湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表者）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一一自拍杆，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。

表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着的特点和限制条件，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表3 真空吸附与磁吸附优缺点对比要设计多项关节和肢体，技术要求高。

同时驱动装置众多，结构复杂，体积和重量增大，成本大大提高。

此方案结构复杂，操作和控制难度较大，工艺性差, 效率较低。

表4运动方式对比图10足脚式运动根据上述要求，通过查找论文等资料建表4,结合实际情况综合考虑，采用3）翻转功能的实现方案一：采用电机控制的行星轮式结构，在母机的末端装有伺服电机驱动装置，同时传动出的动力通过相啮合齿轮及两端的装配形成行星轮机构；子机与母机末端带有连接装置，通过电磁继电器控制其翻转处的联接，此时还需携带传感器等设备。

制作成本高，结构复杂，并且给机器人本身重量带来负担。

如下图11所示，功能拓展区绕1转动，伺服电机输出动力通过齿轮3与齿轮4啮合，齿轮3在绕2自转的同时，也绕1公转，形成行星轮机构。

1.轴12.轴23.齿轮14.齿轮25.功能拓展区6.电磁继电器7.电动机8.母机图11行星轮系翻转机构方案二：大变形柔性铰链由弹性较大的橡胶材料制成，具有无摩擦、变形大、疲劳强度高等特点；当使用大变形柔性铰链时，其两端凹槽为与母机与子机的连接端，中间为变形段，如图12；当连接的子母机运动至需翻转处时，前侧机器人关闭动力源，后侧挤压前侧机器人，与此同时前侧机器人前端的翻转轮与圆弧形结构的设计使大变形柔性铰链挤压并逐渐带动前侧机器人翻转，直至翻转的那侧的爬壁机器人与墙壁接触，形成真空负压，此时后侧机器人关闭动力源。

在此过程中通过压力传感器的检测，完成由任一墙面向任一墙面上的翻转。

图12大变形柔性铰链在结构方案设计中，总体布局上采用简单的对称结构，受力均匀，真空吸盘位于底盘中央，提供足够的吸附力，硅胶履带对称布置，提供机器人移动的摩擦力驱使运动。

零部件设计充分考虑强度、刚度、可靠性等机械性能，以及加工工艺性、产品经济性和环保性等诸多因素。

考虑到部分零件是标准件、可以购买；同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过3D打印技术加工，由此可以节约制作成本。

3D打印常用材料有尼龙纤维、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、橡胶类材料等。

在查阅资料时发现，打印结构的排斥性是很低的，换句话说，3D打印能够打印出很多的结构类型，甚至一些复杂的结构对它来说也易如反掌利用3D打印“切片式”的原理，可以非常便利的完成制作。

加工零件见表5。

表5 主要零件信息1）原动装置原动装置采用直流动电机和锂电池作为动力源。

锂电池额定容量lOOOmAh电压12V。

伺服电动机的额定电压为12V,额定功率17W 转速780r/min，额定转矩1.3N • M 锂电池能量比较高，具有高储存能量密度，使用寿命长，具备高功率承受力，便于高强度的启动加速，体积小、重量轻，绿色环保，不论生产、使用和报废，都不产生有毒有害重金属元素和物质。

图21摄像机构建模图2、进度安排:指导教师意见同意推荐签字：日期：附录一：理论计算与分析1、大变形柔性铰链的设计与分析柔性铰链是经过一体化设计和加工并利用材料弹性变形来实现预期运动的具有一定形状的特殊运动副。

大变性铰链可由弹性较大的橡胶材料制成，具有无摩擦、变形大、疲劳强度高等特点；而圆角型柔性铰链，链的变形集中在柔性铰链的圆弧部分，该铰链最大变形角a为：其中，L 与C 为系数，M 为转矩，R 为圆角型铰链的半径，t 为厚度，b 为厚度，9 为R 对应的角度忽略柔性铰链圆弧以外部分的变形， 此种方法完全符合实际需要，而且 柔性好、转角范围大 , 所以该项目采用此种大变形柔性铰链，如下图 1 所示。

图1在大变形柔性铰链的基础上， 通过位移传感器与压力传感器的精确控制实现壁面间 的翻转，具有良好的自适应性，结构简单。

橡胶材料的应变—应力关系属于大变形 , 不 满足广义胡克定律的小变形假设，可用 Mooney2Rivlin 模型来描述以橡胶材料为基质 的柔性铰链力学特性。

由于适用范围的限制，要求对柔性铰链的转角最大值进行 a —定 的限制,a |rad 与参数t/R 的关系如图2.图2考虑到机器人的大小与体积，可拆卸大变形柔性铰链的宽度 b=12cm 若需自竖直壁 面翻转至天花板，则翻转的角度为 90度，由上表可知， t/R=0.5 ；翻转时，当母机行至 另一侧壁面，此时若使子机通过大变形柔性铰链变形自动回复，需要的力矩为：M=F L=G 2/L1=1.1N • m由上述两个已知条件来设计大变形柔性铰链并进行有限元分析，用二分法不断逼近，求 取其最优化结果，设计过程如下所示：a ） 首先假定t=1cm,R=2cm,在铰链施加1.1 N • m 勺力矩时，其ANSY 有限元受力分析如图3 所示：此时其刚度符合要求，但变形角度远小于 90度，故不符合设计要求,并且R 应减小。

图3b ） 假定t=0.3cm,R=0.6cm,在铰链施加1.1 N • m 勺力矩时，其有限元受力分析如图4所示： 变形过大，刚度符合应用要求，所以适当增加 R 的值。

图4c ） 假定t=0.5cm,R=1cm;在铰链施加1.1 N • m 的力矩时，其有限元受力分析如图 5所示： 此种情况下刚好符合设计要求，故大变形柔性铰链 t=0.5cm,R=1cm; 而与子母机相连的可 拆卸结构选用内凹性，受力稳定，安全可靠。

图52、 吸附力的计算与分析吸附力满足要求是机器人整个设计制作过程中最根本的问题。

由吸盘结构可知，在 机器人运动过程中，辅助吸盘起密封保护作用，而三个主吸盘决定吸附力的大小，因此 我们主要分析三个主吸盘的力学性能。