油罐检测爬壁机器人结构设计开题报告

1、 毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述引言爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支, 可在垂直壁面上灵活移动, 代替人工在极限条件下完成多种作业任务, 是当前机器人领域研究的热点之一。进入21 世纪以来，机器人在各行各业中都得到了广泛的应用和发展，其研究与应用水平已成为一个国家经济实力和科技发展水平的重要标志。爬壁机器人是特种机器人的一种,它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来, 是在恶劣、危险、极限等情况下进行特定作业的一种自动化机械装置，如今越来越受到人们的重视。目前, 爬壁机器人主要应用于核工业、石化工

2、业、造船业、消防部门及侦查活动等领域得到了应用【1-2】。爬壁机器人的应用取得了良好的社会效益和经济效益。经过30多年的发展, 爬壁机器人领域已经涌现出一大批丰硕的成果,特别是20世纪90年代以来, 国内外在爬壁机器人领域中的发展尤为迅速。近年来, 由于多种新技术的发展, 爬壁机器人的许多技术难题得到解决, 极大地推动了爬壁机器人的发展, 特别是小型爬壁机器人成为机器人领域的一个研究热点。传统爬壁机器人的结构、吸附方式、移动方式及其特点爬壁机器人必须具有两个基本功能：在壁面上的吸附功能和移动功能。传统爬壁机器人按吸附功能可分为真空吸附、磁吸附和气流负压吸附等几种形式：真空吸附法又分为单吸盘和多

3、吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦【3-4】。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境【5-7】。气流负压吸附是靠螺旋桨等形成的气流负压力的壁面法 向分量将机器人压附在壁面上 ，这种方式的吸附力大小较容易控制 ，但吸附稳定性和运动精度有限【8】。爬壁机器人按运动机构分为多足步行式、轮式

4、、履带式等【8-10】,其中,轮式和足式使用 毕 业 设 计 开 题 报 告较为广泛,履带式多用于磁吸附方式。越障能力是爬壁机器人壁面适应性能的一个重要指标。多足式能跨越很小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯。而这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱【11-12】。驱动设备传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用化的要求，为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密度的新型电机【13-15】。微特电机所组成的

5、驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件，研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机，是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内研制高性能机器人的基础保障。因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的，爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为:朝着高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。超声波电机:利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特的运行机理，超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点:(1) 靠摩擦力驱动，断电后具有自锁功能；(2) 转

6、矩密度大，低速下可产生大转矩，不需齿轮减速机构，因而体积小、质量轻、控制精度高、响应速度快；(3) 运行无噪声，不产生也不接受电磁干扰等。正是由于超声波电机具有众多优点，所以它在爬壁机器人上将有非常好的实用价值。国外爬壁机器人发展概况爬壁机器人是一种能够在壁面爬行作业的极限作业机器人，它是集机构学、传感技术、控制和信息技术等为一体的高技术产品，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。在过去的几十年里，爬壁机器人技术在世界范围内得到迅速发展，也相继研制出了不同种类的样机，有些已经投入实用。在这一领域，日本取得的成绩突出，美国、英国、法国、意大利、西班牙、澳大利亚、韩国等国也在不断深入

7、研究【16】。早在1966年，在日本大阪府立大学工学部任讲师的西亮，就利用电风扇进气侧低压 毕 业 设 计 开 题 报 告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，这被看作是爬壁机器人研究的开端【17-18】。日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9 m/min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一

8、个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大【19】。此后的几十年里，爬壁机器人技术在世界范围内得到了迅速发展，也相继研制出了不同种类的样机，有些已经投入实用。国内爬壁机器人的发展概况和国外相比，国内爬壁机器人的研究起步较晚，但近几年已取得了很大进步。我国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人本体的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开

9、发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人【20】。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离;机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。1988年在国家“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种型号壁面爬行机器人【8】。研制成功的我国第一台壁面爬行遥控检测机器人,采用负压吸附,全方位移动轮,用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。1994年开发的用于高楼壁面清洗作业的爬壁机器人clr-,采用全方位移动机构

10、,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【21】。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。该机器人可以为石化企业金属储料罐的外壁进行喷漆、喷砂,以及携带自动检测系统对罐壁涂层厚度进行检测。毕 业 设 计 开 题 报 告1997年研制的水冷壁清检测爬壁机器人,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。到了2000年，哈尔冰工业大学机器人研究所研制了水冷壁

11、爬壁机器人，此机器人主要用于对火电站锅炉的水冷壁进行检测和清扫。机器人的行走机构的双履带，每条履带上均布有30块永磁吸附块，运动过程中，每条履带上有一部分磁块与壁面接触良好，从而使机器人贴附在墙壁上【11】。传统爬壁机器人的结构与未来发展趋势 随着社会的不断发展，工作环境的不断发展和特殊，传统的爬壁机器人所暴露出来的问题也随之增多，如对壁面的材料和形状的适应性不强，越过障碍物的能力弱，体积大，质量重等，所以未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展【22】。而爬壁机器人的关键技术相比普通的机器人有多那么几点，首先是吸附方式，吸附机构的作用是产生一个向上的力来平衡机器人的重力,使其保持在壁面上

12、。目前,吸附方式主要有真空负压吸附、磁吸附、螺旋桨推力及粘结剂等几种方式。由于油罐是圆球形机器人与壁面的角度在不断的变化，相对来说说这些吸附方式都很局限性，无法通用化，未来吸附方式则是应用与精密微机械加工的手段制作出和任意形状的表面都可以适应的装置【23】。 驱动、传感、控制等硬软件技术的发展极大地推动了爬壁机器人技术的发展【24】, 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。吸附技术一直是爬壁机器人发展的一个瓶颈,它决定了机器人的应用范围。由于目前应用比较成熟的吸附技术都有很大的局限性,在很多情况下以满足实际应用的

13、要求。因此,开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向。模仿壁虎等动物脚掌的仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展的热点【25】。(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。而目前人们则希望爬壁机器人能够装备多种工具,在不同的场合进行工作。比如机器人能够在空间飞行器上进行安装及外部维护作业等【26】。(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小的体积。各种微型驱动元件、控

14、制元件及能源供应方式的发展,为小型化、微型化奠 毕 业 设 计 开 题 报 告定了基础。(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, 带缆作业极大地限制了机器人的作业空间, 所以,为了提高机器人的灵活性和扩大工作空间,无缆化成为现在和未来爬壁机器人的发展趋势。(5)由简单远距离遥控向智能化方向发展。与人工智能相结合,使机器人在封闭环境中能够具有一定的自主决策能力,完成任务, 并具有自我保护能力是移动机器人发展的重要方向, 也是爬壁移动机器人的重要发展方向。(6)可重构是机器人适应能力的一项重要指标。为了使机器人能够应用于不同场合, 根据任务需求, 在不需要重新设计系统

15、条件下, 充分利用已有的机器人系统, 应使机器人具有可重构性, 即具有模块化结构。根据任务需求,把需要的模块直接连接起来组成新的机器人。结束语综上所述,经过多年的发展,爬壁机器人领域取得了丰硕的研究成果,并且在一些领域得到了实际应用,取得了良好的社会效益。仿生学、微机电一体化、新型驱动器、高分子材料等新技术、新理论的应用极大地推动了爬壁机器人的发展,使其功能越来越强大。爬壁机器人的研究正向着采用新型吸附方式、多功能化、小型化、无缆化、智能化、可重构化等方向发展。在21世纪的今天随着对生产力要求的不断提高，爬壁机器人将会出现在越来越多的新领域中如反恐排爆、侦察救灾及空间作业等，具有无限的市场前景

16、。也可以这样说21世纪是机器人大爆炸的时代谁先掌握这种技术谁就把握住了时代的脉搏走在了世界的前端。而爬壁机器人作为移动机器人领域的一个重要分支应给予高度的重视。参考文献：1 潘佩霖、韩秀琴、赵言正等.日本磁吸附爬壁机器人的研究现状.机器人，1994；16 （6）：379-382.2 马培荪、陈佳品、俞翔.油罐容积检测用爬壁机器人的研制，上海交通大学学报，1996；30（11）：159-1643 邵浩.壁面清洗爬壁机器人.中国第五届机器人学术会议论文集.北京：机械工业出版社，1997；134-138.毕 业 设 计 开 题 报 告4 田政.磁力吸附式船体喷漆装置.世界发明，1984；7（11）：

17、13.5 佟仕忠、肖立、丁启敏、吴俊生.爬壁机器人的现状与发展.热点论坛,2004；（11）:82-846 高学山、徐殿国、王炎.新型壁面清洗机器人的研究与设计.高技术通讯，2004；（4）：39-44. 7 谈士力、沈林勇、陈振华，等.垂直壁面行走机器人系统研制.机器人，1996；18（4）：232-237.8 田兰图.油罐检测爬壁机器人技术及系统研究,2004；（5）. 9 刘淑霞、王炎、徐殿国等.爬壁机器人技术的应用.机器人，1999；21（2）：148-154.10 刘海波、武学民.国外建筑业的机器人化-国外建筑机器人发展概述.机器人，1994；16（2）：119-128.11 潘焕焕

18、、赵言正、王炎.锅炉水冷壁清扫、检测爬壁机器人的研制j.中国机械工程，2000，11(4):372376.12 宗光华.高层建筑擦窗机器人.机器人技术与应用，1998；72（4）：20.13 刘宝廷、程树康、崔淑梅等.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨工业大学出版社，1997.14 黄维纲、王显正.两足步行爬壁机器人控制系统的研究.传动技术，1998；（1）：11-15.15 汪劲松、张江红、罗振壁等.四足步行机的地-壁过渡规划.机械工程学报，1994；30（4）：55-61.16 东光、宕明.非结构化环境中的爬壁机器人.机器人情报，1992；20（4）：28-29.17 王荣华.爬壁机器人设

19、计及动力性能研究.沈阳：沈阳工业大学，2007.18 秋尾彰.车轮型壁面走行开发.日本钢管技报，1988；122（3）：178-181.19 赵正言、门广亮、冯海等.全方位壁面移动机器人姿态控制的研究.哈尔宾工业大学学报，1997；29（6）：116-118.20 陈博.机器人技术的发展趋势与最新发展.西安教育学院学报，2004；19（3）:85-87.21 付宜利、李志海.爬壁机器人的研究进展.第25卷,第4期.22 衣正尧、弓永军、王祖温等.用于搭载船舶除锈清洗器的大型爬壁机器人j机器人-2010年4期.23 杨化树、曲新峰.工业机器人技术的应用及发展j.黄河水利职业技术学报2004,4.

20、毕 业 设 计 开 题 报 告24 陈一民.工业机器人通用控制器研究开发j.上海大学学报(自然科学版)1998，5. 25 桂仲成、陈强、孙振国等.爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计j.电工技术学报，2006年11期.26 徐泽亮、马培荪.永磁吸附履带式爬壁机器人转向运动灵活性分析j.上海交通大学学报,istic ei pku-2003年z1期.毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：设计题目油罐检测爬壁机器人结构设计研究领域本题目运用所学的材料力学、机械原理、机械设计、机电控制等知识，参考文献资料进行探测攀行机器人的机构设计，用来替代人类进行危险领域的

21、攀行探测作业。设计工作的理论意义和应用价值为了减小或者避免工作环境的危险性，石化行业采用爬壁机器人携带检测装置来对大型油罐外壁进行维护。设计内容 本课题主要针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 。所以，必须满足以下几点：首先，圆柱形油罐多为钢质，因此爬壁机器人必须具备在钢质壁面可靠吸附的能力；其次，对油罐壁面的缺陷检测要求爬壁机器人能够携带检测探头到达壁面任何位置，且要求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。总体方案的选择根据实际情况，对比各种方案的优劣，确定吸附机构、移动机构、抗倾覆机构，保证机器人能安全吸附在墙壁上。1.吸附机构的确定查阅现有吸附机构的种类，可分为磁吸附、真空吸附、推力吸附和粘着剂吸附四种类型。其中，真空吸附又可以分为单吸盘吸附和多吸盘吸附。针对钢结构探测攀行用的吸附机构选择，由于常见的油罐外壁都是由钢板焊接而成，壁面有很多焊缝，而且由于使用年限一般较长，外表面锈蚀和凹凸比较严重，因此对于油罐检测爬壁机器人来说，选择磁吸附方式比较好，而且磁吸附方式结构简单，吸附力远大于真空吸附方式。所以选择磁吸附机构。毕 业 设 计 开 题 报 告2.移动机构的确定 车轮式移动速度快、控制灵活，尤其