创新SIT多功能爬壁机器人

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划

项目申报表

者）

兴起于清洁领域。

图5已有专利爬壁机器人

与此同时，如今常用投影设备是固定的，不能全方位全角度摄影与自拍。最近风靡的自拍神器一一自拍杆，也受到距离的限制。该爬壁机器人可在壁面上携带微型摄像头任意行走，自动捕捉识别人脸，图像通过蓝牙自动传输至移动终端设备，带来极大便利。此外在机器人上可配备微型投影仪，通过控制系统输入源文件，经过融合调试，组建成显示系统。随着机器人运动而形成移动的投影，可有效地渲染各种效果。

我们也注意到，墙绘作为建筑物的附属部分，它的装饰和美化功能使它成为环境艺术的宠儿。目前墙绘普遍均由人工绘制而成（如图7），耗时长，对工

人水平要求高。在机器人功能末端上安装可拆卸的颜料绘笔，通过控制系统，在移动终端设备上输入需要的绘画程序，通过控制机器人运动轨迹完成墙绘。

人工与机器特点对比见表1

表人工与机器特点对比

图6人工墙绘

鉴于此，我们小组通过市场调研和论证后决定设计一种高效的便携式多功能爬壁机器人来弥补这方面的空白。

2、研究内容和要解决的问题：

该项目以高层建筑作业比较困难为创意来源，通过真空式主辅双层四吸盘实现真空吸附，可以跨越缝隙，气密性好，安全性高；采用大变形柔性铰链，实现竖直平面至天花板的翻转；通过变速箱减速，由主轴驱动硅胶履带实现灵活运动与转向；该机器人集机械结构，电气控制，终端操纵于一体，是一台机电一体化、自动化、智能化的代表产物，可广泛应用于生活各个方面。

对于普通家庭，可作为清洁利器，能清洁有缝隙的多种壁面，在各个墙面间实现翻转；对于电器爱好者，可作为二次开发的模型，制作出更加便利的产品；对于学校或科普馆，该机器人可用于科普教育，开启学生想象力大门的钥匙；对于高层维护人员，降低高层建筑的作业成本，改善工人的劳动环境的同时提高了劳动生产率；对于产品宣传，移动投影作为“可移动的电视”，给产品润色了许多；同时，作为一款拓展性强大的产品，可以用作摄像、自

拍、墙绘等功能，也可用作监控、壁面检查等安全功能；以求用途广泛，达到更高的实用价值。

表功能简表

国外爬壁机器人的发展概况：

爬壁机器人是一种能够在壁面爬行作业的机器人，过去的几十年里在世界范围内得到迅速发展。早在1966年，大阪府立大学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，这被看作是爬壁机器人研究的开端。而后，日本应用技术研究所研制出了磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。1990年以来，西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所研制出一种6足式爬壁机器人，该机器人为磁力吸附式，具有较大的静载荷，掀起了爬壁机器人在工业上应用的热潮。国外在爬壁机器人的研制和生产上，日本、俄罗斯、美国等国起步较早，早在20世纪70年代开始，这些国家就开始了大量的研究与制造；此后的四十年里，爬壁机器人技术得到了迅速发展，相继研制出了不同种类的样机，大部分已经投入实用。目前这些先进工业国家爬壁机器人技术处于国际先进水平，在部分领域甚至还处于垄断地位。近年来，发达国家纷纷将突破爬壁机器人技术、大力发展爬壁机器人产业作为自己的发展目标之一，并将此产业作为新世纪拉动国民经济增长的重要引擎。

国内爬壁行机器人的发展概况：

和国外相比，国内爬壁机器人的研究起步较晚，应用领域窄，与国外的主

1）采用真空式吸盘结构，内层主吸盘采用三角形最优化的布局结构，在存在壁缝的情况下，能够保证至少有一个工作吸盘处于工作状态，增加了对壁面适应性，使用更安全。

2）采用主辅双层吸盘结构，外层辅助吸盘形成初步真空，三个内层主吸盘在初步真空中进一步形成真空，吸附力增大，气密性提高，大大降低主吸盘因为泄漏而失效的机率，运行更稳定。

3）大变形柔性铰链具有变形大、疲劳强度高等特点，可通过其实现翻转功能,无需任何辅助动力且结构简单，自适应性好，成本低。

项目的技术路线、进度安排及预期成果

1、技术路线：

通过查阅相关资料，将整个设计过程分为方案设计、技术设计和制作调试三个阶段。在产品方案设计阶段，通过市场调研、需求分析、预测及可行性分析，确定任务设计书，根据任务设计书

进行产品功能原理的设计。经过对设计任务的抽象，建立功能结构，将产品设计模块分为吸附系统，运动系统，翻转系统和控制系统等。其主要设计过程如图7。

图7.设计流程图

建立功能结构后，对设计任务进行抽象，确定本质功能，然后建立功能结

构，将复杂的总功能（爬壁）分解成相对较简单、相互联系的分功能（吸附、运动、翻转等），通过以下所述实现各种功能，确定设计方案。

1）吸附功能的实现

吸附功能是爬壁机器人的根本要求。目前吸附方式主要有真空吸附、磁吸附和推力吸附三种方案。每一种吸附方式都有显着的特点和限制条件，与工作环境的要求、壁面的结构形式、材质、高度、表面质量以及几何形状密切相关。所以，吸附方式的选择必须综合考虑上述各种因素的影响，如何求得一个最优解决方案，以及评价标准是我们必须面对的问题。推力吸附利用直升机原理，由螺旋桨产生的高速气流产生始终指向壁面的推力，从而实现了机器人的吸附功能，该吸附机构噪声很大且效率很低，所以首先排除，在真空吸附以及磁吸附之间进行选择。真空吸附与磁吸附优缺点对比见表3。

吸附种类单吸盘真空吸附多吸盘吸附磁吸附电磁吸附

表3 真空吸附与磁吸附优缺点对比

要设计多项关节和肢体，技术要求高。同时驱动装置众多，结构复杂，体积和重量增大，成本大大提

高。此方案结构复杂，操作和控制难度较大，工艺性差, 效率较低。

表4运动方式对比

图10足脚式运动

根据上述要求，通过查找论文等资料建表4,结合实际情况综合考虑，采用

3）翻转功能的实现

方案一：采用电机控制的行星轮式结构，在母机的末端装有伺服电机驱动装置，同时传动出的

动力通过相啮合齿轮及两端的装配形成行星轮机构；子机与母机末端带有连接装置，通过电磁继电器

控制其翻转处的联接，此时还需携带传感器等设备。制作成本高，结构复杂，并且给机器人本身重量

带来负担。如下图11

所示，功能拓展区绕1转动，伺服电机输出动力通过齿轮3与齿轮4啮合，齿轮3在绕2自转的同

时，也绕1公转，形成行星轮机构。