无线遥控爬杆器的设计-开题报告

本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称 无线遥控爬杆器学院名称 专业名称 机械设计制造及其自动化学生姓名 指导教师 （内容包括：课题的来源及意义，国内外发展状况，本课题的研究目标、研究内容、研究方法、研究手段和进度安排，实验方案的可行性分析和已具备的实验条件以及主要参考文献等。 ）1. 课题的来源及意义目前全国日益加快的现代化建设步伐，并且随着我国国名经济的飞速增长、人民生活水平日益提高，城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商 业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等，它们通常 530 米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃钢结构等，但是同时也产生了 许许多多的问题，比如由于电杆或线杆常年裸露在大气中，长年累月会形成灰 尘层， 缩短它们的使用寿命，需要定期进行维护工作。这是就存在着许多高空作业诸如：各种杆状城市建筑的油漆、喷涂料、检查、 维护等工作主要由人工和大型设备来完成，但它们都集中表现出效率低、劳动强度大、耗能高等问题。随着机器人技 术的出现和发展以及人 们自我安全保护意思的增强，迫切希望能用机器人代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶 劣、繁重的劳动环境中解脱出来。因此研制出一套高效可靠的爬杆机器人以替代人工进行高空作业将是很有意义的，必具有良好的经济效益和社会效益。2. 国内外发展状况2.1 爬杆机器人的分类爬杆机器人的种类多种多样。按仿生学角度来分爬杆机器人可分为：螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、足蠖式爬行机器人等。按驱动方式来分可分为：气动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等。按行走方式可分为：轮式、履带式、蠕 动式、多足式等。按工作空间来分可分为：管道爬行机器人、壁面爬行机器人、球面爬行机器人、陆地移 动爬行机器人、水下机器人、空 间机器人等。按功能用途来分可分为：焊弧爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、巡线爬行机器人等。根据不同的驱动方式和功能等可以设计不同结构和用途的爬行机器人，如气动爬行机器人，电磁吸附多足式爬行机器人、 电驱动 壁面焊弧爬行机器人等。2.2 国内外爬杆机器人发展现状爬杆机器人是机器人大家族的一员，爬杆机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业，区别于平面移动机器人，故爬杆机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。爬杆机器人与一般地面移动机构的最明显不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业。目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人等。（1）气动蠕动式爬杆机器人上海交通大学机器人研究所研制的气动蠕动式爬杆机器人，如图 1 所示，可在各种斜度的斜拉桥缆索上爬行，能完成斜拉锁的检测、清洗、 喷涂油漆等工作。图 1 气动蠕动式爬杆机器人气动蠕动式爬缆机器人运动中至少保证上下两组夹紧爪中有一组夹紧于缆索上。爬杆机构向上爬升时 ,首先下体夹紧爪夹紧于缆索上,上体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆伸出,上体向上运动；然后上体夹紧爪夹紧,下体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆缩回,下体向上运动；重复以上运动，机器人实现不断向上爬行。改变气缸动作顺序,爬杆机构则可以完成下降功能。对于气动蠕动式爬缆机器人，其上升和下降运动由气压控制，需要气源和气 动控制系统， 设备成本较高。（2）摩擦轮式爬杆机器人国防科技大学设计的摩擦轮式爬杆机器人如图 2 所示。机器人框架上下边框上沿圆周均匀安装三套主动爬行机构，相互夹角 120 等间距布置，构成两个各包含三套主动爬行机构且上下平行的驱动截面，使牵引力分散产生，增强行走时的自定心功能，有利于稳定检测。1-缆索； 2-主动爬行机构； 3-机器人框架图 2 摩擦轮式爬杆机器人此类爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。（3）钢球自锁式爬杆机器人吉林大学机械学院基于钢球自锁装置设计的爬杆机器人如图 3 所示。图 3 钢球自锁式爬杆机器人构造及爬行步态该机器人结构简单，主体部分仅为曲柄连杆和钢球自锁装置，曲柄每转一圈机器人整体向上爬行一次，重复状态 1 至 5 就可以实现机器人不断向上爬行。缺点是钢球自锁机构束缚机器人只能向一个方向爬行，影响了实用性。（4）气动爬杆机器人浙江大学陈俊龙教授设计的气动爬杆机器人，如图 4 所示。图 4 气动爬杆机器人其结构是:在上部（10）和底部（1）上，各装有一对套在直杆上的爪子（机器人可在地面上方便地作水平移动，使两爪轻套在杆子上），每对爪子由固定爪和活动爪组成，固定爪（13）和（ 15）分别固定安装在上部（10）和底部（1）上，而球头活塞杆（7）的球头则安装在上部（10）上。当上夹气缸（11）松开，下夹气缸（16）夹紧时，升降气缸（6）下腔进 气，上腔排气，则活塞和球 头活塞杆（7）推动上部（10）沿着导柱（8）向上移动，到达行程终了位置时，上 夹 气缸（11）夹紧，然后下 夹气缸（16）松开，即上爪紧，下爪松，与此同 时，升降气缸（6）上腔进气，下腔排气，从而使升降气缸的缸体连同安装的地步（1）一起沿着导柱（8）上升到与上部（10）相合止，至此，完成了攀升的一个循环。这样，机器人一步一步往上攀升。（5）攀爬机器人国外有代表性的有宾夕法尼亚州大学研制的 Rise 系列攀爬机器人。该机器人是一款四足机器人，除了能够在地面上奔跑外， 还 能够爬树，其脚部位置使用了外科手术针作为材料，这样 就可以在垂直物体上进行移动国内比较典型的有吉林大学机械学院研究开发的仿尺蠖步态的爬杆机器人。该机器人主要由头部、尾部与躯干 3 部分组成，其中 头部和尾部分别为一套单向自锁机构，躯干则为曲柄摇杆机构，作为整个机器人的 动力源，通 过各个部分的 协调配合来完成爬杆机器人的伸缩，进而实现 爬杆机器人的爬杆动作。上海交通大学研发了一种新型的、在垂直外攀爬方面有较大优势的攀爬蛇形机器人。该机器采用一种具有万向节功能的 PR(pitch-roll)模块，使得该蛇形机器人能够轻松和灵活地附着于攀爬对象外壁。（6）仿蜘蛛的爬杆微机器人德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬杆微机器人，这类机器人有 4、6、8 只脚三种类型，可在各种类型的管内移动，其运 动原理是利用腿推压杆来获得驱动力，多腿可以很方便地在各种形状的杆上移动作业，但其控制较复杂。3. 本课题的研究目标通过对路灯杆等各种杆状的测量和考察，提出爬杆机器人的设计方案并设计制造出满足条件的爬杆机器人。通过对爬杆机器人的结构设计以实现其能在各种杆上多自由度的移动或转动，从而实现爬杆机器人在高空作业的技术性，以代替人类进行高空危险作业，满足人们要求。4. 本课题的研究内容本课题的研究内容主要是进行爬杆机器人的方案和机械结构设计，其中包括爬杆机器人的行走方案与结构设计、水平旋转方案与结构设计、动力及传动系统方案与结构设计、便捷安装结构设计等。5. 本课题的研究方法和研究手段根据空间机构学原理设计、机械原理与机械设计、机电系统设计和机器人机械系统设计等原理进行设计分析，完成相关任务。6. 进度安排2012.02.272012.03.09:阅读相关资料，书写开题报告。2012.03.102012.03.12:翻译外文资料。2012.03.132012.04.11:参考相关资料，完成爬杆器主框架和摆臂的零件图。2012.04.122012.05.01:完成爬杆器旋转轴的零件图，并完成装配图。2012.05.022012.06.01:进行校核，完善零件图和装配图，完成设计说明书。2012.06.022012.06.08:整理设计说明书，准备答辩。7. 方案的可行性分析和已具备的条件爬杆机器人的高效性和安全性使得人们迫切希望其替代人工高空操作带来多方面的好处，就此国内外也已经有了很多相关方面的研究，如上海交通大学设计的气动蠕动式爬杆机器人，国防科技大学设计的摩擦轮式爬杆机器人和宾夕法尼亚州大学研制的 Rise 系列攀爬机器人等等。通过大学中对机械原理与机械设计的学习，以及机械制造技术基础和控制工程基础等学科的实习，再者在科研团队老师的指导下，我相信自己能完成此课题。采取的方案实施路线 ：首先对比选择爬杆机器人的类型和其参数的选择，如自由度的选择、驱动方式的 选择等；其次进行爬杆机器人主框架的设计，再者进行爬杆机器人摆臂和旋转轴的设计，最后完成其装配图。8. 主要参考文献1费仁元，张惠惠.机械人机械设计和分析M. 北京：北京工业大学出版社，1998.2方建军. 智能机械人 M. 北京：化学工业出版社， 2004.3赵松年. 机 电一体化系统设计M. 北京：机械工业出版社，2004.4黄真. 空间 机构学M. 北京：机械工业出版社， 1991.5徐元昌. 机 电系统设计M. 北京：化学工业出版社， 2005.6Dennis Clark, Mocharl Owings. Building robot drive trains M. 北京：科学技术出版社，2004.7张海洪，龚振邦. 壁面自动清洗机器人清洗工艺分析J.机电一体化， 2001.8蒋新松. 机器人学 导论M.辽宁：辽宁科学技术出版社，1994.9宗光华. 机器人的创 意设计与实践M. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.10吴宗泽. 机械设计禁忌 1000 例M. 北京：机械工业出版社，2011.11朱世强，王宣银.机器人技术及其应用.浙江大学出版社，2001.12赵兴飞，周忆，石崇辉.气驱爬壁机器人设计与计算J .机床与液压，2003.13杨存智.爬杆机器人的研制J.机电一体化， 2003.14于复生，沈孝芹.一种气动