压力容器检测用爬壁机器人的设计毕业设计开题报告1

山山 东东 科科 技技 大大 学学 本科毕业设计（论文）开题报告本科毕业设计（论文）开题报告 题 目 压力容器检测用爬壁机器人的设计 学 院 名称机械电子工程学院 专 业 班 级过程装备与控制工程 08-班 学 生 姓 名梁冬玲 学号200901041908 指 导 教 师王吉岱、孙爱芹、王智伟 填表时间：年月日 填表说明 1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之 一。 2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指 导教师签署意见、相关系主任审查后生效。 3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用 A4 纸打印。 4.参考文献不少于 8 篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于 2 篇） 。 5.开题报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。 设计（论文） 题目 压力容器检测用爬壁机器人的设计 设计（论文） 类型（划“”） 工程设计应用研究开发研究基础研究其它 一、本课题的研究目的和意义 机器人是自动执行工作的机器装置，它能替代人工完成许多工作为人类带来 许多方便。随着机器人技术的不断革新，其功能越来越智能化和多样化，因此在 各个领域中应用越来越广泛。爬壁机器人是机器人领域的一个重要分支，它结合 了地面的移动技术以及吸附技术，可以攀爬到高空并吸附在建筑物或者其他物体 上，替代人工在高空完成相应的作业，比如高楼的清洗，擦玻璃，墙壁喷涂，设 备检测等等。爬壁机器人替代人工的作业后，其可以大大降低操作的危险性，提 高检测效率，并完成一些人工难以完成的工作。近年来，爬壁机器人在高强度， 高危险等环境中的应用越来越广泛，它的研究有着极其重要的应用背景。因此， 它受到各国学者的广泛关注和重视，研制出了结构和功能各异的机器人，其发展 非常迅速。目前，爬壁机器人已经被应用于很多行业，比如石油化工业、核工业、 造船业、建筑消防等行业。 本课题所研究的爬壁机器人用于化工行业的设备检测。在化工行业，有各种 各样的容器、塔、管道等设备，这些容器和设备在服役过程中需要定期的安全检 测。传统的检测方法是，暂停设备的作业，靠人工去检测。而由于这些设备在工 作中大都是连续性生产、并且会产生有毒有害气体，容器容积空间也各不相同等， 给人检测带来很多危险和困难，甚至导致有些检测难以进行。而同时人工检测的 效率低，并且暂停某些设备会影响整个生产链的暂停，给企业造成一定经济损失， 有时候造成的损失相当大。因此，设计一种爬壁机器人代替人工进行安全检测非 常必要。 二、本课题的主要研究内容（提纲） 本课题研究内容是针对化工容器和设备检测的爬壁机器人的，主要内容包括机器 人本体研究和设计，机器人行走机构研究和设计，机器人吸附结构的研究和设计。 （1）本体研究和设计主要包括结构，尺寸，重量等。由于有些化工容器和设 备内径较小，所以机器人本体应尽量小，以适应检测需要。结构应相对紧凑，分 布合理，使机器人爬行过程中稳定性良好。重量应尽量较轻，可减小爬行时的倾 覆力矩，减小对吸附力的要求。 （2）行走机构要灵活，能实现对不同的爬行速度的需要，因为爬壁过程中受 重力的特殊情况，要求行走机构具有非常好的稳定性，防止机器人掉落。 （3）吸附结构是爬壁机器人组要解决的关键技术问题之一。由于机器人所爬 壁面可能有障碍，并且有弧形等各种壁面，所以吸附机构应考虑综合因素，使其 使用更多的作业需要。 三、文献综述（国内外研究情况及其发展） （一）、国外发展现状 机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门高新技术， 它综合了机械与精 密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等 多学科的最新研究成果，是典型的机电一体化技术载体，是目前最活跃的研究领 域之一6。爬壁机器人是机器人研究的一个分支，它一种集机构学、传感技术、 控制和信息技术等为一体的高技术产品。在过去的几十年里，爬壁机器人技术在 世界范围内得到迅速发展，也相继研制出了不同种类的样机，有些已经投入实用。 在这一领域，日本取得的成绩突出，美国、英国、法国、意大利、西班牙、澳大 利亚、韩国等国也在不断深入研究。 早在 1966 年，在本大阪府立大学工学部任讲师的西亮，就利用电风扇进气 侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机， 这被看作是爬壁机器人研究的开端2.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 9 m/min， 适用于各种形状的壁面， 且不损坏壁面的油漆1。1977 年，Frank 和 Mc Ghee 完成了世界上第一台多足机 器人,Mc Ghee 的机器人关节由逻辑电路组成的状态机控制，它开启了计算机控制 机器人步态的大门5。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1。日本光荣公 司研制了一种多吸盘爬壁机器人,该机器人装有两组真空吸盘,机器人本体上自带 两个真空泵、 电池、 控制系统和无线通讯系统。 机器人一次充电可以工作约 30 min, 工作范围为距遥控天线 10 m 以内,最大行走速度为 30 cm /min,用于高大建筑物墙 壁的检测工作9。日本宫崎大学的 Ni shi 教授研制出一种具有两个旋转叶片的飞 行机器人，利用两个旋转叶片产生的指向壁面的推力,使机器人与壁面间产生足够 的摩擦力,而使机器人能够附着在壁面上。机器人装有两个 56cc 的内燃机,速度为 0.5 m /s,质量为 20 kg,可用于火灾抢险等危险作业2。 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8。 美国西雅图的 Henry R Seem ann 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/AutoCrawler0。其两条履带上各装有数个小吸附室,随着履带的 移动,吸附室连续地形成真空腔而使得履带贴紧壁面行走。美国密歇根州立大学还 研制了两种双足结构的小型爬壁机器人,其采用真空吸附方式。机器人由一个移动 关节和 4 个转动关节组成运动机构,共 5 个运动关节。 采用模糊控制方式,机器人外 形尺寸为高 80 mm、宽 50 mm,质量为 450 g。机器人的步态规划采用了一种有限 状态机制来描述机器人的运动状态,并以此为基础建立了机器人的步态规划规则。 两个机人样机均采用欠驱动机构,减小了机器人的质量和能耗。机器人可以在墙 壁、天花板上爬行,以及在两个表面之间过渡爬行,也可爬越管道一类的障碍物1。 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,如图 3 所示。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。可根据任务需要来安装不同数量的腿,可重构能力强。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,包括上、下两个杆 和 3 个双作用气缸,具有 3 个自由度。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。 除腿端部各有一真空吸盘外,机器人腹部设有吸盘,使机器 人具有较大的负载质量比,可达 2:12。 此后的几十年里，爬壁机器人技术在世界范围内得到了迅速发展，相继研制出 了不同种类的样机，很多已经投入实用。 二国内发展现状 自 1988 年以来,在国家/8630 高技术计划的支持下,哈尔滨工业大学机器人研 究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附两个系列的 5 种型号壁面爬行机器 人。我国研制成功的第一台壁面爬行遥控检测机器人,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。 1994 年研制了用于高楼壁面清洗作业的 爬壁机器人 CLR-,其采用全方位移动机构,机器人在原地就可以任意改变运动方 向，之后开发的 CLR-,采用两轮独立驱动方式同轴双轮差速机构,通过对两轮速 度的协调控制实现机器人的全方位移动,机器人本体和地面控制站之间采用电力 线载波通讯方式。 上述 3 款爬壁机器人均采用单吸盘结构,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 年研制成功了金属管防腐用磁吸 附爬壁机器人,该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。1997 年研制出了水冷壁清洗、检测爬壁机器人,呈圆 弧形永磁吸附块与罐壁圆弧相吻合,提高了吸附力,也提高了作业的效率。 上海大学 也较早开展高楼壁面清洗作业机器人的研究,先后研制出垂直壁面爬壁机器人和 球形壁面爬壁机器人。该机器人用于球形壁面爬壁，采用多吸盘、负压吸附、6 足独立驱动腿足行走方式,可用于不同曲率半径的球形外壁面。1996 年以来,北京 航空航天大学先后研制成功WASH-MAN,CLEANBOT , SKYCLEAN,“吊篮式擦窗 机器人”和“蓝天洁宝”等幕墙清洗机器人样机7。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;之后我国还研制出了以国家 大剧院椭球形顶棚清洗为应用背景的适用于复杂曲面的自攀爬式机器人样机,由 攀爬机构、移动机构、清洗机构和俯仰调节机构组成。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,该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。 三壁面爬行机器人的发展趋势 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。 (1)新型吸附技术的发展。 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。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。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)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。比如机器人能 够在空间飞行器上进行安装及外部维护作业等。 (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,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,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。由于爬壁机器人的作业空间一般都较大, 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,把需要的模块直接连接 起来组成新的机器人。 四、拟解决的关键问题 本课题解决的关键问题有两方面。首先，需要设计一种重量和尺寸合理的本 体；其次，行走机构和吸附机构要配合良好，在行走时仍然需要一部分机构处于 吸附状态，并且吸附力足够大，以提供足够的支撑力保持机器人稳定，同时克服 倾覆力矩。 五、研究思路和方法 1提出方案：首先通过对文献资料的研究，了解爬壁机器人的研究以及应用 背景，了解国内外的发展历程及研究现状。其次，查阅相关资料，如机械设计等， 通过网络途径搜集相关视频等资料进行学习准备。最后，提出若干种预选方案， 进行分析完善，比较各方案的优缺点，确定一种最优最合理的方案， 2进行设计：首先根据方案画出示意图，接着进行细化和完善，如机构的链 接方式的确定等。然后根据实际应用条件进行定量分析计算，如机器人的整体尺 寸确定，根据实际应用条件整体尺寸为 350mmmm 左右，进行零件尺寸确定， 受力分析计算，步态规划。最后根据计算数据画二维图。 3完善设计：对设计中存在的问题进行修改和完善。 4论文写作：根据设计进行论文写作。 六、本课题的进度安排 第 0304 周：毕业实习，完成实习报告； 第 0506 周：查阅文献，撰写开题报告，完成毕业设计开题； 第 0708 周：根据设计要求提出设计方案。 第 0910 周：细化和完善设计方案。 第 1114 周：进行定量分析和计算，画设计图，包括三维图和二维图。 第 1516 周：撰写毕业论文并修改；制作幻灯片，准备答辩。 七、参考文献 1肖立，佟仕忠，丁启敏，吴俊生爬壁机器人的现状与发展自动化博， 200528：8184 2付宜利，李志海爬壁机器人的研究进展机械设计,2008.25(4)：14 3钱晋武，龚振邦，张启先六足爬壁机器人过渡行走运动规划上海大学 学报，1996-06-302(3)：328334 4吕鑫，王从庆一种爬壁机器人的吸附机构分析和设计液压与气动， 2012-09-159：4649 5王鹏飞四足机器人稳定行走规划及控制技术研究哈尔滨工业大学工学 博士学位论文，2007-12-01 6余联庆仿马四足机器人机构分析与步态研究华中科技大学博士学位论 文，2007-09-01 7谈士力，沈林勇，陈振华垂直壁面行走