關(guān)于某負(fù)壓式爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3459關(guān)于某負(fù)壓式爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析案例 197481.1爬壁機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1285001.1.1爬壁機(jī)器人的底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 229191.1.2爬壁機(jī)器人的吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3321671.2爬壁機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 324811.1.1采用麥克納姆輪作為機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu) 4232091.3爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5287181.3.1麥克納姆輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型 580041.3.2螺旋槳的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型 6266831.4爬壁機(jī)器人的電源選型 81.1爬壁機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在許多發(fā)展建設(shè)中，有許多各種各樣的爬壁機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入或者即將進(jìn)入各類危險(xiǎn)的工程作業(yè)中，負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人最主要的一個(gè)特征，就是機(jī)器人可以克服機(jī)體本身重力的作用，使機(jī)器人本體可以工作在水平、豎直或傾斜度較大的一些壁面，通過控制機(jī)器人的移動(dòng)，以達(dá)成人們的工作目的，負(fù)壓吸附式機(jī)器人的體重相對于各類爬壁機(jī)器人來說，相對于處在一個(gè)比較低的位置，其原因是由于機(jī)器人的吸附方式是通過大氣壓強(qiáng)的作用使其能夠在壁面移動(dòng)和工作，不同于各類具有強(qiáng)抓能力的爬壁機(jī)器人，此類機(jī)器人并不具備強(qiáng)抓屬性，其本身是通過螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)形成的近工作壁面與遠(yuǎn)工作壁面壓力差使得的空氣壓強(qiáng)能夠作用在機(jī)器人遠(yuǎn)工作壁面上，以此完成吸附，由此其體重是首要考慮的問題。本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)采用更加輕盈、價(jià)格優(yōu)美的亞克力材料作為機(jī)體的主要結(jié)構(gòu)組成，機(jī)體的構(gòu)建以及底板的承重。由于本文采用的吸附方式為負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人，該機(jī)體本身體積較小，整體結(jié)構(gòu)較為簡易，其組成零部件皆為小型器械和輕質(zhì)材料，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求也會(huì)按照原先計(jì)劃好的，整體采用便宜輕質(zhì)的材料制作，為的是使得整個(gè)爬壁機(jī)器人的重量盡可能的降低，以符合螺旋槳產(chǎn)生的動(dòng)力，防止由于吸附力不足，導(dǎo)致機(jī)器人無法穩(wěn)定的在壁面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)脫落的危險(xiǎn)，因此，該機(jī)體的主體結(jié)構(gòu)部分主要選用輕質(zhì)材料制作。1.1.1爬壁機(jī)器人的底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人的底板結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人其他結(jié)構(gòu)的支撐及連結(jié)，同時(shí)滿足輕質(zhì)的要求，在現(xiàn)有的DIY定制板中，有以下幾種輕質(zhì)材料可供選用，PP板，也可以叫做聚丙烯板，密度在0.89~0.91克/立方厘米，通過PP板加工出來的成品，厚度均勻、表面光滑平整、耐熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高，材料制成的成品韌性較好，被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。亞克力板，又叫有機(jī)玻璃，密度在1.19~1.20克/立方厘米，制作材料為聚甲基丙烯酸甲酯，是一種發(fā)展較早的重要可塑性高分子材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、透明性、易加工、耐磨性較好，硬度上優(yōu)于PP板所制成的成品。碳纖維板，指的是含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維，其密度在1.5~1.8克/立方厘米，有著較高的強(qiáng)度和韌性，具有耐高溫、抗摩擦及耐腐蝕等特性。本文的機(jī)器人底板結(jié)構(gòu)采用亞克力板材定制加工，底板如圖2-1所示圖2-1負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人底板圖-長寬高分別為280mm*280mm*3mm，同時(shí)需要能夠支撐的起電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳所產(chǎn)生的推力，PP板相對于亞克力板來說，在密度上小于亞克力板的密度，重量也更輕，但在厚度比較小的情況下，PP板由于其韌性較強(qiáng)，同時(shí)也更柔軟，板塊會(huì)產(chǎn)生較大的形變彎曲，無法能夠很好的支撐起機(jī)器人的各個(gè)結(jié)構(gòu)，有可能使得機(jī)器人的各個(gè)部件發(fā)生位移，對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不好的影響。在碳纖維板和亞克力板的定制選擇上，由于本文的機(jī)器人體型不大，在兩種材料的強(qiáng)度皆可滿足機(jī)器人底板要求的情況下，將采取定制加工亞克力板的方案，為機(jī)器人設(shè)計(jì)一塊負(fù)責(zé)支撐和連結(jié)各個(gè)模塊和裝置結(jié)構(gòu)的底板。1.1.2爬壁機(jī)器人的吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸附式的爬壁機(jī)器人的吸附原理主要通過利用空氣流速不同所產(chǎn)生的內(nèi)外壓力差，使得壓力小的一面被壓力大的一面通過空氣產(chǎn)生的內(nèi)外壓力差牢牢的壓在壁面，使得機(jī)器人受到一個(gè)垂直于壁面的壓力。本文所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人采用負(fù)壓吸附式的方式，通過微型高速無刷電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)使得機(jī)器人內(nèi)外層產(chǎn)生壓力差，爬壁機(jī)器人在空氣壓力的作用下，克服重力的影響吸附在壁面。本文的吸附裝置如圖2-2所示圖2-2吸附裝置整體結(jié)構(gòu)圖由一個(gè)朗宇X2820，1100KV高速無刷電機(jī)、一個(gè)乾豐馬刀槳APC槳、一個(gè)XT60和香蕉頭80A電調(diào)以及一塊電調(diào)控制器測試儀組成，各個(gè)零件之間相互連結(jié)通過專門的電源給予供能，使電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)吸附裝置會(huì)給機(jī)器人一個(gè)垂直于壁面的推力，同時(shí)靠近壁面一側(cè)的機(jī)器人底下空間內(nèi)的空氣會(huì)受到吸附裝置的影響向外流出，使得機(jī)器人靠近壁面一側(cè)的氣壓小于遠(yuǎn)離壁面一側(cè)的氣壓，在內(nèi)外壓力差的影響下，爬壁機(jī)器人會(huì)受到垂直于壁面的壓力，從而吸附于壁面上，實(shí)現(xiàn)爬壁作用，機(jī)器人受到的壓力大小取決于電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳的轉(zhuǎn)速有多大，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的越快，機(jī)器人內(nèi)外層的壓力差就越大，吸附的效果也就越好。1.2爬壁機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前在爬壁機(jī)器人系統(tǒng)中，絕大部分爬壁機(jī)器人的移動(dòng)方式會(huì)跟隨機(jī)器人結(jié)構(gòu)做出特化處理，更加貼合機(jī)器人本身的行為方式和結(jié)構(gòu)類型，從而進(jìn)行移動(dòng)方式的設(shè)計(jì)以配合機(jī)體本身的結(jié)構(gòu)，但是其運(yùn)動(dòng)的靈活性會(huì)隨著機(jī)體結(jié)構(gòu)而下降，如磁吸附式的由磁性材料制作成的移動(dòng)機(jī)構(gòu)本身重量會(huì)變得更大，使得靈活性大大下降。仿生吸附式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在壁面爬行時(shí)無法迅速的進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)價(jià)格昂貴。靜電吸附式其本身的重量較大，同時(shí)對于工作環(huán)境的要求較高，無法實(shí)現(xiàn)靈活度較高的動(dòng)作。因此在本次設(shè)計(jì)中機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)采用輪式結(jié)構(gòu)，由于其制作材料重量較輕，結(jié)構(gòu)較為簡單，在當(dāng)今科技發(fā)展水平下，使得輪式制作成本較低。使用輪式結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人的移動(dòng)方式，在其本身具有良好的結(jié)構(gòu)下，為了能夠讓機(jī)器人獲得更高的靈活度，采用麥克納姆輪作為爬壁機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人擁有更好的靈活性，具有原地轉(zhuǎn)向，可在行進(jìn)過程中任意改變方向，反應(yīng)更為快速等優(yōu)點(diǎn)。1.1.1采用麥克納姆輪作為機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)爬壁機(jī)器人在能夠在壁面進(jìn)行爬行的工作得益于前人優(yōu)秀的想法誕生的吸附方式，在完成了能夠依存壁面的狀態(tài)后，需要考慮如何讓該技術(shù)應(yīng)用于更多的場合，而移動(dòng)方式的選用成為機(jī)器人工作方式拓展的基礎(chǔ)，在不同的移動(dòng)方式下機(jī)器人發(fā)揮的功能也各不相同，本文將采用如圖2-3所示圖2-3爬壁機(jī)器人的麥克納姆輪移動(dòng)結(jié)構(gòu)圖輪式結(jié)構(gòu)的60mm麥克納姆輪作為爬壁機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，麥克納姆輪結(jié)構(gòu)不同于往常的輪式結(jié)構(gòu)，麥克納姆輪是一種可全方位移動(dòng)的全向輪，簡稱麥輪，麥輪輥?zhàn)虞S線和輪轂軸線夾角成45°，麥輪的輪轂的輪緣上斜向分布著許多小輪子，所以輪子可以橫向滑移，小輪子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小輪子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪可以向前滾動(dòng)，通過四個(gè)麥輪的組合，可以使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)，使得爬壁機(jī)器人靈活度大大增加，在狹窄的空間也可做出方向的改變，適應(yīng)不同的工作場景。1.3爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由機(jī)器人移動(dòng)結(jié)構(gòu)與吸附結(jié)構(gòu)組成，驅(qū)動(dòng)方式的選用將會(huì)直觀的體現(xiàn)在爬壁機(jī)器人在攀爬時(shí)能否以正確的姿態(tài)、穩(wěn)定的吸附、高效的移動(dòng)進(jìn)行工作?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展的今天，常見的機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要由氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成，各類型的驅(qū)動(dòng)方式皆有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)其應(yīng)用范圍較廣，整體結(jié)構(gòu)重量較輕，結(jié)構(gòu)及原理較為簡單，其工作內(nèi)容物為空氣，對環(huán)境較為友好，但在工作過程中由于空氣具有壓縮性，在運(yùn)作過程中會(huì)出現(xiàn)壓力的損失，使得精度下降，同時(shí)該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)需要外接空氣源，使得其整體體積較大。液壓驅(qū)動(dòng)是工業(yè)上常見的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)本身具有較大的驅(qū)動(dòng)力，技術(shù)成熟，可靠性高，適用于大型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置，但由于結(jié)構(gòu)本身的工作元器件需要較高的要求，重量較大，需要液壓泵進(jìn)行充能，并不適合安裝在小型的機(jī)器人上。電機(jī)驅(qū)動(dòng)種類較多，以直流電機(jī)為例進(jìn)行介紹，包括了普通電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，減速電機(jī)和伺服電機(jī)。普通電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)在我們生活中，常見于各類電動(dòng)玩具，通過正負(fù)極接電轉(zhuǎn)動(dòng)，該電機(jī)轉(zhuǎn)速過快，扭力過小的特點(diǎn)，無法很好的進(jìn)行調(diào)控，一般不應(yīng)用于機(jī)器人上。步進(jìn)電機(jī)通過接收步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號進(jìn)行固定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，停轉(zhuǎn)的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式其信號響應(yīng)速度快，力矩大，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但需要與減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)搭配使用，設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜。減速電機(jī)是傳動(dòng)方式新的技術(shù)結(jié)晶，新型的減速電機(jī)占用空間小，堅(jiān)固牢靠，足夠耐用，能夠承受一定的過載能力，相對于往時(shí)的普通電機(jī)增加了齒輪減速箱，使其電機(jī)能夠輸出較低轉(zhuǎn)速同時(shí)增加較大的力矩，同時(shí)能耗低，性能優(yōu)越，在小型機(jī)器人的領(lǐng)域被廣泛使用。1.3.1麥克納姆輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型本文將采用TT直流減速電機(jī)作為機(jī)器人移動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示圖2-4TT直流減速電機(jī)圖由于機(jī)器人所采用的為尺寸為60mm的麥輪，其輪式結(jié)構(gòu)較小，所以機(jī)器人的麥輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)不需要太過強(qiáng)勁的動(dòng)力，小型的直流減速電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)基本的驅(qū)動(dòng)功能，滿足大部分小型DIY機(jī)械電子設(shè)備的運(yùn)動(dòng)需求，能夠很好的充當(dāng)機(jī)械構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)裝置。本文的直流減速電機(jī)選用的是塑料軸TT馬達(dá)，其參數(shù)為，減速比1：48，輸入：3-8V，輸出：120-240RPM，重量約30克，選用TT塑料聯(lián)軸器作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和麥輪的連結(jié)桿，TT直流減速電機(jī)，簡稱TT馬達(dá)，作為減速電機(jī)的一種，TT馬達(dá)以其簡單的組裝方式，擴(kuò)展性強(qiáng)，價(jià)格低廉，小巧輕便等諸多特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電子DIY，機(jī)器人制作等動(dòng)力裝置的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過對TT聯(lián)軸器的應(yīng)用為TT馬達(dá)和麥輪之間提供連結(jié)通道，再通過普通型號的TT馬達(dá)支架，使用對應(yīng)的M3螺釘螺母使TT馬達(dá)固定在支架上，由剩下的馬達(dá)支架螺孔負(fù)責(zé)支架與底板之間的連接固定，使得麥輪能夠在設(shè)計(jì)好的底板對應(yīng)位置進(jìn)行工作，作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)行控制移動(dòng)。1.3.2螺旋槳的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型隨著科學(xué)技術(shù)沿著信息化、智能化的道路不斷前進(jìn)，機(jī)電一體化的水平也在不斷的進(jìn)步，在大致了解了目前科技發(fā)展水平下的各類爬壁機(jī)器人后，結(jié)合本人所學(xué)的知識(shí)，吸附方案的選取會(huì)在便于完成的吸附方式上選擇一種進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文采用負(fù)壓吸附式方案進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，負(fù)壓吸附式機(jī)器人本篇會(huì)采取較為輕量化的材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過螺旋槳的壓力對機(jī)器人機(jī)體實(shí)現(xiàn)壁面吸附，其機(jī)體本身重量較輕，吸附方式較為簡單，符合本人技術(shù)難度要求，故選取負(fù)壓吸附式較為好控制的方式作為本次論文設(shè)計(jì)方案。早期的小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，多數(shù)采用有刷電機(jī)作為動(dòng)力來源，其原理可以簡單概括為，在電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，碳刷和磁鋼不轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換相器和電刷來完成的。隨著科技發(fā)展，生產(chǎn)制造的需求，無刷電機(jī)也由此出現(xiàn)了，其采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)換向，代替掉了傳統(tǒng)的接觸式換向器和電刷，大大增加了可靠性，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中無換向火花，噪音小。相比于有刷電機(jī)碳刷的損耗，無刷電機(jī)的壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)得到了充分的提升。本文設(shè)計(jì)的的吸附方式，十分依賴電機(jī)的性能，其性能的優(yōu)劣將會(huì)直接影響機(jī)器人能否利用空氣壓強(qiáng)的特性穩(wěn)定的吸附于壁面，從而穩(wěn)定的進(jìn)行壁面工作，又有該機(jī)器人的體型不算大，整體結(jié)構(gòu)由于吸附的方式，質(zhì)量不能過于超額，以免降低吸附系統(tǒng)的性能，無刷電機(jī)在微型電機(jī)方面相對于有刷電機(jī)而言，在同樣的體積大小下，其性能和特性更加適合小型機(jī)器人，無刷電機(jī)的壽命相對于有刷電機(jī)而言，工作時(shí)長有更好的保障，使用壽命將大大提升，以便于更好的進(jìn)行調(diào)試，電機(jī)高速的運(yùn)轉(zhuǎn)能夠帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)高速的運(yùn)轉(zhuǎn)，螺旋槳能夠獲得更大吸附力，使得機(jī)器人能夠更好的吸附于壁面，由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)切割空氣會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，包括其他的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)也同樣如此，隨著時(shí)間的影響有刷電機(jī)的磨損會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，而無刷電機(jī)的噪音相對于有刷電機(jī)低于不少，由此降低部分電機(jī)帶來的噪音污染。本文吸附裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用SUNNYSKY公司生產(chǎn)的X2820，KV1100朗宇高速無刷電機(jī)如圖2-5所示圖2-5無刷電機(jī)螺旋槳結(jié)構(gòu)圖該公司成立于2006年，為全球飛行器制造企業(yè)及愛好者提供高性能的無刷電機(jī)、電機(jī)控制器等產(chǎn)品，擁有全球最全的飛行器動(dòng)力產(chǎn)品，其電機(jī)性能相較于其他品牌，有著出色的表現(xiàn)，該款無刷電機(jī)的定子外徑為28mm，轉(zhuǎn)子直徑為35mm，出軸直徑為5mm，不含軸電機(jī)長度為42mm，電機(jī)KV值為1100，空載電流1.3A/10V，最大連續(xù)電流為60A/15s，最大連續(xù)功率為880W，重量138g，支持3-5S鋰電節(jié)數(shù)。在小型電機(jī)性價(jià)比較高的價(jià)格上，有著不錯(cuò)的性能，采用4S鋰電池，APC槳11*5.5，80A電調(diào)的搭配，電機(jī)拉力可達(dá)3060gf，輸入電壓為14.8V，利用高速無刷電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生的內(nèi)外壓力差以達(dá)成吸附效果，電機(jī)的重量為138g，能夠有效降低機(jī)器人整體的重量。1.4爬壁機(jī)器人的電源選型爬壁機(jī)器人的電源模塊，對于機(jī)器人而言相當(dāng)于人類的心臟，它所儲(chǔ)存的能源作為機(jī)器人的動(dòng)力源，為機(jī)器人搭載的各個(gè)裝置各個(gè)模塊提供動(dòng)力能量，其本身的能量效益，決定著機(jī)器人各個(gè)結(jié)構(gòu)能否充分的發(fā)揮各自的作用，以便能在良好的工作狀態(tài)下，進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)作，使控制運(yùn)動(dòng)能夠順利進(jìn)行，完成我們想要機(jī)器人達(dá)成的目標(biāo)。目前市面上主流的電池分為兩大類，一類是由碳性干電池、堿性干電池、紐扣電池和方形電池等組成的一次性電池，該類電池通常應(yīng)用于生活中的各類小型電器用品，其本身儲(chǔ)電量不高，在小型電池使用方面，比較適合應(yīng)用于不經(jīng)常使用的電器或者用電量較小的電器之中，但其壽命短，可循環(huán)能力差，需要經(jīng)常更換。另一大類是由鎳鉻、鎳氫電池、鉛酸電池、鋰電池等組成的可充電電池，該類電池可以進(jìn)行充放電行為，在配有對應(yīng)的充電器的情況下，能夠進(jìn)行較長時(shí)間的循環(huán)使用，相應(yīng)的價(jià)格要比一次性電池高，比較適合應(yīng)用于經(jīng)常使用的電器設(shè)備，從長遠(yuǎn)來講，這類電器使用可充電電池會(huì)比一次性電池成本低。本文所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人的電源部分，由于主體為小型機(jī)器人，相對于其他吸附類型的爬壁機(jī)器人，體積上、重量上要小