设计说明书

图一 1、机械臂整体设计
攀爬式探测机器人整体外观
本仿生攀爬机器人的墙面移动系统为四足行进控制。 机器人腿部为连杆机构， 如图二所 示。其腿部结构尺寸为：大臂 80mm、小臂 70mm、腕部 50mm，每一部分都可以以一定角度转
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动，大臂沿着自身轴心转动，中臂绕着 O1 转动，小臂绕着 O2 转动，初始吸盘吸附时腿部状 态。大臂与机器人躯体相连，通过躯体内部电机控制大臂旋转角度和旋转速度。小臂与大臂 相连，由大臂内电机通过齿轮转动控制小臂旋转角度和旋转速度。腕部与小臂相连，由小臂 内电机通过齿轮转动控制腕部旋转角度和旋转速度。 腕部底部连接吸盘。 机械臂设计三维图 如下图 2 所示。
十、使用价值及推广意义...........................16
攀爬式探测机器人
一、 作品背景 随着科学技术的快速发展，经济结构及生活水平的大幅改善，机器人在核工业、石化企 业、建筑行业、消防部门、造船等领域均有广泛的应用，自二十世纪六十年代出现以来，一 直受到世界各国的关注，具有广阔的应用前景。本作品是一种集移动、转向、越障、探测功 能于一体的全方位移动多壁面爬行机器人。 本文主要介绍如何利用运动学与动力学原理完成 对爬壁机器人的机构的研究设计。 爬壁机器人具有工作效率高，自动化程度高，操作简单，而且可以完成人类难以完成的 高危险、高难度、高伤害的工作，机器人就是凭借这些特点得以高速发展。 现在建筑物的危险等级（桥梁、房屋等）鉴定过程中都很麻烦，要经过现场勘测，记录 数据和分析数据， 当遇到特殊复杂情况还要请专业人员或邀请专业部门派员参与鉴定。 为此 本小组设计一款可以攀爬竖直墙壁和天花板类表面的爬行机器人， 在室外可以勘测到建筑物 的破坏点，并且可以在相互垂直的墙壁间灵活移动，完成高难度的检测工作。 二、设计背景 1、现有爬壁机器人评述 遍历国内外爬壁机器人的设计理念， 一个壁面移动机器人要完成作业， 首先必须具备两 个基本功能：移动能力和吸附能力，实现这两种基本功能有多种形式。就目前已有的爬壁机 器人来看，移动能力的实现有框架式、腿足式、车轮式、履带式四种移动方式。吸附功能是 壁面移动机器人所特有的功能， 它在机器人和壁面之间产生一个合适的吸附力， 从而保证机 器人在壁面上的可靠移动。吸附能力的实现目前有真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。 不同的吸附方式和移动方式可以组合成不同功能和用途的爬壁机器人， 如单吸盘或多爬 壁机器人、 真空吸附或无密封、 滑动密封负压吸附爬壁机器人， 负压吸附或电磁吸附车轮式、 框架式、履带式、多足式壁面爬行机器人，靠螺旋桨产生推力的推力附着轮式壁面移动机器 人。每一种形式的壁面移动机器人都有其特点，分别适用于不同的场合，选用时需根据具体 的使用条件进行不同的选择。 2、壁面爬行机器人设计面临的几个技术难点 （1）吸附及密封技术：面对复杂的壁面环境，要求吸附机构必须要产生一定的吸附能力， 并能够维持，使机器人能安全可靠地吸附在工作壁面上； （2）移动技术：移动机构要小型，高效，使机器人可以在壁面上移动，并可以灵活自如的
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壁面障碍 由多个脚的反复 步行式 吸附、脱落移动 越障及承载能力强，机 动性较好，具有很强的壁面 适应能力 结构复杂，间歇 移动，速度慢，当足 数，关节多时控制比 较复杂 配置多个车轮， 每 车轮式 个车轮有电机驱动 由电机驱动履带， 履带式 推动机器人前进 速度快，控制简单，容 易转向，壁面适应能力强 接触面积大，承载能力 大，速度快，壁面适应性强 接触面积小，越 障能力差 履带磨损大，结 构复杂，机动性较差， 不易转向 综合比较这几种移动方式，本次设计的爬壁机器人采用步行式。 3.2.3 吸附系统 吸附装置的功能是使机器人可靠吸附于墙面上， 并产生足够的正压力， 使行走机构获得 足够大的摩擦力以避免机器人晃动和打滑。 目前壁面爬行机器人常采用真空吸附、 磁吸附和 推力吸附三种形式。三种吸附方式的优缺点具体比较见下表 2.3。 表 2.3 吸附方式 单吸盘 真空吸附 多吸盘 优点 结构简单，允许有一定程度 的泄露和壁面凹凸 吸盘尺寸小，密封性好，断 电时有一定的冗余度 维持吸附力不需要耗电能， 永磁式 磁力吸附 电磁式 磁性与壁面的离合容易 维持吸附力需要耗电能，电 磁体本身重量很重 推力吸附 无泄露问题，对壁面形状， 材质适应性强，越障容易 控制复杂、 噪声大、 体积大、 效率低，技术还不成熟 安全可靠 吸附方式优缺点比较 缺点 吸盘无冗余性，一旦断电本 体将丧失吸附能力 壁面如有凹凸或裂缝，则将 会有真空泄露 步行时磁体与壁面离合需 很大的力，吸附表面为磁性材料
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弹簧 1
心轴
套
弹簧 3
弹簧 2 钢球
球
通气孔
胶粒 吸盘
图三 腕部剖面图
为了使机器人对各种墙面适应性强，并且吸附能力高，在断电时仍然具有一定吸附力， 不至于机器人滑落。因此采用自助真空的吸盘，在吸盘上布满柔软的胶粒，在吸盘与墙壁接 触时，胶粒产生变形将吸盘与墙壁之间的空气挤出，产生一个高真空度的区域，以获得较好 吸附效果与较高吸附力；当墙壁与吸盘接触处有坑洼时，胶粒会在挤压时自动填充，保证了 很好的真空度。 3、转向系统 本机器人为步行式机器人， 机械臂的收缩伸展实现前进和退回， 又由于吸附方式为吸盘 吸附，所以要想转弯机械手臂可以左右摆动就是前提，由于吸盘与壁面固定接触，所以不能 采用差速器差速，为此本小组设计了十字万向节和连杆机构结合的转向机构（如下图四所 示)，此机构可以实现机械手臂左右O2
图二 机械臂三维图 2、吸附系统设计 腕部连接吸盘， 要实现吸盘在吸附上墙壁后可以很容易的脱离墙面， 必须设计进气装置， 同时要保证吸附牢靠， 因此应防止空气进入破坏吸盘与墙壁之间的真空度； 同时为了减少吸 盘接触墙壁的瞬间的冲击， 因此设计了如图腕部剖切图三所示的腕部结构。 吸盘与立柱间都 开有通孔，并装有弹簧和钢球，当套向下运动，推动钢球向中心运动堵住通气孔，保证吸盘 吸附时内部的真空度，这时弹簧 2 受到压力缓解冲击，吸盘向下运动，吸盘内部是非常质软 的橡胶，外面橡胶硬度大于里面，当期盼接触墙面时，软胶粒变形填补缝隙防止外部空气进 入，保证内部产生足够的吸附力；当套向上运动时，钢球收到弹簧 3 推力向外运动与套内沟 槽配合，这时通气孔打开，外部空气迅速进入吸盘内部，保证吸盘内外气压平衡轻松抬起。
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图四 转向系统 4、探测系统 探测系统由非金属超声波裂纹检测仪和移动伸缩机构组成。移动伸缩机构主要包括滑 台、连杆。滑台用于检测装置的传送，连杆末端负责安放探头。当攀爬机器人停下进行检测 工作时，两侧舱门打开，由滑台将连杆机构送出，连杆机构将探头送到墙壁上与墙壁紧贴， 实现探测，同时将数据传入到探测器进行分析然后通过无线电传出。(检测系统如下图五）
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调节行走的速度和方向，具有较强的越障能力； （3）控制技术：必须保证信号通讯的实时可靠。控制机器人的整体工作，进行故障诊断和 综合管理，实现机器人各个部分的 协调工作和配合。 三、爬壁机器人的本体分析与设计 3.1 壁面爬行机器人总体设计目标 3.1.1 功能设计目标 机器人是高难度复杂的智能化系统， 一般来说包括本体部分和控制系统以及周边辅助部 分。 一套好的机器人系统， 往往是机械本体设计和控制系统设计密切配合、 相互促进的结果。 机械部分既是机器人功能实现的基础， 也是控制系统设计的出发点和主要参考依据。 因此爬 壁机器人的总体设计目标着重考虑以下几点： 移动功能：能够在竖直和水平壁面上自由爬行，可灵活自如地调节行走的速度。 吸附能力： 能够安全可靠地吸附在各种表面材料的壁面上， 如高层建筑全封闭玻璃外墙， 粉墙，漆墙，水墨石墙等。 转向功能：能做到任意方位旋转，有利于机器人的全方位移动。 越障功能：具有一定的越障能力，能跨越台阶和条形障碍物。 控制系统：重量轻、体积小，操作监控方便，运算速度快，保证信号通讯的实时性，可 靠性，能进行多任务的实时处理，满足各项控制的要求，并且可靠性高。 3.1.2 性能指标 主要设计参数和技术指标确定如下： 前进速度：100mm/s 自重：8Kg 载重：30Kg 3.2 机器人本体基本机构分析与设计 爬壁机器人本体是执行墙面移动平台和任务搭载平台， 是机器人壁面爬行系统的核心部 分，要求移动灵活，安全可靠，小巧轻盈，其设计的好坏是评价整个系统性能优劣的重要指 标。 3.2.1 动力驱动系统 机器人的驱动方式可采用气压驱动、液压驱动、电驱动等三种。不同的动力驱动方式具 有不同的特点，选择哪种作为动力源，可以根据应用的场合以及具体的要求来选择。不同驱 动方式的性能比较如下表 2.1 所示。
目录
一、作品背景.....................................1 二、设计背景.....................................1 三、爬壁机器人的本体分析与设计...................2 四、作品特点.....................................5 五、结构设计.....................................5 六、移动步态设计.................................10 七、爬壁机器人力学及动力学分析...................13 八、避障系统.....................................15 九、主要创新点...................................15
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表 2.1 项目 结构重量 控制距离 信号转换 技术成熟性 构造难度 可靠性 可控性 负载能力 气压传动 轻 中短 容易 好 方便 好 一般 一般
各种驱动方式的比较 液压传动 重 短 稍困难 好 一般 好 好 较大 电气传动 一般 不限 很容易 好 一般 好 好 较大
爬壁机器人作为自主移动机器人的一种特例， 应具有较好的灵活性， 一方面要求机器人 载体重量轻， 另一方面要求与周边的环境相对独立。 作为地面设备常用的液压驱动由于结构 较重， 元件密封技术隐患等诸多不利因素不适宜成为高空机器人的驱动方式。 气动系统虽然 具有重量轻，成本低的特点，但由于气体的可压缩性和系统气路上的众多元件，导致系统的 线性度低， 实现系统的精确位置控制比较困难， 系统抗干扰能力差。 相对于气压和液压驱动， 电驱动方式的控制方法成熟， 利用电机的良好控制特性完成机器人的位置和力控制。 电驱动 虽然具有较大的负载能力， 但由于连接件、 紧固件、 支撑件等结构会使得本体比气驱动的重。 本次设计的爬壁机器人目标是适应多种壁面， 具有跨越和转向功能， 能够达到全方位移 动，要求有较高的控制性，因此，选用电驱动的方式作为机器人的驱动方式。 3.2.2 移动机构 爬壁机器人的关键技术主要是爬行机构和吸附机构两大部分。 本体及机械系统设计是壁 面爬行机器人的基础， 它是其它系统的载体和机器人各种动作得以完成的保证。 在进行本体 机械系统设计之前必须确定机器人的移动方式。目前爬壁机器人四种移动方式的特点见表 2.2。 表 2.2 移动 方式 有多层框架组成 框架式 交替移动或转动 固定吸附，吸附能力大， 移动是间歇的，移动 承载能力强，能跨越规则的 速度较慢 概要 移动方式的特点比较 优点 缺点