爬壁機器人_研究報告

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

2、外壁等。 國內(nèi)外現(xiàn)有爬壁機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。但當(dāng)壁面凹凸不平時，吸盤容易發(fā)生氣體過量泄漏，導(dǎo)致吸附力不足，減低爬壁機器人的承載能力，甚至使爬壁機器人從壁面跌落。 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，主要特點是吸附機構(gòu)較簡單，產(chǎn)生的吸附力遠大于負(fù)壓和真空吸附，也不存在漏氣現(xiàn)象，對凹凸不平壁面的適應(yīng)性較強。 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器人貼緊壁面，結(jié)構(gòu)簡單，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，體積小，但是他們的吸附性差有待提高，所以注定載重量小。 爬壁機器人的運動機構(gòu)主要有足式、框架式、履帶式及輪式等。 足式和框架式動作靈活，具備一定越障能力，但移動速度較慢，機構(gòu)設(shè)計和運動步態(tài)規(guī)劃比較復(fù)雜； 履帶式爬壁機器人的壁面吸附力較大，移動速度較快，但調(diào)整姿態(tài)比較困難； 輪式運動機構(gòu)的主要特點是機構(gòu)簡單、移動速度快、控制靈活方便，但由于一般采用帶滑動式吸盤（Sliding Suction Cup，SSC）作為吸附裝置，受壁面環(huán)境影響較大且對滑動式吸盤的滑動密封性能要求比較高。 近年來,我國城市面貌發(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升降的人工作業(yè)方式,但其勞動強度大、效率低、安全隱患多。 以此為背景,設(shè)計出一種能在多種壁面上行動的小型爬壁機器人的。 二、 研究過程 在設(shè)計爬壁機器人之前，研究人員了解了一些爬壁機器人的吸附特性：如磁力吸盤爬壁機器人吸附力目前最大，但是只能用于導(dǎo)磁金屬壁面上，而對普通玻璃墻壁無法適用；負(fù)壓吸附力大，但當(dāng)壁面凹凸不平時，吸盤容易發(fā)生氣體過量泄漏

5、而許多大型懸掛式清洗機器人要求有樓頂懸掛機構(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，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)對更多的壁面。 對于爬壁機器人的運動機構(gòu)選擇，研究人員采取了幾種方案來設(shè)計： ①履帶式，把真空吸盤和電磁鐵如坦克履帶一樣排列（結(jié)構(gòu)類似圖2-1,2-2）達到吸附壁面的目的。 （2-1） （2-2） 但是在設(shè)計完成實驗過程中發(fā)覺把吸盤這樣排列機器人的行進會很慢，體積會很大；而電磁鐵這樣排列的話，重量會很大，就背離了我

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

7、內(nèi)左右各裝有一個微型真空泵6和電池盒4。真空吸盤2與微型真空泵6連接；履帶坦克車底盤1兩邊分別連接有電機驅(qū)動履帶5。 本發(fā)明的爬壁機器人通過吸附套件來達到在垂直墻壁上攀爬的遙控機器人。它一共有兩套吸附裝置：一套是通過吸盤式電磁鐵3吸附導(dǎo)磁性壁面達到爬壁的功能；另一套是通過微型真空泵6連接真空吸盤2，對吸盤內(nèi)部進行抽氣形成負(fù)壓吸附，使機器人吸附在光滑壁面（玻璃，瓷磚，油漆粉刷過的光滑壁面等）。當(dāng)機器人開啟吸附套件后，吸附壁面。通過電機驅(qū)動履帶5使吸附套件和壁面形成滑動摩擦，從而穩(wěn)步移動。 在機器人的制作過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器人底盤，所以就用ASURO的R

8、P6履帶坦克車底盤1，此底盤采用ABS工程塑料具有高強度能基本應(yīng)付由于墜落導(dǎo)致造成的沖擊。 由于履帶坦克車底盤1的內(nèi)部空間較小，無法加裝吸盤式電磁鐵3和微型真空泵。所以經(jīng)過計算決定把底盤的寬度從125.5MM加到179MM，從而可以正好裝入三個吸盤2，左右各一個的微型真空泵6和電池盒4。 加寬底盤1的材料是定做的透明有機板，厚度為2MM，和底盤原本厚度差不多。而且具有強韌抗耐沖（拉伸強度(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（落球沖擊破碎率(%)≤40.0）、質(zhì)量輕等

9、特點，符合機器人自重輕具有一定強度的特點。 為了平衡重量，在機器人內(nèi)部電池左右各微型抽氣泵安裝兩個電池盒4和微型真空泵6。一個電池盒4放三節(jié)超大容量2300mAh，1.2v鎳氫電池以保證機器人的電量，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2最大直徑為60MM,氣孔的直徑為6MM的透明硅膠吸盤。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排列，因為三點固定一個平面，這樣比較平穩(wěn)，而且由于重力關(guān)系上面二個吸附裝置有利于增大吸附力，

10、防止機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2，使二個微型真空泵6和三個真空吸盤2互相連通，讓每個真空吸盤2有較平均的吸氣流量。 由于電磁鐵的額定電壓都過高，在外型上符合我要求的吸盤電磁鐵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?。w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)明采用無限遙控設(shè)備，其中無線遙控模塊--超再生無線接發(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，即使強烈振動也不必?fù)?dān)心頻點偏高。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。這種設(shè)計有很多優(yōu)點，它可以和各種解碼電路或者單片機配合，設(shè)計電路靈活方便。 這種電路的優(yōu)點在于： （1）天線輸入端有選頻電路，而不依賴1/4波長天線的選頻作用，控制距離較近時可以剪短甚至去掉外接天線 （2）輸出端的波形在沒有信號比較干凈，干擾信號為短暫的針狀脈沖，而不

12、象其它超再生接收電路會產(chǎn)生密集的噪聲波形，所以抗干擾能力較強。 （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)定性及抗機械振動性能都有極大改善?？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?？烧{(diào)電容調(diào)整完畢后無法封固，因為無論導(dǎo)體還是絕緣體，各種介質(zhì)的靠近或侵入都會使電容的容量發(fā)生變化，進而影響接收頻率。另外未經(jīng)封固的可調(diào)電容在受到振動時定片和動片之間發(fā)生位移；溫度變化時熱脹冷縮會使定片和動

13、片間距離改變；濕度變化因介質(zhì)變化改變?nèi)萘浚婚L期工作在潮濕環(huán)境中還會因定片和動片的氧化改變?nèi)萘?，這些都會嚴(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題，因為電感可以在調(diào)整完畢后進行封固，絕緣體封固劑不會使電感量發(fā)生變化。 俯視圖 主視圖 左視圖 ㈡具體參數(shù) 履帶坦克車底盤（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；吸盤式電磁鐵（3）體積：直徑25*14.7,吸力為5KG；電機選擇的是大扭力280馬達。電機電壓：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：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 爬壁機器人要在垂直或傾斜壁面上作業(yè)必須具有吸附和移動兩大基本功能。 當(dāng)機器人開啟吸附套件后，吸附壁面。通過電機驅(qū)動履帶使吸附

15、套件和壁面形成滑動摩擦，從而穩(wěn)步移動。 單個吸盤式電磁鐵吸力為5KG，所以在不影響行動的情況下，機器人單靠磁吸附套件工作時的載重量≥3KG；單靠負(fù)壓吸附套件工作時的載重量≥2KG。這樣無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器人爬行15—25分鐘，機器人的行駛速度≥8cm/s。 五、發(fā)明創(chuàng)新 爬壁機器人具有兩套吸附裝置，每套吸附裝置分別由吸盤式電磁鐵和真空吸盤組成。吸附性強，載重量相對較大。兩套吸附裝置時可以應(yīng)付更多的壁面，增加了爬壁機器人的通用性。 底盤式和履帶式結(jié)合，把真空吸盤和電磁鐵安裝于底盤，過電機驅(qū)動履帶使吸附套件和壁面形成滑動摩擦，從而穩(wěn)步移動。這樣就具有了壁面吸附力較大，移動速度較快，具備一定越障能力的特點。 六、機器人實圖