4315气缸驱动爬杆机器人的设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 朱海澄 学 号： 060104225 专 业 ： 机械工程及自动化 设计 (论文 )题目 ： 气缸驱动爬杆机器人的设计 指 导 教 师 : 孙中圣 2010 年 3 月 19 日 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）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。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专 业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 2005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2007 年 3 月 15 日”或“ 2007 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 引言 随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，人们感到自己 的工作比较枯燥 ，于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。 机器人是高级整合控制论、机械电子、 计算机 、材料和 仿生学 的产物 ， 是一种典型的机构和电控制结合的产物 ， 在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 在市政工程中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便。但是对于一些直径较细，强度较小的杆 件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。应用带升降机的工程车进行作业，作业成本较高，而且对于狭窄的胡同，工程车难以进入，造成作业困难，因此爬杆机器人的研制一直是市政工程研究的热点。爬杆机器人与一般在地面上移动的机构有着很大的不同，因为它要克服重力 来工作 ，并依靠圆柱杆的表面上升，进行自主移动，完成特定条件下的工作。本文 主要是 介绍 一种适合于 在 圆柱杆 状物体表面 爬行 的气压驱动 爬杆 机器人。 1、 机器人的分类 机器人的种类多种多样 ， 从应用环境出发，将机器人分为两大类 :工业机器人、特种机器人。 或者分为两类 ： 制造环境下的工业机器 人、非制造环境下的服务与仿生机器人。 仿生机器人是未来机器人领域的一个发展方向，按仿生学角度来分可分为 ： 蝗螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、尺镬式爬行机器人等。 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 1、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 2、球面爬行机器人、 陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机、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、医疗机器人、军用机器人、助残机器人、巡线爬行机器人、玩具爬行机器人等。 根据不同的驱动方式和功能等可以设 计多种不同结构和用途的爬行机器人，如气动管内检测爬行机器人，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，每一种形式的爬行机器人都有各自的应用特点。 2、 国内外研究现状 爬行机器人 345是机器人大家族中的一员，爬升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，故爬升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。 最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人 67，适于高层建筑、水力发电大坝等垂直壁面 89和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面 8，已有车轮移动形、姿态可变形、尺镬形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵引力较小。 国内外的学者很早就对爬行机器人进行研究工作 ， 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 91011等。 电动机械式爬行 器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬升器沿杆体上升下降。螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定角度，这样轮子转动时它在杆体上形成的是螺旋轨迹，沿此轨迹通过电动机的正反转该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动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。 气动蠕行式爬杆机器人用气缸 驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部 气 缸夹紧，上部 气 缸松开，提升 气 缸活塞杆伸出，上部上升 ;上部 气 缸夹紧，下部 气 缸松开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以 连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，因此其设备成本较高。 国外有代表性的有东京大学研制的关节型行走机器人，可沿水平或垂直的直杆爬行，能跨越法兰障碍、平行杆 12，并可绕 T 型杆和 L 型杆爬行。 国内比较典型的有上海交通大学机器人研究所研究开发的一种斜拉桥缆索 涂装维护用气动蠕动式爬缆机器人 13，可在各种斜度的缆索上爬行，能完成缆索检测、清洗等工作，并具有一定的智能性。 清华大学研发设计的爬杆机器人采用自重式锁紧机构，机器人靠自重压迫钢球使滑块 (机械手 )锁紧在杆壁上，可以爬行较小范围的变直径杆，但该结构只可单向爬行 (从下往上或是从大直径处向小直径处爬行 )。该机构改进后可爬升和返回，但需要加上一套气动控制设备。目前要实现变直径杆的爬行和返回则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，其上升和下降由气压控制，设备成本较高。 电动机械式管外爬行机器人，国内比较典型的有陕西科技大学 14研制的管外爬杆机器人。 哈尔滨工程大学研发的沿桅杆或绳索爬行的机器人 15，采用曲柄连杆机构作为传动机构，机器人是由两个形状相似的圆形套筒内嵌有一对活动 V 型卡爪、一对槽型凸轮、铰链、压力传感器、连杆、镶嵌在顶部滑块四周的检测仪、电机等零部件构成。 3、目前主要存在的问题 由上面叙述可知目前国内外所设计制造的各种电机机械式爬行器均有一个缺陷 :它们大多采用凸轮机构 16夹紧，由于凸轮机构的不可伸缩性，一个爬行器只能爬行特定直径的等直径的杆件。目前 要实现变直径杆的爬行则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，其上升和下降由气压控制，还需要气源和气动控制系统，因此其设备成本和维护费用较高。 目前国内外尚没有在此类爬行机构方面的深入研究。鉴于绿色和环保的需要，因此，有必要研发和制造一种利用简单的机械结构来替代繁琐的气动设备实现变直径杆的攀爬，同时在爬行过程中可携带其它清洁能源实现对路灯杆等杆状城市建筑的清洗作业的设备。 参考文献 1 蒋新松 . 机器人学导论 M. 辽宁：辽宁科学技术出版社， 1994. 2 王园宇，武利生，李元宗 . 壁面清洗机器人发展 趋势浅析 J. 引进与咨询 2002. （ 4） ： 33 邵浩 . 壁面清洗爬壁机器人 . 中国第五届机器人学术会议论文集 C. 北京：机械工业出版社， 1997： 1344 ， ， ， et J. 1999， 26（ 6） ： 4605 . of 003 :13726 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. （ 3） ： 17 赵松年 . 现代机械创新产品分析与设计 M. 北京：机械 工业出版社， 2000 . 1：18 吴功平，肖晓晖，郭应龙 . 架空高压输电线自动爬行机器人的研制 J. 中国机械工程， 2006， 17（ 3） ： 19 徐生，张立彬，杨庆华，等 . 气动蠕动爬杆机器人 J. 机械工程师， 2004. （ 3） ：210 杨存智 . 爬杆 (绳 )机器人的研制 J. 机电一体化， 2003， （ 4） ： 11 陈俊龙，张美琴，盛刚，等 . 继电器控制的爬杆机器人 J. 机电工程， 2005，22（ 9） : 112 Y. . of 995 1995： 85113 丁彩红，赵增梁，李恩光 . 爬杆机械手的原理性设计 J. 机械与电子， 2001. （ 6） 114 马光 . 仿生机器人的研究进展 J. 机器人 , 2001， 23（ 5） ： 46315 王军，任工昌，郑甲红 . 管外爬杆机器人抓紧装置 P. 16 刘桂珍，王怀奥，王立权 . 高空爬行机器人的机构设计 J. 佳木斯大学学报（ 自然科学版 ） ， 2007， 25（ 5） ： 2 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 爬杆机器人的使用将大大降低高层杆状建筑的清洗 检查维修 成本，改善工 人的劳动环境，提高劳动生产率。这种机器人的研制必将具有很大的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。 本 课题旨在研发一种新型的、结构简单、经济适用、价格便宜、操作简便的适用于路灯杆等杆状城市设施可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人，用以解决当前城镇中存在的影响市容的公共设施的清洗、维护问题。该机构要能保证良好的运行效果，低耗能高效率，绿色环保，节省人力物力。 从上述看来 所设计 的 机构 应该 能够 完成在圆柱状物体表面的爬升运动，该圆柱体状物体的直径在 10 30间。 欲使机器人在 圆柱状物体 上自由地 上下 移动 ， 必须具备两种功能 ： 贴附功能与移动功能。贴附方式有吸附式和夹持式两种， 移动 方式有轮式、履带式、腿式及蠕动式四种。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格的机器人。 要求所要设计的这种爬行机器人，它的工作对象为各种型号的城市杆状建 筑，要求有一定的承载能力、接触面积小、速度适中 。通过比较各种方案， 本课题设计使用夹持式的蠕动 爬行结构形式，该方案能基本满足我们设定的工作状况 ， 可实现在运动方向上任意长的距离提升重物，能获得更大的锁紧力，从而可传送 较重的物体，结构简单紧凑、运行平稳，控制简便。爬升靠气缸来完成，
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