爬壁機(jī)器人_研究報(bào)告

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1、研究報(bào)告 一、 立項(xiàng)背景 近幾年來(lái)，機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。其中，爬壁機(jī)器人（Wall Climbing Robot，WCR）是能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置，越來(lái)越受到人們的重視。 概括起來(lái)，爬壁機(jī)器人主要用于： (1)核工業(yè)：對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺(jué)檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等； (2)石化企業(yè)：對(duì)立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐、測(cè)量和保養(yǎng)； (3)建筑行業(yè)：用于對(duì)巨型壁面的噴涂，玻璃壁面的清洗，磁磚安裝，橋梁探傷等； (4)消防部門(mén)：用于傳遞救援物資，進(jìn)行救援工作； (5)造船業(yè)：用于噴涂船體的內(nèi)

2、外壁等。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有爬壁機(jī)器人的壁面吸附方式主要包括：負(fù)壓吸附、真空吸附、磁吸附、氣體推力吸附、粘性吸附和仿生學(xué)吸附等。 負(fù)壓和真空吸附方式具有不受壁面材料限制、適用范圍廣等特點(diǎn)。但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)，吸盤(pán)容易發(fā)生氣體過(guò)量泄漏，導(dǎo)致吸附力不足，減低爬壁機(jī)器人的承載能力，甚至使爬壁機(jī)器人從壁面跌落。 磁吸附有永磁和電磁兩種方式，但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，主要特點(diǎn)是吸附機(jī)構(gòu)較簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的吸附力遠(yuǎn)大于負(fù)壓和真空吸附，也不存在漏氣現(xiàn)象，對(duì)凹凸不平壁面的適應(yīng)性較強(qiáng)。 氣體推力吸附是利用與壁面成一定角度的氣體推力使爬壁機(jī)器人貼緊壁面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但效率低，受環(huán)境影響大，而且控制不易。 粘性吸

3、附和仿生學(xué)吸附（仿壁虎）雖然他們的靈活性強(qiáng)，體積小，但是他們的吸附性差有待提高，所以注定載重量小。 爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有足式、框架式、履帶式及輪式等。 足式和框架式動(dòng)作靈活，具備一定越障能力，但移動(dòng)速度較慢，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃比較復(fù)雜； 履帶式爬壁機(jī)器人的壁面吸附力較大，移動(dòng)速度較快，但調(diào)整姿態(tài)比較困難； 輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、移動(dòng)速度快、控制靈活方便，但由于一般采用帶滑動(dòng)式吸盤(pán)（Sliding Suction Cup，SSC）作為吸附裝置，受壁面環(huán)境影響較大且對(duì)滑動(dòng)式吸盤(pán)的滑動(dòng)密封性能要求比較高。 近年來(lái),我國(guó)城市面貌發(fā)生了翻天覆地的變化,高層建筑拔地

4、而起,不僅節(jié)約了土地資源,也使城市面貌煥然一新,成為城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。但也帶來(lái)了如高空擦洗玻璃、高空消防急救、高空建筑施工等難題。以高層建筑外墻面的清洗和高層居民對(duì)家中窗戶的清洗為例,目前多采用吊籃懸吊或用液壓升降臺(tái)升降的人工作業(yè)方式,但其勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全隱患多。 以此為背景,設(shè)計(jì)出一種能在多種壁面上行動(dòng)的小型爬壁機(jī)器人的。 二、 研究過(guò)程 在設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人之前，研究人員了解了一些爬壁機(jī)器人的吸附特性：如磁力吸盤(pán)爬壁機(jī)器人吸附力目前最大，但是只能用于導(dǎo)磁金屬壁面上，而對(duì)普通玻璃墻壁無(wú)法適用；負(fù)壓吸附力大，但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)，吸盤(pán)容易發(fā)生氣體過(guò)量泄漏

5、而許多大型懸掛式清洗機(jī)器人要求有樓頂懸掛機(jī)構(gòu)； 氣體推力效率低；粘性吸附和仿生學(xué)吸附載重量小。為了載重量大，吸附力強(qiáng)，所以最后決定在吸附套件方面選用磁吸附和負(fù)壓吸附兩種，這樣可以應(yīng)對(duì)更多的壁面。 對(duì)于爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇，研究人員采取了幾種方案來(lái)設(shè)計(jì)： ①履帶式，把真空吸盤(pán)和電磁鐵如坦克履帶一樣排列（結(jié)構(gòu)類(lèi)似圖2-1,2-2）達(dá)到吸附壁面的目的。 （2-1） （2-2） 但是在設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)覺(jué)把吸盤(pán)這樣排列機(jī)器人的行進(jìn)會(huì)很慢，體積會(huì)很大；而電磁鐵這樣排列的話，重量會(huì)很大，就背離了我

6、們制作小型爬壁機(jī)器人的初衷。 ②框架式，把真空吸盤(pán)和電磁鐵分別安裝于框架上（圖2-3） （2-3） 但是這樣移動(dòng)速度較慢，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃比較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中如果損壞修復(fù)麻煩。 ③底盤(pán)式和履帶式結(jié)合，把真空吸盤(pán)和電磁鐵安裝于底盤(pán)（圖2-4），過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶使吸附套件和壁面形成滑動(dòng)摩擦，從而穩(wěn)步移動(dòng)。這樣就具有了壁面吸附力較大，移動(dòng)速度較快，具備一定越障能力的特點(diǎn)。 三、 結(jié)構(gòu)參數(shù) ㈠、結(jié)構(gòu)描述 履帶坦克車(chē)底盤(pán)1底板上裝有兩套吸附裝置，每套吸附裝置由吸盤(pán)式電磁鐵3和真空吸盤(pán)2組成，且兩套吸附裝置呈倒三角的方式排列。履帶坦克車(chē)底盤(pán)1

7、內(nèi)左右各裝有一個(gè)微型真空泵6和電池盒4。真空吸盤(pán)2與微型真空泵6連接；履帶坦克車(chē)底盤(pán)1兩邊分別連接有電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶5。 本發(fā)明的爬壁機(jī)器人通過(guò)吸附套件來(lái)達(dá)到在垂直墻壁上攀爬的遙控機(jī)器人。它一共有兩套吸附裝置：一套是通過(guò)吸盤(pán)式電磁鐵3吸附導(dǎo)磁性壁面達(dá)到爬壁的功能；另一套是通過(guò)微型真空泵6連接真空吸盤(pán)2，對(duì)吸盤(pán)內(nèi)部進(jìn)行抽氣形成負(fù)壓吸附，使機(jī)器人吸附在光滑壁面（玻璃，瓷磚，油漆粉刷過(guò)的光滑壁面等）。當(dāng)機(jī)器人開(kāi)啟吸附套件后，吸附壁面。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶5使吸附套件和壁面形成滑動(dòng)摩擦，從而穩(wěn)步移動(dòng)。 在機(jī)器人的制作過(guò)程中為了減輕自身的重量就決定不使用鐵鋁合金等金屬制作的機(jī)器人底盤(pán)，所以就用ASURO的R

8、P6履帶坦克車(chē)底盤(pán)1，此底盤(pán)采用ABS工程塑料具有高強(qiáng)度能基本應(yīng)付由于墜落導(dǎo)致造成的沖擊。 由于履帶坦克車(chē)底盤(pán)1的內(nèi)部空間較小，無(wú)法加裝吸盤(pán)式電磁鐵3和微型真空泵。所以經(jīng)過(guò)計(jì)算決定把底盤(pán)的寬度從125.5MM加到179MM，從而可以正好裝入三個(gè)吸盤(pán)2，左右各一個(gè)的微型真空泵6和電池盒4。 加寬底盤(pán)1的材料是定做的透明有機(jī)板，厚度為2MM，和底盤(pán)原本厚度差不多。而且具有強(qiáng)韌抗耐沖（拉伸強(qiáng)度(Mpa)≥46.0）、耐化學(xué)藥品性（柔曲溫度℃≥54.0，透濕度 g/m2·24h·0.1mm≤15，透光率%(厚度0.11-0.30mm)≥86）、折疊韌性強(qiáng)（落球沖擊破碎率(%)≤40.0）、質(zhì)量輕等

9、特點(diǎn)，符合機(jī)器人自重輕具有一定強(qiáng)度的特點(diǎn)。 為了平衡重量，在機(jī)器人內(nèi)部電池左右各微型抽氣泵安裝兩個(gè)電池盒4和微型真空泵6。一個(gè)電池盒4放三節(jié)超大容量2300mAh，1.2v鎳氫電池以保證機(jī)器人的電量，而且充電方便利于環(huán)保減少污染。 微型真空泵6體積?。?5mm*16mm*36mm），吸氣流量大（真空壓力：≥45kp，每分鐘氣流量：≥2.5升）工作電壓適宜（電壓：5v）。真空吸盤(pán)2最大直徑為60MM,氣孔的直徑為6MM的透明硅膠吸盤(pán)。硅膠摩擦力大而且比較柔軟能很好的吸附壁面。吸附裝置采用倒三角的方式來(lái)排列，因?yàn)槿c(diǎn)固定一個(gè)平面，這樣比較平穩(wěn)，而且由于重力關(guān)系上面二個(gè)吸附裝置有利于增大吸附力，

10、防止機(jī)器人由于吸附力不足導(dǎo)致的上半部分外翹。配合M6的真空橡膠管連接微型真空泵6和真空吸盤(pán)2，使二個(gè)微型真空泵6和三個(gè)真空吸盤(pán)2互相連通，讓每個(gè)真空吸盤(pán)2有較平均的吸氣流量。 由于電磁鐵的額定電壓都過(guò)高，在外型上符合我要求的吸盤(pán)電磁鐵TAU-2520P最低電壓也要12V，所以我按照它的外形定做了工作電壓在5-8V的電磁鐵。在制作過(guò)程中減少了它內(nèi)部線圈，導(dǎo)致它的高度降低，從而減小了降低了工作電壓，這樣它的體積減小（體積：直徑50*14.7），質(zhì)量也減輕，也符合了我需求的工作電壓，但是吸力也不變（吸力：5KG）。 本發(fā)明采用無(wú)限遙控設(shè)備，其中無(wú)線遙控模塊--超再生無(wú)線接發(fā)收頭（315M）。它采

11、用SMD貼片工作制造生產(chǎn)，為超再生接收方式，它內(nèi)含放大整形，可直接輸出至解碼器IC，使用極為方便，接收電路性能穩(wěn)定，加之又采用SMD貼片工藝技術(shù)制造，即使強(qiáng)烈振動(dòng)也不必?fù)?dān)心頻點(diǎn)偏高。DF接收模塊的工作電壓為5伏，靜態(tài)電流5毫安，它為超再生接收電路，接收靈敏度為－105dbm，接收天線最好為25～30厘米的導(dǎo)線，最好能豎立起來(lái)。這種設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)，它可以和各種解碼電路或者單片機(jī)配合，設(shè)計(jì)電路靈活方便。 這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于： （1）天線輸入端有選頻電路，而不依賴(lài)1/4波長(zhǎng)天線的選頻作用，控制距離較近時(shí)可以剪短甚至去掉外接天線 （2）輸出端的波形在沒(méi)有信號(hào)比較干凈，干擾信號(hào)為短暫的針狀脈沖，而不

12、象其它超再生接收電路會(huì)產(chǎn)生密集的噪聲波形，所以抗干擾能力較強(qiáng)。 （3）DF模塊自身輻射極小，加上電路模塊背面網(wǎng)狀接地銅箔的屏蔽作用，可以減少自身振蕩的泄漏和外界干擾信號(hào)的侵入。 （4）采用帶骨架的銅芯電感將頻率調(diào)整到315M后封固，這與采用可調(diào)電容調(diào)整接收頻率的電路相比，溫度、濕度穩(wěn)定性及抗機(jī)械振動(dòng)性能都有極大改善?？烧{(diào)電容調(diào)整精度較低，只有3/4圈的調(diào)整范圍，而可調(diào)電感可以做到多圈調(diào)整。可調(diào)電容調(diào)整完畢后無(wú)法封固，因?yàn)闊o(wú)論導(dǎo)體還是絕緣體，各種介質(zhì)的靠近或侵入都會(huì)使電容的容量發(fā)生變化，進(jìn)而影響接收頻率。另外未經(jīng)封固的可調(diào)電容在受到振動(dòng)時(shí)定片和動(dòng)片之間發(fā)生位移；溫度變化時(shí)熱脹冷縮會(huì)使定片和動(dòng)

13、片間距離改變；濕度變化因介質(zhì)變化改變?nèi)萘浚婚L(zhǎng)期工作在潮濕環(huán)境中還會(huì)因定片和動(dòng)片的氧化改變?nèi)萘?，這些都會(huì)嚴(yán)重影響接收頻率的穩(wěn)定性，而采用可調(diào)電感就可解決這些問(wèn)題，因?yàn)殡姼锌梢栽谡{(diào)整完畢后進(jìn)行封固，絕緣體封固劑不會(huì)使電感量發(fā)生變化。 俯視圖 主視圖 左視圖 ㈡具體參數(shù) 履帶坦克車(chē)底盤(pán)（1）寬度為179MM，且由ABS工程塑料制成；微型真空泵（6）體積為55mmX16mmX36mm，真空壓力≥45kp，每分鐘氣流量≥2.5升；工作電壓為5V；吸盤(pán)式電磁鐵（3）體積：直徑25*14.7,吸力為5KG；電機(jī)選擇的是大扭力280馬達(dá)。電機(jī)電壓：7.2~12V，工作電流

14、：160~180 mA，最大速度：30cm/s，配套齒輪箱的齒輪減速比例：80 ：1。 無(wú)限遙控設(shè)備的基本參數(shù)： 1. 工作電壓: DC5V 2. 工作電流: ≤3.5mA 3. 工作頻率: 315MHz 4. 接收靈敏度：-105dbm 5. 輸出信號(hào)：TTL電平 6. 接口方式：插針（4PIN 間距2.54mm） 7. 外型尺寸：30×14×8mm 8. 工作溫度：-10℃～+50℃ 。 四、 基本功能 爬壁機(jī)器人要在垂直或傾斜壁面上作業(yè)必須具有吸附和移動(dòng)兩大基本功能。 當(dāng)機(jī)器人開(kāi)啟吸附套件后，吸附壁面。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶使吸附

15、套件和壁面形成滑動(dòng)摩擦，從而穩(wěn)步移動(dòng)。 單個(gè)吸盤(pán)式電磁鐵吸力為5KG，所以在不影響行動(dòng)的情況下，機(jī)器人單靠磁吸附套件工作時(shí)的載重量≥3KG；單靠負(fù)壓吸附套件工作時(shí)的載重量≥2KG。這樣無(wú)論是在光滑壁面還是在導(dǎo)磁性壁面都能裝備一定的工具進(jìn)行工作，解脫了在高空作業(yè)的工作人員，也解決了高層居民清潔家中窗戶玻璃的問(wèn)題，提高了安全性。 六節(jié)容量為2300mAh，1.2v鎳氫電池可以維持機(jī)器人爬行15—25分鐘，機(jī)器人的行駛速度≥8cm/s。 五、發(fā)明創(chuàng)新 爬壁機(jī)器人具有兩套吸附裝置，每套吸附裝置分別由吸盤(pán)式電磁鐵和真空吸盤(pán)組成。吸附性強(qiáng)，載重量相對(duì)較大。兩套吸附裝置時(shí)可以應(yīng)付更多的壁面，增加了爬壁機(jī)器人的通用性。 底盤(pán)式和履帶式結(jié)合，把真空吸盤(pán)和電磁鐵安裝于底盤(pán)，過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶使吸附套件和壁面形成滑動(dòng)摩擦，從而穩(wěn)步移動(dòng)。這樣就具有了壁面吸附力較大，移動(dòng)速度較快，具備一定越障能力的特點(diǎn)。 六、機(jī)器人實(shí)圖