4-2-机电毕业设计(论文)参考模板.doc

山东科技大学学士学位论文摘 要本毕业设计的课题来源于“2006年大学生过程装备实践与创新大赛”的参赛参考题目，主要任务是设计在役钢制压力容器外壁面检测用爬壁机器人的本体结构及其控制系统。本文在详述国内外爬壁机器人研究现状的基础上，对履带式爬壁机器人的本体结构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算。重点是爬壁机器人的移动机构、吸附机构和驱动系统的设计及校核。本文设计的压力容器检测爬壁机器人采用履带式移动机构，双履带构成爬壁机器人的基本框架；采用永磁吸附方式，将永磁片贴在履带的外表面，可提供足够大的吸附力，结构简单；采用前轮驱动，两个驱动轮分别由电机驱动，当两电动机转速一致时，机器人沿直线行走，当两电动机差速时，可实现爬壁机器人整体转弯。本文对爬壁机器人的吸附机构，移动机构等进行了设计计算，特别是对转弯阻力矩进行了分析计算。经过校核，在一定条件下，该爬壁机器人能够完成对压力容器壁面的巡检。关键词：爬壁机器人；本体结构；移动机构；吸附机构AbstractThe task of the graduation design comes from “The practice and innovation contest about process equipment of undergraduate in 2006”. The main task is the design of the main structure and control system of the climbing robot for checking the surface of the servicing steeliness pressure vessel.In the base of summarizing the study status on the climbing robot inside and outside, the main structure of the climbing robot with pedrails is designed, and the designing calculations of key partments are carried on. Especially, the designing and proofreading of moving mechanical，the absorbing mechanical of the pedrails and the driving system are designed and checked. The pedrails moving system are chosen as the moving mechanical of the climbing robot for pressure vessel. This system buildup the basis frame class of the robot. Magnet, which can offer adsorbability enough to keep the robot working on the vertical walls, is kept close to the outside surface of the pedrails. Front-wheel driving is adopted as the driving system and the two front-wheel are drived by two elctromotors, respectively. When the two motors are running with the same direction, the robot walks straightly. When the two motors are running with the contrary velocity, the robot can swerve.In the paper, the absorbing mechanical and the moving organization are designed and calculated, especially for the swerve resistance moment. After calculation and checking, the robot can work normally and detect the surfaces with welding lines if there is no unexpected condition.Keywords: Climbing robot; Main structure; Walking mechannical; Adsorbing mechannical 目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1国内外爬壁机器人的研究现状11.1.1国内外爬壁机器人的研究现状概述11.1.2 爬壁机器人移动机构的研究现状21.1.3 爬壁机器人壁面吸附机构的研究现状41.1.4 爬壁机器人控制系统的研究现状61.2国内外爬壁机器人的发展趋势71.3 本课题的研究目的及意义92 压力容器检测爬壁机器人的总体方案设计112.1爬壁机器人的功能要求112.1.1 爬壁机器人的工作过程112.1.2 爬壁机器人的基本功能112.1.3 爬壁机器人的主要设计参数122.2爬壁机器人移动机构方案设计122.2.1 履带的结构形式132.2.2 履带轮与履带的联结方式142.2.3 履带的张紧装置14参考文献16致 谢 18附 录19161 绪 论机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。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社会发展的一个趋势。近年来，工业机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。其中，爬壁机器人因为其在核工业、石化企业、建筑、消防、造船等行业的广泛应用，以及其高空作业的特性越来越受到人们的关注。1.1国内外爬壁机器人的研究现状1.1.1 国内外爬壁机器人的研究现状概述近年来，由于工业生产对特殊功能机器人的需求越来越大，爬壁机器人的研究备受关注，目前，国内外研究者已开发出各种类型的爬壁机器人，以满足不同的工业需求。日本应用技术研究所研制出的车轮式磁吸附爬壁机器人1，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9m/min，适用各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。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2，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。我国的哈尔滨工业大学已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带爬壁机器人3。其中磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过履带（由链条和永磁块组成）使机器人贴附在壁面上。机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。由于爬壁机器人应具有能跨越障碍物，并能从地面自动爬上壁面或从壁面返回地面的功能。为此日挥公司在原单吸盘结构的基础上开发了多吸盘节状杆型壁面移动机器人4。该机器人采用了两个吸盘，每个吸盘内均装有轮子，当它在壁面上的平面部分移动时，两个吸盘同时工作，当遇到障碍物时，只用一个吸盘吸住，另一个拖起来越过障碍物。爬壁机器人在解决了吸附与移动的矛盾、跨越障碍等问题后，又开始向自主型机器人的方向发展。对机器人的控制采用无线遥控，是爬壁机器人今后的发展方向。1.1.2 爬壁机器人移动机构的研究现状目前，实现机器人壁面移动的方式很多，概括起来主要有以下几种 5：（1）轮驱动轨行式 移动机构用车轮夹紧在壁面轨道两测，当驱动轮旋转时，依靠车轮与轨道间的摩擦力实现上下移动，这种机构实现容易、运行可靠，但对壁面有铺设导轨要求且移动方向受导轨的限制。（2）偏心扭摆式机器人可采用偏心扭摆双吸盘行走机构形式，当一个吸盘吸附时，另一个吸盘通过偏心机构扭摆一定的角度实现移动，二个吸盘交替工作达到行走目的。偏心扭摆式机构的主要缺点是惯量大、行走效率低、速度慢。（3）车轮式这种移动机构依靠排风方式产生密封腔的负压以达到壁面吸附，行走功能由车轮机构实现。车轮机构可以采用普通车轮形式，也可采用全方位车轮形式，行走速度较快，但由于要保持密封腔的负压，导致跨越障碍的能力较弱。（4）多层框架式在这种壁面移动机构中，两组吸盘用具有若干相对自由度的机构连接。当一组吸盘吸附工作时，另一组吸盘可以移动行走或转动方向。这种机构具有较好的越障能力和承载能力，但行走速度较慢。（5）特种履带式这种形式的壁面移动机构在履带上连接有多个吸盘，与壁面接触的吸盘处于吸附有效状态，不在壁面上的吸盘处于吸附无效状态。在机构的连续移动过程中，由于要求各吸盘的吸附状态按一定次序发生变化，因此，系统中需要有一套多通转阀形式的真空分配和控制装置，还要有防止缆管缠绕的机构，增加了复杂性。特种履带式壁面移动机构还可以采用滑移式真空分配与交换机构形式。（6）独立驱动足式多足壁面移动机构是在多足机构的足端连接一个或几个吸掌构成，其优点是机动性较好，可以适应不同形状的壁面，有较强的越障能力等。但具有冗余自由度的多足运动协调控制有一定难度，而且行走速度较慢。（7）索吊轨行式为克服在壁面铺设导轨带来的不便，可考虑用张紧钢索作为导轨，它的主要缺点是钢索的横向刚度小，而且水平移动困难。近来，随着研究的深入，爬壁机器人轮式全方位移动机构逐渐成熟。全方位移动机构一般由3到4个定向滑移轮组成。轮式全方位移动机构不仅具有轮式移动机构运动的快速性、灵活性、可控性，而且能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向直线移动或在原地旋转任意角度。1.1.3 爬壁机器人壁面吸附机构的研究现状传统爬壁机器人按吸附功能可分为真空吸附和磁吸附两种形式。真空吸附法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。磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此限制了爬壁机器人的应用环境。 在爬壁机器人的壁面吸附方面，国内外的研究者在不同的研究方向上取得了很大进展，并在许多方面实现了技术创新和突破。 为解决磁吸附爬壁机器人吸附能力和运动性能之间的矛盾，文献7中设计了一种磁吸力可调的吸附单元；该单元在吸附于工件时，提供足够大的磁吸力，以满足机器人负载能力的要求，而当其脱离工件表面时，磁吸力减为最小，以提高机器人运动性能。应用于金属壁面的爬壁机器人，爬行机构一般采用履带式结构，其特点是爬行速度快，控制方便，吸附方式采用永磁吸附，永磁吸附具有吸引力大，结构简单，无需外部供电的特点。因此爬壁机器人永磁吸盘的设计是保证爬壁机器人爬行的安全性、稳定性、提高爬壁机器人对凹凸不平壁面的适应性的关键。 在此基础上，根据多体渐变磁化系统理论研究设计出了有别于传统普通吸盘结构的爬壁机器人履带吸盘结构稀土永磁履带吸盘结构。该履带吸盘的吸力比普通吸盘大很多，完全能满足爬壁机器人爬行性能的要求。运用壁虎爬行原理，科学家们设计构思了真空吸附式爬壁机器人。采用多组橡胶吸盘将机器人吸附在墙面上，配以简单四杆机构完成其行走功能。由于选用了多子真空吸附、足式移动，其吸附性好，结构简单，由于吸盘采用列吸盘组，有效吸附面积大，吸附力大，对壁面的不平度、弯曲度、空隙都有较强的适应能力。 另外，还出现了一种壁面适应性较强，能跨越水平窗框类障碍的双吸盘吸附式玻璃壁面清洗机器人系统，主要由双吸盘负压吸附机构、密机构、清洗机构、水循环回收机构、障碍检测机构及洁面机构成。两吸盘可相对于负压发生室伸出和缩回，并由其内部闸控制与负压发生室间的气路通断。我国研制出了单吸盘轮式气囊密封装置的壁面移动机器人，如图1.1所示，其吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。图1.1 单吸盘轮式气囊密封结构图1.1中的真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。1.1.4 爬壁机器人控制系统的研究现状由于爬壁机器人在工作时需要自动行走完成任务（如检测、自动喷漆等），所以要采用计算机控制2。图1.2是采用工业控制计算机STD总线为核心，配置外围模板组成的机器人计算机控制系统。其中交流电极的驱动器可以实现位置、速度闭环，具有过电流、过电压、过负荷、超速、过热，电源异常等多种保护和状态显示。交流电动机的驱动器选取和电机配套。图1.2 机器人计算机控制线路有的爬壁机器人的工作范围很大，为操纵方便，控制方式可采用远距离有线遥控方式5，在遥控盒上设有功能控制键和操纵手柄来控制机器人的行走速度和移动方向，其速度可无级调节。另外，爬壁机器人还可以采用无线遥控的方式进行控制3。以移动机器人作为控制平台，在计算机与单片机之间实现无线通信，进而通过单片机与机器人之间的接口，实现无线方式控制移动机器人，也实现对远程机器人的实时监控。也就是，在本地给出机器人的控制命令，通过无线传输模块发送到远端，然后由远端的机器人控制系统控制机器人执行相应的动作，同时由摄像机把机器人的动作进行实时采集，再把压缩后的图像数据通过无线传输模块传输到本地，最后通过解压缩还原成视频图像进行播放。该系统的主要关键技术包括：控制命令的实时传输，对机器人的实时控制，视频图像的实时采集、压缩和传输，以及机器人运动数据信息的适时反馈。1.2 国内外爬壁机器人的发展趋势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逐渐向着实用化的方向发展，从而呈现出新的发展趋势。本章节将从以下几个方面对爬壁机器人的发展趋势进行综述1。（1）吸附装置最近几年，美、英、俄等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范德华力。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的，经物理改进的极性高分子材料（人造壁虎仿生脚干性粘合剂），设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置将适应于各种材质（如玻璃，粉墙和金属等）和任意形状的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。（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）驱动设备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领域的应用前景是非常乐观的，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。超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料（压电陶瓷）的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特的运行机理，超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点： 靠摩擦力驱动，因而断电后具有自锁功能，不需制动装置； 体积小、质量轻、控制精度高、响应速度快； 运行无噪声，不产生也不接受磁干扰等。正是由于超声波电机具有众多优点，所以它在爬壁机器人上将有非常好的实用价值。（4）能源问题迫切的需要探索出一种新的能源，体积小、供电性能强的电池，或者通过遥控途径对机器人提供能量和控制信号。目前国内外正对此进行积极研究，这方面日本取得了较大的成果。日本已经较为成功的将微波技术应用到无线机器人上，该技术成功的应用将会使爬壁机器人的运动范围得到较大的扩展。另外，微型爬壁机器人已处于起步阶段，随着微电子机械技术的发展和微型移动机器人应用领域的不断拓展，已出现了这样一种需求，即用微型爬壁机器人代替人工进行各种极限作业，如公安消防中使用微型爬壁机器人进入纵横交织、上下连通的大楼通风管道进行灾情现场考察、敌情侦察、或进入空间狭窄的核工业管道群之间进行外管壁的检测和维修等。正因为微型爬壁机器人展示了诱人的应用前景和军民两用上战略意义，所以引起了世界各国的重视。1.3 本课题的研究目的及意义本课题来源于“2006年大学生过程装备实践与创新大赛”的参赛参考题目，目的在于研制开发检测爬壁机器人，主要用于在役压力容器的外壁面情况进行巡检。2 压力容器检测爬壁机器人的总体方案设计2.1 爬壁机器人的功能要求本课题研究的是在役钢制压力容器的外圆壁面检测用爬壁机器人，要进行此机器人的设计，首先要了解本课题对爬壁机器人的基本功能要求和设计参数。2.1.1 爬壁机器人的工作过程 由于在役容器表面的焊缝是通常无法分辩，所以，本文设计的爬壁机器人只要求携带检测设备（超声检测仪），按照一定的路径，对容器外表面（包括焊缝检测）进行巡检，并将检测结果反馈回来。即爬壁机器人吸附在压力容器的竖直壁面上，行走的同时完成对壁面的无损检测。2.1.2 爬壁机器人的基本功能爬壁机器人要在壁面移动，对壁面进行巡检，并将检测结果反馈回来，就需要解决几个重要的问题：（1） 吸附与行走问题吸附与行走是爬壁机器人最基本的两个功能，因此爬壁机器人应具有一定的吸附力，其产生的摩擦力能够大于机器人的重力，防止坠落；还应保持一定的驱动力，能够使机器人在壁面上自由移动。（2）转弯问题检测过程中，爬壁机器人需要按照一定的路径在壁面行走，对整个压力容器的壁面进行巡检，就要求爬壁机器人能够自由的转弯，从而提高检测效率。（3）壁面适应问题作业环境和作业性质的特殊性，机器人必须能够跨越较小的焊缝。所以机器人要有一定的适应壁面凹凸不平的能力。 （4）检测问题爬壁机器人要完成检测，就需要搭载检测设备（超声检测仪），因此，在爬壁机器人的设计过程中要考虑到检测设备的安装和定位、以及检测宽度等问题。因此，针对上述各项要求，本文进行机器人的本体结构设计，重点完成机器人的吸附机构和移动机构的设计。2.1.3 爬壁机器人的主要设计参数本课题研究的爬壁机器人主要应用于大型立式在役压力容器外壁的巡检，此类压力容器多为钢制，且高度很高。本课题对机器人的设计要求如下：2.2 爬壁机器人移动机构方案设计爬壁机器人通常采用的移动方式有吸盘式、车轮式和履带式。吸盘式能较好的跨越障碍，但结构复杂且移动速度慢，控制也比较复杂；车轮式移动速度快、转弯灵活，但是很难保证提供足够大的吸附力；履带式壁面适应性强，履带着地面积大，可提供足够的吸附力，但由于摩擦力过大而不容易转弯。本课题研究的爬壁机器人需要在大型压力容器的垂直壁面上行走并完成检测工作，为了防止机器人从垂直壁面上滑落，机器人必须与壁面保持足够的吸附力，并具有一定的抗倾覆能力。由于履带式移动机构可在实现行走功能的同时，实现壁面吸附功能，而且其着地面积较大，与壁面的吸附力强，而且对壁面的凹凸不平适应性也比较强，具有结构简单，控制方便，运动速度较快等优点。所以，综合考虑各方面因素，本课题中爬壁机器人的移动机构选用履带式结构。爬壁机器人移动机构主要由履带、支撑板、主动轮、从动轮、定位板、张紧机构等零部件组成。2.2.1 履带的结构形式常见的两种履带构形如图2.1所示。图2.1（a）中驱动轮及导向轮兼作支撑轮，因此增大了支撑面积，改善了稳定性。图2.1（b）所示为不作支撑轮的驱动轮与导向轮位置高于地面，链条引入时的角度达50度，其好处是适合于穿越障碍。（a）（b）图2.1 两种常见的履带形状由于在役压力容器的外壁面较为光整（不考虑外壁的其它附件），可能的障碍只有微小的焊缝突起等，壁面起伏不大，所以对本课题研究的爬壁机器人的越障能力要求不高，考虑到结构简单和检测过程中行走的稳定性，因此采用图2.1（a）所示的结构形式。2.2.2 履带轮与履带的联结方式 履带轮与履带的联结，可以看作齿轮与齿条联结的变形，两者齿的参数是相同的，但为了保证在运动时履带与履带轮不会咬死，应把履带上的齿的厚度做的薄一点，保证有足够的空间。同时，爬壁机器人在转弯时，履带与地面有很大的摩擦力，为防止履带在转弯时从履带轮上滑脱，需设置防滑脱的机构：即将履带上的齿长中间位置，垂直于齿长方向开宽度为5mm、深度为5mm的槽，同时，在加工履带轮时，在与履带上空隙对应的地方焊接适当的障碍物，从而达到防脱的目的。2.2.3 履带的张紧装置履带装置的节距因磨损而增大，轨链伸长，如不能进行调整以保持一定的张紧程度，就发生脱轨与掉链等情况，因而需要装设张紧装置。根据所选履带机构的构形，以及后面的计算，本设计中机器人的两履带轮间距较小，因此只需保证两履带轮的间距就可以确保履带的张紧，所以，