基于静电吸附技术的高空监视爬壁机器人

 基于静电吸附技术的高空监视爬壁机器人

简介：

本作品利用基于静电吸附技术的爬壁机器人作为平台，通过无线WiFi通信方式实现远程遥控，搭载WiFi视频传输模块，用于军用、民用、警用高空侦查及人质解救的场合及有毒有害人员无法进入的探测作业场合。

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详细介绍：

1.设计目的：

本设计利用基于静电吸附技术的爬壁机器人作为平台，通过无线WiFi通信方式实现远程遥控，搭载WiFi视频传输模块，用于军用、民用、警用高空侦查及人质解救的场合及有毒有害人员无法进入的探测作业场合。动。

2.基本思路： 本设备主体为高分子塑料框架结构，长680mm，宽410mm，高53mm，净重1.2kg。机器人主体包括吸附部分（采用高压静电吸附），推进部分（双履带电机后驱推进），控制部分（无线wifi遥控控制），监视部分（前置360度摄像头，无线WiFi视频传输模块将现场情况传输给地面人员），安全保护部分(绳索牵引保护)。机器人以高效轻型蓄电池供电以延长续航时间。根据用户的需求设定不同高压电压值以适应攀爬不同材质壁面（如粉刷墙面、混凝土墙面、玻璃壁面等）。

 3.创新点： 1）.机电吸附功耗低，整体机身采用轻质材料，大大减小了机器人本体的重量并延长了工作续航时间； 2）.爬壁部分采用基于静电吸附原理制作的双履带电机后驱推进，相对于传统吸附原理，静电吸附具有重量轻、噪声小、功耗低、壁面条件适应性强等显著优点，对于有较大裂纹和缝隙的部位也可跨越； 3）.本设计采用无线wifi遥控，控制其前进、后退，操作灵活，大大节省人力资源； 4）.采用360度自由转动摄像头，监视范围大大扩大。 5）.采用无线WiFi视频传输模块将现场情况传输给地面人员，视频延迟低，成像效果佳。

4.技术关键： 静电吸附技术的原理及高压静电发生器电路的设计，无线WiFi视频传输模块的设计及程序的设计与调试。

5.主要技术指标： 控制电路、无线WiFi视频传输电路复杂程度、性能、生产成本，机器人主体的轻量化与结构强度。

 6.科学性及先进性： 市面上以真空吸盘式吸附爬壁机器人为代表的爬壁机器人具有对攀爬壁面材质要求苛刻，对于有较大裂缝的避免无法逾越等缺点。与现有技术相比，该作品采用基于静电吸附技术的爬壁机器人作为平台，克服了现有产品的多重缺点，工作稳定，性能可靠，噪声低，功耗低，壁面条件适应性强，可跨越较大裂缝。视频传输部分，采用先进的无线WiFi视频传输模块延迟低、成像效果佳，克服了现有监视设备多为有线设备，监视范围有限，行动不便等缺点。本作品相较传统设备在降低成本前提下能够实现更多的功能。

7.技术特点及优势： 该作品采用基于静电吸附技术的爬壁机器人作为平台，工作稳定，性能可靠，噪声低，功耗低，壁面条件适应性强，可跨越较大裂缝。视频传输部分，采用先进的无线WiFi视频传输模块延迟低、成像效果佳。

8.适用范围：反恐行动中高层建筑的监视，工作人员较难进入的场合的监视、探测。

9.市场前景分析： 　　随着近几年来城市化进程的不断加快，城市大规模基础项目改造的不断开展，高层建筑日趋增多，以及机器人技术的创新和发展，使机器人在各个领域中得到广泛的应用，而爬壁机器人技术的日趋成熟，为解决高空作业提供了一种新的思路。 　　目前高空监视作业一直是一个难题，市场上最为流行的搭载监视设备的直升机模型，为提高飞机抗摔性，要采用成本较高的高强度高韧性材料，为提高视频监测的清晰度，摄像头要具备防颤防摔功能。直升机模型存在致命缺点——噪音大，为提高监测的清晰度，不得不在窗户周围飞行，这在反恐活动中极易暴露。而爬壁机器人依附在窗户旁的墙壁上，仅一个摄像头靠近窗户，被检测者极难察觉到，同时整个过程，毫无噪音。 　　搭载监视设备的直升机模型由于飞机模型飞行的不稳定性，画面会不清晰；模型只能在高层建筑外监视，无法靠近窗户近距离的现场监视，所以监视到的范围有限。相比较而言，该论文中的监视机器人吸附在窗户旁的墙壁上，摄像头紧挨着窗户，可360度无死角的监控。 　　经过市场调研，高空爬壁监视机器人单件生产的成本为610元。若达到大批生产的模式,成本可控制在300元以下。 　　本论文中的机器人爬壁部分采用基于静电吸附原理制作的双履带电机后驱推进，相对于传统吸附原理，静电吸附对墙壁有较强的适应性，对于有较大裂纹和缝隙的部位也可跨越。 　　

综上所述，本作品相对于现有产品有十分明显的优势，可满足不同场合需求。在社会犯罪率居高不下的今天，有十分广阔的应用前景及市场价值。 10.同类课题研究水平： 1）爬壁机器人现状总结： 为了实现机器人的三维空间运动能力，目前爬壁机器人按爬壁机构划分可以分成6大类：真空吸附型、微针吸附型、抓握型、粘结剂吸附型、静电力吸附型、以及磁力吸附型。 真空吸附型是一种较为轻便，且易于控制的吸附类型，主要依靠真空负压原理，使得吸盘吸附在壁上。这种吸附存在明显缺陷，就是在不平整的墙面上，吸盘的吸附能力急剧下降，所以这种机器人的适应范围被限制在表面粗糙度较小，表面相对平整的壁面。另外这种吸附，抽真空过程较长，这也限制了机器人的运动速度。真空吸附依赖的真空负压原理也决定了该类吸附仅仅适用于非真空条件下作业。采用这种吸附方式的机器人有吕贝克大学的DEXTER机器人和香川大学的WallWalker机器人等。 微针式是为了克服真空吸附型难以吸附不平整墙面设计制作而成的，微针附着型爬壁机器人利用大量的微型针状吸盘与墙壁同时接触，使得负载平均分布在有效的针上面从而实现吸附，这种吸附方式可以克服真空吸附难以吸附不平整墙面的弊端。 合成干性粘合剂型和抓握型爬壁机器人都是适用于在不平整的墙面进行行走，他们都是利用仿生学原理设计而成。 抓握式爬壁机器人则是模仿了灵长类的攀爬动作设计而成，它同样可以克服不平整墙面的弊端，但是他对攀爬的物体表面仍然有一定的要求，墙面必须为攀爬提供足够大的缝隙或突出物，为爬壁机器人的攀爬做支撑，Stanford大学的LEMUR IIb爬壁机器人采用的就是这种攀爬方式。 合成干性粘合剂是仿造壁虎的脚趾结构制作而成，壁虎的脚趾上有数亿根5um的刚毛，每条刚毛纤维上有数百条直径200nm的纳米纤维，这样精细的结构使得吸盘与墙壁之间产生足够客观的分子级别的吸附力，由于这种结构具有防水性，所以可以进行清水自行清洗，但是Mellon大学研制的壁虎爬壁机器人Geckobot，经过实验发现虽然这种机器人可以爬上斜度达85度的有机玻璃光滑壁面，但是长期使用发现，其固态吸附粘结剂很容易受到环境中的灰尘的影响，使吸附能力下降。 磁力吸附型机器人利用电磁铁或永磁铁吸附导体面的一种爬璧机器人，由于磁铁的吸附力比较可靠，建立吸附过程比较稳定，而且无需给吸附机构提供额外的能源，所以很多管道机器人都采用这种吸附方式，较为典型的有东京科技大学的Anchor Climber爬壁机器人和苏黎世大学的Magnebike。 上述爬壁机构对壁面材料及壁面结构都有很严格的要求，适应范围很狭窄。基于静电吸附技术的爬壁机器人，克服了现有产品的多重缺点，工作稳定，性能可靠，噪声低，功耗低，壁面条件适应性强，可跨越较大裂缝。 2）高空作业监视设备的现状： 目前高空作业监视设备主要搭载在小型飞行器，如小型模型直升机上，作业时噪声较大，目标容易暴露，不容易近距离现场监控。 搭载在爬壁设备上的监控设备多用有线线缆来传输视频，活动范围非常有限。