真空吸附式爬壁机器人设计
爬壁机器人磁吸附模块设计分析与结构参数优化
爬壁机器人磁吸附模块设计分析与结构参数优化目录1. 内容概览 (2)1.1 研究背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 论文目标及内容 (5)2. 磁吸附原理与特性分析 (6)2.1 磁性原理及分类 (7)2.2 磁吸附特性的研究与讨论 (9)2.3 磁吸附与爬壁运动的结合 (10)3. 磁吸附模块设计 (11)3.1 模块结构方案设计 (13)3.2 磁吸附材料选择 (14)3.3 模块尺寸与形状优化 (16)3.4 模块力学性能分析 (17)4. 结构参数优化 (18)4.1 优化目标函数与约束条件 (18)4.2 优化算法选择与应用 (20)4.3 结构参数优化方案 (21)4.4 优化结果分析与验证 (22)5. 实验验证与结果分析 (23)5.1 实验平台搭建 (25)5.2 实验指标与测试方法 (26)5.3 实验结果及数据分析 (27)5.4 结果与理论分析的对比 (28)6. 结论与展望 (30)6.1 总结与回顾 (30)6.2 未来研究方向 (32)1. 内容概览概述爬壁机器人在现代娄照监控、工业检验、建筑清洁等多个领域的重要性；揭示爬壁机器人关键技术瓶颈，尤其是磁吸附模块的性能对整体功能的决定性作用；明确本项目的核心目标：设计一个结构简单、成本合理、吸附力强且稳定性高的磁吸附模块。
分析当前国内外对爬壁机器人磁吸附技术的研究现状，包括不同的磁场强度实现方式及吸附结构；描述设计过程中需考虑的关键技术参数，如磁场强度、磁力线的设计、元件的可制造性、维护性等；运用二维和三维设计软件等工具分析心脏型磁吸附部分的磁力分布和功能性节能设计；提出采用有限元分析（FEA）来模拟吸附模块在吸附及运行过程中的应力分布和动态变形；介绍利用遗传算法（GA）、人工智能等多学科融合技术优化材料选择与结构参数的最佳方案；展望磁吸附模块能够广泛应用于各种爬壁机器人系统中，促进对不同环境的动态适应与智能控制。
船舶壁面除锈爬壁机器人的研究
船舶壁面除锈爬壁机器人的研究随着船舶行业的快速发展，船舶维修与保养的重要性日益凸显。
其中，船舶壁面除锈是保证船舶质量和提高使用寿命的关键环节。
然而，传统的手工除锈方法效率低下，对工人健康也有一定危害。
因此，研究一种能够自动、高效、安全地完成船舶壁面除锈的爬壁机器人具有重要意义。
本文将探讨船舶壁面除锈爬壁机器人的研究现状、方法、结果与结论，并展望未来的研究方向。
研究方法：本研究选取了具有代表性的三艘船舶作为样本，分别采用手工除锈、机械臂除锈和爬壁机器人除锈三种方法进行实验。
在实验过程中，我们对各项数据进行了详细收集，包括除锈效率、耗电量、使用成本等，并对不同方法的优缺点进行了技术分析。
研究结果：实验结果表明，爬壁机器人除锈方法具有明显优势。
相较于手工除锈和机械臂除锈，爬壁机器人除锈的效率更高，可大幅缩短除锈时间。
同时，爬壁机器人耗电量较低，能够节约能源，降低使用成本。
爬壁机器人在复杂壁面上的除锈效果也更为出色，可适应各种形状和大小的船舶壁面。
本研究表明，爬壁机器人除锈方法在船舶壁面除锈中具有较高的应用价值。
其高效、安全、节能等优点能够有效解决船舶壁面除锈的难题，提高维修效率，降低维修成本，对推动船舶行业的自动化和智能化发展具有积极作用。
未来，针对爬壁机器人的进一步研究可从以下几个方面展开：1）提高机器人的稳定性和适应性；2）研发更高效的除锈算法和路径规划方法；3）结合机器视觉和人工智能技术，实现除锈质量的自动检测与评估。
船舶除锈是一项重要的维护工作，由于船舶长期处于水环境中，受到水分和海洋生物的影响，船体容易生锈。
为了保持船舶的正常运行和防止腐蚀进一步恶化，除锈工作显得尤为重要。
然而，传统的除锈方法主要依赖人工操作，效率低下，且对工人健康存在一定危害。
因此，研究一种能够自动、高效、安全地进行除锈的机器人的设计和分析具有重要意义。
针对船舶除锈的需求，我们设计了一种履带式船舶除锈爬壁机器人。
该机器人采用模块化设计，包括机械结构、电路设计以及控制系统三个核心部分。
真空吸附式壁面清洗机器人结构设计与研究的开题报告
真空吸附式壁面清洗机器人结构设计与研究的开题报告一、选题背景近年来，随着城市智能化水平的不断提高，机器人技术在日常生活中的应用也越来越广泛。
机器人清洁、机器人保洁等领域的发展，极大地方便了人们的生活。
然而，在日常家庭清洁方面，传统的清洁工具往往效率低、费时费力，无法满足人们的需求。
因此，设计一种具有清洁效率高、易操作、能适应不同墙面的机器人成为现代生活中的一项必要需求。
二、研究内容本次课题旨在设计一种真空吸附式壁面清洗机器人，实现对不同墙面、地面的清洁作业。
主要包括以下内容：1.机器人运动轨迹设计。
考虑机器人在墙面上运动时的稳定性、机动性等因素，合理安排机器人的行进路线。
2.机器人结构设计。
机器人应具有良好的吸附性能、便于操作、易于维护等特点。
采用先进的真空吸附技术，让机器人能够在墙面上牢固的吸附，不易掉落。
3.机器人操作系统设计。
采用机器人操作系统，实现对机器人的远程控制，方便用户进行操作。
4.机器人安全保护设计。
考虑到机器人在作业过程中可能存在掉落、碰撞等因素，应设计有效的安全保护措施，保证机器人操作过程的安全性。
三、研究意义本次课题的成果将会在以下方面产生积极的影响：1.提高家庭和公共场所的清洁效率，减轻人力成本。
使清洁工作更加自动化，同时也节省了清洁人员的时间和精力。
2.加速机器人技术在清洁维护领域的推广。
实现机器人清洁模式，能够鼓励更多人研究机器人清洁技术，推进机器人技术发展。
3.提升城市的智能化水平，为人们打造更加美好的居住环境。
四、研究方法本次研究采用文献综述、实验研究和控制系统设计方法。
具体包括：1.文献综述：对相关的机器人技术、真空吸附技术、控制系统技术进行文献综述，深入了解相关技术的研究现状和发展趋势，为后续研究提供理论基础。
2.实验研究：实验验证机器人在墙面上的吸附性能，机器人的稳定性、机动性等因素，并根据实验结果优化机器人结构。
3.控制系统设计：采用控制系统设计方法，实现机器人的远程控制、安全保护等功能，保证机器人能够在安全、稳定的状态下完成清洁作业。
爬壁机器人
爬壁机器人
一机构设计
1 双吸盘式
结构图：
图1 总体结构图
说明：关节一和关节三主要是旋转作用实现在一个平面的行走，每个关节均能以另一个关节为支点实现360°的选转。
关节二主要是弯折运动，实现一个平面到另一个平面的跨越。
行走方式：
1）水平面行走
图2 水平面行走示意图
2）垂直面行走
图3 垂直面行走示意图
2 双轮双吸盘式
结构图：
图4 总体结构图
图5 垂直面行走示意图
这是一种拖拽吸盘的方式，每次行走时只有一个吸盘吸附在墙壁表面，为的是减小行走时的阻力，做清洗工作时可以二个吸盘同时工作。
毕业设计(论文)平面爬壁机器人运动机构设计(全套图纸三维)
平面爬壁机器人运动机构设计摘要平面爬壁机器人有着广泛的用途，特别是它可以在一些危险环境下进行作业，易于实现自动化，改善劳动条件、节省人力、提高效率，并可免去搭脚手架。
其运动机构当前机器人研究的主要方向之一，研究人员在原有的基础上追求更高的移动速度、更优的移动和吸附方式、更轻巧的内部结构、更灵敏的反应和自我调节等。
为此，本论文研究了一种平面爬壁机器人的运动机构设计。
本研究的主要思路是将机器人设计成为一个吸附机构，使其吸附在垂直墙壁上，在吸附机构下面安装有行走装置，使机器人能自由地在垂直墙面运动。
本研究主要通过原理研究、方案对比选择、机构三维模型、论文撰写实现研究成果展示。
本论文的主要工作如下：全套图纸，加153893706首先，在深入分析当前机器人的研究情况下，查找资料研究爬壁机器人运动原理，在已有的研究基础上发挥想象力，对比各种方案，确定爬壁机器人总体框架的设计，主要是吸附和移动方案的设计。
其次，通过各种吸附方案的对比和机构复杂程度等，确定吸附方案并进行设计；同时通过各种移动方案的对比和其应用场合等，确定移动方案并进行设计。
再次，绘制方案、相关零部件的原理图、草图，并提供备选方案，利用Solid works 建立有关机构的零部件的三维模型、装配模型仿真。
最后，将设计成果以模拟仿真资料和图纸的方式展示，并总结本设计的优缺点以及用到的技术。
关键词：爬壁机器人；运动机构；吸附机构；移动机构；模型The Kinematic Design of Mechanism for PlaneWall- climbing RobotAbstractThe plane wall-climbing robots are broad-spectrum in life and production, especially in some dangerous environment. It’s easy for them to achieve automation, change working conditions, reduce manpower and increase efficiency. A t the same time they relieve of building false work. As a result, this discourse introduces the process of kinematic design of mechanism for this kind robot.The main idea of this design is to design a robot which adsorb on wall, so that it walk vertically. It bring forth mainly in data research, project selection contrast,three-dimensional model, Simulation and thesis.Firstly, do some research of principle of wall-climbing robot, and compare with different program to choose the overall frame work.Secondly, compare with different ways of adsorbing to choose the best way, and also the same to the moving program. Make sure that they are suit with each other.Thirdly, draw program, the relevant parts schematics and sketches, and to provide options. Use Solidworks set up three-dimensional model of the components and simulation of the assembly model.At last, bring forth the results of the simulation data and drawings. Sum up the advantages and disadvantages of this design and the technology used.Keyword: wall- climbing robot; kinematical design; adsorb; move; model目录1绪论 (1)1.1平面爬壁机器人的研究背景和研究意义 (1)1.1.1 研究背景 (1)1.1.2研究意义 (2)1.2 平面爬壁机器人的研究内容和发展方向 (2)1.2.1 研究内容 (2)1.2.2发展方向 (4)1.3 国内外研究概况 (4)1.4 本文的主要研究内容 (6)1.5小结 (6)2 平面爬壁机器人的总体框架设计和拟定 (7)2.1研究方法和步骤 (7)2.2总体框架设计和适用环境设定 (7)2.2.1总体框架 (7)2.2.2适用环境设定 (8)2.3方案分析 (8)2.4拟定方案 (10)2.5小结 (10)3 吸附方案设计 (11)3.1方案原理 (11)3.1.1附着方式分类 (11)3.1.2 本文采用的吸附方案 (12)3.2结构设计和分析 (13)3.2.1吸盘设计 (13)3.2.2吸盘提升和复位机构 (13)3.3 部分理论计算 (14)3.3.1附着力学分析 (14)3.3.2简化附着模型 (15)3.4影响附着稳定性的因素 (16)3.5小结 (16)4移动方案设计 (17)4.1方案原理 (17)4.2结构设计和分析 (18)4.2.1动力传递结构 (18)4.2.2导向结构 (18)4.2.3变向结构 (19)4.2.4安装结构 (20)4.2.5支撑结构 (21)4.3部分理论数据 (21)4.4小结 (22)5 系统实例 (22)5.1零件和总装工程图 (22)5.2三维装配模型 (23)5.3其他一些关键部件的设计实例图 (24)5.4装配仿真演示 (26)6 结论 (27)6.1本文的主要研究结论 (27)6.2平面爬壁机器人的关键技术 (27)致谢.................................................... 错误!未定义书签。
基于STM32的负压爬壁机器人控制系统设计
通过数据分析和处理，发现控制系统在气压和距离传感器的精度、电磁阀的 控制精度和响应速度方面仍存在一定局限性。未来可以针对这些不足之处进行优 化和改进，以提高机器人的性能。
结论与展望
本次演示设计了一种基于STM32的负压爬壁机器人控制系统，实现了机器人 在垂直表面上的稳定攀爬。虽然取得了一定的成果，但仍存在一定的局限性。未 来研究方向可包括：提高传感器精度、优化控制算法、改进电磁阀控制方式和增 强机械结构稳定性等方面。可以进一步拓展机器人的应用场景，如：在建筑行业 进行高空作业、在狭窄空间进行探测等。相信在不断的研究与改进下，负压爬壁 机器人的应用前景将愈发广阔。
5、机器人根据控制信号实现攀 爬、移动等功能。
技术难点包括： 1、气压和距离传感器的精度和稳定性； 2、控制算法的优化，以提高机器人的稳定性和效率；
3、电磁阀的控制精度和响应速度； 4、机械结构的设计和加工精度，以保证机器人的吸附负压爬壁机器人控制系统中发挥着核心作用。本次演示选用 STM32F103C8T6单片机，该单片机具有丰富的外设接口和运算能力，适合用于复 杂控制系统。
负压爬壁机器人工作原理
负压爬壁机器人利用气压差产生吸附力，实现在垂直表面上的攀爬。具体实 现方案如下：
1、机器人通过真空吸盘吸附在垂直表面上；
2、气泵开始工作，产生负压，使机器人吸附在垂直表面上； 3、传感器监测气压和距离信息，将数据传送给STM32单片机；
4、STM32单片机根据控制算法处理数据，调节电磁阀，控制气泵的工作状态；
感谢观看
控制系统设计
负压爬壁机器人的控制系统主要由STM32单片机、传感器模块、电源模块、 气泵模块、电磁阀模块和机械结构模块等组成。STM32单片机作为控制系统的核 心，负责处理各种传感器信号、执行控制算法、驱动电磁阀等工作。
履带吸盘式爬壁机器人结构原理的
节能设计
通过优化真空泵的性能和控制系 统，降低吸附力控制过程中的能
耗，提高机器人续航能力。
稳定性技术
姿态传感器
机器人装备有高精度姿态传感器，实时监测机器人的姿态角度， 为控制系统提供准确反馈。
动力学建模
通过建立机器人与壁面相互作用的动力学模型，分析机器人运动过 程中的稳定性，为控制策略提供理论依据。
研究多机器人协同作业技术 ，实现多个履带吸盘式爬壁 机器人在壁面上的协同运动 和作业，提高作业效率。
应用前景展望
高空作业
01
履带吸盘式爬壁机器人可广泛应用于高空清洗、维护、检修等
领域，替代传统人工高空作业，降低作业风险。
壁Hale Waihona Puke 检测02机器人可搭载多种检测设备，实现对壁面的无损检测、缺陷识
别等功能，提高检测效率和准确性。
机器人运动控制原理
01
传感器控制
通过搭载各种传感器，如陀螺仪、加速度计和距离传感器等，实时监测
机器人的姿态、速度和位置等信息，以实现精确的运动控制。
02
算法控制
采用先进的控制算法，如PID控制、模糊控制或神经网络控制等，对机
器人的运动进行规划和控制，确保机器人按照预定路径准确运动。
03
通信与遥控
机器人与控制台之间通过无线通信模块进行数据传输，接收来自控制台
胶或橡胶。
真空发生装置
一般采用电动或手动真空泵，通过 产生负压使吸盘紧贴壁面，确保机 器人在攀爬过程中的稳定性。
吸盘释放机构
当机器人需要移动或转向时，释放 机构会解除吸盘的真空状态，使其 与壁面分离，从而实现机器人的灵 活运动。
03
履带吸盘式爬壁机器人运动原理
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制引言：在现代工业生产和日常生活中，往往存在高难度和高风险的工作环境，例如高空施工和壁面作业。
为了完成这些任务，传统的人工操作往往会面临很大的困难，并且由于人工操作的风险较高，不利于保障人身安全。
研究和开发一种能够在高难度和高风险环境中自主完成工作的机器人变得十分重要。
一、现有问题分析：目前市场上已经存在一些可以在壁面上爬行的机器人，然而这些机器人在操作过程中往往会出现以下问题：1. 爬坡能力不足：现有机器人在爬坡时往往存在困难，因为它们很容易滑动或者掉下来，这影响了机器人的运行效果。
2. 壁面附着力不稳定：现有机器人往往存在不能牢固附着在壁面上的问题，很容易滑动或者掉下来。
3. 承重能力不足：由于现有机器人的结构和材料的限制，它们往往不能承载过重的物体，这限制了它们的使用范围。
二、解决方案：为了解决以上问题，我们提出了一种复合吸附方式爬壁机器人的解决方案。
这种机器人采用了复合吸附技术，同时结合了机械爬行的原理，能够在高难度和高风险环境中自主完成工作任务。
1. 复合吸附技术：复合吸附技术是指在机器人的表面采用多种吸附材料和吸附方式，以增加机器人与壁面之间的附着力。
我们可以在机器人的表面涂覆一层具有高粘附力的材料，例如硅胶或者橡胶，以增加机器人在壁面上的附着力。
我们还可以在机器人的表面安装吸盘和吸附器，通过负压吸附的方式，增加机器人在壁面上的稳定性和附着力。
2. 机械爬行原理：机械爬行原理是指通过机械结构和运动方式来实现机器人在壁面上的爬行。
我们可以在机器人的底部装配蜘蛛网状的脚，通过类似蛛丝丝的运动方式，在壁面上产生摩擦力，以保持机器人的稳定性和附着力。
我们还可以通过机器人的运动轨迹和节拍控制，使机器人在爬行时保持平衡和节奏，以提高其爬行效率和稳定性。
三、实施计划：为了实现以上方案，我们将按照以下步骤进行机器人的研制：1. 确定机器人的设计要求和性能指标：根据实际需求，确定机器人的最大爬坡能力、最大承重能力和爬行速度等性能指标。
爬壁机器人真空吸附及运动方式探讨
图 ３ ＳＲＦ 吸盘模型［８］
常好的效果。排布方式的确定是针对昆虫足式多吸盘 吸附而言， 目前多采用吸盘组的设计方法［１２、１８］。
此外， 多吸盘吸附要实现吸盘个体频繁的吸附与 剥离， 因此要求每个吸盘要有快速产生负压和消除负 压的能力， 这也是多吸盘设计中的关键内容。 ２．２ 多吸盘的承载能力和越障能力
变结构履带式爬壁机器人［２２］， 可以灵活而大幅度地 改变履带的形状， 从而能够在曲率半径较小的曲面上 稳定行走， 以及在具有较大交角范围的相交壁面之间 过渡。
５ 结语
爬壁机器人的研制和新的设计方案层出不穷。但在 目前，爬壁机器人面临着几个技术难点， 其中涉及吸盘的 有— ——面对复杂的壁面环境， 要求吸附机构必须要产生 并维持一定的吸附力， 使机器人安全可靠地吸附在工作 壁面上， 要求出现更好的吸附及密封技术。从有关资料 看出， 现有的以真空吸盘为吸附手段的爬壁机器人对于 较为复杂的工作面适应性较差， 这是因为建筑物外墙结 构形状复杂，材料多样，壁面有沟缝、凸起物和凹陷区等， 所 以 需 要 解 决 密 封 、跨 越 、移 动 等 许 多 技 术 难 度 大 的 问 题。这极大的影响了爬壁机器人的工作效率。这些难题 是阻碍爬壁机器人向实用化方向发展的瓶颈， 也是爬壁 机器人的发展方向。为提高吸盘的吸附能力和吸附可靠 性， 研究和发现新的材料也为一些研究人员所关注， 有 些研究者提出了采用生物材料的观点， 但这一观点还停 留在理论阶段， 并未进入实用阶段， 新材料的发现也必 然会使吸盘技术变得更加成熟。
２ 多吸盘吸附
采用多吸盘吸附的爬壁机器人， 通常采用昆虫足 式 爬 行 机 构 ， 每 只 脚 装 一 个 或 多 个 吸 盘 ， ［３、２５、１２、１５］ 如 图 ２ 所示， 或者采用仿坦克的履带式爬行机构， 每条履带上 装若干个真空吸盘， 利用吸盘与墙面的静摩擦力和负 压使机器人紧贴墙面爬行 。 ［１１、１３、２４］ 也有的将多个单吸盘 吸附系统（ 一个单吸盘和两个轮子的组合） 组合， 形成 多吸盘吸附［５］。相对单吸盘吸附而言，多吸盘吸附稳定可 靠，抗倾覆承载能力和越障能力较高， 但其移动是间断 的（ 昆虫足式） ，控制比较复杂，移动速度较慢。
新型爬壁机器人多向磁化永磁吸附装置的设计外文文献翻译、中英文翻译
新型爬壁机器⼈多向磁化永磁吸附装置的设计外⽂⽂献翻译、中英⽂翻译附录1：外⽂翻译新型爬壁机器⼈多向磁化永磁吸附装置的设计引⾔：⼀种⽤于爬壁机器⼈的多向磁化永磁吸附装置(PMAD)。
在相同质量下，新型PMAD能显著提⾼吸附⼒。
⾸先，基于本⽂提出的设计理论，对新型PMAD的磁路进⾏了优化。
新型PMAD包含多个排列紧密的不同磁化⽅向的永磁体。
根据磁化⽅向的排列规律，磁体可分为若⼲个元件单元。
在每个元件单元中，磁化⽅向沿半圆分布.其次，采⽤有限元分析软件ansys workbench对结构进⾏参数化建模和结构特征分析。
对新型PMAD进⾏了特性分析、磁路模拟、吸附⼒计算和参数优化。
在此基础上，提出了材料和体积相同的新型和Halbach型PMAD。
都是试制的。
测定了不同⽓隙厚度下的吸附⼒。
实验结果表明，在相同质量下，与Halbach型PMAD相⽐，新型PMAD的吸附⼒平均提⾼了⼀倍，最⼤放⼤倍数为2.3倍。
最后，将新型pMADs应⽤于爬壁机器⼈的超声波检测中，提供了稳定可靠的吸附性能。
1.概况爬墙机器⼈作为⼀种特殊的移动机器⼈，可以在墙、天花板等⼆维或复杂的三维环境中执⾏各种任务，除移动机器⼈⽤轮⼦或腿在地⾯上移动外，爬墙机器⼈还具有在移动时保持⾝体对抗重⼒的独特特性。
因此，在爬壁机器⼈设计中，既要考虑移动性，⼜要考虑吸附性。
根据吸附⽅式的不同，爬壁机器⼈可分为五类：真空吸附式、磁吸附式、夹持式、导轨式和仿⽣t型。
YPE3磁性吸附，包括永磁吸附和电磁吸附，⽐真空吸附更适⽤于铁磁表⾯。
⼀般来说，磁路的设计应该是为了最⼤限度地利⽤其中的材料。
另⼀⽅⾯，如果在移动设备上安装PMAD，则PMAD质量的降低可以提⾼移动设备的移动性。
因此，优化PMAD的磁路以增加吸附量是⾮常必要的。
2.多向磁化PMAD的结构设计将不同的部件单元紧密地布置可以使泄漏通量最⼩化并集中更多的磁感应。
“期望区域”中的n⾏。
同样，沿y轴两侧也有泄漏通量。
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№.4 西北轻工业学院学报 Dec.1997・18・ JOU R NA L O F N O RT HW EST IN ST IT U T E O F L IG HT IN DU ST RY V ol.15真空吸附式爬壁机器人设计何雪明1 丁毅 朱明波2(机械工程系)摘 要 运用壁虎爬行原理,设计构思了真空吸附式爬壁机器人.采用多组橡胶吸盘将机器人吸附在墙面上,配以简单四杆机构完成其行走功能,从而达到擦洗整个墙面的目的.该机器人可用于建筑行业和洁净业.关键词:壁面机器人,真空吸附,蠕行运动中图法分类号:T Q242.1(T H122)1 引言目前,瓷砖、玻璃装璜的墙壁均采用人工直接擦洗.因高空擦洗作业具有很大的危险性,因此,研制一种适用于高楼墙壁擦洗的墙壁机器人有着重要的意义.壁面机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品,自80年代以来在国内外取得了迅速的发展,有的已开始进入实用试验阶段.到1992年底,国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功,其中以日本发展最快.国内较早的是哈尔滨工业大学,他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人,采用真空吸附式,通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走.另外,上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行机器图1 爬壁机器人总体框架图人.上海交通大学亦于1995年研制了磁吸附爬壁机器人用于油罐检测.2 真空吸附式爬壁机器人总体设计要实现机器人在普通壁面上的自由移动,必须具备粘着功能与移动功能.常见粘着功能主要靠吸附即负压吸附实现.根据吸附力量产生装置不同,又可分为真空泵式、喷射器式.移动方式一般有轮式、履带式及足式三种.针对壁面移动机器人的工作条件以及壁面非金属性、金属性等其它原因,经过比较选择了多子真空吸附、足式移动的方案.其吸附性好,结构简单,由于吸盘采用列吸盘组, 收稿日期:1997-05-10 第一作者:男,32岁,硕士1、2作者单位:无锡江南大学机电系,邮编:214063图2 爬壁机器人结构简图有效吸附面积大,吸附力大,对壁面的不平度、弯曲度、空隙都有较强的适应能力.该机器人的总体框架如图1所示,其结构简图如图2所示,其动作过程如图3所示.1.1 爬壁机器人的原理爬壁机器人是依据自然界中的生物——壁虎的爬行原理设计的.我们对其进行了一定的研究和归纳,得出了基于模拟方式的爬壁机器人方案.爬壁机器人的原理及运动过程:利用其脚(吸盘)与接触物之间存在的内外压差使其能吸附在接触物的表面.当脚与接触物接触时,上下脚吸附.若机器人向上行动,则下脚吸附,上脚(吸盘)与大气相通,使其脱开壁面,同时躯体向上伸出,至上脚不能伸出为止.接着上脚开始吸住墙壁,使其能基本独立承受其重力.接下来,下脚与大气相通,再由躯体动力图3 爬壁机器人运动示意图系统使下肢向下运动,至运动原状,并吸住墙壁.循环往复完成向前行进的爬行过程.1.2 爬壁机器人的运动分析根据目前设计的爬壁机器人的爬行方式,我们定义为“蠕行式”意即模仿蠕虫行进的方式.蠕虫行进方式见图4.爬壁机器人行进方式见图5(忽略足部细节运动).比较上述两种行进方式我们可以认为它们是相类似的,并可得出如下的等价关系:蠕虫的头尾=爬壁机器人的前后脚,蠕虫的身躯=爬壁机器人的导轨伸缩机构.当然,本文设计的机图4 蠕虫行进方式器人其行进功能和蠕虫有一定的区别.首先,蠕虫的行进方式和着落点具有选择性,而本文的爬壁机器人仅限于直线行走和限定行程的着落.其次,蠕虫的行进具有避让性——即对墙面具有很强的适应能力,它可・19・第4期 何雪明等:真空吸附式爬壁机器人设计图5 爬壁机器人行进方式通过身躯的弯曲程度来避让并适应不同曲率的墙面,与灵活的着落点相配合而具有更佳的适应性.本文设计的机器人的行进是刚性导轨式的,不具备柔性,适应性有一定的限度,而且吸盘亦不允许墙面具有较大的不规则性和不平滑度,仅限于能跨过条形阻挡条的有限高度(0～10cm ).当然,此机器人仅是初步设计,通过采用其它类型的机构和更小更密的吸盘陈列是能提高爬壁机器人的壁面适应性和越障碍能力的.2 吸附式机器人的结构设计2.1 移动吸附机构设计图6 受力分析吸附材料采用软橡胶.机器人的工作状况与吸盘的吸力大小有关,如图6所示为机器人静止吸附在壁面时的受力情况.机器人能维持吸附的条件为F =nFP 1≥W (设P 1′=P 2′)P 1≥W nf (1) 式中:F 为摩擦力,f 为摩擦系数,P 1为单个吸盘的吸力,W 为机器人自重与其附件重量之和,n 为吸盘的个数.由于机器人重心离壁面距离为h ,与F 形成的力矩将影响到重心上半部分对壁面的有效压力,同时,考虑到由于地面有缝隙而减少真正吸附壁面的吸盘个数,引入安全系数K 1,则单个吸盘的吸附力为:P =K 1P 1K 1值的大小取决于壁面灰尘、空隙、不平度以及行走中遇到障碍物如电线、导气管等因素,一般取2～3.2.2 吸盘机构如图7所示为单个吸盘的结构图,它是由钢球1、橡皮圈2、弹簧3和4所组成.在忽略气体摩擦和位置时,由伯努利方程得:V 22+K K -1P =C 即 V 22=C -K K -1P 式中:V 为气体的速度,K 为气压压缩系数,P 为压力, 为密度,C 为常数.当导管中的气压还在减小,同时有几个吸盘已经处于有效吸附的情况下,在缝隙上的吸盘与大气相通,因此V 值将增大,这样小球就受到气体的压力,随即密封通气口,达到工作效果.・20・西北轻工业学院学报 第15卷图7 吸盘结构F 气= Q Vg F 弹=K x F 气≥F 弹 式中: 为气体密度,Q 为流量, V 为气体流速的改变量,g 为重力加速度,K 为弹簧屈强系数, x 为压缩位移.则K ≤Q Vg x2.3 脚部机构脚部机构如图8所示由1—吸盘陈列,2、3、7—微型开关,4—弹簧,5—平行四边形连杆器,6—曲柄连杆等组成.脚部由两连杆机构串联而成,在保证吸盘陈列与壁面平行的同时,又有向前移动及翻越动作.鉴于连杆机构是刚性构件,分别在吸盘陈列与脚部之间连有弹簧,确保其有一定的柔性,其动作的限制和定位由2、3、7三个定位开关实现.图8 脚部机构 图9 行进机构2.4 行进结构行进机构如图9所示由1—前身,2—后身,3—转向(导向轮),4—卷线、释线轮,5—动力系统(行进用),6—类同3,7、8—限位开关等组成.动作描述如下:由5带动4正向、逆向旋转来带动机体1、2产生相对移动,从而产生运动,具体的行进速度视其情况而定.3 控制部分控制部分见图10所示分上、下肢部分及足部控制三部分.足运动分析见图11.4 结论目前设计的机器人相对是很简单的,只具备直行能力,没有相应的判断功能和承担相应的功能,因此只能作为初步的载体研究.验证机器人墙壁爬行的方法以及把大吸盘细化——陈列吸盘并变成相互独立的个体,可随时增加或减少吸盘数及陈列组数.作为吸附足的一种发展方向,可以认为此种吸附足将被赋于强大的生命力而担当多种高空作业,替代人类作危险的劳动.因此,前景是十分喜人的.・21・第4期 何雪明等:真空吸附式爬壁机器人设计图10 控制原理图图11 足运动分析图参考文献1 徐殿国.日本壁面移动机器人技术发展概况.机器人,1989;3(4):53～582 Kagubode satoeds .Inspection r obo t for tank w all in mcelear plant .InternationalConference on Advanced Robot ,1987,177～1803 T oshio,Fukuda.Craw ler type w all surface m obile suckers Japan/USA Sy mpo -sium on Flex ible Autom ation ASM E,1992;(1):769～608(下转第33页)・22・西北轻工业学院学报 第15卷TECHNOLOGY OF DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMIS APPLIED IN A BEER FERMENTATION PROCESSZhu Yiz ao Yu Day uan W u J uanABSTRACTA m easur em ent and control system based on DCS (Distributed Co ntrol System )tech-no logy is used in a beer fermentation pr ocess for contr olling technolog ical par am eters of tem perature,pr essure,liquid level and flow.T he system consist of industrial co ntrol com -puter ,measurement unit and contro l unit .Running results show s that the system are sta-bly and reliable ,and can control beer fermentation process accur ately ,and impr ove the quality of the beer.Keyword :beer fermentation,distributed m easur em ent and control,measurem ent unit,fuzzy control(上接第22页)DESIGN OF ABSORPTION -TYPE CLIMBING -WALLROBOT OF VACUUMH e X ueming Din Yi Zhu MingboABSTRACTIn this article,w ith the aid of principle o f gecko climbing,author designed and w orked out the absorption -ty pe climbing -w all robot of vacuum .Robot is absor pted on the w all by ado pting several g roups rubber suckers,and is m ated simply four -lever mechanism to finish its mo ving.So that the go al of cleaning the w hole w all is r eached.This r obo t lies in the leading place among the same kinds of robots in o ur country .If is can be improved fur ther ,it w ill g et swift developm ent and spread in the building and cleaning field,applied pro spect is better.Keywords :clim bing-w all ro bot,absorptio n of vacuum ,w rigg le mo vem ent ・33・第4期 祝一藻等:集散测控技术在啤酒发酵工艺过程中的应用。