創(chuàng)新SIT多功能爬壁機器人

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1、湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃 項 目 申 報 表 項目名稱：多功能爬壁機器人 學(xué)校名稱 湖南大學(xué) 學(xué)生姓名 專 業(yè) 性別 入學(xué)年份 金睿 工程力學(xué) 男 2013 李雷 機械設(shè)計制造及其自動化 男 2012 王琨淇 機械設(shè)計制造及其自動化 男 2012 韓進(jìn)華 機械設(shè)計制造及其自動化 男 2012 指導(dǎo)教師 金秋談 職稱 副教授 學(xué)科專業(yè) 機械設(shè)計理論 學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況 湖南省工程模型設(shè)計制作大賽 獲省級二等獎 大學(xué)生工程能力訓(xùn)練大賽 獲省級三等獎 挑戰(zhàn)杯湖南大學(xué)校賽 獲校級一等獎 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)合收割機研發(fā)，通過省級成果鑒定， 2002年參與類 菱形新概念成研發(fā)， 2006年參與四輪三軸月球車的結(jié)構(gòu)設(shè)計及著陸器的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)改造設(shè)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(guān)鍵技術(shù)研究” ，2014 年主持重慶市“151 ”汽車產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型重大專項-C級車AMT變速箱摘掛擋及 離合器執(zhí)行器開發(fā)，2006年指導(dǎo)學(xué)生參與全國第二屆大學(xué)生機械設(shè)計創(chuàng)新大  賽，項目獲國家級三等獎，2011級評為優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師，2012年第五 屆全國大學(xué)生機械設(shè)計創(chuàng)新大賽二

3、等獎， 2012年獲全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯銀獎。 2013年獲全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯省賽二等獎。 指導(dǎo)SIT國家級重點項目五項，組織 第五屆、第六屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽湖南大學(xué)選拔賽，兩項發(fā)明專利 （第一作者）。 項目研究和實驗的目的、內(nèi)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(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)行維護和清潔。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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(gòu)成極大威脅，下圖中的“蜘蛛俠”想必我們已經(jīng)司空見慣。 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，生活趨向自動化、智能化，琳瑯滿目的機器人 有效地提高了生產(chǎn)、生活效率，改進(jìn)生產(chǎn)、生活質(zhì)量。同時在《國家中長期科 學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，明確指出將機器人作為未來優(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器人，代替人類從事危 險性與重復(fù)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(xiàn)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(fēng)便立刻會脫落；多吸盤的壁面若有凸

5、凹或裂縫則會產(chǎn) 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(fù)雜。 查詢已有專利號為CN 104216407 A公布的一種爬墻機器人（圖 5），它的 主要結(jié)構(gòu)包括蝸輪吸附裝置、驅(qū)動裝置和清理裝置，其工作原理是利用渦輪11 產(chǎn)生氣壓差使遙控車主體10吸附在墻面，驅(qū)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(jīng)過的墻面進(jìn)行清理。上述技術(shù)方案利 用類似于直升機螺旋槳的原理而設(shè)計，盡管能產(chǎn)生吸附，但是對蝸輪葉片的轉(zhuǎn) 速要求高，功率要求大，從而使整個裝置體積大，質(zhì)量重，不方便操作、攜帶 和移動。此外功能單一，不適合復(fù)雜的工作環(huán)境，成本高；此機器人的出

6、現(xiàn)標(biāo) 志著爬壁機器人興起于清潔領(lǐng)域。 IM., ”1 &2 丄& 圖5已有專利爬壁機器人 與此同時，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(lán)牙自動傳輸至移 動終端設(shè)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(tǒng)輸入源文件，經(jīng)過融合調(diào)試，組建成顯示系統(tǒng)。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(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(tǒng)， 在移動終端設(shè)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(shù)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(jìn)行繪圖。 優(yōu)點：能繪制出較為規(guī)整復(fù) 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(diào)研和論證后決定設(shè)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(nèi)容和要解決的問

8、題： 該項目以高層建筑作業(yè)比較困難為創(chuàng)意來源，通過真空式主輔雙層四吸盤 實現(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， 實現(xiàn)豎直平面至天花板的翻轉(zhuǎn)；通過變速箱減速，由主軸驅(qū)動硅膠履帶實現(xiàn)靈 活運動與轉(zhuǎn)向；該機器人集機械結(jié)構(gòu)，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(chǎn)物，可廣泛應(yīng)用于生活各個方面。 對于普通家庭，可作為清潔利器，能清潔有縫隙的多種壁面，在各個墻面 間實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)；對于電器愛好者，可作為二次開發(fā)的模型，制作出更加便利的產(chǎn) 品；對于學(xué)?；蚩破震^，該機器人可用于科普教育，開啟學(xué)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(yè)成本

9、，改善工人的勞動環(huán)境的同 時提高了勞動生產(chǎn)率；對于產(chǎn)品宣傳，移動投影作為“可移動的電視”，給產(chǎn) 品潤色了許多；同時，作為一款拓展性強大的產(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(xiàn)壁面間翻轉(zhuǎn)且 可跨越縫隙。 附帶多功能工具箱，手動更換功能 區(qū)攜帶的工具，可以實現(xiàn)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(fā)展概況： 爬壁機器人是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的機器人，過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(yīng)用技術(shù)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(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，西班牙馬德里 CSIC大學(xué)工業(yè)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， 掀起了爬壁機器人在工業(yè)上應(yīng)用的熱潮。國外在爬壁機器人的研制和生產(chǎn)上， 日本、俄羅斯、美國等國起步較早，早在 20世紀(jì)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(shù)得到了迅速發(fā)

11、展， 相繼研制出了不同種類的樣機，大部分已經(jīng)投入實用。目前這些先進(jìn)工業(yè)國家 爬壁機器人技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，在部分領(lǐng)域甚至還處于壟斷地位。近年來, 發(fā)達(dá)國家紛紛將突破爬壁機器人技術(shù)、 大力發(fā)展爬壁機器人產(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)拉動國民經(jīng)濟增長的重要引擎。 國內(nèi)爬壁行機器人的發(fā)展概況： 和國外相比，國內(nèi)爬壁機器人的研究起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，與國外的主 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。在國內(nèi)自 1988 年以來，在國家“ 863”高技術(shù)計劃的支持下。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究

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(fù)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(xué)也較早開展高樓壁面清洗作業(yè)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(tǒng)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(yīng)性不強，跨越障 礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等），因此未來爬壁機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實 用化的方向發(fā)展。 面對當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，針對我國服務(wù)機器人發(fā)展中存在的不足，“十 二五”期間，國民經(jīng)濟和社會發(fā)展對我國服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也提出了新的 要求；并且隨著國

13、民經(jīng)濟和社會的發(fā)展，推進(jìn)國家民生科技領(lǐng)域的應(yīng)用，可以 預(yù)見，爬壁機器人作為一種戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)， 必將迎來新的巨大的發(fā)展空間。 本項目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績 該項目已獲湖南大學(xué)校級sit立項資格 該作品已通過湖南大學(xué)挑戰(zhàn)杯初賽，進(jìn)入省賽 項目的創(chuàng)新點和特色 1、功能設(shè)計創(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，實用性強。 2） 通過控制子母機的相對旋轉(zhuǎn)可使機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WIFI實現(xiàn)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

14、，連接微型投影儀，實現(xiàn)移動投影；連接顏料繪筆， 實現(xiàn)墻繪；連結(jié)攝像頭，實現(xiàn)多角度攝影、自拍；功能豐富，可操作性好，娛 樂性強。 2、結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新 1） 采用真空式吸盤結(jié)構(gòu)，內(nèi)層主吸盤采用三角形最優(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工作吸盤處于工作狀態(tài)，增加了對壁面 適應(yīng)性，使用更安全。 2） 采用主輔雙層吸盤結(jié)構(gòu)，外層輔助吸盤形成初步真空，三個內(nèi)層主吸 盤在初步真空中進(jìn)一步形成真空，吸附力增大，氣密性提高，大大降低主吸盤 因為泄漏而失效的機率，運行更穩(wěn)定。 3） 大變形柔性鉸鏈具有變形大、疲勞強度高等特點，可通過其實現(xiàn)翻轉(zhuǎn) 功能，無需任何輔助動力且結(jié)構(gòu)簡單，自適應(yīng)性

15、好，成本低。 項目的技術(shù)路線、進(jìn)度安排及預(yù)期成果 1、技術(shù)路線： 通過查閱相關(guān)資料，將整個設(shè)計過程分為方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和制作調(diào)試 三個階段。在產(chǎn)品方案設(shè)計階段，通過市場調(diào)研、需求分析、預(yù)測及可行性分 析，確定任務(wù)設(shè)計書，根據(jù)任務(wù)設(shè)計書進(jìn)行產(chǎn)品功能原理的設(shè)計。經(jīng)過對設(shè)計 任務(wù)的抽象，建立功能結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品設(shè)計模塊分為吸附系統(tǒng)，運動系統(tǒng)，翻轉(zhuǎn) 系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其主要設(shè)計過程如圖 7。 圖7.設(shè)計流程圖 建立功能結(jié)構(gòu)后，對設(shè)計任務(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）分解成相對較簡單、相互聯(lián)系的分功能（吸附、 運動、翻轉(zhuǎn)等），通過以下所述實現(xiàn)各種功能，確定設(shè)

16、計方案。 1）吸附功能的實現(xiàn) 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(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，如何求得一個最優(yōu) 解決方案，以及評價標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生的高速氣流產(chǎn)生始終指向壁面的推力， 從而實現(xiàn)了機器人的吸附 功能，該吸附機構(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)缺點對比見表 3。 吸附種類 單吸盤

17、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(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)缺點對比 鑒于建筑物壁面的非導(dǎo)磁性，爬壁機器人多采用真空吸附方式，通常是依 靠抽風(fēng)機、真空泵等真空發(fā)生設(shè)備在機器人的吸盤和墻壁的接觸面間形成負(fù) 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(nèi)部的空

18、氣產(chǎn)生真空，使用時不僅對表面無 傷害，而且操作簡單，安全性高。通過觀察日常生活中的真空吊具，我們根據(jù) 需要設(shè)計出綜合以上優(yōu)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(yōu)勢是減小了吸盤失效的可能性。 2）運動功能的實現(xiàn) 要求：1）可驅(qū)動真空吸盤運動； 2 ）結(jié)構(gòu)簡單，移動速度快，適應(yīng)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(qū)動，控制電機的運動方向與速度，實現(xiàn)機器人的前進(jìn)、后退和 轉(zhuǎn)彎。機械結(jié)構(gòu)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

19、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(gòu)。履帶 式爬墻機器人可以連續(xù)運動，因此可以提高移動速度。它的最大爬行速度可以 達(dá)到15m/mi n,其控制方式和車輪式一致，簡單便捷，通過編程控制兩側(cè)電機 的運轉(zhuǎn)方向、速度，實現(xiàn)機器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。不僅與壁面的接觸面積 大，適應(yīng)能力強，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(shè)計四足爬行（類似壁虎），需 要設(shè)計多項關(guān)節(jié)和肢體，技術(shù)要求高。同時驅(qū)動裝置眾多，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 缺點 輪式移動 速度快，控制簡單， 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 履帶磨損嚴(yán)重， 機動性差 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 速度顯 復(fù)雜性高 表4運動方式對比 圖10足腳式運動 根據(jù)上述要求，通過查找論文等資料建表 4,結(jié)合實際情況綜合考慮，采用 3）翻轉(zhuǎn)功能的實現(xiàn) 方案一：采用電機控制的行星輪式結(jié)構(gòu)，在母機的末端

21、裝有伺服電機驅(qū)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(gòu)； 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(zhuǎn)處的聯(lián)接， 此時還需攜帶傳感 器等設(shè)備。制作成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且給機器人本身重量帶來負(fù)擔(dān)。如下圖 11所示，功能拓展區(qū)繞1轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的同時，也繞1公轉(zhuǎn)，形成行星輪機構(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.電動機8.母機 圖11行星輪系翻轉(zhuǎn)機構(gòu) 方案二：大變形柔性鉸鏈由彈性較大的橡膠材料制成，具有無摩擦、變形大、 疲

22、勞強度高等特點；當(dāng)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(dāng)連接的子母機運動至需翻轉(zhuǎn)處時，前側(cè)機器 人關(guān)閉動力源，后側(cè)擠壓前側(cè)機器人，與此同時前側(cè)機器人前端的翻轉(zhuǎn)輪與圓弧 形結(jié)構(gòu)的設(shè)計使大變形柔性鉸鏈擠壓并逐漸帶動前側(cè)機器人翻轉(zhuǎn)， 直至翻轉(zhuǎn)的那 側(cè)的爬壁機器人與墻壁接觸，形成真空負(fù)壓，此時后側(cè)機器人關(guān)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(zhuǎn)。 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(gòu)簡單，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）控制功能的實現(xiàn) 要求

23、：1）使用成本低，開發(fā)周期短； 2） 可拓展性強，易于維護和更新； 3） 系統(tǒng)穩(wěn)定，反映靈敏，操作方便； 方案一：51單片機開發(fā)板與紅外遙控控制系統(tǒng)：即以51單片機為控制核心, 驅(qū)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(jìn)行機器人的運動控制，與此同時 51單片機通過對超聲 波傳感器，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(fēng)險保護機器。 ） 虹外溫慳挾戦模塊 r實恥遠(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

24、馳刃魁業(yè) 廿丄電機 圖13 51單片機控制系統(tǒng)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(tǒng)：即以AVF單片機為控制核心，基于Arduino開源電子原型平臺進(jìn)行控 制系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)識別的系統(tǒng)，由 WIFI連接上位機An droid APP進(jìn)行視頻實時畫面?zhèn)骰夭⑦h(yuǎn) 程控制的爬墻機器人，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、書籍等資料。可知，Arduino是一款便捷 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(tǒng)開發(fā)周期短

25、，有許多成熟的庫文件，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（控制板代碼見附件三） ；開發(fā) An droid APP使用MIT的App In ve ntor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(yīng)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(fā)系統(tǒng)，開發(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；紅外遙控容易受機器人位置的影響而無法準(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也機驅(qū)幼?？? |廳走電捉 r系電機 圖14 Arduino開發(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)計方案，再評價和篩選初步 設(shè)計方案（主要通過技術(shù)經(jīng)濟評價），確定吸附系統(tǒng)采用真空式的主輔雙層四 吸盤結(jié)構(gòu)，移動系統(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)計階段，確定結(jié)構(gòu)原理方案，而后進(jìn)行總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計以及工 藝設(shè)計。經(jīng)過方案論證與分析，最后確定以下結(jié)構(gòu)方案，通過對個結(jié)構(gòu)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

27、結(jié)構(gòu)方案： 在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中，總體布局上采用簡單的對稱結(jié)構(gòu)，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，提供機器人移動的摩擦 力驅(qū)使運動。零部件設(shè)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(chǎn)品經(jīng)濟性和環(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(shù)都可以通過 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、橡膠類材料等。在查閱資料時發(fā)現(xiàn)，打印結(jié)構(gòu)的排斥性是 很低的，換句話說，3D打印能夠打印出很多的結(jié)構(gòu)類型，甚至一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 對

28、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(shù)量 3D打印材料 1 底盤 1 ABC塑 料 2 吸盤 3 ABC塑 料 3 吸盤螺釘 12 樹脂 4 履帶 1 ABC塑 料 5 履帶輪 4 ABC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(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(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報廢， 都不產(chǎn)生有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。 伺服電動機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制， 并能快速反應(yīng)，在 自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好，過載能力較 強。 據(jù)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(nèi)的隔膜來回鼓動做

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(qū)動 10凸輪，10凸輪經(jīng)軸承帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，從而使膜片來回運動發(fā)生形變。 1電機 驅(qū)動時使兩氣室分別同時處于吸氣和排氣的狀態(tài)，7飛輪充當(dāng)儲能裝置，使凸輪 走過死點。當(dāng)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(jīng) 4單向閥進(jìn)入氣室，當(dāng)6膜片運動使2氣室中的體積減少時，吸盤中的氣體從 3 吸氣管經(jīng)4單向閥從氣室中排出。從而將吸盤中的氣體吸出，形成真空。 1 ■.財I 2,崔3】航會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： 1） 由于吸附裝置采用的是雙層吸盤機構(gòu)，需要雙氣泵或者氣泵與各種壓力閥 聯(lián)合使用。兩種情況都會增大機器人的體積和質(zhì)量， 布局和設(shè)計更加復(fù)雜，系統(tǒng) 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(fā)生此種狀況，且可以當(dāng)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(fù)雜的控制系統(tǒng)，體積小、重量輕，便于移動。無需潤滑所以維修簡 便，泵始終能保持高效，不會因為磨損而降低。 氣動R

32、S腫慕與其他至性能比鑼 項目 可移功 性 楊程 繰養(yǎng) 單t*泵7+ 環(huán)泵 國定 可 狡大 可訛 質(zhì)高 高 蕖汽 悌桿泵 電虢 空T 可移動 可 較低 簡單 低 齡低 表6氣泵對比表 3）底盤設(shè)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(chǎn)生大量泄漏， 導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)。根據(jù)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

33、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(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 所示吸盤組；外層為大吸盤提供初步真空，而內(nèi)層三個吸盤的在初步真空基礎(chǔ)上 形成再真空，使吸附更可靠。同時當(dāng)內(nèi)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(dāng)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(xiàn)了跨越 壁縫的功能。 圖18吸盤跨縫的簡單原理示意圖 4）執(zhí)行裝置 執(zhí)行裝置目的是為實現(xiàn)

34、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(xiàn)裝置收入多功能工具箱。 壁面清潔執(zhí)行機構(gòu)：采用背膠魔術(shù)貼，將可更換抹布粘在多功能爬壁機器人 的功能區(qū)，如圖19所示，清潔抹布上凹槽設(shè)計可收集臟物，以免其進(jìn)入吸盤； 開啟機器人運動，當(dāng)接觸到壁面邊緣時，所搭載的超聲波距離傳感器將信號反饋 給控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，確定壁面尺寸形狀以后進(jìn)行軌跡的計算實現(xiàn)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(zhí)行機構(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， 在移動終端內(nèi)輸入需要的圖畫，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器人的運動路徑實現(xiàn)墻繪功能。 圖20墻繪筆建模圖 攝影、移動投影執(zhí)行機構(gòu)：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(shè)備，實現(xiàn)全 方位的攝影與移動投影。 圖21攝像機構(gòu)建模圖 2、進(jìn)度安排： 2015年4月-5月，理論設(shè)計及建模 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； 2、 參加全國機械產(chǎn)品數(shù)字化大賽，期望取得好

36、成績； 3、 該作品可適用于生活各個方面，根據(jù)機器人的特點，該產(chǎn)品針對兩方 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 移動投影，全方位攝影，多角度自拍。目前市場上的高層壁面作業(yè)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(xiàn)給投影 設(shè)備帶來了自由移動控制的方便性，解決了墻繪易出現(xiàn)不滿足雇主意愿、效率 較低，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(jīng)濟性。以期為 將來多功能爬壁機器人的研究發(fā)展帶來借鑒意義。 指導(dǎo)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(shè)計與分析 柔性鉸鏈?zhǔn)墙?jīng)過一體化設(shè)計和加工并利用材料彈性變形來 實現(xiàn)預(yù)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: 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際需要，而且柔性好、轉(zhuǎn)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