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爬墙机器人设计机器人结构设计
爬墙机器人设计—机器人结构设计
爬墙机器人设计—结构设计
摘要
本文设计一种以涵道风扇和负压吸盘为吸附系统主体的轮式爬墙机器人,对爬墙机器人的结构设计是个人主要研究方向。
首先提出基于负压吸附原理的机器人结构设计方案和要求,根据要求和尺寸,首先对爬墙机器人硬件设备和机械结构进行合理排布,自主设计一体化的机器人底板,并对其及主要运动组件进行Proe软件上的建模。
最后通过Proe的MDX模块对爬墙机器人进行虚拟模型运动仿真,检验基本机械结构的合理性和可行性。
关键词:
爬墙机器人;负压吸附;机器人结构
WallClimbingRobotDesign-StructuralDesign
Abstract
Thispaperdesignsawheeledwallclimbingrobotwithductedfanandnegativepressuresuctioncupasthemainbodyoftheadsorptionsystem.Thestructuraldesignofthewallclimbingrobotismymainresearchdirection.Firstly,thestructuraldesignschemeandrequirementsoftherobotbasedonthenegativepressureadsorptionprincipleareproposed.Accordingtotherequirementsandsizes,thehardwareequipmentandmechanicalstructureofthewallclimbingrobotarearrangedreasonably,theintegratedrobotbaseplateisdesignedindependently,andtheProesoftwaremodelingiscarriedoutontherobotbaseplateandthemainmovingcomponents.Finally,theMDXmoduleofProeisusedtosimulatethemotionofthevirtualmodelofthewallclimbingrobottoverifytherationalityandfeasibilityofthebasicmechanicalstructure.
Keyword:
Wallclimbingrobot;Negativepressureadsorption;Robotstructure;Ductedfan
1绪论
1.1引言
本文针对爬墙机器人这一研究话题展开探究,作为研究者应该首先明确对于爬墙机器人的基本概念,这是一类机器人是在倾斜或者直接垂直的墙壁上灵活移动的机器人,该类机器人借助特殊的设计,使其自身的吸附功能和移动功能都得以顺利实现。
而正由于石油化工业、核工业、造船业等一些存在大型工业设施设备的行业蓬勃发展,这种特殊的机器人也接受到了一系列作业任务,拥有了广阔的发展前景。
爬墙机器人领域在多年以来的发展没有让岁月白白流逝,20世纪90年代开始,凭借着工业机器人控制技术、传感器技术、机械结构制造与应用等方面的实质科技推进,国内外在爬墙机器人技术难题上都有了不同的突破,并且针对不同的应用环境,各种各样的机械结构、吸附方式涌现。
良好的发展势头使各国各高校纷纷成立了爬墙墙机器人研究项目组,而爬墙机器人的可究性和广阔的发展空间对机器人行业的开发研制以及专业人才的培养具有积极性意义。
1.2研究背景及意义
结合石化工业联合发布,关于我国石油以及化学工业的实际经济运行情况相关报告指出,到2019年12月底,我国石油以及化工类企业发展良好,大约有26271家企业形成规模。
该行业产业关联度高,是推动全球经济发展的核心力量,而这种特殊又具中坚地位的行业多采用大型的储存设备;另一方面,致力于建筑研究的相关组织明确提出,一直到2017年,我国大陆的超高层建筑完成情况理想,其中两百米以上的建筑约700栋左右,其中有六栋建筑高达六百米,同时与其相关的的国际数据也明确指出,我国超高层建筑规划建成在两百米以上的建筑占据了世界总数量的45%之多。
可以说随着各国工业化程度的不断加深和建筑行业的迅速发展,许多大型工业设备和高层建筑巍然耸立,但从而派生的问题存在有—长期表露在外的壁面难免会因自然灾害受到损害或因气候环境产生腐蚀性损伤,若对其进行人工的维护和保护设施安装工作,具有危险性高、操作难度高、效率低等问题。
工人在进行高楼大厦的外高层擦洗时往往是用绳索捆绑腰间或者采用吊篮搭乘,非常容易发生安全事故和引发人员伤亡等,而且一幢高楼大厦的完全清洁工作往往耗时数周,工作效率低的情况下还耗费巨资[1]。
图1.2大型油罐和高空作业
而相较于人工,利用爬墙机器人进行高空作业有不错的收益:
(1)爬墙机器人灵活度高,而非像人工吊篮一般人工调节作业位置。
(2)高度对爬墙机器人本身的工作造成极少的影响和限制,高空作业灵活展开,所以高空作业人员的工作负担减小。
高空作业人员培养难度高、心理因素要求高等问题得以解决。
(3)大面积壁面工作时间长,爬墙机器人工作时长足,节省人工人员换班时间,带来良好的经济效益。
因此,爬墙机器人的设计产业化可以极大地改善工人现状,而爬壁机器人的设计制造也涉及了机械电子、气压液压、信息通讯等各个领域的知识技术,是一个重大且结合程度高的研究课题,爬墙机器人的发展有利于各个技术领域的交流与合作。
1.3国内外发展状况及发展趋势
1.3.1国外研究现状
相比较我国,国外对于爬墙类机器人的研究工作起步较早,同时国外在研究爬墙机器人的时候,将极大的注意力放在吸附方法以及具体的运行模式方面,这使物理、机械、电子等领域的相交性大幅提升。
热衷于爬墙式机器人研究的国家,以日本为代表,发展起步最早同时投入实际应用也最早。
其实在1978年的时候,日本就已经借助机械技术完成核电站内壁污物的清理工作了,之所以研制爬墙机器人,就是为了更好地服务高空作业。
此初代爬墙机器人仅有单一吸盘,所以不具有自走功能,铰车拉动是其主要的辅助移动模式。
后续在这一研究基础上,日本相关小组研发出了独立行走的爬墙机器人,而这一机器人同样有一个单个吸盘结构,但其移动模式摒弃对辅助机构的依赖为一大创新突破。
该小组研发的第一、二代机器人均具备单一真空腔,但是必须保障壁面平整才能够保障爬行的稳定性,一旦壁面有裂缝或者凹凸不平等情况,那么也无法稳定爬行。
此后,日本小组用了三年时间完成了第三代产品的开发,第三代爬墙机器人采用了履带移动模式,同时在移动组织的位置上设置了很多真空吸盘。
相比较第一、二代机器人,三代机器人的吸附性能更可靠,同时有着更理想化的移动水平。
再有东京某企业研究出来大型的煤气罐机器人,该机器人在煤气罐焊缝情况的检查工作中发挥着重要作用。
考虑到这一机器人的内外框架有八个具备吸盘的脚,同时分布状态为放射状,气缸的驱动力促进脚运动,直流伺服阀辅助传统机构运动,使得机器本身的负载能力大大增强。
而随着爬墙机器人在各国铺展式的研究发展,机器人存在各色各样的结构形态和吸附方式。
不久前,ToyohashiUniversityofTechnology的机械工程系副教授tomoakimashimo博士和剑桥大学工程系机器人专业的Fumiyaiida博士的研究团队已经成功开发出一种水蛭形状的机器人“LEeCH”,该类机器人轻而易举的实现垂直墙壁爬行操作,但其一大特点是自主完成墙面过渡的操作,包括互相垂直壁面的过渡、薄壁正反面的过渡。
此种水蛭机器人由处于并联状态的三大柔软管子形成,其技术含量高,保障柔性管长度得以有效控制需要控制好各处舵机和传动装置的供给,同时配合柔性管主体的随意弯曲伸长,发挥结构和控制两类转变优势。
由于这种仿生吸附爬墙机器人可以同时实现垂直墙壁的爬行以及水平方向的灵活过渡,使得其备受业内青睐。
具有显著变形和连续紧凑控制的爬墙机器人是翻墙柔性机器人的“鼻祖”。
可以说,现有
研究中的爬墙机器人种类特别丰富,根据不同的吸附和移动方式的组合就产生了各种类别的爬壁机器人,例如:
框架式多吸盘爬壁机器人、轮式磁吸附爬壁机器人、履带式多吸盘爬壁机器人等,不同类别之间各有特色[2]。
图1.3.1水蛭爬墙机器人
1.3.2国内研究现状
我国在研究爬墙机器人方面的起始时间赶不上西方国家,当然研究差距肯定也存在,但是研究取得的成功仍然值得肯定。
例如哈工大、北理工、华南理工等院校,都在爬墙机器人的研究方面取得了傲人的成绩,同时也有对应的机样制成。
其中哈尔滨工业大学在六足爬墙机器人的研究设计工作中极其出色,其一款设计的六足机器人借助中枢系统发生器工作,属于仿生控制算法的一种。
借助此款爬墙机器人腿部结构系统反反复复的运动,令系统不断转变到原始状态,实则在实际行走环节中腿与腿之间的关系是发生改变的。
这属于一种基于CPG算法的爬墙机器人,其独立性强,对于传感器的依赖程度不大,同时越障能力更强,但是也存在应用缺陷,那就是有着相当繁杂的驱动程序,对于实际运算能力要求高。
哈工大也注意到这些弊端,所以想方设法优化整体机械结构,试图改善运算不足的劣势。
此外哈工大在对爬墙式机器人吸附方式方面的研究工作也开展的较为深入,例如依托静电吸附原理的爬墙机器人等。
另一方面,我国科学院沈阳市研究所的董伟光,在五年前成功研发出了轮足式复合爬墙机器人,这个爬墙机器人依托行星轮系结构,使得负压模块、真空模块有机结合起来,在实际移动环节中,可以借助密封腔内部的三轮移动机构在直线层面移动或者灵活转向,当然还可以借助真空吸附组织形成双足移动相似的抬腿移动,其核心优势在于,光滑的外表保障了三轮移动机构迅速移动的目的顺利实现,即便在遇到大的阻碍的情况下仍然可以借助双足运动模式轻松越过。
华南理工大学还提出对于六足爬墙机器人基于能耗目标优化的转矩的分配方法,寻找机器人最安全的位姿[3]。
可见国内爬墙机器人发展迅速,在技术趋于成熟的同时也拥有别众的设计理念与方法。
1.4研究的主要内容和目标
本文主要在爬墙机器人的机械结构和硬件系统上作研究设计。
第一章:
本章为绪论,从选择课题的背景出发,先分析了当下爬墙机器人的使用对高程度工业化有何意义,再根据国内外的研究现状牵引出爬墙机器人的大致研究内容,为本次的研究工作开拓思路,也对接下来的研究设计进行向导;
第二章:
主要对爬墙机器人硬件、结构设计的整体方案进行阐述,先介绍本文研究的基本要求,再从个人研究的结构技术路线总结整体设计方案;
第三章:
根据整体设计方案的要求,进行关键部件的选择和解释介绍,再根据所选元器件的尺寸进行机器人主体结构的排布;
第四章:
本章主要对机器人机械结构、部件结构进行分析,并介绍Proe此款3D建模软件,对机械结构的主要模块进行建模。
第五章:
本章主要对构成爬墙机器人结构的主要零部件进行集合组装,在条件有限的情况下,弱化样机调试,以基于Proe软件对爬墙机器人主要运动件的仿真为主,对机器人内部硬件结构排查干涉检测,并运动仿真;
第六章:
总结本次研究的弊端与不足之处,对未来展望。
1.5本章小结
本章首先论述了所选课题的背景和研究依据,表明爬墙机器人具有实用意义和可究性,再从世界出发,选例分析概括了国内外爬墙机器人的研究现状,最后介绍了论文的章节安排和主要研究内容。
2爬墙机器人的总体设计方案
2.1本文主要研究内容
本文主要对一种基于涵道风扇负压发生装置的单负压腔体爬墙机器人进行探究,其以STM32F407芯片作为控制系统核心,两独立步进电机驱动轮实现差速轮转向,文中主要对机器人机械结构方面进行研究设计。
2.2爬墙机器人的总体设计方案
2.2.1系统总体设计要求
设计合理的结构和选用经济适用的元器件,配合上合适的机构和硬件,最大限度发挥出涵道负压吸附装置的性能,使爬墙机器人具有独立行走、吸附墙体的能力。
再通过STM32F407与uCOS-III操作系统的联系工作,使机器人在平地、基本平整的墙体上根据指示运动。
本文中所研究的爬墙机器人的设计要求是:
(1)在阅读大量文献的前提下,对爬墙机器人基本运动方式进行确定,再根据参数合理排布硬件,基本保证平地运动、静力吸附、墙体上吸附运动在结构上的可行;
(2)设计合理的STM32单片机程序并烧入,基本实现通过红外遥控控制步进电机的速度以及正、反转和停止状态切换,要求精准性高地通过控制完成基本动作;
(3)爬墙机器人要有一定的避障能力,并能通过手机蓝牙发送指令,实现实时通信,另外设置蜂鸣器,方便监控。
2.2.2个人结构设计技术路线
查阅相关文献,而后从满足设计要求和经济性出发,依照路线进行以下工作:
(1)通过对比确定机器人的驱动移动方式,再根据合理性进行机器人移动机构的排布,确保机器人有独立的行走能力。
(2)根据所选器件尺寸大小、质量等参数,设计大小合适的机器人底盘,对部分动作部件的进行布置,并设计固定架、夹装器等安装机构,硬件上保持各模块工作的稳定性,最小化机器人工作时各个部件的物理干涉。
(3)利用建模软件对设计件进行建模,为制作样机进行3D打印文件的准备,若条件有限则进行运动仿真,查看是否实现基本功能,后期进行硬件的调试与改进。
2.3爬墙机器人的主要组成系统
爬墙机器人系统主要分为机械硬件系统和软件(编程控制)系统。
其中个人研究方向上的硬件系统可细分为机械本体、电机、供电电池、通信模块、传感器模块、电机驱动模块等。
机器人功能的实现依赖两个主要系统的配合工作。
图2.3硬件系统工作原理图
2.4本章小结
本章首先从组成核心方面简单阐述了爬墙机器人的总体设计方案,再介绍了总体设计的要求,并根据个人的结构设计方向划出了路线,简单介绍了爬墙机器人的主要系统。
3爬墙机器人的结构设计
3.1移动方式
当前国内外所研究的爬墙机器人移动方式大致可分为轮式、履带式、多足式三类。
轮式爬墙机器人继承了平地轮式小车灵活、转向方便、控制难度低的特点,而且由于轮轴的固定,对吸附底盘高度的物理干涉较小,若加上一定的控距缓震系统,会有不俗的吸附性能与稳定性。
履带式爬墙机器人拥有平整的履带机构,对凹凸不平的壁面有良好的消化能力,因此保障了机器人的吸附能力,但苦于履带材料的厚重和设计所需的大面积吸附底盘,增加了此类爬墙机器人的重量,且履带式在转向功能上也不及轮式灵活;足式爬墙机器人具有出色的越障能力,但由于步态规划繁琐、所需舵机数量多,在控制系统的的复杂程度上相对较高,在控制到位的情况下也难以达到较高的运行速度。
因此设计轮式的机器人能带来不错的可见成果。
3.2移动机构
由结构简易地实现轮式爬墙机器人功能、最少化材料使用以赋予爬墙机器人良好的吸附能力的出发点,考虑常见的三轮和四轮结构,如图3.2所示。
图3.2三轮与四轮机构简易图
图3.2(b)中的四轮结构相比于三轮结构有更好的平衡性,遇到凹凸不平的行走面不易侧倒,但考虑到其因为多了一个轮的缘故,会受到更多的阻力,降低了电机的输出功率,若在此基础上采用独立电机驱动轮,相比于三轮式的机器人质量更大,增加了工作负载。
而图3.2(a)中的三轮布置常见的有两种:
(1)两个前轮为连接的驱动轮,后轮为连接舵机的转向轮,这种布置安排依赖后轮转向,前轮同动同止,增加了机器人转向的角度,灵活性低。
(2)两个前轮为独立电机驱动的主动轮,后轮为多向轮或万向轮,转向灵活,便于控制调节,这种布置对于作业有一定墙面覆盖率要求的机器人是一种不错的选择。
本次设计采用独立电机驱动两轮,从动轮为万向轮的移动机构布置方案。
3.3结构硬件布置
本次设计出于对爬墙机器人减少用料、轻便结构的经济性考虑,对负压腔、器件安装板、底板进行了一体化设计,而采用的涵道风扇负压发生装置,其快速运行赋予机器人吸附的能力,但这也反映了涵道工作时有一定危险,不合理布置硬件设备,不仅会影响机器人的性能,严重时还可能造成设备故障、机械结构破损的情况。
因为涵道风扇是负压发生器,其入风口必然是位于负压腔上方,可以确定其应安装在底板上方,而控制系统相关的硬件,若设置在负压腔内,会因为涵道产生的流体力产生固定不稳甚至脱落,这是负压吸附机器人的共同点,而主要不同的是轮子安装的位置。
在其他研究中存在将轮子设计在负压腔体内的例子,如图3.3.1。
图3.3.1内置轮负压机器人
此类爬墙机器人多数底板面积大、负压腔密封性好、吸附力稳定、电机扭力足,本次研究设计的机器人相对体型小,负压发生依赖涵道风机的持续输出,若将驱动轮设计在负压腔内,轮胎将会随机器人工作而不均匀受力,对机器人正常的运动影响大,因此将轮胎设置在负压腔之外。
结合上述,总体结构布置如图3.3.2所示。
图3.3.2硬件布置示意图
3.4主要硬件设备
要排布各个硬件模块及结构,需要先选型确定器件、模块,再通过尺寸等参数具体化硬件设备对底板的占用空间,根据硬件的工作性质进行排布,设计出合理的机器人机械结构。
而本次所设计机器人的主要运动组件选择为28BYJ-48步进电机、4S4300KV型50mm涵道风扇。
除了两个赋予机器人移动功能和吸附功能的运动发生器组件,还有一些为机器人进行吸附力调节、供电、测距、报警的硬件,列于表3.4.1。
硬件设备
尺寸
重量
橡胶轮×2
直径65mm,轮胎宽度27mm
共68g
一寸万向轮
轮宽15mm,高度33mm,轮直径25mm
约36g
4S1800mah25C
涵道风扇电池组
35mm×28mm×110mm
130g
40A好盈电调
30mm×70mm×9mm
48g
舵机测试仪
30mm×37mm×10mm
约6g
stm32主控板
95mm×75mm
约50g
ULN2003驱动模块×2
32mm×34mm
共13.6g
锂电池供电模块
60mm×31mm×11mm
35g
超声波模块
45mm×20mm(3mm)
约10g
有源蜂鸣器模块
32mm*13mm
8g
表3.4.1机器人硬件模块尺寸参数
3.4.2硬件外部设备区域安装
为了保障爬墙机器人的平衡器和抗颠覆能力,硬件的布置应该在位置上相对对称,各模块硬件能正常运行、易于拆卸和组装操作、接线方便的情况下重量分布均匀,根据上小节硬件组件的参数,对机器人进行大概的结构排布,为硬件进行安放区域的设计,本次研究的爬墙机器人的硬件布置大致如图3.4.2所示。
图3.4.2外部设备固定区域构想图
其中,1为电机安装区域,2为外置的65mm驱动轮,3为涵道风扇电池组定位区域,4为涵道风扇装夹平台,5为万向轮安装区域,6为涵道风扇定位区域,7为封装锂电池、电调及舵机测试仪、蜂鸣器、蓝牙模块安装区域,8为超声波测距模块、主控板、电机驱动模块安装区域。
在实际的设计中,各区域应根据布置的硬件工作情况保持一定的间距,以最小化众多器件、结构的物理干涉。
设计中会为有定位孔的模块进行底板孔的同步设置,另外,对于部分无自带固定孔位的硬件,如锂电池组、涵道风扇电池组等,为其设置高度合适的矩形凸台定位,再在定位区域周围设计小孔,意在用尼龙自锁扎带加以固定。
3.5本章小结
本章首先通过对比明确了爬墙机器人的移动方式,而后进行轮式移动结构的安排,根据所需硬件模块的尺寸制定了定位分布方案。
4Proe建模
4.1Proe建模软件介绍
Proe软件全称为Pro/Engineer操作软件,是一款由美国参数技术公司开发集计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程(CAD、CAM、CAE)为一身的三维建模软件,拥有草图绘制、组件制作、装配、钣金件设计等各式模块,独立的模块化使用方式满足人们的设计需求,其在当今众多三维造型设计软件中不落下风,得到机械设计业界使用者们的青睐。
Proe主要占据的优势为参数化和数据库统一,在几何模型的设计中可以将模型分解为有限的特征,其可以用有限的参数完全约束,另外在建模的过程中各个模块使用单一的数据库,模块间会根据特征的修改而随之同步参数,这意味着在组件装配、工程图输出的过程中修改某一零件的尺寸时,装配图和工程图上相应的部件也会随之同步尺寸,无需重新修改特征和设置约束,模型设计灵活,变更方便。
4.2在Proe软件上的总体设计
机器人与主要部件的机械装配图如图4.2.1所示。
机器人的运动部件主要由底板、减速电机、电机支架、65mm橡胶轮、联轴器、涵道风扇、涵道装夹件、万向轮、外壳组成。
图4.2机器人装配图
4.3机器人底板建模设计
图4.3.1与图4.3.2为机器人主体的建模,一体化底板主体,同时具有负压腔、涵道风扇装夹机构、万向轮安装板等机械结构,在3D打印的构想中,选择塑料材料。
图4.3.1机器人底板
图4.3.2机器人底板底部
设计的基本考虑因素有下:
负压腔:
如图4.3所示,机器人的负压腔主要由涵道风扇对接口、引流通道、底板底部边缘突起构成,原理为作为负压发生器能够将机器人底板下部空气抽出,使底板上部压强大于下部从而产生差值负压,所生成的吸附力让机器人吸附在接触壁面,以保证机器人在运动时不轻易发生倾覆[4]。
其中负压腔涵道接口比涵道风扇引流圈直径大约1mm—2mm,方便涵道风扇的安装接入,接入后可选择合适的海绵条或胶条作为密封机构,进行接口缝隙的贴紧密封。
而根据电机安装高度和驱动轮直径,底板边缘凸起挡板设计为距接触地面约5mm—8mm,厚度为10mm,三轮爬墙机器人在平衡性上有相对不足,在运动时遇到不平整的壁面难免会倾侧,造成壁面与底板的摩擦碰撞,因此留有合适的高度,选择经济实惠的海绵条或胶条进行粘贴密封,能在保证负压腔密封性的同时代替机械磨损。
涵道风扇装夹机构:
夹装柱机台构配合装夹套作涵道风扇的安装定位,因为涵道风扇工作时通过螺栓连接有横向的力矩,柱台机构的设置相当于对为装夹套提供一个支撑受力面,为连接孔缓冲了涵道风扇运作时的反作用力,保证机构不会因为外力断裂受破坏。
万向轮安装板:
安装板孔位根据选择的一寸万向轮设计,万向轮安装板凸台的高度根据电机安装高度、驱动轮直径进行确定,确保机器人底板与地面保持相对平行。
吸附系统所产生的文丘里效应是伯努利原理的一种体现,根据伯努利原理,流体流速大的地方压强小,流速小的地方压强大[5]。
若万向轮安装板高度设置过低或过高,负压腔与壁面缝隙不等会造成机器人整体吸附力不均,影响机器人的平衡性和吸附能力。
另外万向轮活动腔根据万向轮尺寸所定,保证万向轮在墙体内的转向不与腔体发生摩擦碰撞。
底板上存在有三个外壳安装的卡扣插入孔,其一孔设置得较大,使得在安装外壳时便于卡扣梁的插入,减少其弹性变形。
另外底板上方的凸起与3mm小孔为对应尺寸硬件模块的定位辅助机构。
4.4驱动组件
4.4.1步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件,由于是以脉冲驱动,很适合数字或微型计算机来控制,因此可把他当做一种基于脉冲控制的数字元件[6]。
本次设计采用的28BYJ48步进电机尺寸与建模如图4.4.1所示。
图4.4.1步进电机尺寸及去线建模图
4.4.2电机安装板组件
因所选电机无配套的安装机构,需根据电机4.2mm安装孔设计电机固定安装支架,建模如图4.4.2,以M4内六角螺栓、M4螺母连接电机和安装
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