油罐检测爬壁机器人结构设计【4张CAD图纸+毕业论文+开题报告】

油罐检测爬壁机器人结构设计

25页 9500字数+论文说明书+任务书+外文翻译+开题报告+4张CAD图纸【详情如下】

任务书.doc

外文翻译--爬壁机器人.doc

抗倾覆机构.dwg

油罐检测爬壁机器人CAD装配图.dwg

油罐检测爬壁机器人结构设计开题报告.doc

油罐检测爬壁机器人结构设计说明书.doc

车体图.dwg

连轴图.dwg

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。

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 robot

Abstract：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 the detection of large oil tank wall climbing robot structure design.The robot can crawl in the tank surface flexible, and carrying the ultrasonic probe in ultrasonic flaw detection of tank. 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 robot's overall construction, chose and analyzed the wall climbing robot's adsorption way, and elaborated each magnetic circuit good and bad points emphatically. Determined finally crawls the wall- climbing robot's adsorption way for the non-contact permanent magnetism adsorption way, and the wall-climbing robot's 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 body's mechanical structure.

Keywords: Wall-climbing robot；Magnetic adsorption；

目   录

摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract……………………………………………………………………………Ⅱ

目录…………………………………………………………………………………Ⅲ

1 引言………………………………………………………………………………1

1.1 本课题研究的目的和意义………………………………………………………1

2 爬壁机器人总体方案……………………………………………………………2

2.1 总体设计要求……………………………………………………………………2

2.1.1 总体方案性能分析……………………………………………………………2

2.2 吸附机构的设计…………………………………………………………………3

2.2.1 吸附方式的选择………………………………………………………………4

2.2.2 吸附单元的设计………………………………………………………………4

2.3 移动机构的设计…………………………………………………………………8

2.3.1 移动方式的选择………………………………………………………………8

2.4 驱动电机的驱动力………………………………………………………………9

2.5 抗倾覆机构的设计……………………………………………………………12

3 爬壁机器人机械结构设计………………………………………………………14

3.1 爬壁机器人总体机械结构……………………………………………………14

3.2 车体框架设计…………………………………………………………………14

4 爬壁机器人运动模型分析………………………………………………………16

4.1 爬壁机器人静力学分析………………………………………………………16

4.2 爬壁机器人运动学分析………………………………………………………17

5 结论………………………………………………………………………………20

参考文献……………………………………………………………………………21

致谢…………………………………………………………………………………23

1 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645mm×350mm×190mm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:0～2m/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5～10mm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：≤645mm×350mm×190mm

机器人自重：24kg

负载能力：≤20kg

移动速度：0～2m/min

越障能力：5～10mm

2.2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。

由(4.11)和(4.12)可知，只要给出爬壁机器人的线速度和角速度，就可以求出左右轮的角速度。因此利用PID控制器和PWM调速模块，对光电编码器的反馈信号进行处理后，就可以对直流电机驱动的转动速度进行调节，以实现对爬壁机器人运动速度和运动方向的调节。

5 总结

本论文对大型油罐外壁的检测爬壁机器人进行结构设计。该机器人能在罐表面灵活爬行，并携带超声探头对油罐进行超声探伤。具有结构简单，控制方便，运动灵活，对壁面适应性强等特点。主要做了如下工作：

(1)介绍了本课题的研究背景、目的和意义，并对现在爬壁机器人国内外的研究发展状况进行了论述，还介绍了几种典型的爬壁机器人。

    (2)设计了油罐壁面进行检测的爬壁机器人。阐述了其移动机构和吸附结构的分析设计方案。移动机构采用履带方式，实现爬壁机器人在壁面上的灵活转向和运动姿态的调整等；吸附结构是利用钕铁硼永磁体构成非接触吸附方式，在对永磁吸附力计算后采用了N、S磁铁附着轭铁结构设计来满足爬壁机器人安全平稳的吸附要求。通过这两个关键技术的设计，解决了履带式和永磁吸附单元安放在车轮上的这两种传统爬壁机器人容易对罐壁造成损害以及转向困难的问题。

   （3）深入分析了爬壁机器人静力学和动力学模型，对爬壁机器人的姿态控制和路径规划运动都有很大帮助。

(4)详尽设计了履带驱动、非接触式的永磁吸附爬壁机器人的本体机械结构，给出了车身、连轴、抗倾覆机构等重要部件的结构图以及三维立体设计图。本体机械结构能够更好的适应壁面的凸凹变化，安全跨越5mm的焊缝。

参 考 文 献

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