油罐檢測爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】

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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 引言 爬壁機(jī)器人是移動機(jī)器人領(lǐng)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(wù), 是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。 進(jìn)入21 世紀(jì)以來，機(jī)器人在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其研究與應(yīng)用水平已成為一個國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。爬壁機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種,它把地面移動機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來, 是在惡劣、危險、極限等情況下進(jìn)行特定作業(yè)的一種自動化機(jī)械裝置，如今越來越受到人們的重視。目前, 爬壁機(jī)器人主要應(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等領(lǐng)域得到了應(yīng)用【1-2】。爬壁機(jī)器人的應(yīng)用取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過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, 國內(nèi)外在爬壁機(jī)器人領(lǐng)域中的發(fā)展尤為迅速。近年來, 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, 極大地推動了爬壁機(jī)器人的發(fā)展, 特別是小型爬壁機(jī)器人成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。 傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、吸附方式、移動方式及其特點(diǎn) 爬壁機(jī)器人必須具有兩個基本功能：在壁面上的吸附功能和移動功能。傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人按吸附功能可分為真空吸附、磁吸附和氣流負(fù)壓吸附等幾種形式：真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低；磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩【3-4】。磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，且吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，因此嚴(yán)重地限制了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境【5-7】。氣流負(fù)壓吸附是靠螺旋槳等形成的氣流負(fù)壓力的壁面法 向分量將機(jī)器人壓附在壁面上 ，這種方式的吸附力大小較容易控制 ，但吸附穩(wěn)定性和運(yùn)動精度有限【8】。 爬壁機(jī)器人按運(yùn)動機(jī)構(gòu)分為多足步行式、輪式、履帶式等【8-10】,其中,輪式和足式使用 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 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)性能的一個重要指標(biāo)。多足式能跨越很小的障礙，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；履帶式對壁面適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大，但不易轉(zhuǎn)彎。而這三種移動方式的跨越障礙能力都很弱【11-12】。 驅(qū)動設(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)【13-15】。微特電機(jī)所組成的驅(qū)動伺服系統(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、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)，是提高我國機(jī)器人的研究開發(fā)水平，滿足國內(nèi)研制高性能機(jī)器人的基礎(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，爬壁機(jī)器人使用微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢可歸納為:朝著高精度、高可靠性、直接驅(qū)動、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):利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動，將彈性材料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。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，斷電后具有自鎖功能； (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)用價值。 國外爬壁機(jī)器人發(fā)展概況 爬壁機(jī)器人是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的極限作業(yè)機(jī)器人，它是集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，世界機(jī)器人大國日本在極限作業(yè)機(jī)器人研究方面尤為積極。在過去的幾十年里，爬壁機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展，也相繼研制出了不同種類的樣機(jī)，有些已經(jīng)投入實(shí)用。在這一領(lǐng)域，日本取得的成績突出，美國、英國、法國、意大利、西班牙、澳大利亞、韓國等國也在不斷深入研究【16】。 早在1966年，在日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部任講師的西亮，就利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 空氣產(chǎn)生的負(fù)壓作為吸附力制作了一臺垂直壁面移動機(jī)器人的原理樣機(jī)，這被看作是爬壁機(jī)器人研究的開端【17-18】。日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出了車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，它可以吸附在各種大型構(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)。這種爬壁機(jī)器人靠磁性車輪對壁面產(chǎn)生吸附力，其主要特征是：行走穩(wěn)定速度快，最大速度可達(dá)9 m/min，適用于各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。1989年日本東京工業(yè)大學(xué)的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤與壁面之間有一個很小的傾斜角度，這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大，每個吸盤分別由一個電動機(jī)來驅(qū)動，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，這種吸附機(jī)構(gòu)的吸附力可以達(dá)到很大【19】。 此后的幾十年里，爬壁機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，也相繼研制出了不同種類的樣機(jī)，有些已經(jīng)投入實(shí)用。 國內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況 和國外相比，國內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究起步較晚，但近幾年已取得了很大進(jìn)步。我國的工業(yè)機(jī)器人從20世紀(jì)80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人本體的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人【20】。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。 1988年在國家“863”高技術(shù)計劃的支持下,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系列的5種型號壁面爬行機(jī)器人【8】。研制成功的我國第一臺壁面爬行遙控檢測機(jī)器人,采用負(fù)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(jī)器人CLR-Ⅰ,采用全方位移動機(jī)構(gòu),機(jī)器人在原地就可以任意改變運(yùn)動方向。之后開發(fā)的CLR-Ⅱ,采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動方式-同軸雙輪差速機(jī)構(gòu), 通過對兩輪速度的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動,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【21】。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),靠兩條履帶的正反轉(zhuǎn)移動來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。該機(jī)器人可以為石化企業(yè)金屬儲料罐的外壁進(jìn)行噴漆、噴砂,以及攜帶自動檢測系統(tǒng)對罐壁涂層厚度進(jìn)行檢測。 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 1997年研制的水冷壁清檢測爬壁機(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。到了2000年，哈爾冰工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制了水冷壁爬壁機(jī)器人，此機(jī)器人主要用于對火電站鍋爐的水冷壁進(jìn)行檢測和清掃。機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)的雙履帶，每條履帶上均布有30塊永磁吸附塊，運(yùn)動過程中，每條履帶上有一部分磁塊與壁面接觸良好，從而使機(jī)器人貼附在墻壁上【11】。 傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與未來發(fā)展趨勢 隨著社會的不斷發(fā)展，工作環(huán)境的不斷發(fā)展和特殊，傳統(tǒng)的爬壁機(jī)器人所暴露出來的問題也隨之增多，如對壁面的材料和形狀的適應(yīng)性不強(qiáng)，越過障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等，所以未來爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí)用化的方向發(fā)展【22】。而爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)相比普通的機(jī)器人有多那么幾點(diǎn)，首先是吸附方式，吸附機(jī)構(gòu)的作用是產(chǎn)生一個向上的力來平衡機(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。由于油罐是圓球形機(jī)器人與壁面的角度在不斷的變化，相對來說說這些吸附方式都很局限性，無法通用化，未來吸附方式則是應(yīng)用與精密微機(jī)械加工的手段制作出和任意形狀的表面都可以適應(yīng)的裝置【23】。 驅(qū)動、傳感、控制等硬軟件技術(shù)的發(fā)展極大地推動了爬壁機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展【24】, 實(shí)際應(yīng)用的需求也對爬壁機(jī)器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn), 爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢歸結(jié)起來主要有以下幾方面： (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)展的一個瓶頸,它決定了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。由于目前應(yīng)用比較成熟的吸附技術(shù)都有很大的局限性,在很多情況下以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。因此,開發(fā)和研究新型吸附技術(shù)是當(dāng)前爬壁機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要方向。模仿壁虎等動物腳掌的仿生粘性材料的發(fā)展是當(dāng)前新型吸附技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)【25】。 (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。過去所研制的爬壁機(jī)器人大多用于清洗、噴涂、檢測等作業(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,在不同的場合進(jìn)行工作。比如機(jī)器人能夠在空間飛行器上進(jìn)行安裝及外部維護(hù)作業(yè)等【26】。 (3)小型化、微型化是當(dāng)前爬壁機(jī)器人發(fā)展的趨勢。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, 并且在某些特殊場合也需要機(jī)器人具有小的體積。各種微型驅(qū)動元件、控制元件及能源供應(yīng)方式的發(fā)展,為小型化、微型化奠 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 定了基礎(chǔ)。 (4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(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,無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢。 (5)由簡單遠(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)能力是移動機(jī)器人發(fā)展的重要方向, 也是爬壁移動機(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)用于不同場合, 根據(jù)任務(wù)需求, 在不需要重新設(shè)計系統(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組成新的機(jī)器人。 結(jié)束語 綜上所述,經(jīng)過多年的發(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,取得了良好的社會效益。仿生學(xué)、微機(jī)電一體化、新型驅(qū)動器、高分子材料等新技術(shù)、新理論的應(yīng)用極大地推動了爬壁機(jī)器人的發(fā)展,使其功能越來越強(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)的今天隨著對生產(chǎn)力要求的不斷提高，爬壁機(jī)器人將會出現(xiàn)在越來越多的新領(lǐng)域中如反恐排爆、偵察救災(zāi)及空間作業(yè)等，具有無限的市場前景。也可以這樣說21世紀(jì)是機(jī)器人大爆炸的時代誰先掌握這種技術(shù)誰就把握住了時代的脈搏走在了世界的前端。而爬壁機(jī)器人作為移動機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要分支應(yīng)給予高度的重視。 參考文獻(xiàn)： [1] 潘佩霖、韓秀琴、趙言正等.日本磁吸附爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀.機(jī)器人，1994；16 （6）：379-382. 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