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:多功能爬壁機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 男 2012 王琨淇 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 男 2012 韓進(jìn)華 機(jī)械設(shè)計(jì)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(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(jī)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(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年參與無人駕駛汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)改造設(shè)計(jì); 獲全國智能車大 賽冠軍。2010年參與中氣子項(xiàng)“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(xiàng)-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(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大 賽,項(xiàng)目獲國家級三等獎,2011級評為優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師,2012年第五 屆全國大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)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(diǎn)項(xiàng)目五項(xiàng),組織 第五屆、第六屆全國大學(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題 1、項(xiàng)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(hù)和清潔。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),迄今為止,這類 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(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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)螺旋槳的原理而設(shè)計(jì),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(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已有專利爬壁機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人運(yùn)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(jī)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(jī)器人運(yùn)動軌跡完成墻繪。 人工與機(jī)器特點(diǎn)對比見表1。 人工墻繪 機(jī)器墻繪 缺點(diǎn):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(diǎn):能繪制出較為規(guī)整復(fù) 雜的圖形,成本低、效率高、工 作時所用空間較小,不受空間限 制。 表1人工與機(jī)器特點(diǎn)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(jì)一種高效的便攜式多功能 爬壁機(jī)器人來彌補(bǔ)這方面的空白。 2、研究內(nèi)容和要解決的問
8、題: 該項(xiàng)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(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);通過變速箱減速,由主軸驅(qū)動硅膠履帶實(shí)現(xiàn)靈 活運(yùn)動與轉(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,是一臺機(jī) 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(shí)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)校或科普館,該機(jī)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(hù)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(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(shí)現(xiàn)壁面間翻轉(zhuǎn)且 可跨越縫隙。 附帶多功能工具箱,手動更換功能 區(qū)攜帶的工具,可以實(shí)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(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(jī)器人的原理樣機(jī),這被 看作是爬壁機(jī)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(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,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(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。國外在爬壁機(jī)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(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)國家 爬壁機(jī)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(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)拉動國民經(jīng)濟(jì)增長的重要引擎。 國內(nèi)爬壁行機(jī)器人的發(fā)展概況: 和國外相比,國內(nèi)爬壁機(jī)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(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系列的 5種型號壁面爬行機(jī)器人。 其中我國第一臺壁面爬行遙控檢測機(jī)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(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。 面對當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,針對我國服務(wù)機(jī)器人發(fā)展中存在的不足,“十 二五”期間,國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展對我國服務(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
13、民經(jīng)濟(jì)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(jī)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(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績 該項(xiàng)目已獲湖南大學(xué)校級sit立項(xiàng)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(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) 通過控制子母機(jī)的相對旋轉(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WIFI實(shí)現(xiàn)移動終端APP對機(jī)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(shí)現(xiàn)移動投影;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 樂性強(qiáng)。 2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?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),可通過其實(shí)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(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: 通過查閱相關(guān)資料,將整個設(shè)計(jì)過程分為方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和制作調(diào)試 三個階段。在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)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(jì)書,根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)書進(jìn)行產(chǎn)品功能原理的設(shè)計(jì)。經(jīng)過對設(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)動系統(tǒng),翻轉(zhuǎn) 系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其主要設(shè)計(jì)過程如圖 7。 圖7.設(shè)計(jì)流程圖 建立功能結(jié)構(gòu)后,對設(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)分解成相對較簡單、相互聯(lián)系的分功能(吸附、 運(yùn)動、翻轉(zhuǎn)等),通過以下所述實(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(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(diǎn)對比 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;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(jì)出綜合以上優(yōu)點(diǎn)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(yùn)動功能的實(shí)現(xiàn) 要求:1)可驅(qū)動真空吸盤運(yùn)動; 2 )結(jié)構(gòu)簡單,移動速度快,適應(yīng)能力強(qiáng); 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(jī)驅(qū)動,控制電機(jī)的運(yùn)動方向與速度,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)簡單,控制簡單便捷,運(yùn)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(yùn)動 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機(jī)構(gòu)。履帶 式爬墻機(jī)器人可以連續(xù)運(yùn)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(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 的防止移動打滑。 圖9履帶運(yùn)動 方案三:足腳式(圖10):通過動物仿生,設(shè)計(jì)四足爬行(類似壁虎),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(diǎn) 缺點(diǎn) 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(qiáng) 履帶磨損嚴(yán)重, 機(jī)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(qiáng) 速度顯 復(fù)雜性高 表4運(yùn)動方式對比 圖10足腳式運(yùn)動 根據(jù)上述要求,通過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(jī)構(gòu); 子機(jī)與母 機(jī)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(jī)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(jī)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(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,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)動至需翻轉(zhuǎn)處時,前側(cè)機(jī)器 人關(guān)閉動力源,后側(cè)擠壓前側(cè)機(jī)器人,與此同時前側(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,此時后側(cè)機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn) 要求
23、:1)使用成本低,開發(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)動各個運(yùn)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(jī)器人的運(yùn)動控制,與此同時 51單片機(jī)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(jī)器人的運(yùn)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(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開源電子原型平臺進(jìn)行控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(jī)An droid APP進(jìn)行視頻實(shí)時畫面?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、書籍等資料??芍珹rduino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(jī)普及,通過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(hù);紅外遙控容易受機(jī)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(jī)驅(qū)幼??? |廳走電捉 r系電機(jī) 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(jì)方案,再評價和篩選初步 設(shè)計(jì)方案(主要通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(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(jì)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(jì)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(jī)器人移動的摩擦 力驅(qū)使運(yùn)動。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??紤]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(jī)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(jī)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(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,具有高儲存能量密度,使用壽命長,具備高功率承受力, 便于高強(qiáng)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(bào)廢, 都不產(chǎn)生有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。 伺服電動機(jī)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(jī)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(qiáng)。 據(jù)以上分析,我們確定采用原動裝置采用伺服電動機(jī)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(jī)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(yùn)動發(fā)生形變。 1電機(jī) 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(diǎn)。當(dāng)6膜片運(yùn)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(yùn)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(cái)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(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(yùn)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(jī)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?yàn)槟p而降低。 氣動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(jì) 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(diǎn)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(jī)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(hù)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(shí)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(shí)現(xiàn)
34、壁面清潔、攝影、移動投影、墻繪等四項(xiàng)功能,采用 可拆換裝置,閑置時,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; 開啟機(jī)器人運(yùn)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(jì)算實(shí)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(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(jī)器人的運(yùn)動路徑實(shí)現(xiàn)墻繪功能。 圖20墻繪筆建模圖 攝影、移動投影執(zhí)行機(jī)構(gòu):將攝像頭、微型投影儀,通過卡槽與機(jī)器人外殼 連接,如圖21所示,通過機(jī)器人移動至需要位置,即可自動開啟設(shè)備,實(shí)現(xiàn)全 方位的攝影與移動投影。 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; 2、 參加全國機(jī)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(jī)器人的特點(diǎn),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(jī)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(jī)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(xiàng)功能于一體,減小了成本,具有良好的經(jīng)濟(jì)性。以期為 將來多功能爬壁機(jī)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(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)過一體化設(shè)計(jì)和加工并利用材料彈性變形來 實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動的具有一定形狀的特殊運(yùn)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(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
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