油罐检测爬壁机器人结构设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

油罐检测爬壁机器人结构设计 摘要 ： 弧面机器人是移动机器人领域的一个重要分支 ,它是地面移动机器人结合吸附技术。它可以连接到垂直墙爬行 ,和携带工具来完成特定的任务大大扩大了机 器人的应用范围。 本文检测大型油罐的墙上攀爬机器人结构设计。机器人能爬在水箱表面灵活 ,并携带油箱超声波探头的超声波探伤。文章首先总结了国内外现有的弧面机器人在一些攀爬机构画出设计的文献 ,然后选择最好的解决方案进行比较。计划制定后 ,电机、传输和安装、定位和其他设计计算。主要做以下工作 : 首先 ,概述弧面机器人及其相关领域的现状和未来的发展方向。弧面机器人的总体结构设计 ,选择和分析墙上攀爬机器人的吸附方式 ,并阐述了每个磁路着重好的和坏点。确定最后爬墙爬壁机器人的吸附方式为非接触式永磁吸附方式 ,和弧面机器人的稳定性 和磁性吸附吸引力关系做出了相应的分析。 其次 ,通过分析弧面机器人的运动模式是决定使用 履带 驱动模式的方式运动。通过对电机的驱动能力、机械师、运动学 ,建立机器人的动力学和运动学模式。完成后考虑 ,整体弧面机器人身体的机械结构设计。 关键词 :弧面机器人 ;磁吸附 ; 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 of is an of as it is It be to to to in of of on of in in of at in of by do of of s s s s of it is to as of By of of of on s 目 录 摘要 目录 1 引言 1 课题研究的目的和意义 1 2 爬壁机器人总体方 案 2 体设计要求 2 体方案性能分析 2 附机构 的设 计 3 附方式的选择 4 附单元的设计 4 动 机构的设计 8 动方式的选择 8 动电机 的驱动力 9 倾覆机构的设计 12 3 爬壁机器人机械结构设计 14 壁机器人总体机械结构 14 体框架设 计 14 4 爬壁机器人运动模型分析 16 壁机器人静力学分析 16 壁机器人运动学分析 17 5 结论 20 参考文献 21 致谢 23 1 1 引言 在核工业、石化工业中，工人经常需要面对恶劣危险的作业环境 ； 在消防部门、造船业、高楼清洗中，工人经常处在高空中 ； 在深海作业、抢修救灾中，工人的工作环境更是危险。随着人类的自我保护意识的逐步增强，为了减小或者避免工作环境中的危险，人们迫切需要有 一种能替代人类的高空作业工具，从危险的工作环境中解放出来。 目前，国内外己经有相当数量的爬壁机器人投入使用，主要应用于以下几个方面 : 1)核工业 :对核废液储罐进行检查、测厚及焊缝探伤等。 2)石化企业 :对圆柱形罐体或球形罐体的内外表面进行检测、去 锈或喷漆等。 3)建筑行业 ;壁面清洗、擦玻璃、喷涂墙面、安装瓷砖等。 4)消防部门 :用于传递救援物质，协助救援工作等。 5)造船行业 :用于清洗船体表面、喷涂船体或轮船内壁等。 6)电力行业 :对发电站锅炉水冷壁管壁厚度进行测量。 课题研究的目的和意义 油罐是石化企业中最常见的储存设备，由于压力的作用以及雨水和油品的侵蚀，罐壁可能产生凹坑、裂纹、内部孔洞 等缺陷，这些缺陷不仅会造成油品泄漏，甚至可能引起火灾，因此必须定期进行检测 【 8】 。目前，对油罐的检测均由人工实现，需搭建脚手架，效率很低且危险性高 【 8】 。所以我们需要研究一种能够代替人来实现油罐壁面检测的机器人 壁机器人 高空极限作业的一种自动机械装置，它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来 , 可在垂直壁面上附着爬行 , 并能携带工具完成一定的作业任务 , 大大扩展了机器人的应用范围。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 2 2 爬壁机器人总体方案 体设计要求 本课题主要针 对 油罐 检测爬壁机器人 进行 结构设计。 该机器人能在油罐表面灵活爬行，并携带超声探头对油罐进行超声探伤。因此该机器人能够在钢制壁面爬行、 能够携带检测探头到达壁面任何位置，且机器人必须具备在钢质壁面可靠吸附的能力、有一定的运动精度和稳定性。所以必须具备稳定的移动能力和抗倾覆能力。 下面将基于大型油罐检测的实际特点对上述各项功能选择最优的解决方案。 体方案性能分析 （ 1） 有效 负载 爬壁机器人携带超声波探头在垂直壁面上运动，需克服自身重力。同时控制信号采用电缆线传输，大约需要长 50m，重约 6再加上 电缆线及超声波探头的重量 。根据任务书要求， 机器人的最大有效负载为 20机驱动力不小于 340N。 （ 2）结构尺寸 爬壁机器人自身的尺寸决定了其运动的灵活性，为了使机器人 能够 转向灵活、不易 倾覆 ，就要合理缩小机器人的大小和重量。并且机器人的高度直接影响其倾覆能力，所以也应尽量减小其高度。根据实际测量的数据显示，油罐口孔的直径约为 600此机器人本体的三个投影面中至少有一个面的对角线要小于600 但由于永磁体的吸附面积受到机器人底面长和宽的限制，需要留有永磁吸附单元的空间，尺寸又不能太小。综合考虑将 机器人设计成 64535090 （ 3）爬行速度 爬行速度主要是根据高 效性 、准确性和安全性确定。速度过快会引起机器人的倾覆，使定位的精度降低；速度过慢又会降低检测的效率。 根据任务书将 爬行速度设定为为 :0 2m/ （ 4）运动精度 爬壁机器人能够灵活准确运动，是准确检测油罐的基础和前提。 由于油罐壁面是凹凸不平的， 机器人在油罐壁面爬行过程中行进路线略微偏离了油罐母线，买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 3 且 油罐高度很大，机器人爬行一段 距离 后误差会被放大，从而可能造成漏检或者重复检测 ，这些都 会造成爬壁机器人在检测运动不精确 。所以要在机器人的本体上安装倾角传感器。倾角传感器根据角度偏差来调整爬壁机器人的运行姿态。 （ 5）越障能力 油罐的焊接有对焊和叠焊两种形式， 因此机器人要安全越过焊接处，就必须能够跨越 5 10 （ 6） 设计性能指标 根据上面的分析，得到如下的性能指标： 最大尺寸： 645350190器人自重： 24载能力： 20动速度： 0 2m/障能力： 5 10附机构的设计 目前爬壁机器人 的 吸附方式可以分为：真空吸附、磁力吸附和气流负压吸附 ，吸附方式 的种类 的 优缺点见下表 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 4 表 种吸附方式的比较 吸附方式 优点 缺点 真空吸附 单吸盘 结构简单、体积小、易于控制、不受壁面材料限制 越障能力低、对于复杂壁面环境不适应、断电和超过泄漏量将丧失吸附能力 多吸盘 密封性好、吸附力稳定、越障能力好、壁面过渡能力强 结构复杂、控制难度大、 断电和超过泄漏量将丧失吸附能力 磁力吸附 永磁式 维持吸附力、不受断电的影响、安全可靠、吸附力稳定、壁面适应性强 只适合导磁材料、控制较为麻烦 、运行时磁体与壁面脱离较困难 电磁式 磁体与壁面的脱离容易、吸附力实时可调、壁面适应性强 需要消耗电能、 受断电影响、 电磁体重量大、不适合易燃易爆场所 气流负压吸附 无泄漏问题、壁面适应性强、 吸附不稳定、运动精度有限 、体积大、效率低 附方式的选择 考虑到油罐壁上凹凸不平且有铁锈或其它杂质，所由上表可以看出，真空吸附 方式 容易使吸盘漏气导致爬壁机器人滑落，因此不适合选择 ；爬壁机器人需要携带很多设备，这就要求机器人 的 运动 能够 灵活、安全稳定、爬行速度快， 而气流负压吸附方式吸附不稳定、运动精度有限、体积大、效率低，因而也 不适合使用；油罐 是钢结构组成，是导磁材料，适合 磁 力 吸附方式，但考虑到油罐内装有易燃易爆物质，所以不适合选择电磁式吸附；而永磁式吸附结构简单、吸附力大，对壁面的凸凹适应性强，无漏气问题，很适合设计的要求。 附单元的设计 永磁吸附单元的设计的原则 是选择最优的材料和最合理的磁路结构，在提供稳定 吸附力的同时减小爬壁机器人质量， 并 提高其 运动 和负载能力。 综合考虑磁体的性能指标，确定吸附单元的永磁材料为钕铁硼 性能买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 5 参数见表 表 铁硼 性能参数 剩磁 /) 磁感矫顽力/kA/m) 内禀矫顽力/kA/m) 最大磁能积/(BH)kJ/温度系数(%/ ) 密度 ( / 最高工作温度（） 回复磁 导率 /51 955 955 264 288 103 80 种磁路结构简图 永磁体的磁路结构形式主要有图 (a)开路结构，漏磁严重，磁力损失较大。 (b)两块轭铁内夹永磁体结构，气隙较小时，产生吸附力的较大，但随着气隙的增大，其吸附力会迅速减小 。 (c)N、 S 磁铁附着轭铁结构， 漏磁小。磁块越靠近吸附体，产生的吸附力越大，工作气隙范围较大 。根据以上性质，结合 结构简单、 安装方便、 使用便捷 和可靠性 ， 将采用 图 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 6 图 路结构简图 单个永磁体的尺寸为 60255使用面积为 1500两块磁铁间的隔磁材料选择厚 度 为 5 则永磁体气隙的能量为： 022 式中： E 永磁体 气隙能量， J； 永磁体 气隙磁通密度， T； 永磁体 气隙截面积， 永磁体 气隙长度， m； 0 真空绝对磁导率， 04 。 永磁体的磁吸附力满足下式： 022 (根据磁通量守恒原理，工作气隙的磁通量与有用磁通量应保持相等，即： (式中： 永磁体的截面积， 工作气隙磁势与永磁体中的磁势与关系式为： (式中： 永磁体的长度， m； 永磁体气隙的磁场强度， A/m； 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 7 f 磁阻系数， f = 永磁体气隙的磁场强度与磁通密度的关系式为： B (式中： r 永磁体气隙的相对磁导率。 因为空气磁导率 : r =1，所以： B (永磁体有用磁通密度 e )( (式中： 永磁体 有用磁通密度， T； 永磁体 工作点的磁通密度， T； 永磁体 漏磁通密度， T； 永磁体最大磁能点对应的磁通密度， T； 永磁体最大磁能点对应的磁场强度 ， A/m； 永磁体 工作点的磁场强度 ， A/m； 回复磁导率。 由式 (永磁体吸附力 F 为： 202e e 吸 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 8 图 作气隙变化对磁力影响关系图 由式 (以得出如图 示的磁力与气隙之间的关系。爬壁机器人满足设计要求 并提供有效 吸附力 的磁块与壁面 气隙在 04从图中可以看出 永磁体吸附力的大小与气 隙成平方关系衰减。工作气隙过大则吸附力不足将导致爬壁机器人脱落， 工作气隙过小会影响机器人的运动灵活性 。 所以 为了保证爬壁机器人作业时的安全 性和灵活性，将在永磁体下方安装 2 动机构的设计 动方 式的选择 爬壁机器人的 移动方式主要分为：轮式、履带式和多足式。 三种移动方式 比较见表 图 种移动方式比较 移动方式 轮式 履带 多足式 概要 一般由电机以绞合方式驱动或每个轮都单独配置一个电机驱动 由电机驱动履带实现爬壁机器人的移动 用电机实现足部吸附力的变化，完成足部的脱离运动， 实现移动 特点 运动速度快，转向灵活、与壁面摩擦力较小、负载能力小、 越障能力较差 运动安全平稳、负载能力强、 对壁面适应能力强 运动速度慢、运动平稳性差、越障能力强、在垂直壁面容易脱落、 负载能力差 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 9 爬壁机器人检测 金属罐容积时需要快速 且 平稳的运动。多足式移动速度慢，运动平稳性差，在永磁吸附方式 下腿部与壁面脱离需要很大的力，控制难度大，使其在设计上很难实现； 轮 式的 负载能力小 、 越障能力差 ，且 运行不够平稳 。它主要应用于携带小 型的检测设备而不适合携带 功能更多的大型检测设备 ； 履带 式运动平稳、 越障能力强、负载能力大 。因此确定 以履带的 方 式为爬壁机器人的移动方式。 动电机 的 驱动力 考虑到爬壁机器人的稳定性和灵活性，选择了直流电机作为驱动电机，并配以减速器辅助其完成工作。第一，与步进电机相比直流电机的负载能力强、 功率大、易于调速 、便于频繁启动与制动； 第二，使用的是直流电源，可以达到石油石化企业金属罐区安全作业环境要求。 第三，采用 直流电机有利于减小爬壁机器人的体积，提供足够的驱动力便于运动控制； 但是直流电机的额定转速一般在 4000 6000r/输出扭矩非常低。为了达到爬壁机器人需要的低转速和高转矩的要求， 就需要安装减速装置。减速器能有效的降低转速并相应地增大电机的转矩。 电机的理想转速为 4500爬壁机器人要求的电机输出转速大约为10可以通过减速比公式求出所需减速箱的减速比： 1:45010:4500比 i (而比实际 ，故选择减速比为 400:1。 (2)电机功率的选择 图 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 10 如图 设爬壁机器人的 上链轮 运动状况相同，设机器人的 爬行速度为 ，加速度为轮子的角加速度为则： ii r ( 1 (式中： 爬壁机器人的速度， m/s； 第 s； i 第 s。 根据图 和 Y 轴分别满足下列等式： ( (式中： 第 机驱动力矩， N/m； 第 N； 第 N； 第 N； 第 N/m； 第 N； 第 N； 转动惯量， Kg* 两式整理得： )( 2(因为假设所有轮子的运动状态相同，所以在其运动方向上有： 4321 (买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 11 式中： 爬壁机器人本体质量， 将 ( (理得： 41 2414141(简化得： )( 41 24141(式中： m 爬壁机器人总质量， 41i 根据公式： (=24 4 中： 当量摩擦系数， = 所以运用公式： (式中： K 余度系数， K=2； 机械效率， =60%； r 车轮半径， r =84 ( 92=后采用 2个 30 (3)驱动力能力的计算 爬壁机器人总转动力矩为： 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 12 i 9 5 5 0(爬壁机器人理想牵引力为： 000 (当爬壁机器人的驱动电机额定功率确定为 30W，传动比为 400i ，500 ， 时，则其驱动力矩为： 9550 (爬壁机器人驱动轮半径 4 ，则爬壁机器人的牵引力为： 18284 (则总牵引力为： 3641822总 F N (从上面的计算可以发现， 2个电机可提供的牵引力为 364N，大于爬壁机器人要求的 340的驱动力， 考虑到 压力和摩擦系 数不断变化以及 油罐 壁面的不稳定因素对爬壁机器人 的影响， 所以 为驱动力留有充分的余量。 倾覆机构的设计 只要磁吸附单元的吸附力足够大，就可以保证爬壁机器人在平直壁面上的可靠 吸附和稳定运动，但是实际的压力容器壁面并非是平直的，焊缝不规则凸起等 都有可能造成机器人倾覆。 磁块 首先与突起接触并被迫后仰一个角度；向上爬行时， 仅 靠磁块 的磁力己无法提供足够的 吸附 力将机器人拉 回正常姿态，因而 重心后仰，产生重力矩，机器人在 重力矩的 作用下进一步后仰；机器人继续爬行，后仰逐渐加剧 ， 从而 导致倾覆 。 这 种现象 称为渐变倾覆。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 13 图 行时渐变倾覆模型 为了解决渐变倾覆 的问题，可 在出现 渐变 倾覆趋势时为机器人提供一个额外的抗倾覆力矩来抵消重力矩的作用。基于这个想法，所以设计了抗倾覆机构。如图 爬行过程中，当壁面为竖直或者越过焊缝时会后仰有剥离壁面的危险，履带张力变小，压紧装置弹簧回复，提供接壁面一个垂直压力，可以压紧履带，保证履带上的永磁体与壁面完整接触，以避免本体倾覆 ， 从而起到提高机器人稳定性的作用。 图 壁机器人抗倾覆机构 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 14 3 爬壁机器人机械结构设计 壁机器人总体机械结构 机械结构是爬壁机器人最重要的 部分，机器人的所有检测功能都是由具体的机械结构相互配合所实现的。 图 壁机器人的整体机械结构 体框架设计 为了减轻爬壁机器人的自身重量，在设计爬壁机器人本体时要考虑所选取的机械材料的自身重量与强度。经过多方对比，选取了铝镁合金板作为本体框架的基础材料。这种材料相对其它金属材料而言密度较小，单位体积重量较轻，能够使机器人本体承受住较大的压力。铝镁合金板不仅大大减轻了本体的 车身的 质量又保证了其强度，同时也考虑到车身内可安装多种设备，当载重量大、车身动力不足时可加装额外的电机，应增加动力。 从图 身的整体结构。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 15 图 壁机器人的车身结构 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 16 4 爬壁机器人运动模型分析 壁机器人静力学分析 要实现爬壁机器人在壁面安全吸附而不发生倾覆跌落现象，就要对爬壁机器人在壁面静止时受到的各种作用力进行分析，确定力学平衡条件，为抗倾覆 设计提供参考。并确定吸附单元需要提供的合理吸附力范围。同时为了爬壁机器人机器人能够 灵活运行 就 必须对 其 运动模型进行分析 ，确定爬壁机器人 的控制 量 和调节量， 从而使 机器人 运行稳定和转向 灵活 。下面就是对各种情况进行的分析。 图 爬壁机器人在壁面上静止时的受力示意图，从图中我们可以清楚的看到爬壁机器人主要受力重力 G 、吸附力 F 、支持力 N 和摩擦力 f 。为了保证爬壁机器人的安全不脱落，必须保证静止时小车受力平衡。 图 假设爬壁机器人 4个车轮的受力情况相同，则爬壁机器人静止在壁面上时，X 轴和 Y 的力学平衡方程为： 0X 4141 i ii 0Y 4141 i ii (式中： 第 i 个轮子所受的弹力， N； 第 i 个轮子所受的吸附力， N； 1 2 2 X O 文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 17 第 i 个轮子所受的重力， N； 第 i 个轮子所受的摩擦力， N。 因为 4个轮子的受力情况相同，且每个车轮在 X 轴方向受力N ，在 Y 轴方向受力 ii fG iN ，所以： /F 4/总 G (其中：总。 爬壁机器人静止在壁面上时，因制动器的制动作用，车轮不会出现沿壁面做纯滚动下滑的情形。此时，仅需考虑爬壁机器人与壁面之间存在的相对滑动而引起爬壁车滑落和倾覆的问题。另外在摩擦系数不变的情况下，要尽量加大吸附力来抵消其重力，使其不会因重力加速度的累加而在下行运动时使车体运动过快。壁机器人运动学 分析 爬壁机器人的 两 轮驱动模式，是利用内外侧驱动轮的转速不同来实现前进、后退、转向等运动状态变化。现假设爬壁机器人运动在一个平面上，而轮子相对于壁面只有滚动，不存在滑动的现象。这就可以建立如图 图 壁机器人的运动示意图 图 壁机器人满足下面的运动规律： L ， R (买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 18 L R ，2 V (式中： 左侧轮子的线速度， m/s； 右侧轮子的线速度， m/s； r 轮子半径， m； L 内外侧轮子的间距， m； L 左侧轮子的角速度， s； R 右侧轮子的角速度， s； 爬壁机器人质心的线速度， m/s； 爬壁机器人 质心的角速度， s。 由式 (知，当 V 时，爬壁机器人的角速度 =0，所以爬壁机器人为直线运行状态；当 V 时 0 时，爬壁机器人的运动方向将发生改变。爬壁机器人要实现转弯有两种方式： (1)当 V 或 V 时，两侧车轮运动速度方向相同，但速度不同，需要利用内外侧车轮速度差产生路程差以实现转弯，此时实现转弯需要很大的转弯半径。 (2)当 度方向相反时 ，两侧车轮的速度差较大，所以单位时间内路程差较大， 这时要实现转弯需要的转弯半径很小，甚至可以实现零位移半径转弯。因此要 实现对爬壁机器人运动状态的转换，只要计算出 可。 若将式 (入式（ 可得： R ( (则爬壁机器人的质心运动方程： x ， y ， (将式 (入 (： 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 19 s i o i o (首先对式 (行解耦处理以简化该式。因为转角 与角速度 有关， y 轴的位移量 只与 有关，故可以用爬壁机器人质心的线速度和角速度作为运动控制变量。 等式如下： 1000s o s再用质心的角速度和线速度求解出 L 和 R ，即： 2 (2 (由 ( (知，只要给出爬壁机器人的线速度和角速度，就可以求出左右轮的角速度。因此利用 速模块，对光电编码器的反馈信号进行处理后，就可以对直流电机驱动的转动速度进行调节，以实现对爬壁机器人运动速度和运动方向的调节。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 20 5 总结 本论文 对大型油罐外壁的检测爬壁机器人进行结构设计。该机器人能在罐表面灵活爬行，并携带超声探头对油罐进行超声 探伤。具有结构简单，控制方便，运动灵活，对壁面适应性强等特点。 主要做了如下工作： (1)介绍了本课题的研究背景、目的和意义，并对现在爬壁机器人国内外的研究发展状况进行了论述，还介绍了几种典型的爬壁机器人。 (2)设计了油罐壁面进行检测的爬壁机器人。阐述了其移动机构和吸附结构的分析设计方案。移动机构采用 履带 方式，实现爬壁机器人在壁面上的灵活转向和运动姿态的调整等；吸附结构是利用钕铁硼永磁体构成非接触吸附 方式，在对永磁吸附力计算后采用了 N、 S 磁铁附着轭铁结构设计来满足爬壁机器人安全平稳的吸附要求。通过这两个关键技术的设计，解决了履带式和永磁吸附单元安放在车轮上的这两种传统爬壁机器人容易对罐壁造成损害以及转向困难的问题。 （ 3）深入分析了爬壁机器人静力学和动力学模型，对爬壁机器人的姿态控制和路径规划运动都有很大帮助。 (4)详尽设计了 履带 驱动、非接触式的永磁吸附爬壁机器人的本体机械结构，给出了 车身、连 轴