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履帶吸盤式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)
1、概述
隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛地運(yùn)用。其中，爬壁機(jī)器人以其在核工業(yè)、建筑、消防等行業(yè)的突出優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本文在詳述國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)各種現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析、對(duì)比與評(píng)價(jià)，對(duì)履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了深入地研究與開(kāi)發(fā)，并對(duì)一些關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。本課題研究的履帶吸盤式爬壁機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)方式，雙履帶和車體構(gòu)成機(jī)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(jī)器人提供足夠的吸附力。在地面操作人員的遙控下，爬壁機(jī)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(wù)。
履帶吸盤式結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)樣式的優(yōu)化組合，它克服了現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)與不足，提高了爬壁機(jī)器人的實(shí)用性能。
2、結(jié)構(gòu)原理及組成
2、1爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究
較為高端的爬壁機(jī)器人是集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等科學(xué)為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，因此爬壁機(jī)器人技術(shù)的研究是伴隨著各項(xiàng)科技的發(fā)展而發(fā)展的。自80年代以來(lái)，爬壁機(jī)器人技術(shù)在國(guó)內(nèi)外取得了迅速的發(fā)展，有的已開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用試驗(yàn)階段。到1992 年底，國(guó)外已有不同類型的爬壁機(jī)器人研制成功，其中以日本發(fā)展最快。國(guó)內(nèi)較早發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)，他們已研制成功壁面爬行遙控檢測(cè)機(jī)器人，采用真空吸附方式，通過(guò)運(yùn)載小車使機(jī)器人在壁面上下左右自由行走。另外，上海大學(xué)研制了用于高層建筑窗戶擦洗的真空吸附足式爬行機(jī)器人。上海交通大學(xué)亦于1995 年研制了磁吸附爬壁機(jī)器人用于油罐。
爬壁機(jī)器人必須具有兩個(gè)基本功能：吸附功能和移動(dòng)功能，而為了實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的特定功能只需在機(jī)器人本體上耦合或車載相應(yīng)的功能執(zhí)行部件即可，因此國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人技術(shù)的研究與探討大致是圍繞如何實(shí)現(xiàn)它的兩個(gè)基本功能展開(kāi)的。
根據(jù)較為公認(rèn)的爬壁機(jī)器人技術(shù)劃分方法壁面吸附功能的實(shí)現(xiàn)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(jī)器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機(jī)器人，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)壁面比較粗糙時(shí)，真空吸附方式的機(jī)器人容易產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)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(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，但磁吸附式機(jī)器人僅適用于導(dǎo)磁材料壁面。推力吸附的方式即利用機(jī)器人自身產(chǎn)生的推力使其吸附于壁面上，這種方式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且工作可靠性較低。
爬壁機(jī)器人移動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)方式主要是足式、車輪式和履帶式。足式機(jī)器人能跨越較小的障礙，但移動(dòng)速度慢；車輪式移動(dòng)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(huì)使機(jī)器人相對(duì)于壁面的扭矩增大，使機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；履帶式對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大，機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，但其不易轉(zhuǎn)彎。這三種移動(dòng)方式的跨越障礙能力都很弱。
2．2幾種爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理分析與對(duì)比
現(xiàn)在爬壁機(jī)器人技術(shù)仍處于研究與試驗(yàn)階段，國(guó)內(nèi)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案，這些結(jié)構(gòu)方案在原理和結(jié)構(gòu)布局上有著較大的不同。下面列出三種較為典型同時(shí)也是與履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的研究相關(guān)的結(jié)構(gòu)原理科研實(shí)例，通過(guò)分析這些設(shè)計(jì)實(shí)例的優(yōu)缺點(diǎn)可以引出在爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)時(shí)需要注意與注重的問(wèn)題。
2.2.1車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人
日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出的車輪式磁吸附爬壁機(jī)器，結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。機(jī)器人靠磁性車輪對(duì)壁面產(chǎn)生吸附力吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)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(jī)器人
最大速度可達(dá)9m/min，適用各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。但是該機(jī)器人有自己的缺點(diǎn)：磁吸附使它僅適用于導(dǎo)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(huì)使機(jī)器人相對(duì)于壁面的扭矩增大，使機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；車輪的行走軌跡是連續(xù)的，這不利于機(jī)器人跨越壁面的凹凸不平處，使機(jī)器人對(duì)壁面的平整質(zhì)量要求提高。
2.2.2多吸盤單鏈爬壁機(jī)器人Cleanbot – IV
香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、制造及控制中心(CIDAM) 和內(nèi)地大學(xué)合作設(shè)計(jì)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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)、吸盤組導(dǎo)向和提升裝置以及控制系統(tǒng)組成。行走機(jī)構(gòu)模仿坦克履帶結(jié)構(gòu)，采用單履帶模式。吸附機(jī)構(gòu)
多吸盤單鏈爬壁機(jī)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(jī)器人的特點(diǎn)是采用單鏈和多吸盤相配合的結(jié)構(gòu)可以可靠解決轉(zhuǎn)向的問(wèn)題；采用彈性機(jī)構(gòu)，使該機(jī)器人具有跨越一定障礙的能力；旋轉(zhuǎn)接頭供氣方式夠給每一個(gè)吸盤供氣而避免通氣管纏繞。該爬壁機(jī)器人的缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其可靠性相應(yīng)降低；單履帶的模式使機(jī)器人工作時(shí)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(jī)器人的工作壽命。
2.2.3 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人
國(guó)家教委博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目履帶式磁吸附爬壁機(jī)器是將永磁體片離散的裝在爬壁機(jī)器人的履帶上，采用雙履帶方式，主動(dòng)輪安裝在一端，前后雙輪。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)爬壁機(jī)在壁面上行進(jìn)。
該機(jī)器人的特點(diǎn)是：在機(jī)器人設(shè)計(jì)中采取加長(zhǎng)履帶、浮動(dòng)支撐、載荷分散機(jī)構(gòu)、柔性履帶等措施，以提高爬壁機(jī)器人的壁面適應(yīng)能力， 實(shí)現(xiàn)其在壁面的安全爬行。
履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人
其缺點(diǎn)是，履帶是用鉸鏈聯(lián)接的，不能將垂直于履帶方向的載荷分布到各個(gè)永磁體上，也就是說(shuō)履帶在垂直于拉力方向上沒(méi)有剛性，這對(duì)于爬壁機(jī)器人工作的安全性極其有害；主動(dòng)輪偏置，使履帶受力不均勻?qū)β膸p害較大。
2.3履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理
本文所研究與開(kāi)發(fā)的履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理是將吸盤的真空吸附方式和履帶式移動(dòng)方式相結(jié)合，真空吸盤固定在柔性的履帶上，采用雙履帶對(duì)稱結(jié)構(gòu)。固定式配氣盤結(jié)構(gòu)作為16組吸盤和真空泵抽進(jìn)氣系統(tǒng)相連接的媒介。主動(dòng)輪置中，兩側(cè)各有一從動(dòng)輪，主、從動(dòng)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(guò)功能組件耦合處與機(jī)器人機(jī)體相連以完成相應(yīng)能。
履帶吸盤式爬壁機(jī)的外形簡(jiǎn)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(jī)器人結(jié)構(gòu)方案
3.1爬壁機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)參數(shù)
本課題研究的爬壁機(jī)器人主要應(yīng)用于高層建筑壁面清潔和救援物質(zhì)傳遞，由其工作性質(zhì)決定爬壁機(jī)工作必須穩(wěn)定可靠，工作效率高。
本課題對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求如下：
根據(jù)玻璃壁面特點(diǎn)和清洗機(jī)器人爬行、清洗作業(yè)要求，機(jī)器人需要達(dá)到如下性能：
①壁面移動(dòng)速度：11~15 m/ min ；
②越障高度：50 mm；
③本體重量：30 Kg ；
④負(fù)載能力：15 Kg ；
⑤作業(yè)高度：0～100 m；
⑥作業(yè)功能：可進(jìn)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(shù)要求的機(jī)器人存在的主要技術(shù)難點(diǎn)如下:
①吸附和密封技術(shù)：要求吸附機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生一定的吸附力，確保機(jī)器人工作過(guò)程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。
②爬行技術(shù)：爬行機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、高效、小型。使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)直線移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向。保證機(jī)器人能夠按照地面操作人員的遙控進(jìn)行工作。
③配氣技術(shù)：吸盤和履帶輪均是旋轉(zhuǎn)的，為防止配氣管相互纏繞，應(yīng)有效解決配氣問(wèn)題。
④控制技術(shù)：使機(jī)器人可以在地面操作人員的控制下準(zhǔn)確工作，機(jī)器人自身各部分密切配合；有簡(jiǎn)潔、方便的人機(jī)界面，便于操作人員控制
3.2爬壁機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
爬壁機(jī)器人通常采用的移動(dòng)方式有足式、履帶式和車輪式。足式能較好的跨越障礙，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且移動(dòng)速度慢，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜；履帶式著地面積大，可提供足夠的吸附力，壁面適應(yīng)性好，但其結(jié)構(gòu)不容易轉(zhuǎn)彎；車輪式移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)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(yuǎn)，對(duì)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(jī)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(zhì)工作，為了防止機(jī)器人從垂直壁面上滑落，機(jī)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(jī)構(gòu)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(jī)器人對(duì)壁面凹凸不平適應(yīng)性強(qiáng)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，運(yùn)動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮各方面因素，本課題中爬壁機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)選用履帶吸盤式結(jié)構(gòu)。
3.2.1 履帶的結(jié)構(gòu)形式
如下圖所示為三種常見(jiàn)的履帶形狀。圖a）中驅(qū)動(dòng)輪及導(dǎo)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(qū)動(dòng)輪與導(dǎo)向輪位置高于地面，鏈條引入時(shí)的角度達(dá)50度，其好處是適合于穿越障礙。圖c）中驅(qū)動(dòng)輪（主動(dòng)輪）置中，導(dǎo)向輪（從動(dòng)輪）對(duì)稱分布，驅(qū)動(dòng)輪及導(dǎo)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(yuǎn)離履帶彎曲處，減少了對(duì)履帶的損害。
由于爬壁機(jī)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(jié)構(gòu)具有逾越較小障礙的功能；同時(shí)，考慮到機(jī)器人運(yùn)行的平穩(wěn)性和履帶的使用壽命，因此采用圖c）所示的結(jié)構(gòu)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(jiàn)的履帶形狀
3.2.2 履帶與履帶輪的聯(lián)結(jié)
履帶與履帶輪（包括主動(dòng)輪和從動(dòng)輪）的聯(lián)結(jié)模擬了齒輪與齒條的嚙合，兩者齒的模數(shù)等參數(shù)是相同的。為了保證在運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶與履帶輪不會(huì)咬死，把履帶上的齒的厚度做的相對(duì)薄一點(diǎn)，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(dǎo)氣管通過(guò)，履帶上的凸起部分與配氣盤相聯(lián)結(jié)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(lián)結(jié)的變形，這種聯(lián)結(jié)運(yùn)行可靠平穩(wěn)，傳遞力矩均勻。圖 b）為研究課題開(kāi)發(fā)的機(jī)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(jī)器人壁面適應(yīng)能力分析
機(jī)器人主要由真空吸附、履帶行走、支撐車體、背倉(cāng)及清潔機(jī)構(gòu)組成。真空吸附機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)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(dāng)真空泵運(yùn)行，處于工作狀態(tài)的4組吸盤平整貼近壁面時(shí)，在配氣盤裝置作用下，吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空負(fù)壓，機(jī)器人吸附于壁面，在保證機(jī)器人自身能夠牢固吸附于壁面的同時(shí)還足以維持清洗刷高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)壁面的抽打力。在機(jī)器人自下往上移動(dòng)清洗過(guò)程中，因吸盤與壁面間有相對(duì)滑動(dòng)，所以吸附力并不是越大越好，因?yàn)槲搅^(guò)大，機(jī)器人就不能順利上下滑移動(dòng)；但吸附力過(guò)小，在吸盤遭遇壁面凹縫氣體過(guò)量泄漏時(shí)，機(jī)器人就不能可靠吸附于壁面，壁面適應(yīng)能力變差。此外，在作業(yè)過(guò)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(guò)小，清洗質(zhì)量就得不到保證；但清洗壓力過(guò)大，壁面對(duì)機(jī)器人反作用力也大，吸附力就需要增加，否則機(jī)器人容易脫離壁面。
圖所示是機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)，因而有：
G < Σ
= = (3-1)
Σ = μ
式中：G 為機(jī)器人總重量，該重量包括機(jī)器人自身的重量、清潔組件質(zhì)量、背倉(cāng)傳遞物質(zhì)質(zhì)量；μ為壁面摩擦系數(shù)；Σ為壁面總摩擦力； 分別為壁面對(duì)4工作狀態(tài)吸盤反作用力；為4個(gè)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(nèi)負(fù)壓。此外，防止繞下機(jī)器人下支撐點(diǎn)O 傾覆的條件為
/ G > / (3-2)
式中： 是機(jī)器人重心到壁面的距離； 是 作用點(diǎn)到點(diǎn)O 的距離。為保證機(jī)器人能在驅(qū)動(dòng)力的作用下在壁面穩(wěn)定移動(dòng)，由式(3-1) 、(3-2) 得到的臨界條件為：
Max < (3-3)
可見(jiàn), 必須穩(wěn)定在式(3-3) 所示的區(qū)間內(nèi),實(shí)際值由機(jī)器人移動(dòng)速度確定，當(dāng)機(jī)器人的移動(dòng)速度為一變化值時(shí)，則實(shí)際值由機(jī)器人當(dāng)前移動(dòng)速度確定。
機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)分析
3.3 爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機(jī)器人上，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)壁面比較粗糙時(shí)，真空吸附方式的機(jī)器人容易產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)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(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，但磁吸附式機(jī)器人僅適用于導(dǎo)磁材料壁面。推力吸附的方式即利用機(jī)器人自身產(chǎn)生的推力使其吸附于壁面上，這種方式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且工作可靠性較低。
本課題要求機(jī)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(dǎo)磁材料，綜合考慮以上問(wèn)題，在本設(shè)計(jì)中選擇吸盤式真空吸附的方式，多吸盤的結(jié)構(gòu)形式。在開(kāi)發(fā)的爬壁機(jī)器人中共有16組吸盤，吸盤組件通過(guò)吸盤固定裝置固定在履帶上，隨履帶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)；真空泵通過(guò)供氣回路、配氣盤完成對(duì)吸盤吸附、脫離的控制。
3.3.1 吸盤式吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
吸盤吸附材料采用軟橡膠。機(jī)器人的工作狀況與吸盤的吸力大小有關(guān)，如圖所示為機(jī)器人靜止吸附在壁面時(shí)的受力。
機(jī)器人靜止吸附在壁面時(shí)的受力情況
機(jī)器人能維持吸附的條件為:
（設(shè)）
（3-4）
式中： F 為摩擦力，為摩擦系數(shù)，為單個(gè)吸盤的吸力，G 為機(jī)器人自重與其附件重量之和，n 為吸盤的個(gè)數(shù)。由于機(jī)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(duì)壁面的有效壓力，同時(shí)，考慮到由于地面有縫隙而減少真正吸附壁面的吸盤個(gè)數(shù)，引入安全系數(shù)，則單個(gè)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(dǎo)氣管等因素，一般取2~3。
3.3.2 吸盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖所示為單個(gè)吸盤的結(jié)構(gòu)圖，它是由鋼球1、手動(dòng)調(diào)速閥2、橡皮圈3、彈簧4、彈簧5、導(dǎo)氣管6組成。
在忽略氣體摩擦和位置時(shí)，由伯努利方程得：
即 (3-6)
單個(gè)吸盤的結(jié)構(gòu)圖
式中：V 為氣體的速度，K 為氣壓壓縮系數(shù)，P 為壓力，為密度，C 為常數(shù)。機(jī)器人工作前，可根據(jù)工作壁面的性質(zhì)和載重量通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥設(shè)定氣流通過(guò)導(dǎo)氣管的速度；在機(jī)器人工作時(shí)，當(dāng)導(dǎo)氣管中的氣壓減小，同時(shí)有幾個(gè)吸盤（正常工作時(shí)有4組吸盤）已經(jīng)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(jìn)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(qiáng)系數(shù)，為壓縮位移。則：
（3-8）
3.3.3 吸盤式爬壁機(jī)器人吸附安全性研究
為了確定吸盤式爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力和安全性能，必須對(duì)機(jī)器人所受的力進(jìn)行分析。當(dāng)機(jī)器人吸附在玻璃壁面上時(shí)，受力情況如圖，各符號(hào)意義如下:
———墻壁對(duì)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(jī)器人上的重力(包括外設(shè)) ；
p ———相鄰兩組吸盤之間的距離；
d ———機(jī)器人的等效重心到玻璃壁面的距離；
爬壁機(jī)器人受力示意圖
機(jī)器人在工作時(shí)，當(dāng)其在玻璃壁面上移動(dòng)時(shí)有兩種危險(xiǎn)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(jī)器人的傾翻。設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)受力應(yīng)避免滑落和傾翻兩種情況發(fā)生，為了簡(jiǎn)化分析計(jì)算，這里只考慮了靜態(tài)吸附情況。
(1)避免機(jī)器人從墻面上滑落。根據(jù)摩擦力的特性，同樣工況下，最大靜摩擦力要大于滑動(dòng)摩擦力，所以有：
G < min(，) = = Nμ (3-9)
式中：μ———最小摩擦因數(shù)；
N ———兩接觸表面間的正壓力。
(2)避免機(jī)器人從玻璃幕墻上傾翻下來(lái)。在顛覆力矩的作用下，應(yīng)該滿足：
> 0 ( i = 1，…，4) (3-10)
假設(shè)作用在支撐輪上的力不加考慮，認(rèn)為墻壁對(duì)機(jī)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(jī)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(shè) 點(diǎn)為參照點(diǎn)) ：
(3-13)
并假定各個(gè)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(nèi)的真空度。
為了方便計(jì)算 ，假設(shè)幾個(gè)約定條件，設(shè)作用于吸盤上的支撐力 ( i = 1…，5) 形成一對(duì)，并且從到比例增加，以上假設(shè)可用下式表示為：
- = - ( i = 1，2) (3-15)
聯(lián)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(jù)式(3-9) 和(3-17) ，機(jī)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(lái)) 的條件應(yīng)該滿足:
G < min(，) (3-18)
理論上：
= 5μV (3-19)
f c2 = (3-20)
在進(jìn)行爬壁機(jī)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)具體的尺寸p，d確定，的大小，根據(jù)計(jì)算式(10)來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)是否滿足爬壁機(jī)不滑落不傾翻的條件。（在計(jì)算時(shí)基于安全考慮，玻璃與吸盤間的典型摩擦因數(shù)按最小計(jì)μ = 0. 11 。）
根據(jù)計(jì)算分析出最可能發(fā)生危險(xiǎn)的情形是（1）或（2）。在保證次危險(xiǎn)安全的情況下，保證最危險(xiǎn)的情況不會(huì)發(fā)生，由此才能保證爬壁機(jī)器人安全地工作?？紤]到機(jī)器人在越障時(shí)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(yīng)當(dāng)另外增加安全系數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí),考慮只有下面4 組吸盤組工作時(shí)機(jī)器人仍能夠安全吸附。因此，保證機(jī)器人的安全，要確保：
(3-21)
或表示為：
(3-22)
式中：G ———機(jī)器人和負(fù)載總的質(zhì)量；
———作用在機(jī)器人吸盤上吸力的總和，= 4V ；
λ = 1/ μ；
n ———安全系數(shù)。
3.4爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要由：吸盤組件、履帶、履帶輪、動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構(gòu)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(guò)模壓硫化而制成。橡膠履帶具有接地比壓小、牽引力大、振動(dòng)小、噪音低、濕田通過(guò)性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點(diǎn)。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。履帶和履帶輪聯(lián)結(jié)模擬齒輪齒條嚙合，相嚙合齒的模數(shù)為2。
表格3-1所示為橡膠履帶基質(zhì)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(qiáng)度
（MPa）
伸長(zhǎng)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(qiáng)度
（MPa）
抗拉彈性模量
（
熔點(diǎn)
（）
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(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能性大，下面對(duì)履帶輪進(jìn)行校核。圖為主動(dòng)輪的三維造型圖。
主動(dòng)輪的三維造型圖
履帶輪驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)功率的關(guān)系：
(3-23)
式中各符號(hào)的意義為：
P——驅(qū)動(dòng)輪傳遞給履帶的功率，單位為W；
——主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)履帶的扭矩，單位為；
——為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，單位rad/s；
——安全系數(shù)，是為了保證有一定的功率裕量和功率損耗，一般取2~3；
——機(jī)器人的總質(zhì)量，單位為；
——重力加速度，單位為；
——機(jī)器人在壁面上運(yùn)行的速度，單位。
設(shè)在主動(dòng)輪工作中一個(gè)齒上的剪力為，則有：
(3-24)
式中，A——主動(dòng)輪齒底部的截面積，單位為；
——主動(dòng)輪輪齒底部受到的切應(yīng)力，單位為Pa；
——主動(dòng)輪輪齒底部截面的長(zhǎng)度，單位為；
——主動(dòng)輪輪齒底部截面的寬度，單位為。
對(duì)主動(dòng)輪中心取矩，由平衡方程，可得：
(3-25)
式中，——主動(dòng)輪工作中一個(gè)齒上的剪力為；
——主動(dòng)輪的直徑，單位為mm；
——同時(shí)處于工作狀態(tài)的齒輪數(shù)；
對(duì)于主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)有：
(3-26)
式中，r——主動(dòng)輪的半徑，單位m；
聯(lián)立式3-23，3-24，3-25，3-26可以得到，主動(dòng)輪輪齒底部受到的切應(yīng)力：
(3-27)
式中，安全系數(shù)k取2.5，機(jī)器人的總重量m為45Kg，重力加速度g取9.8，機(jī)器人工作時(shí)同時(shí)處于工作狀態(tài)的輪齒數(shù)取2.3，主動(dòng)輪輪齒底部寬l為30mm，主動(dòng)輪輪齒底部長(zhǎng)度b為4.86mm，將以上數(shù)據(jù)代入式（3-27），可以得到：
(3-28)
對(duì)于主動(dòng)輪的聚碳酸酯材料可以由其抗拉強(qiáng)度參考其抗切應(yīng)力的強(qiáng)度，故有：
(3-29)
由式3-29可知，爬壁機(jī)器人的主動(dòng)輪強(qiáng)度滿足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，能夠保證機(jī)器人安全可靠地完成工作任務(wù)。3.5爬壁機(jī)器人車體的設(shè)計(jì)
爬墻機(jī)器人的車體是支撐爬壁機(jī)器人所有部件的基礎(chǔ)，因此機(jī)器人車體的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔工作可靠。機(jī)器人的動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)、背倉(cāng)等都是裝在車體內(nèi)部的，因此車體應(yīng)當(dāng)做成上下車體組裝的形式；為了擴(kuò)大零部件安裝的空間車體設(shè)計(jì)成上下分層的結(jié)構(gòu)。
上下車體之間是用螺栓進(jìn)行連接的，在機(jī)器人工作的過(guò)程中車體連接螺栓受到很大的剪切力，因此為保證機(jī)器人正常工作應(yīng)當(dāng)對(duì)螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核。
爬壁機(jī)器人車體長(zhǎng)為900mm，寬為400mm，硬質(zhì)合金鑄件壁厚8mm，為提高車體強(qiáng)度，上下車體的內(nèi)側(cè)均有加強(qiáng)肋板。上下車體連接螺栓使用M16，共12個(gè)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(gè)空間分別放置控制系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，上車體前端預(yù)留有兩個(gè)孔一個(gè)用于為汽油機(jī)加油，一個(gè)用于啟動(dòng)汽油機(jī)。下車體后部有功能部件聯(lián)結(jié)口，功能部件由螺栓安裝在下車體上。
在機(jī)器人工作的過(guò)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(dòng)。因此，車體連接螺栓受到較大的剪。
在爬壁機(jī)器人工作時(shí)，螺栓在結(jié)合面除受剪還與被連接件即車體相互擠壓。聯(lián)結(jié)損壞可能的形式有：螺栓被剪斷，孔壁被壓潰等。為防止硬質(zhì)合金的車體螺栓孔壁被壓潰，在安裝螺栓時(shí)采用襯套，因此孔壁被壓潰的可能性相對(duì)于螺栓被剪斷低。在此，僅進(jìn)行螺栓受剪強(qiáng)度的校核。
設(shè)螺栓所受的剪力為（聯(lián)結(jié)受橫向力，），如圖所示為上下車體聯(lián)結(jié)受剪螺栓受力圖，則螺栓受到的切應(yīng)力為：
（3-30）
式中，——螺栓受到的切應(yīng)力；
——螺栓抗剪面直徑；
——螺栓抗剪面數(shù)目；
——螺栓所受的剪力為；
上下車體聯(lián)結(jié)受剪螺栓受力圖
在爬壁機(jī)器人工作時(shí)，因?yàn)槠鋭蛩僖苿?dòng)，故可認(rèn)為螺栓受到靜載荷，螺栓的許用切應(yīng)力為：
(3-31)
式中，[]——螺栓的許用切應(yīng)力；
——螺栓的屈服強(qiáng)度；
——安全系數(shù)，取2.5；
選擇螺栓的材料為35鋼，螺栓的性能等級(jí)為5.6級(jí)則，螺栓的拉伸強(qiáng)度為：
(3-32)
螺栓的屈服強(qiáng)度為：
(3-33)
可得螺栓的許用切應(yīng)力為：
(3-34)
估算可得爬墻機(jī)器人工作時(shí)需有12枚螺栓承受的的質(zhì)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(shù)目為1，代入公式（3-30）可得，螺栓受到的切應(yīng)力為：
(3-36)
由式（3-36）可知車體連接螺栓滿足剪切強(qiáng)度要求，能夠保證爬壁機(jī)器人安全地工作。
4、控制系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)
履帶吸盤式爬壁機(jī)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(dòng)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(jī)器人上的信號(hào)接收器，它的作用分別是用于地面操作人員對(duì)機(jī)器人的操控和接收操控信號(hào)并將相應(yīng)的命令轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)傳給動(dòng)作控制系統(tǒng)。動(dòng)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(hào)完成相應(yīng)的動(dòng)作。
5.總結(jié)
履帶吸盤式爬壁機(jī)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(diǎn)，在越障、壁面適應(yīng)性等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)具有較多不完善之處，但也各有其較為突出的優(yōu)點(diǎn)，如能將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜诤蟽r(jià)值改革突破必將大大推動(dòng)爬壁機(jī)器人的發(fā)展。本文對(duì)履帶吸盤式爬壁機(jī)人的研究與開(kāi)發(fā)正是本著這樣的宗旨，因此本結(jié)構(gòu)原理的研究與探討嘗試對(duì)啟發(fā)引導(dǎo)相關(guān)設(shè)計(jì)人員注重將現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理相互融合并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行推陳出新具有重要的作用。
同時(shí)，履帶吸盤式的結(jié)構(gòu)原理也有缺點(diǎn)，例如轉(zhuǎn)向能力差、吸盤吸附性能不夠穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。因此，為了進(jìn)一步滿足市場(chǎng)對(duì)爬壁機(jī)器人的要求，應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)有理論做進(jìn)行更加深入地研究，完善現(xiàn)有設(shè)計(jì)。如果將履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理加以完善克服現(xiàn)有的一些缺點(diǎn)與不足，該結(jié)構(gòu)原理必將在爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上得到廣泛的應(yīng)用。
6、參考文獻(xiàn)
[1]孟憲超，王祖溫，包鋼，S K TSO，邵浩. 一種多吸盤爬壁機(jī)器人原型的研制. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2003年8月。
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XXX 大 學(xué)
本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開(kāi)題報(bào)告
論 文 題 目：XXXXXX
學(xué) 院：
專 業(yè) 、班 級(jí)：
學(xué) 生 姓 名：
指導(dǎo)教師（職稱）：
20**年 03 月 18 日填
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告要求
開(kāi)題報(bào)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(zhì)量畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的有效保證。為了使這項(xiàng)工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。
一、選題依據(jù)
1.論文（設(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域；
2.論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值；
3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問(wèn)題；
2.擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）；
3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。
四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述
學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開(kāi)題報(bào)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(chǔ)。
五、其他要求
1.開(kāi)題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開(kāi)始后的前四周內(nèi)完成；
2.開(kāi)題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)審查通過(guò)；
3.開(kāi)題報(bào)告不合格或沒(méi)有做開(kāi)題報(bào)告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參加答辯；
4.開(kāi)題報(bào)告通過(guò)后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師；
5.開(kāi)題報(bào)告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊(cè)（部分專業(yè)可根據(jù)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(jù)
1. 論文（設(shè)計(jì)）題目
XXXXXX
2. 研究領(lǐng)域
本題目運(yùn)用所學(xué)的材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電控制等知識(shí)，參考文獻(xiàn)資料進(jìn)行探測(cè)攀行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，用來(lái)替代人類進(jìn)行危險(xiǎn)領(lǐng)域的攀行探測(cè)作業(yè)。
3. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
大型鋼結(jié)構(gòu)如電力鐵塔、橋梁、船舶中的板梁結(jié)構(gòu)的探傷，檢查，油漆，清掃等工作往往是高空危險(xiǎn)作業(yè)，適合由機(jī)器人來(lái)完成，以實(shí)現(xiàn)高效，安全自動(dòng)化生產(chǎn)。
4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,可在垂直壁面上靈活移動(dòng),代替人工在極限條件下完成多種作業(yè)任務(wù),是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。它把地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái),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(wù),大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。自從1966年日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部的成功研制出第一個(gè)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)以來(lái)爬壁機(jī)器人領(lǐng)域取得了豐碩的成果得到了長(zhǎng)足的發(fā)展如：1975年西亮教授又采用單吸盤結(jié)構(gòu)制作出以實(shí)用化為目標(biāo)的第二代爬壁機(jī)器人樣機(jī)。1990年以來(lái),西班牙馬德里CSIC大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所研制出一種6足式爬壁機(jī)器人。1997年俄羅斯莫斯科機(jī)械力學(xué)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(jī)器人也采用單吸盤結(jié)構(gòu)。自1988年以來(lái),在國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個(gè)系列的5種型號(hào)壁面爬行機(jī)器人。1995年研制成功的金屬管防腐用磁吸附爬壁機(jī)器人, 1997年研制的水冷壁清洗、檢測(cè)爬壁機(jī)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(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用,取得了良好的社會(huì)效益。仿生學(xué)、微機(jī)電一體化、新型驅(qū)動(dòng)器、高分子材料等新技術(shù)、新理論的應(yīng)用極大地推動(dòng)了爬壁機(jī)器人的發(fā)展,使其功能越來(lái)越強(qiáng)大。爬壁機(jī)器人的研究正向著采用新型吸附方式、多功能化、小型化、無(wú)纜化、智能化、可重構(gòu)化等方向發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外都非常重視攀行檢測(cè)機(jī)器人的研制，主要是因?yàn)樗兄鴱V泛的用途，特別是它可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。攀行檢測(cè)機(jī)器人是一種新型特種機(jī)器人，能在危險(xiǎn)工作狀態(tài)下代替人工作業(yè)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1 重點(diǎn)解決的問(wèn)題
結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有爬壁機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，通過(guò)所學(xué)知識(shí)初步設(shè)計(jì)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用的機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)。
2 擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面
2.1吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1.1查閱現(xiàn)有吸附機(jī)構(gòu)的種類
2.1.2針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用的吸附機(jī)構(gòu)選擇
2.1.3初步設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用的吸附機(jī)構(gòu)
2.1.4確定吸附機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)
2.2移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.2.1查閱現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類
2.2.2針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用的移動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇
2.2.3初步設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用的移動(dòng)機(jī)構(gòu)
2.2.4確定移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)
2.3、探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)
2.3.1查閱現(xiàn)有探測(cè)裝置的種類
2.3.2針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用機(jī)器人的探測(cè)裝置選擇
2.3.3初步設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用的探測(cè)裝置
2.3.4確定探測(cè)裝置的主要參數(shù)
2.4鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用的機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
2.5結(jié)論及參考文獻(xiàn)
3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
通過(guò)學(xué)習(xí)相關(guān)書(shū)籍和文獻(xiàn)制定鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用機(jī)器人總體方案，并且完善鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終完成鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用機(jī)器人的總體裝配圖、部分零件圖以及詳細(xì)的鋼結(jié)構(gòu)探測(cè)攀行用機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
三、論文（設(shè)）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）
查閱相關(guān)資料結(jié)合學(xué)過(guò)的機(jī)器人方面的知識(shí)，聯(lián)系已有的知識(shí)發(fā)揮自我的創(chuàng)新意識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
1~4周： 明確畢業(yè)設(shè)計(jì)主要任務(wù)和相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，期刊，學(xué)位論文等查閱相關(guān)資料完成開(kāi)題報(bào)告。
5~7周： 進(jìn)行初步的方案設(shè)計(jì)選定。
8~12周： 確定最終方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
13~14周：撰寫畢業(yè)論文，外文翻譯。
15~16周：準(zhǔn)備和參加答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告
1.引言：
爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,可在垂直壁面上靈活移動(dòng),代替人工在極限條件下完成多種作業(yè)任務(wù),是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。它主要應(yīng)用于核工業(yè)、石化工業(yè)、造船業(yè)、消防部門及偵查活動(dòng)等,如對(duì)高樓外壁面進(jìn)行清洗,對(duì)石化企業(yè)中的儲(chǔ)料罐外壁進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù),對(duì)大面積鋼板進(jìn)行噴漆,以及在高樓事故中進(jìn)行搶險(xiǎn)救災(zāi)等，并且取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的發(fā)展前景。
經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,爬壁機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批豐碩的成果,特別是20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外在爬壁機(jī)器人領(lǐng)域中的發(fā)展尤為迅速。近年來(lái),由于多種新技術(shù)的發(fā)展,爬壁機(jī)器人的許多技術(shù)難題得到解決,極大地推動(dòng)了爬壁機(jī)器人的發(fā)展。在我國(guó)各高校機(jī)器人設(shè)計(jì)活動(dòng)也已經(jīng)很廣的開(kāi)展起來(lái)，這種氛圍對(duì)我國(guó)機(jī)器人的研制開(kāi)發(fā)特別以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極意義的。
2.國(guó)外爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀
1966年日本的西亮教授首次研制成功壁面移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī),并在大阪府立大學(xué)表演成功。這是一種依靠負(fù)壓吸附的爬壁機(jī)器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的爬壁機(jī)器人,到80年代末期已經(jīng)開(kāi)始在生產(chǎn)中應(yīng)用。日本在開(kāi)發(fā)爬壁機(jī)器人方面發(fā)展最為迅速,主要應(yīng)用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。如：日本清水建設(shè)公司開(kāi)發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機(jī)器人,他們研制的負(fù)壓吸附清洗玻璃面的爬壁機(jī)器人,曾為加拿大使館清洗。東京工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了無(wú)線遙控磁吸附爬壁機(jī)器人。在日本通產(chǎn)省"極限作業(yè)機(jī)器人"國(guó)家研究計(jì)劃支持下,日暉株式會(huì)社開(kāi)發(fā)了用于核電站大罐的負(fù)壓吸附壁面檢查機(jī)器人等。
其他各國(guó)也加入到爬壁機(jī)器人研究的熱潮中如：美國(guó)西雅圖的Henry R 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(jī)器人“AutoCrawler”。其兩條履帶上各裝有數(shù)個(gè)小吸附室,隨著履帶的移動(dòng),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(guó)CaseWestern Reserve University研制的采用4個(gè)“腿輪”的爬壁機(jī)器人樣機(jī)。與前兩種機(jī)器人相似,該機(jī)器人依靠4個(gè)“腿輪”上的仿生粘性材料來(lái)吸附,樣機(jī)不同的是這4個(gè)腿輪上腳掌的特殊分布更有利于機(jī)器人在壁面上穩(wěn)定爬行。該機(jī)器人質(zhì)量?jī)H有87 g。20世紀(jì)90年代初,英國(guó)樸次茅斯工藝學(xué)校研制了一種多足行走式的爬壁機(jī)器人。采用模塊化設(shè)計(jì),機(jī)器人由兩個(gè)相似的模塊組成,每個(gè)模塊包括兩個(gè)機(jī)械腿和腿部控制器。可根據(jù)任務(wù)需要來(lái)安裝不同數(shù)量的腿,可重構(gòu)能力強(qiáng)。機(jī)械腿采用仿生學(xué)機(jī)構(gòu),模擬大型動(dòng)物臂部肌肉的功能,為兩節(jié)式,包括上、下兩個(gè)桿和3個(gè)雙作用氣缸,具有3個(gè)自由度。穩(wěn)定性好,承載能力大,利于機(jī)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(jī)器人腹部設(shè)有吸盤, 使機(jī)器人具有較大的負(fù)載質(zhì)量比,可達(dá)2∶1。
3.國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀
中國(guó)也于20世紀(jì)90年代以來(lái)進(jìn)行類似的研究。1988年在國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個(gè)系列的5種型號(hào)壁面爬行機(jī)器人。研制成功的我國(guó)第一臺(tái)壁面爬行遙控檢測(cè)機(jī)器人,采用負(fù)壓吸附,全方位移動(dòng)輪,用于核廢液儲(chǔ)存罐罐壁焊縫缺陷檢測(cè)。1994年開(kāi)發(fā)的用于高樓壁面清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人CLR-Ⅰ,采用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu),機(jī)器人在原地就可以任意改變運(yùn)動(dòng)方向。之后開(kāi)發(fā)的CLR-Ⅱ,采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式———同軸雙輪差速機(jī)構(gòu), 通過(guò)對(duì)兩輪速度的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動(dòng),機(jī)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(jī)器人均采用單吸盤結(jié)構(gòu),彈簧氣囊密封,保證了機(jī)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(jī)器人,采用永磁吸附結(jié)構(gòu),靠?jī)蓷l履帶的正反轉(zhuǎn)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。該機(jī)器人可以為石化企業(yè)金屬儲(chǔ)料罐的外壁進(jìn)行噴漆、噴砂,以及攜帶自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)罐壁涂層厚度進(jìn)行檢測(cè)。1997年研制的水冷壁清檢測(cè)爬壁機(jī)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(xué)也較早開(kāi)展高樓壁面清洗作業(yè)機(jī)器人的研究,先后研制出垂直壁面爬壁機(jī)器人和球形壁面爬壁機(jī)器人。該球形壁面爬壁機(jī)器人采用多吸盤、負(fù)壓吸附、6足獨(dú)立驅(qū)動(dòng)腿足行走方式,可用于不同曲率半徑的球形外壁1996年以來(lái),北京航空航天大學(xué)先后研制成功WASH2 MAN,CLEANBOT 1,SKYCLEAN,“吊籃式擦窗機(jī)器人”和“藍(lán)天潔寶”等幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)。為全氣動(dòng)擦窗機(jī)器人;吊籃式清洗機(jī)器人,機(jī)器人依靠樓頂上的安全吊索牽引移動(dòng),利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓使機(jī)器人貼附在壁面上以國(guó)家大劇院橢球形頂棚清洗為應(yīng)用背景研制的適用于復(fù)雜曲面的自攀爬式機(jī)器人樣機(jī),由攀爬機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、清機(jī)器人有許多相似之處,但由于其特殊的工作環(huán)境和任務(wù)要求,在理論和技術(shù)等方面又有一些特殊性。
4. 爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)：
4.1吸附機(jī)構(gòu)：吸附機(jī)構(gòu)的作用是產(chǎn)生一個(gè)向上的力來(lái)平衡機(jī)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(fù)壓吸附、磁吸附、螺旋槳推力及粘結(jié)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(jī)器人往往針對(duì)性較強(qiáng),只適用于某種特定任務(wù),較難通用化。機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要針對(duì)工作任務(wù)、環(huán)境,選取合適的吸附方式。近年來(lái),人們通過(guò)研究壁虎等爬行動(dòng)物腳掌的吸附機(jī)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(wú)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。但目前這些材料的使用壽命較短, 使用一定次數(shù)之后就失去粘性,難以實(shí)用化,需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。
4.2移動(dòng)機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：移動(dòng)機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)爬壁機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jī)器人壁面適應(yīng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)工作面上有凸起、溝槽時(shí),機(jī)器人要通過(guò)這些障礙物,就必須有足夠的越障能力。各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)中,多足式機(jī)器人的越障能力較強(qiáng),其每個(gè)腿部都置有小吸盤,當(dāng)遇到障礙物時(shí),可控制各個(gè)“腿”,使小吸盤逐個(gè)跨過(guò)障礙物。壁面機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使機(jī)器人在可靠吸附的前提下能夠在壁面上靈活移動(dòng)。由于爬壁機(jī)器人工作于壁面的特殊性,移動(dòng)機(jī)構(gòu)常和吸附機(jī)構(gòu)存在耦合,這給機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)了一些困難。如多吸盤足式爬壁機(jī)器人,腿末端各有一個(gè)吸盤,每移動(dòng)一個(gè)腿需要完成“消除吸力—抬腿—邁腿—落腿—產(chǎn)生吸附力”一系列動(dòng)作。在此過(guò)程中,機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要和吸附機(jī)構(gòu)相互協(xié)調(diào),才能保證機(jī)器人在壁面上的靈活移動(dòng)。此外,也有移動(dòng)機(jī)構(gòu)與吸附機(jī)構(gòu)分離的,如單吸盤爬壁機(jī)器人,吸盤可持續(xù)吸附,驅(qū)動(dòng)輪連續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng),運(yùn)動(dòng)控制較為簡(jiǎn)單。
4.3能源供應(yīng)及驅(qū)動(dòng)方式：能源供應(yīng)及驅(qū)動(dòng)方式能源供應(yīng)方式有通過(guò)電線管路為機(jī) 器人提供電、氣等能源的方式,也有自帶電池、氣瓶等方式。驅(qū)動(dòng)方式主要有電機(jī)氣動(dòng)等幾種方式。爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)盡量采用具有高功效質(zhì)量比的驅(qū)動(dòng)器和動(dòng)力源,特別是采用無(wú)線控制情況下。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),能源供應(yīng)主要有聚合物鋰電池、鎳氫電池、電化學(xué)電池和燃料電池。此外,由于內(nèi)燃機(jī)的能源———汽油、氫等燃料具有較高的能重比,先進(jìn)的微型內(nèi)燃機(jī)也可應(yīng)用于爬壁機(jī)器人。
4.4安全問(wèn)題：機(jī)器人在受到外界干擾、環(huán)境變化情況下,如何保證機(jī)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(jī)器人的損傷。過(guò)去所研制的高樓清洗爬壁機(jī)器人, 大都采用由置于高樓頂上的運(yùn)載小車、卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)和系在機(jī)器人上的鋼絲繩組成保險(xiǎn)系統(tǒng)。而對(duì)于一些其他用途的機(jī)器人,比如偵查用的小型爬壁機(jī)器人,其目標(biāo)并不確定,不能采用保險(xiǎn)繩的方式,因而需要研究新的防墜落方式?？梢钥紤]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(huì)成為未來(lái)爬壁機(jī)器人安全措施的發(fā)展方向。
5.爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)
驅(qū)動(dòng)、傳感、控制等硬軟件技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了爬壁機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,實(shí)際應(yīng)用的需求也對(duì)爬壁機(jī)器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn),爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)歸結(jié)起來(lái)主要有以下幾方面。(1)新型吸附技術(shù)的發(fā)展。吸附技術(shù)一直是爬壁機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)瓶頸,它決定了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。(2)爬壁機(jī)器人的任務(wù)由單一化向多功能化方向發(fā)展。過(guò)去所研制的爬壁機(jī)器人大多用于清洗、噴涂、檢測(cè)等作業(yè),作業(yè)任務(wù)往往只局限于單一的任務(wù)。而目前人們則希望爬壁機(jī)器人能夠裝備多種工具,在不同的場(chǎng)合進(jìn)行工作。(3)小型化、微型化是當(dāng)前爬壁機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)。在滿足功能要求的前提下,體積小、質(zhì)量輕的機(jī)器人可較小能耗,具有較高靈活性,并且在某些特殊場(chǎng)合也需要機(jī)器人具有小的體積。(4)由帶纜作業(yè)向無(wú)纜化方向發(fā)展。由于爬壁機(jī)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(jī)器人的作業(yè)空間,所以,為了提高機(jī)器人的靈活性和擴(kuò)大工作空間,無(wú)纜化成為現(xiàn)在和未來(lái)爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。(5)由簡(jiǎn)單遠(yuǎn)距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結(jié)合,使機(jī)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(wù),并具有自我保護(hù)能力,是移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的重要方向,也是爬壁移動(dòng)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。(6)可重構(gòu)是機(jī)器人適應(yīng)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了使機(jī)器人能夠應(yīng)用于不同場(chǎng)合,根據(jù)任務(wù)需求,在不需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)條件下,充分利用已有的機(jī)器人系統(tǒng),應(yīng)使機(jī)器人具有可重構(gòu)性,即具有模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)任務(wù)需求,把需要的模塊直接連接起來(lái)組成新的機(jī)器人。
6 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,爬壁機(jī)器人領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果,并且在一些領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用,取得了良好的社會(huì)效益。仿生學(xué)、微機(jī)電一體化、新型驅(qū)動(dòng)器、高分子材料等新技術(shù)、新理論的應(yīng)用極大地推動(dòng)了爬壁機(jī)器人的發(fā)展,使其功能越來(lái)越強(qiáng)大。爬壁機(jī)器人的研究正向著采用新型吸附方式、多功能化、小型化、無(wú)纜化、智能化、可重構(gòu)化等方向發(fā)展。在21世紀(jì)的今天隨著對(duì)生產(chǎn)力要求的不斷提高，爬壁機(jī)器人將會(huì)出現(xiàn)在越來(lái)越多的新領(lǐng)域中如反恐排爆、偵察救災(zāi)及空間作業(yè)等，具有無(wú)限的市場(chǎng)前景。也可以這樣說(shuō)21世紀(jì)是機(jī)器人大爆炸的時(shí)代誰(shuí)先掌握這種技術(shù)誰(shuí)就把握住了時(shí)代的脈搏走在了世界的前端。而爬壁機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支應(yīng)給予高度的重視。
審 核 意 見(jiàn)
指導(dǎo)教師評(píng)閱意見(jiàn)（對(duì)選題情況、研究?jī)?nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評(píng)閱）
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教研室主任意見(jiàn)
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學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見(jiàn)
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公章：