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1、精选优质文档-倾情为你奉上本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：连杆吸盘越障系统设计专题题目：新型越障式-高空清洁卫士学 院：机电工程学院专 业：机械工程及其自动化班 级：xxxxx学 号：xxxxx学 生：xxxx指导教师： 职称：教授指导教师： 职称：时间：xxxx年xx月摘 要机器人的开发和应用，拓展了人类的生产能力，解放了危险环境下的工作人员，极大地推动了人类科技革命和社会进步，多足式爬壁机器人属于极限作业机器人的一种，广泛应用于清洗，消防，检测等多个行业。本文在国内外现有壁面移动机器人研究成果的基础上。结合壁面作业的特点对壁面机器人的吸附技术，行走技术进行了研究分析，并创造性的提出了
2、壁面越障技术，本文主要的研究工作如下：首先，追溯国内外壁面机器人研究的历史背景、总体类别与特点，及其发展态势，总结出壁面攀爬机器人的研究特点和关键技术所在。其次，本文根据机器人实际工作的要求，主要对高空清洁卫士机器人越障系统中的腿部机构、吸附结构，驱动机构构型设计。最后，本文在结构件的设计过程中，同时考虑轻量化和安全可靠性要求，对机器人的吸附、越障机构进行了强度校核和优化设计。关键词:： 壁面越障；腿式结构；真空吸盘；机构设计；周期性步态Abstract The development and application of robots have expanded our production
3、 capacity of the human beings, as well as emancipated personnel works in hazardous environments , greatly promoted scientific and technological revolution and human social progress.A multi legged wall climbing robot which belongs to the limit of the robot, is widely used in cleaning, fire protection
4、, detection and other industries. Based on the existing domestic and foreign mobile robot wall surface on the research results of. According to the characteristics of the wall operation adsorption technology to wall robot, walking technology is studied and analyzed, and creatively put forward the wa
5、ll climbing technique, the main research work of this article are as follows: Firstly, the historical background, the overall classification and characteristics of domestic research on outer surface of the developing situation and the robot traces, and later, summed up the research characteristic an
6、d the key technology of wall climbing robot.Secondly, in the end of this paper the robot concept design, this paper introduces Unigraphics NX model and modeling method, and taking the leg mechanism as an example, introduces the Unigraphics platform of NX parts and assembly design, and simulation res
7、ults under the Simulation simulation platform.Again, this paper clearly on the wall robot based on the constraint conditions and the basic function, carries on the analysis and the design of wall climbing robot gait, elaborate periodic gait and its realization ways, fully demonstrated the periodic g
8、ait and the principle of robot.Key words:Finally, based on the design process of structural parts, considering the requirements of lightweight and safe reliability, adsorption, obstacle crossing mechanism of the robot is carried on strength and optimization design. Xxxx；xxx；目 录第一章 绪论 1.1 课题研究背景、目的、及
9、其意义 1.2 国内外壁面机器人研究现状 1.2.1国外研究现状 1.2.1国外研究现状 1.3 现有爬壁机器人类型比较分析第二章 新型越障式-高空清洁卫士总体结构设计 2.1新型越障式-高空清洁卫士的设计准则与要求 2.2新型越障式-高空清洁卫士行走机构设计 2.3新型越障式-高空清洁卫士越障系统设计 2.3.1新型越障式-高空清洁卫士腿部结构的设计 2.3.2新型越障式-高空清洁卫士吸附结构的设计 2.3.3新型越障式-高空清洁卫士硬件驱动的选择 2.4新型越障式-高空清洁卫士总体结构设计第三章 基于Unigraphics NX的三维建模技术 3.1 引言 3.2 Unigraphics
10、NX简介 3.3 Unigraphics NX建模方法 3.3.1自底而上 3.3.2自顶而下 3.3.3两种建模方式的比较 3.4 新型越障式-高空清洁卫士建模实例 3.4.1腿部机构的建模 3.4.2主要部件的装配 第四章 机器人关键部分校核与有限元分析 4.1 新型越障式-高空清洁卫士附着技术选择 4.2 真空吸附机构受力与安全性分析 4.2.1抗滑落条件 4.2.2抗倾覆条件 4.3 腿部连杆的校核及有限元分析 4.3.1腿部连杆的强度校核 4.3.2腿部连杆有限元分析和结构优化结论致谢参考文献附录第一章 绪 论1.1课题研究背景、目的及其意义 机器人是近代电子技术与传统的机构学相结合
11、的产物，是集计算机科学、控 制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和 发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。 对于机器人的分类，目前国际上没有统一的标准我国的机器人专家按照机器人的应用领域将机器人分为工业机器人和特种机器人两大类。其中，壁面攀爬机器人是一种能够在垂直陡壁或者高空极限位置进行作业从而服务于人类的特种机器人。目前，壁面机器人已经在建筑业、核工业、消防部门、石化行 业以及造船业等多个行业领域得到研制和应用。随着社会的高速发展，高层建筑越
12、来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景，并大都采用玻璃幕墙。而许多开放性城市都规定，每年应对高楼进行定期清洗。长期以来，对高层建筑的清洗工作主要是由人工完成的。这种“一桶水、一根绳、一块板”的人工作业方式效率很低，清洗一幢大楼有时要耗时数天乃至数十天，耗资巨大，而且稍有不慎就会出现事故，造成伤亡，“蜘蛛人”高空作业，清洁危险，效率低，成本高。近几年来，随着科学技术的发展，这种状况巳经有所改善。目前在国内己经采用升降平台或吊篮搭载清洁工对大楼进行清洗，或者在设计建筑的时候考虑清洗系统。但是这种改善的方式对建筑本身有一定的要求，起到的作用非常有限，因此，人们迫切希望能设计制造出一种
13、可以完全代替人工完成高层建筑清洗任务的装置。 壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大 地推动清洗业的发展，带来相当的社会、经济效益。同时，在其他一些工业领域，壁面消防机器人、壁面检测机器人、壁面喷 涂机器人、壁面清污机器人等也起到代替人类在髙温、高压、有毒、浓烟、放射 性等艰险恶劣的环境中完成复杂作业的作用。因此，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。我国从1987年实施国家“863”高技术研究发展计划以来，把智能机器人确立为自动化领域的主体之一，在特种机器人、机器人应用工程、机器人基础学
14、科等方面取得了很大成绩，壁面攀爬机器人由于其特殊的作用己越来越受到人们的重视。1.2 国内外壁面机器人研究现状 第一个爬壁机器人于1966年由日本的西亮教授研制出，之后便在日本得到快速地发展。美国、俄罗斯、西班牙、英国、德国、韩国等国相继研制出一些各具特色的壁面移动机器人实验样机。20世纪80年代以来，我国在国家自然基金和863计划的大力支持下，从上世纪90年代中期也相继开发出一些壁面移动机器人样机，并在爬壁机器人领域取得了快速的发展。1.2.1国外研究现状壁面移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。早在1966年，在大阪
15、府立大学工学部任讲师的西亮利用电风扇进气侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机。1975年，已经身为宫崎大学工学院部教授的西亮又制作了以实用化为目标的二号样机，这是个单吸盘结构、靠轮子行走的壁面移动机器人。从此以后各国著名的大学、研究所、公司纷纷投入力量广泛开展用于极限作业的壁面移动式机器人的研究。(1)日本 图1-1 “Walker”机器人 图1-2履带式壁面移动机器人 1978年，化工机械技术服务株式会社制作了一种叫Walker的壁面移动机器人。如 图1-1所示，该机器人采用了单吸盘结构。用真空泵产生负压，行走机构采用上下两个行走滚子和左右两条行走皮带的驱动。
16、滚子和皮带自然组成一个真空腔体。转向通过左右滚轮和皮带的速度差来实现。Walker既有吸附功能又有行走功能。但它有一个 严重的缺点，即：壁面上有裂缝时，真空难以维持。图1-2所示为关西电力株式会社研制的真空吸附履带式结构壁面移动机器人。利用均布于履带和车体底部的吸盘，该机器人可以实现直线运动和转向运动，但越障和面面转换能力差。 图1-3日本的尺蠖机器人 图1-4气体马达驱动机器图1-3为日本宫崎大学设计的采用直流伺服电机驱动、真空吸附5自由 度壁面移动机器人，吸盘直径为16.5cm，腿长70cm，重12kg。2个踝关节各有2个转动自由度，中间的膝关节为1自由度的转动副，机器人可绕其中一条腿转向
17、，能在水平面，垂直面及天花板之间移动。但其尺寸及重量大，机器人只能以有限的姿态运动，限制了机器人的灵活性。图1-4为日本宫崎 大学提出的另一型采用空气马达驱动、真空吸附的5自由度尺蠖式机器人，各关节布置与前一型机器人相似，设计着眼点在于真空吸盘需要使吸盘内产 生负压的抽气机，而所抽出的气体可提供给他们自行设计的低压气动马达，从而产生行走所需的驱动力，利于实现机器人的无缆化。但由于低压气体马 达的频响较慢，系统的动特性不好，同时由于结构的限制不易小型化。（2） 美国 图1-5 ROBIN robot 图 1-6 ROSTAM-IVrobot 如图1-5所示为美国Wichita大学研制用于空间飞行
18、器检修的爬行机器 人第四代样机ROSTAM-IV。该机器人采用直流电机作为驱动器，真空吸盘为吸附机构，具有4自由度，踝关节类似于ROBIN，但膝关节为移动副，能实现空间内的三维运动，但其运动空间较膝关节为转动副的机器人要小，不具备凸过渡能力。吸盘直径为11.35cm,展开时长1.2m,质量4Kg a) FLIPPER 机器人 b) CRAWLER 机器人图1-7尺蠖式机器人图1-7为美国密执根州立大学研制的微小型尺蠖式机器人样机。图a)所示的第一代机器人FLIPER为由3个直流伺服电机驱动四个关节的欠驱动双足机构，膝关节与具有两自由度的踝关节中的1个自由度耦合。双足末端真空吸盘能有效吸附地板、
19、墙壁及天花板，具有很强的适应能力。欠驱动机构形式可以减轻机器人的重量，减少能耗，但控制复杂而且减少了机器人的自由度，因而降低了机器人的灵活性，只能以空翻的方式运动。第二代机器人CRAWLER92的膝关节采用了移动副，机器人以仿尺蠖蠕动的方式运动。该机器人248mm，宽45mm，重335g，装备小型摄像机、温度及红外传感器、麦克风，能在人不能到达或不宜到达的地方搜集有用信息。（3） 英国 图 1-8 NERO 机器人 图 1-9 SADIE 机器人 图1-8所示为英国的Portsmouth大学研制研制的平面运动型用于核电 站反应堆压力罐外表面作业的壁面移动机器人NERO，该机器人采用框架式结构，
20、在每个框体上设有一组真空吸盘，吸盘的伸缩及框架之间的直线运动、转动由气缸驱动实现。图1-9为针对核反应堆冷却管焊接检查研制的机器人SADIE，该机器人在借鉴NERO机器人的基础上进行了改进，尺寸为 640mmx400mmx 180mm。 图 1-8 NERO 机器人 图 1-9 SADIE 机器人英国 Portsmouth 大学研制了用于核电站检测及维护的仿螃蟹及蜘蛛的8足壁面移动系列机器人，采用真空吸附方式，足末端安装真空吸盘。如图1-8所示为ROBUIII机器人，该机器人长0.8m，宽0.6m，高0.6m，腿长1m，负载25Kg，行走速度6m/min，拖缆（包括电源线、气管、通讯线及视频信
21、号线），半自主控 制，每条腿为3杆机构，具有4个自由度，由气缸驱动，具有壁面过渡功能。如图1-9所示为ROBUG IV机器人，该机器人采用了与ROBUIII相同的机构及驱动形式，并进行了小型化，采用CAN总线进行分布式控制，实现了机器人自主全方位运动，该机器人长0.3m，宽0.45m ，高0.3m,腿长0.7m， 重40Kg，负载5Kg。(4) 韩国 图 1-10 ROBUGII 机器人 图 1-11MRWALLSPECTIII 机器人 图1-10为英国的Portsmouth大学研制的ROBUGII壁面移动机器人，采用了4足结构，每条腿具有3个自由度，躯干具有1个自由度，由气缸驱动，重12Kg
22、，负载12Kg，具有壁面过渡能，采用分布式控制方法。仿蜘蛛腿结构使得机器人具有很好的灵活性和越障能力。但是，由于结构复杂，运动速度仅有 0.6m/min。 图1-11为韩国研制的MRWALLSPECT-III的多关节四足壁面移动机器人，具有壁面过渡功能，每条腿具有3个由电机驱动的主动自由度及1个被动踝关节自由度，末端为对称布置的3个真空吸盘，由4个并联的真空泵发生真空，采用嵌入式控制器，无线局域网通讯，拖缆提供电源。1.2.1国内研究现状我国的机器人事业起步较晚，主要起步于在20世纪80年代术90年代初，但通过多年的努力，但也取得了不少的成绩”近些年来，多足步行机器人技术也有了较大的发展。中国
23、科学院长奋光学精密机械研宄所、中国科学院沈阳自动化研宄所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等单位和院校都先后开展了多足步行机器人技术的研宄。1991年，上海交通大学电力学院潘俊民教授研制的四足机器人通过鉴定，这是我国第一台具有多功能的四足步行机器人，如图1.12所示。此外比较有代表性的有上海交通大学研制的小型六足仿生机器人。此外还研制了仿哺乳动物关节的 的四足步行机器人，它能以对角线步态行走，通过上位机利用模糊神经反馈信息 进行处理，调整步行参数，提高了步行的稳定性。图1-12我国第一台具有多功能的四足步行机器人 90年代中期清华大学相继开发了所示双三足步行机器人DTWM，如图1.13所
24、示，进行了全方位双三足步行机步行理论及其运动学研宄，还提出了主动跟踪 被动基准方法及调制摆概念。此外还研制了五足步行机WZ-2，如图1.14所示。 图1.13 DTWM双三足步行机器 图1.14 WZ-2五足步行机2005年11月15日，哈尔滨工程大学研制成功一种模块化多足机器人，如图 1.15。该机器人采用仿生学原理，模仿动物神经网络系统进行控制，具有二十四个自由度，可类似人体关节曲伸，通过遥控方式可实现爬行功能。该机器人目前有八只脚，还可利用模块拼接的方法增加脚的数量。并可广泛应用于探险、搜救、 火山监测等领域。图1-15哈尔滨工程大学多足机器人北京航空航天大学自1996年以来，在国家“8
25、63”计划的大力资助下，先 后研制成功了 WASHMAN、CLEANBOTI、SKYCLEAN、“灵巧型擦窗机器人”、“吊篮式擦窗机器人”、“蓝天洁宝”等系列幕墙清洗机器人样机（图1-16),工作效率高，具有很高的实用价值。 (a)WASHMAN (b)SKYCLEAN (c)蓝天洁宝图1-16北京航空航天大学研制的部分壁面清洗机器人1.3现有爬壁机器人类型比较分析根据对国内外爬壁机器人的研宄状况分析，爬壁机器人能在壁面或复杂接触面上进行作业，大多依赖一下三种吸附方式作为保障：真空吸附、磁力吸附和推力吸附。其中，真空吸附方式不受被吸附材料的限制，适用性强，应用范围广。壁面机器人因移动方式的不同
26、，又包括：轮式多足式爬壁机器人、履带式多足式爬壁机器人、脚步行走式多足式爬壁机器人等。轮式多足式爬壁机器人移动速度快，容易控制，转向灵活，但是与壁面接触面积小，容易导致吸附不可靠；履带式多足式爬壁机器人接触面积大，壁面适应强，但是结构复杂，体积大，不易转弯，不易跨越障碍；脚步行走式爬壁机器人，有较大的负载能力，转动灵活，容易实现跨越障碍，但是行走速度较慢。这些不同的吸附方式和不同的移动方式构成多种风格的多足式爬壁机器人。综上所述，国内外现有机器人较多采用真空吸附方式和脚步行走方式分别进行行走和越障，但是由于运动缓慢，越障范围小，从而限制了壁面机器人的应用。因而，根据要求，设计一种能实现高效率、
27、可靠行走，大范围越障的壁面清洁机器人具有重要的意义。第二章 新型越障式-高空清洁卫士总体结构设计2.1新型越障式-高空清洁卫士的要求与设计准则（1）要求 壁面攀爬越障机器人的总体机构即运动系统，主要包括行走机构、越障机构、吸附方式和驱动方式等四大结构。机器人的行走方式取决于对机器人工作环境、移动速度、移动连续性、行走控制难易程度的要求；越障方式取决于避障能力以及承载能力；吸附方式取决于有吸附力、结构重量、壁面适应性、密封性要求、尺寸要求以及避障要求；而影响驱动方式的因素主要有控制距离、信号转换、技术成熟性、构造难度、可靠性及可控性等。（2）设计准则 机器人的构型取决于机器人的作业目的和工作环境
28、，壁面清洗机器人的构型根据器人的模型构建、功能指标及约束条件进行选择。新型越障式-高空清洁卫士从功能、用途讲属于服务机器人的范畴，其工作部必须符合服务所规定的要求，但其作业环境是垂直或近似垂直的壁面，对机器人工作的可靠性与安全性要求更高。为此，提出了如下的机构选型原则：（a）考虑工作空间的要求根据要求选择机器人必需的自由度数，并对其进行合理的配置。 (b) 关节运动范围要尽可能大这样可大大增加机器人的工作空间，增强其适应能力。（c）机构形式要合理这涉及到运动副形式的合理选择和配置，电机驱动的最佳传递方式和路线，驱动装置的最佳速比和空间配置等。如果机构设计不合理，可能会出现运动干涉或驱动装置无法
29、设置，机构不能运动等问题。(d) 机器人要求具有相对较小的体积和重量，一方面提高机器人的负载能力；另一方面，机器人损耗低，能源利用率高，续航能力强。（e）具有较高的安全性，因为机器人以壁面爬行和越障为主，必须严格保证机器人的工作稳定性和安全性，否则将对机器人造成严重损坏。2.2新型越障式-高空清洁卫士行走机构设计（一）常见壁面机器人行走机构 目前最常见的壁面攀爬机器人采用的移动方式有以下几种：（1） 车轮式壁面攀爬机器人车轮式壁面攀爬机器人以一个或多个轮子在电机等驱动装置的驱动下，带动机器人行走，该类机器人移动速度较快，行走控制简单，着地面积小，维持吸附力较困难。（2）履带式壁面攀爬机器人 履
30、带式壁面攀爬机器人由电机驱动两个或多个无轨道履带推动机器人行走，该类机器人接触面积大，对于壁面的适应性强，但体积大，结构复杂,且运动时不易转弯。（3）框架式壁面攀爬机器人框架式壁面攀爬机器人的移动机构中，两组吸盘用具有若干相对自由度的机构连接。当一组吸盘吸附工作时，另一组吸盘可以移动行走或转动方向。这种机构具有较好的越障能力和承载能力，但行走速度较慢。（4）足脚式壁面攀爬机器人 足脚式壁面攀爬机器人通过多个脚按照一定的次序对壁面进行吸附与脱离，从而实现机器人的移动.该类机器人机动性较好，可以适应不同形状的壁面，有较强的越障能力等。但具有冗余自由度的多足运动协调控制有定难度，而且行走速度较慢。（
31、2） 新型越障式-高空清洁卫士行走机构设计 鉴于壁面越障清洗机器人工作环境较差，对壁面的适应性要强。并且具有一定的越障能力，考虑到越障系统的机构和设计方式，新型越障式-高空清洁卫士采用履带式行走结构，与壁面的基础面积大，能提供较大的驱动力，工作可靠、稳定。利用布进电机分别控制，转向和移动灵活性增强。2.3新型越障式-高空清洁卫士越障系统设计2.3.1新型越障式-高空清洁卫士腿部结构的设计(1)腿部机构的基本要求壁面越障清洗机器人的越障机构即:腿部机构是机器人的一个重要的组成部分，也是本课题主要创新点和关键技术之一。 机器人腿部机构的设计中，一般不能简单使用步行动物的腿机构。壁虎机器人腿部机构分
32、为开链机构和闭链机构两大类。开链机构的特点是工作空间大，结构简单，但承载能力小。闭链机构一般刚性好，承载能力大，功耗小，但工作空间有局限性。 根据课题的具体要求，腿部结构主要实现机器人的越障功能，且机器人越障过程中必须始终有可靠的吸附力维持工作连续性。一方面，我们考虑使用链接方式链接吸盘，相比于固定连接的吸盘结构，铰接具有适应能力较好，并能补偿制造和安装误差，对复杂壁面的适应性增强；另一方面，腿部杆件之间也通过链接方式连接，只需控制杆件的相对旋转角度即可精确控制机器人越障的高度和宽度。 从机构设计的要求看，腿部机构还不能过于复杂，杆件太多的腿部机构会存在结构设计和传动的困难。综上所述，对壁虎机
33、器人腿部机构的基本要求可以归纳为：实现越障的要求;承载能力的要求;结构实现和方便控制的要求。(2) 腿的结构及其配置(A)腿的结构 根据课题的要求，吸盘与腿杆，腿杆与腿杆之间通过铰链连接。新型越障式-高空清洁卫士腿部结构可设计如图： （a）大腿结构 （b）小腿结构图2.1高空清洁卫士腿部结构机器人工作的稳定性，一方面，根据真空系统中的压力传感器，确保工作机器人可靠地吸附在要求壁面上；另一方面，腿部末端吸盘的布置形式对吸盘组的性能也有很大的影响,吸盘的几种布置形式主要有：环形布置、矩形布置、三角布置和直线布置等（如图2.2）。其中,环形吸盘组各个方向的特性近似相等；矩形吸盘组两个正交方向的抗倾覆
34、性能相差较大；三角吸盘组两个相反方向的抗倾覆能力相差很大,适合于一边受压一边受拉的场合;本文根据清洗机器人的实际作业情况，腿部结构选择的是三角布置形式.三维结构(如图2.3)。（a）直线布置 （b）环形布置 （c）矩形布置 （d）三角形布置图2.2吸盘组的布置形式图2.3吸盘组的布置三维结构（B）腿的数量及其配置现有的越障机器人的足数分别为一足、二足、三足、四足、六足、八足甚至更多（如图2.4）。其中偶数足占绝大多数，因为进行壁面越障并承载的机器人，偶数足能产生有效的步态，运动更为灵活；而且机器人受载均衡，一定程度上增加了其负载能力。根据新型越障式-高空清洁卫士轻量化和承载能力的要求，机器人采
35、用四足对称布置形式（如图2.5）： 图2.4越障机器人足布置形式(C)连杆运动机构的设计根据前面论述，高空清洁卫士采用简单的四足连杆作为越障系统机构之一，因平行四杆机构在机械机构中具有独特的优点，运用广泛。我们可采用双平行四杆机构实现越障，平行四杆的工作原理如图2.5所示。在此机构中，AD为机架，AB/CD两构件与机架相连称为连杆架，BC为连杆.图2.5平行四杆机构 平行四杆机构的主要特点有：（1）两曲柄以相同的速度同向转动；（2）连杆作平动。当主动曲柄AB以一定的速度转动时，从动曲柄CD也以同样的速度转动，而连杆BC作平动，始终与机架AD保持平行状态。由此可知，高空清洁卫士的双平行四杆机构（
36、图2.6），在AD上建立机器人工作平台，机器人工作运动平稳可靠，而且运动的范围较大。从而，大大提高了机器人的越障性能。图2.6机器人双平行四杆机构运动简图2.3.2新型越障式-高空清洁卫士吸附结构的设计（1） 吸附方式的选择目前壁面机器人应用较多的附着方式有真空吸附、负压吸附、旋翼吸附、磁力吸附、机械力抓持。近年来也有人利用纳米技术研制出基于范德华力的仿生壁虎脚掌，但处于起步阶段。由于建筑壁面通常采用非金属的致密结构材料，适用于壁面清洗机器人的附着方式主要有真空吸附、负压吸附、磁力吸附、旋翼吸附和机械力抓持5种。a)真空吸附真空吸附技术是利用压缩空气，通过特殊的气动装置产生真空进行吸附的一种技
37、术。通常吸盘可以承受轴向力（包括拉力和压力)、切向力以及两者的组合力。轴向拉力将大幅削弱吸盘的切向承载能力，轴向压力则可以提高吸盘切向承载能力。所以，应避免拉一切组合，尽量采取压一切组合。另外，吸盘承受倾覆力矩的能力很差；因而，在吸盘设计时，应尽量避免吸盘受倾覆力矩，通过合理布置吸盘的位置和选择适当的吸盘组件可以大大减少甚至消除吸盘所受的倾覆力矩。b)负压吸附负压吸附技术也是利用真空原理进行吸附的，由于采用离心式或涵道式风机作为真空发生源，所能达到的真空度较低，通常在2kpa15kpa之间，因此称为负压吸附。 目前负压吸附技术还处于初始阶段，根据所使用的风机种类不同，负压吸附又分为低流负压吸附
38、和高流负压吸附，前者的负压发生器采用离心风机，负压最高可达15kpa 以上，但风机的流量较低，对吸附腔的密封条件要求较高，泄漏对负压的影响较大。c)旋翼吸附根据蜜蜂飞行悬停原理研制了螺旋桨推进轮式载体结构壁面移动机器人，它首次利用了空气推进的原理产生壁面附着力，该机器人的推进螺旋桨轴线与壁面成45角，当螺旋桨旋转时，产生的垂直于壁面的压力和沿壁面的推进力，使机器人可以在壁面上运动。采用螺旋桨旋转所产生的推动力将机器人紧贴在壁面表面上的思路新颖，此方式可以适合任何介质的墙面，降低了机器人对作业表面属性的依赖程度。旋翼吸附具有吸附力一般较小，对壁面适应性强的特点；但旋翼会产生反向扭矩，需平衡；但由
39、于振动、噪音大，技术的安全性及可靠性仍有待提高。d)磁力吸附磁力吸附壁面攀爬机器人利用磁体产生吸附力，使机器人吸附在壁面上。该类机器人虽然结构简单，且不受壁面凹凸或裂缝的限制；但是只适用于导磁性壁面，一定程度上受到应用环境的限制。当然，对于导磁性壁面，优先选用磁力吸附式机器人。e)机械力抓持通过对人类攀岩过程的爬壁机理研究可知，即使足端无特殊的吸附装置，合理的 利用环境特征也可实现壁面人体附着保持功能。对于高层建筑物壁面清冼作业而言，一般壁面结构均有窗框、导轨等结构，壁面上或壁面之间交错的障碍，构成了对机器人运动的约束。综上所述几种壁面吸附方式，采用真空吸附可达到设计的要求。其中，以真空泵作为
40、真空发生器的机器人可以实现小型、轻量化，无需附加供气装置。但要求壁面有一定的润滑度;而采用喷射器作为真空发生器的机器人能效低、噪音大而且需要附加供气装置，但是可以达到高真空度，对壁面的适应性强。因而新型越障式-高空清洁卫士采用喷射器作为真空发生器的真空吸附方式。（2）小吸盘吸附结构设计的要求 新型越障式-高空清洁卫士采用真空吸盘的吸附方式，在设计吸盘布置结构时，主要考虑了如下几个方面的问题。第一就是要考虑吸附的安全性。设计需要吸盘在工作中稳定吸附在工作表面上，有足够的强度和刚度。第二要考虑吸附结构的适应性，机器人在壁面行走和越障过程中，吸盘要能适应一定变化的墙壁结构（凹凸、裂缝）。第三要求吸附
41、机构有一定的承载能力，保证吸附的稳定性。第四是要考虑总体设计的轻量化，在设计吸盘的过程中，不仅要保证吸附的有效性，还要减少整体的重量。结合以上四点，我们采用内半铰接的方式，每个吸盘单独连接FESTO角度补偿器ESWA系列（结构和安装参数如表2.1），具有15的摆动角度，可以更好的适应壁面。表2.1FESTO角度补偿器ESWA系列结构和安装参数型号D1D2L1L2ESWA-315M4x0.7234ESWA-420M6x128.56ESWA-528M10x1.540.510对于壁面有凹凸、裂缝的结构我们采用多唇边式真空吸盘。多唇边式真空吸盘的特点有：第一，由于多唇边的存在,各唇边之间可形成独立的密
42、封范围，其中，某一个密封范围发生泄漏并不影响其余范围的吸附效果。另外，柔软的橡胶材料使唇边可根据工件 表面缺陷而变化，使其形状与工件表面完成良好的贴合，达到了较好的密封效果；第二，吸盘体和唇形密封体采用两分式结构，吸盘体采用普通的工业橡胶,唇边体采用具有耐磨性好、抗撕裂性能高的聚氨酯橡胶，在提高了吸盘寿命的同时也降 低了生产成本；第三、由于多唇边的存在，增大了吸附面积,从而提高了吸盘的吸附力。 图2.7多唇边式真空吸盘2.3.4新型越障式-高空清洁卫士硬件驱动的选择驱动机构通常包括驱动器、减速及传递机构。常用于机器人的驱动器有液压、气压和电动驱动器等3种。其中各种驱动方式优缺点如下：类型/优缺
43、点优点缺点气压驱动器成本低廉，工作效率高，可靠性好，维修管理容易，无污染，不会失火，可在髙温、粉尘等恶劣环境中工作。难于准确控制速度和位置，需依靠气缸端部的缓冲装置及紧靠缸盖定位或者采用气动伺服驱动系统，方能达到高的位姿重复精度，出力小，有噪声，易锈蚀等。一般用于控制要求不高、出力要求不大的轻负载机器人或末端执行器。液压驱动器运动轨迹重复性高，具有很好的可靠性和稳定性，力矩 /体积比值较高，刚度大，阻转能力强，驱动器机构简单且价格便宜。需液压动力源设备，内部漏油容易污染机器人及场地，油温影响驱动特性，液压 系统噪音大，管理、维修技术要求髙，一次性投资较髙等。目前液压执行机构主 要用于大型机器人
44、的驱动。电动驱动器便于控制，能实现快速精确的位置和速度控制，信号处理方便，比较清洁。力矩/重量比值较低,为得到低速大力矩，需使用减速器。一般用于小型普及型机器人。综上比较，新型越障式-高空清洁卫士硬件驱动方式选择电动驱动。电动驱动现有适合小型机器人控制的主要电机包括：步进电机和伺服电机。其中，步进电机没有编码器回馈，但每个信号都有运动一个固定的角度。设计程序的时候要算好每个动作实现的脉冲数，而且可靠性差，如果大负载驱动丢步，但系统便宜。伺服电机有编码器，对运动的角度有回馈，较为精准。设计程序时以编码器回馈为最高优先级，不会对位置出错，缺点是价格昂贵，需要专门的设备驱动。因为壁面机器人对可靠性、精准性要求较高，我们选用伺服电机。2.3.3新型越障式-高空清洁卫士总体结构设计(1)新型越障式-高空清洁卫士设计技术要求 本课题的研宄目标是为城市玻璃外墙等建筑的清洗提供可以代替人工进行连续作业的专用越障式-爬壁机器人，首要目标是机器人爬行可靠、移动灵活、控制简单，同时在玻璃接缝处能实现自动越障的功能；在此基础上，进一步使系统轻量、小型化，操作方便，并且具有较高的爬壁-越障能力。根据爬壁-越障机器人作业情况，设计的机器人需满足以下技术要求：移动速度:1015m/min越障高度:60mm本体重量:2-3kg负载能