爬墻機(jī)器人設(shè)計(jì)-機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)+外文翻譯

爬墻機(jī)器人設(shè)計(jì)—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要本文設(shè)計(jì)一種以涵道風(fēng)扇和負(fù)壓吸盤(pán)為吸附系統(tǒng)主體的輪式爬墻機(jī)器人，對(duì)爬墻機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是個(gè)人主要研究方向。首先提出基于負(fù)壓吸附原理的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和要求，根據(jù)要求和尺寸，首先對(duì)爬墻機(jī)器人硬件設(shè)備和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理排布，自主設(shè)計(jì)一體化的機(jī)器人底板，并對(duì)其及主要運(yùn)動(dòng)組件進(jìn)行Proe軟件上的建模。最后通過(guò)Proe的MDX模塊對(duì)爬墻機(jī)器人進(jìn)行虛擬模型運(yùn)動(dòng)仿真，檢驗(yàn)基本機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。關(guān)鍵詞：爬墻機(jī)器人；負(fù)壓吸附；機(jī)器人結(jié)構(gòu)WallClimbingRobotDesign-StructuralDesignAbstractThispaperdesignsawheeledwallclimbingrobotwithductedfanandnegativepressuresuctioncupasthemainbodyoftheadsorptionsystem.Thestructuraldesignofthewallclimbingrobotismymainresearchdirection.Firstly,thestructuraldesignschemeandrequirementsoftherobotbasedonthenegativepressureadsorptionprincipleareproposed.Accordingtotherequirementsandsizes,thehardwareequipmentandmechanicalstructureofthewallclimbingrobotarearrangedreasonably,theintegratedrobotbaseplateisdesignedindependently,andtheProesoftwaremodelingiscarriedoutontherobotbaseplateandthemainmovingcomponents.Finally,theMDXmoduleofProeisusedtosimulatethemotionofthevirtualmodelofthewallclimbingrobottoverifytherationalityandfeasibilityofthebasicmechanicalstructure.Keyword:Wallclimbingrobot;Negativepressureadsorption;Robotstructure;Ductedfan目錄7665目錄 2137741緒論 1281211.1引言 1134481.2研究背景及意義 128071.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì) 2254441.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 2300491.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 387771.4研究的主要內(nèi)容和目標(biāo) 453471.5本章小結(jié) 4110912爬墻機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案 5201542.1本文主要研究?jī)?nèi)容 5235672.2爬墻機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案 526562.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求 514532.2.2個(gè)人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)路線 595942.3爬墻機(jī)器人的主要組成系統(tǒng) 5255082.4本章小結(jié) 662443爬墻機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 752773.1移動(dòng)方式 7225143.2移動(dòng)機(jī)構(gòu) 740083.3結(jié)構(gòu)硬件布置 898173.4主要硬件設(shè)備 981863.4.2硬件外部設(shè)備區(qū)域安裝 10216103.5本章小結(jié) 109744Proe建模 11157394.1Proe建模軟件介紹 11284444.2在Proe軟件上的總體設(shè)計(jì) 11234694.3機(jī)器人底板建模設(shè)計(jì) 12310484.4驅(qū)動(dòng)組件 13326414.4.1步進(jìn)電機(jī) 13299354.4.2電機(jī)安裝板組件 14196574.5涵道風(fēng)扇組件 15275194.6其他組件 17287994.6.1涵道風(fēng)扇裝夾套 175814.6.2聯(lián)軸器 18240804.6.3萬(wàn)向輪 18320084.6.4車(chē)體外殼 1961554.7本章小結(jié) 19292975仿真設(shè)計(jì) 20264665.1運(yùn)動(dòng)仿真準(zhǔn)備 20104515.2Proe中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊 21157755.3機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真 2115535.3本章小結(jié) 2586236結(jié)論 2650306.1設(shè)計(jì)的總結(jié) 26174706.2不足之處 26246196.3展望 2632695參考文獻(xiàn) 274554致謝 2826970附錄1相關(guān)設(shè)計(jì)件二維圖紙 2922908附錄2總裝二維圖紙 321044附錄3英文文獻(xiàn)及翻譯 321緒論1.1引言本文針對(duì)爬墻機(jī)器人這一研究話(huà)題展開(kāi)探究，作為研究者應(yīng)該首先明確對(duì)于爬墻機(jī)器人的基本概念，這是一類(lèi)機(jī)器人是在傾斜或者直接垂直的墻壁上靈活移動(dòng)的機(jī)器人，該類(lèi)機(jī)器人借助特殊的設(shè)計(jì)，使其自身的吸附功能和移動(dòng)功能都得以順利實(shí)現(xiàn)。而正由于石油化工業(yè)、核工業(yè)、造船業(yè)等一些存在大型工業(yè)設(shè)施設(shè)備的行業(yè)蓬勃發(fā)展，這種特殊的機(jī)器人也接受到了一系列作業(yè)任務(wù)，擁有了廣闊的發(fā)展前景。爬墻機(jī)器人領(lǐng)域在多年以來(lái)的發(fā)展沒(méi)有讓歲月白白流逝，20世紀(jì)90年代開(kāi)始，憑借著工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)制造與應(yīng)用等方面的實(shí)質(zhì)科技推進(jìn)，國(guó)內(nèi)外在爬墻機(jī)器人技術(shù)難題上都有了不同的突破，并且針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，各種各樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)、吸附方式涌現(xiàn)。良好的發(fā)展勢(shì)頭使各國(guó)各高校紛紛成立了爬墻墻機(jī)器人研究項(xiàng)目組，而爬墻機(jī)器人的可究性和廣闊的發(fā)展空間對(duì)機(jī)器人行業(yè)的開(kāi)發(fā)研制以及專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)具有積極性意義。1.2研究背景及意義結(jié)合石化工業(yè)聯(lián)合發(fā)布，關(guān)于我國(guó)石油以及化學(xué)工業(yè)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況相關(guān)報(bào)告指出，到2019年12月底，我國(guó)石油以及化工類(lèi)企業(yè)發(fā)展良好，大約有26271家企業(yè)形成規(guī)模。該行業(yè)產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高，是推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心力量，而這種特殊又具中堅(jiān)地位的行業(yè)多采用大型的儲(chǔ)存設(shè)備；另一方面，致力于建筑研究的相關(guān)組織明確提出，一直到2017年，我國(guó)大陸的超高層建筑完成情況理想，其中兩百米以上的建筑約700棟左右，其中有六棟建筑高達(dá)六百米，同時(shí)與其相關(guān)的的國(guó)際數(shù)據(jù)也明確指出，我國(guó)超高層建筑規(guī)劃建成在兩百米以上的建筑占據(jù)了世界總數(shù)量的45%之多?？梢哉f(shuō)隨著各國(guó)工業(yè)化程度的不斷加深和建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，許多大型工業(yè)設(shè)備和高層建筑巍然聳立，但從而派生的問(wèn)題存在有—長(zhǎng)期表露在外的壁面難免會(huì)因自然災(zāi)害受到損害或因氣候環(huán)境產(chǎn)生腐蝕性損傷，若對(duì)其進(jìn)行人工的維護(hù)和保護(hù)設(shè)施安裝工作，具有危險(xiǎn)性高、操作難度高、效率低等問(wèn)題。工人在進(jìn)行高樓大廈的外高層擦洗時(shí)往往是用繩索捆綁腰間或者采用吊籃搭乘，非常容易發(fā)生安全事故和引發(fā)人員傷亡等，而且一幢高樓大廈的完全清潔工作往往耗時(shí)數(shù)周，工作效率低的情況下還耗費(fèi)巨資[1]。圖1.2大型油罐和高空作業(yè)而相較于人工，利用爬墻機(jī)器人進(jìn)行高空作業(yè)有不錯(cuò)的收益：（1）爬墻機(jī)器人靈活度高，而非像人工吊籃一般人工調(diào)節(jié)作業(yè)位置。（2）高度對(duì)爬墻機(jī)器人本身的工作造成極少的影響和限制，高空作業(yè)靈活展開(kāi)，所以高空作業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)減小。高空作業(yè)人員培養(yǎng)難度高、心理因素要求高等問(wèn)題得以解決。（3）大面積壁面工作時(shí)間長(zhǎng)，爬墻機(jī)器人工作時(shí)長(zhǎng)足，節(jié)省人工人員換班時(shí)間，帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，爬墻機(jī)器人的設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化可以極大地改善工人現(xiàn)狀，而爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造也涉及了機(jī)械電子、氣壓液壓、信息通訊等各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)技術(shù)，是一個(gè)重大且結(jié)合程度高的研究課題，爬墻機(jī)器人的發(fā)展有利于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的交流與合作。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀相比較我國(guó)，國(guó)外對(duì)于爬墻類(lèi)機(jī)器人的研究工作起步較早，同時(shí)國(guó)外在研究爬墻機(jī)器人的時(shí)候，將極大的注意力放在吸附方法以及具體的運(yùn)行模式方面，這使物理、機(jī)械、電子等領(lǐng)域的相交性大幅提升。熱衷于爬墻式機(jī)器人研究的國(guó)家，以日本為代表，發(fā)展起步最早同時(shí)投入實(shí)際應(yīng)用也最早。其實(shí)在1978年的時(shí)候，日本就已經(jīng)借助機(jī)械技術(shù)完成核電站內(nèi)壁污物的清理工作了，之所以研制爬墻機(jī)器人，就是為了更好地服務(wù)高空作業(yè)。此初代爬墻機(jī)器人僅有單一吸盤(pán)，所以不具有自走功能，鉸車(chē)?yán)瓌?dòng)是其主要的輔助移動(dòng)模式。后續(xù)在這一研究基礎(chǔ)上，日本相關(guān)小組研發(fā)出了獨(dú)立行走的爬墻機(jī)器人，而這一機(jī)器人同樣有一個(gè)單個(gè)吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，但其移動(dòng)模式摒棄對(duì)輔助機(jī)構(gòu)的依賴(lài)為一大創(chuàng)新突破。該小組研發(fā)的第一、二代機(jī)器人均具備單一真空腔，但是必須保障壁面平整才能夠保障爬行的穩(wěn)定性，一旦壁面有裂縫或者凹凸不平等情況，那么也無(wú)法穩(wěn)定爬行。此后，日本小組用了三年時(shí)間完成了第三代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，第三代爬墻機(jī)器人采用了履帶移動(dòng)模式，同時(shí)在移動(dòng)組織的位置上設(shè)置了很多真空吸盤(pán)。相比較第一、二代機(jī)器人，三代機(jī)器人的吸附性能更可靠，同時(shí)有著更理想化的移動(dòng)水平。再有東京某企業(yè)研究出來(lái)大型的煤氣罐機(jī)器人，該機(jī)器人在煤氣罐焊縫情況的檢查工作中發(fā)揮著重要作用?？紤]到這一機(jī)器人的內(nèi)外框架有八個(gè)具備吸盤(pán)的腳，同時(shí)分布狀態(tài)為放射狀，氣缸的驅(qū)動(dòng)力促進(jìn)腳運(yùn)動(dòng)，直流伺服閥輔助傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使得機(jī)器本身的負(fù)載能力大大增強(qiáng)。而隨著爬墻機(jī)器人在各國(guó)鋪展式的研究發(fā)展，機(jī)器人存在各色各樣的結(jié)構(gòu)形態(tài)和吸附方式。不久前，ToyohashiUniversityofTechnology的機(jī)械工程系副教授tomoakimashimo博士和劍橋大學(xué)工程系機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的Fumiyaiida博士的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出一種水蛭形狀的機(jī)器人“LEeCH”，該類(lèi)機(jī)器人輕而易舉的實(shí)現(xiàn)垂直墻壁爬行操作，但其一大特點(diǎn)是自主完成墻面過(guò)渡的操作，包括互相垂直壁面的過(guò)渡、薄壁正反面的過(guò)渡。此種水蛭機(jī)器人由處于并聯(lián)狀態(tài)的三大柔軟管子形成，其技術(shù)含量高，保障柔性管長(zhǎng)度得以有效控制需要控制好各處舵機(jī)和傳動(dòng)裝置的供給，同時(shí)配合柔性管主體的隨意彎曲伸長(zhǎng)，發(fā)揮結(jié)構(gòu)和控制兩類(lèi)轉(zhuǎn)變優(yōu)勢(shì)。由于這種仿生吸附爬墻機(jī)器人可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直墻壁的爬行以及水平方向的靈活過(guò)渡，使得其備受業(yè)內(nèi)青睞。具有顯著變形和連續(xù)緊湊控制的爬墻機(jī)器人是翻墻柔性機(jī)器人的“鼻祖”?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)有研究中的爬墻機(jī)器人種類(lèi)特別豐富，根據(jù)不同的吸附和移動(dòng)方式的組合就產(chǎn)生了各種類(lèi)別的爬壁機(jī)器人，例如:框架式多吸盤(pán)爬壁機(jī)器人、輪式磁吸附爬壁機(jī)器人、履帶式多吸盤(pán)爬壁機(jī)器人等，不同類(lèi)別之間各有特色[2]。圖1.3.1水蛭爬墻機(jī)器人1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)在研究爬墻機(jī)器人方面的起始時(shí)間趕不上西方國(guó)家，當(dāng)然研究差距肯定也存在，但是研究取得的成功仍然值得肯定。例如哈工大、北理工、華南理工等院校，都在爬墻機(jī)器人的研究方面取得了傲人的成績(jī)，同時(shí)也有對(duì)應(yīng)的機(jī)樣制成。其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)在六足爬墻機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)工作中極其出色，其一款設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人借助中樞系統(tǒng)發(fā)生器工作，屬于仿生控制算法的一種。借助此款爬墻機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)反反復(fù)復(fù)的運(yùn)動(dòng)，令系統(tǒng)不斷轉(zhuǎn)變到原始狀態(tài)，實(shí)則在實(shí)際行走環(huán)節(jié)中腿與腿之間的關(guān)系是發(fā)生改變的。這屬于一種基于CPG算法的爬墻機(jī)器人，其獨(dú)立性強(qiáng)，對(duì)于傳感器的依賴(lài)程度不大，同時(shí)越障能力更強(qiáng)，但是也存在應(yīng)用缺陷，那就是有著相當(dāng)繁雜的驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)于實(shí)際運(yùn)算能力要求高。哈工大也注意到這些弊端，所以想方設(shè)法優(yōu)化整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，試圖改善運(yùn)算不足的劣勢(shì)。此外哈工大在對(duì)爬墻式機(jī)器人吸附方式方面的研究工作也開(kāi)展的較為深入，例如依托靜電吸附原理的爬墻機(jī)器人等。另一方面，我國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)市研究所的董偉光，在五年前成功研發(fā)出了輪足式復(fù)合爬墻機(jī)器人，這個(gè)爬墻機(jī)器人依托行星輪系結(jié)構(gòu)，使得負(fù)壓模塊、真空模塊有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在實(shí)際移動(dòng)環(huán)節(jié)中，可以借助密封腔內(nèi)部的三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)在直線層面移動(dòng)或者靈活轉(zhuǎn)向，當(dāng)然還可以借助真空吸附組織形成雙足移動(dòng)相似的抬腿移動(dòng)，其核心優(yōu)勢(shì)在于，光滑的外表保障了三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)迅速移動(dòng)的目的順利實(shí)現(xiàn)，即便在遇到大的阻礙的情況下仍然可以借助雙足運(yùn)動(dòng)模式輕松越過(guò)。華南理工大學(xué)還提出對(duì)于六足爬墻機(jī)器人基于能耗目標(biāo)優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩的分配方法，尋找機(jī)器人最安全的位姿[3]。可見(jiàn)國(guó)內(nèi)爬墻機(jī)器人發(fā)展迅速，在技術(shù)趨于成熟的同時(shí)也擁有別眾的設(shè)計(jì)理念與方法。1.4研究的主要內(nèi)容和目標(biāo)本文主要在爬墻機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)上作研究設(shè)計(jì)。第一章：本章為緒論，從選擇課題的背景出發(fā)，先分析了當(dāng)下爬墻機(jī)器人的使用對(duì)高程度工業(yè)化有何意義，再根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀牽引出爬墻機(jī)器人的大致研究?jī)?nèi)容，為本次的研究工作開(kāi)拓思路，也對(duì)接下來(lái)的研究設(shè)計(jì)進(jìn)行向?qū)?；第二章：主要?duì)爬墻機(jī)器人硬件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體方案進(jìn)行闡述，先介紹本文研究的基本要求，再?gòu)膫€(gè)人研究的結(jié)構(gòu)技術(shù)路線總結(jié)整體設(shè)計(jì)方案；第三章：根據(jù)整體設(shè)計(jì)方案的要求，進(jìn)行關(guān)鍵部件的選擇和解釋介紹，再根據(jù)所選元器件的尺寸進(jìn)行機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的排布；第四章：本章主要對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并介紹Proe此款3D建模軟件，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要模塊進(jìn)行建模。第五章：本章主要對(duì)構(gòu)成爬墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行集合組裝，在條件有限的情況下，弱化樣機(jī)調(diào)試，以基于Proe軟件對(duì)爬墻機(jī)器人主要運(yùn)動(dòng)件的仿真為主，對(duì)機(jī)器人內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)排查干涉檢測(cè)，并運(yùn)動(dòng)仿真；第六章：總結(jié)本次研究的弊端與不足之處，對(duì)未來(lái)展望。1.5本章小結(jié)本章首先論述了所選課題的背景和研究依據(jù)，表明爬墻機(jī)器人具有實(shí)用意義和可究性，再?gòu)氖澜绯霭l(fā)，選例分析概括了國(guó)內(nèi)外爬墻機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，最后介紹了論文的章節(jié)安排和主要研究?jī)?nèi)容。2爬墻機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案2.1本文主要研究?jī)?nèi)容本文主要對(duì)一種基于涵道風(fēng)扇負(fù)壓發(fā)生裝置的單負(fù)壓腔體爬墻機(jī)器人進(jìn)行探究，其以STM32F407芯片作為控制系統(tǒng)核心，兩獨(dú)立步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)差速輪轉(zhuǎn)向，文中主要對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。2.2爬墻機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案2.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)和選用經(jīng)濟(jì)適用的元器件，配合上合適的機(jī)構(gòu)和硬件，最大限度發(fā)揮出涵道負(fù)壓吸附裝置的性能，使爬墻機(jī)器人具有獨(dú)立行走、吸附墻體的能力。再通過(guò)STM32F407與uCOS-III操作系統(tǒng)的聯(lián)系工作，使機(jī)器人在平地、基本平整的墻體上根據(jù)指示運(yùn)動(dòng)。 本文中所研究的爬墻機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求是： （1）在閱讀大量文獻(xiàn)的前提下，對(duì)爬墻機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行確定，再根據(jù)參數(shù)合理排布硬件，基本保證平地運(yùn)動(dòng)、靜力吸附、墻體上吸附運(yùn)動(dòng)在結(jié)構(gòu)上的可行； （2）設(shè)計(jì)合理的STM32單片機(jī)程序并燒入，基本實(shí)現(xiàn)通過(guò)紅外遙控控制步進(jìn)電機(jī)的速度以及正、反轉(zhuǎn)和停止?fàn)顟B(tài)切換，要求精準(zhǔn)性高地通過(guò)控制完成基本動(dòng)作； （3）爬墻機(jī)器人要有一定的避障能力，并能通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，另外設(shè)置蜂鳴器，方便監(jiān)控。2.2.2個(gè)人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)路線查閱相關(guān)文獻(xiàn)，而后從滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，依照路線進(jìn)行以下工作：（1）通過(guò)對(duì)比確定機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)移動(dòng)方式，再根據(jù)合理性進(jìn)行機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的排布，確保機(jī)器人有獨(dú)立的行走能力。（2）根據(jù)所選器件尺寸大小、質(zhì)量等參數(shù)，設(shè)計(jì)大小合適的機(jī)器人底盤(pán)，對(duì)部分動(dòng)作部件的進(jìn)行布置，并設(shè)計(jì)固定架、夾裝器等安裝機(jī)構(gòu)，硬件上保持各模塊工作的穩(wěn)定性，最小化機(jī)器人工作時(shí)各個(gè)部件的物理干涉。（3）利用建模軟件對(duì)設(shè)計(jì)件進(jìn)行建模，為制作樣機(jī)進(jìn)行3D打印文件的準(zhǔn)備，若條件有限則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，查看是否實(shí)現(xiàn)基本功能，后期進(jìn)行硬件的調(diào)試與改進(jìn)。2.3爬墻機(jī)器人的主要組成系統(tǒng)爬墻機(jī)器人系統(tǒng)主要分為機(jī)械硬件系統(tǒng)和軟件（編程控制）系統(tǒng)。其中個(gè)人研究方向上的硬件系統(tǒng)可細(xì)分為機(jī)械本體、電機(jī)、供電電池、通信模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)兩個(gè)主要系統(tǒng)的配合工作。圖2.3硬件系統(tǒng)工作原理圖2.4本章小結(jié)本章首先從組成核心方面簡(jiǎn)單闡述了爬墻機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案，再介紹了總體設(shè)計(jì)的要求，并根據(jù)個(gè)人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向劃出了路線，簡(jiǎn)單介紹了爬墻機(jī)器人的主要系統(tǒng)。3爬墻機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1移動(dòng)方式當(dāng)前國(guó)內(nèi)外所研究的爬墻機(jī)器人移動(dòng)方式大致可分為輪式、履帶式、多足式三類(lèi)。輪式爬墻機(jī)器人繼承了平地輪式小車(chē)靈活、轉(zhuǎn)向方便、控制難度低的特點(diǎn)，而且由于輪軸的固定，對(duì)吸附底盤(pán)高度的物理干涉較小，若加上一定的控距緩震系統(tǒng)，會(huì)有不俗的吸附性能與穩(wěn)定性。履帶式爬墻機(jī)器人擁有平整的履帶機(jī)構(gòu)，對(duì)凹凸不平的壁面有良好的消化能力，因此保障了機(jī)器人的吸附能力，但苦于履帶材料的厚重和設(shè)計(jì)所需的大面積吸附底盤(pán)，增加了此類(lèi)爬墻機(jī)器人的重量，且履帶式在轉(zhuǎn)向功能上也不及輪式靈活；足式爬墻機(jī)器人具有出色的越障能力，但由于步態(tài)規(guī)劃繁瑣、所需舵機(jī)數(shù)量多，在控制系統(tǒng)的的復(fù)雜程度上相對(duì)較高，在控制到位的情況下也難以達(dá)到較高的運(yùn)行速度。因此設(shè)計(jì)輪式的機(jī)器人能帶來(lái)不錯(cuò)的可見(jiàn)成果。3.2移動(dòng)機(jī)構(gòu)由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易地實(shí)現(xiàn)輪式爬墻機(jī)器人功能、最少化材料使用以賦予爬墻機(jī)器人良好的吸附能力的出發(fā)點(diǎn)，考慮常見(jiàn)的三輪和四輪結(jié)構(gòu)，如圖3.2所示。圖3.2三輪與四輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易圖圖3.2（b）中的四輪結(jié)構(gòu)相比于三輪結(jié)構(gòu)有更好的平衡性，遇到凹凸不平的行走面不易側(cè)倒，但考慮到其因?yàn)槎嗔艘粋€(gè)輪的緣故，會(huì)受到更多的阻力，降低了電機(jī)的輸出功率，若在此基礎(chǔ)上采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪，相比于三輪式的機(jī)器人質(zhì)量更大，增加了工作負(fù)載。而圖3.2（a）中的三輪布置常見(jiàn)的有兩種：（1）兩個(gè)前輪為連接的驅(qū)動(dòng)輪，后輪為連接舵機(jī)的轉(zhuǎn)向輪，這種布置安排依賴(lài)后輪轉(zhuǎn)向，前輪同動(dòng)同止，增加了機(jī)器人轉(zhuǎn)向的角度，靈活性低。（2）兩個(gè)前輪為獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)輪，后輪為多向輪或萬(wàn)向輪，轉(zhuǎn)向靈活，便于控制調(diào)節(jié)，這種布置對(duì)于作業(yè)有一定墻面覆蓋率要求的機(jī)器人是一種不錯(cuò)的選擇。本次設(shè)計(jì)采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩輪，從動(dòng)輪為萬(wàn)向輪的移動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案。3.3結(jié)構(gòu)硬件布置本次設(shè)計(jì)出于對(duì)爬墻機(jī)器人減少用料、輕便結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性考慮，對(duì)負(fù)壓腔、器件安裝板、底板進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，而采用的涵道風(fēng)扇負(fù)壓發(fā)生裝置，其快速運(yùn)行賦予機(jī)器人吸附的能力，但這也反映了涵道工作時(shí)有一定危險(xiǎn)，不合理布置硬件設(shè)備，不僅會(huì)影響機(jī)器人的性能，嚴(yán)重時(shí)還可能造成設(shè)備故障、機(jī)械結(jié)構(gòu)破損的情況。因?yàn)楹里L(fēng)扇是負(fù)壓發(fā)生器，其入風(fēng)口必然是位于負(fù)壓腔上方，可以確定其應(yīng)安裝在底板上方，而控制系統(tǒng)相關(guān)的硬件，若設(shè)置在負(fù)壓腔內(nèi)，會(huì)因?yàn)楹喇a(chǎn)生的流體力產(chǎn)生固定不穩(wěn)甚至脫落，這是負(fù)壓吸附機(jī)器人的共同點(diǎn)，而主要不同的是輪子安裝的位置。在其他研究中存在將輪子設(shè)計(jì)在負(fù)壓腔體內(nèi)的例子，如圖3.3.1。圖3.3.1內(nèi)置輪負(fù)壓機(jī)器人此類(lèi)爬墻機(jī)器人多數(shù)底板面積大、負(fù)壓腔密封性好、吸附力穩(wěn)定、電機(jī)扭力足，本次研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人相對(duì)體型小，負(fù)壓發(fā)生依賴(lài)涵道風(fēng)機(jī)的持續(xù)輸出，若將驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)在負(fù)壓腔內(nèi)，輪胎將會(huì)隨機(jī)器人工作而不均勻受力，對(duì)機(jī)器人正常的運(yùn)動(dòng)影響大，因此將輪胎設(shè)置在負(fù)壓腔之外。結(jié)合上述，總體結(jié)構(gòu)布置如圖3.3.2所示。圖3.3.2硬件布置示意圖3.4主要硬件設(shè)備要排布各個(gè)硬件模塊及結(jié)構(gòu)，需要先選型確定器件、模塊，再通過(guò)尺寸等參數(shù)具體化硬件設(shè)備對(duì)底板的占用空間，根據(jù)硬件的工作性質(zhì)進(jìn)行排布，設(shè)計(jì)出合理的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)。而本次所設(shè)計(jì)機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)組件選擇為28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)、4S4300KV型50mm涵道風(fēng)扇。除了兩個(gè)賦予機(jī)器人移動(dòng)功能和吸附功能的運(yùn)動(dòng)發(fā)生器組件，還有一些為機(jī)器人進(jìn)行吸附力調(diào)節(jié)、供電、測(cè)距、報(bào)警的硬件，列于表3.4.1。硬件設(shè)備尺寸重量橡膠輪×2直徑65mm，輪胎寬度27mm共68g一寸萬(wàn)向輪輪寬15mm，高度33mm，輪直徑25mm約36g4S1800mah25C涵道風(fēng)扇電池組35mm×28mm×110mm130g40A好盈電調(diào)30mm×70mm×9mm48g舵機(jī)測(cè)試儀30mm×37mm×10mm約6gstm32主控板95mm×75mm約50gULN2003驅(qū)動(dòng)模塊×232mm×34mm共13.6g鋰電池供電模塊60mm×31mm×11mm35g超聲波模塊45mm×20mm（3mm）約10g有源蜂鳴器模塊32mm*13mm8g表3.4.1機(jī)器人硬件模塊尺寸參數(shù)3.4.2硬件外部設(shè)備區(qū)域安裝為了保障爬墻機(jī)器人的平衡器和抗顛覆能力，硬件的布置應(yīng)該在位置上相對(duì)對(duì)稱(chēng)，各模塊硬件能正常運(yùn)行、易于拆卸和組裝操作、接線方便的情況下重量分布均勻，根據(jù)上小節(jié)硬件組件的參數(shù)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行大概的結(jié)構(gòu)排布，為硬件進(jìn)行安放區(qū)域的設(shè)計(jì)，本次研究的爬墻機(jī)器人的硬件布置大致如圖3.4.2所示。圖3.4.2外部設(shè)備固定區(qū)域構(gòu)想圖其中，1為電機(jī)安裝區(qū)域，2為外置的65mm驅(qū)動(dòng)輪，3為涵道風(fēng)扇電池組定位區(qū)域，4為涵道風(fēng)扇裝夾平臺(tái)，5為萬(wàn)向輪安裝區(qū)域，6為涵道風(fēng)扇定位區(qū)域，7為封裝鋰電池、電調(diào)及舵機(jī)測(cè)試儀、蜂鳴器、藍(lán)牙模塊安裝區(qū)域，8為超聲波測(cè)距模塊、主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊安裝區(qū)域。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，各區(qū)域應(yīng)根據(jù)布置的硬件工作情況保持一定的間距，以最小化眾多器件、結(jié)構(gòu)的物理干涉。設(shè)計(jì)中會(huì)為有定位孔的模塊進(jìn)行底板孔的同步設(shè)置，另外，對(duì)于部分無(wú)自帶固定孔位的硬件，如鋰電池組、涵道風(fēng)扇電池組等，為其設(shè)置高度合適的矩形凸臺(tái)定位，再在定位區(qū)域周?chē)O(shè)計(jì)小孔，意在用尼龍自鎖扎帶加以固定。3.5本章小結(jié)本章首先通過(guò)對(duì)比明確了爬墻機(jī)器人的移動(dòng)方式，而后進(jìn)行輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)的安排，根據(jù)所需硬件模塊的尺寸制定了定位分布方案。4Proe建模4.1Proe建模軟件介紹Proe軟件全稱(chēng)為Pro/Engineer操作軟件，是一款由美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司開(kāi)發(fā)集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAD、CAM、CAE）為一身的三維建模軟件，擁有草圖繪制、組件制作、裝配、鈑金件設(shè)計(jì)等各式模塊，獨(dú)立的模塊化使用方式滿(mǎn)足人們的設(shè)計(jì)需求，其在當(dāng)今眾多三維造型設(shè)計(jì)軟件中不落下風(fēng)，得到機(jī)械設(shè)計(jì)業(yè)界使用者們的青睞。Proe主要占據(jù)的優(yōu)勢(shì)為參數(shù)化和數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一，在幾何模型的設(shè)計(jì)中可以將模型分解為有限的特征，其可以用有限的參數(shù)完全約束，另外在建模的過(guò)程中各個(gè)模塊使用單一的數(shù)據(jù)庫(kù)，模塊間會(huì)根據(jù)特征的修改而隨之同步參數(shù)，這意味著在組件裝配、工程圖輸出的過(guò)程中修改某一零件的尺寸時(shí)，裝配圖和工程圖上相應(yīng)的部件也會(huì)隨之同步尺寸，無(wú)需重新修改特征和設(shè)置約束，模型設(shè)計(jì)靈活，變更方便。4.2在Proe軟件上的總體設(shè)計(jì)機(jī)器人與主要部件的機(jī)械裝配圖如圖4.2.1所示。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部件主要由底板、減速電機(jī)、電機(jī)支架、65mm橡膠輪、聯(lián)軸器、涵道風(fēng)扇、涵道裝夾件、萬(wàn)向輪、外殼組成。圖4.2機(jī)器人裝配圖4.3機(jī)器人底板建模設(shè)計(jì)圖4.3.1與圖4.3.2為機(jī)器人主體的建模，一體化底板主體，同時(shí)具有負(fù)壓腔、涵道風(fēng)扇裝夾機(jī)構(gòu)、萬(wàn)向輪安裝板等機(jī)械結(jié)構(gòu)，在3D打印的構(gòu)想中，選擇塑料材料。圖4.3.1機(jī)器人底板圖4.3.2機(jī)器人底板底部設(shè)計(jì)的基本考慮因素有下：負(fù)壓腔：如圖4.3所示，機(jī)器人的負(fù)壓腔主要由涵道風(fēng)扇對(duì)接口、引流通道、底板底部邊緣突起構(gòu)成，原理為作為負(fù)壓發(fā)生器能夠?qū)C(jī)器人底板下部空氣抽出，使底板上部壓強(qiáng)大于下部從而產(chǎn)生差值負(fù)壓，所生成的吸附力讓機(jī)器人吸附在接觸壁面，以保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)不輕易發(fā)生傾覆[4]。其中負(fù)壓腔涵道接口比涵道風(fēng)扇引流圈直徑大約1mm—2mm，方便涵道風(fēng)扇的安裝接入，接入后可選擇合適的海綿條或膠條作為密封機(jī)構(gòu)，進(jìn)行接口縫隙的貼緊密封。而根據(jù)電機(jī)安裝高度和驅(qū)動(dòng)輪直徑，底板邊緣凸起擋板設(shè)計(jì)為距接觸地面約5mm—8mm，厚度為10mm，三輪爬墻機(jī)器人在平衡性上有相對(duì)不足，在運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到不平整的壁面難免會(huì)傾側(cè)，造成壁面與底板的摩擦碰撞，因此留有合適的高度，選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的海綿條或膠條進(jìn)行粘貼密封，能在保證負(fù)壓腔密封性的同時(shí)代替機(jī)械磨損。涵道風(fēng)扇裝夾機(jī)構(gòu)：夾裝柱機(jī)臺(tái)構(gòu)配合裝夾套作涵道風(fēng)扇的安裝定位，因?yàn)楹里L(fēng)扇工作時(shí)通過(guò)螺栓連接有橫向的力矩，柱臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)置相當(dāng)于對(duì)為裝夾套提供一個(gè)支撐受力面，為連接孔緩沖了涵道風(fēng)扇運(yùn)作時(shí)的反作用力，保證機(jī)構(gòu)不會(huì)因?yàn)橥饬嗔咽芷茐?。萬(wàn)向輪安裝板：安裝板孔位根據(jù)選擇的一寸萬(wàn)向輪設(shè)計(jì)，萬(wàn)向輪安裝板凸臺(tái)的高度根據(jù)電機(jī)安裝高度、驅(qū)動(dòng)輪直徑進(jìn)行確定，確保機(jī)器人底板與地面保持相對(duì)平行。吸附系統(tǒng)所產(chǎn)生的文丘里效應(yīng)是伯努利原理的一種體現(xiàn)，根據(jù)伯努利原理，流體流速大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大[5]。若萬(wàn)向輪安裝板高度設(shè)置過(guò)低或過(guò)高，負(fù)壓腔與壁面縫隙不等會(huì)造成機(jī)器人整體吸附力不均，影響機(jī)器人的平衡性和吸附能力。另外萬(wàn)向輪活動(dòng)腔根據(jù)萬(wàn)向輪尺寸所定，保證萬(wàn)向輪在墻體內(nèi)的轉(zhuǎn)向不與腔體發(fā)生摩擦碰撞。底板上存在有三個(gè)外殼安裝的卡扣插入孔，其一孔設(shè)置得較大，使得在安裝外殼時(shí)便于卡扣梁的插入，減少其彈性變形。另外底板上方的凸起與3mm小孔為對(duì)應(yīng)尺寸硬件模塊的定位輔助機(jī)構(gòu)。4.4驅(qū)動(dòng)組件4.4.1步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件，由于是以脈沖驅(qū)動(dòng)，很適合數(shù)字或微型計(jì)算機(jī)來(lái)控制，因此可把他當(dāng)做一種基于脈沖控制的數(shù)字元件[6]。本次設(shè)計(jì)采用的28BYJ48步進(jìn)電機(jī)尺寸與建模如圖4.4.1所示。圖4.4.1步進(jìn)電機(jī)尺寸及去線建模圖4.4.2電機(jī)安裝板組件因所選電機(jī)無(wú)配套的安裝機(jī)構(gòu)，需根據(jù)電機(jī)4.2mm安裝孔設(shè)計(jì)電機(jī)固定安裝支架，建模如圖4.4.2，以M4內(nèi)六角螺栓、M4螺母連接電機(jī)和安裝板。圖4.4.2電機(jī)安裝板組件4.5涵道風(fēng)扇組件本次設(shè)計(jì)所選POWERFUN牌的50mm-11葉涵道風(fēng)扇，涵道風(fēng)扇與無(wú)涵道旋翼相比，涵道對(duì)槳葉起到一定的保護(hù)作用，具有安全性高、結(jié)構(gòu)更加緊湊、氣動(dòng)效率高及噪音低等特點(diǎn)[7]，本次設(shè)計(jì)所選POWERFUN牌的50mm-11葉涵道風(fēng)扇實(shí)物如圖4.3.1所示，可提供最大970g推力。圖4.5.1涵道風(fēng)扇實(shí)物圖而其中組件包括有：1、4300KV-4S電機(jī)為負(fù)壓發(fā)生裝置的電機(jī)，最大工作電流為40A，滿(mǎn)載功率達(dá)670W，重57g，搭配1800MAH25C電池組?？蘸狼惑w外徑為55.4mm、內(nèi)徑51.4mm，采用PA66工程塑膠材料，涵道包裹運(yùn)作的漿葉，除具有上說(shuō)到的優(yōu)點(diǎn)外，對(duì)于本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人還有減少器件間的物理干涉、降低機(jī)器人運(yùn)作的危險(xiǎn)性等。導(dǎo)流圈最大直徑為63mm，其引導(dǎo)氣流適應(yīng)負(fù)壓腔，減少風(fēng)力的損失，另外槳葉直徑為50.7mm的11葉風(fēng)扇葉為產(chǎn)生風(fēng)力的主要結(jié)構(gòu)。涵道風(fēng)扇組件相關(guān)建模圖如下：圖4.5.2涵道風(fēng)扇組件建模圖4.5.3涵道風(fēng)扇裝配4.6其他組件4.6.1涵道風(fēng)扇裝夾套因涵道風(fēng)扇裸露的電芯電機(jī)不能設(shè)置安裝架，為固定涵道風(fēng)扇，需要一個(gè)裝夾結(jié)構(gòu)，選擇對(duì)涵道外壁進(jìn)行套裝，通過(guò)伸出與底板安裝柱臺(tái)進(jìn)行螺栓連接，裝夾套內(nèi)徑為54.2mm，外徑為60mm，通過(guò)M4螺栓與螺母配合與底板固定連接。因?yàn)檠b夾套在涵道風(fēng)扇工作時(shí)承受推力，若進(jìn)行3D打印應(yīng)選擇輕質(zhì)鋁合金材料。圖4.6.1裝夾套4.6.2聯(lián)軸器考慮到機(jī)器人在工作過(guò)程中有一定負(fù)載，直接用電機(jī)伸出軸連接輪轂會(huì)使中心孔受力過(guò)大，因此根據(jù)電機(jī)伸出軸選用5mm六角聯(lián)軸器，配合M4螺栓進(jìn)行電機(jī)伸出軸的固定連接。而輪子是選用寬度為27mm，外徑為66mm的玩具橡膠輪子，通過(guò)中心外孔用M4內(nèi)六角螺栓與聯(lián)軸器連接。圖4.6.2聯(lián)軸器建模4.6.3萬(wàn)向輪在本次設(shè)計(jì)中，作為從動(dòng)輪的萬(wàn)向輪主要提供支撐、輔助變向功能，在機(jī)器人吸附墻體工作時(shí)不能提供較大的靜摩擦力。圖4.6.3萬(wàn)向輪組裝4.6.4車(chē)體外殼車(chē)體外殼高度約為57mm，上方有涵道風(fēng)扇的伸出口，這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)保證出風(fēng)口的暢通，提高涵道負(fù)壓發(fā)生器的性能和效率。外殼上設(shè)有卡扣，卡扣是連接件上的一種結(jié)構(gòu)形式，與螺釘相比，不需要額外配對(duì)螺母或加工設(shè)計(jì)件螺紋[8]。如圖4.6.4所示。圖4.6.4小車(chē)外殼建模4.7本章小結(jié)本章簡(jiǎn)單介紹了Proe建模軟件，并在該軟件上進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)建模，闡述了各機(jī)器人各個(gè)組件的使用及安裝，羅列出主要組件的建模圖片。5仿真設(shè)計(jì)5.1運(yùn)動(dòng)仿真準(zhǔn)備在3D模型的設(shè)計(jì)當(dāng)中，進(jìn)行零件配合的檢查是排除機(jī)械結(jié)構(gòu)間的干涉的重要步驟，而在運(yùn)動(dòng)仿真之前，應(yīng)先行考慮機(jī)器人組裝后尚未投入工作時(shí)零件之間的靜態(tài)配合，而Proe軟件當(dāng)中有內(nèi)置的干涉檢查功能，主要步驟如下：打開(kāi)總體裝配圖后，點(diǎn)擊分析欄，選擇【模型】-【全局干涉】；在彈出的窗口中將【包括面組】選項(xiàng)打開(kāi)；點(diǎn)擊預(yù)覽按鈕按鈕；在點(diǎn)擊預(yù)覽之后，若零件間出現(xiàn)干涉，會(huì)在信息提示欄里顯示，點(diǎn)擊零件編號(hào)，模型中被加亮的特征即為互相干涉零件。圖5.1.1靜態(tài)干涉檢測(cè)步驟而本次機(jī)器人模型設(shè)計(jì)檢測(cè)當(dāng)中，出現(xiàn)了螺栓、螺母、孔之間的干涉，如圖5.1.2。據(jù)此的分析為：在本次三維建模中，螺栓與螺母間只保證了節(jié)距與截面的正確性，沒(méi)有進(jìn)行緊固件數(shù)據(jù)的精確傳輸，而這也符合在實(shí)體裝配中，所配螺栓與螺母并非精準(zhǔn)配套，螺紋緊固件均存在無(wú)法避免的干涉，因此建模中規(guī)格相符的螺紋緊固件存在干涉是常見(jiàn)的。逐個(gè)排查后，機(jī)器人無(wú)其他零件間的干涉。5.1.2靜態(tài)干涉結(jié)果5.2Proe中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行圖像、技術(shù)參數(shù)進(jìn)行輸出，是非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì)步驟。在制造和成型過(guò)程中有許多的缺陷我們無(wú)法預(yù)測(cè)，單單進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都會(huì)大大增加成本和延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，然而計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)與數(shù)字化模擬成型技術(shù)給我們的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了很大的便利[9]。其可在計(jì)算機(jī)上檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的缺陷，及早發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行模型修改，為研發(fā)、制造人員對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的模型制造節(jié)省了時(shí)間精力，毋需從產(chǎn)品樣機(jī)中進(jìn)行檢測(cè)分析，有助于縮短投入生產(chǎn)使用所需的時(shí)間，大幅度提高工作效率。而本次設(shè)計(jì)中主要對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行模擬，而Proe軟件當(dāng)中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真、干涉檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)軌跡等模擬。5.3機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真本文對(duì)材料校核、環(huán)境因素的涉及較少，主要驗(yàn)證機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可行性和硬件間的干涉情況，因此用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢測(cè)即可，大致步驟如下：（1）導(dǎo)入組裝圖，此處應(yīng)注意的是步進(jìn)電機(jī)伸出軸、萬(wàn)向輪軸應(yīng)與其本體分開(kāi)建模然后組裝，定義為銷(xiāo)釘連接約束，在動(dòng)態(tài)仿真中應(yīng)留有機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的自由度，此外還應(yīng)在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪相距的中點(diǎn)建立基準(zhǔn)點(diǎn)，再通過(guò)槽連接功能與運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行機(jī)構(gòu)連接而非約束；（2）點(diǎn)擊應(yīng)用程序欄，選擇【機(jī)構(gòu)】進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊；（3）對(duì)驅(qū)動(dòng)輪、萬(wàn)向輪、涵道風(fēng)扇葉片、運(yùn)動(dòng)軌跡起始點(diǎn)加入伺服電機(jī)定義，根據(jù)右手定則設(shè)置機(jī)器人前進(jìn)時(shí)的機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)方向、運(yùn)動(dòng)軸設(shè)置為速度，模選擇常數(shù)50，而在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，轉(zhuǎn)彎方向的伺服電機(jī)定義模數(shù)的設(shè)定應(yīng)相對(duì)上調(diào)；（4）通過(guò)快照模塊查看機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)情況，無(wú)誤后進(jìn)行主要運(yùn)動(dòng)部件的分析定義，使用回放模塊進(jìn)行部分碰撞檢測(cè)，設(shè)置為碰撞時(shí)動(dòng)畫(huà)結(jié)束，將相關(guān)螺紋緊固件除外，選擇主要的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。而本次機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果理想，回放正常。圖5.3.1進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊圖5.3.2轉(zhuǎn)彎軌跡的伺服電機(jī)定義圖5.3.3左轉(zhuǎn)時(shí)左輪的伺服電機(jī)定義圖5.3.4分析定義設(shè)置圖5.3.5直線運(yùn)動(dòng)仿真圖5.3.5曲線運(yùn)動(dòng)仿真5.3本章小結(jié)本章主要作所設(shè)計(jì)機(jī)器人的建模仿真分析，通過(guò)Proe內(nèi)置的全局干涉功能檢測(cè)機(jī)器人建模的結(jié)構(gòu)是否合理，再由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊的碰撞檢測(cè)功能對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的主要組件進(jìn)行干涉分析。6結(jié)論6.1設(shè)計(jì)的總結(jié)本文為保證爬墻機(jī)器人工作運(yùn)行在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可行性，從機(jī)構(gòu)方面研究了一種以涵道風(fēng)扇為負(fù)壓發(fā)生裝置的單負(fù)壓腔體爬墻機(jī)器人，驗(yàn)證機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性。論文研究成果總結(jié)如下：符合設(shè)計(jì)要求，選擇三輪布置的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)置萬(wàn)向輪為從動(dòng)輪，并配合兩個(gè)獨(dú)立步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行控制，賦予所設(shè)計(jì)爬墻機(jī)器人在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的可操作性與靈活性，而且硬件結(jié)構(gòu)上用料的減少，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附功能，同時(shí)達(dá)到的經(jīng)濟(jì)性目的。根據(jù)器件的使用和布置，設(shè)計(jì)出機(jī)器人主體、相關(guān)安裝機(jī)構(gòu)、外殼等機(jī)械零件，對(duì)負(fù)壓腔與壁面的接觸面積和高度進(jìn)行了一定范圍內(nèi)的控制，為相關(guān)密封措施提供便捷，增加了負(fù)壓腔的利用率以提高吸附性能，同時(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，確保了硬件的固定安裝和正常使用。通過(guò)Proe三維軟件對(duì)機(jī)器人的仿真，驗(yàn)證了機(jī)器人的內(nèi)部硬件干涉?？偟膩?lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)成功設(shè)計(jì)出一種爬墻機(jī)器人的合理結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、吸附功能的實(shí)現(xiàn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上是可行的，總體裝配無(wú)突出干涉，硬件布置安排較為合理，而在研究的知識(shí)收益上也深入接觸到了爬墻機(jī)器人工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。6.2不足之處本次設(shè)計(jì)中存在很多未涉及到的相關(guān)知識(shí)原理，相信如果在時(shí)間和資金充足的情況下，能有更佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和拓展度更高的結(jié)構(gòu)優(yōu)化考慮。就機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下未涉及到的研究方向和欠缺考慮的不足之處：（1）在缺少樣機(jī)調(diào)試的環(huán)節(jié)下，機(jī)械結(jié)構(gòu)上無(wú)具體談?wù)摰讲牧戏较蛏系难芯?，?yīng)該配合材料的性能與結(jié)構(gòu)上力學(xué)的分析校核進(jìn)行機(jī)構(gòu)合理性驗(yàn)證。（2）在運(yùn)動(dòng)力學(xué)方向上無(wú)具體的分析計(jì)算，從而無(wú)法從整體上驗(yàn)證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力。6.3展望在今后的研究或者修改工作上，應(yīng)結(jié)合不足之處展開(kāi)，爬墻機(jī)器人涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、控制原理、電路設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域，機(jī)與電配合要求較高，是一個(gè)很值得不斷深究的交叉領(lǐng)域研究課題。本人也希望通過(guò)對(duì)此課題的研究，實(shí)現(xiàn)知識(shí)水平和能力上的自我增值，定會(huì)以虛心誠(chéng)懇、積極進(jìn)取的姿態(tài)接受建議和思考學(xué)習(xí)。參考文獻(xiàn)[1]孫錦山.氣動(dòng)爬壁機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)的研究[D].浙江工業(yè)大學(xué),2006.6.[2]趙興飛.氣驅(qū)爬壁機(jī)器人理論于實(shí)驗(yàn)的研究[D].重慶大學(xué),2004.6.[3]魏武,蔡釗雄,鄧高燕.基于耗能目標(biāo)優(yōu)化的多足爬墻機(jī)器人足力控制研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2012,23(9):1289-1295.[4]齊曉龍.負(fù)壓吸附式爬墻機(jī)器人關(guān)鍵參數(shù)確定方法的研究[J].甘肅電氣工程學(xué)院,2018(4):58.[5]景江紅,盧啟勇,陳杰.伯努利原理在生活中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2020(03):27-28.[6]李毅航,劉權(quán)兵,徐重瑤,張國(guó)為.步進(jìn)電機(jī)控制器[D].長(zhǎng)春工程學(xué)院,2011.7.[7]叢偉.涵道風(fēng)扇的氣動(dòng)特性與優(yōu)化研究[D].南航航空大學(xué),2013.7.[8]陳燕.塑料卡扣設(shè)計(jì)研究及CAD應(yīng)用模塊開(kāi)發(fā)[D].江南大學(xué),2006.6.[9]呂雪,牛海霞.基于Pro/E的清潔機(jī)器人爬壁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].黃河科技學(xué)院學(xué)報(bào),2019,21(05):52-54.[10]孫立新,楊興宇,楊改文,高菲菲,王傳龍.基于負(fù)壓吸附的船體清刷機(jī)器人研究[J].機(jī)床與液壓,2019,47(17):56-59.[11]肖世貴,章亞男,沈林勇,宋薇,錢(qián)晉武.一種雙體負(fù)壓吸附爬壁機(jī)器人的研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2018,31(06):85-87.[12]QiangZhou,XinLi.Experimentalinvestigationonclimbingrobotusingrotation-flowadsorptionunit[J].RoboticsandAutonomousSystems,2018,105.[13]劉明芹,戴永雄,黃文攀.小型吸附式爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及平衡性[J].機(jī)械設(shè)計(jì)及制造,2011(5):146-148.[14]王園宇,武利生,李元宗.壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)淺析[J].引進(jìn)與咨詢(xún),2002(4):3-4.[15]孟憲宇,董華倫.爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及曲面磁力吸附關(guān)鍵技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化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lstoragetanktospraypaint,sandblasting,aswellaswithautomaticdetectionsystemtotestthetankwallthickness.Developedin1997'sdetectionofwaterwallclimbingrobot,acircularpermanentmagnetadsorptionblockinconformitywiththetankwallarc,improvetheadsorptioncapacity,andimprovetheefficiencyoftheoperation.Shanghaiuniversityalsoconductedearlytallwallcleaningrobotresearch,successivelydevelopedaverticalwallclimbingrobotandsphericalwallclimbingrobot.Thesphericalwallclimbingrobotadoptsmanysuckers,negativepressureadsorption,6footindependentdrivinglegfeetwalkingstyle,canbeusedfordifferentradiusofcurvatureofthesphericalouterwallsince1996,theBeijinguniversityofaeronauticsandastronauticshassuccessfullydevelopedWASH2MAN,CLEANBOT1,SKYCLEAN,"hangingbaskettypewindowrobot"and"LanTianJietreasure"curtainwallcleaningrobotprototype.Forallthewindowisbrushedpneumaticrobot;Hangingbaskettypecleaningrobot,therobotdependsontheroofofthesafetylinetraction,attachedwiththenegativepressuremadebyfanrobotonthewallintheapplicationbackgroundofnationalgrandtheatreellipsoidceilingcleaningdevelopedsuitableforcomplexcurvedsurfacefromclimbingrobotprototype,theclimbingmechanism,mobilemechanism,cleaningrobothasmanysimilarities,butduetoitsspecialworkingenvironmentandmissionrequirements,intermsoftheoryandtechnologyhassomeparticularity.4.Thekeytechnologyofrobot:4.1adsorptionmechanism,adsorptionmechanismofactionistoproduceanupwardforcetobalancethegravityoftherobot,keepitonthewall.Currently,magneticadsorptionmethodsmainlyincludevacuumnegativepressureadsorption,adsorption,propellerthrustandbinderetc.Severalways.Duetotheadsorptionmethodseachhavelimitations,climbingrobotdevelopedbyoftentargetedstrong,appliesonlytoaspecifictask,difficulttogeneralize.Robotdesignneedtoworkontask,environment,choosetherightmeansofadsorption.Inrecentyears,peoplethroughthestudyoftheadsorptionmechanismofgeckoreptilessuchasthesolesofyourfeet,makingthepolymersynthesisofviscousmaterial,theuseofvanderWaalsforcebetweenthemoleculesandmolecularmaterials,canbeobtainedonthecontactareaofsmallhugeadsorptioncapacity,andhastheadvantagesofadsorptionhasnothingtodowiththesurfacematerialproperties.Shortlifebutatthemoment,theuseofthesematerials,theuseofacertainnumberoftimesafterloseviscosity,practical,needfurtherstudy.4.2mobilemechanismandmotioncontrolsystem:mobilemechanismandthemovementcontrolsystemofrobotwhichmajorwheeledmobilemechanism,morefoottype,suchascaterpillar,amongthem,thewheelandfoottypewhichhasbeenwidelyused,caterpillarmuchformagneticadsorptionmethod.Obstacleabilityiswallrobotwhichusedtoanimportantindicatorofperformance.Whenworksurfaceisconvex,groove,therobottogothroughtheseobstacles,wemusthaveenoughobstacleability.Allkindsofmobilemechanism,morefoottyperobotobstacle-navigationabilityisstronger,itseachlegsmallsuctioncupisplaced,whenfacedwithobstacles,cancontrolthe"leg",makethesmallsuctioncupacrosstheobstaclesonebyone.Wallmobilemechanismoftherobotcanmaketherobotonthepremiseofreliableadsorptioncanmoveonthewall.Duetotheparticularityofclimbingrobotworkinginwall,mobilemechanismandadsorptionmechanismexistscoupling,whichbroughtsomedifficultiestotherobot'smotioncontrol.Thanclimbingrobotsuckerfoottypeandlegswithasuctioncupattheend,everymovealegneedstobedone"toeliminatesuction-leg-Wallaceleg,leftleg-generateadsorptionforce"aseriesofactions.Inthisprocess,therobotmobilemechanismoftheactionshouldcoordinatewitheachother,andtheadsorptionmechanismtotoguaranteetheflexiblemobilerobotonthewall.Inaddition,thereisalsoamobilemechanismandadsorptionseparation,suchassinglesuctioncups,robotsuckeradsorption,sustainablecontinuousmovementofdrivingwheelmobilerobot,motioncontrolisrelativelysimple.Energysupplyanddrivemode:4.3thedrivingmodeofenergysupplyandenergysupplywaywithpeopleviathewirelineforthemachinetoprovideenergysuchaselectricity,gas,alsohasabuilt-inbattery,cylindersandsoon.Drivewaysmainlyhavethepneumaticmotorandotherseveralways.Climbingrobotisdesignedtoadopthighefficiencyqualitythandriveandsourceofpower,especiallythewirelesscontrolcases.Usingmotordrive,energysupplymainlyincludepolymerlithiumbattery,nickelmetalhydridebatteries,electrochemicalbatteriesandfuelcells.Inaddition,duetotheenergyofinternalcombustionengine--gasoline,hydrogenfuelcanhavehigherweightratio,suchasadvancedmicrointernalcombustionenginecanalsobeappliedtotheclimbingrobot.Safetyproblems:4.4therobotbyinterference,environmentalchangecircumstances,howtoensurethesafetyoftherobotisattachedtothewallwithoutfalling,fallingorafterhowtominimizethedamageoftherobot.Thepastbuildingscleaningclimbingrobot,developedbymostusedbyincarryingthecaratthetopofthetower,hoistingandwireropeofinsurancesystemontherobot.Robotforsomeotherpurposes,suchasdetectionwithsmallclimbingrobot,thegoalisnotsure,cannotusetheropewayofinsurance,soneedtostudynewwaytopreventfalling.Couldconsiderusingaparachute,smallpowerintoapulp,fastsu