爬桿作業(yè)機器人設計-攀爬、爬樹機器人含10張CAD圖,作業(yè),功課,機器人,設計,攀爬,爬樹,10,cad XXXXXX XXX設計（XX）開題報告 課 題 爬桿作業(yè)機器人設計 學 院（系） 專 業(yè) 年 級 學 號 姓 名 導 師 定稿日期： 20XX 年 1 月 6 日 爬桿作業(yè)機器人設計 1．選題背景及其意義 隨著國民經(jīng)濟的飛速增長，人民生活水平的提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無數(shù)電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索等高層建筑。這些高層建筑壁面多采用油漆、電鍍、玻璃銅結(jié)構等，長期以來會形成灰塵層，酸污染影響城市的美觀，同時空氣中混合的酸性物質(zhì)也會對這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞，加快它們的生銹，并縮短它們的使用壽命，需要定期進行壁面維護工作。它們通常高5-30米，有的甚至高達百米，會給操作人員帶來不便和危險。因此本課題擬設計一爬桿機器人，可以在沒有障礙的光桿上爬行，代替人工進行這些高空危險作業(yè)，從而把人從危險、惡劣、繁重的勞動環(huán)境中解脫出來。具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 2 文獻綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 機器人技術是近30年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學科。它綜合了力學、機構學、機械設計學、計算機工程、自動控制、傳感技術、電液驅(qū)動技術、人工智能、仿生學等學科的有關知識和最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就。尤其是進入80年代以來，機器人技術的進步與其在各個領域的廣泛應用，引起了各國專家學者的普遍關注。許多發(fā)達國家均把機器人技術的開發(fā)、研究列入國家高新技術發(fā)展計劃。移動機器人作為機器人學的一個重要分枝，其研究工作始于20世紀60年代。移動機器人的最成功應用是自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運，用于完成機床之間、機床與自動倉庫之間的工件工具傳送。移動機器人的運動靈活性能，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動化程度。現(xiàn)在，移動式機器人的研究開發(fā)除上述應用外，還涉及許多其他應用領。如在建筑領域完成混凝土的鋪平、壁面的裝修、檢查和清洗：采礦業(yè)中行隧道的掘進和礦藏的開采、農(nóng)林業(yè)中從事水果采摘、樹枝修剪、圓木搬運；軍事上用于探測偵察、爆炸物處理。福利方面進行盲人引導，病員護理等。 爬行機器人是機器人大家族中的一員，爬升機器人因為需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動機器人，故爬升機器人是機器人領域的一個重要研究分支，從運動方式上來表征的一種機器人，形式是多種多樣的。從動力源進行劃分，主要分為機械式和氣動式兩大類。從有無控制系統(tǒng)的層面進行劃分，主要分為普通型和智能型兩大類。普通型就是只有動力源、執(zhí)行機構，智能型相比普通型還有(反饋)控制機構。 最早開始研究且研究最多的是爬壁機器人，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面和大球形表面上的危險作業(yè)。對于管道外壁表面，已有車輪移動形、姿態(tài)可變形、尺蠖形和多關節(jié)形機器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。 爬行機器人并不少見，但是通常來說，這類規(guī)器人大多采用多足來進行移動或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動前進。更主要的是，平常的機器人，因為體積或行動方式的影響，不能到一些特殊的地方進行工作，比如說管道，壁面等等特種用途的領域。 國內(nèi)外很早就對爬行機器人進行研究工作，獲得了豐碩的成果。目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機構主要有電動機械式爬桿機器入、電動液壓式爬稈機器入和氣動蠕行式爬桿機器人。電動機械式爬行器是由電動機帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運動爬升機器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動時它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動機的正反轉(zhuǎn)，該機構便可實現(xiàn)上升和下降運動。電動機械式爬桿機器人和螺旋線運動爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動整個機器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運作，且機器人總體機構較復雜。氣動蠕行式爬桿機器人用氣缸驅(qū)動機構實現(xiàn)交替夾緊和移動，其向上爬行時氣缸動作一個周期的過程為下部汽缸夾緊，上部汽缸松開，提升汽缸活塞桿伸出，上部上升；上部汽缸夾緊，下部汽缸松開，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復，機器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機器人，其上升和下降運動由實現(xiàn)由氣壓控制，需要氣源和氣動控鍘系統(tǒng)，因此其設備成本較高。日本是機器人制造王國，它擁有世界上最多的機器人。在2005年5月10日展出的日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO技術開發(fā)機構)機器人周(2005年6月9日～19日)期間，在長久會場內(nèi)的Morizo kiccoro會展中心舉辦的“機器人樣機展”，其中實機演示的5種機器人中有三種是移動機器人：分別是移動跳躍機器人、腳輪式移動機器人和水陸兩用蛇形機器人。 國內(nèi)有蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院的曹建東等發(fā)明的氣動爬桿機器人（如圖1、2所示），其工作臺上分別設有左，右軌道固定支架，固定支架之間設有運行軌道桿，其特點是：運行軌道桿上穿設有左，右滑動導向固定塊，兩滑動導向固定塊上各安裝雙桿伸縮爬行氣缸，由此可實現(xiàn)機器人在軌道上自動來回爬行運動。 圖1 氣動爬桿機器人的構造示意圖 圖2 氣動爬桿機器人的俯視圖。 圖中標記為：1左軌道固定支架；2緩沖塊；3左推緊氣缸；4壓緊塊；5左滑動導向塊；6方形固定塊；7雙桿伸縮爬行氣缸；8右滑動導向固定塊；9推緊缸固定塊；10方形運行軌道桿；11固定三角件；12左限位固定塊；13滾輪式行程開關；14導條；15傳感器固定塊；16定位傳感器；17右限位固定塊；18電磁閥組合；19 I/O信號接口；20工作臺；21導線傳輸鏈；22導條固定塊；23右推緊氣缸；24右軌道固定支架 此外還有山東建筑大學機電學院于復生的“一種氣動爬桿機器人”（如圖3所示）。這種氣動機器人，屬于機械制造領域。該爬桿機器人是由水平夾緊氣缸，匯流板和電磁閥組件，加強支架，連接塊，后頂桿，側(cè)桿，前頂桿，垂直氣缸，支架組成。水平夾緊氣缸其外筒的前端牢靠地安裝在支架上，其活塞的前端通過聯(lián)接塊與后頂桿相連，后頂桿的兩端有銷子插在側(cè)桿的中間，在水平夾緊氣缸的帶動下，后頂桿可前后移動。前頂桿通過螺釘和銷釘與側(cè)桿聯(lián)接，其一端可方便地拆卸，以把機器人要爬的桿件包攬入內(nèi)。加強支架通過螺釘與上下四根側(cè)桿。匯流板及電磁閥組件，支架緊固地聯(lián)接起來，構成了機器人的整體結(jié)構。這種氣動爬桿機器人具有結(jié)構簡單，可爬桿直徑適用范圍大，使用方便等優(yōu)點。 圖3 爬桿機器人結(jié)構圖 1-水平夾緊氣缸 2-匯流板及電磁閥組件 3-加強支架 4-聯(lián)接塊 5-后頂桿6-側(cè)桿 7-前頂桿 8-垂直氣缸 9-支架 3 研究內(nèi)容 該課題主要針對直徑150mm左右的桿，且保證在全負載情況下應該能夠保持 100mm/s 左右的運行速度，除此之外總重應該不得超過5kg，同時得以保證最大的靈活性和最底的能量消耗。而且機器人的傳動系統(tǒng)應該具有自鎖機構以克服重力的影響。 該機器人包括夾持機構、移動機構、驅(qū)動機構等組成。夾持部分有上、下兩個機械手組成。通過上、下機械手的交替夾緊來實現(xiàn)爬桿機器人的支點定位和蠕動。移動部分采用連桿機構，驅(qū)動部分采用電氣驅(qū)動。結(jié)構示意圖如圖4所示。 圖4 爬桿機器人結(jié)構示意圖 4．研究方案 4.1方案分析 欲使機器人在桿上自由移動，必須具備兩種功能：貼附功能與移動功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，運動方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動式。這些不同的方式可以進行多種組合，構成多種風格的機器人。 4.1.1吸附方案 吸附式是通過面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點夾緊在桿上。吸附方式又有真空吸附和電磁吸附之分，其中真空吸附式用的比較多，因為它對壁面的要求不十分嚴格；電磁吸附承載能力大，有很強的適應能力，但其應用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場可吸附的含鐵、鈷、鑲等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點和比較如表1所示。 表1 爬行機器人貼附方案的比較 貼附方式 概要 特點 夾持式 機械手 由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機械手夾緊在桿體上 能適應任何壁面 吸 附 式 真 空 吸 附 真 空 泵 設置許多吸盤，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機器人吸附在壁面上 可實現(xiàn)小型、輕量化，無需附加供氣裝置，但要求壁面有一定平滑度 噴 射 器 在本體上安裝噴嘴，由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出。其周圍形成真空，吸附在壁面上 能效低、噪音大，且需要供氣裝置，但可以達到高真空度，對壁面適應性強 電 磁 吸 附 永 磁 體 由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上 吸附時不需終部能量，但只適用于導磁性壁面的吸附 電 磁 體 電磁鐵通電將其吸附在壁面上 吸附時需要電能，也只適用于導磁性壁面的吸附 4.1.2移動方案 在設計移動機器人系統(tǒng)時，首先應考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人的移動機構是不同的。此外，還應考慮機器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復雜性、外型尺寸及制作費用等。作為桿件爬行機器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術方案，有很多種移動方式可供選擇。各種移動方案的比較如表2所示。 表2 爬行機器人移動方案比較 移動方式 優(yōu)點 缺點 輪 式 移動速度快，控制方便，轉(zhuǎn)彎容易 接觸面積小，越障能力差，易打滑。 履 帶 式 接觸面積大，承載能力大，移動速度快，適應能力強。 履帶磨損大，結(jié)構復雜，機動性差。 腿 式 越障能力強，承載能力大，機動性好，具有很強的壁面適應能力。 結(jié)構復雜，間歇移動，速度慢，關節(jié)和足數(shù)多，控制復雜。 蠕 動 式 承載能力大，運動平穩(wěn)，控制簡便，適應能力比較強。 運動速度慢，結(jié)構復雜。 4.1.3動力系統(tǒng)比較 目前對于機器人的動力系統(tǒng)可以采用電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等不同的方式。不同的動力系統(tǒng)其有不同的特點，根據(jù)不同的工作環(huán)境和應用場合，按照具體的要求來選擇最適合的動力系統(tǒng)可以達到預定的目標。 氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是響應速度快，結(jié)構簡單，控制方便；缺點是功率質(zhì)量比較小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器入在任意定位時，位姿精度不高。氣壓驅(qū)動不可避免的存在漏氣的問題和氣壓裝置體積較大，這一點不符合本爬行機器人的工作空間的要求，不適合在本系統(tǒng)中使用 電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構去驅(qū)動負載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動。由于電氣驅(qū)動具有易于控制，運動精度高，反應快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅(qū)動己經(jīng)成為最普遍，應用最多的驅(qū)動方式，符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動的方案。 4.2 方案選擇 綜合上述幾種方案的優(yōu)缺點。本課題擬設計一種爬桿機器人，它的工作對象為城市桿狀建筑，要求承載能力大、接觸面積小、速度適中，適應能力強，能越障礙物。通過比較各種方案，本設計采用仿生尺蠖式蠕動爬行結(jié)構形式，這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機構設計方案，該方案能基本滿足我們設定的工作狀況。尺蠖蠕動式爬行具有很多優(yōu)點，可實現(xiàn)在運動方向上任意長的距離提升重物，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構簡單緊湊、運行平穩(wěn)，控制簡便，具有較高的技術經(jīng)濟效果。 4.2.1機器人爬行原理分析 既然是仿生尺蠖式蠕動，那么在本機器人的設計中，將以實現(xiàn)機器人軀干的伸縮往復運動的主要動作為目標。往復運動的實現(xiàn)有很多種，常見的機構有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停歇機構、曲柄連桿機構、圓柱齒輪齒條機構、螺旋絲桿機構等。這幾種機構各有自己的優(yōu)缺點，曲柄連桿機構可以很好地協(xié)調(diào)好機器人的整體工作。從圖5、6中可以看出，機器人的爬行動作原理可分為以下5步： 1) 在初始狀態(tài)1時，下機械手夾緊、上機械手松開； 2) 電機回轉(zhuǎn)，驅(qū)動曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤形凸輪順時針轉(zhuǎn)動，并推動下機械臂擺動，當下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角時，下機械手松開；與此同時上移動凸輪向下移動過空行程，上機械手抓緊，及狀態(tài)2.； 3) 電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時上機械手夾緊，下機械手松開，機器人下部被提升到極限位置，即狀態(tài)3.； 4) 電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過回程角時，下機械手夾緊；與此同時上移動凸輪向上滑過空行程，上機械手松開，即狀態(tài)4.； 5) 電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因為下機械手夾緊，上機械手松開，所以機器人上部在電機的提升推力下向上移動，當曲柄和連桿拉直共線時，機器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)5； 從圖5中可以看出，減速電機每轉(zhuǎn)動一圈，機器人整體向上爬行一次。 圖5 機器人運動過程圖 圖 6 機器人結(jié)構原理圖 4.2.2電氣設計 根據(jù)設計要求，系統(tǒng)可以劃分為幾個基本模塊，如下圖所示。對各模塊的實現(xiàn)，分別有以下一些不同的設計方案 4.2.3電機驅(qū)動調(diào)速模塊 驅(qū)動電路采用H型橋式PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動形式，如圖所示。電路主要由大功率三極管B772、D882、三極管8050和光電耦合器等元件組成。該驅(qū)動電路可控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止 5進度計劃 2011年12月---- 2012年1月：收集資料，確定設計系統(tǒng)總體方案，翻譯有關外文資料及閱讀技術文獻，書寫開題報告。 2012年 1月---- 2012年 2月：開始總體設計，完成機械部分，傳動部分設計。完成總裝配圖，A0圖紙1張，完成部分零件圖A1圖紙3張等。 2012年 2月---- 2012年3月：完成電氣控制部分設計，完成電氣控制系統(tǒng)圖，A1圖紙1張，撰寫說明書。 2012 年 3 月---- 2012年4月：中期答辯 2012 年 4 月---- 2012年5月：編寫畢業(yè)論文。 2012 年 5 月---- 2012年6月：畢業(yè)答辯準備和答辯。 6．參考文獻 [1]張海洪，談士力，龔振邦，等．壁面自動清洗機器人清洗工藝分析[J]．機電一體化，2001．(1)：1-3 [2]王園宇，武利生，李元宗．壁面清洗機器人發(fā)展趨勢淺析[J]．引進與咨詢，2002．(4)：3-4 [3]蔣新松．機器人學導論[M]．遼寧：遼寧科學技術出版社，1994：12．18 [4]郭洪紅.工業(yè)機器人技術.西安電子科技大學出版社.2005:1-4 [5]濮良貴. 機械設計[J].高等教育出版社,2006. 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[16] 龔振邦等編著.機器人機械設計 [M].北京：電子工業(yè)出版社,1995. 指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日 開題答辯小組意見 1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實用價值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當；□偏小。 4、設計或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。 5、學生對文獻資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。 6、學生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對論文選題報告的總體評價：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應的方塊內(nèi)作記號“√”） 建議結(jié)論 評議小組組長簽名： 評議小組組員簽名： 年 月 日 12