毕业设计（论文）开题报告-吸附式爬壁清洗机设计.doc

.上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 _ 吸附式爬壁清洗机设计 学 院 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化（数控方向） 班 级 BJ1004 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 2014 年 2月27日8吸附式爬壁清洗机设计1 选题背景及其意义机器人是人类二十一世纪的伟大发明之一，是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会产生深远的影响。机器人产业已经成为当代应用最广泛、发展迅速的高科技产业之一。机器人作为高科技领域的一个重要分支，将成为二十一世纪各国争夺的经济技术的制高点。随着城市现代化发展，特别是高层建筑的兴起，以玻璃壁面为代表的壁面结构逐渐演绎成华丽的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任务，并且许多国家已经对建筑壁面的清洗要求做出了明确规定。另一方面，越来越奇特的建筑结构使清洗的难度越来越大，甚至采用传统的清洗方法已无能为力。然而，在社会文明高度发展的今天，人们对生命安全越来越重视，要求停止使用蜘蛛人的呼声已不绝于耳，因此人们期待新的具有人性化的清洗方式出现在高层建筑墙面清洁工作中，爬壁清洁机得到了广泛关注，它将人类从繁重、危险的高楼清洗工作中解放出来，它凭借能够成为高空极限作业的一种自动机械装置的优良特性，越来越受到人们的重视。爬壁清洗机能有效降低高层建筑的清洗成本，提高清洁效率，同时也推动了清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。本课题主要设计一种履带吸盘式爬壁清洗剂，采用履带式移动方式，双履带和车体构成机器人的基本框架；真空吸盘式吸附方式加以完善的配气系统，可为清洗机提供足够的吸附力。吸盘式结构克服了现有爬壁机器人结构上的缺点与不足，提高了爬壁机器人的实用性能。因此，本课题的研究具有较高的科研价值和经济价值。2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）爬壁移动机器人广泛应用于维护、检查、消防、救援、清洗、情报和国防领域等，必将为人类带来巨大的经济效益和社会效益。各工业发达国家都投入大量人力物力，积极进行其理论和技术研究，如日本、美国、英国、俄罗斯、德国、奥地利、西班牙等国相继研制出一些各具特色的爬壁移动机器人实验样机。我国在国家自然基金和863计划的大力支持下，从上世纪90年代中期也相继开发出一些爬壁移动机器人样机。爬壁移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。早在1966年，在大阪府立大学工学部任讲师的西亮利用电风扇进行侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机。1975年，已经身为宫崎大学工学院部教授的西亮又制作了以实用化为目标的二号样机，这是个单吸盘结构、靠轮子行走的壁面移动机器人。此次以后各国著名的大学、研究所、公司纷纷投入力量广泛开展用于极限作业的壁面移动式机器人的研究。相对国外，我国研究和开发机器人始于七十年代初期，国内爬壁移动机器人研究起步较晚。1975年在北京举行的日本科技展览会上，川崎重工业公司首先在中国展出了工业机器人，以此为起点，我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。北京自动化研究所、上海交大、沈阳自动化所、大连组合机床所。广州机床所等十几个单位纷纷开始研制机器人。目前高层建筑墙面作为高楼外防护结构的现象越来越普遍，为了保证玻璃外观的整洁美丽，就需要定期对玻璃表面进行清洗，而大部分玻璃幕墙采用人工清洗作业。这种清洗方法是靠升降平台或吊绳悬挂由人进行玻璃幕墙的清洗，作业方式简单易行，但效率低且成本高，更重要的是高空环境条件恶劣易引发安全事故。随着控制和机电技术的发展，壁面清洗机器人应运而生。利用壁面清洗机器人作业将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有相当的社会、经济意义和广阔的应用前景。玻璃幕墙爬壁清洗机器人的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命。3 研究内容3.1 吸附式爬壁清洗机基本工作原理；吸附式爬壁清洗机主要由吸附部分、移动部分和清洗部分组成。爬壁清洗机应该具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力应大于清洗机的重力，从而防止坠落，同时还应具有驱动机构，能够使清洗机在壁面上自由移动，并且有电机控制清洁头旋转，当清洗机在壁面上移动时能够完成对壁面的清洁工作。3.2清洗机履带结构设计；爬行机构要简单、高效、小型。使机器人能够实现直线移动，保证机器人能够按照地面操作人员的遥控进行工作，用履带与履带轮相啮合形成履带的设计。 图1 三履带轮平行履带3.3清洗机吸附机构设计；吸附机构采用真空吸附技术，设计吸附机构要能产生一定的吸附力，确保机器人工作过程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。图2 爬壁机器人受力示意图Fi：清洗机爬行所用的力；G:爬壁清洗机的重力；d:壁面与爬壁清洗机重心的距离3.4清洗机行走机构的设计；设计清洗机的行走机构能够在壁面上完成直线移动，并且能够跨越高度为5厘米的障碍，并且在运动过程中实现清洗的目的。图3 履带与履带轮啮合原理图3.5清洗机清洗机构的设计；清洁机构是与爬壁机器人相配合用于壁面清洁的机器人附件，实现对壁面的清洗。图4 清洗机清洗部分示意简图4 研究方案4.1 总体方案爬壁清洗机本体主要包括吸附和移动两大部分，移动部分由直线行走部分组成，将吸盘的真空吸附方式和履带式移动方式相结合，真空吸盘固定在柔性的履带上，采用双履带对称结构，通过电机带动履带运行使清洗机能够进行直线运动，吸盘部分通过吸盘固定装置固定在可以产生足够大的吸附力，使清洗机能够在爬行的过程中安全可靠地吸附在工作壁面上；控制系统主要任务是控制清洗机在壁面上的作业功能；清洗系统的主要任务是清洗壁面，通过电机控制清洁头旋转达到清洗目的。4.2 拟采取的技术措施爬壁清洗机融合了吸盘式真空吸附和履带式移动方式的优点，吸盘在履带上的分布和履带自身柔性使得清洗机能够跨越障碍物，又因为有吸盘的存在，使履带不直接与壁面接触，可能的障碍有玻璃的连接处等，壁面凹凸起伏不大，履带吸盘式的结构具有逾越较小障碍的功能；同时，考虑到机器人运行的平稳性和履带的使用寿命，因此清洗机履带结构由驱动轮（主动轮）置中，导向轮（从动轮）对称分布，从动轮对称布置的方式使履带受力最大处避开了履带弯曲处，驱动轮及导向轮兼做支撑轮，可增大接触面积且使履带上受力集中处远离履带弯曲处，减少了对履带的损害提高了履带的使用寿命。吸盘式真空吸附方式适用于多种工作环境，扩大了清洗机的工作范围。真空吸附机构包括气动回路、真空泵和吸盘系统，吸附机构由吸盘、配气盘组件、气动回路等组成。吸盘通过吸盘固定装置固定在履带上，在清洗机工作的过程中随着履带转动而转动，配气盘给达到相应位置的吸盘组件进行抽气或者进气，从而产生或是破坏真空的环境。爬壁清洗机的行走机构主要由吸盘组件、履带、履带轮、控制系统、传动系统等构成。履带轮与履带的联结方式模拟齿轮齿条啮合，使清洗机能够平稳快速地在壁面上移动，通过配气盘给吸盘组件进行抽气或进气，产生或是破坏真空的环境，使吸盘吸附或离开壁面，在清洗机工作过程时，保证同时有若干组吸盘出于工作状态，完成清洗机在壁面上的吸附以及移动，通过改变左、右电机的转动方向，可以实现爬壁清洗机的前进、后退以及转弯动作。爬壁清洗机的清洗机构由清洁系统支架、清洁电机、滚刷、电池、开关等组成，清洁电机由电池供电，清洁口安装在电机伸出杆上。闭合控制开关，滚刷旋转，机器人在壁面上移动时即可完成对壁面的清洁工作。5 进度计划2013年12月- 2014年1月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。2014年2月- 2014年3月：清洗机的车体总体结构方案分析2014年3月- 2014年4月：清洗机总体方案及结构的确定、详细设计与计算2014年4月- 2014年5月：清洗机行走机构、吸附机构的设计与计算2014X年5月- 2014年5月：清洗机车体各关键部件及装配图的绘制2014年5月- 2014年6月：编写毕业论文。2014年6月- 2014年6月：毕业答辩准备和答辩。参考文献1 何雪明， 丁毅，朱明波. 真空吸附式爬壁机器人设计.西北轻工业学院学报，19972胡启宝.多吸盘式玻璃幕墙清洗机器人本体设计.上海交通大学，20073蔡丽君.履带式爬壁机器人设计与研究.上海工程技术大学，20114田静眉.真空吸附式壁面清洗机器人结构设计与研究.西南交通大学，20135吴神丽.新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计.成都理工大学，20096 徐东; 杨鸣凯; 齐文; 陈戈. 竖直玻璃幕墙清洗机器人的设计.中国科技信息，20117陈沛富.高楼玻璃幕墙清洗机器人设计研究.重庆大学，20068 姬国钊，张世伟，王奇斌，李俊秀，王卓.真空吸附式爬壁清洗机器人的研制.中国真空学会2008年学术年会论文摘要集，20089张国平，杨杰，高婧宇.爬壁机器人真空吸附及运动方式探讨.液压气动与密封，200710 白琨. 履带式移动机器人越障能力的研究.内蒙古工业大学，200711 Ruey Fang Shyu , Hsiarng Yang.Vacuum suction aid for microlens array formation using LIGA-like process.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology , 2006, Vol.29 (5), pp.518-52312 Chintamani , Singhal Vinay , Singh JP , Bansal Anju , Saxena Sunita. Half versus full vacuum suction drainage after modified radical mastectomy for breast cancer- a prospective randomized clinical trialISRCTN24484328 . BMCCancer , 2005, Vol.5 (1), pp.1113 Su Yanqing , Ye Xicong , Guo Jingjie , Fu Hengzhi. Study on Vacuum Suction Casting for TiAl-Based Alloys. Rare Metal Materials and Engineering , 2009, Vol.38 (9), pp.1505-150814 R.A. Haslam , H.J. Williams. Ergonomics considerations in the design and use of single disc floor cleaning machines. Applied Ergonomics , 1999,Vol.30(5),pp.391-39915 Navrtil Petr. Laboratory Mobile Double Track Robot. Procedia Engineering ,2012,Vol.48(),pp.463-468指导教师意见课题对吸附式爬壁清洗机设计中所涉及到的相关问题进行调研，深入分析了吸附式爬壁清洗机设计中存在的主要问题。并根据调查结果，提出了吸附式爬壁清洗机设计的具体方案。该学生态度端正,课题立意较为明确，对吸附式爬壁清洗机设计相关领域的国内外研究现状有一定的了解和认识，吸附式爬壁清洗机设计方案可行，能够紧扣吸附式爬壁清洗机设计中的主要内容展开分析，工作进度计划基本合理，做了不少为完成课题方面的前期基础工作，相信能够通过后面的努力，撰写出达到学士学位论文要求的毕业设计论文。同意开题。 指导教师签名： 年 月 日开题