敲打式空心检测墙壁攀爬机器人的结构研究

马延飞 张旭超 孔令宇

摘 要：在我国不断进行的城市化过程中，瓷砖成为了城市的宠儿。我们设计了一种可以360度无死角的在墙面攀爬的机器人，来检测瓷砖是否安装完成。机器人可以自动对每一块瓷砖进行检测和对不合格瓷砖的标记，机器人利用MATLAB软件来进行在复杂声音条件下的声波处理，利用2.4G来进行交互。通过建模软件SolidWorks对机器人进行三维建模仿真，在通过SolidWorks Simulation来进行机器人的结构受力分析，以此为依据对机器人结构进行优化处理。

关键词：空心检测;墙壁攀爬;人机交互;应力分析

随着我国经济的发展，国力的争强，城市化水平的提升，瓷砖成为了生活中随处可见的东西。当瓷砖贴合不紧密的时候就会出现一些不愿看到的意外。比如墙砖可能会出现脱落伤人的可能性，为了杜绝这种现象的发生我们专门设计了这种爬墙检测装置。我们設计的初始目标就是为了能够精准的发现各种不合格的瓷砖。因为我们要面对的主要是光滑的瓷砖墙壁，所以对安全指标要求较高。因此我们采用了轮形吸附式，它利用大气压强来保证装置在墙面的稳定性，外附胶皮的轮子保证了在墙面移动的迅速性和平稳性。本文将对装置设计进行全面的介绍，其中包括不合格瓷砖的检测，机械结构的全解析，设计合理性分析，以及人机交互系统的优越性。

1 瓷砖攀爬检测机器人的运行要求

针对瓷砖墙壁的特殊光滑性，和在墙壁上运转的可靠性，我们对装置提出了以下几点约束条件：

（1）安全性：要确保装置在墙面上运转的可靠性，杜绝装置在运转过程中出现脱落打滑等现象。

（2）运转灵活：装置在墙壁上运转要灵活，特别是遇到墙角，拐角处时，运转要灵活，切不可碰壁。

（3）人车交互：装置采用2.4G作为交互模块，有效的防止了噪声干扰，确保了装置的受控性。

（4）空心检测：机器人的主要目的就是要检测出不合格瓷砖，所以要确保机器人检测的准确性。

因为装置是在光滑的墙壁上进行作业，安全与可控是必须要确保的，瓷砖之间的缝隙在装置度过的时候很有可能影响装置的吸附，产生不稳定因素。所以，这些条件是必须要达到的。

2 瓷砖攀爬检测机器人机械结构的全解析

小车的整体结构为车体，风扇，轮子，和敲击锤。其中敲击锤是用来检测瓷砖是否安装合格。小车内有测频系统，可以在各种杂音下精确的分辨出不合格的空心砖的声波频率，并发出警报。此装置是根据墙面的特殊性来设计的，所以装置有它的特殊性。主要是依据爬墙的特点，要有强大的吸附力，在墙壁上运转的灵活性。所以装置下有吸附口来确保其运转的可靠性。

全车长12cm，宽4.5cm，前方敲击锤长5cm。以水平方向为零度，敲击锤的摆动范围为正负90度。车高3.4cm。全车采用PC塑料制成，弹性模量E=2.32GPa，泊松比μ=0.3902，密度为1.22g/cm^3.全车总重量为15N。车轮也是塑料车轮，外附一层橡胶，使其具有一定柔性，避免刮伤墙面。车轮内部通过齿轮与内部总电机相连。前面的摆动锤是通过舵机实现的上下摆动敲击。

3 瓷砖攀爬检测机器人运动性分析

装置主要运动情况为墙壁行进，转弯等。

小车行进系统主要是由内部电机驱动外部轮子进行，底盘上大吸盘利用大气压将装置吸附在墙上。

如果以底部为基准，建立笛卡尔坐标系，在三个方向上对小车进行受力分析：

假设小车在墙面上静止可得小车在三个轴上的受力平衡，合外力等于零。即

底部吸盘产生的压力为：

经过计算得Fz=25。

机器人内部提供转矩的电机为直流异步电机，根据异步电机的转矩公式：

上式：T为电磁转矩，单位为N×m。为每级磁通，单位为Wb韦伯。I为电流，单位A。D为电枢直径。其余均为常数。

我们要求电机提供的电磁转矩要大于小车的负载转矩，小车才平稳的运行在墙面上。根据小车外接电压E的大小我们可以求得电机的最大转数n从而确定小车在墙面运行的最大速度。

式中：n为电动机的最终转数，单位为r/min。UN为电动机外加的额定电压，单位为V。Ce为电动机的电势常数。ra为电动机的电枢电阻，单位为Ω。

联立以上情形与结果可以得到小车可以平稳运行在墙面上且不会掉落，并且最大速度为3KM/h。

4 结论

本文介绍了一种基于瓷砖墙壁的空心检测机器人的控制系统和总体机械结构，对机器人在各种环境下的工作情况进行了分析，并对其在工作情况下进行了受力分析。使用软件SolidWorks Simulation对机器人的整体结构进行了三维建模和分析。结合各种实验，仿真的结果我们对机器人整体性做了优化处理。

参考文献：

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