毕业设计论文平面爬壁机器人运动机构设计全套图纸三维.docx
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毕业设计论文平面爬壁机器人运动机构设计全套图纸三维
平面爬壁机器人运动机构设计
摘要
平面爬壁机器人有着广泛的用途,特别是它可以在一些危险环境下进行作业,易于实现自动化,改善劳动条件、节省人力、提高效率,并可免去搭脚手架。
其运动机构当前机器人研究的主要方向之一,研究人员在原有的基础上追求更高的移动速度、更优的移动和吸附方式、更轻巧的内部结构、更灵敏的反应和自我调节等。
为此,本论文研究了一种平面爬壁机器人的运动机构设计。
本研究的主要思路是将机器人设计成为一个吸附机构,使其吸附在垂直墙壁上,在吸附机构下面安装有行走装置,使机器人能自由地在垂直墙面运动。
本研究主要通过原理研究、方案对比选择、机构三维模型、论文撰写实现研究成果展示。
本论文的主要工作如下:
全套图纸,加153893706
首先,在深入分析当前机器人的研究情况下,查找资料研究爬壁机器人运动原理,在已有的研究基础上发挥想象力,对比各种方案,确定爬壁机器人总体框架的设计,主要是吸附和移动方案的设计。
其次,通过各种吸附方案的对比和机构复杂程度等,确定吸附方案并进行设计;同时通过各种移动方案的对比和其应用场合等,确定移动方案并进行设计。
再次,绘制方案、相关零部件的原理图、草图,并提供备选方案,利用Solidworks建立有关机构的零部件的三维模型、装配模型仿真。
最后,将设计成果以模拟仿真资料和图纸的方式展示,并总结本设计的优缺点以及用到的技术。
关键词:
爬壁机器人;运动机构;吸附机构;移动机构;模型
TheKinematicDesignofMechanismforPlaneWall-climbingRobot
Abstract
Theplanewall-climbingrobotsarebroad-spectruminlifeandproduction,especiallyinsomedangerousenvironment.It’seasyforthemtoachieveautomation,changeworkingconditions,reducemanpowerandincreaseefficiency.Atthesametimetheyrelieveofbuildingfalsework.Asaresult,thisdiscourseintroducestheprocessofkinematicdesignofmechanismforthiskindrobot.
Themainideaofthisdesignistodesignarobotwhichadsorbonwall,sothatitwalkvertically.Itbringforthmainlyindata research,projectselectioncontrast,three-dimensionalmodel,Simulationandthesis.
Firstly,dosomeresearchofprincipleofwall-climbingrobot,andcomparewithdifferentprogramtochoosetheoverallframework.
Secondly,comparewithdifferentwaysofadsorbingtochoosethebestway,andalsothesametothemovingprogram.Makesurethattheyaresuitwitheachother.
Thirdly,drawprogram,therelevantpartsschematicsandsketches,andtoprovideoptions.UseSolidworkssetupthree-dimensionalmodelofthecomponentsandsimulationoftheassemblymodel.
Atlast,bringforththeresultsofthesimulationdataanddrawings.Sumuptheadvantagesanddisadvantagesofthisdesignandthetechnologyused.
Keyword:
wall-climbingrobot;kinematicaldesign;adsorb;move;model
1绪论
机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物,是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物,它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。
机器人技术的出现和发展,不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化,而且将对人类的社会生活产生深远的影响[1]。
以机器人代替人类从事各种危险、繁重、重复、单调及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。
近年来,工业机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。
特别是它可以在一些危险环境下进行作业,易于实现自动化,改善劳动条件、节省人力、提高效率,并可免去搭脚手架。
这种垂直爬行作业超过了人的极限,所以又称极限作业机器人。
其运动机构当前研究的主要方向之一,研究人员在原有的基础上追求更高的移动速度、更优的移动和吸附方式、更轻巧的内部结构、更灵敏的反应和自我调节等。
所以在运动机构的研究成果,将促进爬壁机器人在更多的极限环境下作业,并有助于实现整体的自动化和智能化。
同时研究还为计算机、自动控制、传感、无线通讯、精密机械,仿生材料,多主体系统中的合作、决策、实时规划和机器学习等众多学科提供了一个良好的研究背景;在商业应用上,在机器宠物等领域有直接的应用前景[2]。
1.1平面爬壁机器人的研究背景和研究意义
1.1.1研究背景
近年来,由于工业生产对特殊功能机器人的需求越来越大,爬壁机器人的研究备受关注,目前,国内外研究者已开发出各种类型的爬壁机器人,以满足不同的工业需求。
爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支,它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来,可在垂直壁面上附着爬行,并能携带工具完成一定的作业任务,大大扩展了机器人的应用范围。
目前,爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等,如对高楼外壁面进行清洗,对石化企业中的储料罐外壁进行检测和维护,对大面积钢板进行喷漆,以及在高楼事故中进行抢险救灾等。
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。
爬壁机器人在解决了吸附与移动的矛盾、跨越障碍等问题后,又开始向自主型机器人的方向发展。
对机器人的控制采用无线遥控,是爬壁机器人今后的发展方向。
1.1.2研究意义
平面爬壁机器人有着广泛的用途,特别是它可以在一些危险环境下进行作业,易于实现自动化,改善劳动条件、节省人力、提高效率,并可免去搭脚手架。
平面爬壁机器人的主要用途有:
(1)对石化企业中大量圆柱形大罐或球罐内外壁面进行检查、探伤或喷砂除锈、喷漆防腐;
(2)清洗高层建筑物的瓷砖壁面或玻璃墙面;(3)在建筑行业用于巨型墙面喷漆、砌砖、贴瓷砖和点检;(4)在核工业中对大罐进行视觉检查、测厚和焊缝探伤;(5)在消防部门用以递送急救布带,运送水带和水枪;(6)在造船行业用于喷砂除锈或喷涂船体及其内壁等,特别是对修船行业,可以快速地将船体进行防腐处理。
其运动机构当前研究的一大方向,研究人员在原有的基础上追求更高的移动速度、更优的移动和吸附方式、更轻巧的内部结构、更灵敏的反应和自我调节等。
所以在运动机构方面的研究成果,将促进爬壁机器人在更多的极限环境下作业,并有助于实现整体的自动化和智能化。
同时研究还为计算机、自动控制、传感、无线通讯、精密机械,仿生材料,多主体系统中的合作、决策、实时规划和机器学习等众多学科提供了一个良好的研究背景;在商业应用上,在机器宠物等领域有直接的应用前景。
1.2平面爬壁机器人的研究内容和发展方向
1.2.1研究内容
移动机构的研究,是机器人在运动过程中首要解决的问题。
目前实现机器人壁面移动的方式很多,概括起来主要有以下几种:
(1)轮驱动轨行式
移动机构用车轮夹紧在壁面轨道两测,当驱动轮旋转时,依靠车轮与轨道间的摩擦力实现上下移动,这种机构实现容易、运行可靠,但对壁面有铺设导轨要求且移动方向受导轨的限制。
(2)偏心扭摆式
机器人可采用偏心扭摆双吸盘行走机构形式,当一个吸盘吸附时,另一个吸盘通过偏心机构扭摆一定的角度实现移动,二个吸盘交替工作达到行走目的。
偏心扭摆式机构的主要缺点是惯量大、行走效率低、速度慢。
(3)车轮式
这种移动机构依靠排风方式产生密封腔的负压以达到壁面吸附,行走功能由车轮机构实现。
车轮机构可以采用普通车轮形式,也可采用全方位车轮形式,行走速度较快,但由于要保持密封腔的负压,导致跨越障碍的能力较弱。
(4)多层框架式
在这种壁面移动机构中,两组吸盘用具有若干相对自由度的机构连接。
当一组吸盘吸附工作时,另一组吸盘可以移动行走或转动方向。
这种机构具有较好的越障能力和承载能力,但行走速度较慢。
(5)特种履带式
这种形式的壁面移动机构在履带上连接有多个吸盘,与壁面接触的吸盘处于吸附有效状态,不在壁面上的吸盘处于吸附无效状态。
在机构的连续移动过程中,由于要求各吸盘的吸附状态按一定次序发生变化,因此,系统中需要有一套多通转阀形式的真空分配和控制装置,还要有防止缆管缠绕的机构,增加了复杂性。
特种履带式壁面移动机构还可以采用滑移式真空分配与交换机构形式。
(6)独立驱动足式
多足壁面移动机构是在多足机构的足端连接一个或几个吸掌构成,其优点是机动性较好,可以适应不同形状的壁面,有较强的越障能力等。
但具有冗余自由度的多足运动协调控制有一定难度,而且行走速度较慢。
(7)索吊轨行式
为克服在壁面铺设导轨带来的不便,可考虑用张紧钢索作为导轨,它的主要缺点是钢索的横向刚度小,而且水平移动困难。
近来,随着研究的深入,爬壁机器人轮式全方位移动机构逐渐成熟。
全方位移动机构一般由3到4个定向滑移轮组成。
轮式全方位移动机构不仅具有轮式移动机构运动的快速性、灵活性、可控性,而且能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向直线移动或在原地旋转任意角度。
其次是吸附机构的研究。
传统爬壁机器人按吸附功能可分为真空吸附和磁吸附两种形式。
真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式,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。
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,因此限制了爬壁机器人的应用环境。
在爬壁机器人的壁面吸附方面,国内外的研究者在不同的研究方向上取得了很大进展,并在许多方面实现了技术创新和突破。
1.2.2发展方向
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,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,在很多情况下难以满足实际应用的要求。
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。
(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。
(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、控制元件及能源供应方式的发展,为小型化、微型化奠定了基础。
(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[3]。
1.3国内外研究概况
壁面移动机器人广泛应用于维护、检查、消防、救援、清洗、情报和国防等领域,必将为人类带来巨大的经济效益和社会效益。
因此,各工业发达国家都投入大量人力物力,积极进行其理论和技术研究,如日本、美国、俄罗斯、西班牙、英国、德国、奥地利等国相继研制出一些各具特色的壁面移动机器人实验样机。
我国在国家自然基金和863计划的大力支持下,从上世纪90年代中期也相继开发出一些壁面移动机器人样机。
本节将针对国内外开展壁面移动机器人研究情况展开分析。
1966年,日本的西亮教授首次研制成功壁面移动机器人样机,并在大阪府立大学表演成功。
这是一种依靠负压吸附的爬壁机器人。
随后出现了各种类型的爬壁机器人,到80年代末期已经开始在生产中应用。
日本在开发爬壁机器人方面发展最为迅速,主要应用在建筑行业与核工业。
日本清水建设公司开发了建筑行业用的外壁涂装与贴瓷砖的机器人,他们研制的负压吸附清洗玻璃面的爬壁机器人,曾为加拿大使馆清洗。
东京工业大学开发了无线遥控磁吸附爬壁机器人。
在日本通产省"极限作业机器人"国家研究计划支持下,日晖株式会社开发了用于核电站大罐的负压吸附壁面检查机器人。
日立制造所研制了履带式磁吸附检查机器人,带有超声检测装置。
由于采用了负荷分散机构,它能够适应各种凹凸不平的曲面和棚顶。
英国在爬壁机器人领域取得许多成果。
90年代初RTD公司推出了轮式磁吸附爬壁机器人(取名Beetle),已作为商品销售。
最高爬行速度达每分12米,可以自动记录每隔一定距离的壁厚,最高爬行高度为25米。
俄罗期彼得堡国立技术大学也研制成功负压吸附爬壁机器人。
日本应用技术研究所研制出的车轮式磁吸附爬壁机器人,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9m/min,适用各种形状的壁面,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。
由于爬壁机器人应具有能跨越障碍物,并能从地面自动爬上壁面或从壁面返回地面的功能。
为此日挥公司在原单吸盘结构的基础上开发了多吸盘节状杆型壁面移动机器人。
该机器人采用了两个吸盘,每个吸盘内均装有轮子,当它在壁面上的平面部分移动时,两个吸盘同时工作,当遇到障碍物时,只用一个吸盘吸住,另一个拖起来越过障碍物。
我国自90年代以来,有许多单位根据国家经济建设需要,研制成功各种类型与功能的爬壁机器人。
上海交通大学研制成功测量大罐容积的磁吸附爬壁机器人。
哈尔滨工业大学研究所在“863计划”支持下,于1994年研制成功核工业用的壁面爬行遥控检查机器人,最近又与大庆采油一厂合作,研制成功采油行业中大量使用的储罐防腐用喷吵、喷漆履带式磁吸附爬壁机器人,在现场试验取得成功。
我国的哈尔滨工业大学已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带爬壁机器人。
其中磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构,在履带一周上安装有数十个永磁吸附块,其中的一部分紧紧地吸附在壁面上,并形成一定的吸附力,通过履带(由链条和永磁块组成)使机器人贴附在壁面上。
机器人在壁面上的移动靠履带来完成,移动时,履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面,这样周而复始,就实现了机器人在壁面上的爬行[4]。
1.4本文的主要研究内容
本文初步实现平面爬壁机器人运动机构的功能设计,主要是机械结构的设计工作,对运动控制、路径规划等方面暂不作研究。
研究的内容包括以下几个方面:
(1)爬壁机器人总体框架的设计,主要是运动机构设计;
(2)通过各种吸附方案的对比和机构复杂程度等,确定吸附方案并进行设计;
(3)通过各种移动方案的对比和其应用场合等,确定移动方案并进行设计;
(4)利用三维绘图软件Solidworks建立有关机构的零部件的三维模型、装配模型;
(5)对各部分的设计进行说明,写成一份设计总报告书。
1.5小结
本章主要讲述爬壁机器人领域取得了丰硕的研究成果。
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。
着眼未来,爬壁机器人必然会向更多的领域延伸发展,反恐排爆、侦察救灾及空间作业等将来或许会成为爬壁机器人大显身手的领域。
本论文研究具有重大意义和应用价值。
2平面爬壁机器人的总体框架设计和拟定
2.1研究方法和步骤
本研究主要通过原理研究、方案对比选择、零部件三维建模、产品虚拟装配、论文撰写实现研究成果展示。
爬壁机器人运动原理研究:
在已有的研究基础上发挥自己的想象力,对比各种方案,确定机构的方案。
主要是吸附和移动方案的设计,其中吸附方案目的是使爬壁机器人能吸附于壁面而不下滑其实现的方法主要有两种:
负压吸附与永磁吸附。
方案选择:
面对复杂的壁面环境,要求吸附机构必须要产生并维持一定的吸附力,使机器人安全可靠地吸附在工作壁面上,要求出现更好的吸附及密封技术。
从有关资料看出,现有的以真空吸盘为吸附手段的爬壁机器人对于较为复杂的工作面适应性较差,这是因为建筑物外墙结构形状复杂,材料多样,壁面有沟缝、凸起物和凹陷区等,所以需要解决密封、跨越、移动等许多技术难度大的问题。
而磁吸附的方式适用的环境受到局限,其只能爬行于金属壁面。
移动方案设计主要考虑移动方向、移动机构紧凑、越障能力等。
三维建模及虚拟装配:
1、详细设计,结构草绘,2、三维建模,3、装配模型仿真。
在方案选择之后,对大体结构进行草图设计,并不断改进。
学习三维绘图软件,主要是SolidWorks 机械设计软件,它易用、易学、功能强大、应用广泛,更容易检查设计中的错误以及不足之处。
利用该绘图软件,将确定的运动机构方案和草图绘制成三维图,进行机构三维模型的装配。
最后将研究的成果将以论文和图纸的方式展示。
2.2总体框架设计和适用环境设定
2.2.1总体框架
本研究的主要思路是将机器人设计成为一个吸附机构,使其吸附在垂直墙壁上。
在吸附机构下面安装有行走装置,使机器人能自由地在垂直墙面运动;并且以此机器人为基础运动平台,根据需要搭载各种民用或军用设备,成为一台有实用价值的新型平面爬壁机器人。
所以其总体框架是具备平面爬壁机器人的吸附和移动功能,并能在这基础上添加其他的功能,比如幕墙清洗,罐壁检测,喷漆等工作机构,还有智能控制系统等。
本设计包括两大部分:
吸附机构和移动机构,其包含的吸附、移动和越障功能都是通过机械本体设计来实现的,而且是机器人设计中的关键。
2.2.2适用环境设定
由于本人设计能力有限和资源材料的限制,所以在本设计当中,利用大学所学的机械设计有关知识,设定了本设计的机器人是运动于普通光滑的平面壁面,其适用于目前大部分的壁面情况。
故定位本机器人为多吸盘式的平面爬壁机器人。
2.3方案分析
本设计为解决爬壁机器人吸附能力和运动性能之间的矛盾,查阅资料并考虑到本设计采用是多吸盘的附着方式,所以考虑到的总方案有以下三种:
履带式:
履带式结构的特点是爬行速度快,控制方便,吸附方式多吸盘,结构如图2-1所示。
结构类似于坦克车的结构,主要通过驱动器带动履带滚动,从而带动前端吸盘吸附、后端吸盘剥离,以此来实现机器人的前移。
本设计采用此方案的缺点是设计结构复杂,要求吸附能力较高,吸盘和真空泵安装困难,故本方案在初期就被否决了。
另外又考虑到另外一种履带式就是吸盘在箱体正下部,吸盘一直工作,随着履带的转动而移动,在摩擦力的作用下前进,这个方案首先是吸盘的密封性要求高,而且吸盘一直摩擦,易损坏,同时越障能力低,故也被否定了。
框架式:
运用壁虎爬行原理,科学家们设计构思了真空吸附式爬壁机器人。
采用多组橡胶吸盘将机器人吸附在墙面上,配以简单十字框架机构完成其行走功能。
由于选用了多子真空吸附、足式移动,其吸附性好,结构简单,由于吸盘采用列吸盘组,有效吸附面积大,吸附力大,对壁面的不平度、弯曲度、空隙都有较强的适应能力[5]。
最初的框架式方案(如图2-2所示)是利用箱体底部的方向转盘实现平面上任意方向的转动,十字框架只能在一条直线上交替移动,主要是靠电机的正反转实现。
方向的改变是利用向心推力球轴承和转向齿轮组、电机、吸盘架构成一个转向机构,在需要改变前进方向时,吸盘架上的吸盘组吸附于壁面,利用电机转动改变方向。
这个方案的缺点是机器人的重心较高,吸盘架的机构设计较复杂,而且吸附力要很大。
这个方案在中期设计时被否定了。
而第二种框架式机构(如图2-3)依然是十字箱体的形状,也是利用吸盘组的交替吸附来实现移动,不同的是前进方向的改变不需要特别的转向机构了,而是利用箱体和横梁之间的两个电机实现X-Y两个方向的选择。
框架式机器人构型具有如下特点。
(1)机器人主体部分一般由可以相互平移和旋转的两个框架呈十字型构
成,其中任意一个框架可相对另一平移和旋转;
(2)机器人由1~2个主驱动关节驱动机器人运动,其他的关节只作局部调整;
(3)每个框架具有成组配置、并可独立控制的腿足结构;
(4)腿足结构具有一个主动直动关节,足端通常具有消极转动副;
(5)机器人主要关节均为直线运动。
框架式结构机器人与步行式结构机器人不同之处为腿足结构采用直线自由度方式,运动分为在框架带动下的平移和自主伸缩两种。
采用成组对称的腿足连接,足端设有吸附装置,运动中的安全性通过吸附装置的分散布置来保证。
随着腿部的交替吸附和框架主体各部分间的相对运动,机器人实现壁面移动功能。
为了满足机器人运动的灵活性,可以在机器人本体中央增加一个转动自由度,使框架之间可以相对摆动,实现机器人壁面转向运动功能。
车轮式:
采用吸盘负压产生对壁面的正压力,然后利用摩擦系数大的材料做成车轮,电机驱动车轮转动,在摩擦力的作用下实现机器人移动。
我国研制出了单吸盘轮式气囊密封装置的壁面移动机器人,如图2.3.4所示,其吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。
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