本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì)) 開題報(bào)告論 文 題 目： 鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名：指導(dǎo)教師（職稱）：7 年 1 月 16 日填一、選題依據(jù)1．論文（設(shè)計(jì)）題目鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)2．研究領(lǐng)域本題目運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電控制等知識(shí)，設(shè)計(jì)檢測用攀行用機(jī)器人，來替代人類進(jìn)行危險(xiǎn)攀行檢測的作業(yè)領(lǐng)域。3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)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(jī)器人，實(shí)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(xiǎn)的，超越了人的能力極限，所以在國外稱此類機(jī)器人為極限作業(yè)機(jī)器人。壁面爬行機(jī)器人可用來代替人工進(jìn)行的一些危險(xiǎn)操作，進(jìn)行各種儲(chǔ)存有毒有害介質(zhì)的球形儲(chǔ)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(chǔ)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(xiǎn)的工作，并取得了很大的應(yīng)用價(jià)值。4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢攀行檢測機(jī)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(dòng)檢測機(jī)器人樣機(jī)，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(jī)器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的爬壁機(jī)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(jī)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(jī)器人，他們研制的負(fù)壓吸附清洗玻璃面的爬壁機(jī)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(jī)器人。在日本通產(chǎn)省“極限作業(yè)機(jī)器人”國家研究計(jì)劃支持下，日暉株式會(huì)社開發(fā)了用于核電站大罐的負(fù)壓吸附壁面檢測機(jī)器人。它有兩個(gè)獨(dú)立的負(fù)壓吸盤，可以在遙控下由地面自動(dòng)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(huì)社開發(fā)了核電站壁面點(diǎn)檢的爬壁機(jī)器人，移動(dòng)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(jī)器人，帶有超聲檢測裝置。由于采用了負(fù)荷分散機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)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(dòng)型攀行檢測機(jī)器人，可以攜帶一個(gè)小工業(yè)機(jī)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(bào)道，一種取名為羅布格三號(hào)的攀行機(jī)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(jì)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(jī)器人。我國自 90 年代以來，有許多單位根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，研制成功各種類型與功能的攀行機(jī)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(jī)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(jī)器人。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究所在“863 計(jì)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(jī)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(chǔ)罐防腐用噴吵、噴漆履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人，在現(xiàn)場試驗(yàn)，取得成功。當(dāng)前，國內(nèi)外都非常重視攀行檢測機(jī)器人的研制，主要是因?yàn)樗兄鴱V泛的用途，特別是它可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。攀行檢測機(jī)器人是一種新型特種機(jī)器人，能在危險(xiǎn)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(jī)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(qiáng)，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等） ，因此未來爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí)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(gè)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(shí)產(chǎn)生的一種微弱電磁引力?？茖W(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(gè)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(jì)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(gè)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(shí)，可吸附住質(zhì)量為 13 千克的物體，這相當(dāng)于兩個(gè)成人的質(zhì)量?？茖W(xué)家說，壁虎實(shí)際上只使用一個(gè)腳，就能夠支持整個(gè)身體。從壁虎腳的附著力得到的啟示可用于研制爬壁機(jī)器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，運(yùn)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(jī)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(jī)械加工的手段，設(shè)計(jì)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(jī)器人的實(shí)用化邁出堅(jiān)實(shí)的一大步。(2) 移動(dòng)方式在移動(dòng)機(jī)器人中，輪式和履帶式移動(dòng)方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是足式移動(dòng)方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動(dòng)方式的機(jī)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(jī)器人的足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動(dòng)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(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。(3) 驅(qū)動(dòng)設(shè)備傳統(tǒng)伺服電機(jī)因功率重量比低，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)的地方，而且電機(jī)高速運(yùn)行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實(shí)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(jī)。微特電機(jī)所組成的驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機(jī)器人關(guān)鍵部件，研制開發(fā)直接驅(qū)動(dòng)、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(jī)是提高我國機(jī)器人的研究開發(fā)水平，滿足國內(nèi)機(jī)器人高性能微特電機(jī)的基礎(chǔ)保障。因此微特電機(jī)在機(jī)器人應(yīng)用的前景是非常樂觀的，而且要求微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，滿足機(jī)器人智能化、可靠、靈活、長壽命的需要。因此攀行機(jī)器人使用微特電機(jī)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(dòng)、新原理、新結(jié)構(gòu)、機(jī)電一體化、超微化方向發(fā)展。二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1. 重點(diǎn)解決的問題Ⅰ、吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人能吸附于壁面而不下滑，實(shí)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(jī)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(jī)器人重量、摩擦系數(shù)等有關(guān)，應(yīng)附合以下二個(gè)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(qiáng)負(fù)壓，增大吸盤面積都可以增加負(fù)重能力。如果機(jī)器人邊移動(dòng)，邊吸附，還會(huì)遇到吸盤密封技術(shù)的難點(diǎn)；如果機(jī)器人爬行的是弧形壁面，則更會(huì)增加制作難度。已問世的各類負(fù)壓吸附爬壁機(jī)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(qiáng)。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(diǎn)是脫離壁面頗費(fèi)周折。電磁鐵方式需通電，容易脫離壁面；缺點(diǎn)是體積大、笨重，斷電時(shí)有脫離危險(xiǎn)。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(chǔ)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(dòng)機(jī)器人，利用螺旋漿作為推力發(fā)生機(jī)構(gòu)，既實(shí)現(xiàn)貼附，又能高速移動(dòng)。由于它使用柴油機(jī)，不帶電源線，使用方便，用無線電進(jìn)行遙控。Ⅱ、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 移動(dòng)方式有三種：輪式、履帶式、腳式，本設(shè)計(jì)采用腳式。Ⅲ、檢測裝置的設(shè)計(jì)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(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）①整體移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)②吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)③檢測裝置的設(shè)計(jì)④統(tǒng)控制及設(shè)計(jì)計(jì)算3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果本設(shè)計(jì)以檢測攀行機(jī)器人的研制為主線，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和檢測模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對機(jī)器人靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)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(jī)器人，乃至腳式移動(dòng)機(jī)器人的研制和發(fā)展做了簡單的研究設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)所研制的鋼材料檢測攀行機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠、定位精度高、檢測效率高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。從而推動(dòng)攀行機(jī)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(jì)參數(shù)）通過設(shè)計(jì)具體的機(jī)器人，查閱相關(guān)資料結(jié)合學(xué)過的機(jī)器人方面的知識(shí)，聯(lián)系已有的知識(shí)發(fā)揮自我的創(chuàng)新意識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃1~2 周： 題目調(diào)研收集資料，查閱文獻(xiàn)，完成開題報(bào)告。3~5 周： 方案設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)分析。6~12 周： 術(shù)設(shè)計(jì)完成各部分裝配圖設(shè)計(jì)。13~14 周：設(shè)計(jì)計(jì)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(jī)器人是機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)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(diǎn)問題之一。在各高校機(jī)器人設(shè)計(jì)活動(dòng)也已經(jīng)很廣的開展起來，這種氛圍對我國機(jī)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(jī)器人可用來代替人工進(jìn)行的一些危險(xiǎn)作業(yè)，進(jìn)行各種儲(chǔ)存有毒有害介質(zhì)的球形儲(chǔ)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(chǔ)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(xiàng)目成為國內(nèi)外科研人員研制開發(fā)的熱點(diǎn)。這種機(jī)器人己在部分工程項(xiàng)目中得到了有效的應(yīng)用，具有潛在的市場應(yīng)用價(jià)值機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的小型化、微型化成為機(jī)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(jī)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(dòng)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(jī)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(dòng)吸附方式，需要外接氣源，連接大量的支持設(shè)備，能量耗費(fèi)大，而且一般伴有較大的噪音，機(jī)器人的體積和活動(dòng)范圍都受到限制，不宜在小型攀行機(jī)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(jī)器人代替人工進(jìn)行高層建筑的危險(xiǎn)檢測工作成為了一種新的趨勢，攀行檢測機(jī)器人將會(huì)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(jī)器人的了解，也學(xué)到了很多知識(shí)，對我的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)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] 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