毕业设计（论文）-油罐检测爬壁机器人结构设计（全套图纸）

油罐检测爬壁机器人结构设计摘要：弧面机器人是移动机器人领域的一个重要分支,它是地面移动机器人结合吸附技术。它可以连接到垂直墙爬行,和携带工具来完成特定的任务大大扩大了机器人的应用范围。全套图纸加153893706本文检测大型油罐的墙上攀爬机器人结构设计。机器人能爬在水箱表面灵活,并携带油箱超声波探头的超声波探伤。文章首先总结了国内外现有的弧面机器人在一些攀爬机构画出设计的文献,然后选择最好的解决方案进行比较。计划制定后,电机、传输和安装、定位和其他设计计算。主要做以下工作:首先,概述弧面机器人及其相关领域的现状和未来的发展方向。弧面机器人的总体结构设计,选择和分析墙上攀爬机器人的吸附方式,并阐述了每个磁路着重好的和坏点。确定最后爬墙爬壁机器人的吸附方式为非接触式永磁吸附方式,和弧面机器人的稳定性和磁性吸附吸引力关系做出了相应的分析。其次,通过分析弧面机器人的运动模式是决定使用履带驱动模式的方式运动。通过对电机的驱动能力、机械师、运动学,建立机器人的动力学和运动学模式。完成后考虑,整体弧面机器人身体的机械结构设计。关键词:弧面机器人;磁吸附;Tank test structure design of robotAbstract：Wall-climbing robot is an important branch of the mobile robot field as it is the terrestrial mobile robotics combine with adsorption technology. It can be attached to the vertical wall crawling, and to carry tools to complete certain tasks in the greatly expanded scope of application of robots.This paper focuses on thedetectionof large oil tankwallclimbing robotstructure design.The robot cancrawlin the tanksurfaceflexible,and carrying theultrasonic probein ultrasonic flaw detectionoftank. Articles start with the existing wall-climbing robot at home and abroad are summarized in the literature of several climb institutions draw the design, then select the best solution by comparing. Program laid down after the motor, transmission and installation, positioning and other design calculations. Mainly do the following works：First, the overview of the relevant areas of wall-climbing robot and its present situation and future development direction. Designed the wall-climbing robots overall construction, chose and analyzed the wall climbing robots adsorption way, and elaborated each magnetic circuit good and bad points emphatically. Determined finally crawls the wall- climbing robots adsorption way for the non-contact permanent magnetism adsorption way, and the wall-climbing robots stability and magnetism adsorptive attraction relations has made the corresponding analysis.Secondly, through the analysis the movement of the wall-climbing robot mode it is decided to use caterpillar drive mode as the way of movement. By analysising of the motor drive capability, mechanic, kinematic , the establishment of the robot dynamics and kinematics mode. After the completion of consideration , the overall designed on the wall-climbing robot bodys mechanical structure.Keywords: Wall-climbing robot；Magnetic adsorption；目 录摘要Abstract目录1 引言11.1 本课题研究的目的和意义12 爬壁机器人总体方案22.1 总体设计要求22.1.1 总体方案性能分析22.2 吸附机构的设计32.2.1 吸附方式的选择42.2.2 吸附单元的设计42.3 移动机构的设计82.3.1 移动方式的选择82.4 驱动电机的驱动力92.5 抗倾覆机构的设计123 爬壁机器人机械结构设计143.1 爬壁机器人总体机械结构143.2 车体框架设计144 爬壁机器人运动模型分析164.1 爬壁机器人静力学分析164.2 爬壁机器人运动学分析175 结论20参考文献21致谢231 引言在核工业、石化工业中，工人经常需要面对恶劣危险的作业环境；在消防部门、造船业、高楼清洗中，工人经常处在高空中；在深海作业、抢修救灾中，工人的工作环境更是危险。随着人类的自我保护意识的逐步增强，为了减小或者避免工作环境中的危险，人们迫切需要有一种能替代人类的高空作业工具，从危险的工作环境中解放出来。目前，国内外己经有相当数量的爬壁机器人投入使用，主要应用于以下几个方面: 1)核工业:对核废液储罐进行检查、测厚及焊缝探伤等。 2)石化企业:对圆柱形罐体或球形罐体的内外表面进行检测、去锈或喷漆等。 3)建筑行业;壁面清洗、擦玻璃、喷涂墙面、安装瓷砖等。 4)消防部门:用于传递救援物质，协助救援工作等。 5)造船行业:用于清洗船体表面、喷涂船体或轮船内壁等。6)电力行业:对发电站锅炉水冷壁管壁厚度进行测量。1.1本课题研究的目的和意义 油罐是石化企业中最常见的储存设备，由于压力的作用以及雨水和油品的侵蚀，罐壁可能产生凹坑、裂纹、内部孔洞等缺陷，这些缺陷不仅会造成油品泄漏，甚至可能引起火灾，因此必须定期进行检测【8】。目前，对油罐的检测均由人工实现，需搭建脚手架，效率很低且危险性高【8】。所以我们需要研究一种能够代替人来实现油罐壁面检测的机器人- 爬壁机器人.它是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，是高空极限作业的一种自动机械装置，它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。2 爬壁机器人总体方案2.1 总体设计要求本课题主要针对油罐检测爬壁机器人进行结构设计。该机器人能在油罐表面灵活爬行，并携带超声探头对油罐进行超声探伤。因此该机器人能够在钢制壁面爬行、能够携带检测探头到达壁面任何位置，且机器人必须具备在钢质壁面可靠吸附的能力、有一定的运动精度和稳定性。所以必须具备稳定的移动能力和抗倾覆能力。下面将基于大型油罐检测的实际特点对上述各项功能选择最优的解决方案。2.1.1总体方案性能分析（1）有效负载 爬壁机器人携带超声波探头在垂直壁面上运动，需克服自身重力。同时控制信号采用电缆线传输，大约需要长50m，重约6Kg的电缆线，再加上电缆线及超声波探头的重量。根据任务书要求，机器人的最大有效负载为20kg电机驱动力不小于340N。（2）结构尺寸爬壁机器人自身的尺寸决定了其运动的灵活性，为了使机器人能够转向灵活、不易倾覆，就要合理缩小机器人的大小和重量。并且机器人的高度直接影响其倾覆能力，所以也应尽量减小其高度。根据实际测量的数据显示，油罐口孔的直径约为600mm，因此机器人本体的三个投影面中至少有一个面的对角线要小于600mm 。但由于永磁体的吸附面积受到机器人底面长和宽的限制，需要留有永磁吸附单元的空间，尺寸又不能太小。综合考虑将机器人设计成645mm350mm190mm的尺寸。（3）爬行速度爬行速度主要是根据高效性、准确性和安全性确定。速度过快会引起机器人的倾覆，使定位的精度降低；速度过慢又会降低检测的效率。根据任务书将爬行速度设定为为:02m/min。（4）运动精度爬壁机器人能够灵活准确运动，是准确检测油罐的基础和前提。由于油罐壁面是凹凸不平的，机器人在油罐壁面爬行过程中行进路线略微偏离了油罐母线，且油罐高度很大，机器人爬行一段距离后误差会被放大，从而可能造成漏检或者重复检测，这些都会造成爬壁机器人在检测运动不精确。所以要在机器人的本体上安装倾角传感器。倾角传感器根据角度偏差来调整爬壁机器人的运行姿态。（5）越障能力油罐的焊接有对焊和叠焊两种形式，因此机器人要安全越过焊接处，就必须能够跨越510mm的凸起。（6）设计性能指标根据上面的分析，得到如下的性能指标：最大尺寸：645mm350mm190mm机器人自重：24kg负载能力：20kg移动速度：02m/min越障能力：510mm2.2吸附机构的设计目前爬壁机器人的吸附方式可以分为：真空吸附、磁力吸附和气流负压吸附，吸附方式的种类的优缺点见下表2.2。 表2.2 三种吸附方式的比较吸附方式优点缺点真空吸附单吸盘结构简单、体积小、易于控制、不受壁面材料限制越障能力低、对于复杂壁面环境不适应、断电和超过泄漏量将丧失吸附能力多吸盘密封性好、吸附力稳定、越障能力好、壁面过渡能力强结构复杂、控制难度大、断电和超过泄漏量将丧失吸附能力磁力吸附永磁式维持吸附力、不受断电的影响、安全可靠、吸附力稳定、壁面适应性强只适合导磁材料、控制较为麻烦、运行时磁体与壁面脱离较困难电磁式磁体与壁面的脱离容易、吸附力实时可调、壁面适应性强需要消耗电能、受断电影响、电磁体重量大、不适合易燃易爆场所气流负压吸附无泄漏问题、壁面适应性强、吸附不稳定、运动精度有限、体积大、效率低2.2.1吸附方式的选择考虑到油罐壁上凹凸不平且有铁锈或其它杂质，所由上表可以看出，真空吸附方式容易使吸盘漏气导致爬壁机器人滑落，因此不适合选择；爬壁机器人需要携带很多设备，这就要求机器人的运动能够灵活、安全稳定、爬行速度快，而气流负压吸附方式吸附不稳定、运动精度有限、体积大、效率低，因而也不适合使用；油罐是钢结构组成，是导磁材料，适合磁力吸附方式，但考虑到油罐内装有易燃易爆物质，所以不适合选择电磁式吸附；而永磁式吸附结构简单、吸附力大，对壁面的凸凹适应性强，无漏气问题，很适合设计的要求。2.2.2吸附单元的设计永磁吸附单元的设计的原则是选择最优的材料和最合理的磁路结构，在提供稳定吸附力的同时减小爬壁机器人质量，并提高其运动和负载能力。综合考虑磁体的性能指标，确定吸附单元的永磁材料为钕铁硼N35。其性能参数见表2.2.2。 表2.2.2 钕铁硼N35的性能参数剩磁/Br(T)磁感矫顽力/HCB(kA/m)内禀矫顽力/HCJ (kA/m)最大磁能积/(BH)max(kJ/m3)Br的温度系数(%/)密度(/ m3）最高工作温度（）回复磁导率/1.171.23851955955264288-0.127.3103801.01.10图2.2.3三种磁路结构简图永磁体的磁路结构形式主要有图2.2.3所示的三种结构类型。(a)开路结构，漏磁严重，磁力损失较大。(b)两块轭铁内夹永磁体结构，气隙较小时，产生吸附力的较大，但随着气隙的增大，其吸附力会迅速减小。 (c)N、S磁铁附着轭铁结构，漏磁小。磁块越靠近吸附体，产生的吸附力越大，工作气隙范围较大。根据以上性质，结合结构简单、安装方便、使用便捷和可靠性，将采用图2.2.4结构。图2.2.4磁路结构简图单个永磁体的尺寸为60mm25mm5mm，其使用面积为1500mm2，两块磁铁间的隔磁材料选择厚度为5mm的铜板，则永磁体气隙的能量为：式中：永磁体气隙能量，J；永磁体气隙磁通密度，T；永磁体气隙截面积，m2；永磁体气隙长度，m；真空绝对磁导率，。永磁体的磁吸附力满足下式： (2.2)根据磁通量守恒原理，工作气隙的磁通量与有用磁通量应保持相等，即： (2.3)式中：永磁体的截面积，m2。工作气隙磁势与永磁体中的磁势与关系式为： (2.4)式中：永磁体的长度，m；永磁体气隙的磁场强度，A/m；磁阻系数，=1.1 1.5。永磁体气隙的磁场强度与磁通密度的关系式为： (2.5)式中：永磁体气隙的相对磁导率。因为空气磁导率: =1，所以： (2.6)永磁体有用磁通密度为： (2.7)式中：永磁体有用磁通密度，T；永磁体工作点的磁通密度，T；永磁体漏磁通密度，T；永磁体最大磁能点对应的磁通密度，T；永磁体最大磁能点对应的磁场强度，A/m；永磁体工作点的磁场强度，A/m；回复磁导率。由式(2.2)(2.7)得永磁体吸附力为：图 2.2.5 工作气隙变化对磁力影响关系图由式(2.8)可以得出如图2.2.5所示的磁力与气隙之间的关系。爬壁机器人满足设计要求并提供有效吸附力的磁块与壁面气隙在04mm之间。从图中可以看出永磁体吸附力的大小与气隙成平方关系衰减。工作气隙过大则吸附力不足将导致爬壁机器人脱落，工作气隙过小会影响机器人的运动灵活性。所以为了保证爬壁机器人作业时的安全性和灵活性，将在永磁体下方安装2mm厚的胶垫。2.3移动机构的设计2.3.1移动方式的选择爬壁机器人的移动方式主要分为：轮式、履带式和多足式。三种移动方式比较见表2.3.1。图2.3.1三种移动方式比较移动方式轮式履带多足式概要一般由电机以绞合方式驱动或每个轮都单独配置一个电机驱动由电机驱动履带实现爬壁机器人的移动用电机实现足部吸附力的变化，完成足部的脱离运动，实现移动特点运动速度快，转向灵活、与壁面摩擦力较小、负载能力小、越障能力较差运动安全平稳、负载能力强、对壁面适应能力强运动速度慢、运动平稳性差、越障能力强、在垂直壁面容易脱落、负载能力差爬壁机器人检测金属罐容积时需要快速且平稳的运动。多足式移动速度慢，运动平稳性差，在永磁吸附方式下腿部与壁面脱离需要很大的力，控制难度大，使其在设计上很难实现；轮式的负载能力小、越障能力差，且运行不够平稳。它主要应用于携带小型的检测设备而不适合携带功能更多的大型检测设备；履带式运动平稳、越障能力强、负载能力大。因此确定以履带的方式为爬壁机器人的移动方式。2.4驱动电机的驱动力考虑到爬壁机器人的稳定性和灵活性，选择了直流电机作为驱动电机，并配以减速器辅助其完成工作。第一，与步进电机相比直流电机的负载能力强、功率大、易于调速、便于频繁启动与制动；第二，使用的是直流电源，可以达到石油石化企业金属罐区安全作业环境要求。第三，采用直流电机有利于减小爬壁机器人的体积，提供足够的驱动力便于运动控制；但是直流电机的额定转速一般在40006000r/min之间，输出扭矩非常低。为了达到爬壁机器人需要的低转速和高转矩的要求，就需要安装减速装置。减速器能有效的降低转速并相应地增大电机的转矩。电机的理想转速为4500rpm左右，而爬壁机器人要求的电机输出转速大约为10rpm左右，故可以通过减速比公式求出所需减速箱的减速比： (2.9)而，故选择减速比为400:1。(2)电机功率的选择图 2.4.1爬壁机器人驱动力图如图2.4.1所示，假设爬壁机器人的上链轮运动状况相同，设机器人的爬行速度为，加速度为，轮子的角加速度为，则： (2.10) (2.11)式中：爬壁机器人的速度，m/s； 第i个轮子半径，s； 第i个轮子的角速度，rad/s。根据图2.4.1可知在和轴分别满足下列等式： (2.12) (2.13)式中：第i个轮子所受的电机驱动力矩，N/m；第i个轮子所受的正压力，N；第i个轮子的重力，N；第i个轮子所受的支持力，N；第i个轮子所受的摩擦阻力转矩，N/m；第i个轮子所受的驱动轴作用力，N；第i个轮子所受的摩擦阻力，N；转动惯量，Kg*m2。两式整理得： (2.14)因为假设所有轮子的运动状态相同，所以在其运动方向上有： (2.15)式中：爬壁机器人本体质量，Kg。将(2.14)与(2.15)整理得： (2.16)简化得： (2.17)式中：爬壁机器人总质量，Kg。根据公式： (2.18)=0.4249.8+249.8=329.28N式中：当量摩擦系数，=0.4。所以运用公式： (2.19)式中：余度系数，K=2；机械效率，=60%；车轮半径，=84mm。 (2.20) =26.13W最后采用2个30W的直流电机来为爬壁机器人提供动力。(3)驱动力能力的计算爬壁机器人总转动力矩为： (2.21)爬壁机器人理想牵引力为： (2.22)当爬壁机器人的驱动电机额定功率确定为30W，传动比为，时，则其驱动力矩为：N/m (2.23)爬壁机器人驱动轮半径，则爬壁机器人的牵引力为：N (2.24)则总牵引力为： N (2.25)从上面的计算可以发现，2个电机可提供的牵引力为364N，大于爬壁机器人要求的340的驱动力，考虑到压力和摩擦系数不断变化以及油罐壁面的不稳定因素对爬壁机器人的影响，所以为驱动力留有充分的余量。2.5抗倾覆机构的设计只要磁吸附单元的吸附力足够大，就可以保证爬壁机器人在平直壁面上的可靠吸附和稳定运动，但是实际的压力容器壁面并非是平直的，焊缝不规则凸起等都有可能造成机器人倾覆。磁块首先与突起接触并被迫后仰一个角度；向上爬行时，仅靠磁块的磁力己无法提供足够的吸附力将机器人拉回正常姿态，因而重心后仰，产生重力矩，机器人在重力矩的作用下进一步后仰；机器人继续爬行，后仰逐渐加剧，从而导致倾覆。这种现象称为渐变倾覆。图2.5.1爬行时渐变倾覆模型为了解决渐变倾覆的问题，可在出现渐变倾覆趋势时为机器人提供一个额外的抗倾覆力矩来抵消重力矩的作用。基于这个想法，所以设计了抗倾覆机构。如图2.5.1所示，在爬行过程中，当壁面为竖直或者越过焊缝时会后仰有剥离壁面的危险，履带张力变小，压紧装置弹簧回复，提供接壁面一个垂直压力，可以压紧履带，保证履带上的永磁体与壁面完整接触，以避免本体倾覆，从而起到提高机器人稳定性的作用。图2.5.2爬壁机器人抗倾覆机构3 爬壁机器人机械结构设计3.1爬壁机器人总体机械结构机械结构是爬壁机器人最重要的部分，机器人的所有检测功能都是由具体的机械结构相互配合所实现的。本设计最终确定的爬壁机器人整体机械结构如图3.1.1所示。图3.1.1爬壁机器人的整体机械结构3.2车体框架设计为了减轻爬壁机器人的自身重量，在设计爬壁机器人本体时要考虑所选取的机械材料的自身重量与强度。经过多方对比，选取了铝镁合金板作为本体框架的基础材料。这种材料相对其它金属材料而言密度较小，单位体积重量较轻，能够使机器人本体承受住较大的压力。铝镁合金板不仅大大减轻了本体的车身的质量又保证了其强度，同时也考虑到车身内可安装多种设备，当载重量大、车