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摘要

本毕业设计的课题来源于“2006年大学生过程装备实践与创新大赛”的参赛参考题目，主要任务是设计在役钢制压力容器外壁面检测用爬壁机器人的本体结构及其控制系统。

本文在详述国内外爬壁机器人研究现状的基础上，对履带式爬壁机器人的本体结构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算。

重点是爬壁机器人的移动机构、吸附机构和驱动系统的设计及校核。

本文设计的压力容器检测爬壁机器人采用履带式移动机构，双履带构成爬壁机器人的基本框架；采用永磁吸附方式，将永磁片贴在履带的外表面，可提供足够大的吸附力，结构简单；采用前轮驱动，两个驱动轮分别由电机驱动，当两电动机转速一致时，机器人沿直线行走，当两电动机差速时，可实现爬壁机器人整体转弯。

本文对爬壁机器人的吸附机构，移动机构等进行了设计计算，特别是对转弯阻力矩进行了分析计算。

经过校核，在一定条件下，该爬壁机器人能够完成对压力容器壁面的巡检。

关键词：

爬壁机器人；本体结构；移动机构；吸附机构

Abstract

Thetaskofthegraduationdesigncomesfrom“Thepracticeandinnovationcontestaboutprocessequipmentofundergraduatein2006”.Themaintaskisthedesignofthemainstructureandcontrolsystemoftheclimbingrobotforcheckingthesurfaceoftheservicingsteelinesspressurevessel.

Inthebaseofsummarizingthestudystatusontheclimbingrobotinsideandoutside,themainstructureoftheclimbingrobotwithpedrailsisdesigned,andthedesigningcalculationsofkeypartmentsarecarriedon..Especially,thedesigningandproofreadingofmovingmechanical，theabsorbingmechanicalofthepedrailsandthedrivingsystemaredesignedandchecked.

Thepedrailsmovingsystemarechosenasthemovingmechanicaloftheclimbingrobotforpressurevessel.Thissystembuildupthebasisframeclassoftherobot.Magnet,whichcanofferadsorbabilityenoughtokeeptherobotworkingontheverticalwalls,iskeptclosetotheoutsidesurfaceofthepedrails.Front-wheeldrivingisadoptedasthedrivingsystemandthetwofront-wheelaredrivedbytwoelctromotors,respectively.Whenthetwomotorsarerunningwiththesamedirection,therobotwalksstraightly.Whenthetwomotorsarerunningwiththecontraryvelocity,therobotcanswerve.

Inthepaper,theabsorbingmechanicalandthemovingorganizationaredesignedandcalculated,especiallyfortheswerveresistancemoment.Aftercalculationandchecking,therobotcanworknormallyanddetectthesurfaceswithweldinglinesifthereisnounexpectedcondition.

Keywords:

Climbing　robot；Mainstructure；Walking　mechannical；Adsorbing　mechannical

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1国内外爬壁机器人的研究现状1

1.1.1国内外爬壁机器人的研究现状概述1

1.1.2爬壁机器人移动机构的研究现状2

1.1.3爬壁机器人壁面吸附机构的研究现状4

1.1.4爬壁机器人控制系统的研究现状6

1.2国内外爬壁机器人的发展趋势7

1.3本课题的研究目的及意义9

2压力容器检测爬壁机器人的总体方案设计11

2.1爬壁机器人的功能要求11

2.1.1爬壁机器人的工作过程11

2.1.2爬壁机器人的基本功能11

2.1.3爬壁机器人的主要设计参数12

2.2爬壁机器人移动机构方案设计12

2.2.1履带的结构形式13

2.2.2履带轮与履带的联结方式14

2.2.3履带的张紧装置14

参考文献16

致谢18

附录19

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。

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。

其中，爬壁机器人因为其在核工业、石化企业、建筑、消防、造船等行业的广泛应用，以及其高空作业的特性越来越受到人们的关注。

1.1国内外爬壁机器人的研究现状

1.1.1国内外爬壁机器人的研究现状概述

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。

日本应用技术研究所研制出的车轮式磁吸附爬壁机器人[1]，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[2]，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。

1.1.2爬壁机器人移动机构的研究现状

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[5]：

（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。

1.2国内外爬壁机器人的发展趋势

由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处（如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等），因此未来爬壁机器人的结构逐渐向着实用化的方向发展，从而呈现出新的发展趋势。

本章节将从以下几个方面对爬壁机器人的发展趋势进行综述[1]。

（1）吸附装置

最近几年，美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力—范德华力。

在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的，经物理改进的极性高分子材料（人造壁虎仿生脚干性粘合剂），设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置将适应于各种材质（如玻璃，粉墙和金属等）和任意形状的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。

这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。

1.3本课题的研究目的及意义

本课题来源于“2006年大学生过程装备实践与创新大赛”的参赛参考题目，目的在于研制开发检测爬壁机器人，主要用于在役压力容器的外壁面情况进行巡检。

……

2压力容器检测爬壁机器人的总体方案设计

2.1爬壁机器人的功能要求

本课题研究的是在役钢制压力容器的外圆壁面检测用爬壁机器人，要进行此机器人的设计，首先要了解本课题对爬壁机器人的基本功能要求和设计参数。

2.1.1爬壁机器人的工作过程

由于在役容器表面的焊缝是通常无法分辩，所以，本文设计的爬壁机器人只要求携带检测设备（超声检测仪），按照一定的路径，对容器外表面（包括焊缝检测）进行巡检，并将检测结果反馈回来。

即爬壁机器人吸附在压力容器的竖直壁面上，行走的同时完成对壁面的无损检测。

2.1.2爬壁机器人的基本功能

爬壁机器人要在壁面移动，对壁面进行巡检，并将检测结果反馈回来，就需要解决几个重要的问题：

（1）吸附与行走问题

吸附与行走是爬壁机器人最基本的两个功能，因此爬壁机器人应具有一定的吸附力，其产生的摩擦力能够大于机器人的重力，防止坠落；还应保持一定的驱动力，能够使机器人在壁面上自由移动。

（2）转弯问题

检测过程中，爬壁机器人需要按照一定的路径在壁面行走，对整个压力容器的壁面进行巡检，就要求爬壁机器人能够自由的转弯，从而提高检测效率。

（3）壁面适应问题

作业环境和作业性质的特殊性，机器人必须能够跨越较小的焊缝。

所以机器人要有一定的适应壁面凹凸不平的能力。

（4）检测问题

爬壁机器人要完成检测，就需要搭载检测设备（超声检测仪），因此，在爬壁机器人的设计过程中要考虑到检测设备的安装和定位、以及检测宽度等问题。

因此，针对上述各项要求，本文进行机器人的本体结构设计，重点完成机器人的吸附机构和移动机构的设计。

2.1.3爬壁机器人的主要设计参数

本课题研究的爬壁机器人主要应用于大型立式在役压力容器外壁的巡检，此类压力容器多为钢制，且高度很高。

本课题对机器人的设计要求如下：

……

2.2爬壁机器人移动机构方案设计

爬壁机器人通常采用的移动方式有吸盘式、车轮式和履带式。

吸盘式能较好的跨越障碍，但结构复杂且移动速度慢，控制也比较复杂；车轮式移动速度快、转弯灵活，但是很难保证提供足够大的吸附力；履带式壁面适应性强，履带着地面积大，可提供足够的吸附力，但由于摩擦力过大而不容易转弯。

本课题研究的爬壁机器人需要在大型压力容器的垂直壁面上行走并完成检测工作，为了防止机器人从垂直壁面上滑落，机器人必须与壁面保持足够的吸附力，并具有一定的抗倾覆能力。

由于履带式移动机构可在实现行走功能的同时，实现壁面吸附功能，而且其着地面积较大，与壁面的吸附力强，而且对壁面的凹凸不平适应性也比较强，具有结构简单，控制方便，运动速度较快等优点。

所以，综合考虑各方面因素，本课题中爬壁机器人的移动机构选用履带式结构。

爬壁机器人移动机构主要由履带、支撑板、主动轮、从动轮、定位板、张紧机构等零部件组成。

2.2.1履带的结构形式

常见的两种履带构形如图2.1所示。

图2.1（a）中驱动轮及导向轮兼作支撑轮，因此增大了支撑面积，改善了稳定性。

图2.1（b）所示为不作支撑轮的驱动轮与导向轮位置高于地面，链条引入时的角度达50度，其好处是适合于穿越障碍。

（a）

（b）

图2.1两种常见的履带形状

由于在役压力容器的外壁面较为光整（不考虑外壁的其它附件），可能的障碍只有微小的焊缝突起等，壁面起伏不大，所以对本课题研究的爬壁机器人的越障能力要求不高，考虑到结构简单和检测过程中行走的稳定性，因此采用图2.1（a）所示的结构形式。

2.2.2履带轮与履带的联结方式

履带轮与履带的联结，可以看作齿轮与齿条联结的变形，两者齿的参数是相同的，但为了保证在运动时履带与履带轮不会咬死，应把履带上的齿的厚度做的薄一点，保证有足够的空间。

同时，爬壁机器人在转弯时，履带与地面有很大的摩擦力，为防止履带在转弯时从履带轮上滑脱，需设置防滑脱的机构：

即将履带上的齿长中间位置，垂直于齿长方向开宽度为5mm、深度为5mm的槽，同时，在加工履带轮时，在与履带上空隙对应的地方焊接适当的障碍物，从而达到防脱的目的。

2.2.3履带的张紧装置

履带装置的节距因磨损而增大，轨链伸长，如不能进行调整以保持一定的张紧程度，就发生脱轨与掉链等情况，因而需要装设张紧装置。

根据所选履带机构的构形，以及后面的计算，本设计中机器人的两履带轮间距较小，因此只需保证两履带轮的间距就可以确保履带的张紧，所以，在履带轮两侧加两薄板用来定位即可，不需加设其他的张紧机构。

……

表格的表示方法，参见表2.1

表2.1有机复混肥产品企业标准

总养分（N+P2O5+K2O）≥18%

其中单一养分含量≥2.0%

有机质总量≥18%

高浓度N、P、K专用肥中有机质

含量不低于10%

水分（游离水）≤14%

粒度：

1mm筛筛余物≥80%

pH：

5.5~6.8

公式的表示方法参见式2.1

（2.1）

参考文献

[1]肖立，佟仕忠，丁启敏，吴俊生.爬壁机器人的现状与发展.机器人，2004（11）：

81～83

[2]李郁峰，李元宗，樊海生.履带式移动机器人无线控制的实现.太原理工大学学报，2005

（1）：

5～7

[3]张澎涛，钱志源，付庄，赵言正.一种双负压吸盘壁面清洗机器人及其控制系统研究.机械设计与制造，2005（9）：

76～78

[4]门广亮，赵炎正，王炎，磁吸附爬壁机器人控制系统的研究（微机应用）100页

[5]徐泽亮，马培荪，高雪官，闫国荣.爬壁机器人履带吸盘的多体渐变磁化系统设计.上海交通大学学报，2002（10）：

1488～1490

[6]王军波，陈强，孙振国.爬壁机器人变磁力吸附单元优化设计.清华大学学报，2003（11）：

214～216

[7]徐灏.机械设计手册（第五卷）.北京：

机械工业出版社，1991

[8]毛谦德，李振清.袖珍机械设计师手册（上册）.北京：

机械工业出版社，2002

[9]NicholasS.Flann,KevinL.Moore,LiliMa.Asmallmobilerobotforsecurityandinspectionoperations.ControlEngineeringPractice，2002（10）：

1260～1270

……

致谢

这次的毕业设计，……

附录

英文文献译文

小型安全检验操作移动机器人

1前言

在研究方面致力于发展且为移动机器人示范进一步的可动性观念的犹他州大学的自我组织和智能系统中心（CSOIS）发展了“聪明的轮子”的概念（Poulson，Gunderson,&修道院院长,1998）。

这项研究形成了所谓的全方向的（ODV）T-系列的机器人（Moore&Flann,2000）。

这些机器人的区别特征是速度，还有每个智能轮子的方向都是通过处理器独立的控制的。

这样的结果是使得在一个方案中，交通工具的定方位和提议的完全控制成为可能。

如此使得机器人几乎"全方向的".

在本文中，我们描述了ODV技术在真实世界，在一个完全的机器人系统中的第一次使用，系统讨论被称全方向的检验系统（ODIS）。

……