《机械原理课程设计》外墙粉刷机器人设计.pdfVIP

《机械原理课程设计》外墙粉刷机器人设计

摘要：本项目聚焦于危险环境下机器人的设计制造，为了应对垂直墙壁粉刷工

作的安全隐患、缓解劳动力不足问题以及提高粉刷效率、降低粉刷成本，我们

设计了高性能垂直墙壁粉刷机器人来代替人类进行垂直墙壁粉刷工作。垂直墙壁

粉刷机器人为负压吸附与正压推进结合的轮式机器人。机器人的螺旋桨为高强度

碳纤维材质，腿部结构及部分固定框架为密度较小的铝合金材质，整体重量较轻。

机器人整体外观为圆形，中心处底端为多个伯努利吸盘，其上安置了电机通过将

上方及四周空气吸入，在底部高速释放，形成负压区，由内外压强差提供吸附力。

关键词：外墙粉刷机器人，伯努利吸盘，切尔雪夫连杆，四杆机构运动

0.前言

在各类复杂工程实践中，由于通用设备的局限性，机械装置与作业对象的

对接存在：进不去、够不着、接不上等困境，极大地影响工程进度和质量。因

此亟需有针对性地设计在各种特殊工况下使用的各类特种机械，或机器人，

作为特种辅助工具又快又好地完成预定工作任务。因此本项目聚焦于危险环境

下机器人

的设计制造。

近几十年来，高空作业一直位居全球最危险职业列表前列。高空工作者时刻

面临着高空坠落（安全带脱落、安全绳丢失、梯子不稳定、悬绳老化断裂）；触

电（带电进行作业或不慎接触高空工作电源系统线路）；物体打击（作业工具、

材料坠落对下方人员造成伤害）等危险。同时由于该项工种的危险性，有意愿从

事高空作业的工人越来越少，高空作业的人力成本也因此逐年攀升。于是，使

1

用高空作业机器人替代人来执行作业已经成为一个必然的趋势。

本机器人旨在进行高空粉刷作业，以替代人工并减少随之而来的风险，从而

在保证粉刷质量的同时减少各类损失。

1.外墙粉刷机器人设计思路

为了应对垂直墙壁粉刷工作的安全隐患、缓解劳动力不足问题以及提高粉刷

效率、降低粉刷成本，我们设计了高性能垂直墙壁粉刷机器人来代替人类进行垂

直墙壁粉刷工作。垂直墙壁粉刷机器人为负压吸附与正压推进结合的轮式机器

人。

机器人的螺旋桨为高强度碳纤维材质，腿部结构及部分固定框架为密度较小的铝

合金材质，整体重量较轻。机器人整体外观为圆形，中心处底端为多个伯努利吸

盘，其上安置了电机通过将上方及四周空气吸入，在底部高速释放，形成负压区，

由内外压强差提供吸附力。

2.机械结构

(1)伯努利吸盘

由流体力学可知，流体在流动过程中遵循能量守恒定律，即流速大的地方压

强小。伯努利吸盘工作原理如图1所示。一定压力的空气从吸盘进气口流入，

从环型的微小喷嘴高速喷出。利用环型喷嘴沿吸盘锥形内壁喷出的高速气流使

吸盘中心产生负压，在外界大气压力的作用下，对工件产生向上的吸附力。高

速气流从吸盘与工件的间隙向外排出，使吸盘与工件保持一定的间隙，实现非接触

抓取。

2

图1伯努利吸盘工作原理图

(2)切比雪夫连杆

移动机构是各种机器人的最基本、最关键的部分。本机器人采用四足轮式结

构，利用切比雪夫多杆机构的原理，通过电机驱动实现行走，其整体结构紧凑、

轻便，制作成本低，控制相对简单。本机器人的核心技术是切比雪夫连杆机

构。

现考虑典型的四杆切比雪夫机构，可简化看为一种曲柄摇杆机构。如图所示，杆

1是固定杆，杆2是摇杆，杆3是摆杆，杆4是曲柄。主动杆为杆4，可360旋转，

输出杆是摆杆3，延长摆杆3到一定长度，研究摆杆3的运动轨迹。其运动轨迹

为扇形，当运动至最低点时接触地面，当运动至最高点时离开地面，从而实现步

进效果。通过调整杆件的长度，能得到不同的跨步轨迹。通过分析着地支点

轨迹，合理地选择并调整杆件的长度，优化支点的运动轨迹。

机构跨步动作的详细分析:在主动旋转臂的带动下，杆3来回摆动，着地

点A的运动轨迹是一个扇形。着地点运动轨迹分成最高点、最低点、升程、回

3

程四大部分。轨迹为最高点时，杆4与杆1重合，杆4与杆1长度相加组成

三角形的一条边，杆2为另一条边，杆3结点以上的部分为三角形的最后一条

边。轨迹为最低点时，杆4与杆1重合，杆4与杆1长度相减组成三角形的

一条边，杆2为另一条边，杆3结点以