基于靜電吸附技術的高空監視爬壁機器人

 基于靜電吸附技術的高空監視爬壁機器人

簡介：

本作品利用基于靜電吸附技術的爬壁機器人作為平臺，通過無線WiFi通信方式實現遠程遙控，搭載WiFi視頻傳輸模塊，用于軍用、民用、警用高空偵查及人質解救的場合及有毒有害人員無法進入的探測作業場合。

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詳細介紹：

1.設計目的：

本設計利用基于靜電吸附技術的爬壁機器人作為平臺，通過無線WiFi通信方式實現遠程遙控，搭載WiFi視頻傳輸模塊，用于軍用、民用、警用高空偵查及人質解救的場合及有毒有害人員無法進入的探測作業場合。動。

2.基本思路： 本設備主體為高分子塑料框架結構，長680mm，寬410mm，高53mm，凈重1.2kg。機器人主體包括吸附部分（采用高壓靜電吸附），推進部分（雙履帶電機后驅推進），控制部分（無線wifi遙控控制），監視部分（前置360度攝像頭，無線WiFi視頻傳輸模塊將現場情況傳輸給地面人員），安全保護部分(繩索牽引保護)。機器人以高效輕型蓄電池供電以延長續航時間。根據用戶的需求設定不同高壓電壓值以適應攀爬不同材質壁面（如粉刷墻面、混凝土墻面、玻璃壁面等）。

 3.創新點： 1）.機電吸附功耗低，整體機身采用輕質材料，大大減小了機器人本體的重量并延長了工作續航時間； 2）.爬壁部分采用基于靜電吸附原理制作的雙履帶電機后驅推進，相對于傳統吸附原理，靜電吸附具有重量輕、噪聲小、功耗低、壁面條件適應性強等顯著優點，對于有較大裂紋和縫隙的部位也可跨越； 3）.本設計采用無線wifi遙控，控制其前進、后退，操作靈活，大大節省人力資源； 4）.采用360度自由轉動攝像頭，監視范圍大大擴大。 5）.采用無線WiFi視頻傳輸模塊將現場情況傳輸給地面人員，視頻延遲低，成像效果佳。

4.技術關鍵： 靜電吸附技術的原理及高壓靜電發生器電路的設計，無線WiFi視頻傳輸模塊的設計及程序的設計與調試。

5.主要技術指標： 控制電路、無線WiFi視頻傳輸電路復雜程度、性能、生產成本，機器人主體的輕量化與結構強度。

 6.科學性及先進性： 市面上以真空吸盤式吸附爬壁機器人為代表的爬壁機器人具有對攀爬壁面材質要求苛刻，對于有較大裂縫的避免無法逾越等缺點。與現有技術相比，該作品采用基于靜電吸附技術的爬壁機器人作為平臺，克服了現有產品的多重缺點，工作穩定，性能可靠，噪聲低，功耗低，壁面條件適應性強，可跨越較大裂縫。視頻傳輸部分，采用先進的無線WiFi視頻傳輸模塊延遲低、成像效果佳，克服了現有監視設備多為有線設備，監視范圍有限，行動不便等缺點。本作品相較傳統設備在降低成本前提下能夠實現更多的功能。

7.技術特點及優勢： 該作品采用基于靜電吸附技術的爬壁機器人作為平臺，工作穩定，性能可靠，噪聲低，功耗低，壁面條件適應性強，可跨越較大裂縫。視頻傳輸部分，采用先進的無線WiFi視頻傳輸模塊延遲低、成像效果佳。

8.適用范圍：反恐行動中高層建筑的監視，工作人員較難進入的場合的監視、探測。

9.市場前景分析： 　　隨著近幾年來城市化進程的不斷加快，城市大規?；A項目改造的不斷開展，高層建筑日趨增多，以及機器人技術的創新和發展，使機器人在各個領域中得到廣泛的應用，而爬壁機器人技術的日趨成熟，為解決高空作業提供了一種新的思路。 　　目前高空監視作業一直是一個難題，市場上最為流行的搭載監視設備的直升機模型，為提高飛機抗摔性，要采用成本較高的高強度高韌性材料，為提高視頻監測的清晰度，攝像頭要具備防顫防摔功能。直升機模型存在致命缺點——噪音大，為提高監測的清晰度，不得不在窗戶周圍飛行，這在反恐活動中極易暴露。而爬壁機器人依附在窗戶旁的墻壁上，僅一個攝像頭靠近窗戶，被檢測者極難察覺到，同時整個過程，毫無噪音。 　　搭載監視設備的直升機模型由于飛機模型飛行的不穩定性，畫面會不清晰；模型只能在高層建筑外監視，無法靠近窗戶近距離的現場監視，所以監視到的范圍有限。相比較而言，該論文中的監視機器人吸附在窗戶旁的墻壁上，攝像頭緊挨著窗戶，可360度無死角的監控。 　　經過市場調研，高空爬壁監視機器人單件生產的成本為610元。若達到大批生產的模式,成本可控制在300元以下。 　　本論文中的機器人爬壁部分采用基于靜電吸附原理制作的雙履帶電機后驅推進，相對于傳統吸附原理，靜電吸附對墻壁有較強的適應性，對于有較大裂紋和縫隙的部位也可跨越。 　　

綜上所述，本作品相對于現有產品有十分明顯的優勢，可滿足不同場合需求。在社會犯罪率居高不下的今天，有十分廣闊的應用前景及市場價值。 10.同類課題研究水平： 1）爬壁機器人現狀總結： 為了實現機器人的三維空間運動能力，目前爬壁機器人按爬壁機構劃分可以分成6大類：真空吸附型、微針吸附型、抓握型、粘結劑吸附型、靜電力吸附型、以及磁力吸附型。 真空吸附型是一種較為輕便，且易于控制的吸附類型，主要依靠真空負壓原理，使得吸盤吸附在壁上。這種吸附存在明顯缺陷，就是在不平整的墻面上，吸盤的吸附能力急劇下降，所以這種機器人的適應范圍被限制在表面粗糙度較小，表面相對平整的壁面。另外這種吸附，抽真空過程較長，這也限制了機器人的運動速度。真空吸附依賴的真空負壓原理也決定了該類吸附僅僅適用于非真空條件下作業。采用這種吸附方式的機器人有呂貝克大學的DEXTER機器人和香川大學的WallWalker機器人等。 微針式是為了克服真空吸附型難以吸附不平整墻面設計制作而成的，微針附著型爬壁機器人利用大量的微型針狀吸盤與墻壁同時接觸，使得負載平均分布在有效的針上面從而實現吸附，這種吸附方式可以克服真空吸附難以吸附不平整墻面的弊端。 合成干性粘合劑型和抓握型爬壁機器人都是適用于在不平整的墻面進行行走，他們都是利用仿生學原理設計而成。 抓握式爬壁機器人則是模仿了靈長類的攀爬動作設計而成，它同樣可以克服不平整墻面的弊端，但是他對攀爬的物體表面仍然有一定的要求，墻面必須為攀爬提供足夠大的縫隙或突出物，為爬壁機器人的攀爬做支撐，Stanford大學的LEMUR IIb爬壁機器人采用的就是這種攀爬方式。 合成干性粘合劑是仿造壁虎的腳趾結構制作而成，壁虎的腳趾上有數億根5um的剛毛，每條剛毛纖維上有數百條直徑200nm的納米纖維，這樣精細的結構使得吸盤與墻壁之間產生足夠客觀的分子級別的吸附力，由于這種結構具有防水性，所以可以進行清水自行清洗，但是Mellon大學研制的壁虎爬壁機器人Geckobot，經過實驗發現雖然這種機器人可以爬上斜度達85度的有機玻璃光滑壁面，但是長期使用發現，其固態吸附粘結劑很容易受到環境中的灰塵的影響，使吸附能力下降。 磁力吸附型機器人利用電磁鐵或永磁鐵吸附導體面的一種爬璧機器人，由于磁鐵的吸附力比較可靠，建立吸附過程比較穩定，而且無需給吸附機構提供額外的能源，所以很多管道機器人都采用這種吸附方式，較為典型的有東京科技大學的Anchor Climber爬壁機器人和蘇黎世大學的Magnebike。 上述爬壁機構對壁面材料及壁面結構都有很嚴格的要求，適應范圍很狹窄?；陟o電吸附技術的爬壁機器人，克服了現有產品的多重缺點，工作穩定，性能可靠，噪聲低，功耗低，壁面條件適應性強，可跨越較大裂縫。 2）高空作業監視設備的現狀： 目前高空作業監視設備主要搭載在小型飛行器，如小型模型直升機上，作業時噪聲較大，目標容易暴露，不容易近距離現場監控。 搭載在爬壁設備上的監控設備多用有線線纜來傳輸視頻，活動范圍非常有限。