喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== XXX 大 學 本科畢業(yè)論文(設計)開題報告 論 文 題 目：XXXXXX 學 院： 專 業(yè) 、班 級： 學 生 姓 名： 指導教師（職稱）： 20**年 03 月 18 日填 畢業(yè)論文（設計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文（設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據 1.論文（設計）題目及研究領域； 2.論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3.本論文（設計）預期取得的成果。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）； 2.論文（設計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順，較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。 五、其他要求 1.開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成； 2.開題報告必須經學院教學指導委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設計）工作，否則不允許參加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5.開題報告的內容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 一、選題依據 1. 論文（設計）題目 XXXXXX 2. 研究領域 本題目運用所學的材料力學、機械原理、機械設計、機電控制等知識，參考文獻資料進行探測攀行機器人的機構設計，用來替代人類進行危險領域的攀行探測作業(yè)。 3. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值 大型鋼結構如電力鐵塔、橋梁、船舶中的板梁結構的探傷，檢查，油漆，清掃等工作往往是高空危險作業(yè)，適合由機器人來完成，以實現高效，安全自動化生產。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 爬壁機器人是移動機器人領域的一個重要分支,可在垂直壁面上靈活移動,代替人工在極限條件下完成多種作業(yè)任務,是當前機器人領域研究的熱點之一。它把地面移動機器人技術與吸附技術有機結合起來,可在垂直壁面上附著爬行,并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務,大大擴展了機器人的應用范圍。自從1966年日本大阪府立大學工學部的成功研制出第一個垂直壁面移動機器人樣機以來爬壁機器人領域取得了豐碩的成果得到了長足的發(fā)展如：1975年西亮教授又采用單吸盤結構制作出以實用化為目標的第二代爬壁機器人樣機。1990年以來,西班牙馬德里CSIC大學工業(yè)自動化研究所研制出一種6足式爬壁機器人。1997年俄羅斯莫斯科機械力學研究所研制出的用于大型壁面和窗戶清洗作業(yè)的爬壁機器人也采用單吸盤結構。自1988年以來,在國家“863”高技術計劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個系列的5種型號壁面爬行機器人。1995年研制成功的金屬管防腐用磁吸附爬壁機器人, 1997年研制的水冷壁清洗、檢測爬壁機器人,呈圓弧形永磁吸附塊與罐壁圓弧相吻合,提高了吸附力,也提高了作業(yè)的效率等。 這些豐碩的研究成果,在一些領域得到了實際應用,取得了良好的社會效益。仿生學、微機電一體化、新型驅動器、高分子材料等新技術、新理論的應用極大地推動了爬壁機器人的發(fā)展,使其功能越來越強大。爬壁機器人的研究正向著采用新型吸附方式、多功能化、小型化、無纜化、智能化、可重構化等方向發(fā)展。當前，國內外都非常重視攀行檢測機器人的研制，主要是因為它有著廣泛的用途，特別是它可以在一些危險環(huán)境下進行作業(yè)。攀行檢測機器人是一種新型特種機器人，能在危險工作狀態(tài)下代替人工作業(yè)，因此具有廣闊的應用前景。 二、論文（設計）研究的內容 1 重點解決的問題 結合國內外現有爬壁機器人的機構，通過所學知識初步設計針對鋼結構探測攀行用的機器人的機械機構。 2 擬開展研究的幾個主要方面 2.1吸附機構的設計 2.1.1查閱現有吸附機構的種類 2.1.2針對鋼結構探測攀行用的吸附機構選擇 2.1.3初步設計鋼結構探測攀行用的吸附機構 2.1.4確定吸附機構的主要參數 2.2移動機構的設計 2.2.1查閱現有移動機構的種類 2.2.2針對鋼結構探測攀行用的移動機構選擇 2.2.3初步設計鋼結構探測攀行用的移動機構 2.2.4確定移動機構的主要參數 2.3、探測裝置的設計 2.3.1查閱現有探測裝置的種類 2.3.2針對鋼結構探測攀行用機器人的探測裝置選擇 2.3.3初步設計鋼結構探測攀行用的探測裝置 2.3.4確定探測裝置的主要參數 2.4鋼結構探測攀行用的機器人的總體設計 2.5結論及參考文獻 3.本論文（設計）預期取得的成果 通過學習相關書籍和文獻制定鋼結構探測攀行用機器人總體方案，并且完善鋼結構探測攀行用機器人的結構設計，最終完成鋼結構探測攀行用機器人的總體裝配圖、部分零件圖以及詳細的鋼結構探測攀行用機器人的機構設計說明書。 三、論文（設）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數） 查閱相關資料結合學過的機器人方面的知識，聯系已有的知識發(fā)揮自我的創(chuàng)新意識進行設計。 2.論文（設計）進度計劃 1~4周： 明確畢業(yè)設計主要任務和相關內容，通過網絡，期刊，學位論文等查閱相關資料完成開題報告。 5~7周： 進行初步的方案設計選定。 8~12周： 確定最終方案并進行設計計算。 13~14周：撰寫畢業(yè)論文，外文翻譯。 15~16周：準備和參加答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 徐澤亮馬培蓀永磁吸附履帶式爬壁機器人轉向運動靈活性分析[J] 《上海交通大學學報》 ISTIC EI PKU -2003年z1期 [2] 田蘭圖.油罐檢測爬壁機器人技術及系統(tǒng)研究[J],2004,(5). 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Seemann在波音公司的資助下研制出一種真空吸附履帶式爬壁機器人“AutoCrawler”。其兩條履帶上各裝有數個小吸附室,隨著履帶的移動,吸附室連續(xù)地形成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走。美國CaseWestern Reserve University研制的采用4個“腿輪”的爬壁機器人樣機。與前兩種機器人相似,該機器人依靠4個“腿輪”上的仿生粘性材料來吸附,樣機不同的是這4個腿輪上腳掌的特殊分布更有利于機器人在壁面上穩(wěn)定爬行。該機器人質量僅有87 g。20世紀90年代初,英國樸次茅斯工藝學校研制了一種多足行走式的爬壁機器人。采用模塊化設計,機器人由兩個相似的模塊組成,每個模塊包括兩個機械腿和腿部控制器?？筛鶕蝿招枰獊戆惭b不同數量的腿,可重構能力強。機械腿采用仿生學機構,模擬大型動物臂部肌肉的功能,為兩節(jié)式,包括上、下兩個桿和3個雙作用氣缸,具有3個自由度。穩(wěn)定性好,承載能力大,利于機器人的輕量化,并能跨越較大的障礙物。除腿端部各有一真空吸盤外,機器人腹部設有吸盤, 使機器人具有較大的負載質量比,可達2∶1。 3.國內爬壁機器人研究現狀 中國也于20世紀90年代以來進行類似的研究。1988年在國家“863”高技術計劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個系列的5種型號壁面爬行機器人。研制成功的我國第一臺壁面爬行遙控檢測機器人,采用負壓吸附,全方位移動輪,用于核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。1994年開發(fā)的用于高樓壁面清洗作業(yè)的爬壁機器人CLR-Ⅰ,采用全方位移動機構,機器人在原地就可以任意改變運動方向。之后開發(fā)的CLR-Ⅱ,采用兩輪獨立驅動方式———同軸雙輪差速機構, 通過對兩輪速度的協(xié)調控制實現機器人的全方位移動,機器人本體和地面控制站之間采用電力線載波通訊方式。上述3款爬壁機器人均采用單吸盤結構,彈簧氣囊密封,保證了機器人具有較高爬行速度和可靠的附著能力。1995年研制成功的金屬管防腐用磁吸附爬壁機器人,采用永磁吸附結構,靠兩條履帶的正反轉移動來實現轉彎。該機器人可以為石化企業(yè)金屬儲料罐的外壁進行噴漆、噴砂,以及攜帶自動檢測系統(tǒng)對罐壁涂層厚度進行檢測。1997年研制的水冷壁清檢測爬壁機器人,呈圓弧形永磁吸附塊與罐壁圓弧相吻合,提高了吸附力,也提高了作業(yè)的效率。上海大學也較早開展高樓壁面清洗作業(yè)機器人的研究,先后研制出垂直壁面爬壁機器人和球形壁面爬壁機器人。該球形壁面爬壁機器人采用多吸盤、負壓吸附、6足獨立驅動腿足行走方式,可用于不同曲率半徑的球形外壁1996年以來,北京航空航天大學先后研制成功WASH2 MAN,CLEANBOT 1,SKYCLEAN,“吊籃式擦窗機器人”和“藍天潔寶”等幕墻清洗機器人樣機。為全氣動擦窗機器人;吊籃式清洗機器人,機器人依靠樓頂上的安全吊索牽引移動,利用風機產生的負壓使機器人貼附在壁面上以國家大劇院橢球形頂棚清洗為應用背景研制的適用于復雜曲面的自攀爬式機器人樣機,由攀爬機構、移動機構、清機器人有許多相似之處,但由于其特殊的工作環(huán)境和任務要求,在理論和技術等方面又有一些特殊性。 4. 爬壁機器人的關鍵技術： 4.1吸附機構：吸附機構的作用是產生一個向上的力來平衡機器人的重力,使其保持在壁面上。目前,吸附方式主要有真空負壓吸附、磁吸附、螺旋槳推力及粘結劑等幾種方式。由于這些吸附方式各自都有局限性,所研制的爬壁機器人往往針對性較強,只適用于某種特定任務,較難通用化。機器人的設計需要針對工作任務、環(huán)境,選取合適的吸附方式。近年來,人們通過研究壁虎等爬行動物腳掌的吸附機理,制作出高分子合成的粘性材料,這些材料利用分子與分子之間的范德華力,在很小的接觸面積上就可獲得巨大的吸附力,而且具有吸附力與表面材料特性無關的優(yōu)點。但目前這些材料的使用壽命較短, 使用一定次數之后就失去粘性,難以實用化,需要進一步進行研究。 4.2移動機構及運動控制系統(tǒng)：移動機構及運動控制系統(tǒng)爬壁機器人的移動機構主要有輪式、多足式、履帶式等,其中,輪式和足式使用較為廣泛,履帶式多用于磁吸附方式。越障能力是爬壁機器人壁面適應性能的一個重要指標。當工作面上有凸起、溝槽時,機器人要通過這些障礙物,就必須有足夠的越障能力。各種移動機構中,多足式機器人的越障能力較強,其每個腿部都置有小吸盤,當遇到障礙物時,可控制各個“腿”,使小吸盤逐個跨過障礙物。壁面機器人的移動機構可以使機器人在可靠吸附的前提下能夠在壁面上靈活移動。由于爬壁機器人工作于壁面的特殊性,移動機構常和吸附機構存在耦合,這給機器人的運動控制帶來了一些困難。如多吸盤足式爬壁機器人,腿末端各有一個吸盤,每移動一個腿需要完成“消除吸力—抬腿—邁腿—落腿—產生吸附力”一系列動作。在此過程中,機器人移動機構的動作要和吸附機構相互協(xié)調,才能保證機器人在壁面上的靈活移動。此外,也有移動機構與吸附機構分離的,如單吸盤爬壁機器人,吸盤可持續(xù)吸附,驅動輪連續(xù)運動實現機器人的移動,運動控制較為簡單。 4.3能源供應及驅動方式：能源供應及驅動方式能源供應方式有通過電線管路為機 器人提供電、氣等能源的方式,也有自帶電池、氣瓶等方式。驅動方式主要有電機氣動等幾種方式。爬壁機器人的設計盡量采用具有高功效質量比的驅動器和動力源,特別是采用無線控制情況下。采用電機驅動時,能源供應主要有聚合物鋰電池、鎳氫電池、電化學電池和燃料電池。此外,由于內燃機的能源———汽油、氫等燃料具有較高的能重比,先進的微型內燃機也可應用于爬壁機器人。 4.4安全問題：機器人在受到外界干擾、環(huán)境變化情況下,如何保證機器人安全附著于壁面而不至于墜落,或墜落后如何盡量減小機器人的損傷。過去所研制的高樓清洗爬壁機器人, 大都采用由置于高樓頂上的運載小車、卷揚機構和系在機器人上的鋼絲繩組成保險系統(tǒng)。而對于一些其他用途的機器人,比如偵查用的小型爬壁機器人,其目標并不確定,不能采用保險繩的方式,因而需要研究新的防墜落方式。可以考慮采用降落傘、小功率螺旋降落漿、快速撐起阻降板等,這些可能會成為未來爬壁機器人安全措施的發(fā)展方向。 5.爬壁機器人的發(fā)展趨勢 驅動、傳感、控制等硬軟件技術的發(fā)展極大地推動了爬壁機器人技術的發(fā)展,實際應用的需求也對爬壁機器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn),爬壁機器人的發(fā)展趨勢歸結起來主要有以下幾方面。(1)新型吸附技術的發(fā)展。吸附技術一直是爬壁機器人發(fā)展的一個瓶頸,它決定了機器人的應用范圍。(2)爬壁機器人的任務由單一化向多功能化方向發(fā)展。過去所研制的爬壁機器人大多用于清洗、噴涂、檢測等作業(yè),作業(yè)任務往往只局限于單一的任務。而目前人們則希望爬壁機器人能夠裝備多種工具,在不同的場合進行工作。(3)小型化、微型化是當前爬壁機器人發(fā)展的趨勢。在滿足功能要求的前提下,體積小、質量輕的機器人可較小能耗,具有較高靈活性,并且在某些特殊場合也需要機器人具有小的體積。(4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(fā)展。由于爬壁機器人的作業(yè)空間一般都較大,帶纜作業(yè)極大地限制了機器人的作業(yè)空間,所以,為了提高機器人的靈活性和擴大工作空間,無纜化成為現在和未來爬壁機器人的發(fā)展趨勢。(5)由簡單遠距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結合,使機器人在封閉環(huán)境中能夠具有一定的自主決策能力, 完成任務,并具有自我保護能力,是移動機器人發(fā)展的重要方向,也是爬壁移動機器人的重要發(fā)展方向。(6)可重構是機器人適應能力的一項重要指標。為了使機器人能夠應用于不同場合,根據任務需求,在不需要重新設計系統(tǒng)條件下,充分利用已有的機器人系統(tǒng),應使機器人具有可重構性,即具有模塊化結構。根據任務需求,把需要的模塊直接連接起來組成新的機器人。 6　結束語 綜上所述,經過多年的發(fā)展,爬壁機器人領域取得了豐碩的研究成果,并且在一些領域得到了實際應用,取得了良好的社會效益。仿生學、微機電一體化、新型驅動器、高分子材料等新技術、新理論的應用極大地推動了爬壁機器人的發(fā)展,使其功能越來越強大。爬壁機器人的研究正向著采用新型吸附方式、多功能化、小型化、無纜化、智能化、可重構化等方向發(fā)展。在21世紀的今天隨著對生產力要求的不斷提高，爬壁機器人將會出現在越來越多的新領域中如反恐排爆、偵察救災及空間作業(yè)等，具有無限的市場前景。也可以這樣說21世紀是機器人大爆炸的時代誰先掌握這種技術誰就把握住了時代的脈搏走在了世界的前端。而爬壁機器人作為移動機器人領域的一個重要分支應給予高度的重視。 審 核 意 見 指導教師評閱意見（對選題情況、研究內容、工作安排、文獻綜述等方面進行評閱） 簽字： 年 月 日 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日 公章： 履帶吸盤式爬壁機器人設計 1、概述 隨著科技的進步，工業(yè)機器人在各個領域得到了廣泛地運用。其中，爬壁機器人以其在核工業(yè)、建筑、消防等行業(yè)的突出優(yōu)點越來越受到人們的關注。本文在詳述國內外爬壁機器人研究現狀的基礎上，對各種現有爬壁機器人結構原理進行了分析、對比與評價，對履帶吸盤式爬壁機器人的結構原理進行了深入地研究與開發(fā)，并對一些關鍵部分進行了設計計算。本課題研究的履帶吸盤式爬壁機器人采用履帶式移動方式，雙履帶和車體構成機器人的基本框架；真空吸盤式吸附方式加以完善的配氣系統(tǒng)，可為機器人提供足夠的吸附力。在地面操作人員的遙控下，爬壁機器人能夠在玻璃等特定壁面上完成清潔壁面、傳遞救援物資等任務。 履帶吸盤式結構是現有爬壁機器人結構樣式的優(yōu)化組合，它克服了現有爬壁機器人結構上的缺點與不足，提高了爬壁機器人的實用性能。 2、結構原理及組成 2、1爬壁機器人結構原理研究 較為高端的爬壁機器人是集機構學、傳感技術、控制和信息技術等科學為一體的高技術產品，因此爬壁機器人技術的研究是伴隨著各項科技的發(fā)展而發(fā)展的。自80年代以來，爬壁機器人技術在國內外取得了迅速的發(fā)展，有的已開始進入實用試驗階段。到1992 年底，國外已有不同類型的爬壁機器人研制成功，其中以日本發(fā)展最快。國內較早發(fā)展該項技術的是哈爾濱工業(yè)大學，他們已研制成功壁面爬行遙控檢測機器人，采用真空吸附方式，通過運載小車使機器人在壁面上下左右自由行走。另外，上海大學研制了用于高層建筑窗戶擦洗的真空吸附足式爬行機器人。上海交通大學亦于1995 年研制了磁吸附爬壁機器人用于油罐。 爬壁機器人必須具有兩個基本功能：吸附功能和移動功能，而為了實現爬壁機器人的特定功能只需在機器人本體上耦合或車載相應的功能執(zhí)行部件即可，因此國內外爬壁機器人技術的研究與探討大致是圍繞如何實現它的兩個基本功能展開的。 根據較為公認的爬壁機器人技術劃分方法壁面吸附功能的實現有三種方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附較為常用的是吸盤吸附法，利用大氣壓力使機器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機器人，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式。當壁面比較粗糙時，真空吸附方式的機器人容易產生漏氣的現象，因此多改為使用磁吸附的方式，磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，磁吸附方式對壁面的凸凹適應性強，但磁吸附式機器人僅適用于導磁材料壁面。推力吸附的方式即利用機器人自身產生的推力使其吸附于壁面上，這種方式結構較為復雜且工作可靠性較低。 爬壁機器人移動功能的實現方式主要是足式、車輪式和履帶式。足式機器人能跨越較小的障礙，但移動速度慢；車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難，車輪的直徑會使機器人相對于壁面的扭矩增大，使機器人運行的穩(wěn)定型和安全性相應降低；履帶式對壁面適應性強，著地面積大，機器人運行平穩(wěn)，但其不易轉彎。這三種移動方式的跨越障礙能力都很弱。 2．2幾種爬壁機器人結構原理分析與對比 現在爬壁機器人技術仍處于研究與試驗階段，國內外一些知名的研究所和高校的科研人員都提出了自己的爬壁機器人的結構方案，這些結構方案在原理和結構布局上有著較大的不同。下面列出三種較為典型同時也是與履帶吸盤式爬壁機器人的研究相關的結構原理科研實例，通過分析這些設計實例的優(yōu)缺點可以引出在爬壁機器人結構原理設計時需要注意與注重的問題。 2.2.1車輪式磁吸附爬壁機器人 日本應用技術研究所研制出的車輪式磁吸附爬壁機器，結構原理如右圖所示。機器人靠磁性車輪對壁面產生吸附力吸附在各種大型構造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。 主要特征是：行走穩(wěn)定、速度快 車輪式磁吸附爬壁機器人 最大速度可達9m/min，適用各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。但是該機器人有自己的缺點：磁吸附使它僅適用于導磁材料壁面，即這種原理有其使用局限性；車輪式的行走方式使維持一定的吸附力較困難，車輪的直徑會使機器人相對于壁面的扭矩增大，使機器人運行的穩(wěn)定型和安全性相應降低；車輪的行走軌跡是連續(xù)的，這不利于機器人跨越壁面的凹凸不平處，使機器人對壁面的平整質量要求提高。 2.2.2多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV 香港城市大學智能設計、制造及控制中心(CIDAM) 和內地大學合作設計的Cleanbot – I 能夠在地面和垂直的玻璃幕墻等工作面上爬行，主要由行走及轉向機構、吸附機構、吸盤組導向和提升裝置以及控制系統(tǒng)組成。行走機構模仿坦克履帶結構，采用單履帶模式。吸附機構 多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV 由安裝在鏈條上的13組吸盤及真空發(fā)生器等組成。該機器人的特點是采用單鏈和多吸盤相配合的結構可以可靠解決轉向的問題；采用彈性機構，使該機器人具有跨越一定障礙的能力；旋轉接頭供氣方式夠給每一個吸盤供氣而避免通氣管纏繞。該爬壁機器人的缺點為結構復雜，其可靠性相應降低；單履帶的模式使機器人工作時受到吸附力不均勻，吸盤受到較大扭曲力，從而降低了爬壁機器人的工作壽命。 2.2.3 履帶式磁吸附爬壁機器人 國家教委博士點基金資助項目履帶式磁吸附爬壁機器是將永磁體片離散的裝在爬壁機器人的履帶上，采用雙履帶方式，主動輪安裝在一端，前后雙輪。電動機帶動主動輪轉動進而帶動爬壁機在壁面上行進。 該機器人的特點是：在機器人設計中采取加長履帶、浮動支撐、載荷分散機構、柔性履帶等措施，以提高爬壁機器人的壁面適應能力， 實現其在壁面的安全爬行。 履帶式磁吸附爬壁機器人 其缺點是，履帶是用鉸鏈聯接的，不能將垂直于履帶方向的載荷分布到各個永磁體上，也就是說履帶在垂直于拉力方向上沒有剛性，這對于爬壁機器人工作的安全性極其有害；主動輪偏置，使履帶受力不均勻對履帶損害較大。 2.3履帶吸盤式爬壁機器人結構原理 本文所研究與開發(fā)的履帶吸盤式爬壁機器人的結構原理是將吸盤的真空吸附方式和履帶式移動方式相結合，真空吸盤固定在柔性的履帶上，采用雙履帶對稱結構。固定式配氣盤結構作為16組吸盤和真空泵抽進氣系統(tǒng)相連接的媒介。主動輪置中，兩側各有一從動輪，主、從動輪和履帶銜接均是模擬齒輪齒條嚙合。壁面清潔組件、傳遞救援物資組件通過功能組件耦合處與機器人機體相連以完成相應能。 履帶吸盤式爬壁機的外形簡圖如圖所示，上面為俯視圖，下面為左視圖 3、履帶吸盤式爬壁機器人結構方案 3.1爬壁機器人的主要設計參數 本課題研究的爬壁機器人主要應用于高層建筑壁面清潔和救援物質傳遞，由其工作性質決定爬壁機工作必須穩(wěn)定可靠，工作效率高。 本課題對機器人的設計要求如下： 根據玻璃壁面特點和清洗機器人爬行、清洗作業(yè)要求，機器人需要達到如下性能： ①壁面移動速度：11~15 m/ min ； ②越障高度：50 mm； ③本體重量：30 Kg ； ④負載能力：15 Kg ； ⑤作業(yè)高度：0～100 m； ⑥作業(yè)功能：可進行8 mm 以上厚度的玻璃幕墻的清洗作業(yè)； ⑦吸附方式：真空吸附方式； ⑧控制方式：用PLC可編程控制器，完成順序控制，地面遙控操作。 研制滿足以上技術要求的機器人存在的主要技術難點如下: ①吸附和密封技術：要求吸附機構能產生一定的吸附力，確保機器人工作過程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。 ②爬行技術：爬行機構要簡單、高效、小型。使機器人能夠實現直線移動，能夠實現自動轉向。保證機器人能夠按照地面操作人員的遙控進行工作。 ③配氣技術：吸盤和履帶輪均是旋轉的，為防止配氣管相互纏繞，應有效解決配氣問題。 ④控制技術：使機器人可以在地面操作人員的控制下準確工作，機器人自身各部分密切配合；有簡潔、方便的人機界面，便于操作人員控制 3.2爬壁機器人移動機構方案設計 爬壁機器人通常采用的移動方式有足式、履帶式和車輪式。足式能較好的跨越障礙，但結構復雜且移動速度慢，控制系統(tǒng)也比較復雜；履帶式著地面積大，可提供足夠的吸附力，壁面適應性好，但其結構不容易轉彎；車輪式移動速度快、轉彎靈活，但是很難保證提供足夠大的吸附力，車輪式重心距壁面較遠，對吸盤的扭矩較大，影響吸盤的工作壽命。 本課題研究的爬壁機器人在高層建筑的垂直壁面上行走并完成清潔及傳遞救援物質工作，為了防止機器人從垂直壁面上滑落，機器人必須與壁面間保持足夠的吸附力，并具有一定的抗傾覆能力。履帶吸盤式的機構能夠提供較大的吸附力，吸盤距壁面近可防止傾覆；吸盤在履帶上離散布置使機器人對壁面凹凸不平適應性強。具有結構簡單，控制方便，運動速度快等優(yōu)點。綜合考慮各方面因素，本課題中爬壁機器人的移動機構選用履帶吸盤式結構。 3.2.1 履帶的結構形式 如下圖所示為三種常見的履帶形狀。圖a）中驅動輪及導向輪兼作支撐輪，因此增大了支撐面積，改善了穩(wěn)定性。圖 b）所示為不作支撐輪的驅動輪與導向輪位置高于地面，鏈條引入時的角度達50度，其好處是適合于穿越障礙。圖c）中驅動輪（主動輪）置中，導向輪（從動輪）對稱分布，驅動輪及導向輪兼做支撐輪，可增大接觸面積且使履帶上受力集中處遠離履帶彎曲處，減少了對履帶的損害。 由于爬壁機器人的工作壁面一般比較平整，可能的障礙僅有玻璃的連接處窄溝凸起等，壁面凹凸起伏不大，履帶吸盤式的結構具有逾越較小障礙的功能；同時，考慮到機器人運行的平穩(wěn)性和履帶的使用壽命，因此采用圖c）所示的結構形式。 a）雙履帶輪平行履帶 b）多履帶輪梯形履帶 c）三履帶輪平行履帶 三種常見的履帶形狀 3.2.2 履帶與履帶輪的聯結 履帶與履帶輪（包括主動輪和從動輪）的聯結模擬了齒輪與齒條的嚙合，兩者齒的模數等參數是相同的。為了保證在運動時履帶與履帶輪不會咬死，把履帶上的齒的厚度做的相對薄一點，保證有足夠的嚙合空間。為了防止吸盤的尾部與履帶輪發(fā)生碰撞干涉，履帶輪中間部位有深45mm的槽；履帶上的孔用于裝配吸盤組件和導氣管通過，履帶上的凸起部分與配氣盤相聯結用以為吸盤供氣。 圖a）為履帶與履帶輪嚙合的原理圖，二者嚙合可以看作齒輪與齒條聯結的變形，這種聯結運行可靠平穩(wěn)，傳遞力矩均勻。圖 b）為研究課題開發(fā)的機器人三維造型圖的履帶與履帶輪嚙合部分。 a）履帶與履帶輪嚙合原理圖 b）履帶與履帶輪嚙合三維造型圖 履帶與履帶輪的嚙合 3.2.3 履帶吸盤式爬壁機器人壁面適應能力分析 機器人主要由真空吸附、履帶行走、支撐車體、背倉及清潔機構組成。真空吸附機構包括氣動回路、真空泵和吸盤系統(tǒng)。吸盤系統(tǒng)由16組吸盤及配氣盤裝置組成。當真空泵運行，處于工作狀態(tài)的4組吸盤平整貼近壁面時，在配氣盤裝置作用下，吸盤內產生真空負壓，機器人吸附于壁面，在保證機器人自身能夠牢固吸附于壁面的同時還足以維持清洗刷高速旋轉時對壁面的抽打力。在機器人自下往上移動清洗過程中，因吸盤與壁面間有相對滑動，所以吸附力并不是越大越好，因為吸附力過大，機器人就不能順利上下滑移動；但吸附力過小，在吸盤遭遇壁面凹縫氣體過量泄漏時，機器人就不能可靠吸附于壁面，壁面適應能力變差。此外，在作業(yè)過程中，清潔頭在壁面上的清洗力靠吸盤的吸附力維持，若作用在壁面的清洗壓力過小，清洗質量就得不到保證；但清洗壓力過大，壁面對機器人反作用力也大，吸附力就需要增加，否則機器人容易脫離壁面。 圖所示是機器人工作時的靜力學，因而有： G < Σ = = (3-1) Σ = μ 式中：G 為機器人總重量，該重量包括機器人自身的重量、清潔組件質量、背倉傳遞物質質量；μ為壁面摩擦系數；Σ為壁面總摩擦力； 分別為壁面對4工作狀態(tài)吸盤反作用力；為4個處于工作狀態(tài)吸盤的等效吸附力；為吸盤等效吸附面積；為吸盤內負壓。此外，防止繞下機器人下支撐點O 傾覆的條件為 / G > / (3-2) 式中： 是機器人重心到壁面的距離； 是 作用點到點O 的距離。為保證機器人能在驅動力的作用下在壁面穩(wěn)定移動，由式(3-1) 、(3-2) 得到的臨界條件為： Max < (3-3) 可見, 必須穩(wěn)定在式(3-3) 所示的區(qū)間內,實際值由機器人移動速度確定，當機器人的移動速度為一變化值時，則實際值由機器人當前移動速度確定。 機器人工作時的靜力學分析 3.3 爬壁機器人吸附機構方案設計 爬壁機器人實現對壁面的吸附有三種方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附較為常用的是吸盤吸附法，利用大氣壓力使機器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機器人上，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式。當壁面比較粗糙時，真空吸附方式的機器人容易產生漏氣的現象，因此多改為使用磁吸附的方式，磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，磁吸附方式對壁面的凸凹適應性強，但磁吸附式機器人僅適用于導磁材料壁面。推力吸附的方式即利用機器人自身產生的推力使其吸附于壁面上，這種方式結構較為復雜且工作可靠性較低。 本課題要求機器人有足夠的吸附力，以保證工作安全可靠，高層建筑壁面凹凸不平不太明顯，玻璃壁面為非導磁材料，綜合考慮以上問題，在本設計中選擇吸盤式真空吸附的方式，多吸盤的結構形式。在開發(fā)的爬壁機器人中共有16組吸盤，吸盤組件通過吸盤固定裝置固定在履帶上，隨履帶實現移動；真空泵通過供氣回路、配氣盤完成對吸盤吸附、脫離的控制。 3.3.1 吸盤式吸附機構方案設計 吸盤吸附材料采用軟橡膠。機器人的工作狀況與吸盤的吸力大小有關，如圖所示為機器人靜止吸附在壁面時的受力。 機器人靜止吸附在壁面時的受力情況 機器人能維持吸附的條件為: （設） （3-4） 式中： F 為摩擦力，為摩擦系數，為單個吸盤的吸力，G 為機器人自重與其附件重量之和，n 為吸盤的個數。由于機器人重心離壁面距離為h， 與F 形成的力矩將影響到重心上半部分對壁面的有效壓力，同時，考慮到由于地面有縫隙而減少真正吸附壁面的吸盤個數，引入安全系數，則單個吸盤的吸附力為： （3-5） 值的大小取決于壁面灰塵、空隙大小、凹凸平度以及行走中遇到障礙物如電線、導氣管等因素，一般取2~3。 3.3.2 吸盤機構設計 如圖所示為單個吸盤的結構圖，它是由鋼球1、手動調速閥2、橡皮圈3、彈簧4、彈簧5、導氣管6組成。 在忽略氣體摩擦和位置時，由伯努利方程得： 即 (3-6) 　 　 單個吸盤的結構圖 式中：V 為氣體的速度，K 為氣壓壓縮系數，P 為壓力，為密度，C 為常數。機器人工作前，可根據工作壁面的性質和載重量通過手動調節(jié)閥設定氣流通過導氣管的速度；在機器人工作時，當導氣管中的氣壓減小，同時有幾個吸盤（正常工作時有4組吸盤）已經處于有效吸附的情況下，吸盤在大氣壓力的作用下吸附于壁面。而在縫隙上的吸盤將與大氣相通，因此V值將增大，氣體進入吸盤，吸盤即脫離壁面。 （3-7） 式中：為氣體密度，Q 為流量， 為氣體流速的改變量，g為重力加速度，k為彈簧屈強系數，為壓縮位移。則： （3-8） 3.3.3 吸盤式爬壁機器人吸附安全性研究 為了確定吸盤式爬壁機器人的負載能力和安全性能，必須對機器人所受的力進行分析。當機器人吸附在玻璃壁面上時，受力情況如圖，各符號意義如下: ———墻壁對第i組吸盤的法向支撐力(垂直于墻面) ，i = 1，…，4； ———作用在第i組吸盤上的真空吸力，i = 1，…，4 ； ———墻壁作用在第i吸盤上的摩擦力， i = 1，…，4 ； G ———作用在機器人上的重力(包括外設) ； p ———相鄰兩組吸盤之間的距離； d ———機器人的等效重心到玻璃壁面的距離； 爬壁機器人受力示意圖 機器人在工作時，當其在玻璃壁面上移動時有兩種危險的情況可能發(fā)生：一種情況是它從墻面上滑落；另一種情況是由于最上方接觸的吸盤由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機器人的傾翻。設計中，機器人的吸附機構受力應避免滑落和傾翻兩種情況發(fā)生，為了簡化分析計算，這里只考慮了靜態(tài)吸附情況。 (1)避免機器人從墻面上滑落。根據摩擦力的特性，同樣工況下，最大靜摩擦力要大于滑動摩擦力，所以有： G < min(，) = = Nμ (3-9) 式中：μ———最小摩擦因數； N ———兩接觸表面間的正壓力。 (2)避免機器人從玻璃幕墻上傾翻下來。在顛覆力矩的作用下，應該滿足： > 0 　( i = 1，…，4) (3-10) 假設作用在支撐輪上的力不加考慮，認為墻壁對機器人的反作用力只作用在與墻壁接觸的吸盤上，由此靜態(tài)下，機器人在x 、y 方向受力分別滿足： (3-11) (3-12) 所受的平衡力矩為(以O 點為參照點) ： (3-13) 并假定各個吸盤的真空度是均衡的，則作用在吸盤上的吸力為： V = = sv (3-14) 式中： s ———每組吸盤總的吸附面積； v ———工作吸盤內的真空度。 為了方便計算 ，假設幾個約定條件，設作用于吸盤上的支撐力 ( i = 1…，5) 形成一對，并且從到比例增加，以上假設可用下式表示為： - = - ( i = 1，2) (3-15) 聯立解式(3-12)，(3-13) ，(3-14) ，得到 ( i = 1，…，4) 表示式： (3-16) 理論上，由式(2-16) 可知，只要滿足 > 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得： (3-17) 根據式(3-9) 和(3-17) ，機器人牢靠吸附在工作面上(不從玻璃壁面上滑落或傾翻下來) 的條件應該滿足: G < min(，) (3-18) 理論上： = 5μV 　 (3-19) f c2 = (3-20) 在進行爬壁機開發(fā)和設計時，可以根據具體的尺寸p，d確定，的大小，根據計算式(10)來計算設計是否滿足爬壁機不滑落不傾翻的條件。（在計算時基于安全考慮，玻璃與吸盤間的典型摩擦因數按最小計μ = 0. 11 。） 根據計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是（1）或（2）。在保證次危險安全的情況下，保證最危險的情況不會發(fā)生，由此才能保證爬壁機器人安全地工作。考慮到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應當另外增加安全系數，在設計時,考慮只有下面4 組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。因此，保證機器人的安全，要確保： (3-21) 或表示為： (3-22) 式中：G ———機器人和負載總的質量； 　 ———作用在機器人吸盤上吸力的總和，= 4V ； 　　　λ = 1/ μ； 　　　 n ———安全系數。 3.4爬壁機器人行走機構的設計 履帶吸盤式爬壁機器人的行走機構主要由：吸盤組件、履帶、履帶輪、動力源、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構成。履帶采用橡膠履帶，橡膠履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料，通過模壓硫化而制成。橡膠履帶具有接地比壓小、牽引力大、振動小、噪音低、濕田通過性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。履帶和履帶輪聯結模擬齒輪齒條嚙合，相嚙合齒的模數為2。 表格3-1所示為橡膠履帶基質天然橡膠和順丁橡膠的主要性能，表格3-2為履帶輪材料聚碳酸酯的主要。 表3-1 天然橡膠和順丁橡膠的主要性能 品種 抗拉強度 （MPa） 伸長率 （%） 使用溫度 （<（）） 天然橡膠 25~35 650~900 120 順丁橡膠 18~25 450~800 120 表3-2 聚碳酸酯的主要性能 塑料名稱 密度 ( 透明性 抗拉強度 （MPa） 抗拉彈性模量 （ 熔點 （） 聚碳酸酯 （PC） 1.2 透 66~70 2.2~25 220~230 由表格3-1和表格3-2可以看出，履帶基質天然橡膠和順丁橡膠的抗拉強度比履帶輪材料聚碳酸酯低。但是履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料組成，碳素彈簧鋼絲（如直徑為0.08mm）抗拉強度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現危險的可能性大，下面對履帶輪進行校核。圖為主動輪的三維造型圖。 主動輪的三維造型圖 履帶輪驅動履帶轉動時，根據功率的關系： (3-23) 式中各符號的意義為： P——驅動輪傳遞給履帶的功率，單位為W； ——主動輪驅動履帶的扭矩，單位為； ——為主動輪轉動的角速度，單位rad/s； ——安全系數，是為了保證有一定的功率裕量和功率損耗，一般取2~3； ——機器人的總質量，單位為； ——重力加速度，單位為； ——機器人在壁面上運行的速度，單位。 設在主動輪工作中一個齒上的剪力為，則有： (3-24) 式中，A——主動輪齒底部的截面積，單位為； ——主動輪輪齒底部受到的切應力，單位為Pa； ——主動輪輪齒底部截面的長度，單位為； ——主動輪輪齒底部截面的寬度，單位為。 對主動輪中心取矩，由平衡方程，可得： (3-25) 式中，——主動輪工作中一個齒上的剪力為； ——主動輪的直徑，單位為mm； ——同時處于工作狀態(tài)的齒輪數； 對于主動輪的轉動有： (3-26) 式中，r——主動輪的半徑，單位m； 聯立式3-23，3-24，3-25，3-26可以得到，主動輪輪齒底部受到的切應力： (3-27) 式中，安全系數k取2.5，機器人的總重量m為45Kg，重力加速度g取9.8，機器人工作時同時處于工作狀態(tài)的輪齒數取2.3，主動輪輪齒底部寬l為30mm，主動輪輪齒底部長度b為4.86mm，將以上數據代入式（3-27），可以得到： (3-28) 對于主動輪的聚碳酸酯材料可以由其抗拉強度參考其抗切應力的強度，故有： (3-29) 由式3-29可知，爬壁機器人的主動輪強度滿足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機器人的行走機構滿足強度要求，能夠保證機器人安全可靠地完成工作任務。3.5爬壁機器人車體的設計 爬墻機器人的車體是支撐爬壁機器人所有部件的基礎，因此機器人車體的設計應盡量簡潔工作可靠。機器人的動力源、傳動系統(tǒng)、背倉等都是裝在車體內部的，因此車體應當做成上下車體組裝的形式；為了擴大零部件安裝的空間車體設計成上下分層的結構。 上下車體之間是用螺栓進行連接的，在機器人工作的過程中車體連接螺栓受到很大的剪切力，因此為保證機器人正常工作應當對螺栓的強度進行校核。 爬壁機器人車體長為900mm，寬為400mm，硬質合金鑄件壁厚8mm，為提高車體強度，上下車體的內側均有加強肋板。上下車體連接螺栓使用M16，共12個螺栓，均布在上下車體連接凸出面上。上車體上面凸出室分為兩個空間分別放置控制系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，上車體前端預留有兩個孔一個用于為汽油機加油，一個用于啟動汽油機。下車體后部有功能部件聯結口，功能部件由螺栓安裝在下車體上。 在機器人工作的過程中，上下車體連接螺栓承載上車體的重量以使上車體緊緊貼在下車體上并隨下車體一同沿壁面移動。因此，車體連接螺栓受到較大的剪。 在爬壁機器人工作時，螺栓在結合面除受剪還與被連接件即車體相互擠壓。聯結損壞可能的形式有：螺栓被剪斷，孔壁被壓潰等。為防止硬質合金的車體螺栓孔壁被壓潰，在安裝螺栓時采用襯套，因此孔壁被壓潰的可能性相對于螺栓被剪斷低。在此，僅進行螺栓受剪強度的校核。 設螺栓所受的剪力為（聯結受橫向力，），如圖所示為上下車體聯結受剪螺栓受力圖，則螺栓受到的切應力為： （3-30） 式中，——螺栓受到的切應力； ——螺栓抗剪面直徑； ——螺栓抗剪面數目； ——螺栓所受的剪力為； 上下車體聯結受剪螺栓受力圖 在爬壁機器人工作時，因為其勻速移動，故可認為螺栓受到靜載荷，螺栓的許用切應力為： (3-31) 式中，[]——螺栓的許用切應力； ——螺栓的屈服強度； ——安全系數，取2.5； 選擇螺栓的材料為35鋼，螺栓的性能等級為5.6級則，螺栓的拉伸強度為： (3-32) 螺栓的屈服強度為： (3-33) 可得螺栓的許用切應力為： (3-34) 估算可得爬墻機器人工作時需有12枚螺栓承受的的質量為m=11Kg，故有每枚螺栓所承受的切力為： (3-35) 螺栓抗剪面的直徑為16mm，螺栓抗剪面數目為1，代入公式（3-30）可得，螺栓受到的切應力為： (3-36) 由式（3-36）可知車體連接螺栓滿足剪切強度要求，能夠保證爬壁機器人安全地工作。 4、控制系統(tǒng)部件設計 履帶吸盤式爬壁機器人采用地面遙控的操作方式，這就要求控制系統(tǒng)包括兩部分，即遙控控制系統(tǒng)和動作控制系統(tǒng)。遙控控制系統(tǒng)包括地面遙控器和安裝于機器人上的信號接收器，它的作用分別是用于地面操作人員對機器人的操控和接收操控信號并將相應的命令轉化為控制信號傳給動作控制系統(tǒng)。動作控制系統(tǒng)由PLC，控制線路及其控制的執(zhí)行部件如電磁換向閥等組成，用以按照遙控控制系統(tǒng)傳給的控制信號完成相應的動作。 5.總結 履帶吸盤式爬壁機器人融合了真空吸盤吸附方式和履帶式行走方式的優(yōu)點，在越障、壁面適應性等方面具有突出的優(yōu)點?，F有爬壁機器人結構具有較多不完善之處，但也各有其較為突出的優(yōu)點，如能將現有結構原理的優(yōu)點進行適當的融合價值改革突破必將大大推動爬壁機器人的發(fā)展。本文對履帶吸盤式爬壁機人的研究與開發(fā)正是本著這樣的宗旨，因此本結構原理的研究與探討嘗試對啟發(fā)引導相關設計人員注重將現有爬壁機器人結構原理相互融合并在此基礎上對其進行推陳出新具有重要的作用。 同時，履帶吸盤式的結構原理也有缺點，例如轉向能力差、吸盤吸附性能不夠穩(wěn)定、結構復雜等。因此，為了進一步滿足市場對爬壁機器人的要求，應當對現有理論做進行更加深入地研究，完善現有設計。如果將履帶吸盤式爬壁機器人的結構原理加以完善克服現有的一些缺點與不足，該結構原理必將在爬壁機器人設計開發(fā)上得到廣泛的應用。 6、參考文獻 [1]孟憲超，王祖溫，包鋼，S K TSO，邵浩. 一種多吸盤爬壁機器人原型的研制. 機械設計，2003年8月。 [2] 仝建剛，馬培蓀，陳俊梅. 履帶式磁吸附爬壁機器人壁面適應能力的研究.上海交通大學學報，1999年7月。 [3] 何雪明，丁毅，朱明波. 真空吸附式爬壁機器人設計. 西北輕工業(yè)學院學報，1997年12月。 [4] 張俊強，張華，萬偉民. 履帶式爬壁機器人磁吸附單元的磁場及運動分析. 機器人， 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