爬壁机器人的研究的报告.docVIP

研究报告 立项背景 近几年来，机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。其中，爬壁机器人（Wall Climbing Robot，WCR）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，越来越受到人们的重视。 概括起来，爬壁机器人主要用于： (1)核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等； (2)石化企业：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、测量和保养； (3)建筑行业：用于对巨型壁面的喷涂，玻璃壁面的清洗，磁砖安装，桥梁探伤等； (4)消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作； (5)造船业：用于喷涂船体的内外壁等。 国内外现有爬壁机器人的壁面吸附方式主要包括：负压吸附、真空吸附、磁吸附、气体推力吸附、粘性吸附和仿生学吸附等。 负压和真空吸附方式具有不受壁面材料限制、适用范围广等特点。但当壁面凹凸不平时，吸盘容易发生气体过量泄漏，导致吸附力不足，减低爬壁机器人的承载能力，甚至使爬壁机器人从壁面跌落。 磁吸附有永磁和电磁两种方式，但要求壁面必须是导磁材料，主要特点是吸附机构较简单，产生的吸附力远大于负压和真空吸附，也不存在漏气现象，对凹凸不平壁面的适应性较强。 气体推力吸附是利用与壁面成一定角度的气体推力使爬壁机器人贴紧壁面，结构简单，但效率低，受环境影响大，而且控制不易。 粘性吸附和仿生学吸附（仿壁虎）虽然他们的灵活性强，体积小，但是他们的吸附性差有待提高，所以注定载重量小。 爬壁机器人的运动机构主要有足式、框架式、履带式及轮式等。 足式和框架式动作灵活，具备一定越障能力，但移动速度较慢，机构设计和运动步态规划比较复杂； 履带式爬壁机器人的壁面吸附力较大，移动速度较快，但调整姿态比较困难； 轮式运动机构的主要特点是机构简单、移动速度快、控制灵活方便，但由于一般采用带滑动式吸盘（Sliding Suction Cup，SSC）作为吸附装置，受壁面环境影响较大且对滑动式吸盘的滑动密封性能要求比较高。 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。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和高层居民对家中窗户的清洗为例,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。 以此为背景,设计出一种能在多种壁面上行动的小型爬壁机器人的。 研究过程 在设计爬壁机器人之前，研究人员了解了一些爬壁机器人的吸附特性：如磁力吸盘爬壁机器人吸附力目前最大，但是只能用于导磁金属壁面上，而对普通玻璃墙壁无法适用；负压吸附力大，但当壁面凹凸不平时，吸盘容易发生气体过量泄漏而许多大型悬挂式清洗机器人要求有楼顶悬挂机构； 气体推力效率低；粘性吸附和仿生学吸附载重量小。为了载重量大，吸附力强，所以最后决定在吸附套件方面选用磁吸附和负压吸附两种，这样可以应对更多的壁面。 对于爬壁机器人的运动机构选择，研究人员采取了几种方案来设计： ①履带式，把真空吸盘和电磁铁如坦克履带一样排列（结构类似图2-1,2-2）达到吸附壁面的目的。 （2-1） （2-2） 但是在设计完成实验过程中发觉把吸盘这样排列机器人的行进会很慢，体积会很大；而电磁铁这样排列的话，重量会很大，就背离了我们制作小型爬壁机器人的初衷。 ②框架式，把真空吸盘和电磁铁分别安装于框架上（图2-3） （2-3） 但是这样移动速度较慢，机构设计和运动步态规划比较复杂，在实际应用中如果损坏修复麻烦。 ③底盘式和履带式结合，把真空吸盘和电磁铁安装于底盘（图2-4），过电机驱动履带使吸附套件和壁面形成滑动摩擦，从而稳步移动。这样就具有了壁面吸附力较大，移动速度较快，具备一定越障能力的特点。 结构参数 ㈠、结构描述 履带坦克车底盘1底板上装有两套吸附装置，每套吸附装置由吸盘式电磁铁3和真空吸盘2组成，且两套吸附装置呈倒三角的方式排列。履带坦克车底盘1内左右各装有一个微型真空泵6和电池盒4。真空吸盘2与微型真空泵6连接；履带坦克车底盘1两边分别连接有电机驱动履带5。 本发明的爬壁机器人通过吸附套件来达到在垂直墙壁上攀爬的遥控机器人。它一共有两套吸附装置：一套是通过吸盘式电磁铁3吸附导磁性壁面达到爬壁的功能；另一套是通过微型真空泵6连接真空吸盘2，对吸盘内部进行抽气形成负压吸附，使机器人吸附在光滑壁面（玻璃，瓷砖，油漆粉刷过的光滑壁面等）。当机器人开启吸附套件后，吸附壁面。通过电机驱动履带5使吸附套件和壁面形成滑动摩擦，从而稳步移动。 在机器人的制作过程中为了减轻自身的重量就决定不使用铁铝合金等金属制作的机器人底盘