機(jī)電畢業(yè)設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人

1、大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘 要 本畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題來源于“2006年大學(xué)生過程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽”的參賽參考題目，主要任務(wù)是設(shè)計(jì)在役鋼制壓力容器外壁面檢測用爬壁機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)。本文在詳述國內(nèi)外爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對履帶式爬壁機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對一些關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。重點(diǎn)是爬壁機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核。本文設(shè)計(jì)的壓力容器檢測爬壁機(jī)器人采用履帶式移動機(jī)構(gòu)，雙履帶構(gòu)成爬壁機(jī)器人的基本框架；采用永磁吸附方式，將永磁片貼在履帶的外表面，可提供足夠大的吸附力，結(jié)構(gòu)簡單；采用前輪驅(qū)動，兩個驅(qū)動輪分別由電機(jī)驅(qū)動，當(dāng)兩電動機(jī)轉(zhuǎn)速一致時，機(jī)器人沿直線行走，當(dāng)兩電

2、動機(jī)差速時，可實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人整體轉(zhuǎn)彎。本文對爬壁機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)，移動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，特別是對轉(zhuǎn)彎阻力矩進(jìn)行了分析計(jì)算。經(jīng)過校核，在一定條件下，該爬壁機(jī)器人能夠完成對壓力容器壁面的巡檢。關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人；本體結(jié)構(gòu)；移動機(jī)構(gòu)；吸附機(jī)構(gòu)AbstractThe task of the graduation design comes from “The practice and innovation contest about process equipment of undergraduate in 2006”. The main task is the design of the main

3、 structure and control system of the climbing robot for checking the surface of the servicing steeliness pressure vessel.In the base of summarizing the study status on the climbing robot inside and outside, the main structure of the climbing robot with pedrails is designed, and the designing calcula

4、tions of key partments are carried on. Especially, the designing and proofreading of moving mechanical，the absorbing mechanical of the pedrails and the driving system are designed and checked. The pedrails moving system are chosen as the moving mechanical of the climbing robot for pressure vessel. T

5、his system buildup the basis frame class of the robot. Magnet, which can offer adsorbability enough to keep the robot working on the vertical walls, is kept close to the outside surface of the pedrails. Front-wheel driving is adopted as the driving system and the two front-wheel are drived by two el

6、ctromotors, respectively. When the two motors are running with the same direction, the robot walks straightly. When the two motors are running with the contrary velocity, the robot can swerve.In the paper, the absorbing mechanical and the moving organization are designed and calculated, especially f

7、or the swerve resistance moment. After calculation and checking, the robot can work normally and detect the surfaces with welding lines if there is no unexpected condition.Keywords: Climbingrobot；Main structure；Walking mechannical； Adsorbing mechannical 目 錄摘 要IAbstractII1 緒 論11.1國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀11.1.1國

8、內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀概述11.1.2 爬壁機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀21.1.3 爬壁機(jī)器人壁面吸附機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀41.1.4 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀61.2國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢71.3 本課題的研究目的及意義92 壓力容器檢測爬壁機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)112.1爬壁機(jī)器人的功能要求112.1.1 爬壁機(jī)器人的工作過程112.1.2 爬壁機(jī)器人的基本功能112.1.3 爬壁機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)參數(shù)122.2爬壁機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)122.2.1 履帶的結(jié)構(gòu)形式132.2.2 履帶輪與履帶的聯(lián)結(jié)方式142.2.3 履帶的張緊裝置14參考文獻(xiàn)16致 謝 18附 錄19151 緒 論機(jī)器人

9、是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動化設(shè)備。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生根本性的變化，而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。以機(jī)器人代替人類從事各種危險(xiǎn)、繁重、重復(fù)、單調(diào)及有毒有害的工作是社會發(fā)展的一個趨勢。近年來，工業(yè)機(jī)器人在各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。其中，爬壁機(jī)器人因?yàn)槠湓诤斯I(yè)、石化企業(yè)、建筑、消防、造船等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，以及其高空作業(yè)的特性越來越受到人們的關(guān)注。1.1國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀1.1.1 國內(nèi)外爬壁機(jī)器人

10、的研究現(xiàn)狀概述近年來，由于工業(yè)生產(chǎn)對特殊功能機(jī)器人的需求越來越大，爬壁機(jī)器人的研究備受關(guān)注，目前，國內(nèi)外研究者已開發(fā)出各種類型的爬壁機(jī)器人，以滿足不同的工業(yè)需求。日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出的車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人1，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)9m/min，適用各種形狀的壁面，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2，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

11、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。我國的哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功研制出單吸盤真空吸附車輪行走式爬壁機(jī)器人和永磁鐵吸附履帶爬壁機(jī)器人3。其中磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人采用的是雙履帶永磁吸附結(jié)構(gòu)，在履帶一周上安裝有數(shù)十個永磁吸附塊，其中的一部分緊緊地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通過履帶（由鏈條和永磁塊組成）使機(jī)器人貼附在壁面上。機(jī)器人在壁面上的移動靠履帶來完成，移動時，履帶的旋轉(zhuǎn)使最后的吸附塊在脫離壁面的同時又使上面的一個吸附塊吸附于壁面，這樣周而復(fù)始，就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在壁面上的爬行。由于爬壁機(jī)器人應(yīng)具有能跨越障礙物，并能從地面自動爬上壁面

12、或從壁面返回地面的功能。為此日揮公司在原單吸盤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)了多吸盤節(jié)狀桿型壁面移動機(jī)器人4。該機(jī)器人采用了兩個吸盤，每個吸盤內(nèi)均裝有輪子，當(dāng)它在壁面上的平面部分移動時，兩個吸盤同時工作，當(dāng)遇到障礙物時，只用一個吸盤吸住，另一個拖起來越過障礙物。爬壁機(jī)器人在解決了吸附與移動的矛盾、跨越障礙等問題后，又開始向自主型機(jī)器人的方向發(fā)展。對機(jī)器人的控制采用無線遙控，是爬壁機(jī)器人今后的發(fā)展方向。1.1.2 爬壁機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀目前，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人壁面移動的方式很多，概括起來主要有以下幾種 5：（1）輪驅(qū)動軌行式 移動機(jī)構(gòu)用車輪夾緊在壁面軌道兩測，當(dāng)驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)時，依靠車輪與軌道間的摩擦力實(shí)現(xiàn)上下移動

13、，這種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)容易、運(yùn)行可靠，但對壁面有鋪設(shè)導(dǎo)軌要求且移動方向受導(dǎo)軌的限制。（2）偏心扭擺式機(jī)器人可采用偏心扭擺雙吸盤行走機(jī)構(gòu)形式，當(dāng)一個吸盤吸附時，另一個吸盤通過偏心機(jī)構(gòu)扭擺一定的角度實(shí)現(xiàn)移動，二個吸盤交替工作達(dá)到行走目的。偏心扭擺式機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是慣量大、行走效率低、速度慢。（3）車輪式這種移動機(jī)構(gòu)依靠排風(fēng)方式產(chǎn)生密封腔的負(fù)壓以達(dá)到壁面吸附，行走功能由車輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。車輪機(jī)構(gòu)可以采用普通車輪形式，也可采用全方位車輪形式，行走速度較快，但由于要保持密封腔的負(fù)壓，導(dǎo)致跨越障礙的能力較弱。（4）多層框架式在這種壁面移動機(jī)構(gòu)中，兩組吸盤用具有若干相對自由度的機(jī)構(gòu)連接。當(dāng)一組吸盤吸附工作時，另一組吸盤

14、可以移動行走或轉(zhuǎn)動方向。這種機(jī)構(gòu)具有較好的越障能力和承載能力，但行走速度較慢。（5）特種履帶式這種形式的壁面移動機(jī)構(gòu)在履帶上連接有多個吸盤，與壁面接觸的吸盤處于吸附有效狀態(tài)，不在壁面上的吸盤處于吸附無效狀態(tài)。在機(jī)構(gòu)的連續(xù)移動過程中，由于要求各吸盤的吸附狀態(tài)按一定次序發(fā)生變化，因此，系統(tǒng)中需要有一套多通轉(zhuǎn)閥形式的真空分配和控制裝置，還要有防止纜管纏繞的機(jī)構(gòu)，增加了復(fù)雜性。特種履帶式壁面移動機(jī)構(gòu)還可以采用滑移式真空分配與交換機(jī)構(gòu)形式。（6）獨(dú)立驅(qū)動足式多足壁面移動機(jī)構(gòu)是在多足機(jī)構(gòu)的足端連接一個或幾個吸掌構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動性較好，可以適應(yīng)不同形狀的壁面，有較強(qiáng)的越障能力等。但具有冗余自由度的多足運(yùn)動

15、協(xié)調(diào)控制有一定難度，而且行走速度較慢。（7）索吊軌行式為克服在壁面鋪設(shè)導(dǎo)軌帶來的不便，可考慮用張緊鋼索作為導(dǎo)軌，它的主要缺點(diǎn)是鋼索的橫向剛度小，而且水平移動困難。近來，隨著研究的深入，爬壁機(jī)器人輪式全方位移動機(jī)構(gòu)逐漸成熟。全方位移動機(jī)構(gòu)一般由3到4個定向滑移輪組成。輪式全方位移動機(jī)構(gòu)不僅具有輪式移動機(jī)構(gòu)運(yùn)動的快速性、靈活性、可控性，而且能夠在保持機(jī)體方位不變的前提下沿平面上任意方向直線移動或在原地旋轉(zhuǎn)任意角度。1.1.3 爬壁機(jī)器人壁面吸附機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人按吸附功能可分為真空吸附和磁吸附兩種形式。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

16、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。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，因此限制了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境。 在爬壁機(jī)器人的壁面吸附方面，國內(nèi)外的研究者在不同的研究方向上取得了很大進(jìn)展，并在許多方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新和突破。 為解決磁吸附爬壁機(jī)器人吸附能力和運(yùn)動性能之間的矛盾，文獻(xiàn)7中設(shè)計(jì)了一種磁吸力可調(diào)的吸附單元；該單元在吸附于工件時，提供足夠大的磁吸力，以滿足機(jī)器人負(fù)載能力的要

17、求，而當(dāng)其脫離工件表面時，磁吸力減為最小，以提高機(jī)器人運(yùn)動性能。應(yīng)用于金屬壁面的爬壁機(jī)器人，爬行機(jī)構(gòu)一般采用履帶式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是爬行速度快，控制方便，吸附方式采用永磁吸附，永磁吸附具有吸引力大，結(jié)構(gòu)簡單，無需外部供電的特點(diǎn)。因此爬壁機(jī)器人永磁吸盤的設(shè)計(jì)是保證爬壁機(jī)器人爬行的安全性、穩(wěn)定性、提高爬壁機(jī)器人對凹凸不平壁面的適應(yīng)性的關(guān)鍵。 在此基礎(chǔ)上，根據(jù)多體漸變磁化系統(tǒng)理論研究設(shè)計(jì)出了有別于傳統(tǒng)普通吸盤結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人履帶吸盤結(jié)構(gòu)稀土永磁履帶吸盤結(jié)構(gòu)。該履帶吸盤的吸力比普通吸盤大很多，完全能滿足爬壁機(jī)器人爬行性能的要求。運(yùn)用壁虎爬行原理，科學(xué)家們設(shè)計(jì)構(gòu)思了真空吸附式爬壁機(jī)器人。采用多組橡膠吸盤將機(jī)

18、器人吸附在墻面上，配以簡單四桿機(jī)構(gòu)完成其行走功能。由于選用了多子真空吸附、足式移動，其吸附性好，結(jié)構(gòu)簡單，由于吸盤采用列吸盤組，有效吸附面積大，吸附力大，對壁面的不平度、彎曲度、空隙都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。 另外，還出現(xiàn)了一種壁面適應(yīng)性較強(qiáng)，能跨越水平窗框類障礙的雙吸盤吸附式玻璃壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)，主要由雙吸盤負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)、密機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)、水循環(huán)回收機(jī)構(gòu)、障礙檢測機(jī)構(gòu)及潔面機(jī)構(gòu)成。兩吸盤可相對于負(fù)壓發(fā)生室伸出和縮回，并由其內(nèi)部閘控制與負(fù)壓發(fā)生室間的氣路通斷。我國研制出了單吸盤輪式氣囊密封裝置的壁面移動機(jī)器人，如圖1.1所示，其吸附機(jī)構(gòu)包括真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥、密封機(jī)構(gòu)等。圖1.1 單吸盤輪式氣囊密

19、封結(jié)構(gòu)圖1.1中的真空泵是產(chǎn)生負(fù)壓的裝置，其功能是不斷地從負(fù)壓腔內(nèi)抽出空氣，使負(fù)壓腔內(nèi)形成一定程度的真空度。為維持機(jī)器人負(fù)壓腔內(nèi)的負(fù)壓，還需要有密封機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人可靠地吸附在壁面上并產(chǎn)生足夠的正壓力，從而使驅(qū)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生足夠的摩擦力以實(shí)現(xiàn)移動功能。由于氣囊密封裝置具有較好的彈性，在壁面有凹凸時，通過氣囊的變形來減小縫隙的高度，可使機(jī)器人具有一定的越障能力，且充氣量可由調(diào)節(jié)閥來控制。1.1.4 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀由于爬壁機(jī)器人在工作時需要自動行走完成任務(wù)（如檢測、自動噴漆等），所以要采用計(jì)算機(jī)控制2。圖1.2是采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)STD總線為核心，配置外圍模板組成的機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其

20、中交流電極的驅(qū)動器可以實(shí)現(xiàn)位置、速度閉環(huán)，具有過電流、過電壓、過負(fù)荷、超速、過熱，電源異常等多種保護(hù)和狀態(tài)顯示。交流電動機(jī)的驅(qū)動器選取和電機(jī)配套。圖1.2 機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制線路有的爬壁機(jī)器人的工作范圍很大，為操縱方便，控制方式可采用遠(yuǎn)距離有線遙控方式5，在遙控盒上設(shè)有功能控制鍵和操縱手柄來控制機(jī)器人的行走速度和移動方向，其速度可無級調(diào)節(jié)。另外，爬壁機(jī)器人還可以采用無線遙控的方式進(jìn)行控制3。以移動機(jī)器人作為控制平臺，在計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間實(shí)現(xiàn)無線通信，進(jìn)而通過單片機(jī)與機(jī)器人之間的接口，實(shí)現(xiàn)無線方式控制移動機(jī)器人，也實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程機(jī)器人的實(shí)時監(jiān)控。也就是，在本地給出機(jī)器人的控制命令，通過無線傳輸模塊發(fā)送

21、到遠(yuǎn)端，然后由遠(yuǎn)端的機(jī)器人控制系統(tǒng)控制機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動作，同時由攝像機(jī)把機(jī)器人的動作進(jìn)行實(shí)時采集，再把壓縮后的圖像數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳輸?shù)奖镜?，最后通過解壓縮還原成視頻圖像進(jìn)行播放。該系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：控制命令的實(shí)時傳輸，對機(jī)器人的實(shí)時控制，視頻圖像的實(shí)時采集、壓縮和傳輸，以及機(jī)器人運(yùn)動數(shù)據(jù)信息的適時反饋。1.2 國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢由于傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人具有很多的不足之處（如對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等），因此未來爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)逐漸向著實(shí)用化的方向發(fā)展，從而呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢。本章節(jié)將從以下幾個方面對爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述1。（1）吸

22、附裝置最近幾年，美、英、俄等國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力范德華力。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，探索出一種與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相近的，經(jīng)物理改進(jìn)的極性高分子材料（人造壁虎仿生腳干性粘合劑），設(shè)計(jì)并制作模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置將適應(yīng)于各種材質(zhì)（如玻璃，粉墻和金屬等）和任意形狀的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。這種裝置如果研制成功將使爬壁機(jī)器人的實(shí)用化邁出堅(jiān)實(shí)的一大步。（2）移動方式 在移動機(jī)器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動方式的機(jī)器人可以相對較容易地跨過

23、比較大的障礙（如溝、坎等），并且機(jī)器人的足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動更加靈活，對凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。（3）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

24、輕、高效率密度的新型電機(jī)。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)機(jī)器人高性能微特電機(jī)的基礎(chǔ)保障。因此微特電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景是非常樂觀的，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)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動，將彈性材料（壓電陶瓷）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

25、優(yōu)點(diǎn)： 靠摩擦力驅(qū)動，因而斷電后具有自鎖功能，不需制動裝置； 體積小、質(zhì)量輕、控制精度高、響應(yīng)速度快； 運(yùn)行無噪聲，不產(chǎn)生也不接受磁干擾等。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(jià)值。（4）能源問題迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強(qiáng)的電池，或者通過遙控途徑對機(jī)器人提供能量和控制信號。目前國內(nèi)外正對此進(jìn)行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經(jīng)較為成功的將微波技術(shù)應(yīng)用到無線機(jī)器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會使爬壁機(jī)器人的運(yùn)動范圍得到較大的擴(kuò)展。 另外，微型爬壁機(jī)器人已處于起步階段，隨著微電子機(jī)械技術(shù)的發(fā)展和微型移動機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，已出現(xiàn)了這

26、樣一種需求，即用微型爬壁機(jī)器人代替人工進(jìn)行各種極限作業(yè)，如公安消防中使用微型爬壁機(jī)器人進(jìn)入縱橫交織、上下連通的大樓通風(fēng)管道進(jìn)行災(zāi)情現(xiàn)場考察、敵情偵察、或進(jìn)入空間狹窄的核工業(yè)管道群之間進(jìn)行外管壁的檢測和維修等。正因?yàn)槲⑿团辣跈C(jī)器人展示了誘人的應(yīng)用前景和軍民兩用上戰(zhàn)略意義，所以引起了世界各國的重視。1.3 本課題的研究目的及意義本課題來源于“2006年大學(xué)生過程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽”的參賽參考題目，目的在于研制開發(fā)檢測爬壁機(jī)器人，主要用于在役壓力容器的外壁面情況進(jìn)行巡檢。 2 壓力容器檢測爬壁機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)2.1 爬壁機(jī)器人的功能要求本課題研究的是在役鋼制壓力容器的外圓壁面檢測用爬壁機(jī)器人，要

27、進(jìn)行此機(jī)器人的設(shè)計(jì)，首先要了解本課題對爬壁機(jī)器人的基本功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)。2.1.1 爬壁機(jī)器人的工作過程 由于在役容器表面的焊縫是通常無法分辯，所以，本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人只要求攜帶檢測設(shè)備（超聲檢測儀），按照一定的路徑，對容器外表面（包括焊縫檢測）進(jìn)行巡檢，并將檢測結(jié)果反饋回來。即爬壁機(jī)器人吸附在壓力容器的豎直壁面上，行走的同時完成對壁面的無損檢測。2.1.2 爬壁機(jī)器人的基本功能爬壁機(jī)器人要在壁面移動，對壁面進(jìn)行巡檢，并將檢測結(jié)果反饋回來，就需要解決幾個重要的問題：（1） 吸附與行走問題吸附與行走是爬壁機(jī)器人最基本的兩個功能，因此爬壁機(jī)器人應(yīng)具有一定的吸附力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機(jī)器人的

28、重力，防止墜落；還應(yīng)保持一定的驅(qū)動力，能夠使機(jī)器人在壁面上自由移動。（2）轉(zhuǎn)彎問題檢測過程中，爬壁機(jī)器人需要按照一定的路徑在壁面行走，對整個壓力容器的壁面進(jìn)行巡檢，就要求爬壁機(jī)器人能夠自由的轉(zhuǎn)彎，從而提高檢測效率。（3）壁面適應(yīng)問題作業(yè)環(huán)境和作業(yè)性質(zhì)的特殊性，機(jī)器人必須能夠跨越較小的焊縫。所以機(jī)器人要有一定的適應(yīng)壁面凹凸不平的能力。 （4）檢測問題爬壁機(jī)器人要完成檢測，就需要搭載檢測設(shè)備（超聲檢測儀），因此，在爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中要考慮到檢測設(shè)備的安裝和定位、以及檢測寬度等問題。因此，針對上述各項(xiàng)要求，本文進(jìn)行機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)完成機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)和移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。2.1.3 爬壁機(jī)

29、器人的主要設(shè)計(jì)參數(shù)本課題研究的爬壁機(jī)器人主要應(yīng)用于大型立式在役壓力容器外壁的巡檢，此類壓力容器多為鋼制，且高度很高。本課題對機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求如下：2.2 爬壁機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人通常采用的移動方式有吸盤式、車輪式和履帶式。吸盤式能較好的跨越障礙，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且移動速度慢，控制也比較復(fù)雜；車輪式移動速度快、轉(zhuǎn)彎靈活，但是很難保證提供足夠大的吸附力；履帶式壁面適應(yīng)性強(qiáng)，履帶著地面積大，可提供足夠的吸附力，但由于摩擦力過大而不容易轉(zhuǎn)彎。本課題研究的爬壁機(jī)器人需要在大型壓力容器的垂直壁面上行走并完成檢測工作，為了防止機(jī)器人從垂直壁面上滑落，機(jī)器人必須與壁面保持足夠的吸附力，并具有一定的抗傾覆

30、能力。由于履帶式移動機(jī)構(gòu)可在實(shí)現(xiàn)行走功能的同時，實(shí)現(xiàn)壁面吸附功能，而且其著地面積較大，與壁面的吸附力強(qiáng)，而且對壁面的凹凸不平適應(yīng)性也比較強(qiáng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，運(yùn)動速度較快等優(yōu)點(diǎn)。所以，綜合考慮各方面因素，本課題中爬壁機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)選用履帶式結(jié)構(gòu)。爬壁機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)主要由履帶、支撐板、主動輪、從動輪、定位板、張緊機(jī)構(gòu)等零部件組成。2.2.1 履帶的結(jié)構(gòu)形式常見的兩種履帶構(gòu)形如圖2.1所示。圖2.1（a）中驅(qū)動輪及導(dǎo)向輪兼作支撐輪，因此增大了支撐面積，改善了穩(wěn)定性。圖2.1（b）所示為不作支撐輪的驅(qū)動輪與導(dǎo)向輪位置高于地面，鏈條引入時的角度達(dá)50度，其好處是適合于穿越障礙。（a）（b）圖2.1 兩種常見的履帶形狀由于在役壓力容器的外壁面較為光整（不考慮外壁的其它附件），可能的障礙只有微小的焊縫突起等，壁面起伏不大，所以對本課題研究的爬壁機(jī)器人的越障能力要求不高，考慮到結(jié)構(gòu)簡單和檢測過程中行走的穩(wěn)定性，因此采用圖2.1（a）所示的結(jié)構(gòu)形式。2.2.2 履帶輪與履帶的聯(lián)結(jié)方式 履帶輪與履帶的聯(lián)結(jié)，可以看作齒輪與齒條聯(lián)結(jié)的變形，兩者齒的參數(shù)是相同的，但為了保證在