摘 要

爬壁机器人属于特种机器人的一个重要分支，在一些极限的工作环境当中，它能够代替人类进行高风险的作业。在高空作业、罐体检测和船舶清洗等诸多领域，爬壁机器人有着非常重要的作用。

粗糙壁面是自然界与人类社会中普遍存在的壁面环境，如果能够研制出适应这种壁面的爬壁机器人，将在未来的灾难营救、地质勘察等较为恶劣的工作环境发挥出重要作用。基于这个目的，本文设计了一种带有转向功能的爬壁机器人，其主要研究内容如下：

首先，本文对于国内外爬壁机器人的研究现状作了简要介绍，其主要包括机器人的驱动方式、移动机构与吸附方式等，并引出了本文所要设计的爬壁机器人的研究内容。

接着，在Solidworks软件中通过自顶向下的设计方法，初步确定了整个爬壁机器人的装配方案和所需的零件个数，并在接下来的设计过程中详细地设计出了各个零件的具体尺寸，并制作出该装配体爆炸视图的动画。此外，还简要介绍了机器人的控制方案。

最后，对爬壁机器人的直线行走和转向过程进行了静力学分析，并将建好的装配体模型导入到Solidworks软件中进行动力学仿真，分析了机器人足端运动轨迹等相关参数，还制作出了机器人爬行和转向的动画，从而验证了本设计的可行性。

关键词：爬壁机器人；粗糙壁面；结构设计；动力学仿真

Abstract

The wall-climbing robot is an important branch of special robot. In some extreme working environment, it can replace human to do high-risk work. The wall-climbing robot plays an important role in many fields such as aerial work, tank inspection and ship cleaning.

Rough wall is a common wall environment in nature and human society. If we can develop a wall climbing robot to adapt to this kind of wall, it will play an important role in the future disaster rescue, geological exploration and other worse working environment. For this purpose, a wall-climbing robot with steering function is designed in this paper. The main research contents are as follows:

First of all, this paper briefly introduces the research status of the wall-climbing robot at home and abroad, which mainly includes the driving mode, moving mechanism and adsorption mode of the robot, and lead to the research contents of the wall-climbing robot designed in this paper.

Then, through the top-down design method in SolidWorks software, the assembly scheme and the number of required parts of the whole climbing robot are preliminarily determined, and the specific dimensions of each part are designed in detail in the following design process, and the animation of the explosion view of the assembly body is made. In addition, the control scheme of the robot is briefly introduced.

Finally, the static analysis of the straight-line walking and turning process of the wall-climbing robot is carried out, and the built assembly model is imported into Solidworks software for dynamic simulation, and the relevant parameters such as the robot foot end motion track are analyzed, and the animation of the robot's crawling and turning is also made, which verifies the feasibility of the design.

Keywords: The wall-climbing robot; Rough wall; Structural design;

Dynamics simulation;

目录

第一章：绪论1

1.1课题背景及意义1

1.1.1课题研究背景1

1.1.2课题研究目的及意义1

1.2爬壁机器人国内外研究现状2

1.2.1爬壁机器人行走机构分类2

1.2.2爬壁机器人吸附方式分类4

1.2.3爬壁机器人驱动方式分类6

1.2.4爬壁机器人主要应用领域8

1.2.5爬壁机器人研究现存的问题9

1.3爬壁机器人未来发展趋势10

1.4课题主要研究内容10

第二章：爬壁机器人的结构设计与控制11

2.1爬壁机器人设计要求及总体方案分析11

2.2爬壁机器人的总装配图与爆炸视图12

2.2.1爬壁机器人总装配图12

2.2.2爬壁机器人爆炸视图12

2.3机器人身板结构设计13

2.4机械驱动方案及其结构设计15

2.4.1驱动方案的确定15

2.4.2驱动机构结构设计16

2.5移动机构方案及其结构设计18

2.5.1移动机构方案的确定18

2.5.2移动机构结构设计19

2.6变向机构方案及其结构设计20

2.6.1变向机构方案的确定20

2.6.2变向机构结构设计21

2.7吸附方案及抓持结构设计24

2.7.1吸附方案的确定24

2.7.2抓持部件结构设计25

2.8其他部件的结构设计与标准件选取27

2.8.1转轴压块的设计27

2.8.2螺钉27

2.8.3连接销28

2.9控制方案简要介绍28

第三章：爬壁机器人的计算分析与仿真30

3.1爬壁机器人行走与转向静力学分析30

3.1.1直线行走静力学分析30

3.1.2转向过程静力学分析32

3.2基于Solidworks的动力学分析与仿真33

3.2.1仿真过程与动画制作33

3.2.2足端轨迹规划与步态周期36

3.2.3运动仿真曲线39

第四章：总结与展望43

4.1总结43

4.2展望44

参考文献44

第一章：绪论

1.1课题背景及意义

1.1.1课题研究背景

最近几十年来，随着科学技术的飞速发展，机器人技术也取得了前所未有的突破。根据现实生活和生产的具体需要，人们不再满足于地面行走机器人，开始转向其它类型的机器人的研究。于是，在这种背景下适应极端环境的特种机器人便应运而生。

爬壁机器人是上述特种机器人的一个非常重要的分支，它在人们的某些工作上发挥着重要的作用。因为随着科技的发展，人们的活动范围与工作领域已经涉及到高空、管道和罐体等人类较难或根本无法到达的区域，即使人类通过某种方式到达这些区域，也会承受高风险、高压力的情况下所带来的成本和不可避免的经济损失。

在这种背景下，为了解决上述人类生产生活的各种问题，我们迫切地需要研制出各类能够代替人类进入到极限的工作环境中作业的爬壁机器人。我们不仅要设计出爬壁机器人的最优化结构，而且还要对机器人的驱动和控制作出最优化的设计，这样才能满足人类极限作业的各种需求。