学士学位论文
论文题目：履带吸盘式爬壁机器人结构原理的
研究与开发
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学院：专业：机械设计制造及其自动化年级：
注：设计（论文）成绩=指导教师评定成绩（30%）＋评阅人评定成绩（30%）＋答辩成绩（40%）
目录
摘要 ................................................................ I Abstract............................................................ III 第1章绪论 (1)
1.1 爬壁机器人结构原理研究与开发的价值 (1)
1.2 爬壁机器人结构原理研究与开发的现状及趋势 (2)
1.2.1 爬壁机器人结构原理研究的现状 (2)
1.2.2 爬壁机器人结构原理研究的发展趋势 (3)
1.3 几种爬壁机器人结构原理分析与对比 (4)
1.3.1 车轮式磁吸附爬壁机器人 (5)
1.3.2 多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot – IV (5)
1.3.3 履带式磁吸附爬壁机器人 (6)
1.4 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色与价值 (7)
1.4.1 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色 (7)
1.4.2 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究价值 (8)
1.5本章小结 (9)
第2章履带吸盘式爬壁机器人结构方案研究 (11)
2.1 履带吸盘式爬壁机器人的功能要求 (11)
2.1.1 爬壁机器人的工作过程 (11)
2.1.2 爬壁机器人的基本功能 (11)
2.1.3 爬壁机器人的主要设计参数 (12)
2.2 爬壁机器人移动机构方案设计 (13)
2.2.1 履带的结构形式 (13)
2.2.2 履带与履带轮的联结 (14)
2.2.3 履带吸盘式爬壁机器人壁面适应能力分析 (15)
2.3 爬壁机器人吸附机构方案设计 (17)
2.3.1 吸盘式吸附机构方案设计 (17)
2.3.2 吸盘机构设计 (18)
2.3.3 吸盘式爬壁机器人吸附安全性研究 (19)
i
2.4 机器人气动回路方案设计 (22)
2.4.1 配气盘结构设计 (22)
2.4.2 吸盘气动回路设计 (24)
2.5 本章小结 (25)
第3章履带吸盘式爬壁机器人结构的开发与论证 (27)
3.1 爬壁机器人吸附结构的设计与论证 (27)
3.1.1 爬壁机器人吸附结构的设计 (27)
3.1.2 爬壁机器人吸附结构的论证 (29)
3.2 爬壁机器人行走机构的设计与论证 (30)
3.2.1 爬壁机器人行走机构的设计 (31)
3.2.2 爬壁机器人行走机构的论证 (31)
3.3 爬壁机器人车体的设计与论证 (33)
3.3.1 爬壁机器人车体的设计 (34)
3.3.2 爬壁机器人车体的论证 (34)
3.4 本章小结 (36)
第4章履带吸盘式爬壁机器人附属部件开发与设计 (37)
4.1 背仓部件开发与设计 (37)
4.2 清洁壁面部件开发与设计 (37)
4.3 传递消防水管部件开发与设计 (38)
4.4 控制系统部件开发与设计 (39)
4.5 本章小结 (39)
第5章结论与展望 (41)
参考文献 (43)
注释 (45)
谢辞 (47)
译文与原文 (49)
汉语译文 (49)
英语原文 (57)
ii
摘要
随着科技的进步，工业机器人在各个领域得到了广泛地运用。其中，爬壁机器人以其在核工业、建筑、消防等行业的突出优点越来越受到人们的关注。
本文在详述国内外爬壁机器人研究现状的基础上，对各种现有爬壁机器人结构原理进行了分析、对比与评价，对履带吸盘式爬壁机器人的结构原理进行了深入地研究与开发，并对一些关键部分进行了设计计算。
本课题研究的履带吸盘式爬壁机器人采用履带式移动方式，双履带和车体构成机器人的基本框架；真空吸盘式吸附方式加以完善的配气系统，可为机器人提供足够的吸附力。在地面操作人员的遥控下，爬壁机器人能够在玻璃等特定壁面上完成清洁壁面、传递救援物资等任务。
履带吸盘式结构是现有爬壁机器人结构样式的优化组合，它克服了现有爬壁机器人结构上的缺点与不足，提高了爬壁机器人的实用性能；因此本课题的研究具有较高的科研价值和经济价值。
关键词爬壁机器人；履带；吸盘；结构原理
I
Abstract
With the development of technology, industrial robots have been used in various fields. Among these, wall-climbing robot with its outstanding advantages in areas of nuclear industry, construction and firefighting has being gotten more and more attention.
On the base of summarizing the research on wall-climbing robots domestic and overseas, this paper evaluates structure theory of some existing wall-climbing robots, studies the structure theory of tracked sucker wall-climbing robot and checks some key components as well.
The track moving mode is chosen in the tracked sucker wall-climbing robots, which are study in this subject, this component build up the basis frame of this kind of robots. Vacuum sucker, with perfect distribution system, can offer enough adsorption force to keep the robot working on vertical wall. Under the remote control of operator on the ground, wall-climbing robot can complete the tasks just like cleaning glass and transferring rescue goods on particular wall.
Tracked sucker-type structure is the optimization and combination of existing wall- -climbing robot structure types, it also overcomes some shortages of them. This structure type improves the practical performance of wall-climbing robots, therefore, the research subject has high scientific value and economic value.
Keyword wall-climbing robot ; track ; sucker ; structure theory
III
第1章 绪论
1
第1章 绪论
本章中将分析与阐述四个方面的内容，即爬壁机器人结构原理研究与开发的价值、国内外爬壁机器人科研的现状、几种爬壁机器人结构原理的分析与评价、履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色。
1.1 爬壁机器人结构原理研究与开发的价值
在引言中提到的爬壁机器人（又称“爬墙机”）在清洁高层建筑壁面上的应用，可以看出随着控制和机电技术的发展，这种可以替代手工劳作的壁面清洗机器人的出现将人从繁重、危险的高楼清洗工作中解放出来，降低高层建筑的清洗成本，提高生产效率，同时也推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。但这仅仅是爬壁机器人的一个应用领域，近几年来，随着各式各样的机器人在各个领域中的广泛应用和发展，爬壁机器人作为能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，以其能够成为高空极限作业的一种自动机械装置的优良特性，越来越受到人们的
重视。概括起来，爬壁机器人主要可以应用于以下】【领域1：
(1) 在建筑行业可应用于喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面探伤、壁面修复整容、
壁面清洗、擦拭玻璃壁面等；
(2) 在消防部门可应用于携带消防器械、传递救援物资、进行高空救援工作；
(3) 在核工业可用于对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等危险的工
作；
(4) 在石化企业可用于对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、
喷漆防腐；
(5) 在造船业可用于喷涂船体的内外壁、对船体的内外壁进行检查、船体内外
壁清洁等；
(6) 在抢险救灾上可应用于向高空被困人员运送逃生器械、传递食物水给养等；
(7) 在航空航天上，可用于太空探索、空间卫星维修等。
由此可见，爬壁机器人的应用领域广泛涉及民生、核工业、造船工业等，并在
2 这些领域中担任着十分重要的工作，能够促进生产力的提高、改善人民的生活与工作条件。爬壁机器人结构原理的研究与开发能够为壁面机器人的生产制造和升级进步起到指导与促进的作用；另外，爬壁机器人相关技术的研究科研成果可以直接应用于或带动相关链条产业的进步，从整体上促进生产力的发展，提高人民的生活质量。
总之，积极研究与发展爬壁机器人技术，努力开发与设计制造可以转化为实际生产力的爬壁机器人是生产力发展的需要，是人民生活质量和工作条件改善与提高的需要，也是我国科技兴国、技术进步的需要。该项技术的科研与创新必将会产生巨大的经济价值和社会价值。
1.2 爬壁机器人结构原理研究与开发的现状及趋势
1.2.1 爬壁机器人结构原理研究的现状
较为高端的爬壁机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品，因此爬壁机器人技术的研究是伴随着各项科技的发展而发展的。自80年代以来，爬壁机器人技术在国内外取得了迅速的发展，有的已开始进入实用试验阶段。到1992 年底，国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功，其中以日本发展最快。国内较早发展该项技术的是哈尔滨工业大学，他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人，采用真空吸附方式，通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走。另外，上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行
机器人。上海交通大学亦于1995 年研制了磁吸附爬壁机器人用于油罐】【检测1。
爬壁机器人必须具有两个基本功能：吸附功能和移动功能，而为了实现爬壁机器人的特定功能只需在机器人本体上耦合或车载相应的功能执行部件即可，因此国内外爬壁机器人技术的研究与探讨大致是围绕如何实现它的两个基本功能展开的。
根据较为公认的爬壁机器人技术划分方法壁面吸附功能的实现有三种方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附较为常用的是吸盘吸附法，利用大气压力使机器人吸附在壁面上，这种方法多用于爬行于玻璃壁面的机器人，真空吸附
法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式。当壁面比较粗糙时，真空吸附方式的机器人容易产生漏气的现象，因此多改为使用磁吸附的方式，磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，但磁吸附式机器人仅适用于导磁材料壁面。推力吸附的方式即利用机器人自身产生的推力使其吸附于壁面上，这种方式结构较为复杂且工作可靠性较低。
爬壁机器人移动功能的实现方式主要是足式、车轮式和履带式。足式机器人能跨越较小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难，车轮的直径会使机器人相对于壁面的扭矩增大，使机器人运行的稳定型和安全性相应降低；履带式对壁面适应性强，着地面积大，机器人运行平稳，但其不易转弯。这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱。
除爬壁机器人的两项基本功能的实现外，当今相关科研人员也在研究诸如驱动方式、能源动力、机器人结构布局设计等方面的课题，这些技术也是机器人能够正常运行所必须研究与优化的。由于爬壁机器人的工作受到重力吸引、工作环境恶劣、相关技术滞后等条件的制约，因此爬壁机器人技术虽有了一些成果但仍需要进一步的努力研究与发展。
1.2.2 爬壁机器人结构原理研究的发展趋势
传统爬壁机器人有很多的不足之处，例如对壁面的材料和形状适应性不强、跨越障碍物的能力弱、体积大、质量重等，因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展，在以下三个方面做到进一步完善或有所突破。
首先，新的吸附方式与吸附装置的产生与应用。最近几年，美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力——范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现，壁虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛，每根细毛直径约为200至500纳米，约是人类毛发的直径的十分之一。如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时，可吸附住质量为13千克的物体。
利用壁虎吸附壁面的原理，由美国斯坦福大学教授马克·库特科斯基带领的研究小组开发了一种称为“粘虫”( Stickybot )的“壁虎机器人”，这种机
器人的足底长着人造毛(由人造橡胶制成)。这些微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。这种突破很好地解决了吸附力不足及机器人对壁面的材料和形状适应性不强的问题。
为了探索新的吸附方式与吸附装置，相关研究可以综合运用仿生学、类比、模拟和模型方法，通过高分子材料化学、工程材料科学、力学和机械学的交叉研究，以产生出更多更好的吸附壁面的方式，打破制约机器人吸附壁面的种种瓶颈。
其次，移动方式得到改善与优化。在移动机器人中广泛应用的是轮式和履带式移动方式，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对容易地跨过比较大的障碍例如瓷砖间隙、壁面小突起等；并且机器人的足具有大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，因此可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。
第三，驱动系统和动力部分朝着原理更新、可靠性更高、机电一体化、超微化、新结构等方向发展。传统的爬壁机器人因为伺服电机功率重量比低，为平衡重量应放置在离驱动系统较远的位置，但这种布置会使机器人结构更加复杂。普通的蓄电池重量大、储能少不能满足爬壁机器人对能源的需求。这些问题都需要驱动和能源相关技术的发展进步，需要将先进的、最新的科研成果应用于爬壁机器人的研究与开发。
1.3 几种爬壁机器人结构原理分析与对比
现在爬壁机器人技术仍处于研究与试验阶段，国内外一些知名的研究所和高校的科研人员都提出了自己的爬壁机器人的结构方案，这些结构方案在原理和结构布局上有着较大的不同。下面列出三种较为典型同时也是与履带吸盘式爬壁机器人的研究相关的结构原理科研实例，通过分析这些设计实例的优缺点可以引出在爬壁机器人结构原理设计时需要注意与注重的问题。
1.3.1 车轮式磁吸附爬壁机器人
日本应用技术研究所研制出的车轮式磁吸附爬壁机器】【人1，结构原理如右图所示。机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。
主要特征是：行走稳定、速度快
图1-1 车轮式磁吸附爬壁机器人（图片来自文献[1]）
最大速度可达9m/min ，适用各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。但是该机器人有自己的缺点：磁吸附使它仅适用于导磁材料壁面，即这种原理有其使用局限性；车轮式的行走方式使维持一定的吸附力较困难，车轮的直径会使机器人相对于壁面的扭矩增大，使机器人运行的稳定型和安全性相应降低；车轮的行走轨迹是连续的，这不利于机器人跨越壁面的凹凸不平处，使机器人对壁面的平整质量要求提高。
1.3.2 多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot – IV
香港城市大学智能设计、制造及控制中心(CIDAM) 和内地大学合作设计的Cleanbot – I 】【2V 能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行，主要由行走及转向机构、吸附机构、吸盘组导向和提升装置以及控制系统组成。行走机构模仿坦克履带结构，采用单履带模式。吸附机构由安装在链条上的13组吸盘及真空发生
器等组成。
该机器人的特点是采用单链和多吸盘相配
合的结构可以可靠解决转向的问题；采用弹性机
构，使该机器人具有跨越一定障碍的能力；旋转
接头供气方式能够给每一个吸盘供气而避免通
气管缠绕。该爬壁机器人的缺点为结构复杂，其
可靠性相应降低；单履带的模式使机器人工作时
受到吸附力不均匀，吸盘受到较大扭曲力，从而
降低了爬壁机器人的工作寿命。
图1-2多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot – IV
（图片来自文献[2]）
1.3.3 履带式磁吸附爬壁机器人
国家教委博士点基金资助项目履带式磁吸附爬壁机器】【人3是将永磁体片离散的装在爬壁机器人的履带上，采用双履带方式，主动轮安装在一端，前后双轮。电动机带动主动轮转动进而带动爬壁机在壁面上行进。
该机器人的特点是：在机器人设计中采取加长履带、浮动支撑、载荷分散机构、柔性履带等措施，以提高爬壁机器人的壁面适应能力， 实现其在壁面的安全爬行。
图1-3 履带式磁吸附爬壁机器人（图片来自文献[3]） 其缺点是，履带是用铰链联接的，不能将垂直于履带方向的载荷分布到各个永磁体上，也就是说履带在垂直于拉力方向上没有刚性，这对于爬壁机器人工作
的安全性极其有害；主动轮偏置，使履带受力不均匀对履带损害较大。
1.4 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色与价值
本文所研究与开发的履带吸盘式爬壁机器人的结构原理是将吸盘的真空吸附方式和履带式移动方式相结合，真空吸盘固定在柔性的履带上，采用双履带对称
结构。固定式配气盘结构作为16组吸盘和
真空泵抽进气系统相连接的媒介。主动轮
置中，两侧各有一从动轮，主、从动轮和
履带衔接均是模拟齿轮齿条啮合。壁面清
洁组件、传递救援物资组件通过功能组件
耦合处与机器人机体相连以完成相应功
能。
履带吸盘式爬壁机的外形简图如图
1-4所示，上面为俯视图，下面为左视图。
图1-4 履带吸盘式爬壁机器人外形图
1.4.1 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色
履带吸盘式爬壁机的结构原理融合了吸盘式真空吸附和履带式移动方式的优点，克服了现存的爬壁机器人的一些缺点。整体上讲，履带吸盘式爬壁机器人的结构原理具有以下特色：
（1）吸盘在履带上的离散分布特点和履带自身的柔性使得爬壁机能够相对容易的逾越障碍物，如玻璃缝隙、墙面小突起等。履带不直接与壁面接触，减少了不平滑壁面对履带的损害，提高了机器人的工作寿命。
（2）吸盘真空式吸附方式适用于非导磁壁面，克服了磁吸附原理对壁面性质要求较高的缺点，扩大了机器人的工作范围。
（3）配气盘式的吸盘抽进气系统可以稳定可靠地完成吸盘的抽进气工作，有
效地解决了在旋转的履带间通气管相互缠绕的问题。
（4）模拟齿轮齿条啮合的履带轮与履带的联结方式使机器人能够平稳快速地在壁面上移动；主动轮置中，从动轮对称布置的方式使履带受力最大处避开了履带弯曲处，减少了对履带的损害，提高了履带的使用寿命。
1.4.2 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究价值
通过本章第三节对3种现存的爬壁机器人的结构原理的分析评价可以看出，现在相关科研人员的注意力也主要集中在爬壁机器人的结构原理的研究开发上，现有的科研成果的缺点与不足需要由进一步的研究来弥补。本文所研究的履带吸盘式爬壁机器人结构原理有效地将真空吸附和履带移动相融合，探索实验一种新的爬壁机器人结构原理，该项研究的价值有：
（1）在已有研究成果的基础上将真空吸附和履带移动的优点相叠加，利用这一研究开发出相应的爬壁机器人，对爬壁机器人结构原理做了有益的创新与探索。
（2）现有的科研成果多将履带式结构与磁吸附相结合，其缺点为机器人不能行走于非导磁材料壁面，履带吸盘式结构实现了履带式爬壁机器人在玻璃等壁面上的行走，拓宽了爬壁机器人的使用市场。
（3）配气盘结构的研究与设计为解决旋转装置供气、供水、供油等问题提供了设计思路和参考模型。
（4）本文中所开发的履带吸盘式爬壁机器人初步定位可应用于壁面清洁、携带消防器械、传递救援物资，这些及将被开发出的功用能够产生较好的社会效益，并为生产厂商和使用者产生较高的经济效益。
8
第1章绪论
1.5本章小结
本章介绍了爬壁机器人结构原理研究与开发的价值，指出爬壁机器人在建筑业、核工业等领域的重要作用，以及研究更加可靠实用的爬壁机器人社会与经济价值。在详述了爬壁机器人结构原理研究现状的基础上，对爬壁机器人的结构原理研究与开发的发展趋势进行了分析与预测。对三种与履带吸盘式爬壁机器人相关的已有爬壁机器人结构原理进行了分析与评价，分析了车轮式磁吸附、多吸盘吸附、履带式磁吸附吸附方式的优缺点，为下文履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究与开发做好积累。
分析了履带吸盘式结构原理的研究特色，重点对比了其与现有结构原理的异同点。履带吸盘式的结构原理提高了爬壁机器人对不同壁面的适应能力，提高了机器人工作可靠性，必将带来很高的社会效益与经济效益。
9
第2章履带吸盘式爬壁机器人结构方案研究
第2章履带吸盘式爬壁机器人结构方案研究
2.1 履带吸盘式爬壁机器人的功能要求
本课题研究的是在高层建筑玻璃等较平整壁面上完成壁面清洁，传递消防器械等功能的遥控式爬壁机器人。为了更好地进行对此机器人结构原理的研究与开发，首先应当了解本课题研究机器人的基本功能要求和设计参数。
2.1.1 爬壁机器人的工作过程
履带吸盘式爬壁机器人能够在玻璃等较平整的壁面上上下平稳地移动，通过携带清洁组件，在自身移动的过程中完成对壁面的清洁工作。将消防或救援器械、物品放入爬壁机器人的背仓或装夹在相应接口上随爬壁机器人移动，可完成传递救援物质的工作。
2.1.2 爬壁机器人的基本功能
爬壁机器人要在壁面移动，对壁面进行清洁或传递救援物质，就需要具备以下基本的功能：
（1）吸附与行走功能
吸附与行走是爬壁机器人所需具备的两个基本功能，因此爬壁机器人应具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力能够大于机器人的重力，防止坠落；同时，还应当有驱动机构，能够使机器人在壁面上自由行走移动。
（2）转向功能
清洁过程中，爬壁机器人需要按照一定的路径在壁面行走，对整个壁面完成清洁工作，就要求爬壁机器人能够自由的转向，从而提高清洁效率。
（3）壁面适应功能
爬壁机器人能够逾越较小的障碍（如玻璃接缝），即要求爬壁机器人具有一定的适应壁面凹凸不平的能力，这也是爬壁机器人的工作性质和工作环境决定的。
11
12 （4） 完成工作任务能力
爬壁机器人在壁面上移动的同时要完成相应的功能，这就要求功能组件能够在爬壁机器人上正确稳定地定位，可以发挥其功能。这要求爬壁机器人开发时应从实用的角度进行研究设计。
针对上述各项基本的功能，本文进行机器人的本体结构设计，重点完成机器人的吸附机构和移动机构的设计。
2.1.3 爬壁机器人的主要设计参数
本课题研究的爬壁机器人主要应用于高层建筑壁面清洁和救援物质传递，由其工作性质决定爬壁机工作必须稳定可靠，工作效率高。
本课题对机器人的设计要求如下：
根据玻璃壁面特点和清洗机器人爬行、清洗作业要求，机器人需要达到如下性
能】【指标4：
①壁面移动速度：11~15 m/ min ；
②越障高度：50 mm ；
③本体重量：30 Kg ；
④负载能力：15 Kg ；
⑤作业高度：0～100 m ；
⑥作业功能：可进行8 mm 以上厚度的玻璃幕墙的清洗作业；
⑦吸附方式：真空吸附方式；
⑧控制方式：用PLC 可编程控制器，完成顺序控制，地面遥控操作。
研制满足以上技术要求的机器人存在的主要技术难点如下:
①吸附和密封技术：要求吸附机构能产生一定的吸附力，确保机器人工作过程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。
②爬行技术：爬行机构要简单、高效、小型。使机器人能够实现直线移动，能够实现自动转向。保证机器人能够按照地面操作人员的遥控进行工作。
③配气技术：吸盘和履带轮均是旋转的，为防止配气管相互缠绕，应有效解决配气问题。
④控制技术：使机器人可以在地面操作人员的控制下准确工作，机器人自身各部分密切配合；有简洁、方便的人机界面，便于操作人员控制。
2.2 爬壁机器人移动机构方案设计
爬壁机器人通常采用的移动方式有足式、履带式和车轮式。足式能较好的跨越障碍，但结构复杂且移动速度慢，控制系统也比较复杂；履带式着地面积大，可提供足够的吸附力，壁面适应性好，但其结构不容易转弯；车轮式移动速度快、转弯灵活，但是很难保证提供足够大的吸附力，车轮式重心距壁面较远，对吸盘的扭矩较大，影响吸盘的工作寿命。
本课题研究的爬壁机器人在高层建筑的垂直壁面上行走并完成清洁及传递救援物质工作，为了防止机器人从垂直壁面上滑落，机器人必须与壁面间保持足够的吸附力，并具有一定的抗倾覆能力。履带吸盘式的机构能够提供较大的吸附力，吸盘距壁面近可防止倾覆；吸盘在履带上离散布置使机器人对壁面凹凸不平适应性强。具有结构简单，控制方便，运动速度快等优点。综合考虑各方面因素，本课题中爬壁机器人的移动机构选用履带吸盘式结构。
2.2.1 履带的结构形式
如下图所示为三种常见的履带形状。图2-1 a）中驱动轮及导向轮兼作支撑轮，因此增大了支撑面积，改善了稳定性。图2-1 b）所示为不作支撑轮的驱动轮与导向轮位置高于地面，链条引入时的角度达50度，其好处是适合于穿越障碍。图2-1 c）中驱动轮（主动轮）置中，导向轮（从动轮）对称分布，驱动轮及导向轮兼做支撑轮，可增大接触面积且使履带上受力集中处远离履带弯曲处，减少了对履带的损害。
由于爬壁机器人的工作壁面一般比较平整，可能的障碍仅有玻璃的连接处窄沟凸起等，壁面凹凸起伏不大，履带吸盘式的结构具有逾越较小障碍的功能；同时，考虑到机器人运行的平稳性和履带的使用寿命，因此采用图2-1 c）所示的结构形式。
a）双履带轮平行履带
b）多履带轮梯形履带
c）三履带轮平行履带
图2-1 三种常见的履带形状（图片a、b来自文献[11]）
2.2.2 履带与履带轮的联结
履带与履带轮（包括主动轮和从动轮）的联结模拟了齿轮与齿条的啮合，两者齿的模数等参数是相同的。为了保证在运动时履带与履带轮不会咬死，把履带上的齿的厚度做的相对薄一点，保证有足够的啮合空间。为了防止吸盘的尾部与履带轮发生碰撞干涉，履带轮中间部位有深45mm的槽；履带上的孔用于装配吸盘组件和导气管通过，履带上的凸起部分与配气盘相联结用以为吸盘供气。
图2-2 a）为履带与履带轮啮合的原理图，二者啮合可以看作齿轮与齿条联结的变形，这种联结运行可靠平稳，传递力矩均匀。图2-2 b）为研究课题开发的机器人三维造型图的履带与履带轮啮合部分。
a ）履带与履带轮啮合原理图
b ）履带与履带轮啮合三维造型图
图2-2 履带与履带轮的啮合
2.2.3 履带吸盘式爬壁机器人壁面适应能力分析
机器人主要由真空吸附、履带行走、支撑车体、背仓及清洁机构组成。真空吸附机构包括气动回路、真空泵和吸盘系统。吸盘系统由16组吸盘及配气盘装置组成。当真空泵运行，处于工作状态的4组吸盘平整贴近壁面时，在配气盘装置作用下，吸盘内产生真空负压，机器人吸附于壁面，在保证机器人自身能够牢固吸附于壁面的同时还足以维持清洗刷高速旋转时对壁面的抽打力。在机器人自下往上移动清洗过程中，因吸盘与壁面间有相对滑动，所以吸附力并不是越大越好，因为吸附力过大，机器人就不能顺利上下滑移动；但吸附力过小，在吸盘遭遇壁面凹缝气体过量泄漏时，机器人就不能可靠吸附于壁面，壁面适应能力变差。此外，在作业过程中，清洁头在壁面上的清洗力靠吸盘的吸附力维持，若作用在壁面的清洗压力过小，清洗质量就得不到保证；但清洗压力过大，壁面对机器人反作用力也大，吸附力就需要增加，否则机器人容易脱离壁面。
图2-3所示是机器人工作时的静力学】【分析5，因而有：
一种爬梯机械人的设计 [摘要] 在日常生活和生产中经常要将重物搬上楼梯，传统的方法基本是靠人力搬运完成，有时由于重物太重或人手不足而无法搬运，本课题就是为克服这个难题而设计的。本论文主要对爬楼机器人星型轮的传动机构及控制系统进行详细设计。首先介绍了国内外爬楼机器人研究现状，阐明本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍了本爬楼机器人总体结构。在深入分析爬楼机构及其攀爬对象的基础上，设计了相对优势较明显的轮组结构爬楼机器人。对机器人小车的运动学模型进行分析，论证小车实现任意曲线运动所包含的自转、直线前进、圆弧前进三个基本运动单元的可行性。引入虚拟样机技术，通过Pro/Engineer三维建模并进行模拟运动仿真。文章最后研究设计了在各种环境下，以单片机 C8051F310 为核心的爬楼控制系统。在控制系统中，采用超声波传感器的对称排列，获取了自主上楼梯所必须地两个关键参数θ和 q；对驱动大功率电机的电路进行分析，设计了更适合大功率，更安全的电机驱动电路，直流马达配合高功率MOSFETⅡ型驱动器。 关键词：爬楼机器人；三星轮； MOSFET驱动电路；单片机 C8051F310
Abstract Moving weight from up and down is required in our daily activities and productivities, and it was done by hand. While it is too heavy or short –handed to finished in some times. This thesis is designed to overcome the obstacles and it gives a detailed designing on transmission device and control system of star-like wheel of stair-climbing robot. Firstly ,it introduced a current situation of stair-climbing robot at home and abroad, clarified the purposes and meanings, introduced a overall structure of stair-climbing robot.After deeply analysis the stair-climbing frame and the object, designed a wheelsets stair-climbing robot with more advantages than others . Analyzed the kinematics model of the robot car,and demonstrate the available of achieving any curve movement with the rotation, straight forward, and arc forward . Robot can achieve track controlling based on speed matching. With the aid of virtual prototyping technology, through the 3D software of Solid Works, the dynamic analysis of the stair-climbing robot is carried out in ADAMS. At last, the thesis design the controller system with the core of C8051F310 based on rule environment ，In the control system, with the help of arranged ultrasonic sensors, get the two key parameters θ and q which import for climbing staircase Analyzed the circuit of high-power motor driving, design a more suitable circuit than IC L298N.Which is dc generator with highly efficient driving MOSFETⅡ. Key words：Stair-climbing robot；Three–star wheels；MOSFET driving circuit；Single chip microcomputer C8051F310 II
学士学位论 文 论文题目：履带吸盘式爬壁机器人结构原理的 研究与开发
学院：专业：机械设计制造及其自动化年级：
注：设计（论文）成绩=指导教师评定成绩（30%）＋评阅人评定成绩（30%）＋答辩成绩（40%）
目录 摘要...................................................................................................... I Abstract ............................................................................................. III 第1章绪论 (1) 1.1 爬壁机器人结构原理研究与开发的价值 (1) 1.2 爬壁机器人结构原理研究与开发的现状及趋势 (2) 1.2.1 爬壁机器人结构原理研究的现状 (2) 1.2.2 爬壁机器人结构原理研究的发展趋势 (4) 1.3 几种爬壁机器人结构原理分析与对比 (6) 1.3.1 车轮式磁吸附爬壁机器人 (6) 1.3.2 多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot – IV (7) 1.3.3 履带式磁吸附爬壁机器人 (8) 1.4 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色与价值 (8) 1.4.1 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色 (9) 1.4.2 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究价值 (10) 1.5本章小结 (11) 第2章履带吸盘式爬壁机器人结构方案研究 (11) 2.1 履带吸盘式爬壁机器人的功能要求 (11) 2.1.1 爬壁机器人的工作过程 (11) 2.1.2 爬壁机器人的基本功能 (11) 2.1.3 爬壁机器人的主要设计参数 (12)
摘要 面对诸多恶劣的工作环境(如灭火、救援等)，为了有效的避免人员伤亡，就需要采用智能小车去现场来完成相应的任务。因此研究和开发智能小车引导控制系统具有十分重要的意义。本系统采用68HC11单片机作为核心控制芯片，设计制作了一款通过红外光电传感器检测路径信息、红外火焰传感器检测火源的智能寻迹灭火小车。本系统由单片机控制模块、寻迹传感器模块、驱动电机模块、火源传感器模块、风扇模块、电源模块等组成。实际应用表明，该小车可以在专门设计的场地上实现自主发现火源，自主识别路线，自主行进接近火源并灭火，最终完成灭火的任务。 关键词：单片机，小车，引导控制，传感器
Abstract Content: Confronted with so many bad working environment (such as fire fighting, rescue etc), in order to effectively avoid casualties, need to use intelligent go by car scene to complete relevant tasks. Therefore, the research and development of intelligent car guide control system has the extremely vital significance. This system uses 68HC11 as the core control chip, design and make a new electric sensor detection by infrared sensor information, infrared flame path of intelligent tracing test fire extinguishing car. The system is composed of single-chip microcomputer control module, tracing sensor module, drive motor module, ignition sensor module, fan module, power supply module. The practical application indicates that the car can be in a specially designed field on fire, to realize the independent found autonomous recognition route, independent sources and marching close to the fire extinguishing, finally complete task. Keywords: Microcontroller , Car ,Control system, Sensors
2012机械系统设计课程论文 爬楼机器人设计 一、设计要求 设计一台能够转向和平地上行走的爬楼机器人，要求机器人从四个方位都能攀爬楼梯，在攀爬过程中机器人要保持水平姿态。从机械系统观念出发，提出不少于二套设计设计方案，并进行必要的方案评价和技术论证。 二、设计背景与意义 在城市里, 楼梯是人造环境中最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。因此, 机器人的爬梯能力是移动机器人的重要越障性能指标。通过加载不同的仪器设备，机器人可广泛用于危险环境探查、救灾、助残、搬运等作业, 其应用价值巨大[1][2]。 三、爬楼机器人研究现状 总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置[3]。 (l)履带式 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。 (2)轮组式 轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定；而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。 轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。 (3)步行式 早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。 四、两种设计方案 <方案一> 袋鼠滑冰”机器人 （1）、设计构想 本产品通过曲柄凸轮机构的运动特色，设计出爬楼梯时的组件，也就是四个脚。人爬楼梯时，腿是弯曲的，用在机构上，就可以采用曲柄式的摇臂，带动袋鼠腿式的板结构，实现
Ξ №.4 西北轻工业学院学报 D ec.1997?18? JOU RNAL O F NOR THW EST I N ST ITU T E O F L IGH T I NDU STR Y V o l .15 真空吸附式爬壁机器人设计 何雪明1 丁毅 朱明波2 (机械工程系) 摘 要 运用壁虎爬行原理,设计构思了真空吸附式爬壁机器人.采用多组橡胶吸 盘将机器人吸附在墙面上,配以简单四杆机构完成其行走功能,从而达到擦洗整个 墙面的目的.该机器人可用于建筑行业和洁净业. 关键词:壁面机器人,真空吸附,蠕行运动 中图法分类号:TQ 242.1(TH 122) 1 引言 目前,瓷砖、玻璃装璜的墙壁均采用人工直接擦洗.因高空擦洗作业具有很大的危险性,因此,研制一种适用于高楼墙壁擦洗的墙壁机器人有着重要的意义. 壁面机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品,自80年代以来在国内外取得了迅速的发展,有的已开始进入实用试验阶段.到1992年底,国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功,其中以日本发展最快.国内较早的是哈尔滨工业大学,他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人,采用真空吸附式,通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走.另外, 上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行机器 图1 爬壁机器人总体框架图人.上海交通大学亦于1995年研制了磁吸 附爬壁机器人用于油罐检测. 2 真空吸附式爬壁机器人总体设计 要实现机器人在普通壁面上的自由移 动,必须具备粘着功能与移动功能.常见粘 着功能主要靠吸附即负压吸附实现.根据吸 附力量产生装置不同,又可分为真空泵式、 喷射器式.移动方式一般有轮式、履带式及 足式三种.针对壁面移动机器人的工作条件以及壁面非金属性、金属性等其它原因,经过比较选择了多子真空吸附、足式移动的方案.其吸附性好,结构简单,由于吸盘采用列吸盘组, Ξ收稿日期:1997-05-10 第一作者:男,32岁,硕士 1、2作者单位:无锡江南大学机电系,邮编:214063
第１８卷第３期电子设计工程２０１０年３月Ｖ０１．１８Ｎｏ．３ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｒ．２０１０ 智能灭火机器人的设计与实现 李小燕，陈帝伊，马孝义 （西北农林科技大学水利与建筑工程学院电气系，陕西杨凌７１２１００） 摘要：根据国际灭火机器人的比赛规则，给出灭火机器人的软硬件设计。该系统硬件设计是以嵌入式ＡＲＭ９６６Ｅ．Ｓ为核心，科学布置６个红外测距传感器，实现远红外火焰传感器组．能够快速精确检测环境。并采用双电源供电，直流电机驱动。而系统软件设计采用优化的避障、灭火算法。实验证明．该设计大大提高系统的实时性、快速性和可靠性。机器人搜寻４个房间并完成灭火用时８Ｓ左右．达到国际先进水平。 关键词：机器人；嵌入式系统；传感器；灭火机器人 中图分类号：ＴＰ３１ｌ文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－６２３６（２０１０）０３—００５ｌ—０４ Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｆｉｒｅ－ｎｇｈｔｉｎｇｒｏｂｏｔ ＬＩＸｉａｏ－ｙａｎ。ＣＨＥＮＤｉ－ｙｉ，ＭＡＸｉａｏ－ｙｉ （ＥｌｅｃｔｒｉｃＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｌｌｅｇｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＷｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎｓｔｉｎｇ７１２１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｕｌｅｏｆｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｆｉｒｅ—ｆｉｇｈｔｉｎｇｒｏｂｏｔｒａｃｅ．ｔｈｅｈａ”ｄｗ呲ａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｆｉｒｅ－ｆｉｇｈｔ－ ｉｎｇｒｏｂｏｔａ地ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．’ｎｌｅｈｌＬｒｄｗａｌ陀ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｂａｓｅｄｏｎｅｍｂｅｄｄｅｄＡＲＭ９６６Ｅ－Ｓ．Ｓｉｘｉｎｆｒａｒｅｄｄｉｓｔａｎｃｅｓｅｎ￥ｏｌ暗ａ弛ｄｉｓ—ｔｒｉｂｕｔｅｄｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙａｎｄｔｈｅｓｅｃｔｉＯＨｏｆｆａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄｆｌａｍｅｓｅｎｓｏｌｔ篙ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｃｒｅａｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｄｅ－ｔｅｅｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｑｕｉｃｋｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｄｕａｌｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓａｄｏｐｔｅｄ，ａｎｄＤＣｍｏｔｏｒｉｓｔａｋｅｎｆｉｔｓｄｒｉｖｅｒ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒｏｂｓｔａｃｌｅ－ａｖｏｉｄａｎｃｅａｎｄｆｉｒｅ?ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ ａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎ ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｒａｐｉｄｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｈｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｒｅｌａｒｇｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｒｏｂｏｔｔａｋｅｓｅｉｇｈｔｓｅｃｏｎｄｓｔｏｓｅａｒｃｈｆｏｒｆｏｕｒｒｏｏｎｌｆｌａｎｄｆｉｎｉｓｈｅｓｆｉｒｅ．ｆｉｇｈｔｉｎｇ．ｗｈｉｃｈｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌａｄｖａｎｃｅｄｌｅｖｅｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ；ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ；ｓｅｎｓｏｒ；ｆｉｒｅ－ｆｉｇｈｔｉｎｇｒｏｂｏｔ 近年来。随着科技的迅速发展．智能机器人的研究在实 际应用中具有很大发展空间。机器人技术涉及人工智能、计 算机视觉、自动控制、精密仪器、传感和信息技术等领域，是 一门综合性很强的学科。代表一个国家的高科技发展水平【－１。 智能机器人是各国科学研究的重要方向删。机器人灭火比赛 是近几年国内外广泛开展的一项机器人竞赛。本文针对基于 嵌入式ＡＲＭ９内核的智能灭火机器人系统进行优化设计。 １系统硬件设计 机器人灭火比赛的目的是在图ｌ（尺寸单位：ｒａｍ）所示的 平面结构房子模型里。将蜡烛代替的火源随机地放于其中一 间．要求机器人快速无碰撞找到火源并将其熄灭。 为满足比赛的功能要求，本设计的灭火机器人硬件结构 由控制器、传感器模块、电源模块、驱动模块、灭火装置以及 声音模块等组成．其总体结构如图２所示。 １．１嵌入式系统 由于该系统设计所用传感器较多，传感器系统在整个灭火过程中不断采集环境信息，故要求控制器的核心必须对实收稿日期：２００９＿０７—２４稿件编号：２００９０ｒ７０８３ 基金项目：国家“８６３”计划（２００６ＡＡｌ００２０９） 图１比赛场地平面图 时任务具有很强的支持能力。因此。选用以嵌入式ＣＰＵＡＲＭ９６６Ｅ—Ｓ为核心的ＳＴＲ９１ｌＦＡＭ４４控制器．该器件具有３２位高端ＡＲＭ９处理器。实时处理信息的能力强，处理速度为１．１ＭＩＰＳ／ＭＨｚ，达到２倍以上ＡＲＭ７处理器的处理能力嘲。为 作者简介：李小燕（１９８５一），女，四川成都人。研究方向：智能机器人。 一５ｌ一
开题报告论文题名全方位移动爬楼梯机器人小车的研究 专业名称：机械电子工程＿ 学号：＿ 082358 ＿＿ 学生姓名：鱼帅 导师姓名：＿刘光磊＿＿
目录 一、课题意义 (2) (一)具有越障功能移动机器人的简介 (2) (二) 具有越障功能机器人研究的文献综述 (4) 二、课题方案 (8) （一）课题研究的主要内容 (8) （二）研究目标及创新 (10) 三、可行性分析 (10) 四、课题进度安排 (12) 五、参考文献 (12)
一、课题意义 (一)具有越障功能移动机器人的简介 机器人作为一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术多年来一直是机器人研究中的热点问题之一．但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难．越障机器人的研究．对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境．减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。其中，移动机器人从事各项事务响应任务时，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。针对各种不同的运动环境，一直以来移动机器人所采用的运动方式大体包括轮式、履带式、足式等。 国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的
2.6 履带式起重机 作业部分装设在履带底盘上 , 行走依靠履带装置的起重机称为履带式起重机。如图2.7。 图2.7履带式起重机 履带式起重机与轮胎式起重机相比,因履带与地面接触面积大,故对地面的平均压力小,约为0.05～0.25MPa,可在松软、泥泞地面作业。它牵引系数高,约为轮胎式的1.5倍,爬坡度大,可在崎岖不平的场地上行驶。由于履带式起重机支承面宽大,故稳定性好,一般不需要像轮胎式起重机那样设置支腿装置。对于大型履带式起重机,为了提高作业时的稳定性,履带装置设计成可横向伸展,以扩大支承宽度。但履带式起重机行驶速度慢(1～ 5km/h),而且行驶过程要损坏路面,因此转移作业时需要通过铁路运输或用平板拖车装运,机动性差。此外,履带底盘笨重,用钢量大(一台同功率的履带式起重机比轮胎式重50%～100%),制造成本高。 3履带式起重机的组成 3.1履带式起重机概况
履带式起重机是在行走的履带式底盘上装有行走装置、起重装置、变幅装置、回转装置的起重机。履带式起重机有一个独立的能源,结构紧凑、外形尺寸相对较小,机动性好,可满足工程起重机流动性的要求,比较适合建筑施工的需要,达到作业现场就可随时技入工作。 3.2履带式起重机的组成部分 如下图3.1所示,履带式起重机主要由下列几部分组成。 图3.1 履带式起重机 3.2.1取物装置 履带式起重机的取物装置主要是吊钩(抓斗、电磁吸盘等作为附属装置)。 3.2.2吊臂 用来支承起升钢丝绳、滑轮组的钢结构,它可以俯仰以改变工作半径。它直
接装在上部回转平台上。吊臂可以根据施工需要在基本吊臂基础上接长。在必要时,还可在主吊臂的顶端装一吊臂,扩大作业范围,这种吊臂称副臂。 3.2.3上车回转部分 它是在起重作业时可以回转的部分包括装在回转平台上除吊臂、配重、吊钩等以外的全部机构和装置。 3.2. 4.行走部分 它是履带式起重机的下部行走部分,是履带式起重机的底盘,同时也是上车回转部分的基础。主要有履带、驱动轮、导向轮、支重轮、上托轮、行走马达、行走减速箱、履带张紧装置、履带伸缩油缸等组成。 3.2.5回转支承部分 它是安装在下车底盘上用来支承上车回转部分的,包括回转支承装置的全部回转、滚动和不动的零部件和用来固定回转支承装置的机架等(不包括四转小齿轮)。 3.2.6 配重 配重是安装在起重机回转平台尾部的具有一定形状的铁块,目的是确保起重机能稳定地工作。在必要时,这些铁块可以卸下后单独搬运。 3.2.7动力装置 动力装置即为动力源。在履带式起重机上,大部分动力装置为四冲程柴油发动机。在履带式起重机上,它把内燃机的机械能经液压油泵转变为液压能,经液压油管和各种控制阀将液压能传给液压马达和液压油缸,液压马达和液压油缸再将液压能转变为机械能驱动各工作机构。 3.2.8机械传动部分 它把内燃机的动力传递给液压油泵,再把液压马达、液压油缸的液压能变成机械能,带动各工作机构。机械传动部分主要由分动箱、减速箱、离合器、卷筒、轴、轴承、滑轮等部分组成。 3.2.9液压传动部分 主要由液压泵、液压马达、液压油缸、控制阀、液压油管、液压油箱等组成。液压油泵把内燃机的机械能转变为液压能,液压马达把液压能转化为机械能驱动各工作机构。由于液压传动调速方便,传动平稳,操纵轻便,元件体积小,重量轻,具有限速、自锁功能、总体布置合理等优点,在履带式起重机上被广泛应用。
高等教育自学考试 毕业设计（论文） 题目爬壁式机器人设计 专业班级光机电一体化工程（08级） 姓名杨冲 指导教师徐汉斌 所属助学单位武汉电子信息专修学院 2011年 12 月 2 日
目录 前言 (2) 第一章 (3) 总体结构 (3) 1.1机械结构 (3) 1.2控制系统硬件 (4) 1.3传感导引系统 (9) 第二章 (14) 2.1爬壁机器人磁吸附原理 (14) 2.2磁吸附技术简介 (14) 2.3.电磁铁吸力及选材 (14) 第三章 (16) 3.1一种新型磁轮单元 (16) 3.2磁轮分析 (16) 第四章爬壁机器人的力学分析 (18) 4.1爬壁机器人静力学分析 (18) 4.2爬壁机器人动力学分析 (19) 结论 (21) 参考文献 (21) 致谢 (21)
摘要 爬壁机器人,是极限作业机器人的一个分支,它的突出特点是可以在垂直墙壁表面或者天花板上移动作业爬壁机器人能吸附于壁面而不下滑,实现的方法主要有两种:负压吸附与磁吸附介绍一种新型爬壁机器人，它以超声串列法自动扫查和检测在役化工容器筒壁对接环焊的危害性缺陷。本文将着重介绍了它的机械结构及位置调整运动控制算法。这种机器人采用磁轮吸附和小车式行走，利用磁带导航，光纤传感器检测，具有结构紧凑、导航性能好、位置调整方法可行和定位精度高等特点。本文将介绍的爬壁机器人为超声串列自动扫查机器人是以某炼油厂加氢反应器为具体的应用对象，用来以超声串列法自动扫查和检测筒壁对接环焊缝的危害缺陷而研制的，并按JB4730-94《压力容器无损检测》的要求，用超声串列法检测。超声串列法要求一发、一收探头中心声束保持在一个与焊缝中心线相垂直的平面内，收发探头相对于串列基准线须保持等距、反相、匀速移动。由于采用手动检测，操作难度大，重复性差，可比性差而难以实施。对于这种用在圆形筒壁上在役检测的机器人，丹麦的force公司研制了多用途模块磁轮扫描仪AMS-9、AMS-10等系列磁轮爬壁机器人，日本的Osaka Gas Co。 Ltd公司研制了磁轮爬壁检测机器人，但是售价昂贵。从文献及报道方面看，国内对于这种在役磁轮式爬壁机器人还少有实用化的样例，也缺乏这方面的机械结构及自动控制装置的研究，因此，对大厚度焊缝的超声波探伤自动扫查爬壁机器人的研究是十分必要的。 关键词：机器人技术爬壁机器人磁吸附 前言 机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、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，它是一种模仿人操作、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，不但传统的工业生产和科学研究发生革命性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。随着机器人技术的不断发展，机器人的小型化、微型化成为机器人技术发展的重要方向之一。开发一种小型、便携的爬壁机器人在军事和民用方面都具有重要意义。在军事方面，它可以被投放在敌后，爬行于建筑物的外墙或玻璃壁面上，对室内的情况进行侦察；或者充当可移动的爆破物，近距离杀伤敌方的重要设施和人员。 爬壁机器人作为工业用机器人的一种，指的是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，可以代替人工在高空、毒气毒液、辐射、水下
爬壁检测移动机器人研究现状调查一．研究的背景及其意义 随着社会不断进步和科技不断发展，摩天大楼已成为现代都市不可缺少的重要组成部分。人们在享受高楼大厦带来的好处的同时也不得不面临由此而带来的诸多难题，如高层建筑物立面的施工建设质量，维护以及安全监测等问题。 传统方法只有通过靠搭脚手架或采用吊篮等人工目测方法进行检测，检测精度低，检测过程十分危险，效率不高且成本较高，因此越来越多的研究人员将研究重点集中到建筑爬壁检测机器人的研究开发上。 爬壁机器人作为一种能够用于极限作业的特种机器人，可以替代人类在高空垂直立面位置作业。现在爬壁机器人已经在多个行业尤其是建筑行业，消防，核工业，石油化工业和制造业等得到了极为广泛的应用。爬壁检测机器人是在爬壁机器人的基础上进行研究开发的，是爬壁机器人在实际应用中的主演衍生产物之一。 爬壁检测机器人将极大提高建筑物检测水平，提高工人在危险环境下作业的安全性，降低高空作业的风险，提高劳动工作的效率并带来一定的社会及经济效益。 二．爬壁机器人的分类 现有的爬壁机器人主要根据吸附功能和移动功能进行分类：
（1）.根据吸附方式进行分类 爬壁机器人主要可以分为真空吸附式，磁吸附式和推力吸附式三种。 真空吸附是通过真空泵使吸盘腔产生负压，通过负压使机器人紧紧贴在立面上，优点是不受壁面材料限制，容易控制，适应围广；缺点是如果建筑立面不够光滑或存在凹凸时，容易使吸盘漏气造成机器人吸附能力降低。 磁吸附式首先要保证建筑立面是导磁材料，优点是结构简单吸附能力强，能够适应比较粗糙的建筑立面，而且不会出现真空漏气现象；缺点是只能用于导磁壁面而且断电失稳。 推力吸附采用螺旋桨或涵道风扇产生的推力使机器人贴附在立面上。优点是吸附力大小容易控制，越过障碍物的能力比较强；缺点是稳定性较差不易保持精度。 （2）根据移动结构进行分类 爬壁机器人主要可以分为车轮式，脚足式，履带式，轨道式等类型。 车轮式机器人通过电机驱动车轮移动，优点是控制简单灵活，速度较快，但要求壁面必须平坦，而且车轮式机器人的避障能力差。 履带式机器人优点是接触面积大，对各种建筑立面的适应能力强；缺点是灵活性较差不易转弯。
灭火机器人设计
毕业设计论文题目灭火机器人 专业名称机电一体化 学生姓名赵志祥 指导教师朱文琦 毕业时间 1
目录 第1章绪论 (2) 1.1 机器人产生的背景 (2) 1.2 灭火机器人设计的目的和意义 (3) 第2章系统设计方案研究 (4) 2.1 整体方案设计 (4) 2.2 硬件实现方案. (5) 2.3 软件总体设计方案......................................................................... (9) 第3章硬件单元电路设计 (10) 3.1 电源电路 (10) 3.2 微控制器模块的设计 (11) 3.3 电机驱动电路的设计 (15) 3.4 寻线电路的设计 (19) 3.5 火焰检测电路的设计 (24) 1
3.6 声音报警与灭火 (25) 第4章软件实现 (27) 4.1 软件开发平台介绍 (27) 4.2 主程序流程图 (28) 4.3 寻线程序流程图 (29) 4.4 灭火程序流程图 (29) 第5章统功能调试 (30) 结论 (33) 致谢 (34) 参考文献 (35) 1
附录 (36) 1
摘要 本设计主要灭火机器人的制作与研究，小车以单片机为控制核心，加以电源电路，机电驱动，光电传感电路，灭火风扇以及其它电路构成。电源电路提供系统所需的工作电源,专用电机驱动芯片驱动电机控制小车的前后移动和左右转向光电对管完成循迹和避障，光敏电阻传感器检测火焰，灭火风扇进行灭火。本设计制作的小车具有灭火功能，达到了实验现场灭火的目的，较好的完成了课题目标 关键词：传感器灭火机器人直流电机风扇 1
机电学院 CDIO 项目教学
一级项目期末报告书
（2012-2013 学年第一学期）
项目名称： 报 告 人： 专业班级： 指导教师： 报告日期：
爬楼梯机器人及机械手分析 冯江涛 10 级机制 4 班 周殿春 柴宝明 2012.1.12
成
绩：
一、项目简介： 1．项目内容：爬楼梯机器人。2.项目研究的意义：了解爬楼梯 机器人的结构及其运动原理；提升观察能力和动手能力；可以帮助进 一步理解“机械原理”课，使其真实可见。3.项目成果预期：真正弄 懂爬楼梯机器人的构造，做个模型，会画三维实体图，了解其动力系 统。 二、工作过程简述 1.认真完成老师分配的任务；2.结合所学课程研究爬楼机器人； 3.认真查阅机械手相关资料；4.业余时间学习画图软件，看画图书。 三、CDIO 工作成果 1.进一步分析爬楼梯机器人的结构； 2.对机械手进去结构功能分 析；3.初步了解液压；4.学习 PLC。5.了解现代机械设计理论与技术。
四、能力提升 结合课程教学，学习能力提升，设计能力提升，工程能力提高。 五、学期小结 1.学习要认真对待，一分耕耘，一分收获；2.机器人相关知识博 大精深，我们现在所学的知识冰山一角，需更加努力学习；3.今后首 先将三维画图工具学好，学会画实体图，装配和仿真；4.建议：小组 内讨论，多互动，互相学习，互相帮助。
一、关于爬楼机器人的进一步分析 爬楼机器人传动设计
1.轮组单元的传动设计及基本原理 如图 1 所示，轮组采用行星轮式结构，包括传动轴，过渡齿轮，中心齿轮， 小车轮和驱动齿轮轮组的机械原理:车体重量通过轴承间接承载在四个轮组上， 轮组中的所有齿轮都绕转臂上的小轴转动，当电机动力传到传动轴时，轴带动中 心齿轮转动，中心齿轮带动过渡齿轮转动，再传给驱动齿轮，由于小车轮与驱动 齿轮固连，机器人前进。当车轮组机构运行在平直的路面上时，受两个车轮同时 着地的约束限制， 转臂不能转动只能随车沿路面平动， 此时驱动轮系为定轴轮系， 实现机构在平直面上的快速行驶 ; 当小车遇上台阶时，由于台阶与车轮的摩擦 力，行星轮的齿轮系都被锁住，无法转动，这时整个行星轮板在中心齿轮的驱动 下，变成一个类轮机构转动，从而带动小车爬上台阶。
图 1 轮组机构示意图
液控履带起重机电气控制原理 1.液控系统的概念 履带起重机的主要运行机构如起升、回转、变幅、行走等机构，如果这些机构中的泵、阀、马达的运行方式不是主要由电信号驱动的，而是由先导比例液压驱动主阀或者由手动直接驱动主阀阀芯而改变液压回路的系统，则称此类履带起重机的液压系统为先导液压控制系统或者简称为液控系统。 手动直接驱动主阀阀芯的部分原理图如图1所示，为一个小吨位汽车吊的原理图。主阀的放大图如图2所示。这类一般用于小吨位起重机产品，如20吨以下汽车起重机等。 图1 小吨位汽车吊原理图 图2 手动阀原理图
先导比例液压控制的典型原理图如图3所示。一般用于小吨位汽车吊和履带吊，如50-100吨左右。它的主要特点之一就是主机构的油路的改变采用先导油压进行控制，因此，手柄的驱动力可以很小。 图3 先导比例液压控制原理图 电控系统指的是在对液压系统的控制过程中，泵、阀或马达等机构采用的是电信号控制。泵可以是电比例变量泵，电信号的大小直接控制泵排量的大小；阀可以是开关阀也可以是比例阀，马达也一样。图4是一种电控开关主阀的原理图，图5是一种电比例控制的马达原理图。 图5电控开关主阀的原理图
图6 电比例控制的马达原理图 2.液控系统的控制框图 由于相关的电气控制点比较少，控制逻辑也比较简单，因此，电气控制的主要方面有力限器的控制和相关信息的显示说明等。 对液控的履带起重机进行分析，可以将电气系统分成如下几部分： 1)人机界面：包括各类的显示灯、组合仪表、视频系统等； 2)安全限制装置：包括力限器系统、限位开关、传感器等； 3)工作操作装置：包括手柄、脚踏板、遥控器等； 4)执行装置：包括各类开关、继电器、灯具等电器元件。 整车控制系统的框图如图7所示。 力限器系统是整车安全运行的核心，实时计算整车的力矩限制参数，并显示实际载荷和额定载荷，给出超载或超角度的限制信号给电气系统，电气系统再切段相应的危险回路。如果是超载，则切段向下变幅和起升动作。如果是超角度，则切段向上变幅动作。 各类安全限位及传感器的信号输入到组合仪表，进行显示和报警，包括液压系统的参数如压力、发动机系统的参数如转速、机油压力等，还包括卷扬的三圈保护限位、吊钩高度限位等。这些限位信号经过继电器的电流开关控制作用，对
太原科技大学 2011-2012 学年第 2 学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目：机器人技术 学生所在院（系）：浙江大学宁波理工学院 学生所在学科：机械电子工程 姓名：蔡炳清 学号：s2*******
爬壁机器人的研究与进展 摘要：爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支, 可在垂直壁面上灵活移动, 代替人工在极限条件下完成多种作业任务, 是当前机器人领域研究的热点之一。文中介绍了壁面爬行机器人的用途和传统爬壁机器人的结构、吸附方式、移动方式及其特点，阐述了壁面移动式机器人在国内外的发展概况，并对未来爬壁机器人结构及发展趋势作出预测。 关键字：爬壁，吸附技术，发展趋势 进入21 世纪以来，机器人在各行各业中都得到了广泛的应用和发展，其研究与应用水平已成为一个国家经济实力和科技发展水平的重要标志。爬壁机器人是特种机器人的一种,它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来, 是在恶劣、危险、极限等情况下进行特定作业的一种自动化机械装置，如今越来越受到人们的重视。目前, 爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等领域得到了应用。爬壁机器人的应用取得了良好的社会效益和经济效益。经过30多年的发展, 爬壁机器人领域已经涌现出一大批丰硕的成果,特别是20世纪90年代以来, 国内外在爬壁机器人领域中的发展尤为迅速。近年来, 由于多种新技术的发展, 爬壁机器人的许多技术难题得到解决, 极大地推动了 爬壁机器人的发展, 特别是小型爬壁机器人成为机器人领域的一个研究热点。 1 传统爬壁机器人的结构、吸附方式、移动方式及其特点 爬壁机器人必须具有两个基本功能:在壁面上的吸附功能和移动功能。传统爬壁机器人按吸附功能可分为真空吸附和磁吸附两种形式:真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低;磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须
143 电子技术 1 系统整体方案设计 智能灭火机器人在声音或人工启动后 ，左右两侧的电机被驱动旋转，小车在前进的过程中，通过两侧夹角固定红外传感器，来调整两轮的转速，是车体达到前行方向，前行过程中实时监测是否有火源存在，若火焰传感器检测到有火源时，向火源靠拢，当与货源达到一定距离时，温度传感器接收到信号，在单片机处理下使风扇转动，直至火源被灭才停止旋转，然后继续寻找下一火源。系统总体设计框图如图1。 基于 STM32 的智能灭火机器人设计方案 杨 斌,刘思美 （山东科技大学 电气与自动化工程学院 自动化系,山东 青岛 266590） 摘 要: 本系统以stm32微控制器为核心控制单元，以安装在车体两侧红外传感器来循迹，通过声音传感器启动，使用火焰传感器来检测火焰，以温度传感器检测与火源的距离，并用风扇来灭火。车身主要以相隔30度的五个红外传感器来调整车身的角度，实现了对运动方向的控制，进而躲避障碍物，实现了在规定区域能自主搜索火源并实施灭火的功效。关键词：stm32；传感器；灭火机器人DOI:10.16640/https://www.doczj.com/doc/4b17234802.html,ki.37-1222/t.2016.10.127 图1 系统总体设计框图 2 系统硬件设计 2.1 结构设计 在综合考虑工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、电压变化等多个因素影响后，为了方便小车在前进过程中，能够直线前进，且没有左右较大的晃动，而且能够平稳转弯，我们采用圆形车体，两电机驱动，前后各安装一个万向轮。 车体主要由电路板，车底盘，风扇架，车轮等构成，为了更加节省车体空间，我们在设计电路板时，将稳压芯片，电机驱动，stm32芯片都焊接在一块板子上，使整个车体看起来更整洁更美观。在车体前方安装5个红外传感器，并且距中心红外各岔开30度，将两个传感器放在车盘后面，距中心岔开60度。这样能够使探测的范围更大，有利于对墙壁的探测。红外的距离大概8cm，经过检测，这样车体能够最快修正，更加平稳。电池放于车底盘下面，将车的重心降低，更有利于车体稳定。将风扇提高能够略高于火源，而温度传感器与火焰传感器一般与火源同等高度，风扇要有大概10度的向下倾角，这样就能保证最大范围的灭火。2.2 电源管理模块设计 电源管理模块包括稳压模块与驱动模块。由于单片机及所有的传感器系统供电采用的是5V 的电源，而车体要良好的运行电机的供电电压应该达到12V，所以在电源的处理上采用了稳压芯片，LM2596来稳5V，以供传感器使用，电机驱动模块使用直流12V，使用一款MC34063 升压芯片。由于传感器数量较多，尤其红外传感器所消耗的电流较大，这便是我们使用LM2596的原因。 电机驱动芯片我们采用的是 LR7843 ，电机驱动电路为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由4片 N 沟道功率 MOS 管组成，额定工作电流可以轻易达到 100A 以上，大 大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成：功率 MOS 管栅极驱动电路、 IR2104驱动芯片、74HC08D 与门芯片等。2.3 传感器模块设计 红外传感器采用E18-D80NK，传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。红外发射管发射出经过调制过的38KHZ 的红外光，当前方没有障碍物时，接收器收不到红外光，相反当前方有障碍物时，接受器可以收到红外光。根据此原理，机器人可以感知前方的路况从而决定是否前行。声音传感器是固定频率声控的，内部含有鉴频器，可以对固定频率音频信号识别；放大器对麦克风的声音进行100倍放大，并从接口插针输出，可以精密多圈电位器调节频率。这样我们就可以更加准确的控制小车，不至于在杂音下启动。温度传感器采用的是DS18B20 测温模块，其板载DS18B20芯片，同时留有3P 圆孔座，方便插拔DS18B20芯片，芯片引脚已经全部引出，内置上拉电阻，方便使用，价格便宜，能够精确检测与火源距离，使小车实现完全自动化。火焰传感器与风扇模块选材，满足需求即可，但其位置有较为严格要求，火焰传感器最好使用5路，分布原理与红外传感器分布原理相似，方便在检测火源后校正角度。风扇最好选用大功率空心杯等，能够保证足够的风力灭火，使用继电器控制其开关。 3 软件设计 程序的开发是在Keil 开发环境下进行的，包括源程序的编写、编译和链接，并最终生成可执行文件。软件设计部分包括系统初始化、 数据采集与处理、 电机控制、灭火等部分。 在小车接收到信号启动后，实时监测是否有火源存在，在红外传感器没有检测到物体时，小车则向两边斜向靠拢，以便贴近障碍物行驶。若检测到火源，根据火焰传感器来判别火源的方向，并逐渐向火源靠拢，靠近过程中及时修正车体方向，在距火源达到一定距离后，温度传感器接收到信号，通过单片机控制继电开通，促使风扇转动，直至检测不到火源时风扇停止。为防止火复燃，需小车在原地静定几秒钟，确定无火源时再离开，继续寻找下一火源。 4 结论 顺应于现代灭火技术的理念，基于stm32核心处理器，合理搭建小车机械结构，使用红外传感器避障，声音传感器启动，火焰传感器检测火源，温度传感器控制与火源距离，用风扇灭火，我们设计出一种运行稳定，价格低廉，可靠且可行的全自动智能灭火机器人。参考文献： [1] (美)麦库姆.小型智能机器人制作全攻略[M].（第4版）北京：人民邮电出版社,2013(06). [2]蔡自兴等编.机器人学基础[M].（第2版）北京：机械工业出版社，2015(03). [3]刘火良,杨森编.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版社,2013(06). 作者简介：杨斌（1993-），男，河南卢氏人，本科。