敲打式空心檢測墻壁攀爬機(jī)器人的結(jié)構(gòu)研究

馬延飛 張旭超 孔令宇

摘?要：在我國不斷進(jìn)行的城市化過程中，瓷磚成為了城市的寵兒。我們設(shè)計了一種可以360度無死角的在墻面攀爬的機(jī)器人，來檢測瓷磚是否安裝完成。機(jī)器人可以自動對每一塊瓷磚進(jìn)行檢測和對不合格瓷磚的標(biāo)記，機(jī)器人利用MATLAB軟件來進(jìn)行在復(fù)雜聲音條件下的聲波處理，利用2.4G來進(jìn)行交互。通過建模軟件SolidWorks對機(jī)器人進(jìn)行三維建模仿真，在通過SolidWorks Simulation來進(jìn)行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)受力分析，以此為依據(jù)對機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理。

關(guān)鍵詞：空心檢測;墻壁攀爬;人機(jī)交互;應(yīng)力分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國力的爭強，城市化水平的提升，瓷磚成為了生活中隨處可見的東西。當(dāng)瓷磚貼合不緊密的時候就會出現(xiàn)一些不愿看到的意外。比如墻磚可能會出現(xiàn)脫落傷人的可能性，為了杜絕這種現(xiàn)象的發(fā)生我們專門設(shè)計了這種爬墻檢測裝置。我們設(shè)計的初始目標(biāo)就是為了能夠精準(zhǔn)的發(fā)現(xiàn)各種不合格的瓷磚。因為我們要面對的主要是光滑的瓷磚墻壁，所以對安全指標(biāo)要求較高。因此我們采用了輪形吸附式，它利用大氣壓強來保證裝置在墻面的穩(wěn)定性，外附膠皮的輪子保證了在墻面移動的迅速性和平穩(wěn)性。本文將對裝置設(shè)計進(jìn)行全面的介紹，其中包括不合格瓷磚的檢測，機(jī)械結(jié)構(gòu)的全解析，設(shè)計合理性分析，以及人機(jī)交互系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1 瓷磚攀爬檢測機(jī)器人的運行要求

針對瓷磚墻壁的特殊光滑性，和在墻壁上運轉(zhuǎn)的可靠性，我們對裝置提出了以下幾點約束條件：

（1）安全性：要確保裝置在墻面上運轉(zhuǎn)的可靠性，杜絕裝置在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)脫落打滑等現(xiàn)象。

（2）運轉(zhuǎn)靈活：裝置在墻壁上運轉(zhuǎn)要靈活，特別是遇到墻角，拐角處時，運轉(zhuǎn)要靈活，切不可碰壁。

（3）人車交互：裝置采用2.4G作為交互模塊，有效的防止了噪聲干擾，確保了裝置的受控性。

（4）空心檢測：機(jī)器人的主要目的就是要檢測出不合格瓷磚，所以要確保機(jī)器人檢測的準(zhǔn)確性。

因為裝置是在光滑的墻壁上進(jìn)行作業(yè)，安全與可控是必須要確保的，瓷磚之間的縫隙在裝置度過的時候很有可能影響裝置的吸附，產(chǎn)生不穩(wěn)定因素。所以，這些條件是必須要達(dá)到的。

2 瓷磚攀爬檢測機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的全解析

小車的整體結(jié)構(gòu)為車體，風(fēng)扇，輪子，和敲擊錘。其中敲擊錘是用來檢測瓷磚是否安裝合格。小車內(nèi)有測頻系統(tǒng)，可以在各種雜音下精確的分辨出不合格的空心磚的聲波頻率，并發(fā)出警報。此裝置是根據(jù)墻面的特殊性來設(shè)計的，所以裝置有它的特殊性。主要是依據(jù)爬墻的特點，要有強大的吸附力，在墻壁上運轉(zhuǎn)的靈活性。所以裝置下有吸附口來確保其運轉(zhuǎn)的可靠性。

全車長12cm，寬4.5cm，前方敲擊錘長5cm。以水平方向為零度，敲擊錘的擺動范圍為正負(fù)90度。車高3.4cm。全車采用PC塑料制成，彈性模量E=2.32GPa，泊松比μ=0.3902，密度為1.22g/cm^3.全車總重量為15N。車輪也是塑料車輪，外附一層橡膠，使其具有一定柔性，避免刮傷墻面。車輪內(nèi)部通過齒輪與內(nèi)部總電機(jī)相連。前面的擺動錘是通過舵機(jī)實現(xiàn)的上下擺動敲擊。

3 瓷磚攀爬檢測機(jī)器人運動性分析

裝置主要運動情況為墻壁行進(jìn)，轉(zhuǎn)彎等。

小車行進(jìn)系統(tǒng)主要是由內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動外部輪子進(jìn)行，底盤上大吸盤利用大氣壓將裝置吸附在墻上。

如果以底部為基準(zhǔn)，建立笛卡爾坐標(biāo)系，在三個方向上對小車進(jìn)行受力分析：

假設(shè)小車在墻面上靜止可得小車在三個軸上的受力平衡，合外力等于零。即

底部吸盤產(chǎn)生的壓力為：

經(jīng)過計算得Fz=25。

機(jī)器人內(nèi)部提供轉(zhuǎn)矩的電機(jī)為直流異步電機(jī)，根據(jù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式：

上式：T為電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N×m。為每級磁通，單位為Wb韋伯。I為電流，單位A。D為電樞直徑。其余均為常數(shù)。

我們要求電機(jī)提供的電磁轉(zhuǎn)矩要大于小車的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，小車才平穩(wěn)的運行在墻面上。根據(jù)小車外接電壓E的大小我們可以求得電機(jī)的最大轉(zhuǎn)數(shù)n從而確定小車在墻面運行的最大速度。

式中：n為電動機(jī)的最終轉(zhuǎn)數(shù)，單位為r/min。UN為電動機(jī)外加的額定電壓，單位為V。Ce為電動機(jī)的電勢常數(shù)。ra為電動機(jī)的電樞電阻，單位為Ω。

聯(lián)立以上情形與結(jié)果可以得到小車可以平穩(wěn)運行在墻面上且不會掉落，并且最大速度為3KM/h。

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于瓷磚墻壁的空心檢測機(jī)器人的控制系統(tǒng)和總體機(jī)械結(jié)構(gòu)，對機(jī)器人在各種環(huán)境下的工作情況進(jìn)行了分析，并對其在工作情況下進(jìn)行了受力分析。使用軟件SolidWorks Simulation對機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模和分析。結(jié)合各種實驗，仿真的結(jié)果我們對機(jī)器人整體性做了優(yōu)化處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]黎明和，何斌，岳繼光，等.濕吸附機(jī)理及其在仿生爬壁機(jī)器人中的應(yīng)用[J].機(jī)器人，2010，32（5）：577-585.

[2]劉愛華，王洪光，房立金，等.一種輪足復(fù)合式爬壁機(jī)器人機(jī) 構(gòu)建模與分析[J].機(jī)器人，2008，30（6）：486-490.

[3]王進(jìn)野，張紀(jì)良.電機(jī)拖動與控制.天津：天津大學(xué)出版社，2008.