机器人导论作业

机器人导论小型壁面清洁机器人的总体设计学院：化工学院班级：高分子151姓名：郝昊昇学号：1512681.机器人研究背景对于我们来说机器人并不陌生，因为有好多关于机器人的电影、动画片、漫画、小说等知名度很高，使得现在社会中不管是小孩就连不识字的老人都知道有那么一种神奇的东西，它能在人们无法适应的恶劣的环境下干活，他能做很多人们做不了的事，甚至有人发出这种言论：机器人将取代人类。那么机器人到底是什么呢？在大多数人的眼里机器人就是一种长得像人的一种机器，但是其实不然，机器人并不是一定是人的模样，它是一种智能化的机器，有的很小，有的却是庞然大物，只有一小部分长得像人，做的像人只是拉近我们与它们的距离，更具有亲切感，使机器人更具有人性化，就跟人们害怕看到他们同类的骨架却不怕一个活生生的人的道理是一样的。随着科学技术的飞速发展和社会的不断进步，机器人技术作为人类最伟大的发明之一，自问世以来，已取得长足的进步。但对机器人的定义仍然是仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。主要是机器人不断地向前发展，新的机型及新的功能不断涌现，并且机器人也涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。我记得机器人一词最早诞生于科幻小说之中，人们对机器人充满了许多幻想，也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。对我来说机器人的出现是社会和经济快速发展的必然结果，是为了提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人替人们干那些人干不了、干不好的工作。在现实生活中有些工作会对人体造成伤害，比如喷漆、重物搬运等；有些工作要求质量很高，人难以长时间胜任，比如汽车焊接、精密装配等；有些工作人无法身临其境，比如火山探险、深海探密、空间探索等；有些工作不适合人去干，比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等，这些都是机器人大显身手的地方。服务机器人还可以为您治病保健、保洁保安；水下机器人可以帮助打捞沉船、铺设电缆；工程机器人可以上山入地、开洞筑路；农业机器人可以耕耘播种、施肥除虫；军用机器人可以冲锋陷阵、排雷排弹……通过在机器人导论课程的学习我对机器人有了更加深刻的了解和认识。我设计的是小型壁面清洁机器人，下面我来介绍一下它。清洗爬壁机器人的使用将大大改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有一定的社会、经济意义和广阔的应用前景。而目前用于这方面的设备上没有得到很好的解决，尤其在载体方式方面，世界上有很多国家都要开展了这方面的研究工作。本项目开展了新型载体方式的清洗爬壁机器人的研究，本课题的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命，也为爬壁机器人载体方式提供了一种新的方式。2.研究现状传统的壁面清洁机器人，吸附方式多为负压吸附、真空吸附和磁吸附。磁吸附方式，其适用范围窄，一般不能实现无缆化。而真空吸附和负压吸附，如果吸附表面有一定的障碍或不平整，其吸附效果会大大降低。壁面清洁机器人的研究开始向更广泛的多学科交叉发展。其涉及更多的学科领域，包括建筑学、机械学、电子学、吸附技术、控制技术等。随着应用领域不断扩大，要求轻量化、小型化和清洁高效化。因此，家用或准家用擦窗机器人越来越受到重视，并呈现出很好的发展前景。高层建筑清洗业也会得到蓬勃发展。建筑物的清洗自动化和现代化成为发展的必然，机器人技术在此领域的应用逐步会得到体现。高性能、高可靠的机器人产会随着自动化技术、传感器技术和无线遥控技术的迅速发展逐步应用于各种场合，不久的将来，人类将从繁重的体力劳动和高危险性作业中解脱出来。清洗高层建筑瓷砖壁面或玻璃幕墙的壁面清洗爬壁机器人最近研制成功。该机器人吸附方式为负压吸附，移动方式为轮式，移动速度为1－8米/分。该机器人采用有线遥控，计算机控制。具有以下特点：1、实现了控制器的小型化，可直接安放于机器人本体上，减小了体积；2、采用电力线载波通讯进行遥控，减少了控制电缆数量，提高了机器人的爬高能力；3、采用喷雾、刷洗与多层橡胶板刷洗工序的综合清洗机构，对清洗玻璃幕墙十分有效。该机器人采用负压吸附、双轮驱动、气垫密封结构、有线遥控与专用清洗机构，满足了可靠吸附，灵活移动和高效清洗的要求，设计是成功的，并在解决密封，遥控和清洗等关键技术上有所创新。3.发展趋势清洗高层建筑瓷砖壁面或玻璃幕墙的壁面清洗爬壁机器人最近研制成功。该机器人吸附方式为负压吸附，移动方式为轮式，移动速度为1－8米/分。该机器人采用有线遥控，计算机控制。具有以下特点：1、实现了控制器的小型化，可直接安放于机器人本体上，减小了体积；2、采用电力线载波通讯进行遥控，减少了控制电缆数量，提高了机器人的爬高能力；3、采用喷雾、刷洗与多层橡胶板刷洗工序的综合清洗机构，对清洗玻璃幕墙十分有效。该机器人采用负压吸附、双轮驱动、气垫密封结构、有线遥控与专用清洗机构，满足了可靠吸附，灵活移动和高效清洗的要求，设计是成功的，并在解决密封，遥控和清洗等关键技术上有所创新。㈠仿生化及节能化机器人作为一种高科技产品，其灵感一开始应该来自于生物学，如果机器人向仿生化发展，未来机器人会越来越先进，现在的机器人大多是用步进机，而步进机是由电动机改而来，（即步进机是电动机的升级版）当然步进机会拥有电动机的特点，电动机的弱点是效率不高（尽管与内燃机比起来高多了）但是二十一世纪是一个能源的世纪，现在的全球变暖便是大自然给我们敲响的警钟，使用电能的机器的确是不会排放污染物，但是全球大部分的电是煤电，其实用电就是烧煤，所以必须是机器人的用电效率得到提高，我想像有这么一种材料，其形状就像一段橡胶，当此“橡胶”通上正向电流时其收缩，当其通上方向电流时它伸长，当电流越大其收缩（伸长）的力度就越大，就像是人的肌肉，我想这种材料（虽然这种材料世界上还没有，就算有那也只有可能是人或其他动物的肌肉，当是将电能转化为分子间的作用力的效率应该很高）的电能转化率就是电能转化为磁能的效率，试想一下，在两种能量转化效率差不多的前提下，一种能量是直接转化为另外一种能量时它的效率应该比两次转化的效率高。当然，我不是学材料学的，有些基础的化学知识我还是懂得，真的希望我的想法能够在不久的将来实现。我是想将生物物理学中的“肌肉带动骨骼运动”的效果应用到机器人上来，从而使机器人程序员的工作量大大的减少，而且设计其机械结构将降低难度，这样机器人也会想人类一样可以两只脚走路（当然在主板上一定要有3D陀螺仪，使得处理器能识别机器的重心，从而使机器人不至于倒下），以及做一些人类能做的动作，这样的话将会有机器人田径运动会的诞生。机器人可以成为一个完美的运动员，可以与人一起参加比赛，甚至成为MVP、足球先生等。到那时机器人会成为中国的骄傲。㈡智能化智能化及可以通过自我学习来掌握多项技术，当然这必须在机器人的三原则的基础上，同时要拥有可判断性思维，使得其不会被用作犯罪工具，当然机器人是分辨不出气味，食物的味道，除非用一种高级的传感器，传感器的发明之路很困难，希望在不久的将来能够出现，现在只有使用光谱分析仪来分辨空气中的成分，根据不同成分的性质来分析气味，同样通过离子或官能团分析食物的味道，其实这只是没办法的办法，有点小题大作的感觉。㈢人性化未来的机器人将越来越像人，可能会有机器人演员、歌星、替身等。我相信：在将来机器人会广泛地应用于各个领域，特别是科技方面，为人类和社会的发展会带来更大地进步。4.设计构思和指标小型壁面清洁机器人的总体设计方案：1.功能要求（1）可以牢固地吸附于壁面上；（2）可以在有一定曲率半径或有一定障碍的壁面行走；（3）可以灵活的前进、后退和转向；（4）可以达到高效率清洁的目的。2.基本参数如下（1）工作壁面：玻璃壁面和墙面；（2）载体方式：正、负压吸附原理相结合；（3）移动方式：四轮驱动；（4）移动速度：10m/min，可调速；（5）控制方式：遥控；（6）越障能力：可跨越15mm以下的障碍。3.具体实现方案本项目从整体上来说，分为五部分（1）吸附部分（2）推进部分（3）清洁部分（4）控制部分（5）保护部分5.三维方案6.机器人的运动学分析（1）吸附部分吸附技术是本项目的关键技术。此处采用正压吸附原理和负压吸附原理相结合的吸附方式。正压吸附，即通过在机体外表面安装螺旋桨，通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨扭角向后推空气产生的反作用力共同作用，产生指向壁面的正压力，通过螺旋桨传递到电机，进而传递车体，使车轮与壁面产生摩擦力来克服重力，以达到吸附的目的。而且正压吸附能降低机器人对作业表面属性的依赖程度。图1螺旋桨正压吸附原理示意图负压吸附，即内部安装有离心风叶，高速旋转，将内腔中空气沿径向导出，使腔内外形成一定压差，在外表面上产生指向壁面的负压力，同样也使车轮与壁面产生摩擦力来克服重力，达到吸附目的。负压吸附技术是利用真空原理进行吸附的，采用离心式风机作为真空发生源，真空度通常在2kpa～15kpa之间，因此称为负压吸附。（2）推进部分这里采用四轮驱动。机器人本体左、右侧单独驱动，四轮皆可产生有用的摩擦力来克服重力。当两侧速度相同时，可实现直线前进与后退。当两侧速度不同时，可实现转弯。前后车轮装配图如图所示。其中车轮表面要求齿状挂胶处理，以增加其表面与壁面的摩擦力。（3）清洁部分机器人本体内部配有干擦和湿擦双清洁结构。干刷旋转时，将壁面的灰尘扫起，同时离心风叶又起到抽气吸尘的作用，将灰尘吸起通过过滤网将其过滤收集。湿擦为有水清洗，湿刷和海绵材料制作，带水擦洗，污水沿壁面流下，流经吸水辊子将水收集，并与挤水辊子相挤，将污水挤出，回收到污水收集箱。当壁面只需要扫灰而不需要带水清洗时，可将湿刷停转，将吸水辊子沿槽抬起，在结构上设计有卡槽，将吸水辊子移动到卡槽内，并用弹簧卡住固定，此时只进行干擦洗。（4）控制部分本机器人采用遥控控制。操作人员可在地面进行操作。根据实际壁面的情况来调节螺旋桨和风叶动力电机的转速，进而提高吸附力，以适应不同壁面要求；也可以遥控调节其左右侧推进电机的转速来实现前进、后退和转向；调节湿刷和喷水的频率，来适应不同壁面的清洗。（5）安全保护部分在垂直壁面上吸附作业时，为避免其滑落，需要有保险装置对这种意外情况实施保险，可在楼顶或屋顶提供保险绳作为安全保险措施。7.结论（一）创新点本设计采用正负压结合的吸附方式。螺旋桨通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨叶扭角向后推空气产生的反作用力共同作用，产生指向壁面的正压力；内部离心风叶，高速旋转，将内腔中空气沿径向导出，使腔内外形成一定压差，在外表面上产生指向壁面的负压力。同时，其也起到吸尘的作用，携带灰尘的空气经过滤网后可将灰尘过滤。螺旋桨和离心风叶共同旋转，正、负压吸附有机结合，共同作用于机器人本体，产生足够大的摩擦力来克服自身重力，使机器人吸附在壁面上。这种方式吸附力强，壁面适应性好，越障容易，以能够弥补单一吸附所带来的不足，达到良好吸附效果。（二）特色1.清扫方式，采用滚刷清洁，效率及清洗效果较其他类清洗方式更好。2.本设计采用四轮推进方式,其控制及运动灵活,操作方式,宜于操作。3.本设计配备干擦和湿擦两种功能，适应面广。并设计有吸水刷抬起机构，人性化设计，只需用手抬起，即可单独执行吸灰功能。4.本设计采用遥控方式控制其前进、后退和转弯，操作灵活，人机交互性好；而且可遥控控制螺旋桨及离心风叶的转速，进而灵活地调节其吸附力，以适应不同的场合。5.本设计综合运用机械、电控等领域的技术，具备机、电相结合的特点，符合现代机械行业发展趋势。本项目在继承传统吸附方式的同时，引入正压吸附，这不仅丰富了壁面机器人的吸附技术，弥补吸附方式的不足，同时也对吸附技术朝更深层次领域发展起到了推进作用，为正压吸附领域的研究奠定了一定基础。8参考文献参考文献：1[英]马丁·西蒙斯著.肖治垣马东立译.模型飞机空气动力学.北京：航空工业出版社，2007.6.2桂仲成陈强孙振国张文增刘康.爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计.电工技术学报.第21卷第11期40至46页，2006.11.3王田苗孟偲裴葆青戴振东.仿壁虎机器人研究综述.机器人.第29卷第3期290至297页,2007.6.4张兴悟章永华杨杰.高机动性小型清