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机器人
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毕业设计（论文）开题报告题目爬墙机器人气压传动系统及控制硬件设计专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 05031304学 生 姓 名 曾巧芸指 导 教 师 袁坤填 表 日 期 2009 年 3 月 23 日一、选题的依据及意义：爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支，它把地面移动机器人技术与吸附技术结合起来，其主要作用是在壁面或顶部进行移动作业。 随着经济的快速发展，城市中的高层建筑越来越多，许多高层建筑都以玻璃墙或其它幕墙为装饰，因此带来了建筑物幕墙的清洗问题。高大建筑物的幕墙清洗工作是一项繁重而危险的工作。目前国内外使用的方法主要有三种，一种是用绳索直接吊挂清洁工在幕墙上作业，这种方式危险性很大；第二种是靠楼顶轨迹车和升降平台承载清洁工进行玻璃窗和壁面的清洗，但这种方式未能根本消除工人的危险，而且系统成本极高；第三种是用安装在楼顶的轨道和吊索系统将擦窗机对准窗户进行自动清洗。这种方法除了成本高之外，还要求在建筑物设计之初就要将擦窗系统考虑进去，从而限制了这种方式的使用。对于高层建筑物饿幕墙清洗，特别是复杂幕墙的清洗，最好的解决方法就是用可在幕墙壁面自由爬行的移动机器人。目前已经有很多机构、研究所等设计并制造出一些可以代替人工完成高层建筑清洗任务的玻璃擦拭机等，推动了清洗事业的发展，带来了相当的经济效益。此外，爬壁机器人还用于核工业对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；化工工业中圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷沙除锈的应用；建筑行业喷涂巨型墙面、壁面清洗、擦玻璃等；消防部门用于传递救援物资，进行救援工作；造船业用于喷涂船体的内外壁等等。因此爬壁机器人研究的具有产生较好的经济效益好社会效益的前景。二、国内外研究概况及发展趋势（含文件综述） 自1966年日本的西亮教授研制出第一个爬壁机器人以来，爬壁机器人在日本得到蓬勃发展。之后，英国、西班牙、美国、德国和俄罗斯等国也相继研制出多种爬壁机器人样机。20世纪80年代以来，国内许多院校和科研单位也在爬壁机器人领域取得了长足发展，研制了多种型号的爬壁机器人。1、国外爬壁机器人研究现状 1966年日本大阪府立大学工学部的西亮教授成功研制出第一个垂直壁面移动机器人样机，该机器人利用电风扇进气侧的低压作用作为吸附力，使机器人贴附在垂直壁面上。1975年他又采用单吸盘结构制作出以实用化为目标的第二代爬壁机器人样机。 1997年俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制出的用于大型 壁面和窗户清洗作业的爬壁机器人也采用单吸盘结构。，该机器人利用风机产生真空负压来提供吸附力，吸盘腹部装有4个驱动轮，机器人可在壁面全方位移动。美国西雅图的Henry R Seemann在波音公司的资助下研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人“AutoCrawler”。其两条履带上各装有数个小吸附室，随着履带的移动，吸附室连续的形成真空腔而使得履带贴紧壁面行走。 日本光荣公司研制了一种多吸盘爬壁机器人，该机器人装有两组真空吸盘。机器人本体上自带两个真空泵、电池、控制系统和无线通讯系统。机器人一次充电可以工作约30分钟，工作范围为距遥控天线10米以内，最大行走速度为30cm/min，用于高大建筑物墙壁的检查工作。 20世纪90年代初，英国朴茨茅斯工艺学校研制了一种多足行走式的爬壁机器人。采用模块化设计，机器人由两个相似的模块组成，每个模块包括两个机械腿和腿部控制器。可根据任务需要来安装不同数量的腿，可重构能力强。机械腿采用仿生学结构，模拟大型动物臂部肌肉的功能，为两节式，包括上下两个杆3个双作用气缸，具有三个自由度。稳定性好，承载能力大，利于机器人的轻量化，并能跨越较大的障碍物。除腿部端各有一真空吸盘外，机器人腹部设有吸盘，使机器人具有较大的负载质量比，可达2：1. 日本宫崎大学的NiShi教授研制出一种具有两个旋转叶片的“飞行机器人”，利用两个旋转叶片产生的指向壁面的推力，使机器人与壁面间产生足够的摩擦力，而使机器人能够附着在壁面上。机器人装有两个56cc的内燃机，速度为0.5m/s，质量为20kg，可用于火灾等危险作业。美国密歇根州立大学研制了两种双足结构的小型爬壁机器人，均采用真空吸附方式。机器人由一个移动关节和4个移动关节组成运动机构，共5个运动关节。采用模糊控制方式，机器人外形尺寸为高80mm、宽50mm，质量为450g。机器人的步态规划采用了一种有限状态机制来描述机器人的运动状态，并以此为基础建立了机器人的步态规划。机器人样机均采用欠驱动机构，减少了机器人的质量和能耗。机器人可以在墙壁、天花板上爬行，以及在两个表面之间过渡爬行，也可爬越管道一类的障碍物。1990年以来，西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所研制出一种6足式爬壁机器人。该机器人为磁吸附式，具有较大的静载荷，目的是为了工业上的应用。美国Case Western Reserve University研制的采用4个“腿轮”上的爬壁机器人样机，与前两种机器人相似，该机器人依靠4个“腿轮”上的仿生粘性材料来吸附，该机器人质量仅有87g。2、国内爬壁机器人研究现状 自1988年以来，在国家“863”高技术计划的支持下，哈尔滨工业大学机器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附两个系列的5种型号壁面爬壁机器人。1994年开发的用于高楼壁面清洗作业的爬壁机器人CLR-I，采用全方位移动机构，机器人在原地就可以任意改变运动方向。之后开发的CLR-，采用两轮独立驱动方式同轴双轮差速机构，通过对两轮速度的协调控制实现机器人的全方位移动，机器人本体和地面控制站之间采用电力线载波通讯方式。上述3款爬壁机器人均采用单吸盘结构，弹簧气囊密封，保证了机器人具有较高爬行速度和可靠的附着能力。1995年研制成功的金属管防腐用磁吸附爬壁机器人，采用永磁吸附结构，靠两条履带的正反转移动来实现转弯。该机器人可为石化企业金属储蓄罐的外壁进行喷漆、喷砂，以及携带自动检测系统对罐壁涂层厚度进行检测。1997年研制的水冷壁清洗、检测爬壁机器人，呈圆弧形永磁吸附块与罐壁圆弧相吻合，提高了吸附力，也提高了作业的效率。 上海大学也较早开展高楼壁面清洗作业机器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁机器人和球形爬壁机器人。该球形壁面爬壁机器人采用多棋盘、负压吸附、6足独立驱动腿足行走方式，可用于不同曲率半径的球形外壁面。 近年来，上海交通大学也展开了爬壁机器人的研究。设计了一种自身无行走机构而依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机。机器人腹部的两个吸盘交替抬起和吸附可实现跨越水平窗框障碍运动。3、爬壁机器人的发展趋势 驱动、传感、控制等硬软件技术的发展极大推动了爬壁机器人技术的发展，实际应用的需求也对爬壁机器人的发展提出了挑战，爬壁机器人的发展趋势归结起来主要有以下几方面： （1）新型吸附技术的发展。吸附技术一直是爬墙机器人发展的一个瓶颈。它决定了机器人的应用范围。 （2）爬壁机器人的任务由单一化向多功能化方向发展。过去所研制的爬壁机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业，作业任务往往只局限于单一的任务。 （3）小型化、微型化是当前爬壁机器人发展的趋势。在满足功能要求的前提下，体积小、质量轻的机器人可较小能耗，具有较高灵活性，并且在某些特殊场合也需要机器人具有较小的体积。 （4）由带缆作业向无缆化方向发展。由于爬壁机器人的作业空间一般都较大，带缆作业极大限制了机器人的作业空间。所以，无缆化成为现在和未来爬壁机器人的发展趋势。三、研究内容：本课题的主要研究内容如下：1、爬壁机器人的气压传动系统2、爬壁机器人的气压传动设计3、使最大有效负载为15kg，吸附方式为负压吸附，负压为-600mm H2o四、目标、主要特色及工作进度 目标： 设计出符合技术要求的爬壁机器人 主要特色： 系统工作安全，操作简单 工作进度： 1、外文翻译(6000实词以上)；(1周) 2月23日 2月27日 2、收集有关资料，写出开题报告； (3周) 3月2日 3月20日 3、系统方案设计； (4 周) 3月23日 4月17日 4、气压传动系统计算与设计；(3 周) 4月20日 5月8日5、控制系统硬件设计； (2周) 5月11日 5月22日6、撰写论文； (2周)5月25日 6月5日7、毕业设计审查、毕业答辩 （2周）6月8日 6月19日五、参考文献1 刘淑霞，王炎，徐殿国，等.爬壁机器人技术的应用J. 机器人，1999，21（2）：148-155.2 付宜利，李志海.爬壁机器人的研究进展J.机械设计，2008，25（4）：1-4.3 谈土力，龚振邦，张海洪等.壁面自动清洗机器人研制J.高技术通报,2003,12(2): 83-874 高学山，徐殿国，王炎.新型壁面清洗机器人的研究与设计J.高技术通报,
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