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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参考文献资料

间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析_武丽君.pdf---(点击预览)

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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有疑问可以咨询QQ：414951605或1304139763

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：: 注：本页蓝色字体部分可点击查询相关专利 SooPAT 磁轮吸附式爬壁机器人磁轮吸附式爬壁机器人申请号：200410016429.6 申请日：2004-02-19 申请(专利权)人申请(专利权)人上海交通大学地址地址200240上海市闵行区东川路800号发明(设计)人发明(设计)人费燕琼赵锡芳王建平主分类号主分类号B25J5/00 分类号分类号B25J5/00 公开(公告)号公开(公告)号1559759 公开(公告)日公开(公告)日2005-01-05 专利代理机构专利代理机构上海交达专利事务所代理人代理人王锡麟王桂忠收稿日期: 2009- 11- 09 作者简介: 张立国 ( 1985), 男, 辽宁朝阳人, 检测技术与自动化装置专业, 主要从事自动化仪表、智能仪器等方面的研究。立式金属罐容积检定爬壁机器人本体设计张立国, 肖军, 佟仕忠, 李会举, 付贵增 (辽宁石油化工大学信息与控制工程学院, 辽宁抚顺 113001) 摘要: 介绍一种用于对立式金属罐容积检定的爬壁机器人设计方案。该爬壁机器人具有永磁吸附方式组成的吸附系统和四轮驱动式的轮式移动机构, 其吸附系统镶嵌在轮式移动机构的车体中, 且和壁面非接触。这种设计改进了传统爬壁机器人机械结构中存在的转向困难和容易对油罐壁造成损坏的缺陷, 同时对其稳定性及可靠性进行了力学分析, 并对总体控制系统设计进行了说明。着重阐述了直流电机与减速器的选型以及以 AT89C51微控制器为核心构成的下位机硬件控制电路和相应的软件设计方法。关键词: 爬壁机器人; 看门狗; 倾角传感器; 电源模块中图分类号: TP242 文献标志码: A 文章编号: 1000- 0682( 2010) 02- 0037- 05 Design on a wall- climbing robot for capacitymeasurement of verticalmetal tank ZHANG L iguo , XI AO Jun, TONG Shizhong , LIHuiju , FU Guizeng (School of Control and Infor mation Engineering, Liaoning Shihua University, L iaoning Fushun 113001, China) Abstract : One kind ofwall- cli mbing robots are introduced that it use to measure the verticalmetal tank1 The wall- cli mbing robot is composed of a per manent m agnetic adsorption system and a four- wheel drive mechanism, and the adsorption system ismounted on body of the wheel location mechanism and non- contactw ith the wallcs surface 1 This design i mproved the traditionalwall- cli mbing robotm e - chanical structure defects that are difficult to steered and easy to damaged on the tank wal,l m eanwhile it analysis to its stability and the reliability ,and explain to the overall control system design1There are spe - cial explained the selection of DC motor and reducer ,as well as AT89C51 m icrocontroller as the core consisting of under- m achine hardware system and the corresponding software designmethod1 Key words: wall- cli mbing robo; t watchdog ;tilt sensor ;power sourcemodule 0 引言立式金属罐是石油石化行业中最常见的存储设备。目前对立式金属罐容积检定广泛使用径向偏差测量仪进行测量, 但在实际测量中却遇到很多困难。因为检测人员需要人工搭建脚手架爬到十几米高的油罐顶部, 在油罐顶部边缘逐点移动径向偏差测量仪的标尺, 这就加大了测量的危险性和测量误差。所以如果能够借助爬壁机器人携带径向偏差测量仪的标尺, 使其按检测油罐容积需求的运动轨迹移动, 并在相应的检测点停留, 以便检测人员做相应的测量, 测量的安全性将得到改善, 测量精度也将得到提高 1。 1 爬壁机器人总体设计 111 机器人本体结构设计机器人主体主要由底座、轴承座、电机座、电机、轴承、车轮轴、车轮、联轴器等部件组成, 如图 1所示。爬壁机器人主要应具有壁面吸附和移动这两项基本功能, 在此基础上完成相应的实际测量, 并实现移动灵活、操作简单和小型化等要求。从吸附功能上看, 传统的磁吸附爬壁机器人多采用把磁块镶嵌在车轮或履带上并与罐壁直接接触的吸附方式, 这就造成了机器人转向困难且车轮或履带容易对罐壁造成损坏。针对传统机器人的缺点, 该爬壁机器人的吸附方式采用把磁块镶嵌在车体中部而且与罐壁非接触的吸附方式。这种方式能够提供更稳定的吸附能力, 而且具有便于机器人转向和不会对罐壁造 #37#2010年第 2期工业仪表与自动化装置成损坏等优点。在吸附材料的选取上, 通过对车体各种运动状态的受力情况分析后, 确定吸附单元所需要提供的最小吸附力, 最终决定采用钕铁硼 N35 稀土永磁体作为吸附材料。它具有内禀矫顽力极高、在磁路中可减少漏磁等特点, 适合在开路状态、压力场合、反磁场或动态情况下应用 2。而机器人的移动功能则是由 AT89C51微控器控制直流电机的正反转和速度来实现的。 11 底座; 21轴承座; 31 电机座; 41电机; 5 1 轴承; 61车轮轴; 71车轮; 81 联轴器; 91注销; 101 支撑板; 111加强筋图 1 爬壁机器人本体结构图 112 机器人爬壁的稳定性和可靠性分析图 2 爬壁机器人受力示意图图 2为爬壁机器人受力示意图。欲使机器人吸附于罐壁不致于脱落, 又能灵活移动, 应满足以下条件: ( 1)吸附条件磁块产生的最大摩擦力 E i fi能抵消机器人自身重力即: E i Ni= E i Fi; E i Gi= E i fi( 1) 且 E i fi= E i L Ni= E i L Fi( 2) 式中 Ni为罐壁对轮子的弹力; Fi为轮子所受的吸力; Gi为单个轮子所受的重力; fi为轮子所受的摩擦力; L为橡胶与钢铁的摩擦系数。竖直方向受力平衡应该满足以下不等式: E i fi G 2, 即Ei L Fi G 2, E i L Fi= nL F( 3) 由此可得: F G 2nL ( 4) 式中 n为磁块的个数; F为单元磁块所受的力。 (2)爬壁车本体在壁面上不颠覆的条件为力矩之和大于零, 即: 2Fi# S- G总# h0( 5) 式中 S为前轮与后轮间的垂直距离; h 为轮轴到壁面的垂直距离。由式 ( 5)可得: FiG总# h /2S( 6) 故由式 (4) 可知, 当选取安全系数 n值后, 则可以计算出最终单元吸附块应该提供的吸附力, 然后校验磁吸附力和重力两者的力矩能否平衡 3。由式 ( 6)可知, 在设计爬壁车时, 尽可能使爬壁车的整个重心靠近壁面, 即要求 h尽可能小, 同时在可能的情况下, 加长 S的距离, 即尽可能拉开前后车轮之间的距离, 这样有利于提高机器人的稳定性 4。 2 控制系统总体设计爬壁机器人的控制系统由上、下位机组成。上位机主要完成整个系统的管理, 机器人运动路径的规划, 工作状态的 CRT 显示, 系统的自保护、自诊断以及启动、停止等。运行时上位机利用某些键作为操作的功能键, 通过串口通信, 把键盘的操作转换成 ASCII码后传输到控制台的单片机系统。同时上位机接收来自下位机反馈的机械爬行装置的空间位置及状态信息, 从而完成对爬壁机器人的实时控制。下位机采用 AT89C51单片机, 它执行上位机和控制手柄的指令, 通过直流电机驱动电路控制机械爬行装置, 实现对机械装置相应的操作。上位机与下位机的通信采用 RS485标准, 以适应远距离传输和野外作业的要求。控制系统总体设计框图如图 3所示。 #38#工业仪表与自动化装置 2010年第 2期图 3 控制系统总体设计框图 3 下位机硬件设计下位机硬件核心部件的 CPU采用 ATMEL公司生产的 AT89C51单片机, 驱动电机选用的是 MAX- ON公司的直流电机。 311 驱动模块设计 ( 1)在设计过程中, 首先对电机和减速箱进行选型, 然后对电机控制系统进行设计。齿轮减速箱的选型由于 MAXON DC电机的理想转速为 6 000 r/ m in , 而减速后的电机转速为 1915 r/m in , 减速比: i比= 6 000B1915= 307169B1( 7) 而 i实际 115 N# m; 最大轮轴转矩 Mm ax 118 N# m。根据以上参数, 选择 MAXON公司的 A - max 26, 11 W alt直流电机; 减速箱选择减速比为 295B1的 GP 32C行星齿轮箱 4。 ( 2)机器人的驱动系统采用单片机 + 继电器的控制方案, 通过两个继电器的通断分别控制电机通断与转向。图 4为一个直流电机驱动电路, 从图中可以看出 AT89C51单片机从上位机或从 P1外接的控制手柄获取命令, 当 P315跳变到低电平, P314为高电平时, 光电耦合器 U2使继电器 K2吸合, 电流从电机的 B端口经 A端口流经 C点组成闭合回路使电机正向转动。同理当 P314和 P315同时跳变到低电平时, 光电耦合器 U1使继电器 K1吸合, 这时电流从电机 A端口经 B端口到 C点组成闭合回路使电机反向转动。由此可知 P315控制电机的通断, 而 P314控制电机的正转与反转。D1 D4控制灯完成机器人运行状态的显示。这种控制系统操作安全稳定, 控制简便, 功率损耗少。 ( 3)为了使爬壁机器人能够可靠稳定地工作, 就必须附加监视电路。设计采用 X5045实现电路监视功能, X5045有一个可设定 200 ms 、 600 ms、 114 s或禁止的看门狗定时器。在电路中 X5045被设置成 114 s的定时器。在单片机程序中, 每隔一定的时间间隔放置一条 /喂狗0指令 (即在 P111输出一个下降沿 ), 该时间间隔应小于 114 s , 以保证程序正常运行时 X5045不会溢出; 当程序出现异常, 该时间间隔将超过 114 s导致 X5045溢出, 并通过 RST 引脚送出一个复位信号使单片机复位, 重新开始运行程序 5。 312 倾角检测模块爬壁机器人要完成对油罐的检定任务, 就必须按照预先规划的路径做精确运动。该机器人的运动路径是: 沿油罐母线竖直向上或向下做往复运动。这就要求爬壁机器人 4个轮子的运动速度相等, 否则就会出现爬壁机器人偏离母线的情况。但由于电机的转速和驱动轮尺寸以及爬壁机器人在油罐壁运动过程中出现 /打滑 0现象等, 均会造成两侧车轮运动速度不相等, 而使得机器人运动方向偏离母线, 进而使机器人的爬行路径发生偏斜, 故需要设计机器人的姿态闭环控制系统, 即实时检测机器人姿态参数。并利用该参数与规划姿态参数进行比较, 用得出的偏差值来自动调节两侧电机的转速, 从而实现不断减小姿态偏差的目的。该设计姿态的闭环控制系统选用 LAM - TD- 360型倾角传感器 6, 它采用标准 MAX232接口与 AT89C51通信 7。 LAM - TD - 360的控制电路如图 5所示。 313 电源模块设计机器人控制系统的电源包括驱动系统和控制系统两部分。其中驱动系统电源为 24 V, 控制系统电源为 5 V。整个下位机控制系统采用外部 24 V 蓄电池来为这两部分提供电源。因此驱动部分的 24 V电源由蓄电池直接输出来驱动直流电机, 而控制部分的 5 V电源则由 MC34063芯片所搭建的降压模块来实现 24 V 到 5 V 的电压转换后提供。 MC34063芯片为单片式 DC/DC变换器。图 6为采用 MC34063芯片构成的开关降压电路 8。当芯片内部开关管导通时, 电流经 MC34063的 1脚、 2脚给电感 L1 、 L2 、电容 C3和负载供电, 同时电感 L1、 L2 #39#2010年第 2期工业仪表与自动化装置存储能量; 当内部开关管断开时, 由电感继续给电容 C3和负载供电。由于是开关间歇供电, 所以输出 + 5 V的恒定电压。 #40#工业仪表与自动化装置 2010年第 2期图 6 电源模块 314 电池电量监测设计在操作中为了使机器人能在电池电量维持其正常运转的情况下安全返回, 就需要在系统中设置一个监测电池电量的电路。该电路通过一个单电源比较器 HT7039实现对电源的监测, 当电池两端电压低于 20 V时 , 比较器的输出端产生一个低电平, 这会点亮与之连接的发光二极管, 以提示电池电量不足。这时机器人就可以安全返回。原理如图 7所示。图 7 监测电池电量电路图 4 软件程序设计下位机控制系统软件主程序流程如图 8所示。上位机给出控制命令, 通过串行总线传送给下位机, 下位机读取通信缓冲区的命令字, 判断是否有按键命令, 然后进行功能键判断, 再执行相应的按键命令; 并且下位机控制系统读取倾角传感器信号通过运动姿态控制算法, 输出姿态调整信号来调整机器人的运行姿态, 并将采集到的光电编码信号返馈给电机驱动模块, 从而实现机器人的闭环控制。同时下位机把实时数据传送给上位机, 上位机根据下位机信号做出实时控制决策。图 8 下位机软件流程图 5 结束语在爬壁机器人系统设计中, 机器人车体和控制系统的设计是非常关键的环节。该文着重阐述了爬壁机器人的车体吸附系统, 吸附系统中所采用的吸附单元与罐体非接触的吸附方式能够解决传统机器人存在的一些缺点, 同时设计的硬件控制系统简单实用, 易于操作。经现场试验证明该爬壁机器人具有运动灵活及操纵性好、对工作面适应性好、安全稳定的特点。参考文献: 1 陈佳品, 程君实, 冯萍 1油罐容积检测用爬壁机器人控制系统研制 J1工业仪表与自动化装置, 1997, ( 6): 7- 111 2 文怀海, 佟仕忠, 付贵曾, 等 1 立式金属罐容积检定爬壁机器人的研制 J1自动化仪表, 2007, 28( 8): 45- 471 3 韩冬桂 1船舶自动除锈设备载体的研制 D1武汉理工大学, 2003: 20- 231 4 李昌海 1 立式金属罐轮式检定爬壁机器人的研制 D1辽宁石油化工大学, 2009 : 14- 191 5 胡屏, 柏军 1 单片机应用系统中的看门狗技术 J1 吉林大学学报 (信息科学版 ), 2003, 21( 2): 205- 2081 6 田兰图 1油罐检测爬壁机器人技术及系统研究 D1 清华大学, 2004: 26- 271 7 李朝青 1单片机原理及接口技术 M 1北京: 北京航空航天大学出版社, 1999: 2011 8 李真芳, 李世雄 1 MC34063在嵌入式电源设计中的应用 J1国外电子元器件, 2005, ( 6): 73- 741 #41#2010年第 2期工业仪表与自动化装置注：本页蓝色字体部分可点击查询相关专利 SooPAT 轮式越障爬壁机器人轮式越障爬壁机器人申请号：201010289327.7 申请日：2010-09-22 申请(专利权)人申请(专利权)人上海交通大学地址地址200240 上海市闵行区东川路800号发明(设计)人发明(设计)人吴明晖赵言正陈善本付庄高晓飞主分类号主分类号B25J5/00(2006.01)I 分类号分类号B25J5/00(2006.01)I 公开(公告)号公开(公告)号101947776A 公开(公告)日公开(公告)日2011-01-19 专利代理机构专利代理机构上海交达专利事务所 31201 代理人代理人王锡麟王桂忠第 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 performance ( operability，drive performance，etc ) of gap adsorption wall- climbing robot is mainly de- termined by the structure of the wheeled mobile， so it is reasonable and necessary to study the dynamics of the mov- ing structure of wall- climbing The dynamic model of the robot is constructed based on the Lagrange multiplier equation The influence of adsorption force and robot sucker azimuth change on climbing robot moving characteris- tics is analyzed using Matlab/simulink dynamic simulation As a result，it lays the theoretical foundation for impro- ving and enhancing the movement performance ， its structure optimization design and motion control Key words gap adsorptionwall- climbing robotwheel movingdynamics 572831 期武丽君，等: 间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计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，运动学模型磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计 ABSTRACTThe 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 model31磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计目录1.绪论11.1选题背景及其意义11.2国内外研究现状与发展趋势景21.3研究内容62.总体方案确定72.1方案选择72.2移动方式实现82.3最终方案确定93 探伤车主要部件的设计与校核113.1车轮电机选型113.2 蜗轮蜗杆计算133.3 轴的设计与校核183.4 轴承使用寿命的计算233.5滚珠丝杠副244 结论与展望294.1课题总结294.2课题展望29参考文献30致谢311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。利用机器人技术进行罐体探伤作业安全可靠，而且效率高、可控性好。目前国内外已经研究、开发了各种爬壁机器人，用于施工、作业的机器人主要以磁吸附、真空吸附以及二者的复合吸附为主。可以攀爬垂直的玻璃墙幕、船体垂直壁面及储罐壁面等。负压或真空吸附对壁面的可吸附性具有一定要求，且存在高噪声等不利因素。对于绝大部分铁磁性金属结构来讲，永磁吸附是可靠性最高的工作方式，尤其是对于工作内壁凹凸不平事，难以利用负压吸附工作。永磁吸附相对于电磁吸附来讲吸附单元的重量要小得多，而且安全性不受电力供应意外的影响。机器人在大型作业面上工作时，需要携带电缆、管线、作业设备，并承受作业的反作用力，通常需要很大的吸附力。导致机器人的本体重量比较大，其中磁体是主要的重量部件。1.2国内外研究现状与发展趋势景作为移动机器人领域的一个重要分支，爬壁机器人把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可在垂直壁面上附着爬行，并能携带工具完成一定的作业任务，大大扩展了机器人的应用范围。为了在壁面工作环境中执行任务，爬壁机器人必须具有两个基本功能：一是壁面吸附功能和移动功能。按吸附方式来分，主要分为真空吸附和磁吸附两种方式。真空吸附又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低;磁吸附可分为永磁铁和电磁铁两种，要求壁面必须是导磁材料，但它的结构简单，吸附力远大于真空吸附方式，且对壁面的凹凸适应性强，不存在真空吸附漏气的问题，因而当壁面是导磁材料时优先选用磁吸附爬壁机器人。二是按移动方式来分，有车轮式、履带式和足脚式。车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难;履带式对壁面的适应性强，着地面积大、不易转弯;足脚式移动速度慢，但带载能力强10。1.2.1国外爬壁机器人的研究现状国外爬墙机器人的研究状况主要有以下几个方面：1）单吸盘真空吸附式爬墙机器人：这是利用单一真空（或机器人本身就是机壳就是密封装置）与壁面间形成一个真空室。这种形式的爬墙机器人可实现小型化、轻量化并结构简单易于控制。但是要求壁面有一定的平滑度，越障能力低。对于复杂壁面环境不适应，当遇到较大的沟槽或凹凸面时，吸盘内的负压难以维持，存在相对滑动，吸盘桾边磨损较为严重。2）多吸盘真空吸附式爬墙机器人：出于单吸盘结构对壁面的适应能力较差，许多学者采用了多个真空吸盘，进行吸附力分散形式的爬墙机器人的研究，为多吸盘式壁面移动机器人的研制做出了有意义的探索和尝试。因此，在单吸盘爬墙机器人的基础上，多吸盘结构得到了迅速的发展。3)磁吸附式爬墙机器人：只适用于导磁性材料构成的墙面，能产生较大的吸附力，且不受壁面凹凸或裂缝的限制。磁吸附式爬墙机器人可分为电磁体式和永磁体式两种，电磁体式机器人维吸附需要电能，但控制比较方便；永磁体式机器人不受断电的影响，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附式壁面移动机器人多为永磁体式。4）其他类型爬墙机器人：出于传统机器人的性能受到限制，例如，磁吸附式爬墙机器人受到壁面材料特性的限制，真空吸附式爬墙机器人受到壁面凹凸和多孔状况的限制。因此，人们研制出了一些其他形式的机器人，例如：飞行式、绳索牵动式和粘着剂吸附式等爬墙机器。日本是世界上率先开展了壁面移动机器人研究工作的国家，1966年大阪府立大学工学部讲师西亮，设计了一种利用电风扇进气侧低压空气产生的负压进行吸附的壁面移动机器人的理想原型机。在1975年，已他又从实用角度考虑，研制出一种用单吸盘结构吸附，以轮子行走的第二代壁面攀爬机器人。1989年,日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人,吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度,这样吸盘对壁面的吸力仍然很大,每个吸盘分别由一个电动机来驱动,与壁面线接触的吸盘旋转,爬壁机器人就随着向前移动,这种吸附机构的吸附力可以达到很大。日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9mmin，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。美国也是开展壁面移动机器人研究较早的国家。1989年，美国西雅图的HenryR Seemann在波音公司的资助下研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人。其两条履带上各装有数个小吸附室,随着履带的移动,吸附室连续地成真空腔而使得履带贴紧壁面行走。最近几年，美国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力一一范德华力。斯坦福大学教授马克库特科斯基的研究小组开发一种具有粘性脚足的壁虎状机器人。“壁虎机器人”足底有数百万个极其微小的毛发，微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。借助这些毛发，它就能令足底粘上壁面。除此之外，德国、西班牙、俄罗斯、英国、澳大利亚等国家都相继开展了壁面移动机器人研究。1990年以来,西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所研制出一种6足式爬壁机器人。该机器人为磁吸附式,具有较大的静载荷,目的是为了工业上的应用。1997年俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制出的用于大型壁面和窗户清洗作业的爬壁机器人也采用单吸盘结构。该机器人利用风机产生真空负压来提供吸附力,吸盘腹部装有4个驱动轮,机器人可在壁面全方位移动。20世纪90年代初,英国朴次茅斯工艺学校研制了一种多足行走式的爬壁机器人,采用模块化设计。机器人由两个相似的模块组成,每个模块包括两个机械腿和腿部控制器。机械腿采用仿生学机构,模拟大型动物臂部肌肉的功能,为两节式, 稳定性好,承载能力大,利于机器人的轻量化,并能跨越较大的障碍物9。1.2.2国内爬壁机器人的研究现状自1988年以来,在国家“863”高技术计划的支持下,哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制我国第一台壁面爬行遥控检测机器人。它采用负压吸附,全方位移动轮,用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。该机器人采用的是单吸盘结构,弹簧气囊密封,保证了机器人具有较高爬行速度和可靠的附着能力。1995年研制成功金属管防腐用磁吸附爬壁机器人,采用永磁吸附结构,靠两条履带的正反转移动来实现转弯。该机器人可以为石化企业金属储料罐的外壁进行喷漆、喷砂,以及携带自动检测系统对罐壁涂层厚度进行检测。上海大学谈士力等人设计开发了面向球形存储罐检修的球面移动爬壁机器人,它采用真空吸附方式和腿足式移动机构,可以适应不同曲率半径的曲面,并可跨越300 mm高的障碍。1996年以来,北京航空航天大学先后研制成功 “吊篮式擦窗机器人”和“蓝天洁宝”等幕墙清洗机器人样机。其中，该吊篮式清洗机器人依靠楼顶上的安全吊索牵引移动,利用风机产生的负压使机器人贴附在壁面上。近年来,上海交通大学也开展了爬壁机器人的研究。设计了一种自身无行走机构而依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机。机器人腹部的两个吸盘交替抬起和吸附可实现跨越水平窗框障碍运动9。1.2.3爬壁机器人的发展趋势驱动、传感、控制等硬软件技术的发展极大地推动了爬壁机器人技术的发展,实际应用的需求也对爬壁机器人的发展提出了挑战,爬壁机器人的发展趋势归结起来主要有以下几方面。 (1)新型吸附技术的发展。吸附技术决定了机器人的应用范围，目前应用比较成熟的吸附技术主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很大的局限性,在很多情况下难以满足实际应用的要求。因此,开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向，其中，仿壁虎脚掌仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展趋势。 (2)爬壁机器人的任务由单一化向多功能化方向发展。过去所研制的爬壁机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业,作业任务往往只局限于单一的任务。而目前人们则希望爬壁机器人能够装备多种工具,在不同的场合进行工作，实现一机多用的功能。这样可以减小人类使用机器人的成本，有利于爬壁机器人的发展。 (3)小型化、微型化是当前爬壁机器人发展的趋势。在满足功能要求的前提下,体积小、质量轻的机器人可较小能耗,具有较高灵活性,可以承载更多的负荷，有利于实现爬壁机器人的多功能性，并且在某些特殊场合也需要机器人具有小的体积。各种微型驱动元件、控制元件及能源供应方式的发展,以及在纳米材料方面取得的进步，为小型化、微型化奠定了基础。 (4)由带缆作业向无缆化方向发展。带缆作业极大地限制了机器人的作业空间,所以,为了提高机器人的灵活性和扩大工作空间,无缆化成为现在和未来爬壁机器人的发展趋势。 (5)由简单远距离遥控向智能化方向发展。与人工智能相结合,使机器人在封闭环境中能够具有一定的自主决策能力,完成任务,并具有自我保护能力,是移动机器人发展的重要方向,也是爬壁移动机器人的重要发展方向。 (6)可重构是机器人适应能力的一项重要指标。为了使机器人能够应用于不同场合,根据任务需求,在不需要重新设计系统条件下,充分利用已有的机器人系统,应使机器人具有可重构性,即具有模块化结构。根据任务需求,可以把需要的模块直接连接起来组成新的机器人。此可以大大降低机器人的制造成本14。具体到机器人结构设计上，由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处(如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等)，因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。(1)吸附方式吸附技术一直是爬壁机器人发展的一个瓶颈,它决定了机器人的应用范围。目前,吸附方式主要有真空负压吸附、磁吸附、螺旋桨推力及粘结剂等几种方式。由于目前应用比较成熟的吸附技术都有很大的局限性,在很多情况下难以满足实际应用的要求。因此,开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向。近年来,人们通过研究壁虎等爬行动物脚掌的吸附机理,制作出高分子合成的粘性材料,这些材料利用分子与分子之间的范德华力,在很小的接触面积上就可获得巨大的吸附力,而且具有吸附力与表面材料特性无关的优点。模仿壁虎等动物脚掌的仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展的热点。(2)移动方式在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。 (3)能源供应及驱动方式传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用化的要求，为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密度的新型电机。微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件，研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的，而且要求微特电机技术的发展，满足机器人智能化、可靠、灵活、长寿命的需要。因此爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为朝高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。综上所述，目前国内外对于爬壁机器人的研究正处于飞速发展水平，因其可在垂直陡壁或高空极限空间代替人进行危险作业，已被广泛地应用于清洗、消防、检测等多个行业。但爬壁机器人在吸附能力和运动灵活性上还存在一些问题。在实际的工程应用中，一般要求爬壁机器人携带一定重量的负载，这就要求它具备可靠、稳定而又足够大的吸附力。但这一要求得到满足的同时，其运动速度、越障能力、转向灵活性、壁面适应能力等必然会受到不同程度的限制。因此，为解决这一矛盾，需要寻找一种可以方便地控制其吸附力大小的吸附方式以及设计灵活轻便的移动机构。这是爬壁机器人在相当长一段时间所要面对的问题之一15。1.2.4爬壁机器人面临难题（1）吸附及密封技术：面对凹凸不平复杂的壁面完成探伤任务，要求吸附机构必须要产生一定的吸附力，使机器人能携带检测装置安全可靠地吸附在壁上。（2）移动技术：移动机构要体积小，重量轻，转动灵活、移动速度快等，使机器人可以在壁面上移动，并可灵活自如地调节移动的速度和方向，具有较强的越障能力（例如：（壁上的凹坑、裂纹、腐蚀等）（3）控制技术：必须保证信号通讯的实时性，可靠性。控制机器人的整体工作，进行检测、故障诊断和综合分析，实现机器人各个部分装置的协调配合17。1.3研究内容本课题名为磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计，其研究目标是对核电筒体壁面上的探伤作业提供可以代替人工进行作业的专用探伤机构，为了安全有效地工作，该探伤机构要保证爬行可靠、移动灵活、定位准确。在此基础上，要尽可能使其本体质量轻、体积小、操作方便。本课题将对机器人的吸附方式、移动方式、转向调节方式、驱动方式、传动机构以及执行机构进行研究。先后完成资料查阅、方案确定、零部件选择设计及计算、二维装配图与零件图绘制、编写说明书等工作。基于机器人的工作环境是在核电筒体壁面，对机器人进行了一系列合理的设计。2.总体方案确定2.1方案选择2.1.1吸附方式该探伤仪要想在垂直的壁面上运动，必须保证机构能够稳定吸附在壁面上，防止滑落、跌落、倾倒等不利因素的产生，因此要设计合理而可行的吸附机构。爬壁探伤仪现有的吸附方式主要分为真空吸附、磁吸附和推力吸附。由于筒体表面是导磁性材料，且凹凸不平，为了提高吸附力，选用磁吸附法。磁吸附方式又分为永磁吸附和电磁吸附。而采用磁吸附中的永磁体吸附比较安全可靠，即使突然断电，探伤仪也不会发生坠落现象，而电磁铁要实现吸附功能就要受到电源通断电的限制，另外永磁吸附可产生更强的吸附力。综合各方面因素考虑，选取永磁吸附方式。2.1.2移动方式爬壁探伤仪按移动功能分主要是足脚式、车轮式和履带式和框架式。车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面的适应性强，着地面积大，但结构复杂，不易转弯；足脚式吸附能力强，承载能力大，能跨越一定的障碍，但是移动速度慢，结构复杂，控制难度大；框架式结构简单，越障能力和带载能力均较强，但移动速度慢，有间歇性。车轮式设计简单方便，故采用车轮式。 2.1.3驱动方式常用于探伤仪的驱动方式有液压式驱动、气压式驱动和电动式驱动。相对于电动式驱动气压驱动需要气源，稳定性差，携带负载有限，控制繁琐；液压传动构造复杂，运动速度慢，信号传递困难，并且由于采用磁盘吸附的行走方式，所以采用电机驱动的方式。电机驱动具有很多优点：电机体积小、重量轻，驱动反应快、控制性能好，正反转反应快。用于机器人控制方面的电机主要有步进电机和伺服电机。步进电机是将电磁脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。伺服电机是指在伺服系统中控制机械原件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类。而直流电机体积小、负载能力强、功率大、控制简单、易于调速等，所以选用直流步进电机的驱动方式。2.1.4传动机构由于直流电机的额定转速非常高（1500r/min以上），因此需要减速装置。常用的减速装置有齿轮传动和蜗轮蜗杆传动。为了防止爬壁机器人在竖直筒壁上静止时不会向下滚动，采用蜗轮蜗杆装置，它具有自锁功能，可以保证车轮被制动而不能绕自身轴线作自由转动。传动装置包括电动机、蜗轮蜗杆减速器、联轴器、轴、轴承等。2.1.5执行机构探头的移动通过滚珠丝杠螺母调节方式。图2-1是探头调节方式原理图，其工作原理是压紧力调节电机陈云滚珠丝杠转动，丝杠螺母和紧力传感器以及轴套用螺栓固定在一起，连杆AB的一端和车轮轴铰接在一起，另一端铰接在固定支点A，推杆CD与连杆AB铰接在D点，另一端铰接在轴套上C点,轴套在圆周方向相对固定，因此滚珠丝杆的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆运动。进面推动连杆AB娆支点A转动，使探头达到升降高度的目的。图2-1 探头调节方式原理图2.2移动方式实现探伤车在实现移动的情况下，还要考虑小车的速度调节、转向、后退等动作。本课题选用的是步进电机，步进电机是指在伺服系统中控制机械原件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。步进电机可使控制速度，位置精度比较准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。因此可以通过控制系统控制电机的转速，从而实现探伤车速度的变化。轮式移动机器人的转向方式有很多种，其中差动转向方式是最常用而且安全、可靠的一种方式。其原理是通过对驱动轮转速的控制来实现转向功能，控制简单，位姿准确。要探伤车实现后退功能可设计一个直流电机正反转电路。2.3最终方案确定2.3.1移动机构确定本课题研究的是一个磁吸附式核电筒体自动探伤车机构，基于爬壁机器人可以携带检测装置快速完成立式金属壁面的探伤任务，选择车轮式的结构。车轮式结构分为三轮式、四轮式和六轮式三种情况。根据实际作业的环境要求，爬壁机器人的本体设计要求质量轻、强度大、爬行稳定等特点。因此机器人本体设计选用磁性轮作为爬行机构，采用前两轮单独驱动的轮式结构，前两轮不共轴，后两轮共轴设计。探伤车通过控制系统控制电机转动，通过联轴器带动蜗杆转动，经过蜗轮蜗杆减速后传递到蜗轮轴，再经过联轴器带动后轮轴转动，从而实现后轮转动。探伤车移动机构如图2-2所示。图2-2 探伤车移动机构2.3.2执行机构确定探头部分通过电机带动滚珠丝杠转动，从而实现丝杠螺母的直线运动，推杆一端固定在螺母上，螺母的直线运动使得探头会绕着支点做旋转运动，从而实现了探头位置的变化。执行机构设计如图2-3所示。图2-3 探伤车执行机构 3 探伤车主要部件的设计与校核3.1车轮电机选型小车受力分析：静止时可能出现两种危险情况，一是爬壁机器人在壁面上滑落；二是爬壁机器人在壁面上发生倾覆。爬壁车静态示意图如图3-1：图3-1 爬壁车静态示意图其中：为壁面对车轮的弹力；为车轮收到的吸附力；为车轮所受的摩擦力；为车轮部分所受的重力。小车静止时： Y=0 （3-1）所以要保证小车不向下滑动，需满足其中：为橡胶与钢铁之间的静摩擦系数，取=0.75机器人不颠覆条件：（3-2）其中：S为前轮到后轮的垂直距离，h为车轮中心道壁面距离取两者中较大值，并且去安全系数所以（3-3）因此要保证小车能安全停放在壁面上，需保证每个轮子受到到的吸附力不低于50N。设定机器人的行走速度为0.1m/s，车轮直径d=109mm，因此从车轮出来的转速考虑机器人的总重量m=10kg，由于机器人行走时受到摩擦力作用，在此设定其摩擦系数，则所需力矩: M= （3-4）基于上述计算得出以下两个关键数据：从车轮出来的转速：n=6.4rpm；所需提供的扭矩T=5.6N.m；电机功率计算：首先计算出电机负载功率，（3-5）经初步估计电机经减速箱的减速比不会很大因此将减速箱的传动效率设定为0.8，将中间机械结构的传动效率设定为0.5，因此这个传动结构的机械效率由此根据电机功率传递不变原则，计算出电机功率在此设定电机功率为150w。由于所选电机功率为150w且所选电机为直流有刷伺服电机，暂选定电机的额定电压为24V,基于此两项可选定RE 40系列中订货号为：148867的电机；额定转速为693rpm，根据车轮出来转速可知总传动比电机扭矩校核：考虑传动机构中的传动损耗，应有 M=0.17*0.4*109=7.4Nm （3-6）大于负载扭矩满足要求。综上所述，网上查得选取电机型号为：RE 40系列中订货号为：148867的电机；总减速比为109，功率为150w。这个减速比为减速箱和中间齿轮这两者减速比之积。电机具体参数如下表3-1所示表3-1 RE40电机参数电机参数单位额定电压下数值额定电压v24空载转速rpm7580空载电流mA137额定转速rpm6930额定转矩mNm170额定电流A5.77堵转扭矩mNm2280堵转电流A75.7最大效率%91额定转矩mNm630额定电流A8.37堵转扭矩mNm10600堵转电流A133最大效率%833.2 蜗轮蜗杆计算3.2.1选择材料由于蜗杆传动功率较小，速度较小，故蜗杆用45钢；因需要效率高，耐磨性较高，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。涡轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。由于涡轮尺寸较小，开采用整体浇铸式。3.2.2按齿面接触疲劳强度进行设计根据开式蜗杆传动设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距：（1）确定作用在涡轮上的转矩按估取效率，则 = （3-7）（2）确定载荷系数K 因为工作载荷不稳定，取载荷不均系数；由机械设计（西北工业大学编）表115选取使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数；则：K=（3）确定弹性影响系数由于铸锡磷青铜ZCuSn10P1涡轮与45钢蜗杆相配，取（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值从图1118知 =2.9（5）确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可以从表117中差得涡轮的基本许用应力。应力循环次数（3-8）寿命系数（3-9）则（6）计算中心距（3-10）考虑制作工艺性，将中心距取为40根据表112 中心距为40mm，取m=1，蜗杆分度圆直径。这时，从图1118中可查接触系数；由于，因此以上计算结果可用。3.2.3 蜗杆涡轮的主要参数和几何尺寸（1）蜗杆轴向齿距直径系数齿顶圆直径齿根圆直径分度圆导程角蜗杆轴向齿厚蜗杆齿宽（2）涡轮涡轮齿数；变位系数；验算传动比这时传动比误差为，允许；涡轮分度圆直径涡轮喉圆直径涡轮齿根圆直径涡轮咽喉母圆半径3.2.4 校核齿根弯曲强度（3-11）当量齿数 29.51根据，从图1119中可知齿形系数；螺旋角系数；许用弯曲应力从表118中查得由制造的涡轮的基本许用弯曲应力。寿命系数。弯曲强度是满足的。 3.2.5 验算效率（3-12）已知与相对滑动速度有关。从表1118中用插值法差得、；则与原估计值接近，不用反算。 3.2.6 精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从圆柱蜗杆、涡轮精度中选择8级精度，侧隙种类为，标注为。后由有关手册查得要求的公差项目和粗糙度，此处从略。3.3 轴的设计与校核3.3.1 轴的材料选取选取45钢，调制处理，参数如下:硬度为HBS220抗拉强度极限650MPa屈服强度极限360MPa弯曲疲劳极限270MPa剪切疲劳极限155MPa许用弯应力=60MPa 3.3.2初步估计轴的最小直径轴上的转速功率由以上机械装置的运动和动力参数计算部分可知=47.7；=0.75 取=11输出轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径.为了使所选的轴的直径与联轴器的孔径相适应，故需要同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，查表14-1，考虑到转矩变化小，故取则=1906800按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件。查机械设计手册（软件版）R2.0，选HL5型弹性套柱销连轴器，半联轴器孔的直径，长度L100mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度。故取18mm3.3.3根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（1）选取d=20mm, 。因I-II轴右端需要制出一个定位轴肩，故取（2）初选滚动轴承。因轴承只受径向力的作用，故选用深沟球轴承，参照工作要求，由轴知其工作要求并根据25mm，选取单列圆锥滚子轴承33015型,由机械设计手册(软件版)R2.0查得轴承参数：轴承直径：d10mm 轴承宽度：B10mm，D=18mm 所以（3）右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。取33215型轴承的定位轴肩高度h=3mm,因此，取 3.3.4计算过程图3-2 轴的计算简图1）根据轴上的结构图作出轴的计算简图。确定轴承的支点位置大致在轴承宽度中间。故因此作为简支梁的支点跨距计算支反力: 作用在轴上的 =5120N （3-13）=1263.8N水平面方向 MB0故 =0 垂直面方向 MB0，故F02)计算弯距水平面弯距 =185295垂直面弯矩合成弯矩=197190=197190根据轴的计算简图做出轴的弯距图和扭距图。可看出c截面为最危险截面，现将计算出的截面C处的及M的值列于下表3：表3-2 轴截面参数载荷水平面H垂直面V支反力弯距M总弯距扭距TT1307.2 Nm3.3.5按弯扭合成应力校核轴的硬度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯距和扭距的截面（即危险截面C）的强度。根据课本式155及上表中的值，并扭转切应力为脉动循环变应力，取0.6，轴的计算应力 MPa13.166 MPa （3-14）已由前面查得许用弯应力1=60MPa因S1.6（因计算精度较低，材料不够均匀，故选取s1.6）故该轴在截面右侧的强度也是足够的。因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。 3.4 轴承使用寿命的计算轴承为6008深沟球轴承,查手册得C=17KN 轴承工作时间为：h28836546720h （1）求两轴承的径向载荷和（2）由于低速级为圆柱直齿轮传动，故轴承不受轴向力（3）求当量动载荷P5和P6 取载荷系数fp=1.2，则轴承当量动载荷为：由于P6P5,则取P6计算：（3-15）所以低速轴轴承选择满足寿命要求。3.5滚珠丝杠副3.5.1 进给滚珠丝杠副的轴向刚度进给滚珠丝杠副轴向刚度表示滚珠丝杠副及其支承部件抵抗其轴向弹性变形的能力。用弹簧常数表示，按下式计算 =F/1 （3-15）式中进给滚珠丝杠副传动系统轴向刚度，400N/mF施加于进给丝杠的轴向负载，8.93N1进给滚珠丝杠副轴向弹性位移，1.82m丝杠轴向刚度，61.35N/m螺母组件轴向刚度，320N/m支承轴承轴向刚度，43.26N/m螺母支架及轴承支架轴向刚度，298.6N/m（1）丝杠轴向刚度计算丝杠的轴向刚度因安装方式不同而不同。双推支承安装丝杠的轴向刚度采用双推支承方式安装丝杠时，丝杠的轴向刚度随载荷作用点至双推支承真个间隔变化而改变。其最小刚度按下式计算式中A丝杠的断面积，60mm2 （d为螺纹小径，10mm）E丝杠材料的弹性模量，对于钢材E=2.07105MPaLa载荷作用点距双推支承的最大间隔，

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