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大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告 論 文 題 目： 鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機器人設(shè)計 學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名： 佟萌 指導(dǎo)教師（職稱）： 陳殿華（教授） 2007年1月16日填 一、選題依據(jù) 1． 論文（設(shè)計）題目 鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機器人設(shè)計 2． 研究領(lǐng)域 本題目運用所學(xué)的機械原理、機械設(shè)計、機電控制等知識，設(shè)計檢測用攀行用機器人，來替代人類進(jìn)行危險攀行檢測的作業(yè)領(lǐng)域。 3． 論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀長期以來，人們就想往能在垂直陡壁上攀行，進(jìn)行各種作業(yè)。近年來出現(xiàn)的攀行機器人，實現(xiàn)了這種理想。由于在垂直陡壁上作業(yè)是非常困難和危險的，超越了人的能力極限，所以在國外稱此類機器人為極限作業(yè)機器人。壁面爬行機器人可用來代替人工進(jìn)行的一些危險操作，進(jìn)行各種儲存有毒有害介質(zhì)的球形儲存罐的檢測工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲液罐的視覺檢查、超聲側(cè)厚和焊縫探傷等作業(yè)。它可以代替人類做一些危險的工作，并取得了很大的應(yīng)用價值。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 攀行檢測機器人有著很大應(yīng)用前景，它一經(jīng)問世就受到了各方的重視。1966年日本的西亮教授首次研制成功壁面移動檢測機器人樣機，并在大阪府立大學(xué)表演成功。這是一種依靠負(fù)壓吸附的爬壁機器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的爬壁機器人，到80年代末期已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。 日本在開發(fā)爬壁機器人方面發(fā)展最為迅速,主要應(yīng)用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。日本清水建設(shè)公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機器人，他們研制的負(fù)壓吸附清洗玻璃面的爬壁機器人，曾為加拿大使館清洗。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)了無線遙控磁吸附爬壁機器人。在日本通產(chǎn)省“極限作業(yè)機器人”國家研究計劃支持下，日暉株式會社開發(fā)了用于核電站大罐的負(fù)壓吸附壁面檢測機器人。它有兩個獨立的負(fù)壓吸盤，可以在遙控下由地面自動爬行到大罐的弧形壁面,作視覺檢查與測厚，并可以跨越障礙。日本關(guān)西電力株式會社開發(fā)了核電站壁面點檢的爬壁機器人，移動速度為每分5米，負(fù)重50公斤。日立制造所研制了履帶式磁吸附檢查機器人，帶有超聲檢測裝置。由于采用了負(fù)荷分散機構(gòu)，它能夠適應(yīng)各種凹凸不平的曲面和棚頂。英國在攀行機器人領(lǐng)域也取得許多成果。90年代初RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機器人(取名Beetle)，已作為商品銷售。最高爬行速度達(dá)每分種12米，可以自動記錄每隔一定距離的壁厚，最高爬行高度為25米。英國南岸大學(xué)于1994年研制成功多足多吸盤氣動型攀行檢測機器人，可以攜帶一個小工業(yè)機器人(例如PUMA260),進(jìn)行超聲檢測。它自重22公斤,負(fù)重20公斤。最近來自英國的報道，一種取名為羅布格三號的攀行機器人在貝德福市作演示。它有8條腿,類似巨型蜘蛛，能負(fù)重100公斤，可越障，能將磚放入準(zhǔn)確位置并進(jìn)行檢測，研制者計劃將其應(yīng)用于建筑行業(yè)。 俄羅期彼得堡國立技術(shù)大學(xué)也研制成功負(fù)壓吸附攀行機器人。我國自90年代以來，有許多單位根據(jù)國家經(jīng)濟建設(shè)需要，研制成功各種類型與功能的攀行機器人。上海交通大學(xué)研制成功測量大罐容積的磁吸附攀行檢測機器人。哈爾濱理工大學(xué)研制成功測量大罐漆膜厚度的履帶復(fù)合式攀行機器人。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究所在“863計劃”支持下，于1994年研制成功核工業(yè)用的壁面攀行遙控檢查機器人，最近又與大慶采油一廠合作，研制成功采油行業(yè)中大量使用的儲罐防腐用噴吵、噴漆履帶式磁吸附爬壁機器人，在現(xiàn)場試驗，取得成功。 當(dāng)前，國內(nèi)外都非常重視攀行檢測機器人的研制，主要是因為它有著廣泛的用途，特別是它可以在一些危險環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。攀行檢測機器人是一種新型特種機器人，能在危險工作狀態(tài)下代替人工作業(yè)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。 由于傳統(tǒng)攀行機器人具有很多的不足之處（如對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等），因此未來爬壁機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實用化的方向發(fā)展。 (1) 吸附裝置 最近幾年，美、英、俄等國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力—范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時產(chǎn)生的一種微弱電磁引力。科學(xué)家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬根次納米級的細(xì)毛，每根細(xì)毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)的直徑的十分之一。這些細(xì)毛的長度是人類毛發(fā)直徑的2倍，毛發(fā)前端有100～1000個類似樹狀的微細(xì)分枝，每分枝前端有細(xì)小的肉趾，這種精細(xì)結(jié)構(gòu)使得細(xì)毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。雖然每根細(xì)毛產(chǎn)生的力量微不足道，但累積起來就很可觀。根據(jù)計算，一根細(xì)毛能夠提起一只螞蟻的重量，而一百萬根細(xì)毛雖然占地不到一個小硬幣的面積，但可以提起二十公斤力的重量。如果壁虎腳上650萬根細(xì)毛全部附著在物體表面上時，可吸附住質(zhì)量為13千克的物體，這相當(dāng)于兩個成人的質(zhì)量。科學(xué)家說，壁虎實際上只使用一個腳，就能夠支持整個身體。從壁虎腳的附著力得到的啟示可用于研制爬壁機器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機理的基礎(chǔ)上，運用類比，模擬和模型方法，通過高分子材料化學(xué)，工程材料科學(xué)，力學(xué)和機械學(xué)的交叉研究，探索出一種與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相近的，經(jīng)物理改進(jìn)的極性高分子材料（人造壁虎仿生腳干性粘合劑），并應(yīng)用精密微機械加工的手段，設(shè)計并制作模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置將適應(yīng)于各種材質(zhì)（如玻璃，粉墻和金屬等）和任意形狀的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。這種裝置如果研制成功將使爬壁機器人的實 用化邁出堅實的一大步。 (2) 移動方式 在移動機器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點。足式移動方式的機器人可以相對較容易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機器人的足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運動靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機器人上有著較好的應(yīng)用前景。 (3) 驅(qū)動設(shè)備 傳統(tǒng)伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實用化的要求，為此需要研制利用功能材料構(gòu)成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機。微特電機所組成的驅(qū)動伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機器人關(guān)鍵部件，研制開發(fā)直接驅(qū)動、大力矩、小體積、重量輕、精度高、反應(yīng)靈敏、工作可靠的各類微特電機是提高我國機器人的研究開發(fā)水平，滿足國內(nèi)機器人高性能微特電機的基礎(chǔ)保障。因此微特電機在機器人應(yīng)用的前景是非常樂觀的，而且要求微特電機技術(shù)的發(fā)展，滿足機器人智能化、可靠、靈活、長壽命的需要。因此攀行機器人使用微特電機技術(shù)的發(fā)展趨勢可歸納為朝高精度、高可靠性、直接驅(qū)動、新原理、新結(jié)構(gòu)、機電一體化、超微化方向發(fā)展。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1. 重點解決的問題 Ⅰ、吸附機構(gòu)的設(shè)計 爬壁機器人能吸附于壁面而不下滑，實現(xiàn)的方法主要有兩種：負(fù)壓吸附與永磁吸附。 負(fù)壓吸附法是通過真空泵裝置，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓,從而使機器人吸附壁面，或者由噴射器經(jīng)噴咀將壓縮空氣噴出，使其周圍形成真空,吸附在壁面上。吸盤有單吸盤和多吸盤之分。吸盤尺寸的大小與腔內(nèi)負(fù)壓和相應(yīng)的吸附力、機器人重量、摩擦系數(shù)等有關(guān)，應(yīng)附合以下二個條件：(1)不下滑條件,即摩擦力與重力相平衡 (2)不傾倒條件，即轉(zhuǎn)矩平衡。由分析可知，增強負(fù)壓，增大吸盤面積都可以增加負(fù)重能力。如果機器人邊移動，邊吸附，還會遇到吸盤密封技術(shù)的難點；如果機器人爬行的是弧形壁面，則更會增加制作難度。已問世的各類負(fù)壓吸附爬壁機器人都采取了許多措施。 磁吸附法則結(jié)構(gòu)簡單，吸附力較大，對壁面凹凸適應(yīng)性強。它具有兩種方式：永磁體和電磁鐵。永磁體方式吸附不耗能，安全性高，不受斷電影響；缺點是脫離壁面頗費周折。電磁鐵方式需通電，容易脫離壁面；缺點是體積大、笨重，斷電時有脫離危險。無論那一種磁吸附方式都只適用于導(dǎo)磁性壁面，所以它適用于導(dǎo)磁金屬壁面上的各種作業(yè)，如石油、煤氣等各種鋼儲罐的維修、檢測。真空吸附法不受壁面材料的限制，故應(yīng)用面較廣。除上述兩種吸附方式外，西亮教授于1990年又研制成功推進(jìn)型壁面移動機器人，利用螺旋漿作為推力發(fā)生機構(gòu)，既實現(xiàn)貼附，又能高速移動。由于它使用柴油機，不帶電源線，使用方便，用無線電進(jìn)行遙控。 Ⅱ、移動機構(gòu)的設(shè)計 移動方式有三種：輪式、履帶式、腳式，本設(shè)計采用腳式。 Ⅲ、檢測裝置的設(shè)計 可以采用聲波檢測和安裝檢測探頭裝置對結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行檢測。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） ①整體移動機構(gòu)的設(shè)計 ②吸附機構(gòu)的設(shè)計 ③檢測裝置的設(shè)計 ④統(tǒng)控制及設(shè)計計算 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 本設(shè)計以檢測攀行機器人的研制為主線，在機械結(jié)構(gòu)、運動控制系統(tǒng)和檢測模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，對機器人靜力學(xué)、動力學(xué)、運動學(xué)、軌跡規(guī)劃和姿態(tài)控制等進(jìn)行了較為深入的研究，并進(jìn)行了軌跡仿真。所取得的預(yù)期成果對腳式檢測攀行機器人，乃至腳式移動機器人的研制和發(fā)展做了簡單的研究設(shè)計分析，設(shè)計所研制的鋼材料檢測攀行機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、運動穩(wěn)定可靠、定位精度高、檢測效率高、自動化程度高等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。從而推動攀行機器人研究領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。 三、論文（設(shè)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)） 通過設(shè)計具體的機器人，查閱相關(guān)資料結(jié)合學(xué)過的機器人方面的知識，聯(lián)系已有的知識發(fā)揮自我的創(chuàng)新意識進(jìn)行設(shè)計。 2.論文（設(shè)計）進(jìn)度計劃 1~2周： 題目調(diào)研收集資料，查閱文獻(xiàn)，完成開題報告。 3~5周： 方案設(shè)計與總體設(shè)計分析。 6~12周： 術(shù)設(shè)計完成各部分裝配圖設(shè)計。 13~14周：設(shè)計計算，畢業(yè)論文，外文翻譯。 15~16周：準(zhǔn)備和參加答辯。 四、文獻(xiàn)綜述 機器人是機構(gòu)學(xué)、運動學(xué)、控制理論等學(xué)科發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點問題之一。在各高校機器人設(shè)計活動也已經(jīng)很廣的開展起來，這種氛圍對我國機器人的研制開發(fā)特別以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極意義的。檢測攀行機器人可用來代替人工進(jìn)行的一些危險作業(yè)，進(jìn)行各種儲存有毒有害介質(zhì)的球形儲存罐等的檢測工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲液罐的視覺檢查、超聲側(cè)厚和焊縫探傷等作業(yè)。因此，該項目成為國內(nèi)外科研人員研制開發(fā)的熱點。這種機器人己在部分工程項目中得到了有效的應(yīng)用，具有潛在的市場應(yīng)用價值機器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機器，有著廣泛的應(yīng)用前景隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人的小型化、微型化成為機器人技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。開發(fā)一種小型、便攜的攀行機器人在軍事和民用方面都具有重要意義。在軍事方面，它可以被投放在敵后，爬行于建筑物的外墻或玻璃壁面上，對室內(nèi)的情況進(jìn)行偵察；或者充當(dāng)可移動的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設(shè)施和人員。民用方面可用于高層建筑的表面檢測或進(jìn)行清晰。但是傳統(tǒng)的爬壁機器人或是采用磁吸附方式，依靠磁力吸附于金屬壁面，不適合工作在采用玻璃或大理石的外墻表面；或是采用由真空泵或真空發(fā)生器抽吸空氣產(chǎn)生吸附力的主動吸附方式，需要外接氣源，連接大量的支持設(shè)備，能量耗費大，而且一般伴有較大的噪音，機器人的體積和活動范圍都受到限制，不宜在小型攀行機器人上使用。在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物的表面檢測工作中，預(yù)防性定期檢測和被迫性事后檢測維修工作都存在著較大的缺陷，人工檢測已經(jīng)無法滿足。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人代替人工進(jìn)行高層建筑的危險檢測工作成為了一種新的趨勢，攀行檢測機器人將會得到更廣泛的應(yīng)用。 通過閱讀參考文獻(xiàn)豐富了我對攀行機器人的了解，也學(xué)到了很多知識，對我的畢業(yè)設(shè)計起到了至關(guān)重要的作用。在我大量文獻(xiàn)參考當(dāng)中，形成了比較成熟的設(shè)計思想，從而積累了大量的理論基礎(chǔ)。 五、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 劉淑霞，王炎，徐殿國等.《爬壁機器人技術(shù)的應(yīng)用》.機器人，1999，21(2):148—155. 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