多面立方設計及分析

陸偉 繆卓佑

0.設計背景

目前隨著科技的發展，各種機器人已經層出不窮。針對各應用特點，開發爬壁機器人時應該根據爬壁機器人將要適用的環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域的應用越來越廣泛，傳統的壁面機器人在壁面適應性、功耗、噪音等方面已經無法滿足新形勢下的應用要求，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缺點，各自適應于不同的應用環境。如磁吸附方式，結構簡潔，吸附力大，不受壁面粗糙度的影響，但是只能應用到導磁材料的壁面;負壓吸附不受壁面材質限制，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.設計方案

吸附機構在抽氣的時候，氣體順著下面的小板往風扇上走，讓下面的小板跟風扇的距離調到一個合理的位置，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，這樣負壓吸附的時候作用面是這個小板底面，繼續增大壓力。上圖是第一次設計時所采用的葉輪。

下圖為最終設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吸附設計

當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任意姿態的安全受力分析。 為了簡化分析， 只需對吸附力要求最高的直線向 上運動狀態的爬壁機器人受力狀態進行分析。 當爬壁機器人在豎直平面上以與豎直呈 θ 角 姿態直線向 上運動時， 其受力如圖 1 所示。

根據達朗貝 爾虛功原理及受力平衡關系， 豎直壁面任意姿態機器人直線運動的受力方程為：

3各部件設計

考慮到馬達跟葉輪占有的體積大小，本次決定把地盤設計成13cm×13cm

下面為初次設定時底盤的樣式。

下圖為底盤最終設定的樣式。

下圖為車輪組初次設計時采用的樣式。

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 。一個本體的框架結構，一個替換開關，一個可替換的海綿塊。

設計樣式如下。

通過上述替換開關的旋轉，可以輕松的拆分打掃翼并替換損耗的海綿塊，設計結構類似于列車上作為背后的可收納式桌子。

在地盤上兩側安裝有磁鐵，在收納狀態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，內部有齒輪連桿機構，可推動前面的活塞做往復運動，從而不停地將液體擠出出水口。

在水箱的內部也有與車輪組一樣的電機來驅動齒輪組的運動，旁邊有電路板控制。

出水裝置在活塞將水擠壓出來后，推動內部的彈簧。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（內部）。

4.總結與感想

本設計結構可靠，可進行多種功能應用，對機器人設計提供了一定的借鑒。

參考文獻：

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