真空吸附式壁面清洗机器人毕业设计.docx

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真空吸附式壁面清洗机器人毕业设计

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。

：

壁面越障；腿式结构；真空吸盘；机构设计；周期性步态

Abstract

Thedevelopmentandapplicationofrobotshaveexpandedourproductioncapacityofthehumanbeings,aswellasemancipatedpersonnelworksinhazardousenvironments,greatlypromotedscientificandtechnologicalrevolutionandhumansocialprogress.Amultileggedwallclimbingrobotwhichbelongstothelimitoftherobot,iswidelyusedincleaning,fireprotection,detectionandotherindustries.

Basedontheexistingdomesticandforeignmobilerobotwallsurfaceontheresearchresultsof.Accordingtothecharacteristicsofthewalloperationadsorptiontechnologytowallrobot,walkingtechnologyisstudiedandanalyzed,andcreativelyputforwardthewallclimbingtechnique,themainresearchworkofthisarticleareasfollows:

Firstly,thehistoricalbackground,theoverallclassificationandcharacteristicsofdomesticresearchonoutersurfaceofthedevelopingsituationandtherobottraces,andlater,summeduptheresearchcharacteristicandthekeytechnologyofwallclimbingrobot.

Secondly,intheendofthispapertherobotconceptdesign,thispaperintroducesUnigraphicsNXmodelandmodelingmethod,andtakingthelegmechanismasanexample,introducestheUnigraphicsplatformofNXpartsandassemblydesign,andsimulationresultsundertheSimulationsimulationplatform.

Again,thispaperclearlyonthewallrobotbasedontheconstraintconditionsandthebasicfunction,carriesontheanalysisandthedesignofwallclimbingrobotgait,elaborateperiodicgaitanditsrealizationways,fullydemonstratedtheperiodicgaitandtheprincipleofrobot.

Finally,basedonthedesignprocessofstructuralparts,consideringtherequirementsoflightweightandsafereliability,adsorption,obstaclecrossingmechanismoftherobotiscarriedonstrengthandoptimizationdesign.

Xxxx；xxx；

第一章绪论…………………………………………………×

1.1课题研究背景、目的、及其意义………………………×

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UnigraphicsNX的三维建模技术……………×

3.1引言………………………………………………………×

3.2UnigraphicsNX简介……………………………………×

3.3UnigraphicsNX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。

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，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1-5ROBINrobot图1-6ROSTAM-IVrobot

如图1-5所示为美国Wichita大学研制用于空间飞行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、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CRAWLER[92]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1-8NERO机器人图1-9SADIE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，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640mmx400mmx180mm。

图1-8NERO机器人图1-9SADIE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ROBUGIV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1-10ROBUGII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，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1.13DTWM双三足步行机器图1.14WZ-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“863”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，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、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，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。

（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