一种爬壁喷涂机器人的研究与设计毕业论文(设计)(编辑修改稿)

一种爬壁喷涂机器人的研究与设计毕业论文(设计)(编辑修改稿)内容摘要：

以集思广益、 自由阐述的方式，讨论了设计方案，经过多方 的 比较，全方位 的 考虑，最终将所有方案的优点结合在一起，确定了现在的 设计方案。 该爬壁喷涂机器人在现有技术的情况下其总体结构采用传统的四部分组成：机器人本体系统，喷涂作业系统，地面遥控与监控系统和 楼顶悬挂 系统。 爬壁喷涂机器人的设计方案主要包括机器人的本体方案设计和机器人的控制系统设计。 其中机器人的本体方案设计包括机器人的移动方式、吸附方式、喷涂装置 的设计。 而机器人的控制系统设计方案主要德州学院 机电工程学院 20xx 届 机械设计制造及其 自动化专业 毕业论文（设计） 4 是机器人的控制方式设计。 爬壁 喷涂机器人的吸附方式 爬壁机器人的吸附 方式有三种：真空吸附、磁吸附和推力吸附。 不同吸附方式的机器人都各有 自己特点，能够 应用于不同的场合，使用时需要根据 具体的使用条件 来 进行 吸附方式的 选择。 下面列出各种吸附方案的优缺点： 1）真空吸附。 真空吸附分为单吸盘和多吸盘吸附，单吸盘结构简单允许有一定的泄露，但是单吸盘会使系统稳定性差，吸盘没有冗余性，断了电之后就没有了吸附能力。 多吸盘吸附吸盘的尺寸小，密封性也好，断电有冗余性。 但其也有缺点，它对墙面的适应能力较差，如果墙面不平整或有裂缝吸盘将会发生真空泄漏，从而使机器本体掉落。 2）磁吸附。 磁吸附分为永磁式和电磁式两种。 永磁式耗能少，比较安全。 但磁体在离开吸附的墙壁时需要很大的力量这将会使机器人本体有惯性产生，从而导 致主体的不稳定。 电磁式可以避免这种状况，它的离合比较容易，但它会消耗很大的电能电磁体的重量也比较大。 3）推力吸附。 推力吸附适应能力强，不受吸附表面形状和材料的限制，穿越障碍能力强。 但是它有很多缺点就是体积比较大难以控制，噪声也比较大，工作效率也很低。 经过以上各方面的分析可以很明确的选择真空吸附 作为 该机器人的吸附方式用以 实现 机器人的爬墙功能。 由真空吸附的特点知道吸盘对墙壁的平滑度 要求相对较高。 壁面 不平整或缝隙的存会使吸盘不能形成真空吸附从而 导致 爬壁 机器人爬墙失败。 因此，如何有效 的 解决真空吸盘 能够 可靠 的吸附 在墙壁表面成为爬壁 机器人 完成爬墙 的关键技术问 题。 但是不能盲目的 追求 盘径 大 吸力强的大吸盘 ，大吸盘的吸力强固然 能够有助于机器人在墙壁上牢固的吸附，但其盘径大，遭遇壁面缝隙的等缺陷的几率也相对较大。 同时，考虑到 机器人 本 体质量和尺寸等一系列 的 因素，可 以通过减小吸盘直径、增加吸盘数量的 并 且使吸盘之间的 位置 布局合理，使吸盘不在同一直线上，一旦遇墙壁缝隙 时，能够保证其中一定数量的真空吸盘可靠吸附，从而最终保证机器人在墙壁上的可靠行走 [3]。 爬壁 喷涂机器人的移动方式 现阶段 爬壁机器人多采用车轮式、履带式和 脚足式 三种 移动方式 ，现介绍各移动方式的优缺点。 车轮式转向性好，移 动速度快，控制灵活方便，但一般由单吸盘组成，很难 维持一定的 吸附力 ， 而且磨损很严重，但这种移动方式多应用于需要全方位移动的爬壁机器人，如德国哈默尔曼设计的 清洗除锈机器人， 哈尔滨工业大学设计的高楼玻璃幕墙清洗机器人等。 德州学院 机电工程学院 20xx 届 机械设计制造及其 自动化专业 毕业论文（设计） 5 履带式着地面积 较 大， 对 壁面 的适应能力 强， 在移动过程中 能 够 始终保持较大的吸附力 ，但对其运动路径 和姿态 比较难以控制 ， 此移动方式 多用于磁吸附 式机器人， 如上海交大 学 所研制的除锈机器人等。 脚足式 有 一定 的 越障能力，动作 较 灵活， 但缺点是移动速 度慢，机构设计和机器人运动的路径 规划比较复杂， 此种移动方式 多用于工作壁面 状况 较为复杂的 机器人，如上海大学研制的球形壁面爬壁机器人，北京航空航天大学研究制作 的多足多洗盘 的 清洗机器人等。 轮式和履带式爬壁机器人 的应用比较常见，它们的优点是 结构比较简单，移动速度相对较快，但是 对于 有障碍物的建筑墙面 很难工作 ，而且 在 地面和墙壁之间的转移不能自动的 完成。 脚足式机器人因为自由度太多在运动学上很复杂，但是这也 算 是它的优点，它可以自动处理障碍物，所以 本设计 采用脚足式移动方式。 这里可以采用气动或液压元件实现吸盘在某个方向的运动 ，即将吸盘与液压缸或气缸相连，通过驱动液压缸或气缸运动，带动吸盘移动。 爬壁 喷涂机器人的喷涂装置 为了满足油漆喷涂节能环保的要求，现代油漆喷枪在性能以及喷枪结构设计上 应 满足以下几方面要求。 （ 1） 喷枪的喷幅大而稳定； （ 2） 经雾化的油漆 均匀的喷涂在喷幅内 ； （ 3） 喷涂出的油漆颗粒大小均匀； （ 4） 薄的油漆层 , 例如 HS/VHS/UHS 油漆； （ 5） 能保证喷涂后的漆膜平滑均匀； （ 6） 应根据人体工程学设计枪体，方便操作，经久耐用； （ 7） 喷枪的调节和设定简单、快捷 [4]。 该 机器人的 设计采用自 动喷枪进行喷涂， 若要喷涂设备能够相对于墙面在一定范围内进行喷涂，就需要设计一个移动机构，将喷涂部件置于移动机构上，由 移动机构 来 带动喷涂部件实现 机器人在一定范围的喷涂作业。 移动机构的设计借鉴了数控机床的工作台的工作原理，将其放置在爬壁机器人的本体上作为 喷涂装置的移动机构，实现 喷涂装置的横向和纵向 移动。 其机构设计如下图所示： 德州学院 机电工程学院 20xx 届 机械设计制造及其 自动化专业 毕业论文（设计） 6 图 1 爬壁喷涂机器人的本体机构 该移动 机构主要有横向和纵向两个方向的移动部件组成。 该机构通过横向移动部件与机器人的本体用螺栓连 接在一起， 横向机构 和 纵向移动机构主要由横向丝杠副，导轨副 ，轴承支座，联轴器组成。 纵向移动机构 通过横向滑块连接在横向导轨上 ，其动作原理是 由电机通过联轴器带动丝杠转动， 转动则通过螺母座 变为直线移动传到导轨 的滑块上，进而实现横向的直线移动，纵向的移动原理与横向相同只不过整个喷涂部件 通过滑块与纵向导轨 相连接通过 电机带动纵向丝杠转动，将运动转化为喷涂部件的纵向移动 [5]。 对于这种 移动机构， 设计有两种喷涂的路线 ， 如图 2： 图 2 喷涂路线 在设定喷涂路线时 应 先考虑移动部件的结构。 由于纵向机构放置在横向机构 上，所以在选择喷涂路线时，应先使其纵向直线移动， 再横向直线移动， 只有 第二种喷涂路线 符合条件。 由于每个喷枪的喷涂范围大约在 300500mm 之间，这种范围相对于 墙面 的 喷幅 比较小，可以考虑 将多个喷枪排列组合 在一起 形成喷枪组，这样 既 可以增加喷涂 的 面积， 又能够 提高喷涂 的效率，可谓一举两得。 而喷枪的排列方式 又有许多 种，比如： （ 1） （ 2） 德州学院 机电工程学院 20xx 届 机械设计制造及其 自动化专业 毕业论文（设计） 7 图 3 喷枪的排列方式 图中圆形区域为喷枪的喷 涂 幅面，考虑以上三种 喷枪 的布置方式，矩形排列喷枪时，喷涂过后涂层前后重叠 ， 所以如果使用这种喷枪的排列方式在 喷涂前需调整好喷 涂的 流量，避免 喷涂后产生涂层过厚的情况。 斜线布置喷枪时，由 于三个喷枪的相对位置很难调整，所以涂层的重叠区域不易调整，这种喷枪的排列方式很难 适用于喷涂距离不同的 喷涂作业中。 对于直线排列的喷枪组， 不仅没有涂层重叠问题，而且还 可以通过机器人本体的直线运动 很容易的 改变 涂 层重叠区域的大小。 综上 所述 ， 本设计应 采取第三种 喷枪的排列方式， 既 直线排列喷枪。 采用传统的圆形喷嘴进行喷涂作业时，喷涂的幅面边缘地带扩散比较大，可能 会导致所喷涂的涂 层不均匀， 而在 原有喷枪基础上将圆形喷嘴改为矩形喷嘴， 则会 有效的改善这个问题。 在喷涂作业 过程 中， 应 将涂料等置于建筑物的顶部平台上。 爬壁 喷涂机器人的控制方案 由于高层建筑 爬壁喷涂机器人工作环境比较特殊 ， 对于控制系统不仅需要有很高的可靠性 ， 而且要有很强的 抗干扰能力。 控制系统由该机器人本体控制系统，喷涂系统，楼顶吊装控制系统及地面上的远程控制系统四部分组成。 在机器人工作时，地面远程控制系统主要负责爬壁喷涂机器人 的任务调度， 而经无线通信系统传输给机器人本体系统的控制指令是由操作工人在经过 培训有键盘输入的。 爬壁喷涂机器人本体 完成 的 吸附、喷涂、移动等 各种 动作 是在各 控制器的控制下 完成的 并由楼顶 的卷扬机牵引着向下滑运动。 操作工人则 通过 放置机器人本体和楼顶机构上的 传感器采集 到的经过 处理 和规划后的 系统 的 工作信息 来 实时掌握机器人的工作状态，在机器人发生意外情况时 地面操作工人 可以及时 的向机器人 发出控制命令。 爬壁 喷涂机器人的驱动方案 机器 人一般有两种驱动方式，液压驱动和气压驱动。 由于在此次设计中，喷涂设备 及吸盘 的吸附都需要有空气压缩机 ， 而后 再综合考虑气压驱动与液压驱动的优缺点，决定选用气压驱动 的方式，由气缸 来 带动吸盘运动。 由于喷涂距离的不同，吸盘需要在任意一个直线排列 斜线排列 矩形排列 德州学院 机电工程学院 20xx 届 机械设计制造及其 自动化专业 毕业论文（设计） 8 位置都能够停止，所以采用锁紧气缸，它可以实现在任意位置停止并锁紧。 3 爬壁喷涂机器人的 主 体设计 机器人的本体结构是指其机体 结构和机械传动系统，也是机器人的支撑基础和执行机构是一个机器人最 重要 的部分。 所有的计算、分析和编程最终 都 要通过本体的运动和动作来完成特定的任务。 机器人本体各部分的基本结构的设计和 材料的选择 等 将直接 会 影响 到机器人的整体性能。 爬壁 喷涂机器人的爬行结构的设计 在该喷涂机器人喷涂作业规划中，出于安全等各方面的因素考虑， 针对不同的优化准则设计出一种最佳的运动方案用以实现既定的工作方式，在本结构中此爬壁喷涂机器人的喷涂路线采用“川”字形，其爬行机构则通过纵向前后气缸的伸缩实现上下运动至于左右移动则通过该爬壁喷涂机器人承接前后气缸的一个横向气缸来实现。 由于该爬行机构重量较大本设计采用双气缸并列双吸盘交替吸附式真空吸附结构。 机器人爬。