)外的主 要差距體現(xiàn)在自主研發(fā)能力落后于世界先進(jìn)水平、產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)現(xiàn)象較為嚴(yán)重， 創(chuàng)新體系建設(shè)尚處于起步階段。但近幾年已取得了很大進(jìn)步。在國(guó)內(nèi)自 1988 年以來(lái)，在國(guó)家“ 863”高技術(shù)計(jì)劃的支持下。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究

12、所 先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個(gè)系列的 5種型號(hào)壁面爬行機(jī)器人。 其中我國(guó)第一臺(tái)壁面爬行遙控檢測(cè)機(jī)器人，采用負(fù)壓吸附，全方位移動(dòng)輪，用 于核廢液儲(chǔ)存罐罐壁焊縫缺陷檢測(cè)。上海大學(xué)也較早開(kāi)展高樓壁面清洗作業(yè)機(jī) 器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁機(jī)器人和球形壁面爬壁機(jī)器人。由于傳 統(tǒng)爬壁機(jī)器人具有很多不足之處（如對(duì)壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)，跨越障 礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等），因此未來(lái)爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí) 用化的方向發(fā)展。 面對(duì)當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，針對(duì)我國(guó)服務(wù)機(jī)器人發(fā)展中存在的不足，“十 二五”期間，國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)我國(guó)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也提出了新的 要求；并且隨著國(guó)

13、民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，推進(jìn)國(guó)家民生科技領(lǐng)域的應(yīng)用，可以 預(yù)見(jiàn)，爬壁機(jī)器人作為一種戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)， 必將迎來(lái)新的巨大的發(fā)展空間。 本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī) 該項(xiàng)目已獲湖南大學(xué)校級(jí)sit立項(xiàng)資格 該作品已通過(guò)湖南大學(xué)挑戰(zhàn)杯初賽，進(jìn)入省賽 項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色 1、功能設(shè)計(jì)創(chuàng)新 1） 本產(chǎn)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(shí)用性強(qiáng)。 2） 通過(guò)控制子母機(jī)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)可使機(jī)器人從任一壁面翻轉(zhuǎn)至另一壁面， 如自豎直壁面翻轉(zhuǎn)至天花板。 3） 通過(guò)WIFI實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端APP對(duì)機(jī)器人的控制與管理，時(shí)尚便捷。 4） 附帶多功能工具箱

14、，連接微型投影儀，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)投影；連接顏料繪筆， 實(shí)現(xiàn)墻繪；連結(jié)攝像頭，實(shí)現(xiàn)多角度攝影、自拍；功能豐富，可操作性好，娛 樂(lè)性強(qiáng)。 2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新 1） 采用真空式吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)層主吸盤(pán)采用三角形最優(yōu)化的布局結(jié)構(gòu)，在存 在壁縫的情況下，能夠保證至少有一個(gè)工作吸盤(pán)處于工作狀態(tài)，增加了對(duì)壁面 適應(yīng)性，使用更安全。 2） 采用主輔雙層吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，外層輔助吸盤(pán)形成初步真空，三個(gè)內(nèi)層主吸 盤(pán)在初步真空中進(jìn)一步形成真空，吸附力增大，氣密性提高，大大降低主吸盤(pán) 因?yàn)樾孤┒У臋C(jī)率，運(yùn)行更穩(wěn)定。 3） 大變形柔性鉸鏈具有變形大、疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可通過(guò)其實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn) 功能，無(wú)需任何輔助動(dòng)力且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自適應(yīng)性

15、好，成本低。 項(xiàng)目的技術(shù)路線、進(jìn)度安排及預(yù)期成果 1、技術(shù)路線： 通過(guò)查閱相關(guān)資料，將整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程分為方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和制作調(diào)試 三個(gè)階段。在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、需求分析、預(yù)測(cè)及可行性分 析，確定任務(wù)設(shè)計(jì)書(shū)，根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)書(shū)進(jìn)行產(chǎn)品功能原理的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì) 任務(wù)的抽象，建立功能結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊分為吸附系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，翻轉(zhuǎn) 系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其主要設(shè)計(jì)過(guò)程如圖 7。 圖7.設(shè)計(jì)流程圖 建立功能結(jié)構(gòu)后，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行抽象，確定本質(zhì)功能，然后建立功能結(jié) 構(gòu)，將復(fù)雜的總功能（爬壁）分解成相對(duì)較簡(jiǎn)單、相互聯(lián)系的分功能（吸附、 運(yùn)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)等），通過(guò)以下所述實(shí)現(xiàn)各種功能，確定設(shè)

16、計(jì)方案。 1）吸附功能的實(shí)現(xiàn) 吸附功能是爬壁機(jī)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(diǎn)和限制條件，與工作 環(huán)境的要求、壁面的結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、高度、表面質(zhì)量以及幾何形狀密切相關(guān)。 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(gè)最優(yōu) 解決方案，以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是我們必須面對(duì)的問(wèn)題。推力吸附利用直升機(jī)原理， 由螺旋槳產(chǎn)生的高速氣流產(chǎn)生始終指向壁面的推力， 從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的吸附 功能，該吸附機(jī)構(gòu)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(jìn)行選擇。真空吸附與磁吸附優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表 3。 吸附種類(lèi) 單吸盤(pán)

17、真空吸附 多吸盤(pán)吸附 磁吸附 電磁吸附 對(duì)墻面光潔度要求 一般 一般 較低 較低 對(duì)墻面材質(zhì)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(duì)墻面?zhèn)Τ潭? 一般 小 大 大 吸附穩(wěn)定性 低 較高 較低 較高 表3 真空吸附與磁吸附優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比 鑒于建筑物壁面的非導(dǎo)磁性，爬壁機(jī)器人多采用真空吸附方式，通常是依 靠抽風(fēng)機(jī)、真空泵等真空發(fā)生設(shè)備在機(jī)器人的吸盤(pán)和墻壁的接觸面間形成負(fù) 壓,依靠壓差使機(jī)器人吸附在墻壁上。 在日常生活中，真空吊具隨處可見(jiàn)；真空吊具真空能量存儲(chǔ)在真空蓄能器 里，主要是依靠真空源在抽空吸盤(pán)內(nèi)部的空

18、氣產(chǎn)生真空，使用時(shí)不僅對(duì)表面無(wú) 傷害，而且操作簡(jiǎn)單，安全性高。通過(guò)觀察日常生活中的真空吊具，我們根據(jù) 需要設(shè)計(jì)出綜合以上優(yōu)點(diǎn)的主輔真空吸盤(pán)。該吸盤(pán)由圓形的耐磨塑料制成，輔 助吸盤(pán)包圍三個(gè)主吸盤(pán)，此種方式的優(yōu)勢(shì)是減小了吸盤(pán)失效的可能性。 2）運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn) 要求：1）可驅(qū)動(dòng)真空吸盤(pán)運(yùn)動(dòng)； 2 ）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移動(dòng)速度快，適應(yīng)能力強(qiáng)； 3 ）壁面光滑且絕緣，無(wú)其他輔助裝置； 方案一：車(chē)輪式（圖8）:外形與汽車(chē)相似，有四個(gè)小型車(chē)輪，后面兩個(gè) 車(chē)輪通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向與速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和 轉(zhuǎn)彎。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單便捷，運(yùn)動(dòng)靈活，但是與墻壁之間屬于線接觸, 摩擦力小，須

19、特制車(chē)輪以防止打滑。 圖8輪式運(yùn)動(dòng) 方案二：履帶式（圖9）：爬墻機(jī)器人采用的是履帶輪作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)。履帶 式爬墻機(jī)器人可以連續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此可以提高移動(dòng)速度。它的最大爬行速度可以 達(dá)到15m/mi n,其控制方式和車(chē)輪式一致，簡(jiǎn)單便捷，通過(guò)編程控制兩側(cè)電機(jī) 的運(yùn)轉(zhuǎn)方向、速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。不僅與壁面的接觸面積 大，適應(yīng)能力強(qiáng)，而且硅膠履帶增強(qiáng)吸附能力，提高與壁面的摩擦力，能有效 的防止移動(dòng)打滑。 圖9履帶運(yùn)動(dòng) 方案三：足腳式（圖10）：通過(guò)動(dòng)物仿生，設(shè)計(jì)四足爬行（類(lèi)似壁虎），需 要設(shè)計(jì)多項(xiàng)關(guān)節(jié)和肢體，技術(shù)要求高。同時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和 重量增大，成本大大提

20、高。此方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作和控制難度較大，工藝性差， 效率較低。 皐肥方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 輪式移動(dòng) 速度快，控制簡(jiǎn)單， 靈活性好 接觸面和小，越障能力差， 適應(yīng)性差 履帶式 接觸面和大.星載能力好. 適應(yīng)能力強(qiáng) 履帶磨損嚴(yán)重， 機(jī)動(dòng)性差 蛇形第爬 效率高*靈活性好. 工作空間大 多自由度控制難， 承載能力差 帰行式 承載能力大.平穩(wěn)性好， 適應(yīng)能力強(qiáng) 速度顯 復(fù)雜性高 表4運(yùn)動(dòng)方式對(duì)比 圖10足腳式運(yùn)動(dòng) 根據(jù)上述要求，通過(guò)查找論文等資料建表 4,結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，采用 3）翻轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn) 方案一：采用電機(jī)控制的行星輪式結(jié)構(gòu)，在母機(jī)的末端

21、裝有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝 置，同時(shí)傳動(dòng)出的動(dòng)力通過(guò)相嚙合齒輪及兩端的裝配形成行星輪機(jī)構(gòu)； 子機(jī)與母 機(jī)末端帶有連接裝置，通過(guò)電磁繼電器控制其翻轉(zhuǎn)處的聯(lián)接， 此時(shí)還需攜帶傳感 器等設(shè)備。制作成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且給機(jī)器人本身重量帶來(lái)負(fù)擔(dān)。如下圖 11所示，功能拓展區(qū)繞1轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)輸出動(dòng)力通過(guò)齒輪 3與齒輪4嚙合， 齒輪3在繞2自轉(zhuǎn)的同時(shí)，也繞1公轉(zhuǎn)，形成行星輪機(jī)構(gòu)。 1.軸1 2.軸2 3.齒輪1 4.齒輪2 5.功能拓展區(qū) 6.電磁繼電器 7.電動(dòng)機(jī)8.母機(jī) 圖11行星輪系翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 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(wú)摩擦、變形大、 疲

22、勞強(qiáng)度高等特點(diǎn)；當(dāng)使用大變形柔性鉸鏈時(shí)，其兩端凹槽為與母機(jī)與子機(jī)的連 接端，中間為變形段，如圖 12；當(dāng)連接的子母機(jī)運(yùn)動(dòng)至需翻轉(zhuǎn)處時(shí)，前側(cè)機(jī)器 人關(guān)閉動(dòng)力源，后側(cè)擠壓前側(cè)機(jī)器人，與此同時(shí)前側(cè)機(jī)器人前端的翻轉(zhuǎn)輪與圓弧 形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使大變形柔性鉸鏈擠壓并逐漸帶動(dòng)前側(cè)機(jī)器人翻轉(zhuǎn)， 直至翻轉(zhuǎn)的那 側(cè)的爬壁機(jī)器人與墻壁接觸，形成真空負(fù)壓，此時(shí)后側(cè)機(jī)器人關(guān)閉動(dòng)力源。在此 過(guò)程中通過(guò)壓力傳感器的檢測(cè)，完成由任一墻面向任一墻面上的翻轉(zhuǎn)。 圖12大變形柔性鉸鏈 綜合考慮兩種方案，方案二無(wú)需任何附加動(dòng)力，且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，自適應(yīng)性好, 成本低，明顯優(yōu)于方案一，由此選擇方案二。 4）控制功能的實(shí)現(xiàn) 要求

23、：1）使用成本低，開(kāi)發(fā)周期短； 2） 可拓展性強(qiáng)，易于維護(hù)和更新； 3） 系統(tǒng)穩(wěn)定，反映靈敏，操作方便； 方案一：51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板與紅外遙控控制系統(tǒng)：即以51單片機(jī)為控制核心, 驅(qū)動(dòng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)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(guò)紅外遙控器進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，與此同時(shí) 51單片機(jī)通過(guò)對(duì)超聲 波傳感器，壓力傳感器等信息的處理，綜合決定爬墻機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。 （避免由于 人為的誤操作，撞上障礙物或超過(guò)爬行壁面等，降低風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)機(jī)器。 ） 虹外溫慳挾戦模塊 r實(shí)恥遠(yuǎn)程理控） f嚇叫 （A1勺;電Pjl、辺 行狀態(tài)零」 工柞K式 逍掙雪菲術(shù)桂制） 電機(jī)

24、馳刃魁業(yè) 廿丄電機(jī) 圖13 51單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖 方案二：Arduino電路板下位機(jī)與WIFI上位機(jī)（平板、手機(jī)等智能終端） 控制系統(tǒng)：即以AVF單片機(jī)為控制核心，基于Arduino開(kāi)源電子原型平臺(tái)進(jìn)行控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)外圍壓力傳感器與距離傳感器， 搭建起一個(gè)能自動(dòng)避障、自動(dòng) 翻轉(zhuǎn)識(shí)別的系統(tǒng)，由 WIFI連接上位機(jī)An droid APP進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)畫(huà)面?zhèn)骰夭⑦h(yuǎn) 程控制的爬墻機(jī)器人，系統(tǒng)聯(lián)系如下圖 14所示。 根據(jù)上述初始方案， 查找論文、書(shū)籍等資料?？芍珹rduino是一款便捷 靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)板）和軟件（ IDE）。 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短

25、，有許多成熟的庫(kù)文件，編程容易，調(diào)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(jiàn)附件三） ；開(kāi)發(fā) An droid APP使用MIT的App In ve ntor可以方便的編寫(xiě)好所需的 APP程序；如 今智能手機(jī)普及，通過(guò)An droid應(yīng)用控制爬壁機(jī)器人，更加方便且不受位置限制。 如果基于51單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)難度高，編程代碼量大，切模塊化程度低， 不宜調(diào)試和維護(hù)；紅外遙控容易受機(jī)器人位置的影響而無(wú)法準(zhǔn)確的下達(dá)命令。 因 此，綜合各方面因素考慮，采用方案二。 Android App J\ 齊A.電帕\ 怦■科*?) { kt 視頻艇面'》 扯由控

26、制宿■； > 可 Im irvt'SKt^l !,2KMN也機(jī)驅(qū)幼?？? |廳走電捉 r系電機(jī) 圖14 Arduino開(kāi)發(fā)板控制系統(tǒng)框圖 方案確定： 根據(jù)系統(tǒng)結(jié)合法結(jié)合所有子功能，形成初步設(shè)計(jì)方案，再評(píng)價(jià)和篩選初步 設(shè)計(jì)方案（主要通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)），確定吸附系統(tǒng)采用真空式的主輔雙層四 吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，移動(dòng)系統(tǒng)采用硅膠式履帶，翻轉(zhuǎn)功能采用大變形柔性鉸鏈；下步將 進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)階段，確定結(jié)構(gòu)原理方案，而后進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工 藝設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)方案論證與分析，最后確定以下結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)對(duì)個(gè)結(jié)構(gòu)方案的 計(jì)算分析（見(jiàn)附件一）與建模仿真（見(jiàn)附件二），證明了其理論上的正確性以 及可行性。以下為最終

27、結(jié)構(gòu)方案： 在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中，總體布局上采用簡(jiǎn)單的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，受力均勻 ，真空吸盤(pán) 位于底盤(pán)中央，提供足夠的吸附力，硅膠履帶對(duì)稱(chēng)布置，提供機(jī)器人移動(dòng)的摩擦 力驅(qū)使運(yùn)動(dòng)。零部件設(shè)計(jì)充分考慮強(qiáng)度、剛度、可靠性等機(jī)械性能，以及加工工 藝性、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等諸多因素。考慮到部分零件是標(biāo)準(zhǔn)件、可以購(gòu)買(mǎi) ； 同時(shí)除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數(shù)都可以通過(guò) 3D打印 技術(shù)加工，由此可以節(jié)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(lèi)材料等。在查閱資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，打印結(jié)構(gòu)的排斥性是 很低的，換句話說(shuō)，3D打印能夠打印出很多的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，甚至一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 對(duì)

28、它來(lái)說(shuō)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(jiàn)表5。 序號(hào) 名稱(chēng) 數(shù)量 3D打印材料 1 底盤(pán) 1 ABC塑 料 2 吸盤(pán) 3 ABC塑 料 3 吸盤(pán)螺釘 12 樹(shù)脂 4 履帶 1 ABC塑 料 5 履帶輪 4 ABC塑 料 6 安全閥 1 樹(shù)脂 7 電機(jī)固定架 3 樹(shù)脂 8 柔順鉸鏈 1 橡膠 表5 主要零件信息 1） 原動(dòng)裝置 原動(dòng)裝置采用直流動(dòng)電機(jī)和鋰電池作為動(dòng)力源。鋰電池額定容量 lOOOmAh 電壓12V。伺服電動(dòng)機(jī)的額定電壓為12V,額定功率17W 轉(zhuǎn)速780r/min

29、，額 定轉(zhuǎn)矩1.3N ? M 鋰電池能量比較高，具有高儲(chǔ)存能量密度，使用壽命長(zhǎng)，具備高功率承受力， 便于高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速，體積小、重量輕，綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢， 都不產(chǎn)生有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。 伺服電動(dòng)機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制， 并能快速反應(yīng)，在 自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好，過(guò)載能力較 強(qiáng)。 據(jù)以上分析，我們確定采用原動(dòng)裝置采用伺服電動(dòng)機(jī)和鋰電池。 2） 抽氣裝置 氣動(dòng)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(dòng)力源，利用 缸內(nèi)的隔膜來(lái)回鼓動(dòng)做

30、功，達(dá)到輸送各種介質(zhì)的目的。其原理 （如圖15）是依靠 一個(gè)隔膜片的來(lái)回鼓動(dòng)而改變工作室容積來(lái)吸入和排出氣體的。 1電機(jī)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng) 10凸輪，10凸輪經(jīng)軸承帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，從而使膜片來(lái)回運(yùn)動(dòng)發(fā)生形變。 1電機(jī) 驅(qū)動(dòng)時(shí)使兩氣室分別同時(shí)處于吸氣和排氣的狀態(tài)，7飛輪充當(dāng)儲(chǔ)能裝置，使凸輪 走過(guò)死點(diǎn)。當(dāng)6膜片運(yùn)動(dòng)使 2氣室中的體積增大時(shí)，吸盤(pán)中的氣體從 5吸氣管經(jīng) 4單向閥進(jìn)入氣室，當(dāng)6膜片運(yùn)動(dòng)使2氣室中的體積減少時(shí)，吸盤(pán)中的氣體從 3 吸氣管經(jīng)4單向閥從氣室中排出。從而將吸盤(pán)中的氣體吸出，形成真空。 1 ■.財(cái)I 2,崔3】航會(huì)4十附気駐曹6,耕 7、繰 8期 9沖 IhMt LL M

31、 圖15隔膜泵結(jié)構(gòu)示意圖 選用優(yōu)勢(shì)： 1） 由于吸附裝置采用的是雙層吸盤(pán)機(jī)構(gòu)，需要雙氣泵或者氣泵與各種壓力閥 聯(lián)合使用。兩種情況都會(huì)增大機(jī)器人的體積和質(zhì)量， 布局和設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，系統(tǒng) 控制量增大。 2） 在機(jī)器人清潔過(guò)程中，可能含有較大顆粒的灰塵，使用普通泵會(huì)造成堵塞， 而氣動(dòng)隔膜泵則不僅不會(huì)發(fā)生此種狀況，且可以當(dāng)作是對(duì)壁面的再一次清潔。 3） 氣動(dòng)隔膜泵可以空運(yùn)行，安全性能好。在泵將吸盤(pán)中抽成相對(duì)真空時(shí)，泵 會(huì)停止下不被燒壞，提高了整個(gè)機(jī)器人的安全性能。 4） 無(wú)需復(fù)雜的控制系統(tǒng)，體積小、重量輕，便于移動(dòng)。無(wú)需潤(rùn)滑所以維修簡(jiǎn) 便，泵始終能保持高效，不會(huì)因?yàn)槟p而降低。 氣動(dòng)R

32、S腫慕與其他至性能比鑼 項(xiàng)目 可移功 性 楊程 繰養(yǎng) 單t*泵7+ 環(huán)泵 國(guó)定 可 狡大 可訛 質(zhì)高 高 蕖汽 悌桿泵 電虢 空T 可移動(dòng) 可 較低 簡(jiǎn)單 低 齡低 表6氣泵對(duì)比表 3）底盤(pán)設(shè)計(jì) 真空吸盤(pán)在吸附時(shí)主要的失效形式是吸盤(pán)與工件貼合不理想產(chǎn)生大量泄漏， 導(dǎo)致破壞真空，失去吸附性能。在單吸盤(pán)行走的過(guò)程中遇到墻壁的微小縫隙或者 壁面與壁面接頭處時(shí)，會(huì)導(dǎo)致吸盤(pán)漏氣，吸附力不足，為解決該問(wèn)題，暫決定采 用圖16所示的三吸盤(pán)結(jié)構(gòu)。根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線，至多有 2個(gè)吸盤(pán)吸附能力 下降，所以在工

33、作情況下至少一個(gè)吸盤(pán)保持正常工作，保證機(jī)器人正常工作。 由于單個(gè)吸盤(pán)所負(fù)壓產(chǎn)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(pán)組；外層為大吸盤(pán)提供初步真空，而內(nèi)層三個(gè)吸盤(pán)的在初步真空基礎(chǔ)上 形成再真空，使吸附更可靠。同時(shí)當(dāng)內(nèi)層吸盤(pán)通過(guò)壁縫時(shí)真空度減小時(shí)，外層的 大吸盤(pán)也可起保護(hù)作用。 圖16無(wú)安全緩沖吸盤(pán)布置圖 圖17具有安全緩沖吸盤(pán)布置圖 當(dāng)吸盤(pán)1與吸盤(pán)2因壁縫影響而不能正常工作時(shí)，吸盤(pán)3正常工作；若壁縫 相對(duì)移動(dòng)到右下圖時(shí)，吸盤(pán) 2與吸盤(pán)3均正常工作，如圖18,從而實(shí)現(xiàn)了跨越 壁縫的功能。 圖18吸盤(pán)跨縫的簡(jiǎn)單原理示意圖 4）執(zhí)行裝置 執(zhí)行裝置目的是為實(shí)現(xiàn)

34、壁面清潔、攝影、移動(dòng)投影、墻繪等四項(xiàng)功能，采用 可拆換裝置，閑置時(shí)，并功能實(shí)現(xiàn)裝置收入多功能工具箱。 壁面清潔執(zhí)行機(jī)構(gòu)：采用背膠魔術(shù)貼，將可更換抹布粘在多功能爬壁機(jī)器人 的功能區(qū)，如圖19所示，清潔抹布上凹槽設(shè)計(jì)可收集臟物，以免其進(jìn)入吸盤(pán)； 開(kāi)啟機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接觸到壁面邊緣時(shí)，所搭載的超聲波距離傳感器將信號(hào)反饋 給控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，確定壁面尺寸形狀以后進(jìn)行軌跡的計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的全尺 寸無(wú)死角的清潔。 圖19清潔抹布建模圖及示意圖 墻繪執(zhí)行機(jī)構(gòu)：將顏料繪筆末端與預(yù)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(tǒng)相連接， 在移動(dòng)終端內(nèi)輸入需要的圖畫(huà)，并確定繪圖 基準(zhǔn)，由控制

35、系統(tǒng)確定攜帶繪筆的爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑實(shí)現(xiàn)墻繪功能。 圖20墻繪筆建模圖 攝影、移動(dòng)投影執(zhí)行機(jī)構(gòu)：將攝像頭、微型投影儀，通過(guò)卡槽與機(jī)器人外殼 連接，如圖21所示，通過(guò)機(jī)器人移動(dòng)至需要位置，即可自動(dòng)開(kāi)啟設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全 方位的攝影與移動(dòng)投影。 圖21攝像機(jī)構(gòu)建模圖 2、進(jìn)度安排： 2015年4月-5月，理論設(shè)計(jì)及建模 2015年6月，成品制作與調(diào)試 2015年10月，代表湖南大學(xué)參加湖南省第^一屆挑戰(zhàn)杯比賽 2016年2月，論文總結(jié)及成品改進(jìn) 3、預(yù)期成果： 1、 代表湖南大學(xué)參加湖南省挑戰(zhàn)杯比賽，期望取得好成績(jī)； 2、 參加全國(guó)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化大賽，期望取得好

36、成績(jī)； 3、 該作品可適用于生活各個(gè)方面，根據(jù)機(jī)器人的特點(diǎn)，該產(chǎn)品針對(duì)兩方 面的需求；一方面主要服務(wù)于高層建筑清潔，壁面檢修與墻繪；另一方面用于 移動(dòng)投影，全方位攝影，多角度自拍。目前市場(chǎng)上的高層壁面作業(yè)機(jī)器人類(lèi)型 較少，并且功能單一，安全問(wèn)題也不能保證；與此同時(shí)該機(jī)器人的出現(xiàn)給投影 設(shè)備帶來(lái)了自由移動(dòng)控制的方便性，解決了墻繪易出現(xiàn)不滿(mǎn)足雇主意愿、效率 較低，工作時(shí)所占空間較大的問(wèn)題，并且移動(dòng)投影也給生活帶來(lái)了許多便利性 和娛樂(lè)性。由于集多項(xiàng)功能于一體，減小了成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。以期為 將來(lái)多功能爬壁機(jī)器人的研究發(fā)展帶來(lái)借鑒意義。 指導(dǎo)教師意見(jiàn) 同意推薦 簽字： 日期: 附錄一: 理論計(jì)算與分析 1、大變形柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)與分析 柔性鉸鏈?zhǔn)墙?jīng)過(guò)一體化設(shè)計(jì)和加工并利用材料彈性變形來(lái) 實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)的具有一定形狀的特殊運(yùn)動(dòng)副。大變性鉸鏈可由 彈性較大的橡膠材料制成,具有無(wú)摩擦、變形大、疲勞強(qiáng)度高等 特點(diǎn)；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: 2si.n 9 + i/ J2) 其中，L與C為系數(shù)，M為轉(zhuǎn)矩，R為圓角型鉸鏈的半徑， t為厚度，b為厚度，。為R對(duì)應(yīng)的角度忽略柔性鉸鏈圓弧以外 部分的變形，此種方法完全符合實(shí)際需要，而且柔性好、轉(zhuǎn)角 范圍大,所以該項(xiàng)目采用此種大變形柔性鉸鏈，如下圖 1所示