畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告飛機(jī)表面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

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1、附錄1 燕 山 大 學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 課題名稱：飛機(jī)表面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 學(xué)院（系）：機(jī)械工程系 年級(jí)專業(yè)：08級(jí)機(jī)電2班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成日期：2012年3月18日 附錄1 飛機(jī)表面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 一、 課題研究背景 世界經(jīng)濟(jì)的繁榮，促進(jìn)了航空運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，飛機(jī)作為交通運(yùn)輸?shù)闹?/p>

2、要工具正發(fā)揮著越來越大的作用。飛機(jī)在日常使用中經(jīng)常接觸到各種各樣的污染物，如飛行時(shí)空氣中的風(fēng)沙、灰塵，海上飛行時(shí)空氣中的鹽霧、酸霧等，不僅影響飛機(jī)外觀整潔，而且會(huì)造成機(jī)身腐蝕。因此飛機(jī)表面清洗作業(yè)己成為飛機(jī)保養(yǎng)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它不但使飛機(jī)表面清潔美觀、有效地緩解和減輕腐蝕，而且可以清除蒙皮表面粘著的污染物對(duì)氣動(dòng)特性帶來的不良影響，同時(shí)能保證起落架收放機(jī)構(gòu)、舵軸頸部位和活動(dòng)翼結(jié)合部位機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動(dòng)，對(duì)提高機(jī)上電子設(shè)備的感應(yīng)靈敏度也有一定好處。 隨著城市現(xiàn)代化程度的提高，對(duì)飛機(jī)外觀質(zhì)量和清潔度要求愈來愈高。國(guó)外民用飛機(jī)一般每隔l0日至15日必須定期清洗一次，我國(guó)軍用飛機(jī)推薦的清洗周期一般為

3、較好地區(qū)90天、中等地區(qū)45天、惡劣地區(qū)15天、沿海地區(qū)7天。由于世界各國(guó)都在不斷裝備最新的客貨運(yùn)輸飛機(jī)及軍用飛機(jī)，飛機(jī)數(shù)量不斷增加，這就使得飛機(jī)表面清洗成為一項(xiàng)繁重、耗時(shí)、耗資的工作。此外飛機(jī)表面的常規(guī)清洗看起來好象頗為簡(jiǎn)單，實(shí)際卻是一個(gè)很重要、很復(fù)雜、技術(shù)性很強(qiáng)的工作，不當(dāng)?shù)那逑捶椒〞?huì)對(duì)飛機(jī)造成新的腐蝕隱患。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及社會(huì)的進(jìn)步，飛機(jī)表面清洗的機(jī)械化、自動(dòng)化問題越來越被人們所重視，飛機(jī)表面清洗設(shè)備已成為現(xiàn)代化機(jī)場(chǎng)不可或缺的機(jī)械設(shè)備。其原因是常規(guī)的手工刷洗方法不僅效率低，且難以滿足清洗質(zhì)量要求。利用機(jī)械化飛機(jī)表面清洗設(shè)備不但可以節(jié)省勞動(dòng)力，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高清洗質(zhì)量，而且節(jié)

4、約了飛機(jī)地面停留時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。正因如此，許多大中城市的飛機(jī)場(chǎng)開始陸續(xù)引進(jìn)飛機(jī)表面清洗設(shè)備，對(duì)飛機(jī)表面清洗設(shè)備的需求呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 雖然目前飛機(jī)表面清洗設(shè)備是機(jī)場(chǎng)中的重要配套設(shè)備，然而自動(dòng)化、智能化的飛機(jī)表面清洗設(shè)備一直沒有受到足夠的重視，這在很大范圍內(nèi)制約了飛機(jī)表面清洗設(shè)備優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，使得飛機(jī)表面清洗工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性仍然很大，清洗效率也滿足不了時(shí)代發(fā)展的要求。實(shí)現(xiàn)飛機(jī)表面清洗作業(yè)的自動(dòng)化，用機(jī)器人來替代人工清洗操作，將會(huì)大大節(jié)約勞動(dòng)力，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高清洗效率，同時(shí)也降低飛機(jī)的非營(yíng)運(yùn)時(shí)間。所以開展機(jī)器人飛機(jī)表面清洗作業(yè)、提高飛機(jī)表面清洗作業(yè)的自動(dòng)化水平，是目

5、前急需解決的問題。基于這種現(xiàn)狀，國(guó)外學(xué)者提出了飛機(jī)表面清洗設(shè)備機(jī)器人化的設(shè)想。其主體思想就是將機(jī)器人技術(shù)引入飛機(jī)表面清洗設(shè)備的自動(dòng)控制中，使其具有機(jī)器人的功能，即在清洗飛機(jī)表面時(shí)，清洗設(shè)備能夠按照程序設(shè)定的軌跡和位置自動(dòng)完成飛機(jī)表面清洗工作。 目前德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家已開展了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的研究工作，并做了一些有益的嘗試，國(guó)外實(shí)踐表明，采用機(jī)器人清洗飛機(jī)表面一般可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率一倍以上，節(jié)約水資源50％以上，降低工程成本50％左右。目前國(guó)內(nèi)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究尚處于空白狀態(tài)。近兒年來我國(guó)航空事業(yè)發(fā)展很快，國(guó)內(nèi)幾大航空公司已經(jīng)接近或達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。伴隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，飛機(jī)表面清洗機(jī)

6、器人在我國(guó)將會(huì)有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。 二、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和研究成果 飛機(jī)表面清洗技術(shù)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段。第一階段為手工操作階段，由工人進(jìn)行清刷工作。第二階段為機(jī)械輔助人工操作階段，利用專用的清洗機(jī)械輔助人工完成大型飛機(jī)的清洗任務(wù)，工作效率有所提高。第三階段為自動(dòng)化清洗作業(yè)階段，自動(dòng)化機(jī)械為飛機(jī)表面清洗工作提供了良好的條件和保障。 1、手工操作飛機(jī)表面清洗技術(shù) 最早的飛機(jī)表面清洗是由工人手持單刷進(jìn)行清洗作業(yè)的，如圖1所示。 圖1 人工清洗飛機(jī)表面 清洗大型飛機(jī)時(shí)主要是借助于高空作業(yè)車（如圖2、圖3所示）等設(shè)備進(jìn)行人工清洗，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。清洗一架

7、大型飛機(jī)，一個(gè)20人的清洗班組要耗時(shí)5h，人均揮刷近10000次以上。另外，由于飛機(jī)地面停留時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益有所降低。 圖2 高空作業(yè)車 圖3 高空作業(yè)平臺(tái) 2、機(jī)械化飛機(jī)表面清洗技術(shù) 隨著大型飛機(jī)的出現(xiàn)以及飛機(jī)數(shù)量迅速增加，純粹手工清洗操作已經(jīng)滿足不了時(shí)代對(duì)飛機(jī)清洗的高效率、高質(zhì)量的要求，從而出現(xiàn)了專門用于飛機(jī)表面清洗的專用飛機(jī)表面清洗車。目前各飛機(jī)場(chǎng)站應(yīng)用的飛機(jī)表面清洗車，如圖2、3所示，多數(shù)為利用升降平臺(tái)或舉高車改裝而成。清洗時(shí)靠升降平臺(tái)或舉高車承載清潔工首先利用噴槍噴洗滌劑，然后用高壓水槍沖洗，沖不掉的地方或飛機(jī)的關(guān)鍵部位用刷子擦

8、去塵土及污物。清洗作業(yè)基本還屬于手工作業(yè)，方法雖簡(jiǎn)便易行，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且清洗時(shí)存在著很大的危險(xiǎn)隱患。首先，站在升降平臺(tái)或舉高車上的清潔工在高處作業(yè)具有一定危險(xiǎn)性，另外飛機(jī)每一塊蒙皮對(duì)水壓的要求都不同，水槍噴射出的高壓水，容易導(dǎo)致飛機(jī)電子儀器設(shè)備損壞?？梢姡Ｒ?guī)清洗不僅效率低，且難以滿足清洗質(zhì)量，對(duì)飛機(jī)設(shè)備的安全性能也帶來了一定的危害。 隨著飛機(jī)數(shù)最的增加，清洗作業(yè)也不斷增加，為了減少勞動(dòng)力、削減經(jīng)費(fèi)，開發(fā)全自動(dòng)飛機(jī)表面清洗車顯得越來越重要了。90年代初人們開始尋求自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)在飛機(jī)表面清洗這一行業(yè)上的應(yīng)用，并取得了很大的進(jìn)步，日本、美國(guó)，德國(guó)在90年代后期相繼開發(fā)出了飛機(jī)表面清洗機(jī)

9、器人。 3、機(jī)器人飛機(jī)表面清洗技術(shù) (1)龍門式飛規(guī)表面清洗機(jī)器人[1-3] 日本成田的新東京國(guó)際航空機(jī)場(chǎng)裝備了計(jì)算機(jī)控制的龍門式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人。裝置在對(duì)應(yīng)于飛機(jī)頭部、機(jī)身前部、機(jī)身下部、機(jī)身后部、主翼、水平尾翼、垂直尾翼等位置處共安裝了16臺(tái)機(jī)器人，每臺(tái)機(jī)器人手臂上安裝了清洗刷，并在各個(gè)刷子的前端和清洗機(jī)器人各處安裝了噴射水和清洗劑的噴嘴。 清洗時(shí)飛機(jī)由牽引車?yán)胙b置內(nèi)，然后利用儀器將測(cè)得的飛機(jī)準(zhǔn)確位置傳給計(jì)算機(jī)，同時(shí)利用此數(shù)據(jù)微調(diào)清洗裝置的方位開始按一定順序自動(dòng)清洗機(jī)體，機(jī)器人手臂達(dá)不到的地方或用機(jī)器人不易清洗的地方再由人工利用長(zhǎng)刷進(jìn)行清洗。利用該自動(dòng)清洗機(jī)器人清洗一架巨型客機(jī)

10、只需5名機(jī)務(wù)人員約100分鐘就能完成。 這種機(jī)器人由于采用了龍門式框架結(jié)構(gòu)，裝置近百米寬，對(duì)寬體大型客機(jī)的清洗非常適合，但對(duì)于一般的中小型客機(jī)的清洗就顯得不太適合了。 (2)立架式移動(dòng)清洗機(jī)器人 美國(guó)開發(fā)的SAAMS飛機(jī)表面清洗機(jī)器人主要由運(yùn)輸平臺(tái)、豎直立架、帶有6個(gè)自由度的可編程機(jī)器人三部分組成。 (3)長(zhǎng)臂式移動(dòng)清洗機(jī)器人[4-12] 德國(guó)漢薩航空公司委托普茨邁斯特公司經(jīng)過近5年的開發(fā)，研制出了長(zhǎng)臂式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人，如圖4所示。目前已在德國(guó)法蘭克福機(jī)場(chǎng)上崗工作。該清洗機(jī)器人的主要組成部分有機(jī)械系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、組合傳感器、機(jī)器人控制器及液壓系統(tǒng)，其核心部件是AEG公司的IRC25

11、0機(jī)器人控制器和道尼爾公司的激光器。 首先利用微機(jī)對(duì)航空公司的整個(gè)機(jī)隊(duì)的飛機(jī)外形進(jìn)行編程，并將飛機(jī)的機(jī)型數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，機(jī)器人位于飛機(jī)的兩側(cè)，利用專用激光攝像機(jī)確定出機(jī)器人的精確工作位置，利用傳感器得到飛機(jī)的三維輪廓，并將此信息送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)將機(jī)器人當(dāng)前的位置與所存儲(chǔ)的飛機(jī)的數(shù) 圖4 長(zhǎng)臂式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人 據(jù)模型進(jìn)行比較．并由當(dāng)前的位置計(jì)算出機(jī)器人的坐標(biāo)。機(jī)器人開始清洗時(shí)，由裝在車后部的AEG的IRC250機(jī)器人控制器控制清洗滾刷，按照預(yù)定程序沿著飛機(jī)表面做清洗運(yùn)動(dòng)。 清洗機(jī)器人的機(jī)械操作臂有9個(gè)自由度，它的機(jī)械臂向

12、上可伸33米高，向外可伸27米遠(yuǎn)，且清洗機(jī)器人可以走近飛機(jī)，所以它可以清洗任何類型的飛機(jī)。由于機(jī)器人的臂很長(zhǎng)，它能覆蓋所有類型飛機(jī)表面的85％．只有機(jī)身下面等少數(shù)機(jī)器入達(dá)不到的部位或用機(jī)器人清洗不經(jīng)濟(jì)的部位需要用手工補(bǔ)擦。為了提高效率，手工擦洗可與機(jī)器人擦洗同時(shí)進(jìn)行。通過使用機(jī)器人不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，而且可以節(jié)省一半以上的水資源。例如，人工清洗一架波音747飛機(jī)需要100個(gè)工時(shí)，飛機(jī)在地面須停留10h，而機(jī)器人清洗僅需12個(gè)工時(shí)，飛機(jī)在地面停留2～3h。這樣大大縮短了飛機(jī)的地面停留時(shí)間，增加了飛行營(yíng)運(yùn)時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。 4、我國(guó)飛機(jī)清洗技術(shù)的發(fā)展方向 目前我國(guó)飛機(jī)

13、表面清洗技術(shù)，基本處于手工清洗操作階段和利用專用的清洗機(jī)械輔助人工完成清洗工作階段，在智能化清洗技術(shù)方面還處于空白階段。根據(jù)我們對(duì)國(guó)內(nèi)各民用、軍用機(jī)場(chǎng)的調(diào)查表明，各機(jī)場(chǎng)都存在飛機(jī)品種繁多的特點(diǎn)，長(zhǎng)臂式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人是我國(guó)飛機(jī)表面清洗車的發(fā)展方向。同時(shí)，我國(guó)在壁面清洗機(jī)器人、船體表面清洗機(jī)器人研究方面以及高空作業(yè)長(zhǎng)臂類機(jī)器人化機(jī)械研究方面取得的進(jìn)展，為我國(guó)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人化研究提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。 (1)我國(guó)清洗機(jī)器人研究概況 目前，我國(guó)清洗機(jī)器人研究主要集中在用于建筑物的外墻壁、玻璃幕墻清洗的爬壁機(jī)器人，如圖5、6所示。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[13]、上海大學(xué)[14-15]、上海交通大學(xué)[16

14、]、北京航空航天大學(xué)[17-18]等單位在這方面的研究較多，并有產(chǎn)品研制成功。此類機(jī)器人起源于20世紀(jì)70年代的日本[19-20]，機(jī)器人主要依靠吸附力吸附在工作面上并移動(dòng)。機(jī)器人按吸附功能分真空吸附、磁吸附和推力吸附三類。真空吸附機(jī)器人是通過真空泵裝置，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓或由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，使周圍形成真空，使機(jī)器人吸附在壁面上。它不受壁面材料的限制，但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)。吸盤容易漏氣，降低了吸附力和承載力，它產(chǎn)生的吸附力遠(yuǎn)小于磁吸附。磁吸附要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，對(duì)壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在漏氣問題且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。推力吸附是依靠螺旋槳或涵道風(fēng)扇產(chǎn)生合適的推力，使機(jī)器人穩(wěn)定可靠地吸附在壁

15、面上。 圖5 壁面清洗機(jī)器人 圖6 擦窗機(jī)器人 (2)我國(guó)長(zhǎng)臂類機(jī)器人化機(jī)械研究概況 所謂機(jī)器人化機(jī)器是指在傳統(tǒng)機(jī)械中引入機(jī)器人技術(shù)，使其具有機(jī)器人的功能。這一概念最早是由蔣新松院士提出來的。機(jī)器人化工程機(jī)械是工程機(jī)械的發(fā)展方向，工程機(jī)械的機(jī)器人化研究，不僅方便了工程機(jī)械作業(yè)裝置的設(shè)計(jì)、分析、校核，而且也將成熟的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到工程機(jī)械中，對(duì)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的自動(dòng)化、提升工程機(jī)械技術(shù)水平和產(chǎn)品檔次以及對(duì)擴(kuò)展機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域無疑也具有十分重要的意義[21-22]。 國(guó)外在工程機(jī)械機(jī)器人化方面開展了大量的研究和開發(fā)工作。如瀝青路面鋪設(shè)全自動(dòng)

16、施工系統(tǒng)、地下共同溝全自動(dòng)施工系統(tǒng)、機(jī)器人化建筑機(jī)械等已成為當(dāng)今國(guó)際自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。1994年日本在清除長(zhǎng)崎火山爆發(fā)區(qū)火山土石流采取了無人化施工，施工所用的機(jī)械(挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)和自卸汽車等)都是在幾千米外安全地帶操縱的。歐洲由產(chǎn)、學(xué)、研組成的聯(lián)合研究團(tuán)體在政府資助下，在深入開展單體智能化技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開始了機(jī)群智能化技術(shù)研究和開發(fā)，標(biāo)志著工程機(jī)械智能化的研究又向前邁出了一大步。 我國(guó)在工程機(jī)械智能化方面的研究還處于起步階段。國(guó)家863計(jì)劃先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)主題重點(diǎn)支持了工程機(jī)械機(jī)群智能化和單機(jī)智能化。對(duì)個(gè)別機(jī)種的機(jī)器人化機(jī)器的研究已經(jīng)

17、初步得到實(shí)際應(yīng)用，這些成果極大地提高了我國(guó)工程機(jī)械在國(guó)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力，有的甚至已經(jīng)走向了國(guó)際市場(chǎng)，下面僅就長(zhǎng)臂類機(jī)器人化機(jī)械研究作以簡(jiǎn)單介紹。 ●噴漿機(jī)器人[23-29] 噴漿支護(hù)是現(xiàn)代建設(shè)施工中廣泛采用的支護(hù)方法，施工中也存在一些待解決的問題，如人工噴漿時(shí)回彈造成的飛沙走石使工人不敢抬頭睜眼，致使無法保持噴槍與受噴面的垂直度和最佳距離。這樣不僅浪費(fèi)材料，而且混凝土結(jié)構(gòu)疏密不一，不能保證噴層的質(zhì)量。另外對(duì)大斷面隧道，人工噴漿需要搭腳手架，影響施工進(jìn)度．且費(fèi)工費(fèi)料。 圖7 大型噴漿機(jī)器人 圖8 小型噴漿機(jī)器人 國(guó)外從60年代開始采用機(jī)械手噴漿，山東科技

18、大學(xué)機(jī)器人研究中心從1994年開始著手噴漿機(jī)器人的研制。2000年初第一臺(tái)大型噴漿機(jī)器人已完成，并在濟(jì)南高速公路的隧道施工、西安至合肥的鐵路隧道施工中開始投入使用，機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)正常。該系列噴射混凝土機(jī)器人（如圖7、8所示）在同類產(chǎn)品中居國(guó)際領(lǐng)先水平。 ●隧道鑿巖機(jī)器人[30-34] 圖9 隧道鑿巖機(jī)器人 早期的液壓鑿巖設(shè)備全由人工操作，操作人員熟練程度的差異往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的“超挖”或“欠挖”，對(duì)工程的成本和工期都會(huì)產(chǎn)生不利影響。為了提高隧道開挖水平，世界上幾乎所有的發(fā)達(dá)國(guó)家都推出了隧道鑿巖機(jī)器人。中南工業(yè)大學(xué)于1998

19、年開始了隧道鑿巖機(jī)器人工程樣機(jī)的開發(fā)，現(xiàn)已完成樣機(jī)研制，如圖9所示。該機(jī)器人是雙臂型機(jī)器人，只要操作者在電腦上輸入工作界面面積和炮眼數(shù)目，機(jī)器人便自動(dòng)設(shè)計(jì)鉆孔的疏密布局，并可以在任何堅(jiān)硬的巖石上打出所需要的炮眼。 ●伐根清理機(jī)器人[35-36] 伐根清理是高效地利用伐區(qū)剩余物和伐區(qū)林地更新造林的關(guān)鍵。為了解決伐根清理中存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)安全性差、作業(yè)效率低等問題，東北林業(yè)大學(xué)研制了一種智能型伐根清理機(jī)器人，如圖10所示。該機(jī)器人主要由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。其中機(jī)械手安裝在具有行走功能的回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，由回轉(zhuǎn)盤、大臂、小臂和旋切提拔裝置組成。為

20、 圖10 伐根清理機(jī)器人 能實(shí)現(xiàn)在各種不同坡度、地形進(jìn)行清理伐根，機(jī)械手具有六個(gè)自由度。旋切提拔裝置由萬能切刀、提拔筒、四爪抓取機(jī)構(gòu)等組成，在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下可以實(shí)現(xiàn)各種俯仰、旋轉(zhuǎn)、抓取動(dòng)作。該機(jī)器人可在駕駛室內(nèi)利用攝像鏡頭和顯示器組成的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)作業(yè)目標(biāo)進(jìn)行搜索，操作人員在機(jī)器人駕駛室內(nèi)即可進(jìn)行伐根清理作業(yè)。使用智能型伐根機(jī)器人促進(jìn)人工更新造林、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。 ●林木球果采集機(jī)器人[37-38] 圖11 林木球果采集機(jī)器人 目前國(guó)內(nèi)外研制了多種球果采集機(jī)，如升降機(jī)、樹干振動(dòng)機(jī)等，由于這些機(jī)械本身都

21、存在著這樣或那樣韻缺點(diǎn)，所以沒有被廣泛應(yīng)用。目前在林區(qū)仍靠人工上樹手持專用工具來采摘林木球果，這樣不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)安全性差，生產(chǎn)率低，而且對(duì)母樹損壞較多。為了解決這個(gè)問題，東北林業(yè)大學(xué)研制出了林木球果采集機(jī)器人，如圖11所示。該機(jī)器人由機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。其中機(jī)械手由回轉(zhuǎn)盤、立柱、大臂、小臂和采集爪組成，整個(gè)機(jī)械手共有5個(gè)自由度。在采集林木球果時(shí)，將機(jī)器人停放在距母樹3—5 m處，操縱機(jī)械手回轉(zhuǎn)馬達(dá)使機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)其中一棵母樹，然后單片機(jī)系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度，采集爪張開并擺動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)要采集的樹枝，大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使采集爪沿著樹枝生長(zhǎng)方

22、向趨近1-2m，然后采集爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動(dòng)采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重復(fù)上述動(dòng)作；連捋數(shù)枝后，將球果倒入拖拉機(jī)后部的集果箱中。采集完一棵樹，再轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)下一棵：試驗(yàn)表明，這種球果采集機(jī)器人采集落葉松果是人工上樹采摘的30-35倍。另外，更換不同齒距的梳齒則可用于各種林木球果的采集。這種機(jī)器人采摘林木球果時(shí)，對(duì)母樹破壞較小，采凈率高，對(duì)森林生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等方面都有重要的意義。 ●消防機(jī)器人[39-40] 圖12 消防機(jī)器人 公安部上海消防研究所、上海交通大學(xué)、上海市消防局經(jīng)過3年的研

23、究，聯(lián)合研制出我國(guó)第一臺(tái)消防機(jī)器人（如圖12所示），己通過國(guó)家“863”專家組驗(yàn)收。該機(jī)器人可以行走、爬坡、跨障、噴射滅火，可以進(jìn)行火場(chǎng)偵察。此次消防機(jī)器人的研制成功為我國(guó)消防部隊(duì)裝備自動(dòng)化和智能化開辟了一個(gè)新途徑。 三、 研究步驟，方法及措施 針對(duì)以上關(guān)于飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的巨大的實(shí)際意義，國(guó)內(nèi)外研究成果以及國(guó)內(nèi)研究發(fā)展方向的情況，通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)和研究成果的閱讀與分析，對(duì)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人將進(jìn)行以下幾個(gè)方面研究工作： （一）對(duì)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與研究。對(duì)機(jī)器人載車系統(tǒng)、機(jī)器人手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)行研究。完成飛機(jī)表面清洗機(jī)械人的總體設(shè)計(jì)，完成飛機(jī)表面清洗機(jī)械人底

24、盤選擇及各手臂以及手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)于機(jī)器人來說其機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：確定基本參數(shù)、選擇運(yùn)動(dòng)方式、手臂配置方式（構(gòu)型）、驅(qū)動(dòng)方式、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，具體如下： 1 根據(jù)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人工作任務(wù)和目的來確定機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和控制方式、自由度數(shù)目。 2 根據(jù)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人工作任務(wù)、工作場(chǎng)地的空間布置等來確定機(jī)器人的工作空間。 3 根據(jù)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的工作任務(wù)來對(duì)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃、制定各自由度的工作節(jié)拍、分配各動(dòng)作時(shí)間，初步確定各自由度的運(yùn)動(dòng)速度。 4 根據(jù)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的工作空間，初步確定機(jī)器人各部分（各臂）的長(zhǎng)度尺寸。 5 對(duì)飛

25、機(jī)表面清洗機(jī)器人初步受力分析，根據(jù)受力分析結(jié)果及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度，選擇各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件的基本參數(shù)（電動(dòng)機(jī)和減速器的選型計(jì)算），對(duì)于速度較低的可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行靜力分析。 6 根據(jù)工作要求確定飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的定位精度。定位精度取決于飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的定位方式、運(yùn)動(dòng)速度、控制方式、飛機(jī)表面清洗機(jī)器人手臂的剛度等。 7 根據(jù)技術(shù)要求等確定各部件的材料和結(jié)構(gòu)及加工工藝；然后驗(yàn)算各構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)功率和給出最大負(fù)載重量，驗(yàn)算飛機(jī)表面清洗機(jī)器人各關(guān)鍵部件使用壽命。初步確定各部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 8 把飛機(jī)表面清洗機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)編寫成文，并繪制系統(tǒng)總圖、簡(jiǎn)圖。 （二）對(duì)機(jī)械人手臂進(jìn)行

26、三維實(shí)體建模及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 對(duì)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行研究。使用Solidworks軟件繪制飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的三維實(shí)體模型，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。利用機(jī)器人理論建立飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的正解進(jìn)行求解。 （三）關(guān)鍵零部件的有限元分析 使用Solidworks軟件的有限元功能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行靜力和動(dòng)態(tài)力分析，利用有限元法對(duì)機(jī)器人手臂進(jìn)行強(qiáng)度分析，合理地研制飛機(jī)表面清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的原理樣機(jī)。 （四）編寫設(shè)計(jì)說明書。 四、 研究工作進(jìn)度 1、第1-10天，收集資料，調(diào)研，整理資料完成文獻(xiàn)綜述。 2、第11-20天，確定機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)略三

27、維圖，完成開題報(bào)告和第一次考核答辯PPT。 3、第21-23天，確定機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和控制方式、自由度數(shù)目。 4、第24-25天，確定機(jī)器人的工作空間，初步確定各臂長(zhǎng)度。 5、第26-28天，對(duì)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃、制定各自由度的工作節(jié)拍、分配各動(dòng)作時(shí)間，初步確定各自由度的運(yùn)動(dòng)速度。 6、第29-31天，初步受力分析，選擇各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件的基本參數(shù)，對(duì)速度較低的部件進(jìn)行靜力分析。 7、第32-34天，確定飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的定位精度。 8、第35-36天，確定各部件的材料和結(jié)構(gòu)及加工工藝。 9、第37-39天，驗(yàn)算各構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)功率和給出最大負(fù)載重量，驗(yàn)

28、算關(guān)鍵部件使用壽命。 10、第40天，初步確定各部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 11、第41-47天，把飛機(jī)表面清洗機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)編寫成文，并繪制系統(tǒng)總圖、簡(jiǎn)圖。 12、第48-50天，完成PPT，準(zhǔn)備第二次考核答辯。 13、第51-55天，對(duì)機(jī)械人手臂進(jìn)行三維實(shí)體建模。 14、第56-60天，運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。 15、第61-65天，關(guān)鍵零部件的有限元分析。 16、第66-68天，繪制工程圖。 17、第69-72天，撰寫論文，翻譯外文資料。 18、第73-85天，彌補(bǔ)不足，查漏補(bǔ)缺，準(zhǔn)備最后答辯。 五、 主要參考文獻(xiàn) [1] 王俊玲自動(dòng)清洗飛機(jī)的機(jī)器人系統(tǒng)[J]，機(jī)器人技

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