油罐檢測爬壁機器人結構設計【說明書+CAD】

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畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 1．結合畢業(yè)設計情況，根據所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述： 文 獻 綜 述 引言 爬壁機器人是移動機器人領域的一個重要分支, 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, 是當前機器人領域研究的熱點之一。 進入21 世紀以來，機器人在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應用和發(fā)展，其研究與應用水平已成為一個國家經濟實力和科技發(fā)展水平的重要標志。爬壁機器人是特種機器人的一種,它把地面移動機器人技術與吸附技術有機結合起來, 是在惡劣、危險、極限等情況下進行特定作業(yè)的一種自動化機械裝置，如今越來越受到人們的重視。目前, 爬壁機器人主要應用于核工業(yè)、石化工業(yè)、造船業(yè)、消防部門及偵查活動等領域得到了應用【1-2】。爬壁機器人的應用取得了良好的社會效益和經濟效益。經過30多年的發(fā)展, 爬壁機器人領域已經涌現(xiàn)出一大批豐碩的成果,特別是20世紀90年代以來, 國內外在爬壁機器人領域中的發(fā)展尤為迅速。近年來, 由于多種新技術的發(fā)展, 爬壁機器人的許多技術難題得到解決, 極大地推動了爬壁機器人的發(fā)展, 特別是小型爬壁機器人成為機器人領域的一個研究熱點。 傳統(tǒng)爬壁機器人的結構、吸附方式、移動方式及其特點 爬壁機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)爬壁機器人按吸附功能可分為真空吸附、磁吸附和氣流負壓吸附等幾種形式：真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當壁面凸凹不平時，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性強，且吸附力遠大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導磁材料，因此嚴重地限制了爬壁機器人的應用環(huán)境【5-7】。氣流負壓吸附是靠螺旋槳等形成的氣流負壓力的壁面法 向分量將機器人壓附在壁面上 ，這種方式的吸附力大小較容易控制 ，但吸附穩(wěn)定性和運動精度有限【8】。 爬壁機器人按運動機構分為多足步行式、輪式、履帶式等【8-10】,其中,輪式和足式使用 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 較為廣泛,履帶式多用于磁吸附方式。越障能力是爬壁機器人壁面適應性能的一個重要指標。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；履帶式對壁面適應性強，著地面積大，但不易轉彎。而這三種移動方式的跨越障礙能力都很弱【11-12】。 驅動設備 傳統(tǒng)伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠離驅動的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統(tǒng)復雜，結構累贅，不能滿足實用化的要求，為此需要研制利用功能材料構成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機【13-15】。微特電機所組成的驅動伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機器人關鍵部件，研制開發(fā)直接驅動、大力矩、小體積、重量輕、精度高、反應靈敏、工作可靠的各類微特電機，是提高我國機器人的研究開發(fā)水平，滿足國內研制高性能機器人的基礎保障。因此微特電機在機器人應用的前景是非常樂觀的，爬壁機器人使用微特電機技術的發(fā)展趨勢可歸納為:朝著高精度、高可靠性、直接驅動、新原理、新結構、機電一體化、超微化方向發(fā)展。超聲波電機:利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動，將彈性材料的微觀形變通過共振放大和摩擦耦合轉換成轉子或滑塊的宏觀運動。由于其獨特的運行機理，超聲波電機具有傳統(tǒng)電磁式電機不具備的優(yōu)點: (1) 靠摩擦力驅動，斷電后具有自鎖功能； (2) 轉矩密度大，低速下可產生大轉矩，不需齒輪減速機構，因而體積小、質量輕、控制精度高、響應速度快； (3) 運行無噪聲，不產生也不接受電磁干擾等。正是由于超聲波電機具有眾多優(yōu)點，所以它在爬壁機器人上將有非常好的實用價值。 國外爬壁機器人發(fā)展概況 爬壁機器人是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的極限作業(yè)機器人，它是集機構學、傳感技術、控制和信息技術等為一體的高技術產品，世界機器人大國日本在極限作業(yè)機器人研究方面尤為積極。在過去的幾十年里，爬壁機器人技術在世界范圍內得到迅速發(fā)展，也相繼研制出了不同種類的樣機，有些已經投入實用。在這一領域，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工學部任講師的西亮，就利用電風扇進氣側低壓 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 空氣產生的負壓作為吸附力制作了一臺垂直壁面移動機器人的原理樣機，這被看作是爬壁機器人研究的開端【17-18】。日本應用技術研究所研制出了車輪式磁吸附爬壁機器人，它可以吸附在各種大型構造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機器人靠磁性車輪對壁面產生吸附力，其主要特征是：行走穩(wěn)定速度快，最大速度可達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)大學的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機器人，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來驅動，與壁面線接觸的吸盤旋轉，爬壁機器人就隨著向前移動，這種吸附機構的吸附力可以達到很大【19】。 此后的幾十年里，爬壁機器人技術在世界范圍內得到了迅速發(fā)展，也相繼研制出了不同種類的樣機，有些已經投入實用。 國內爬壁機器人的發(fā)展概況 和國外相比，國內爬壁機器人的研究起步較晚，但近幾年已取得了很大進步。我國的工業(yè)機器人從20世紀80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人本體的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人【20】。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離;機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。 1988年在國家“863”高技術計劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學機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種型號壁面爬行機器人【8】。研制成功的我國第一臺壁面爬行遙控檢測機器人,采用負壓吸附,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)的爬壁機器人CLR-Ⅰ,采用全方位移動機構,機器人在原地就可以任意改變運動方向。之后開發(fā)的CLR-Ⅱ,采用兩輪獨立驅動方式-同軸雙輪差速機構, 通過對兩輪速度的協(xié)調控制實現(xiàn)機器人的全方位移動,機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器人,采用永磁吸附結構,靠兩條履帶的正反轉移動來實現(xiàn)轉彎。該機器人可以為石化企業(yè)金屬儲料罐的外壁進行噴漆、噴砂,以及攜帶自動檢測系統(tǒng)對罐壁涂層厚度進行檢測。 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 1997年研制的水冷壁清檢測爬壁機器人,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)大學機器人研究所研制了水冷壁爬壁機器人，此機器人主要用于對火電站鍋爐的水冷壁進行檢測和清掃。機器人的行走機構的雙履帶，每條履帶上均布有30塊永磁吸附塊，運動過程中，每條履帶上有一部分磁塊與壁面接觸良好，從而使機器人貼附在墻壁上【11】。 傳統(tǒng)爬壁機器人的結構與未來發(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性不強，越過障礙物的能力弱，體積大，質量重等，所以未來爬壁機器人的結構應該向著實用化的方向發(fā)展【22】。而爬壁機器人的關鍵技術相比普通的機器人有多那么幾點，首先是吸附方式，吸附機構的作用是產生一個向上的力來平衡機器人的重力,使其保持在壁面上。目前,吸附方式主要有真空負壓吸附、磁吸附、螺旋槳推力及粘結劑等幾種方式。由于油罐是圓球形機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用與精密微機械加工的手段制作出和任意形狀的表面都可以適應的裝置【23】。 驅動、傳感、控制等硬軟件技術的發(fā)展極大地推動了爬壁機器人技術的發(fā)展【24】, 實際應用的需求也對爬壁機器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn), 爬壁機器人的發(fā)展趨勢歸結起來主要有以下幾方面： (1)新型吸附技術的發(fā)展。吸附技術一直是爬壁機器人發(fā)展的一個瓶頸,它決定了機器人的應用范圍。由于目前應用比較成熟的吸附技術都有很大的局限性,在很多情況下以滿足實際應用的要求。因此,開發(fā)和研究新型吸附技術是當前爬壁機器人領域的一個重要方向。模仿壁虎等動物腳掌的仿生粘性材料的發(fā)展是當前新型吸附技術發(fā)展的熱點【25】。 (2)爬壁機器人的任務由單一化向多功能化方向發(fā)展。過去所研制的爬壁機器人大多用于清洗、噴涂、檢測等作業(yè),作業(yè)任務往往只局限于單一的任務。而目前人們則希望爬壁機器人能夠裝備多種工具,在不同的場合進行工作。比如機器人能夠在空間飛行器上進行安裝及外部維護作業(yè)等【26】。 (3)小型化、微型化是當前爬壁機器人發(fā)展的趨勢。在滿足功能要求的前提下, 體積小、質量輕的機器人可較小能耗,具有較高靈活性, 并且在某些特殊場合也需要機器人具有小的體積。各種微型驅動元件、控制元件及能源供應方式的發(fā)展,為小型化、微型化奠 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 定了基礎。 (4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(fā)展。由于爬壁機器人的作業(yè)空間一般都較大, 帶纜作業(yè)極大地限制了機器人的作業(yè)空間, 所以,為了提高機器人的靈活性和擴大工作空間,無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機器人的發(fā)展趨勢。 (5)由簡單遠距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結合,使機器人在封閉環(huán)境中能夠具有一定的自主決策能力,完成任務, 并具有自我保護能力是移動機器人發(fā)展的重要方向, 也是爬壁移動機器人的重要發(fā)展方向。 (6)可重構是機器人適應能力的一項重要指標。為了使機器人能夠應用于不同場合, 根據任務需求, 在不需要重新設計系統(tǒng)條件下, 充分利用已有的機器人系統(tǒng), 應使機器人具有可重構性, 即具有模塊化結構。根據任務需求,把需要的模塊直接連接起來組成新的機器人。 結束語 綜上所述,經過多年的發(fā)展,爬壁機器人領域取得了豐碩的研究成果,并且在一些領域得到了實際應用,取得了良好的社會效益。仿生學、微機電一體化、新型驅動器、高分子材料等新技術、新理論的應用極大地推動了爬壁機器人的發(fā)展,使其功能越來越強大。爬壁機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、可重構化等方向發(fā)展。在21世紀的今天隨著對生產力要求的不斷提高，爬壁機器人將會出現(xiàn)在越來越多的新領域中如反恐排爆、偵察救災及空間作業(yè)等，具有無限的市場前景。也可以這樣說21世紀是機器人大爆炸的時代誰先掌握這種技術誰就把握住了時代的脈搏走在了世界的前端。而爬壁機器人作為移動機器人領域的一個重要分支應給予高度的重視。 參考文獻： [1] 潘佩霖、韓秀琴、趙言正等.日本磁吸附爬壁機器人的研究現(xiàn)狀.機器人，1994；16 （6）：379-382. 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