真空吸盘式独立行走爬壁机器人的设计

摘要

摘 要

近年来，随着社会的发展，楼层越来越高，使用玻璃幕墙的楼房也越来越多，避免清洗时一个很重要的问题，传统的方式多数为人工，或者是采用电缆从楼顶将机器人吊下，工作效率偏低，危险性高，于是清洗用爬壁机器人应运而生，本文的任务就是设计一种能够在壁面上吸附行走的清洗爬壁机器人。

本文在简单介绍爬壁机器人的国内外研究现状的基础上，基于三维软件PROE对四轮式真空吸附爬壁机器人的本体机构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算及校核计算，重点是爬壁机器人的移动结构、吸附结构和驱动系统的设计计算。

本文设计的爬壁机器人采用四轮式小车形状结构，结构简单；采用真空吸盘吸附方式，设计一个月牙形的真空舱，利用机械结构完成机器人真空吸盘的吸附与排气控制，避免在每个真空吸盘配备传感器的需要，降低了控制难度；采用后轮驱动，一个电机驱动两个后轮，后轮带动前轮完成机器人的行走，使用蜗轮蜗杆传动装置作为减速器；采用地面供电，地面提供负压的方式；机器人可以在水平面或者垂直表面直线行走。

关键词：真空吸附 蜗轮蜗杆机构 电机驱动 四轮式小车ii

Abstract

Abstract

In recent years, with the development of society, more and more floors, with glass

curtain wall building more and more to avoid cleaning a very important issue, most of

the traditional way of artificial, or a cable from the top of the building will be

used under the robotic crane, low efficiency, high-risk, then cleaned with a

wall-climbing robot came into being, this task is to design a walk on the adsorption to

the wall climbing robot for cleaning.

This paper briefly wall-climbing robot based on the research status, based on

three-dimensional software, PROE, four-wheel vacuum on wall-climbing robot body

bodies were designed, carried out on some key satisfied with the design calculation and

checking terms, focusing on the mobile climbing robot structure, adsorption structure

and drive system design and calculation.

This designed wall-climbing robot car with four-wheel-type shape of the structure,

simple structure; by vacuum suction adsorption, design of a crescent-shaped vacuum

chamber, the completion of the mechanical structure of robot vacuum suction of the

adsorption and emission control, to avoid each a vacuum suction cups equipped with

sensors need to reduce the difficulty of control; with rear-wheel drive, a motor drive two

rear wheels, rear wheel drive front wheel complete the robot walk, use a worm gear

reducer; use of ground power the ground to provide negative pressure means; robot can

walk straight horizontal or vertical surface.

Keywords: 目录

i

目录

第一章 绪论 ......................................................... 4

1.1 本课题的研究背景 ............................................ 4

1.2 国内外爬壁机器人的研究现状 .................................. 5

1.3 国内外爬壁机器人的发展趋势 .................................. 6

1.4壁面自动清洗机器人的研究现状与发展方向 ....................... 7

1.5设计内容 ..................................................... 8

第二章 软件介绍 ..................................................... 9

第三章 爬壁机器人的设计方案 ....................................... 13

3.1爬壁机器人的工作过程 ........................................ 13

3.2爬壁机器人的基本功能 ........................................ 13

3.3爬壁机器人的设计 ............................................ 14

3.3.1爬壁机器人的总体结构 .................................. 15

3.3.2移动装置和吸附装置的设计 .............................. 15

3.3.3减速装置及传动装置的设计 .............................. 19

3.3.4联轴器和轴承选择 ...................................... 24

3.3.5爬壁机器人机体建模 .................................... 24

3.4爬壁机器人PROE运动仿真 ..................................... 25

第四章 结论 ........................................................ 27

参考文献 ...........................................错误！未定义书签。

致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

4 致谢爬壁机器人设计

第一章 绪论

机器人是传统的机构学与现代电子技术结合的产物，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，他是一种高速运行、重复操作和精确度较高的自动化设备。以机器人代替人类从事各种危险、繁重、重复、单调及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。

爬壁机器人是机器人的一个分支，主要运用于壁面和顶部内部进行清洗、消防、检修等移动作业，现代社会中，在许多场合实施作业必须采取安全防护措施，而这些工作对对国民经济的发展有着重要的作用。爬壁机器人是得到了大力发展的其中的主要的开发项目。目前，已经有相当数量的爬壁机器人已经投入或将要投入作业现场作业，主要应用有以下几个方面：

（1） 核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚、探伤等；

（2） 石化企业：对储罐的内表面进行检查、除锈等处理；

（3） 建筑行业：安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；

（4） 消防部门：传递救援物质，进行救援工作等；

（5） 造船行业：对船体或内壁进行喷涂等；

（6） 电力行业：电站锅炉水冷管壁厚的检测等。

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的功能，以这两个功能为基础可以将爬壁机器人分为若干种[1]。

1.1 本课题的研究背景

近年来,我国城市面貌发生了翻天覆地的变化,高层建筑拔地而起,不仅节约了土地资源,也使城市面貌焕然一新,成为城市现代化水平的重要标志之一。很大一部分楼房的壁面加了玻璃幕墙。建筑物的外包覆层不仅增加了建筑物的外观美，同时也使得它们更有耐久性。但也带来了如高空擦洗玻璃、高空消防急救、高空建筑施工等难题。以高层建筑外墙面的清洗为例,目前多采用吊篮悬吊或用液压升降台升降的人工作业方式,但其劳动强度大、效率低、安全隐患多。开发与应用清洗用机器人系统可以解放从事于这种危险工作的劳动力，同时可以做到对高大建第二章 软件介绍

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筑物的墙壁的自动清洗，更深层次的是，可以提高建筑维修行业的技术水平和生产力。同时清洗机器人系统可以用于不同的建筑物，这样就可以节省很多由于个别的建筑物而搭建清洗系统的花费。

以此为背景,研究人员设计提出了多种解决壁面清洗机器人的方案。但仍存在着一定的局限性。如磁力吸盘爬壁机器人只能用于导磁金属壁面上,而对普通玻璃墙壁无法适用;许多大型悬挂清洗机器人要求有楼顶悬挂机构;履带式机器人转弯困难等,为应用带来困难。本次毕业设计介绍一款真空吸盘式独立行走爬壁机器人,它无需楼梯悬挂机构,巧妙地运用了机械传动机构实现吸排气的控制。

1.2 国内外爬壁机器人的研究现状

爬壁机器人作为机器人的一个分支，发展历史也是比较长，早在1966年，就有人设计出了一台简单的原理样机：是在日本大阪府立大学工学部任讲师的西亮，利用电风扇进气低压空气产生的负压为吸附动力制作的，这被看做是爬壁机器人的研究开端。自此，爬壁机器人技术在世界范围内得到了迅速的发展，在这一领域，日本所取得的成绩最为突出，美国、英国、意大利等多个国家也取得了不小的成就；在国内，对爬壁机器人的研究，是由哈尔滨工业大学在1988年率先进行的，发展到现在，经过了二十几年的发展历程，先后加入了一些大学及研究所等研究机构；如：上海交通大学、北京航空航天大学、长春光机所、上海大学等，他们为国内爬壁机器人的研究做出了重要贡献，到目前为止，国内的爬壁机器人技术也取得了不小的进展。已经有将机器人投入使用的先河：如2001年由北航设计的用来清洗上海科技博物馆的SKY三号机器人。