2020年(创新管理)创新SIT多功能爬壁机器人

（创新管理）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

图9 履带运动

方案三：足脚式（图10）：通过动物仿生，设计四足爬行（类似壁虎），需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，采用方案二。

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

附录一：

理论计算与分析

1、大变形柔性铰链的设计与分析

柔性铰链是经过一体化设计和加工并利用材料弹性变形来实现预期运动的具有一定形状的特殊运动副。大变性铰链可由弹性较大的橡胶材料制成,具有无摩擦、变形大、疲劳强度高等特点；而圆角型柔性铰链，链的变形集中在柔性铰链的圆弧部分,该铰链最大变形角α为：

其中，L与C为系数，M为转矩，R为圆角型铰链的半径，t为厚度，b 为厚度，θ为R对应的角度忽略柔性铰链圆弧以外部分的变形，此种方法完全符合实际需要，而且柔性好、转角范围大,所以该项目采用此种大变形柔性铰链，如下图1所示。

图1

在大变形柔性铰链的基础上，通过位移传感器与压力传感器的精确控制实现壁面间的翻转，具有良好的自适应性，结构简单。橡胶材料的应变—应力关系属于大变形,不满足广义胡克定律的小变形假设，可用Mooney2Rivlin 模型来描述以橡胶材料为基质的柔性铰链力学特性。由于适用范围的限制，要求对柔性铰链的转角最大值进行α一定的限制,α|rad与参数t/R 的关系如图2.

图2

考虑到机器人的大小与体积，可拆卸大变形柔性铰链的宽度b=12cm；若需自竖直壁面翻转至天花板，则翻转的角度为90度，由上表可知，t/R=0.5；翻转时，当母机行至另一侧壁面，此时若使子机通过大变形柔性铰链变形自动回复，需要的力矩为：

M=FL=G2/L1=1.1N﹒m

由上述两个已知条件来设计大变形柔性铰链并进行有限元分析，用二分法不断逼近，求取其最优化结果，设计过程如下所示：

a)首先假定t=1cm,R=2cm,在铰链施加1.1 N﹒m的力矩时，其ANSYS有限元受力分析如图3所示：此时其刚度符合要求，但变形角度远小于90度，故不符合设计要求,并且R应减小。

图3

b)假定t=0.3cm,R=0.6cm,在铰链施加1.1 N﹒m的力矩时，其有限元受力分析如图4所示：变形过大，刚度符合应用要求，所以适当增加R的值。

图4

c)假定t=0.5cm,R=1cm; 在铰链施加1.1 N﹒m的力矩时，其有限元受力分析如图5所示：此种情况下刚好符合设计要求，故大变形柔性铰链t=0.5cm,R=1cm;而与子母机相连的可拆卸结构选用内凹性，受力稳定，安全可靠。

图5

2、吸附力的计算与分析

A0—吸盘与壁面的接触面积；A—吸盘腔内面积；

P0—吸盘腔内的压力；P—吸盘外部的大气压力；

G—母机机器人的重量；G1—子机机器人的重量；

F—机器人的驱动力；F1 —履带与壁面的摩擦力；

n—安全系数，取2。

吸附力满足要求是机器人整个设计制作过程中最根本的问题。由吸盘结构可知，在机器人运动过程中，辅助吸盘起密封保护作用，而三个主吸盘决定吸附力的大小，因此我们主要分析三个主吸盘的力学性能。由底盘的面积确定辅助吸盘的的R=13cm（不包含密封厚度b），利用CAD建模确定三个最大内切圆，考虑到机器人可通过的最大缝隙为20mm,两吸盘间的间距为d;即2b+d=20。由实际工作条件，对三个主吸盘进行有限元分析，施加0.03Mpa（由理想压力与接触面积比值确定）的压力时，如下图6所示，在满足刚度强度及应力的条件下，通过改变b的值不断进行优化，最终确定b=8mm,d=4mm.

图6

真空气泵的抽气速率S=2.303V/t*Log(P1/P2) ，而微型隔膜泵流量大于等于1.1L/min，真空度可达-50kpa,可抽气至半个真空度，此时最大吸附力为：

F= P(A+A0)-P0A

A0=0.00116，A=0.0024，所以F=224.3N

而在实际工作过程中，由于壁面粗糙度的不同及考虑壁缝存在时，安全系数n=2,吸附力可达到112.15N，此种硅胶的摩擦系数为0.97，可最大负重11.2kg 的重物；由此可知此种设计的大变形柔性铰链是完全符合功能需要的。

3、吸附力与驱动力的关系

当吸附力过大时，吸盘与壁面静摩擦力较大导致机器人难以驱动，无法灵活运动，所以吸附力与驱动力存在一定的关系，通过以下的过程进一步探讨二者之间的关系。

负压的控制通过调节隔膜泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，反馈给控制器，为调整压力提供依据。P0由隔膜泵的抽气速率决定，F由伺服电机决定，两者在不同状态下分别对应不同的关系式，通过控制系统调节，根据压力传感器采集的压力值调节吸附能力，所以在运动中要找到每一种情况下对应的对应关系。

a)在竖直壁面运动

如下图7左所示，1为壁面，2为吸盘，二者之间构成真空室。工作时吸盘与壁面之间形成密封腔，此时水平方向的正压力满足：

N=P(A+A0)-P0A0

其次，机器人运动时，需满足驱动力至少等于摩擦力与重力之和，FF1+G

F-Nu-nG0

F-u-nG0

P0[(nG-F)/u+]/A

u为摩擦系数，取0.97，由上式可得出除P0与驱动力F外，其他量均为已知量，同时也得到P0余F的关系。

当机器人在竖直壁面运动时另一种极限情况时，如下图右所示，此时水平方向上满足：

Fu

竖直方向上满足：

nG=F1

uF/ (Au)

图7

b)在壁面翻转

翻转时，机器人的可靠性分析主要集中在机器人重力与倾覆力矩的分析。当母机与子机运动至刚开始翻转时，如下图8所示，母机此时不工作，通过大变形柔性铰链与前段翻转弧设计逐渐贴合另一墙面，整个系统的动力源来自于子机，此时同样需满足：

N=P(A+A0)-P0A0

F-Nu-nG0

F-u-nG0