開題報(bào)告-爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、 上海電機(jī)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 課題名稱 爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械電子工程（機(jī)電一體化） 班 級(jí) BJ0807 學(xué) 號(hào) 04 姓 名 指導(dǎo)教師 定稿日期： 2011 年 12月10 日 11 爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì) 1 選題背景及其意義

2、隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代都市的摩天大樓越建越多，越建越高，而城市的灰塵污染也越發(fā)嚴(yán)重，在這樣的背景下，人類需要依靠升降機(jī)平臺(tái)來逐層地清洗大樓壁面，不但浪費(fèi)時(shí)間和勞動(dòng)力，而且人類在清洗大樓壁面的環(huán)境越來越惡劣和危險(xiǎn)，本課題來自于社會(huì)實(shí)際的需求，采用爬壁機(jī)器人進(jìn)行擦洗，降低清洗工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，特別是提高安全性。 壁面清洗機(jī)器人是以清洗高層建筑為目的的壁面移動(dòng)機(jī)器人，它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)率，也必將極大的推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，壁面清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究有著良好的應(yīng)用前景

3、。 2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)） 爬壁機(jī)器人是指可以在垂直墻壁上攀爬并完成作業(yè)的自動(dòng)化機(jī)器人。爬壁機(jī)器人又稱為壁面移動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)榇怪北诿孀鳂I(yè)超出人的極限，因此在國(guó)外又稱為極限作業(yè)機(jī)器人。爬壁機(jī)器人必須具備吸附和移動(dòng)兩個(gè)基本功能，而常見吸附方式有負(fù)壓吸附和永磁吸附兩種。其中負(fù)壓方式可以通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式則有永磁體和電磁鐵兩種方式，只適用于吸附導(dǎo)磁性壁面。此次設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人主要針對(duì)建筑物外壁清洗作業(yè)。日本在爬壁機(jī)器人研究上發(fā)展迅速，中國(guó)也于20世紀(jì)90年代以來進(jìn)行類似的研究。這些年來，機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中獲得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用和發(fā)展

4、，這當(dāng)中，爬壁機(jī)器人是能夠代替人類在垂直的陡壁上進(jìn)行工作的機(jī)器人，他作為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置，越來越受到人們的重視。 高層壁面清洗機(jī)器人是一種實(shí)用性很強(qiáng)的研究項(xiàng)目，自從20世紀(jì)60年代以來，爬壁機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。作為高層建筑清洗用的爬壁機(jī)器人來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然百花齊放，但是真正能用于實(shí)際工作方面的具體設(shè)計(jì)并不多。 爬壁機(jī)器人最基本的兩個(gè)功能是在壁面上的吸附功能和移動(dòng)功能。 普通的傳統(tǒng)的爬壁機(jī)器人按吸附功能分類能分成真空吸附和磁吸附這兩種類型：真空吸附又可分為單吸盤式和多吸盤式兩種結(jié)構(gòu)性形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但是遇到壁面不平整時(shí)，容易使吸盤漏氣，使

5、吸附力下降，承載能力降低；磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種類型，電磁體式維持吸附力需要電力，但是控制比較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但是控制比較麻煩。磁吸附方式能在凹凸不平的避免上工作且適應(yīng)性強(qiáng)，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，而且不存在漏氣的問題，但是對(duì)材料的選擇則必須是導(dǎo)磁材料，所以大大的限制了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。 日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，如圖1所示。 圖1 車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人 這種爬壁機(jī)器人靠磁性的車輪對(duì)壁面產(chǎn)生吸附力，其主要特征為：行走穩(wěn)定且速度快，最高速度可以達(dá)到9m/min，能適應(yīng)各種形狀的壁面，而且能不損壞壁面的油漆。1989年

6、日本東京大學(xué)的宏油茂研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤與壁面之間有一個(gè)很小的傾斜角度，這樣吸盤對(duì)壁面的吸力仍然很大，個(gè)吸盤分別由一個(gè)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，與壁面線接觸的吸盤旋轉(zhuǎn)，爬壁機(jī)器人就隨著向前移動(dòng)，這種吸附機(jī)構(gòu)的吸附力可以達(dá)到很大。 圖2 履帶吸盤式爬壁清洗機(jī)器人 圖3 氣動(dòng)多吸盤爬壁機(jī)器人 我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所已經(jīng)成功研制出單吸盤真空吸附車輪行走式爬壁機(jī)器人和永磁鐵吸附履帶行走式爬壁機(jī)器人。單吸盤輪式壁面移動(dòng)機(jī)器人，有吸附機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分移動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速器、車輪構(gòu)成，吸附機(jī)構(gòu)包括真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥、密封機(jī)構(gòu)等。真空泵是產(chǎn)生負(fù)壓的裝置，其功能是不斷的

7、從負(fù)壓腔內(nèi)抽出空氣，使負(fù)壓腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度。為維持機(jī)器人負(fù)壓腔內(nèi)的負(fù)壓，還需要有密封機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人可靠地吸附在壁面上并產(chǎn)生足夠的正壓力，從而使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生足夠的摩擦力以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。由于氣囊密封裝置具有良好的彈性，當(dāng)遇到壁面出現(xiàn)凹凸不平時(shí)，能夠通過氣囊的變形來減小縫隙的大小，讓爬壁機(jī)器人具有一定的越過障礙物的能力，氣囊的充其量由調(diào)節(jié)閥來控制，調(diào)節(jié)彈簧的功能有兩個(gè)：1、為密封圈提供密封所必需的正壓力；2、提高氣墊對(duì)壁面的適應(yīng)能力，還可以起到減震的作用。負(fù)壓的控制通過調(diào)節(jié)真空泵的電機(jī)電壓來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)采用負(fù)壓傳感器作為檢測(cè)元件，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)壓的改變，為調(diào)節(jié)壓力提供依據(jù)。設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥改變

8、機(jī)器人本體的改變，可防止真空泵因腔內(nèi)真空度過高而冷卻空氣較少而發(fā)熱。 由于傳統(tǒng)的爬壁機(jī)器人在很多方面有不足之處（如對(duì)壁面材料和形狀的適應(yīng)性不強(qiáng)，跨越障礙物的能力不足，體積較大，質(zhì)量較重等），因此，在未來的發(fā)展中，爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向?qū)嵱没姆较虬l(fā)展。 （1） 吸附裝置 最近幾年，美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯等國(guó)的研究小組揭示了壁虎爬壁的秘密，就是分子間的作用力--范德華力。范德華力是中性分子彼此距離肥腸近時(shí)產(chǎn)生的一種微弱的電磁引力。從壁虎腳的附著力得到啟發(fā)可用于研制爬壁機(jī)器人。 在分析過程中，運(yùn)用類比、模擬和模型方法，通過高分子化學(xué)材料，工程材料科學(xué)，力學(xué)和機(jī)械學(xué)的交叉研究，或許有一天能研制出

9、與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相類似的，經(jīng)物理改進(jìn)的高分子材料。如果這種裝置能成功地研制出，將對(duì)將來爬壁機(jī)器人在生活中的應(yīng)用踏出堅(jiān)實(shí)的一步。 （2） 移動(dòng)方式 在爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，輪式和履帶式的移動(dòng)方式已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，但是足式移動(dòng)具有以上兩種方式所沒有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動(dòng)的方式可以使機(jī)器人在作業(yè)過程中越過相對(duì)較大的障礙物，并且足式移動(dòng)的方式有較多的自由度，是機(jī)器人變得更加地靈活，對(duì)凹凸不平的復(fù)雜壁面有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，能夠在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最好的支撐點(diǎn)，即便是表面極度復(fù)雜，極度不平整的壁面也能夠依靠選擇最佳的支撐點(diǎn)達(dá)到行走自如的程度。因此，足式結(jié)構(gòu)將

10、在爬壁機(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。 （3） 驅(qū)動(dòng)設(shè)備 傳統(tǒng)伺服電機(jī)因功率重量比低，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)的地方，而且電機(jī)高速運(yùn)行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實(shí)用化的要求，為此需要研制利用功能材料構(gòu)成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機(jī)。 微特電機(jī)所組成的驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機(jī)器人關(guān)鍵部件，研制開發(fā)直接驅(qū)動(dòng)、大力矩、小體積、重量輕、精度高、反應(yīng)靈敏、工作可靠的各類微特電機(jī)是提高我國(guó)機(jī)器人的研究開發(fā)水平，滿足國(guó)內(nèi)機(jī)器人高性能微特電機(jī)的基礎(chǔ)保障。因此微特電機(jī)在機(jī)器人應(yīng)用的前景是非常樂觀的，而且要求微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，滿足機(jī)器人智能化、可靠、靈活、長(zhǎng)壽

11、命的需要。因此爬壁機(jī)器人使用微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可歸納為朝高精度、高可靠性、直接驅(qū)動(dòng)、新原理、新結(jié)構(gòu)、機(jī)電一體化、超微化方向發(fā)展。 超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將彈性材料（壓電陶瓷）的微觀形變通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)。由于其獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)理，超聲波電機(jī)具有傳統(tǒng)電磁式電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)：(1靠) 摩擦力驅(qū)動(dòng)，因而斷電后具有自鎖功能，不需制動(dòng)裝置；(2)轉(zhuǎn)矩密度大，低速下可產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩，不需齒輪減速機(jī)構(gòu)因而體積小、質(zhì)量輕、控制精度高、響應(yīng)速度快；(3)運(yùn)行無噪聲，不產(chǎn)生也不接受電磁干擾等。正是由于超聲波電機(jī)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，所以它在爬壁機(jī)器人上將有非常好的實(shí)用

12、價(jià)值。 （4） 能源問題 迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強(qiáng)的電池，或者通過遙控途徑對(duì)機(jī)器人提供能量和控制信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)外正對(duì)此進(jìn)行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經(jīng)較為成功的將微波技術(shù)應(yīng)用到一臺(tái)無線機(jī)器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會(huì)使爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍得到較大的擴(kuò)展。 3 研究?jī)?nèi)容 （1）爬壁移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算，清洗作業(yè)裝置的設(shè)計(jì)包括滾刷、噴淋和去污系統(tǒng)等 （2）氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) （3）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 研究方案 4.1 總體方案 根據(jù)爬壁清洗機(jī)器人清洗作業(yè)的要求，機(jī)器人首先必須具備清洗作業(yè)功能和控制功能，此外清洗爬壁機(jī)器人還必須在高層建筑物表

13、面進(jìn)行吸附和移動(dòng)，因此清洗爬壁機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)包括機(jī)器人清洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。 （1） 爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高層建筑壁面的污垢主要是大氣污垢，清洗系統(tǒng)是爬壁清洗機(jī)器人的重要組成部分之一，考慮爬壁清洗機(jī)器人代替人工進(jìn)行有效率的清洗工作，因此采用機(jī)械力清洗作用方式，即采用沖洗、刷洗。刮洗聯(lián)合作用的方式。噴淋沖洗壁面，便于除去壁面上附著力較小的污垢并浸潤(rùn)壁面；電機(jī)通過同步傳動(dòng)齒形帶帶動(dòng)滾刷旋轉(zhuǎn)，通過滾刷刷洗，便于除去壁面上附著力較大的污垢。刮板可以刮凈和回收殘留在壁面的液滴，通過污水管進(jìn)入污水箱。整個(gè)清洗作業(yè)系統(tǒng)包括滾刷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)和去污系統(tǒng)。清洗系統(tǒng)如圖4所示。 

14、 圖4 爬壁清洗機(jī)器人清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖 1 電動(dòng)機(jī) 2 機(jī)架 3噴水頭 4 滾刷 （2） 爬壁清洗機(jī)器人爬壁吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)器人移動(dòng)吸附系統(tǒng)是爬壁清洗機(jī)器人的核心部分，由移動(dòng)系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)組成，在機(jī)器人工作過程中攜帶機(jī)器人的清洗系統(tǒng)，吸附在建筑物壁面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物壁面清洗的功能。機(jī)器人主體部分由可以相互平移的兩個(gè)呈十字型的框架構(gòu)成，其中任意一個(gè)框架可以相對(duì)另一個(gè)進(jìn)行平移，每個(gè)框架成組配備可獨(dú)立控制的腿足結(jié)構(gòu)。腿足結(jié)構(gòu)具有一個(gè)主動(dòng)直動(dòng)關(guān)節(jié)。隨著腿部的交替吸附和框架主體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)壁面自由移動(dòng)功能。框架制結(jié)構(gòu)主要依賴于本體自由度與腿足自由度的結(jié)構(gòu)，各部分結(jié)構(gòu)

15、簡(jiǎn)單，滿足靈活性和機(jī)動(dòng)性的要求。另外，由于設(shè)計(jì)要求機(jī)器人能跨越50mm的障礙，因此在腿足部分要求有抬高至少50mm的能力。平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖5所示。 圖5 爬壁清洗機(jī)器人爬壁吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、2 十字框架 3 X向氣缸 4 Y向氣缸 5 清洗系統(tǒng) 6 吸盤組 建筑物壁面材料雖然多樣化，但是大多數(shù)都是非導(dǎo)磁材料，如玻璃、瓷磚和涂料等，因此吸附方式采用真空吸附。單個(gè)吸盤雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制，但是會(huì)降低機(jī)器人在移動(dòng)過程中的越障能力和可靠性，而吸盤組結(jié)構(gòu)形式有利于利用洗盤的彈性變形，提高越障能力，保證吸盤與壁面的吸附，提高機(jī)器人工作的安全性和可靠性。十字框架結(jié)構(gòu)使機(jī)器人

16、整體結(jié)構(gòu)緊湊，可以保證機(jī)器人的整體剛度，在移動(dòng)吸附過程中，使機(jī)器人可以自由移動(dòng)。 （3） 爬壁清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是爬壁清洗機(jī)器人的關(guān)鍵部分，采用PLC控制，來完成對(duì)機(jī)器人本體的吸盤脫離、本體移動(dòng)、吸盤吸附、本體越障和清洗的順序控制。為了控制方便、操作簡(jiǎn)便，控制器PLC固定在機(jī)器人本體上，通過自動(dòng)控制和手動(dòng)控制對(duì)機(jī)器人的整體進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人個(gè)部分的協(xié)調(diào)工作和配合。 4.2詳細(xì)的壁面清洗機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)列表 （1） 爬行速度：5-8m/min （2） 爬行高度：0-80m （3） 清洗速率：100-150m2/h （4） 越障高度：50mm （5） 控制方式：PL

17、C控制 （6） 本體重量：20kg （7） 負(fù)載重量：15kg （8） 移動(dòng)方式：腳步行進(jìn)時(shí) 5 進(jìn)度計(jì)劃 2011年11月16日---- 2011年12月30日：收集資料，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻(xiàn)，書寫開題報(bào)告。 2012年1月1日---- 2012年2月28日： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算，完成裝配圖、部件、零件圖 2012年3月1日---- 2012年3月30日： 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2012年4月1日---- 2012年4月30日： PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2012年5月1日---- 2012年5月30日： 撰寫畢業(yè)論文 2012年6月1日----

18、2012年6月10日： 畢業(yè)答辯準(zhǔn)備和答辯。  參考文獻(xiàn) [1]爬壁機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展 The Current Situation and Development of the Wall-Climbing Robot （遼寧石油化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧撫順 113001） 肖立，佟仕忠，丁啟敏，吳俊生 [2]真空吸盤式爬壁清洗機(jī)器人的研究與開發(fā) 姬國(guó)釗、張世偉、王奇斌、李俊秀、王卓（東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110004） [3]一種新型高樓清洗爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì) 高九崗， 吳神麗， 李宏穆 （成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院， 四川成都610059） [4]爬壁機(jī)器人氣動(dòng)位置

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22、t ion at MESA Roundtable 4, Chicago, Sep. 13, 1995. [18]Michael McClellan. Applying Manufacturing Execution Systems. CRC Press, 1997. [19]D. Brandl. MES Software: A Critical Element in the Enterprise Integration Process, I&CS ( USA) , 1999, 72( 10) : 51~ 56. 指導(dǎo)教師意見

23、 指導(dǎo)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(shí)用價(jià)值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。 4、設(shè)計(jì)或研究方案的可行性：□好；□

24、較好；□一般；□不可行。 5、學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。 6、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對(duì)論文選題報(bào)告的總體評(píng)價(jià)：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號(hào)“√”） 建議結(jié)論 評(píng)議小組組長(zhǎng)簽名： 評(píng)議小組組員簽名： 年 月 日