多面立方設(shè)計及分析

陸偉 繆卓佑

0.設(shè)計背景

目前隨著科技的發(fā)展，各種機器人已經(jīng)層出不窮。針對各應(yīng)用特點，開發(fā)爬壁機器人時應(yīng)該根據(jù)爬壁機器人將要適用的環(huán)境條件選擇合適的吸附和運動方式，近年來爬壁機器人在各方面領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的壁面機器人在壁面適應(yīng)性、功耗、噪音等方面已經(jīng)無法滿足新形勢下的應(yīng)用要求，因而迫切需要一款新型的攀爬機器人。

攀爬機器人的吸附方式有許多種，不同的吸附方式存在各自的優(yōu)缺點，各自適應(yīng)于不同的應(yīng)用環(huán)境。如磁吸附方式，結(jié)構(gòu)簡潔，吸附力大，不受壁面粗糙度的影響，但是只能應(yīng)用到導(dǎo)磁材料的壁面;負(fù)壓吸附不受壁面材質(zhì)限制，但是卻對壁面粗糙度要求較高，壁面凹凸不平很容易使壁面吸附失效，吸附力也相對較弱，運動噪音大，等等。

1.設(shè)計方案

吸附機構(gòu)在抽氣的時候，氣體順著下面的小板往風(fēng)扇上走，讓下面的小板跟風(fēng)扇的距離調(diào)到一個合理的位置，讓那個位置時候氣體抽進來的流速是最大的，那氣體進來的時候會壓在小板上，這樣就多了一個壓力，我們可以在再小板上做上鏤空的花紋減少面積，這樣負(fù)壓吸附的時候作用面是這個小板底面，繼續(xù)增大壓力。上圖是第一次設(shè)計時所采用的葉輪。

下圖為最終設(shè)計采用的葉輪以及電機。

下圖為上述提到的增大壓力的小板地面，并做了鏤空減小面積。

起到吸附作用的電機的選擇以及計算過程如下：

2吸附設(shè)計

當(dāng)爬壁機器人工作于豎直墻壁上時， 對機器人進行豎直平面內(nèi)任意姿態(tài)的安全受力分析。 為了簡化分析， 只需對吸附力要求最高的直線向 上運動狀態(tài)的爬壁機器人受力狀態(tài)進行分析。 當(dāng)爬壁機器人在豎直平面上以與豎直呈 θ 角 姿態(tài)直線向 上運動時， 其受力如圖 1 所示。

根據(jù)達朗貝 爾虛功原理及受力平衡關(guān)系， 豎直壁面任意姿態(tài)機器人直線運動的受力方程為：

3各部件設(shè)計

考慮到馬達跟葉輪占有的體積大小，本次決定把地盤設(shè)計成13cm×13cm

下面為初次設(shè)定時底盤的樣式。

下圖為底盤最終設(shè)定的樣式。

下圖為車輪組初次設(shè)計時采用的樣式。

下圖為車輪組最終采用的樣式

打掃翼

打掃翼由三部分組成 。一個本體的框架結(jié)構(gòu)，一個替換開關(guān)，一個可替換的海綿塊。

設(shè)計樣式如下。

通過上述替換開關(guān)的旋轉(zhuǎn)，可以輕松的拆分打掃翼并替換損耗的海綿塊，設(shè)計結(jié)構(gòu)類似于列車上作為背后的可收納式桌子。

在地盤上兩側(cè)安裝有磁鐵，在收納狀態(tài)時牢牢固定住打掃翼。

水箱

作為打掃時清潔液體的來源，水箱被安置在底盤的前部，內(nèi)部有齒輪連桿機構(gòu)，可推動前面的活塞做往復(fù)運動，從而不停地將液體擠出出水口。

在水箱的內(nèi)部也有與車輪組一樣的電機來驅(qū)動齒輪組的運動，旁邊有電路板控制。

出水裝置在活塞將水?dāng)D壓出來后，推動內(nèi)部的彈簧。平時伸展的彈簧受擠壓收縮，不再堵住出水口，使得水流能夠流出。

在地盤上還裝有控制用的電路板和電池（內(nèi)部）。

4.總結(jié)與感想

本設(shè)計結(jié)構(gòu)可靠，可進行多種功能應(yīng)用，對機器人設(shè)計提供了一定的借鑒。

參考文獻：

[1]張越.國內(nèi)外壁面移動式機器人發(fā)展概況[J].唐山工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報，1994，16（1）：27-30.

[2]濮良貴，陳國定，吳立言。機械設(shè)計[M]北京：高等教育出版社 2012：190-230.

[3]李興華.機械設(shè)計課程設(shè)計[M]北京：清華大學(xué)出版社 2012：9-56.

[4]王國權(quán)，龔國慶.汽車設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書[M]北京：機械工業(yè)出版社 2009：98-109.

[5]王黎春，胡青春.基于靜電吸附原理的雙履帶爬壁機器人設(shè)計[J]機械設(shè)計 2012，29（4）：22-23

嘉興市特種設(shè)備檢驗檢測院 浙江 嘉興 314000

同濟大學(xué)浙江學(xué)院 浙江 嘉興 314000