水下爬壁机器人调研ppt课件

.,1,1,爬壁机器人的发展历程、研究意义及趋势,2,水下爬壁机器人的功能及工作原理,3,4,水下爬壁机器人的设计的总体方案,研究的可行性、难点及创新点,.,2,1.1爬壁机器人的发展历程,1.1.1国外发展历程,1966年，日本西亮讲师研制出世界上第一台垂直壁面移动机器人的原理样机。1975年，研制成功一种单吸盘吸附结构的壁面爬行机器人。1984年，日本成功设计了一种足式磁吸附壁面移动机器人。1990年之后，日本相继成功设计了各种爬壁移动机器人。1990年，美国卡耐基梅隆大学开发了一种壁面移动机器人，并且在机器人身上首次运用是十字构架型结构。近年来，美国斯坦福大学研制成功了一种具有粘性脚足的壁虎状机器人“粘人”，运用了仿生学原理，为将来爬壁机器人在太空运用提供了可能性。相继设计开发了Capuchin,它为机器人将来在火星探索提供了良好的保证。,.,3,1.1.2国内发展现状,国内爬壁机器人相对与国外而言，开展时间较晚，不过技术进步也很快。20世纪90年代初，哈尔滨工业大学机器人研究所成功设计研制了我国第一台爬壁机器人，用于检测放射性废液储存罐;1994年，该所成功研制了CLR-II型壁面清洗爬壁机器人；1997年，该所研制出了一种用于电站锅炉停炉检修的履带式磁吸附壁面移动机器人；2000年，该所成功开发了“蓝色超人”壁面清洗机器人并投入使用；成为国内首个正式投入生产使用的壁面清洗机器人；2007年，该所成功设计研制了一种专门用于反恐领域的爬壁机器人。,.,4,1.2爬壁机器人的研究意义,爬壁机器人是一种在极限环境下作业的机器人，其目的是代替人类在核工业、石化业以及造船等领域的危险作业。其中水下爬壁机器人是一种能在水下高强度、高危险的环境中进行作业的自动化装置，它通过吸附装置贴在水下壁面上，移动机构在一定的吸附力的情况下在壁面上移动，从而带动执行机构完成工作任务。,.,5,1.3爬壁机器人发展的趋势,随着科技发展进步,爬壁机器人呈现出多元化的发展趋势和朝着实用化的方向发展。从吸附的方式上来看,目前主要有磁吸附和真空吸附。但英美等发达国家在研究壁虎爬行原理的基础上研究出一种壁虎脚趾的仿生物质,这样爬壁机器人的吸附方式就不会受限。从移动的方式上看,目前主要广泛应用的有履带式和轮式,在未来的发展中将会大力研发足式移动方式,该方式与壁面的接触面积较小,且支撑点较多,如果能够深入的研究,足式移动方式将会获得良好的发展前景。从控制系统上看,呈现出小型化和微型化的发展趋势。无缆化将会成为爬壁机器人未来的主要发展方向之一,无缆化能够实现对爬壁机器人的灵活控制,接受的装置也有更大的选择余地。,.,6,2.1水下爬壁机器人的功能,目前世界上针对高层建筑物清洗、油气罐检测等领域的爬壁机器人的研究有很多，但是关于水下爬壁机器人的研究很少，只有日本在进行这方面技术的研究，国内在一方面的研究尚属空白，所以开展水下爬壁机器人研究很有意义，而且它也具有非常广泛的应用前景。随着水下爬壁机器人技术的快速发展，可以替代人工操作的、适用于水下船底作业的机器人相继被研制出来。在水下作业，要求机器人能够稳定的吸附在倾斜、垂直或者倒立船体的爬壁上的同时，自动完成移动、转向、检测、洗刷等操作。,.,7,水下爬壁机器人是一种能够在水下环境工作的特种机器人。首先，机器人要能够可靠地吸附在水下壁面上；其次，机器人要具备移动的灵活性和一定的越障能力；另外，机器人要携带执行机构，完成作业任务，所以机器人要有一定的负载能力；最后，机器人要准确快速地完成任务，所以机器人应具备较好的控制性能和响应能力。水下爬壁机器人必须具备吸附、行走和作业三大功能。,2.1.1吸附功能,按吸附功能来分有：真空吸附、磁吸附和推力吸附。,.,8,真空吸附依靠抽风机、真空泵等真空发生设备在机器人的吸盘和墙壁的接触面间形成负压,依靠压差使机器人吸附在墙壁上。真空吸附分为单吸盘和多吸盘，如下图所示。,多吸盘爬壁机器人,单吸盘吸附爬壁机器人,.,9,磁吸附分为：永磁体和电磁体它们位于物体表面或与表面保持一定的吸附距离，应用在铁磁表面是非常可靠的,能够在一个非常小的空间产生强大的粘附力。,吸附单元外观图,永磁吸附机器人,.,10,推力吸附法是一种新型的的吸附方式，与其他吸附方式相比，其在爬壁机器人载体方面有比较大的创新，使用螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力,使机器人稳定可靠地吸附在壁面上。由于推力能始终指向壁面,机器人可容易地实现越障而适应于各种情况的壁面。,水下推力吸附式爬壁机器人,.,11,2.1.2行走功能,按行走方式来分：车轮式、履带式和步行式,车轮式控制简单，爬壁机构与吸附装置分离，独立驱动，但其越障能力受限，对壁面光整度要求较高；步行式利用多吸盘吸附于壁面，爬行时先交替撤离部分吸盘吸附力，才能进行移动或者转向、越障，其爬壁机构与吸附装置耦合，控制较为复杂；履带式与壁面接触面积较大，在部分吸附方式中可有效增大吸附力，并且其在凹凸表面爬行时适应力较强，但是转向比较困难。,.,12,2.1.3工作功能,作业方式多样化。可在一个载体上更换不同的作业工具,如实现船体水下喷漆、除锈及损伤检测等其它作业。,高压水清刷,喷砂,水下除锈,.,13,以水下爬壁清刷机器人的工作原理为例，如图1所示，其基本结构由交流伺服电机驱动机构、磁吸盘吸附机构、传动链和带导向的侧板等。,2.2水下爬壁机器人的工作原理,Text,Text1,Text1,图1,.,14,其工作机理为:机器人依靠磁吸盘吸附在水下船体表面上,运用配置的2个交流伺服电机驱动.当2个交流伺服电机的转速相等时,机器人处于直线行驶状态;当2个交流伺服电机存在转速差时,机器人可以左右转弯.机器人携带清洗刷,一边移动,一边进行清刷作业,直至完成水下船体表面清刷任务。,.,15,水下爬壁机器人设计的总体方案包括：吸附方式、移动方案的确定，驱动方式、动力源的确定以及密封和防腐机构的设计。,3.1吸附方式的确定,水下爬壁机器人要实现在水下壁面上的运动，首先需要确保有足够的吸附力，这就要求机器人采用合适的吸附方式，并设计合理的吸附机构爬壁机器人采用的吸附方法主要有4种，分别是：真空吸附、磁吸附、推力吸附、干性粘着剂材料吸附，现将这几种吸附方式的优缺点介绍如下，如表1所示。,.,16,表1,.,17,3.2移动方案的确定,移动机构是爬壁机器人的重要组成部分，它决定了机器人的移动速度和工作效率。到目前为止，爬壁机器人常用的移动方式主要有4种，分别是履带式、车轮式、多足步行式和框架式，它们各有优缺点，分别适用于不同的工作环境。履带式对壁面的的适应能力强，履带与壁面的接触面积大，产生的吸附力大，负载能力强，但是其机器人体积和重量比较大，转弯和壁面过渡能力差；车轮式结构简单，容易实现转弯，而且能够达到很高的移动速度，它的控制系统也比较容易实现，但因为车轮与壁面的接触面积小，较难维持大的吸附力；,.,18,多足步行式容易实现较大的吸附力，有很好的越障能力，容易实现壁面过渡，但这种移动方式的机器人移动比较困难，且移动速度比较慢，另外它的控制系统也比较复杂，控制精度要求较高；框架式机器人的移动原理是通过多层框架的交替运动来实现的，它的吸附能力比较强，控制容易实现，但是该类机器人的运动速度比较慢，而且不易实现转向和壁面过渡。,.,19,3.3驱动方式的确定,驱动系统是给机器人提供动力的装置。常见的机器人驱动方式主要有3种，分别是电气驱动、液压驱动、气压驱动，它们各有优缺点，如表2所示。与其它两种驱动方式相比，电气驱动的体积小、重量轻、成本低，调速方便，而且电气驱动的响应速度快，精确度比较高。,表2,.,20,3.4驱动电机,目前，用于机器人控制方面的电机主要有直流电机、步进电机和伺服电机，它们都有各自的特点和适用领域，如表3所示。,表3,.,21,3.5驱动电源的确定,机器人的能源供给一般有两种方式，分别是有线电缆供电和电池供电。这两种供电方式各有优缺点。有线电缆供电能够提供充足的电力，减少了充电的麻烦，工作效率比较高，但因为电缆的缘故，机器人的活动范围要受到很大的限制，此外电缆本身也有重力，这也会影响机器人的移动速度。电池供电可以避免电缆自重带来的麻烦，因此活动范围比较广，能实现很高的移动速度，但是电池的电量是有限的，要随时做好给电池充电的准备，这就降低了机器人的工作效率，电池的大小与电池的供电性能有密切的关系，电量越大相应电池就越大，另外电池还会增加机器人的重量和总体尺寸。,.,22,3.6密封和防腐机构的设计,机器人在海洋环境中与在陆地上工作有着显著的区别就是要考虑密封与防腐问题。机器人工作在海水里会受到多种腐蚀,如海洋大气的盐雾腐蚀、海水的化学腐蚀、不同金属在海水中的电位差腐蚀、海水的应力腐蚀和金属零件之间的间隙腐蚀等。因此在选择材料时,要优先考虑选用耐海水腐蚀的合金材料,如不锈钢;非金属防海水腐蚀材料,如特种尼龙,丁腈橡胶等;也可对金属表面进行二次喷涂,如镀铬、镀镍等,也可涂覆耐海水腐蚀的涂层材料。,.,23,1研究的可行性,目前，针对水下工作环境、任务和对象的不同，适于水下船体作业的爬壁机器人分为履带式、车轮式、牵引式和仿生腿足式等几种类型。,就履带式爬壁机器人而言，由于船体材料的导磁性，因此，履带式磁吸附爬壁机器人在水下船体作业的应用研究最为广泛，其可以产生很大的吸附力，使得机器人不易脱落或者倾覆，但是其转向能力很差，翻越障碍能力不足，而且其自身结构上的特点及永磁体的退磁等，对船体表面要求较高。如果实际工作有较大障碍物时，不宜选用履带式机器人。,.,24,车轮式爬壁机器人其转向性能较好，但是吸附能力不足，不能承担较大载荷。为了提高车轮机器人的吸附能力，桂仲成等人设计了一种非接触磁轮吸附爬壁机器人。如图所示，包括轮式移动机构和永磁吸附装置，车轮采用差动驱动方式，转向灵活，永磁吸附装置安装在底盘上，克服了现有的爬壁机器人负载能导磁爬壁间是非接触的，移动速度快力和转向之间的矛盾。,非接触磁轮吸附爬壁机器人,.,25,牵引式爬壁机器人的机械本体不提供行走动力，机器人在外界绳索的牵引下完成行走功能，依靠大功率吸盘实现与壁面之间的吸附，能够实现连续行走且速度快，但是转向、越障功能差，因此，这类机器人承载能力有限，不适合水下除锈以及打磨等水下作业，仅适用于水下船体表面的清刷作业。仿生腿足式爬壁机器人随着仿生学技术的不断发展，模仿自然界中生物的爬行技术和结构特点成为国内外科研机构的研究热点,如仿壁虎机器人、蛇形机器人、蠕虫机器人等相继问世，这类机器人的特点是移动速度快、转向灵活、越障功能好，但是吸附能力不强，结构复杂，负载不大，因此，这类机器人仅适合于水下船体表面的损伤探测作业。,.,26,综上对上述几种水下爬壁机器人类型的分析，针对我们要求的实际情况，履带爬壁机器人和车轮爬壁机器人比较符合，以下可以针对这两种爬壁机器人进行可行性分析：,履带式对壁面的的适应能力强，履带与壁面的接触面积大，产生的吸附力大，负载能力强，但是采用这种移动方式的机器人体积和重量比较大，转向能力差；车轮式的结构简单，控制方式简单灵活，容易实现转弯和达到很高的移动速度，虽然车轮与壁面的接触面积小，但是通过螺旋桨的高速旋转可以产生足够大的吸附力，可以满足吸附要求，但是容易受到浪和流的干扰，其运动规律难以控制。,.,27,水下爬壁机器人研究难点,BACK,由于船体材料的导磁性，履带式磁吸附爬壁机器人在水下作业应用最广，但其自身结构上的特点及永磁体的退磁等对设计造成困