机械毕业设计(论文)开题报告-爬杆作业机器人设计.doc

上海电机学院
毕业设计（论文）开题报告

课 题 爬杆作业机器人设计
学 院（系） 机械学院
专 业 机械电子工程
年 级
学 号
姓 名
导 师

定稿日期： 2012 年 1 月 6 日

爬杆作业机器人设计
1．选题背景及其意义
随着国民经济的飞速增长，人民生活水平的提高，城镇中随之矗立起无数电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索等高层建筑。这些高层建筑壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等，长期以来会形成灰尘层，酸污染影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，加快它们的生锈，并缩短它们的使用寿命，需要定期进行壁面维护工作。它们通常高5-30米，有的甚至高达百米，会给操作人员带来不便和危险。因此本课题拟设计一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行，代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。具有良好的经济效益和社会效益。
2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）
机器人技术是近30年来迅速发展起来的一门综合学科。它综合了力学、机构学、机械设计学、计算机工程、自动控制、传感技术、电液驱动技术、人工智能、仿生学等学科的有关知识和最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。尤其是进入80年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。移动机器人作为机器人学的一个重要分枝，其研究工作始于20世纪60年代。移动机器人的最成功应用是自动化生产系统中的物料搬运，用于完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件工具传送。移动机器人的运动灵活性能，大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。现在，移动式机器人的研究开发除上述应用外，还涉及许多其他应用领。如在建筑领域完成混凝土的铺平、壁面的装修、检查和清洗：采矿业中行隧道的掘进和矿藏的开采、农林业中从事水果采摘、树枝修剪、圆木搬运；军事上用于探测侦察、爆炸物处理。福利方面进行盲人引导，病员护理等。
爬行机器人是机器人大家族中的一员，爬升机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业，区别于平面移动机器人，故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。从动力源进行划分，主要分为机械式和气动式两大类。从有无控制系统的层面进行划分，主要分为普通型和智能型两大类。普通型就是只有动力源、执行机构，智能型相比普通型还有(反馈)控制机构。
最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人，适于高层建筑、水力发电大坝等垂直壁面和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面，已有车轮移动形、姿态可变形、尺蠖形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵引力较小。
爬行机器人并不少见，但是通常来说，这类规器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。更主要的是，平常的机器人，因为体积或行动方式的影响，不能到一些特殊的地方进行工作，比如说管道，壁面等等特种用途的领域。
国内外很早就对爬行机器人进行研究工作，获得了丰硕的成果。目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器入、电动液压式爬秆机器入和气动蠕行式爬杆机器人。电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬升器沿杆体上升下降。螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定角度，这样轮子转动时它在杆体上形成的是螺旋轨迹，沿此轨迹通过电动机的正反转，该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部汽缸夹紧，上部汽缸松开，提升汽缸活塞杆伸出，上部上升；上部汽缸夹紧，下部汽缸松开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动由实现由气压控制，需要气源和气动控铡系统，因此其设备成本较高。日本是机器人制造王国，它拥有世界上最多的机器人。在2005年5月10日展出的日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO技术开发机构)机器人周(2005年6月9日～19日)期间，在长久会场内的Morizo kiccoro会展中心举办的“机器人样机展”，其中实机演示的5种机器人中有三种是移动机器人：分别是移动跳跃机器人、脚轮式移动机器人和水陆两用蛇形机器人。
国内有苏州工业职业技术学院的曹建东等发明的气动爬杆机器人（如图1、2所示），其工作台上分别设有左，右轨道固定支架，固定支架之间设有运行轨道杆，其特点是：运行轨道杆上穿设有左，右滑动导向固定块，两滑动导向固定块上各安装双杆伸缩爬行气缸，由此可实现机器人在轨道上自动来回爬行运动。

图1 气动爬杆机器人的构造示意图

图2 气动爬杆机器人的俯视图。
图中标记为：1左轨道固定支架；2缓冲块；3左推紧气缸；4压紧块；5左滑动导向块；6方形固定块；7双杆伸缩爬行气缸；8右滑动导向固定块；9推紧缸固定块；10方形运行轨道杆；11固定三角件；12左限位固定块；13滚轮式行程开关；14导条；15传感器固定块；16定位传感器；17右限位固定块；18电磁阀组合；19 I/O信号接口；20工作台；21导线传输链；22导条固定块；23右推紧气缸；24右轨道固定支架
此外还有山东建筑大学机电学院于复生的“一种气动爬杆机器人”（如图3所示）。这种气动机器人，属于机械制造领域。该爬杆机器人是由水平夹紧气缸，汇流板和电磁阀组件，加强支架，连接块，后顶杆，侧杆，前顶杆，垂直气缸，支架组成。水平夹紧气缸其外筒的前端牢靠地安装在支架上，其活塞的前端通过联接块与后顶杆相连，后顶杆的两端有销子插在侧杆的中间，在水平夹紧气缸的带动下，后顶杆可前后移动。前顶杆通过螺钉和销钉与侧杆联接，其一端可方便地拆卸，以把机器人要爬的杆件包揽入内。加强支架通过螺钉与上下四根侧杆。汇流板及电磁阀组件，支架紧固地联接起来，构成了机器人的整体结构。这种气动爬杆机器人具有结构简单，可爬杆直径适用范围大，使用方便等优点。

图3 爬杆机器人结构图
1-水平夹紧气缸 2-汇流板及电磁阀组件 3-加强支架 4-联接块 5-后顶杆6-侧杆 7-前顶杆 8-垂直气缸 9-支架
3 研究内容
该课题主要针对直径150mm左右的杆，且保证在全负载情况下应该能够保持 100mm/s 左右的运行速度，除此之外总重应该不得超过5kg，同时得以保证最大的灵活性和最底的能量消耗。而且机器人的传动系统应该具有自锁机构以克服重力的影响。
该机器人包括夹持机构、移动机构、驱动机构等组成。夹持部分有上、下两个机械手组成。通过上、下机械手的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动。移动部分采用连杆机构，驱动部分采用电气驱动。结构示意图如图4所示。
图4 爬杆机器人结构示意图
4．研究方案
4.1方案分析
欲使机器人在杆上自由移动，必须具备两种功能：贴附功能与移动功能。贴附方式有吸附式和夹持式两种，运动方式有轮式、履带式、腿式及蠕动式。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格的机器人。
4.1.1吸附方案
吸附式是通过面接触方式紧贴于壁面上，夹持式是靠点夹紧在杆上。吸附方式又有真空吸附和电磁吸附之分，其中真空吸附式用的比较多，因为它对壁面的要求不十分严格；电磁吸附承载能力大，有很强的适应能力，但其应用范围窄，需要杆件壁面含有电磁场可吸附的含铁、钴、镶等材料。各种贴附方式的优缺点和比较如表1所示。
表1 爬行机器人贴附方案的比较
贴附方式
概要
特点
夹持式
机械手
由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上
能适应任何壁面

吸
附
式

真
空
吸
附
真
空
泵
设置许多吸盘，由真空泵装置产生吸附力，使机器人吸附在壁面上
可实现小型、轻量化，无需附加供气装置，但要求壁面有一定平滑度
喷
射
器
在本体上安装喷嘴，由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出。其周围形成真空，吸附在壁面上
能效低、噪音大，且需要供气装置，但可以达到高真空度，对壁面适应性强
电
磁
吸
附
永
磁
体
由永磁体产生吸附力，吸在壁面上
吸附时不需终部能量，但只适用于导磁性壁面的吸附
电
磁
体
电磁铁通电将其吸附在壁面上
吸附时需要电能，也只适用于导磁性壁面的吸附
4.1.2移动方案
在设计移动机器人系统时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。此外，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。作为杆件爬行机器人，根据现有的技术方案，有很多种移动方式可供选择。各种移动方案的比较如表2所示。
表2 爬行机器人移动方案比较
移动方式
优点
缺点
轮 式
移动速度快，控制方便，转弯容易
接触面积小，越障能力差，易打滑。
履 带 式
接触面积大，承载能力大，移动速度快，适应能力强。
履带磨损大，结构复杂，机动性差。
腿 式
越障能力强，承载能力大，机动性好，具有很强的壁面适应能力。
结构复杂，间歇移动，速度慢，关节和足数多，控制复杂。
蠕 动 式
承载能力大，运动平稳，控制简便，适应能力比较强。
运动速度慢，结构复杂。
4.1.3动力系统比较
目前对于机器人的动力系统可以采用电气驱动、液压驱动、气压驱动等不同的方式。不同的动力系统其有不同的特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照具体的要求来选择最适合的动力系统可以达到预定的目标。
气压驱动的优点是响应速度快，结构简单，控制方便；缺点是功率质量比较小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器入在任意定位时，位姿精度不高。气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本爬行机器人的工作空间的要求，不适合在本系统中使用
电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，反应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动己经成为最普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。所以选择电气驱动的方案。
4.2 方案选择
综合上述几种方案的优缺点。本课题拟设计一种爬杆机器人，它的工作对象为城市杆状建筑，要求承载能力大、接触面积小、速度适中，适应能力强，能越障碍物。通过比较各种方案，本设计采用仿生尺蠖式蠕动爬行结构形式，这是一种新颖的变直径杆仿生爬行机构设计方案，该方案能基本满足我们设定的工作状况。尺蠖蠕动式爬行具有很多优点，可实现在运动方向上任意长的距离提升重物，能获得更大的锁紧力，从而可传送较重的物体，结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，具有较高的技术经济效果。
4.2.1机器人爬行原理分析
既然是仿生尺蠖式蠕动，那么在本机器人的设计中，将以实现机器人躯干的伸缩往复运动的主要动作为目标。往复运动的实现有很多种，常见的机构有：不完全齿轮齿条双侧停歇机构、曲柄连杆机构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等。这几种机构各有自己的优缺点，曲柄连杆机构可以很好地协调好机器人的整体工作。从图5、6中可以看出，机器人的爬行动作原理可分为以下5步：
1) 在初始状态1时，下机械手夹紧、上机械手松开；
2) 电机回转，驱动曲柄及和曲柄固接在一起的下并联盘形凸轮顺时针转动，并推动下机械臂摆动，当下并联盘形凸轮转过升程角时，下机械手松开；与此同时上移动凸轮向下移动过空行程，上机械手抓紧，及状态2.；
3) 电机继续回转，此时上机械手夹紧，下机械手松开，机器人下部被提升到极限位置，即状态3.；
4) 电机继续回转，当下并联盘形凸轮转过回程角时，下机械手夹紧；与此同时上移动凸轮向上滑过空行程，上机械手松开，即状态4.；
5) 电机继续回转，因为下机械手夹紧，上机械手松开，所以机器人上部在电机的提升推力下向上移动，当曲柄和连杆拉直共线时，机器人上部提升到极限位置，即状态5；
从图5中可以看出，减速电机每转动一圈，机器人整体向上爬行一次。

图5 机器人运动过程图

图 6 机器人结构原理图
4.2.2电气设计
根据设计要求，系统可以划分为几个基本模块，如下图所示。对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案

4.2.3电机驱动调速模块
驱动电路采用H型桥式PWM脉宽调制驱动形式，如图所示。电路主要由大功率三极管B772、D882、三极管8050和光电耦合器等元件组成。该驱动电路可控制电机的正转、反转和停止
5进度计划
2011年12月---- 2012年1月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。
2012年 1月---- 2012年 2月：开始总体设计，完成机械部分，传动部分设计。完成总装配图，A0图纸1张，完成部分零件图A1图纸3张等。
2012年 2月---- 2012年3月：完成电气控制部分设计，完成电气控制系统图，A1图纸1张，撰写说明书。
2012 年 3 月---- 2012年4月：中期答辩
2012 年 4 月---- 2012年5月：编写毕业论文。
2012 年 5 月---- 2012年6月：毕业答辩准备和答辩。
6．参考文献
[1]张海洪，谈士力，龚振邦，等．壁面自动清洗机器人清洗工艺分析[J]．机电一体化，2001．(1)：1-3
[2]王园宇，武利生，李元宗．壁面清洗机器人发展趋势浅析[J]．引进与咨询，2002．(4)：3-4
[3]蒋新松．机器人学导论[M]．辽宁：辽宁科学技术出版社，1994：12．18
[4]郭洪红.工业机器人技术.西安电子科技大学出版社.2005:1-4
[5]濮良贵. 机械设计[J].高等教育出版社,2006.
[6]Gordon Macomb Constructing Robot Bases. McGraw-Hill Education (Asia) Co. and China Machine Press.2006.2
[7]杨存智.爬杆（绳）机器人的研制[J].机电一体化，2003.（4）：1-3
[8]方建军 何广平，智能机器人.化学工业出版社.机电一体化.2003.12
[9] 张国平，杨杰，高婧宇．爬壁机器人真空吸附及运动方式探讨[J]．液压气动与密封，2007．(1)：1-3
[10]贾延林主编．模块化设计[M]．北京：机械工业出版社．1993：45-51
[11] Ma S，Araya H，Li L. Development of a creeping snake-robot[A]．IEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation[C]．Banff：2001：77-82
[12]蒋新松.机器人学导论[M]．辽宁：辽宁科学技术出版社，1994：12.18
[13] E. Freund and R. Mayr, Nonlinear path control in automated vehicle guidance, IEEE Trans.
Robotics Automat. 13 (1), 49–60 (1997).
[14] T. Hongo, H. Arakawa, G. Sugimoto, K. Tange and Y. Yamamoto, An automatic guidance system
[15] 纳威.机器人集锦 [M].北京：科学出版社,2003.
[16] 龚振邦等编著.机器人机械设计 [M].北京：电子工业出版社,1995.
指导教师意见

指导教师签名：

年 月 日

开题答辩小组意见
1、论文选题：□有理论意义；□有工程背景；□有实用价值；□意义不大。
2、论文的难度：□偏高；□适当；□偏低。
3、论文的工作量：□偏大；□适当；□偏小。
4、设计或研究方案的可行性：□好；□较好；□一般；□不可行。
5、学生对文献资料及课题的了解程度：□好；□较好；□一般；□较差。
6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：
□好；□较好；□一般；□较差。
7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：
□好；□较好；□一般；□较差。
8、对论文选题报告的总体评价：□好；□较好；□一般；□较差

（在相应的方块内作记号“√”）
建议结论

评议小组组长签名：

评议小组组员签名：

年 月 日

12