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湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称:多功能爬壁机器人学校名称湖南大学学生姓名专业性别入学年份金睿工程力学男2013李雷机械设计制造及其自动化男2012王琨淇机械设计制造及其自动化男2012韩进华机械设计制造及其自动化男2012指导教师金秋谈职称副教授学科专业机械设计理论学生曾经参与科研的情况湖南省工程模型设计制作大赛获省级二等奖大学生工程能力训练大赛获省级三等奖挑战杯湖南大学校赛获校级一等奖指导教师承担科研课题情况1995-2003参与小型水稻联合收割机研发，通过省级成果鉴定，2002年参与类菱形新概念成研发，2006年参与四轮三轴月球车的结构设计及着陆器的结构设计；本项目为教育部的重点项目。2008年参与无人驾驶汽车机械结构设改造设计；获全国智能车大赛冠军。2010年参与中气子项“基于新概念通用底盘的关键技术研究”，2014年主持重庆市“151”汽车产业升级转型重大专项-C级车AMT变速箱摘挂挡及离合器执行器开发，2006年指导学生参与全国第二届大学生机械设计创新大赛，项目获国家级三等奖，2011级评为优秀毕业设计指导老师，2012年第五届全国大学生机械设计创新大赛二等奖，2012年获全国大学生挑战杯银奖。2013年获全国大学生挑战杯省赛二等奖。指导SIT国家级重点项目五项，组织第五届、第六届全国大学生机械创新设计大赛湖南大学选拔赛，两项发明专利（第一作者）。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题1、项目研究的目的和要解决的主要问题：现代城市高楼林立，采用的瓷砖或玻璃结构的大厦壁面常年裸露在外，需要进行维护和清洁。通过查阅相关文献资料和实地调研发现，迄今为止，这类工作仍由人工搭乘吊篮完成，不仅效率低、成本高，而且对人身安全和大楼壁面构成极大威胁，下图中的“蜘蛛侠”想必我们已经司空见惯。图1瓷砖墙壁图2玻璃幕墙图3人工高空外墙清洗图4城市蜘蛛侠并且随着科学技术的发展，生活趋向自动化、智能化，琳琅满目的机器人有效地提高了生产、生活效率，改进生产、生活质量。同时在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，明确指出将机器人作为未来优先发展的战略高新技术。综上所述研究并制作一种爬壁机器人，代替人类从事危险性与重复性高的体力活动，为人们的生活提供更大的安全和方便，刻不容缓。并且，现在市场上的壁面清洁机器人类型较少并且很杂，普遍采用的是真空吸附交替行走的足爬方式。其真空吸附分为单吸盘和多吸盘两种形式，单吸盘无冗长性，一旦不抽风便立刻会脱落；多吸盘的壁面若有凸凹或裂缝则会产生真空泄漏，两种吸附都不尽人意，并且清洁机器人体积比较大，清洁过程很复杂。查询已有专利号为CN104216407A公布的一种爬墙机器人（图5），它的主要结构包括蜗轮吸附装置、驱动装置和清理装置，其工作原理是利用涡轮11产生气压差使遥控车主体10吸附在墙面，驱动车轮102控制车主体10在墙面上爬行，爬行过程中清理装置16会对经过的墙面进行清理。上述技术方案利用类似于直升机螺旋桨的原理而设计，尽管能产生吸附，但是对蜗轮叶片的转速要求高，功率要求大，从而使整个装置体积大，质量重，不方便操作、携带和移动。此外功能单一，不适合复杂的工作环境，成本高；此机器人的出现标志着爬壁机器人兴起于清洁领域。图5已有专利爬壁机器人与此同时，如今常用投影设备是固定的，不能全方位全角度摄影与自拍。最近风靡的自拍神器——自拍杆，也受到距离的限制。该爬壁机器人可在壁面上携带微型摄像头任意行走，自动捕捉识别人脸，图像通过蓝牙自动传输至移动终端设备，带来极大便利。此外在机器人上可配备微型投影仪，通过控制系统输入源文件，经过融合调试，组建成显示系统。随着机器人运动而形成移动的投影，可有效地渲染各种效果。我们也注意到，墙绘作为建筑物的附属部分，它的装饰和美化功能使它成为环境艺术的宠儿。目前墙绘普遍均由人工绘制而成（如图7），耗时长，对工人水平要求高。在机器人功能末端上安装可拆卸的颜料绘笔，通过控制系统，在移动终端设备上输入需要的绘画程序，通过控制机器人运动轨迹完成墙绘。人工与机器特点对比见表1。表1人工与机器特点对比图6人工墙绘鉴于此，我们小组通过市场调研和论证后决定设计一种高效的便携式多功能爬壁机器人来弥补这方面的空白。2、研究内容和要解决的问题：该项目以高层建筑作业比较困难为创意来源，通过真空式主辅双层四吸盘实现真空吸附，可以跨越缝隙，气密性好，安全性高；采用大变形柔性铰链，实现竖直平面至天花板的翻转；通过变速箱减速，由主轴驱动硅胶履带实现灵活运动与转向；该机器人集机械结构，电气控制，终端操纵于一体，是一台机电一体化、自动化、智能化的代表产物，可广泛应用于生活各个方面。对于普通家庭，可作为清洁利器，能清洁有缝隙的多种壁面，在各个墙面间实现翻转；对于电器爱好者，可作为二次开发的模型，制作出更加便利的产品；对于学校或科普馆，该机器人可用于科普教育，开启学生想象力大门的钥人工墙绘机器墙绘缺点：对工人技术要求高、效率较低，成本高、工作时所占空间较大，一般只能在装修期间进行绘图。优点：能绘制出较为规整复杂的图形，成本低、效率高、工作时所用空间较小，不受空间限制。匙；对于高层维护人员，降低高层建筑的作业成本，改善工人的劳动环境的同时提高了劳动生产率；对于产品宣传，移动投影作为“可移动的电视”，给产品润色了许多；同时，作为一款拓展性强大的产品，可以用作摄像、自拍、墙绘等功能，也可用作监控、壁面检查等安全功能；以求用途广泛，达到更高的实用价值。主要功能拓展功能本作品用于自动清洁瓷砖、玻璃、粉刷墙等壁面，实现壁面间翻转且可跨越缝隙。附带多功能工具箱，手动更换功能区携带的工具，可以实现移动投影、全方位摄影以及墙绘。表2功能简表国外爬壁机器人的发展概况：爬壁机器人是一种能够在壁面爬行作业的机器人，过去的几十年里在世界范围内得到迅速发展。早在1966年，大阪府立大学利用电风扇进气侧低压空气产生的负压作为吸附力，制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机，这被看作是爬壁机器人研究的开端。而后，日本应用技术研究所研制出了磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。1990年以来，西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所研制出一种6足式爬壁机器人，该机器人为磁力吸附式，具有较大的静载荷，掀起了爬壁机器人在工业上应用的热潮。国外在爬壁机器人的研制和生产上，日本、俄罗斯、美国等国起步较早，早在20世纪70年代开始，这些国家就开始了大量的研究与制造；此后的四十年里，爬壁机器人技术得到了迅速发展，相继研制出了不同种类的样机，大部分已经投入实用。目前这些先进工业国家爬壁机器人技术处于国际先进水平，在部分领域甚至还处于垄断地位。近年来，发达国家纷纷将突破爬壁机器人技术、大力发展爬壁机器人产业作为自己的发展目标之一，并将此产业作为新世纪拉动国民经济增长的重要引擎。国内爬壁行机器人的发展概况：和国外相比，国内爬壁机器人的研究起步较晚，应用领域窄，与国外的主要差距体现在自主研发能力落后于世界先进水平、产学研脱节现象较为严重，创新体系建设尚处于起步阶段。但近几年已取得了很大进步。在国内自1988年以来，在国家“863”高技术计划的支持下。哈尔滨工业大学机器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附两个系列的5种型号壁面爬行机器人。其中我国第一台壁面爬行遥控检测机器人，采用负压吸附，全方位移动轮，用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。上海大学也较早开展高楼壁面清洗作业机器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁机器人和球形壁面爬壁机器人。由于传统爬壁机器人具有很多不足之处（如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等），因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。面对当前的发展现状与趋势，针对我国服务机器人发展中存在的不足，“十二五”期间，国民经济和社会发展对我国服务机器人产业的发展也提出了新的要求；并且随着国民经济和社会的发展，推进国家民生科技领域的应用，可以预见，爬壁机器人作为一种战略性新兴产业，必将迎来新的巨大的发展空间。本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩该项目已获湖南大学校级sit立项资格该作品已通过湖南大学挑战杯初赛，进入省赛项目的创新点和特色1、功能设计创新1）本产品主要用于玻璃、瓷砖、粉刷墙面等壁面的清洁，并且可以工作于有缝隙的壁面，清洁效率高，实用性强。2）通过控制子母机的相对旋转可使机器人从任一壁面翻转至另一壁面，如自竖直壁面翻转至天花板。3）通过WIFI实现移动终端APP对机器人的控制与管理，时尚便捷。4）附带多功能工具箱，连接微型投影仪，实现移动投影；连接颜料绘笔，实现墙绘；连结摄像头，实现多角度摄影、自拍；功能丰富，可操作性好，娱乐性强。2、结构设计创新1)采用真空式吸盘结构，内层主吸盘采用三角形最优化的布局结构，在存在壁缝的情况下，能够保证至少有一个工作吸盘处于工作状态，增加了对壁面适应性，使用更安全。2）采用主辅双层吸盘结构，外层辅助吸盘形成初步真空，三个内层主吸盘在初步真空中进一步形成真空，吸附力增大，气密性提高，大大降低主吸盘因为泄漏而失效的机率，运行更稳定。3）大变形柔性铰链具有变形大、疲劳强度高等特点，可通过其实现翻转功能，无需任何辅助动力且结构简单，自适应性好，成本低。项目的技术路线、进度安排及预期成果1、技术路线：通过查阅相关资料，将整个设计过程分为方案设计、技术设计和制作调试三个阶段。在产品方案设计阶段，通过市场调研、需求分析、预测及可行性分析，确定任务设计书，根据任务设计书进行产品功能原理的设计。经过对设计任务的抽象，建立功能结构，将产品设计模块分为吸附系统，运动系统，翻转系统和控制系统等。其主要设计过程如图7。图7.设计流程图建立功能结构后，对设计任务进行抽象，确定本质功能，然后建立功能结构，将复杂的总功能（爬壁）分解成相对较简单、相互联系的分功能（吸附、运动、翻转等），通过以下所述实现各种功能，确定设计方案。1）吸附功能的实现吸附功能是爬壁机器人的根本要求。目前吸附方式主要有真空吸附、磁吸附和推力吸附三种方案。每一种吸附方式都有显著的特点和限制条件，与工作环境的要求、壁面的结构形式、材质、高度、表面质量以及几何形状密切相关。所以，吸附方式的选择必须综合考虑上述各种因素的影响，如何求得一个最优解决方案，以及评价标准是我们必须面对的问题。推力吸附利用直升机原理，由螺旋桨产生的高速气流产生始终指向壁面的推力，从而实现了机器人的吸附功能，该吸附机构噪声很大且效率很低,所以首先排除,在真空吸附以及磁吸附之间进行选择。真空吸附与磁吸附优缺点对比见表3。吸附种类单吸盘真空吸附多吸盘吸附磁吸附电磁吸附对墙面光洁度要求一般一般较低较低对墙面材质要求不高不高铁金属钢铁金属是否备气泵带带不带不带对墙面伤害程度一般小大大吸附稳定性低较高较低较高表3真空吸附与磁吸附优缺点对比鉴于建筑物壁面的非导磁性,爬壁机器人多采用真空吸附方式,通常是依靠抽风机、真空泵等真空发生设备在机器人的吸盘和墙壁的接触面间形成负压,依靠压差使机器人吸附在墙壁上。在日常生活中，真空吊具随处可见；真空吊具真空能量存储在真空蓄能器里，主要是依靠真空源在抽空吸盘内部的空气产生真空，使用时不仅对表面无伤害，而且操作简单，安全性高。通过观察日常生活中的真空吊具，我们根据需要设计出综合以上优点的主辅真空吸盘。该吸盘由圆形的耐磨塑料制成，辅助吸盘包围三个主吸盘，此种方式的优势是减小了吸盘失效的可能性。2）运动功能的实现要求：1）可驱动真空吸盘运动；2）结构简单，移动速度快，适应能力强；3）壁面光滑且绝缘，无其他辅助装置；方案一：车轮式（图8）:外形与汽车相似，有四个小型车轮，后面两个车轮通过电机驱动，控制电机的运动方向与速度，实现机器人的前进、后退和转弯。机械结构简单，控制简单便捷，运动灵活，但是与墙壁之间属于线接触，摩擦力小，须特制车轮以防止打滑。图8轮式运动方案二：履带式（图9）：爬墙机器人采用的是履带轮作为移动机构。履带式爬墙机器人可以连