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 要進行維護和清潔。通過查閱相關(guān)文獻資料和實地調(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 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)扇進氣側(cè)低壓空 氣產(chǎn)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(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。目前這些先進工業(yè)國家 爬壁機器人技術(shù)處于國際先進水平，在部分領(lǐng)域甚至還處于壟斷地位。近年來, 發(fā)達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) 展目標之一，并將此產(chǎn)業(yè)作為新世紀拉動國民經(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水平、產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)現(xiàn)象較為嚴重， 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(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 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、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、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進行視頻實時畫面?zhèn)骰夭⑦h 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?？芍?，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確的下達命令。 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 進行技術(shù)設(shè)計階段，確定結(jié)構(gòu)原理方案，而后進行總體設(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(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)進行處理，確定壁面尺寸形狀以后進行軌跡的計算實現(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，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 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 柔性鉸鏈是經(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