履带轮机构爬墙机器人的设计.doc

履带轮机构爬墙机器人的设计 摘要： 本文介绍了一种能够攀爬竖直平面的新概念爬墙机器人。这种机器人的两个履带轮上安装有24个吸盘，通过一条履带连接两个履带轮实现了机器人以15m/min速度高速连续运动。当其中一个履带轮转动时，粘附在竖直墙面上的吸盘则通过专门设计的机械阀控制实现顺序起动。本文中将介绍履带轮的工程分析和结构设计，包括履带轮的机械控制阀和整体结构。这种机器人是一个独立式的机器人，它的真空泵和电源是一体式的，并且进行远程控制。机器人的爬墙能力通过竖直钢板测试进行评价。最后介绍了利用田口法来减小真空中压力的最优化实验的实施步骤。 关键词：爬墙机器人 吸盘 履带轮 机械阀 田口法介绍 移动式机器人已经被广泛应用于高空作业中，例如清理高层建筑的外墙、修建高层建筑物、给大型轮船喷漆、监控核能工厂的储藏柜等，因为这些工作一般都很重要，但是又极度的危险。因此，移动式机器人中比较特殊的研究领域——爬墙机器人已经在全世界各个地方进行广泛的研究并且有了很好的发展。当前大部分的爬墙机器人可以归结为两类：牵引式和粘附式。粘附式爬墙机器人具有一个粘附式机构，通过吸力、磁力、范德华力及微刺互锁作用粘附在墙壁上。磁力粘附机构仅在工作墙面由铁磁性表面组成时才会使用。 微刺结构机器人可以很好地粘附在粗糙墙面上，但是却不适用于玻璃、天花板之类的光滑表面。利用范德华力的机器人则是模仿了壁虎的干燥粘合能力。这种粘附机构比较奇特，它不需要能量，但是粘附力的大小受粘附表面的粗糙度影响较大，因此需要更多的研究来确认这种机构的适用性。吸盘式机构则广泛应用于工业机器人中。相比于其他机构，吸盘式机构具有最好的适用性和耐用性。 根据移动机构的不同，机器人可以分为三种：步行式、滑行式和履带轮式。步行式爬墙机器人的优点是它能够适应凹凸不平的墙面。但是由于其执行器和步法控制器数目多，步行式爬墙机器人重量大且控制系统相对复杂。这就导致了机器人运动速度低且不连续。同时，滑行式机构的实现比步行式相对简单，但是同样的由于运动不连续，运 动速度较低。周延武和宗光华发明的Cleanbot II爬墙机器人采用的时履带轮式走行机构，它能够以较快的速度连续运动。它采用了一条安装有52个吸盘的履带，每一个吸盘由一个电磁阀控制。但是该机器人尺寸较大，长720毫米，宽370毫米，高390毫米。即使不包括电源和真空泵，机器人的重量都达到22千克。而且，尽管采用了履带轮式走行机构，机器人的最高速度也仅为8m/min。 本文提出了一种能够在竖直墙面上连续运动的新概念爬墙机器人。这种新型机器人通过采用两条安装有24个吸盘的履带来实现连续的高速爬行。用机械阀代替电磁阀将吸盘内抽成真空有助于提高爬行速度。这种机器人是独立自给的机器人，它的电源和真空泵是集成安装在机器人上的。 本论文将先从两个方面对机器人的主要机械结构进行描述，机器人结构的工程设计主要介绍无线控制方式和履带轮式结构的工作原理；然后描述吸盘所需的吸力以及系统中真空度变化趋势的工程分析。然后给出机器人爬墙速度和有效载荷等实验数据，利用预定的机构验证机器人的爬墙性能。最后，应用田口法进行最优化实验，最大程度增加吸盘的真空压力，同时减小压力的波动。 机器人系统的设计 2.1 机械结构 如图一所示，爬墙机器人由一个主机架和一个履带轮系统构成。主机架上安装有真空泵、电源、控制模块和驱动装置等。履带轮系统主要由一个正时皮带和一个皮带轮构成。12个吸盘和机械阀安装在两条皮带的外面，在轮轴之间安装有一个导轨和型线凸轮，通过履带轮的转动带动吸盘的运动，同时控制机械阀的工作。旋转接头安装在机器人的两侧，作用是防止在轮子转动的时候，连接真空泵和吸盘之间的气管发生缠绕。机器人的后轮轴与一个BLDC驱动电机相连接。电源布置在机器主机架的后面。机器人的规格说明见表1。 表1 机器人的规格说明 项目 规格 尺寸（mm） 460×460×200 重量（包括电源和真空泵） 约14kg 最大爬行速度 15m/min 驱动电机 1个,Faulhaber BLDC, 200W (111:1) 电源 聚合物锂离子电池(25.9V,11Ah) 吸盘 24个，直径60mm 真空泵 一个，N838_DC,KNF最大流量：32l/min最大压力：100Mbar 图1 爬墙机器人的主要结构 图2 无线控制系统的工作原理图 2.2 无线控制系统 由于阀的开闭是由轮的转动机械式控制，因此控制系统只需要控制驱动电机的启动停止，改变转向和转速。如图2，无线控制系统中采用了一个微控制器和一个遵从蓝牙V.1.2的连接器。 履带轮式机构的工作原理 前面已经提到，这种爬墙机器人采用的是履带轮作为移动机构。与采用步行式和滑行式机构的爬墙机器人相比，这种机器人可以连续运动，因