负压吸附式爬壁机器人的设计（含三维SW模型+CAD+说明书）

摘要
在移动机器人研究领域中，爬壁机器人是其中的一个重要分支，它很好的结合了吸附技术、移动技术和控制技术。爬壁机器人在行走过程中可以在机身上安装辅助设备以完成相应的作业任务，极大地拓宽了移动机器人的应用范围，能代替人工在高空等危险环境下作业。本设计的是一种基于负压吸附，单吸盘式、三轮支撑运动的爬壁机器人，通过离心风扇产生足够的吸附力，吸附在垂直或者倾斜壁面上，同时其可以适应一定曲率范围的曲面。
首先确定机器人所需的技术参数要求，对比不同吸附方式的特点，提出爬壁机器人采用单吸盘、负压吸附的设计方案；其次采用Pro/e软件建立机器人的三维数字模型，对吸附系统，移动机构，及整体机械结构进行了设计，装配完成爬壁机器人的机械结构主体；最后加工制作了机器人样机。
分析了机器人对曲面的适应性，针对可能发生的滑落、倾覆等失效情形，进行爬壁机器人在静止时的安全受力分析，建立了机器人在竖直方向上的动力学模型；计算得出：安全吸附所需的最小吸附力吸附条件，机器人运动所需的驱动力矩，验证了驱动电机的选型合理。利用MATLAB软件仿真，结果表明在不同姿态角时，最小吸附力要求为本体重力的2.1-2.3倍。
利用CFD软件FLUENT对离心风扇进行了数值模拟仿真，在给定的初始条件下，模拟流体在流道中的流动过程，仿真得到风扇流场内部的压力和速度分布，模拟结果表明了风扇的流道设计基本可以满足使用要求。
完成了爬壁机器人主要的硬件电路设计，主要包括驱动电路、电池电压检测电路和无线通讯模块电路，利用负压传感器对吸附系统进行闭环控制；分析机器人差速控制理论，得出转弯半径与驱动轮速度的关系式。
在实验室环境进行实验验证，结果表明爬壁机器人在有微小缝隙平面和曲面都能稳定吸附，而且能灵活的运动；产生负压吸附力为100N左右，在平整墙面能携带2kg的负载运行。实验结果基本满足了设计的要求。

关键词：爬壁机器人；机械机构；负压吸附；仿真
目录
摘要1
第1章绪论2
1.1选题背景及其意义2
1.2国内外研究现状及发展2
1.2.1爬壁机器人国外研究现状2
1.2.2爬壁机器人国内研究现状4
1.3主要研究内容6
第2章爬壁机器人机械系统总体设计8
2.1爬壁机器人设计技术及要求8
2.2爬壁机器人的总体设计9
2.2.1吸附系统的设计9
2.2.2运动机构的设计14
2.3本章小结18
第3章爬壁机器人的曲面适应性和力学分析19
3.1对曲面的适应性分析19
3.2机器人的动力学分析20
3.2.1静止状态受力分析20
3.2.2运动状态受力分析22
3.2.3任意姿态的动力学分析25
3.3机器人吸附性能的仿真26
3.4本章小结28
第5章爬壁机器人电气控制的设计29
5.1电子控制系统总体构架29
5.2电子硬件设计与选型30
5.2.1 STM32单片机主控芯片30
5.2.2压力传感器选型31
5.2.3电池电压监测模块33
5.2.4 433M无线通讯模块33
5.2.5电机驱动模块和电调模块35
5.3负压吸附闭环控制35
5.3.1 PID算法介绍35
5.3.2负压闭环控制模型36
5.4机器人差速运动控制37
5.5本章小结39
第6章总结40
6.1总结40

第1章绪论

1.1选题背景及其意义

爬壁机器人其属于特种类型机器人，有时也被称为极限作业机器人，给社会的发展带来了极大的便利。现在在高空环境和极限环境中作业主要是以人工为主。这种人工作业的方式不仅仅存在效率底下、成本高昂等问题，同时作业人员还存在极大的隐患安全等问题，发生的人员伤亡事故也屡见不鲜。爬壁机器人的设计研究将替代在高空危险环境下作业的人工，大大降低高危作业的风险；在提高工作效率的同时也可产生一定的社会和经济效益。世界上很多国家都在进行开发设计和研究爬壁机器人。在核工业、风电业、造船业、消防、反恐和清洗除锈喷漆等领域，机器人均有应用前景，如对大型玻璃幕墙做清洗工作，对船体表面进行除锈，在核电厂完成对罐壁内部损伤的检测等[1-4]。此外，机器人还可以通过携带相应的探测设备应用到风力发电机叶片的实际检测工作中，以实现风机叶片检测和维护的机械化和自动化。