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间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析_武丽君.pdf

磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计[含8张CAD图纸和说明书全套打包]

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轮式越障爬壁机器..-申请公开.pdf---(点击预览)

立式金属罐容积检定爬壁机器人本体设计_张立国.pdf---(点击预览)

200410016429-磁轮吸附式爬壁机...-申请公开.pdf---(点击预览)

罐体壁爬行机器人关键技术研究.caj

轮式爬壁机器人磁吸附性能及磁力控制研究_塔月月.caj

轮足组合爬壁焊接机器人运动控制系统的研究_吴珂科.caj

钢铁墙壁面爬壁机器人的研究_丁鹏.caj

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摘要

　　　爬壁机器人是机器人的一种，也是属于极限作业机器人，主要应用在垂直壁面、球形体表面上，在搭载相应的设备后，完成壁面的清扫、探伤、喷漆、敷设管道等多种作业。研究爬壁机器人的目的是为了最终让其代替人类在石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域中的危险作业。它的研究和开发有着广阔的前景和良好的经济效益和社会效益，受到人们的重视。本文的研究目的是设计可靠性高、适应性强、控制简单、能够自主移动动避障、自动作业的爬壁机器人[7]。

　　　研制罐体壁爬行机器人对企业的发展具有重大的意义，为了解决其若干关键技术问题，本文初步建立了爬壁机器人系统的结构形式，采用永磁轮吸附与可控磁吸盘吸附相结合的方式进行吸附控制，并对机器人的运动学、动力学问题进行分析和仿真，主要研究内容如下：

　　　 1.研究磁吸附轮式爬壁机器人的整体结构，提出了磁性轮与磁性吸盘联合控制磁力的吸附方式，设计出罐体壁爬行机器人的总体结构。

　　　 2．针对机器人在罐体底面及侧面典型危险位置进行了静力学和动力学分析，提出了磁力控制方案和差速转向控制方式，并建立了爬壁机器人的运动学模型[11]。

关键词：爬壁机器人,磁吸附，运动学模型

ABSTRACT

　　　The wall-climbing robot is one kind of special robots for special assignments which is mainly used for climbing the vertical wall or spherical wall.and taking the corresponding devices for such functions as wall-cleaning, testing, painting, pipeline-laying. It is in the purpose of replacing humans to work in such risky environments as petrochemical enterprises, construction industry, the fire department, ship-building industry and so on. Its research and development will bring good economic benefits and social values. In this paper, the purpose of the study is to design a highly reliable and widely applicable climbing-robot that can automatically move and avoid obstacles.

　　　Studying tank wall-climbing robot is great significance to the development petrochemical enterprises. In order to solve some key technical issues, the paper established the structure of wall-climbing robot system, adopted the adsorption controlled which combine permanent magnetic wheel adsorption with controlled adsorption plate manner, and then analyzed and simulated the robot kinematics, dynamics, the main research contents are as follows:

　　　1. Studied overall structure of wall-climbing robot magnetic wheel adsorption, proposed the adsorption method which combined magnetic wheel and magnetic plate, designed the overall structure of the tank wall-climbing robot.

　　　2. Carried out static and dynamic mechanical analysis on typical dangerous location of tank bottom and side when the robot is working, proposed magnetic control program and established kinematics and dynamics models of wall-climbing robot.

Keywords: wall-climbing robot, magnetic adsorption, dynamic model

1.绪论 1

1.1选题背景及其意义 1

1.2国内外研究现状与发展趋势景 2

1.3研究内容 6

2.总体方案确定 7

2.1方案选择 7

2.2移动方式实现 8

2.3最终方案确定 9

3 探伤车主要部件的设计与校核 11

3.1车轮电机选型 11

3.2 蜗轮蜗杆计算 13

3.3 轴的设计与校核 18

3.4 轴承使用寿命的计算 23

3.5滚珠丝杠副 24

4 结论与展望 29

4.1课题总结 29

4.2课题展望 29

参考文献 30

致谢 31

1绪论

　　　在煤和石油等化石燃料日益枯竭的今天，化石燃料带来的环境问题日益突出的今天，寻找新型能源的要求势在必行，迫在眉睫，历数现阶段有潜力的新能源：水能，风能，太阳能，核能，地热，潮汐能等。而众多新型能源又各自受到各种缺陷与限制，只有核能因为具有资源丰富、清洁、核燃料能量密度高等诸多优点，未来将受到越来越广泛的应用，由于核燃料高度辐射，发展核电总是绕不开安全问题。自1951年12月美国实验增殖堆1号（EBR-1）首次利用核能发电以来，在60余年的核电发展史上，人类曾发生过前苏联切尔诺贝利核电站事故与日本福岛核泄漏两次严重事故，给当地带来了近乎毁灭的灾难。核燃料的高辐射注定了在检验核电筒体焊缝等安全问题时由人操作会带来巨大的人生安全，因此在核电发展中，若是以机器检测壁面的焊缝问题，可在最早时间内将安全情况传递给工作人员，及时进行一系列的措施来应对，大大降低了人的生命威胁概率。

1.1选题背景及其意义

　　　随着科学技术的日益发展与人类安全意识的不断提高，人们对生产安全的要求也越来越高，使得机器人在各个领域中都得到了广泛的应用和发展。以机器人代替人类从事各种危险、繁重、重复、单调及有毒有害的工作是当今社会发展的一个趋势。而爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支，它能在壁面与顶部上灵活移动，并完成一定的极限任务。目前，国内外许多家科研机构都在这一领域展开了研制开发工作。总体概括起来，爬壁机器人主要用于以下几个方面：

　　　(1)核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等工作；

　　　(2)石化工业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；

　　　(3)建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；

　　　(4)消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；

　　　(5)造船业：用于喷涂船体的内外壁等[16]；

　　　而运用于核电筒体上的爬壁探伤仪，其本质就是爬壁机器人，它可在垂直壁面移动，完成壁面的焊缝探伤检测作业。核电是利用核能发电，一旦发生核泄漏，在壁面上进行探伤的工作人员会吸收到大量的核辐射，直接严重危害到人的生命。所以若是以机器检测壁面的焊缝问题，可在最早时间内将情况传递给工作人员，可及时进行一系列的措施来应对，因此大大降低了人的生命威胁概率。

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内容简介：: 第 12 卷第 31 期2012 年 11 月 16711815( 2012) 31-8271-05 科学技术与工程 Science Technology and Engineering Vol. 12No. 31Nov 2012 2012Sci. Tech. Engrg. 计算机技术间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析武丽君吴善强 ( 中国计量学院机械电子研究所，杭州 310018) 摘要研究了带有新型吸盘结构的具有间隙式负压吸附方式特点的爬壁机器人的动力学问题。采用间隙吸附方式的爬壁机器人，其运动性能( 可操作性、驱动性能等) 主要由轮式移动结构决定，因此对爬壁机器人运动结构进行动力学分析是合理和必要的。基于拉格朗日乘子方程建立了机器人的动力学模型。利用 Matlab/Simulink 的动力学仿真，分析了吸盘吸附力和机器人方位角变化对爬壁机器人运动特性的影响，为改善和提高机器人的运动性能并为其结构优化设计与运动控制提供了理论研究基础。关键词间隙吸附爬壁机器人轮式移动动力学中图法分类号TP242;文献标志码A 2012 年 7 月 2 日收到浙江省自然科学基金( Y1090042) 、浙江省教育厅资助项目( Y200909253) 和浙江省大学生孵化项目( 2011R409045) 资助第一作者简介: 武丽君( 1988) ，女，硕士生，研究方向: 机器人技术、运动控制。E- mail: wulijunjyz163. com。爬壁机器人是一类能够在高空危险环境下作业的特种机器人，在反恐防暴、石化、建筑、能源等多个行业中有广泛的应用前景，具有重要的研究意义和实用价值 1 。近十几年，国内外很多研究者针对爬壁机器人的壁面吸附能力和机构的运动形式进行了研究，其中，轮式运动机构作为爬壁机器人的一种有效运动方式，以其运动速度快、机构简单等优点得到了很多研究者的重视 2， 3 。相对于传统的以研究机器人智能、决策等为目的而开发的轮式移动机器人相比，在爬壁能力、机动性、集成设计、智能检测等方面提出了许多新的挑战。卡耐基梅隆大学研究了 Walbot 机器人和加州大学伯克利分校与 Robot 合作开发了机器人 Hexa- Gecko4 ; 哈尔滨工业大学研制了轮式驱动的低噪声负压吸附反恐爬壁机器人 5 ; 上海交通大学和北京理工大学也分别研制了高楼壁面清洗作业机器人和四轮移动机构的爬壁机器人样机 6， 7 。对于间隙吸附单吸盘爬壁机器人，与传统滑动式单吸盘爬壁机器人最大不同是吸盘与壁面间不存在滑动摩擦，因此减少了机器人运动时部分阻力。由于壁面移动机器人工作于垂直壁面上，吸附能力和运动结构设计是机器人设计的两个关键问题。首先介绍了爬壁机器人的整体结构，并利用流体仿真软件 fluent 仿真分析了吸盘与壁面缝隙间的空气流场分布，然后针对所设计的四轮驱动单吸盘间隙吸附式爬壁机器人，研究了单个驱动轮的受力情况，并分析了机器人在任意姿态下在壁面上安全移动的运动状态和约束条件，建立了其动力学模型，最后利用 Matlab/Simulink 软件对爬壁机器人的动力学模型进行了仿真分析，将吸附力和方位角作为变量，使其根据实际情况可以调整大小，得出吸附力变化对爬壁机器人运动特性的影响，为四轮驱动爬壁机器人的结构优化和安全运动控制提供了理论依据。 1机器人机构组成所设计的四轮驱动单吸盘间隙式爬壁机器人组成结构如图 1 所示，包括吸附结构和运动结构两部分。其中吸附结构是由离心风扇、滑动吸盘、上下导流密封机构和风扇电机组成，滑动吸盘通过离心风扇在吸盘与壁面的缝隙之间产生负压，使机器人附着在壁面上。同时，上下导流机构使风扇出口气体与壁面产生一定的夹角，即出口气体与缝隙入口气体间形成对流，从而阻止部分气体的流入，具有一定的气封作用。运动机构由驱动轮 fl，驱动轮 fr ，驱动轮 bl ，驱动轮 br ，分别表示前左轮，前右轮，后左轮，后右轮组成，每个轮子的驱动装置都是安装在与轮子同轴心的位置，这种机构能够使机器人在平滑壁面上具有快速的移动能力。图 1机器人本体结构在遇到不同壁面条件时，可以通过改变吸盘与壁面间的缝隙高度来提高机器人壁面适应能力。在缝隙高度增大时，空气泄漏量增大，吸盘与壁面间的负压值减少，通过提高离心风扇的转速增大抽吸空气的能力，从而保证机器人安全吸附在壁面上。 2吸盘与壁面缝隙内空气流场的模拟仿真利用 CFD 对滑动吸盘内空气泄漏量和压力场进行数值模拟，为爬壁机器人负压吸盘研究与设计提供了理论依据。当离心风扇入口处始终提供 4 000 Pa负压时，图 2 是导流机构与吸盘成 30 度夹角时根据 Fluent 分别对 2 mm， 4 mm， 6 mm， 8 mm 以及 10 mm 的缝隙高度下得到的吸盘内空气泄漏量绘制的曲线。图 2加入气封结构前后吸盘内空气泄漏量对比图 2 中黑色曲线代表在未加入导流气封结构前吸盘内的空气泄漏量，红色曲线代表加入导流气封结构后吸盘内的空气泄漏量，由图 2 可知当加入吸盘气封结构后，空气的泄漏量有所减小。其中，在缝隙高度为 6 mm 时，空气泄漏减小幅度最大，气封效果最明显。图 3加入气封结构前后缝隙内压力场分布对比同时，对在 2 mm， 4 mm， 6 mm， 8 mm 以及 10 mm 的缝隙高度下吸盘内压力场也做了模拟。图 3 为缝隙高度为 4 mm 时，加入导流气封结构前后吸盘内压力场分布对比。从图中 3 可以看出，加入导流气封结构后，吸盘内的压力梯度变化明显，低负压区向外扩展，从而爬壁机器人吸盘内保持了一定的真空度，保证机器人能有效吸附在壁面上，不至于滑落或倾覆，提高了机器人的自适应能力。通过对吸盘与壁面的缝隙间空气流场分布的数值模拟，可以数值计算机器人吸盘负压吸附力，为爬壁机器人负压吸盘研究与设计提供了理论依据。 2728科学技术与工程12 卷 3机器人的动力学建模 3. 1机器人单个驱动轮动力学方程当运动轮与墙壁接触时，墙壁都会对其表面产生应力。假设机器人运动轮与壁面刚性接触，驱动轮受力情况如图 4 所示。图 4单个驱动轮受力分析图 4 中，机器人运动轮半径为 r ，宽度为 b ; Fs 为运动轮阻力， Ff为墙壁对运动轮的摩擦力; Fp为机器人本体作用在运动轮轴上的正压力，FN( = Fp) 为墙壁对运动轮的反作用力; Mc( = T) 为墙壁对运动轮的阻力矩，T 为驱动电机的输出力矩。根据图 4 的受力分析，单个驱动轮的动力学方程为。 v = r mv = Ff Fs mg J = T Ffr M c ( 1) 式( 1) 中，v 为轮子中心线速度，为驱动轮角速度， m 和 J 分别为驱动轮的质量和惯性矩。Ff与驱动轮的摩擦系数和机器人本体作用在运动轮轴上的正压力 Fp有关。驱动轮的动摩擦力方向与机器人运动方向一致，为机器人运动提供驱动力。所有运动轮均采用驱动轮的方式，产生的摩擦力都被用来驱动机器人运动，可以最大限度地利用有限的负压吸附力，从而提高了机器人的负载能力。 3. 2任意姿态下驱动轮支撑力分析机器人以任意姿态在壁面上运动情形如图 5 所示。首先定义固定于壁面的惯性笛卡尔坐标系 X， Y， Z- O 和广义坐标系为 x， y， z- o ，驱动轮中心沿 X 方向间距为 2L，沿 Y 方向间距为 2B，机器人重心距墙壁距离为 H 。 Fffl， Fffr， Ffbl， Ffbr分别为前左轮、前右轮、后左轮、后右轮的滑动摩擦力。机器人处于静止吸附状态时，各驱动轮所受壁图 5机器人任意姿态下驱动轮受力分析面支撑力满足下式 FNfl+ FNfr+ FNbl+ FNbr Fp= 0 2L( FNfl+ FNfr) + GHsin FpL = 0 2L( FNfl+ FNbl) + GHcos FpB = 0 ( 2) 式( 2) 中 FNfl， FNfr， FNbl， FNbr分别表示前左轮、前右轮、后左轮、后右轮的支撑力。Fp为机器人的吸附力。机器人处于任意姿态下的直线运动状态时，各驱动轮所受壁面支撑力满足下式: FNfl+ FNfr+ FNbl+ FNbr Fp= 0 Ff Fx Ma Gcos = 0 2L( FNfl+ FNfr) + GHsin FpL = 0 2L( FNfl+ FNbl) + GHcos FpB = 0 ( 3) 式( 3) 中 Fx为驱动轮所受到的阻力和。运动轮摩擦力提供机器人驱动力， Ff= Fp，其中，为运动轮的摩擦系数。运动过程中应满足 min( FNfl， FNfr， FNbl， FNbr) 0 ，即保持 4 个驱动轮始终与壁面接触。采用拉格朗日乘子方程建立四轮驱动单吸盘爬壁机器人在纯滚动条件下的动力学模型为 8 : M( q)q + C( q) Fp+ D( q) G = B( q) T AT( q) ( 4) 式( 4) 中 M( q) 是对称、正定惯性矩阵; 假设机器人始终不发生侧向移动， B( q) ， C( q) ， D( q) 为输入变换矩阵，AT( q) 为约束矩阵，为拉格朗日约束乘子矢量。取驱动力矩向量 T = ( l ， r) T ， l= rFl ， r = rFr。 372831 期武丽君，等: 间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析 3. 3机器人的动力学分析各驱动轮转速分别为 vfl，vfr，vbl，vbr，驱动轮转速分别为 fl ， fr ， bl ， br，驱动轮半径为 r 。设四个驱动轮的尺寸、材质一致，轮胎刚度系数一致。从以上假设可以得到 l= fl= bl ; r = fr= br ( 5) vl= rl;vr= rr( 6) 采用 Routh 方程可得到式( 4) 中的系数矩阵。 M( q)= M00 0M0 00 I ; B( q)= 1 r coscos sinsin BB ; C( q)= cos sin 0 ; D( q)= sincos sin2 0 。假设在理想的纯滚动非滑移条件，即存在非完整约束使 ( sin， cos， 0) ( x，y， ) T = A( q) q = 0 ( 7) 取驱动轮角速度向量 = ( l，r) T ，则有珋 q = S( q) w 。其中， S( q) 是一组光滑分布在零空间的满秩矩阵向量 S( q)= r 2 coscos sinsin 1 B 1 B ，可以证明 A( q) S( q)=0，即q 始终处于 A( q) 的零空间，满足约束条件式( 7) 。在式( 4) 两边左乘 ST( q) ，可得 ST( q) ( M( q)q + C( q) Fp + D( q) G) = ST( q) B( q) T ( 8) 可以证明 ST( q) B( q) 是 I22矩阵，所以可以得到驱动力矩为: T = ST( q) ( M( q)q + C( q) Fp+ D( q) G)( 9) 吸附压力 Fp作用下驱动轮最大允许驱动力矩 Tmax Fp = r FNfl+ FNbl FNfr+ FN br 。 4机器人动力学仿真机器人结构参数为: M = 8 kg， r = 0. 067 5 m， B =230 mm， L =220 mm， =0. 6，机器人以速度为 2 m/s，半径 R 为1 m 做等半径匀速圆周运动。依据所建立的机器人动力学模型，利用 Matlab 对机器人进行仿真分析。图 6不同吸附压力为 Fp 下驱动轮的驱动力矩图 6 为不同吸附压力 Fp 为下驱动轮的驱动力矩曲线。可以看出，随吸附压力的增大，机器人所需的驱动力矩也增大，同时也可以看出，随着机器人方位角的变化，机器人安全移动驱动力矩也在变化。在实际环境的不确定干扰的存在，如缝隙的增大，摩擦系数突变等，对机器人移动产生影响，因此要保证机器人的安全移动，必须通过改变吸盘吸附力来使爬壁机器人适应不同工作环境。 5结论本文对四轮驱动间隙式爬壁机器人的动力学进行了研究。首先，分析了单个驱动轮的受力情况并对其建立了动力学方程，然后，针对任意姿态下，分别在机器人静止吸附和运动两种状态下对驱动轮所受支撑力进行了分析，进而利用拉格朗日乘子方程建立了机器人非完整约束系统的动力学模型，把吸附压力作为自由度引入动力学方程中。最后，将机器人尺寸代入模型，利用 Matlab/Simulink 模块仿真分析了所设计的机器人在不同吸附压力作用下，以任意姿态角运动所需的驱动力矩，从而得出通过改变吸盘吸附力来使爬壁机器人适应不同工作环境的方案。为提高其壁面适应性和安全运动控制提供了理论依据。 4728科学技术与工程12 卷参考文献 1崔旭明，孙英飞，等壁面爬行机器人研究与发展科学技术与工程， 2010; 10( 11) : 26722677 2Longo D ， Muscato G The Alicia3climbing robot IEEE Robotics and Automation Magazine ， 2006; 13( 1) : 4250 3 李明河，王伟，等一种全方位移动机器人的系统设计，安徽工业大学学报， 2011; 28( 1) : 5154 4Menon C， Murphy M， Sitti G M Inspired surface climbing robots Pro- ceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics Shenyang， China: IEEE Service Artificial Life that Loco- motes Proceedings Center， 2004: 431436 5Wu Shanqiang，Li Mantian， Xiao Shu， et al A wireless distributed wall climbing robotic system for reconnaissance purpose Proc 2006 IEEE Int Conf on Mechatronics and Automation 2006: 13081312 6潘雷，赵言正，等具有双负压吸盘的爬壁机器人吸附特性上海交通大学学报， 2005; 39( 6) : 873 876 7Ma B， Liu R， Zhang R， et al Design of wall climbing robots with tran- sition capability IEEE Intern-ational conference on Robotics and Bio- mimetics Piscaltaway， NJ， USA: IEEE， 2007: 18711875 8李志海，付宜利，等四轮驱动滑动吸盘爬壁机器人的动力学研究机器人 2010; 32( 5) : 601607 Dynamics Analysis on Wall- climbing Robot with Gap- type Single Suction Cup WU Li- jun，WU Shan- qiang ( Mechatronics Institute， China Jiliang University， Hangzhou 310018， P R China) AbstractDynamics of the gap adsorption wall- climbing robot with a new structure of suction cup is studied The moving perfo

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