气动吸附式爬壁机器人的结构设计(3)
1.2 国外爬壁机器人的研究现状1.3 国内爬壁机器人的研究现状1.4 爬壁机器人的发展趋势
1.5 课题的目的及意义
爬壁机器人是极限作业机器人领域的一个重要分支，它把地面移动机器人技术与吸附技术结合起来，其主要作用是在壁面进行移动作业[4]。爬壁机器人能在很多情况下代替人类完成许多人类不能完成或者难以完成的工作。其中，壁面清洗机器人就是一个具有代表性的例子。
随着世界经济的快速发展，现代城市中的高层建筑越来越多，许多高层建筑都以玻璃墙或其它幕墙为装饰，因此带来了建筑物幕墙的清洗问题。对于高层建筑物的幕墙清洗，特别是复杂幕墙的清洗，人类难以较好的完成工作，而且工作危险较大，最好的解决方法就是运用可在幕墙壁面自由爬行的移动机器人，即爬壁机器人。目前已经有很多机构、研究所等设计并制造出一些可以代替人工完成高层建筑清洗任务的玻璃擦拭机等，推动了清洗事业的发展，带来了相当的经济效益。
此外，爬壁机器人还用于核工业对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；化工工业中圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷沙除锈的应用；建筑行业喷涂巨型墙面、壁面清洗、擦玻璃等；消防部门用于传递救援物资，进行救援工作；造船业用于喷涂船体的内外壁等等。
由这些例子可见爬壁机器人的研究具有产生较好的经济效益和社会效益的前景，爬壁机器人的研究，对人类生活的改善意义巨大[7]。
1.6 课题内容及工作思路
设计一种爬壁机器人，完成结构设计及元件选型，对其进行力学分析并设计控制系统回路。
先设计机器人的整体结构，根据要求选择具体元件，完成力学分析，并根据机器人的结构特点设计回路。
2. 机器人的结构设计
2.1 吸附方式和移动方式的选择
爬墙机器人在诸如核工业、建筑业、造船业等需要在高空作业的特殊场合有着广泛的用途[9]。对于爬墙机器人而言完成可靠的吸附和平稳的移动是它的最基本也是最主要的功能。目前应用于实际的或文献报道的爬墙机器人的步行机构通常采用基于仿生原理的优尔足或四足等多足步行机构。本机器人根据实际情况采用四足步进机构。
爬壁机器人如果要在壁面上自由的移动，需要具备两个基本功能：移动功能和吸附功能。吸附功能一般分为真空吸附和磁吸附两种；移动方式一般分为轮式、履带式和足式三种[3]。
真空吸附和磁吸附的特点如下：
真空吸附：真空吸附分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点。但当壁面凹凸不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低。
磁吸附：磁吸附可分为电磁体和永磁体两种。电磁体式文持吸附力需要电力，但控制较方便，永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附对壁面的凹凸性适应能力较强，且吸附力远大于真空吸附，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，严重限制了爬壁机器人的使用范围[9]。
轮式移动、履带式移动和足式移动的特点如下：
足式移动方式能够跨越很小的障碍，但移动速度较慢；轮式移动方式移动速度快，控制灵活，但文持一定的吸附力较困难；履带式移动方式对壁面的适应性强，着地面巨大，但不易转弯。
本文设计的爬壁机器人应用真空吸盘的吸附原理，采用足式移动方式，由两个无杆气缸十字交叉作为主体结构，无杆气缸驱动机器人在平行于墙面的平面内运动。在两个交叉的无杆气缸的四个端面上，各连接一个小型双联气缸，此双联气缸与真空发生器和真空吸盘相连。无杆气缸的4个端面各有一个双联气缸、一个真空发生器和4个真空吸盘。双联气缸可驱动吸盘，控制真空吸盘与墙面的接触。当吸盘不工作时，双联气缸收缩，可使吸盘与墙面脱离接触，避免在机器人移动时不工作的吸盘与墙面发生不必要的摩擦。爬壁机器人的主要运动为在平行于壁面的平面内的直线运动，由无杆气缸驱动机器人脚步的交替移动来实现[12]。此机器人结构简单，控制系统简洁，机身重量轻，易加工。