《机械原理课程设计》外墙粉刷机器人设计

《机械原理课程设计》外墙粉刷机器人设计
摘要：本项目聚焦于危险环境下机器人的设计制造，为了应对垂直墙壁粉刷工作的安全隐患、缓解劳动力不足问题以及提高粉刷效率、降低粉刷成本，我们设计了高性能垂直墙壁粉刷机器人来代替人类进行垂直墙壁粉刷工作。

垂直墙壁粉刷机器人为负压吸附与正压推进结合的轮式机器人。

机器人的螺旋桨为高强度碳纤维材质，腿部结构及部分固定框架为密度较小的铝合金材质，整体重量较轻。

机器人整体外观为圆形，中心处底端为多个伯努利吸盘，其上安置了电机通过将上方及四周空气吸入，在底部高速释放，形成负压区，由内外压强差提供吸附力。

关键词：外墙粉刷机器人，伯努利吸盘，切尔雪夫连杆，四杆机构运动
0.前言
在各类复杂工程实践中，由于通用设备的局限性，机械装置与作业对象的对接存在：进不去、够不着、接不上等困境，极大地影响工程进度和质量。

因此亟需有针对性地设计在各种特殊工况下使用的各类特种机械，或机器人，作为特种辅助工具又快又好地完成预定工作任务。

因此本项目聚焦于危险环境下机器人
的设计制造。

近几十年来，高空作业一直位居全球最危险职业列表前列。

高空工作者时刻面临着高空坠落（安全带脱落、安全绳丢失、梯子不稳定、悬绳老化断裂）；触电（带电进行作业或不慎接触高空工作电源系统线路）；物体打击（作业工具、材料坠落对下方人员造成伤害）等危险。

同时由于该项工种的危险性，有意愿从事高空作业的工人越来越少，高空作业的人力成本也因此逐年攀升。

于是，使
用高空作业机器人替代人来执行作业已经成为一个必然的趋势。

本机器人旨在进行高空粉刷作业，以替代人工并减少随之而来的风险，从而在保证粉刷质量的同时减少各类损失。

1.外墙粉刷机器人设计思路
为了应对垂直墙壁粉刷工作的安全隐患、缓解劳动力不足问题以及提高粉刷效率、降低粉刷成本，我们设计了高性能垂直墙壁粉刷机器人来代替人类进行垂直墙壁粉刷工作。

垂直墙壁粉刷机器人为负压吸附与正压推进结合的轮式机器人。

机器人的螺旋桨为高强度碳纤维材质，腿部结构及部分固定框架为密度较小的铝合金材质，整体重量较轻。

机器人整体外观为圆形，中心处底端为多个伯努利吸盘，其上安置了电机通过将上方及四周空气吸入，在底部高速释放，形成负压区，由内外压强差提供吸附力。

2.机械结构
(1)伯努利吸盘
由流体力学可知，流体在流动过程中遵循能量守恒定律，即流速大的地方压强小。

伯努利吸盘工作原理如图1所示。

一定压力的空气从吸盘进气口流入，从环型的微小喷嘴高速喷出。

利用环型喷嘴沿吸盘锥形内壁喷出的高速气流使吸盘中心产生负压，在外界大气压力的作用下，对工件产生向上的吸附力。

高速气流从吸盘与工件的间隙向外排出，使吸盘与工件保持一定的间隙，实现非接触抓取。

图1 伯努利吸盘工作原理图
(2)切比雪夫连杆
移动机构是各种机器人的最基本、最关键的部分。

本机器人采用四足轮式结构，利用切比雪夫多杆机构的原理，通过电机驱动实现行走，其整体结构紧凑、轻便，制作成本低，控制相对简单。

本机器人的核心技术是切比雪夫连杆机构。

现考虑典型的四杆切比雪夫机构，可简化看为一种曲柄摇杆机构。

如图所示，杆
1 是固定杆，杆
2 是摇杆，杆
3 是摆杆，杆
4 是曲柄。

主动杆为杆4，可360 旋转，输出杆是摆杆3，延长摆杆3 到一定长度，研究摆杆3 的运动轨迹。

其运动轨迹为扇形，当运动至最低点时接触地面，当运动至最高点时离开地面，从而实现步进效果。

通过调整杆件的长度，能得到不同的跨步轨迹。

通过分析着地支点
轨迹，合理地选择并调整杆件的长度，优化支点的运动轨迹。

机构跨步动作的详细分析: 在主动旋转臂的带动下，杆 3 来回摆动，着地点 A 的运动轨迹是一个扇形。

着地点运动轨迹分成最高点、最低点、升程、回
程四大部分。

轨迹为最高点时，杆 4 与杆 1 重合，杆 4 与杆 1 长度相加组成三角形的一条边，杆 2 为另一条边，杆 3 结点以上的部分为三角形的最后一条边。

轨迹为最低点时，杆 4 与杆 1 重合，杆 4 与杆 1 长度相减组成三角形的一条边，杆 2 为另一条边，杆 3 结点以上的部分为三角形的最后一条边。

升程: 最高点到最低点的轨迹。

回程: 最低点到最高点的轨迹。

因此要实现步进，每次移动的应为异侧的前腿和后足，即令左前足和右前足的主动旋转臂反向放置，同向转动；后足同理，从而实现平稳步进。

本机器人在简单切比雪夫连杆装置的基础上作出改进，加入腿轮式设计。

其腿部机构由连杆和从动轮组成，从而实现类似于人的溜冰运动，即依靠连杆的协调摆动来带动从动滚轮在地面上滑动和滚动，利用滚轮上受到的摩擦合力驱动机器人前进。

由于采用从动滚轮，因此省去了滚轮上的制动与转向部分，简化了滚轮部分的机构。

图2 典型的四杆机构运动
四杆机构的自由度计算如下：
F = 3n ( 2 P l + P h)
F = 3 x 3 2 x 4
F = 1
由自由度公式计算得四杆机构的自由度为1，有确定的运动。

(3)传感器
在垂直壁粉刷机器人的底盘外圈安装激光测距传感器、环境光传感器、超墙声波测距传感器和陀螺仪。

激光测距传感器通过传感器采集机器人底部与墙壁表面的距离信号，通过采集的时间信号长短判断运动方向前方是墙壁的边缘还是拼接棱。

根据激光测距传感器采集的信号，粉刷机器人可在单片机控制下实现运动至预定工作初始坐标并
减速、跨越拼接棱、在到达墙壁边缘后转向等动作。

陀螺仪检测运动速度方向与重力方向间夹角，判断该机器人运动是否平行于墙面并与地面保持垂直；并由单片机控制，通过算法调整四足的工作状态，对该
机器人运动方向进行纠偏，确保其不偏离预定的粉刷轨道，避免掉落风险。

运动方向前后2 只环境光传感器和超声波传感器。

前者通过比较粉刷前后的墙面反光效果判定粉刷效果。

若反射光强度变化不大，则本次粉刷不达标，机器人在粉刷工作结束后报警，提醒工作人员对粉刷区域进行检测，重新进行
粉刷
工作。

后者通过检测喷涂厚度和墙壁平整度从而检测喷涂粉刷效果。

(4)喷头
喷刷头部是由四个喷嘴和两个滚刷组成，设置多个喷嘴可以有效地将涂料均匀涂抹在滚刷上，粉刷出均匀平整的墙壁。

并装配有加压装置，即液压缸和染料箱。

在液压缸的推力作用和箱体的辅助导向作用下，控制液压杆推出，将料箱底部向前推动，箱内涂料被挤出。

粉刷的厚度由单位时间内的涂料挤出量控制，料箱内的涂料挤出的多少由液压杆的推力决定，而推力可由液压系统内的压力控制，而这有利于该装置的机械化及自动化。

(5)辅助螺旋桨
由中心向外延伸，四周为均匀分布的位置固定的四个圆形框架，框架中配置多自由度螺旋桨。

螺旋桨整体可以绕固定轴进行360 度旋转。

螺旋桨不仅可以通过旋转施压为机器人提供吸附力，还可以整体转动协助机器人转向与越障。

在螺旋桨之间插空均匀分布着机器人的四条机械腿，实现便捷转向。

考虑到粉刷时可能需要进行图案的绘制，因此转向微调十分重要，但是考虑到腿足式底盘运动幅度较大，因此补充螺旋桨进行姿态位置的微调。

3 总结
传统负压吸附机器人虽然负载能力强，但对于壁面情况要求比较高，可能出现泄露情况；负压推进型机器人虽然可以提供稳定的推力来确保机器人的稳定但其负载能力较差。

而我们设计的机器人结合了负压吸附与正压推进，以负压吸附
为主，正压推进为辅，确保机器人吸附在壁面上，同时保证了机器人具有较强的负载能力。

相比于履带式机器人转向困难，框架式机器人的壁面工作局限性，以及传统车轮式机器人越障能力差，我们设计的机器人具备可绕墙面进行 360 度转动的车轮，转向灵活。

此外，机器人四周分布的螺旋桨也可绕固定轴进行 360 度旋转，覆盖机器人运行的各个方向。

通过改变螺旋桨的转动方向，便可实现机器人的灵活避障。

本设计通过多传感器融合，使得机器人可以更准确的知道自己所处的位置以及，并且可以知道需要执行哪一步任务，实现全自动化，减少人为干预，可以更加快速的完成粉刷任务。

相比传统人工粉刷，机器人底部可通过其搭载了超声波传感器，精确检测喷涂厚度以及壁面平整度，实现喷涂工作的数字化，精细化。