敲打式空心檢測墻壁攀爬機器人的結構研究

馬延飛 張旭超 孔令宇

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

關鍵詞：空心檢測;墻壁攀爬;人機交互;應力分析

隨著我國經濟的發展，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。當瓷磚貼合不緊密的時候就會出現一些不愿看到的意外。比如墻磚可能會出現脫落傷人的可能性，為了杜絕這種現象的發生我們專門設計了這種爬墻檢測裝置。我們設計的初始目標就是為了能夠精準的發現各種不合格的瓷磚。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定性，外附膠皮的輪子保證了在墻面移動的迅速性和平穩性。本文將對裝置設計進行全面的介紹，其中包括不合格瓷磚的檢測，機械結構的全解析，設計合理性分析，以及人機交互系統的優越性。

1 瓷磚攀爬檢測機器人的運行要求

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的可靠性，杜絕裝置在運轉過程中出現脫落打滑等現象。

（2）運轉靈活：裝置在墻壁上運轉要靈活，特別是遇到墻角，拐角處時，運轉要靈活，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：機器人的主要目的就是要檢測出不合格瓷磚，所以要確保機器人檢測的準確性。

因為裝置是在光滑的墻壁上進行作業，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，產生不穩定因素。所以，這些條件是必須要達到的。

2 瓷磚攀爬檢測機器人機械結構的全解析

小車的整體結構為車體，風扇，輪子，和敲擊錘。其中敲擊錘是用來檢測瓷磚是否安裝合格。小車內有測頻系統，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，并發出警報。此裝置是根據墻面的特殊性來設計的，所以裝置有它的特殊性。主要是依據爬墻的特點，要有強大的吸附力，在墻壁上運轉的靈活性。所以裝置下有吸附口來確保其運轉的可靠性。

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。車輪內部通過齒輪與內部總電機相連。前面的擺動錘是通過舵機實現的上下擺動敲擊。

3 瓷磚攀爬檢測機器人運動性分析

裝置主要運動情況為墻壁行進，轉彎等。

小車行進系統主要是由內部電機驅動外部輪子進行，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，建立笛卡爾坐標系，在三個方向上對小車進行受力分析：

假設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

底部吸盤產生的壓力為：

經過計算得Fz=25。

機器人內部提供轉矩的電機為直流異步電機，根據異步電機的轉矩公式：

上式：T為電磁轉矩，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。

我們要求電機提供的電磁轉矩要大于小車的負載轉矩，小車才平穩的運行在墻面上。根據小車外接電壓E的大小我們可以求得電機的最大轉數n從而確定小車在墻面運行的最大速度。

式中：n為電動機的最終轉數，單位為r/min。UN為電動機外加的額定電壓，單位為V。Ce為電動機的電勢常數。ra為電動機的電樞電阻，單位為Ω。

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

4 結論

本文介紹了一種基于瓷磚墻壁的空心檢測機器人的控制系統和總體機械結構，對機器人在各種環境下的工作情況進行了分析，并對其在工作情況下進行了受力分析。使用軟件SolidWorks Simulation對機器人的整體結構進行了三維建模和分析。結合各種實驗，仿真的結果我們對機器人整體性做了優化處理。

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