開題報告-爬壁清洗機器人設(shè)計

上海電機學院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱 爬壁清洗機器人設(shè)計 學 院 機械學院 專 業(yè) 機械電子工程（機電一體化） 班 級 BJ0807 學 號 04 姓 名 指導教師 定稿日期： 2011 年 12月10 日11爬壁清洗機器人設(shè)計1 選題背景及其意義隨著社會的不斷發(fā)展，科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類社會的不斷進步，現(xiàn)代都市的摩天大樓越建越多，越建越高，而城市的灰塵污染也越發(fā)嚴重，在這樣的背景下，人類需要依靠升降機平臺來逐層地清洗大樓壁面，不但浪費時間和勞動力，而且人類在清洗大樓壁面的環(huán)境越來越惡劣和危險，本課題來自于社會實際的需求，采用爬壁機器人進行擦洗，降低清洗工人的勞動強度，提高工作效率，特別是提高安全性。壁面清洗機器人是以清洗高層建筑為目的的壁面移動機器人，它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)率，也必將極大的推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當?shù)纳鐣б婧徒?jīng)濟效益。因此，壁面清洗機器人的設(shè)計和研究有著良好的應(yīng)用前景。2 文獻綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢）爬壁機器人是指可以在垂直墻壁上攀爬并完成作業(yè)的自動化機器人。爬壁機器人又稱為壁面移動機器人，因為垂直壁面作業(yè)超出人的極限，因此在國外又稱為極限作業(yè)機器人。爬壁機器人必須具備吸附和移動兩個基本功能，而常見吸附方式有負壓吸附和永磁吸附兩種。其中負壓方式可以通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生負壓而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式則有永磁體和電磁鐵兩種方式，只適用于吸附導磁性壁面。此次設(shè)計的爬壁機器人主要針對建筑物外壁清洗作業(yè)。日本在爬壁機器人研究上發(fā)展迅速，中國也于20世紀90年代以來進行類似的研究。這些年來，機器人在各個領(lǐng)域中獲得到了相當廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，這當中，爬壁機器人是能夠代替人類在垂直的陡壁上進行工作的機器人，他作為高空極限作業(yè)的一種自動機械裝置，越來越受到人們的重視。高層壁面清洗機器人是一種實用性很強的研究項目，自從20世紀60年代以來，爬壁機器人及其相關(guān)技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。作為高層建筑清洗用的爬壁機器人來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然百花齊放，但是真正能用于實際工作方面的具體設(shè)計并不多。爬壁機器人最基本的兩個功能是在壁面上的吸附功能和移動功能。普通的傳統(tǒng)的爬壁機器人按吸附功能分類能分成真空吸附和磁吸附這兩種類型：真空吸附又可分為單吸盤式和多吸盤式兩種結(jié)構(gòu)性形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但是遇到壁面不平整時，容易使吸盤漏氣，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類型，電磁體式維持吸附力需要電力，但是控制比較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但是控制比較麻煩。磁吸附方式能在凹凸不平的避免上工作且適應(yīng)性強，吸附力遠大于真空吸附方式，而且不存在漏氣的問題，但是對材料的選擇則必須是導磁材料，所以大大的限制了機器人的應(yīng)用范圍。日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出車輪式磁吸附爬壁機器人，如圖1所示。圖1 車輪式磁吸附爬壁機器人這種爬壁機器人靠磁性的車輪對壁面產(chǎn)生吸附力，其主要特征為：行走穩(wěn)定且速度快，最高速度可以達到9m/min，能適應(yīng)各種形狀的壁面，而且能不損壞壁面的油漆。1989年日本東京大學的宏油茂研究開發(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，個吸盤分別由一個電動機來驅(qū)動，與壁面線接觸的吸盤旋轉(zhuǎn)，爬壁機器人就隨著向前移動，這種吸附機構(gòu)的吸附力可以達到很大。圖2 履帶吸盤式爬壁清洗機器人圖3 氣動多吸盤爬壁機器人我國哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所已經(jīng)成功研制出單吸盤真空吸附車輪行走式爬壁機器人和永磁鐵吸附履帶行走式爬壁機器人。單吸盤輪式壁面移動機器人，有吸附機構(gòu)和移動機構(gòu)兩大部分移動機構(gòu)由電機、減速器、車輪構(gòu)成，吸附機構(gòu)包括真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥、密封機構(gòu)等。真空泵是產(chǎn)生負壓的裝置，其功能是不斷的從負壓腔內(nèi)抽出空氣，使負壓腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度。為維持機器人負壓腔內(nèi)的負壓，還需要有密封機構(gòu)，使機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)動機構(gòu)產(chǎn)生足夠的摩擦力以實現(xiàn)移動功能。由于氣囊密封裝置具有良好的彈性，當遇到壁面出現(xiàn)凹凸不平時，能夠通過氣囊的變形來減小縫隙的大小，讓爬壁機器人具有一定的越過障礙物的能力，氣囊的充其量由調(diào)節(jié)閥來控制，調(diào)節(jié)彈簧的功能有兩個：1、為密封圈提供密封所必需的正壓力；2、提高氣墊對壁面的適應(yīng)能力，還可以起到減震的作用。負壓的控制通過調(diào)節(jié)真空泵的電機電壓來改變電機的轉(zhuǎn)速，同時采用負壓傳感器作為檢測元件，實時檢測負壓的改變，為調(diào)節(jié)壓力提供依據(jù)。設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥改變機器人本體的改變，可防止真空泵因腔內(nèi)真空度過高而冷卻空氣較少而發(fā)熱。由于傳統(tǒng)的爬壁機器人在很多方面有不足之處（如對壁面材料和形狀的適應(yīng)性不強，跨越障礙物的能力不足，體積較大，質(zhì)量較重等），因此，在未來的發(fā)展中，爬壁機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向?qū)嵱没姆较虬l(fā)展。（1） 吸附裝置最近幾年，美國、英國、俄羅斯等國的研究小組揭示了壁虎爬壁的秘密，就是分子間的作用力-范德華力。范德華力是中性分子彼此距離肥腸近時產(chǎn)生的一種微弱的電磁引力。從壁虎腳的附著力得到啟發(fā)可用于研制爬壁機器人。在分析過程中，運用類比、模擬和模型方法，通過高分子化學材料，工程材料科學，力學和機械學的交叉研究，或許有一天能研制出與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相類似的，經(jīng)物理改進的高分子材料。如果這種裝置能成功地研制出，將對將來爬壁機器人在生活中的應(yīng)用踏出堅實的一步。（2） 移動方式在爬壁機器人的設(shè)計中，輪式和履帶式的移動方式已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，但是足式移動具有以上兩種方式所沒有的優(yōu)點。足式移動的方式可以使機器人在作業(yè)過程中越過相對較大的障礙物，并且足式移動的方式有較多的自由度，是機器人變得更加地靈活，對凹凸不平的復雜壁面有較強的適應(yīng)能力。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，能夠在可達到的范圍內(nèi)選擇最好的支撐點，即便是表面極度復雜，極度不平整的壁面也能夠依靠選擇最佳的支撐點達到行走自如的程度。因此，足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機器人上有著較好的應(yīng)用前景。（3） 驅(qū)動設(shè)備傳統(tǒng)伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠離驅(qū)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(jié)構(gòu)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(gòu)成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機。微特電機所組成的驅(qū)動伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機器人關(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是提高我國機器人的研究開發(fā)水平，滿足國內(nèi)機器人高性能微特電機的基礎(chǔ)保障。因此微特電機在機器人應(yīng)用的前景是非常樂觀的，而且要求微特電機技術(shù)的發(fā)展，滿足機器人智能化、可靠、靈活、長壽命的需要。因此爬壁機器人使用微特電機技術(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)、機電一體化、超微化方向發(fā)展。超聲波電機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(qū)動，因而斷電后具有自鎖功能，不需制動裝置；(2)轉(zhuǎn)矩密度大，低速下可產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩，不需齒輪減速機構(gòu)因而體積小、質(zhì)量輕、控制精度高、響應(yīng)速度快；(3)運行無噪聲，不產(chǎn)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。（4） 能源問題迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強的電池，或者通過遙控途徑對機器人提供能量和控制信號。目前國內(nèi)外正對此進行積極研究，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)用到一臺無線機器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會使爬壁機器人的運動范圍得到較大的擴展。3 研究內(nèi)容（1）爬壁移動機構(gòu)設(shè)計和相關(guān)計算，清洗作業(yè)裝置的設(shè)計包括滾刷、噴淋和去污系統(tǒng)等（2）氣動系統(tǒng)設(shè)計（3）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計4 研究方案4.1 總體方案根據(jù)爬壁清洗機器人清洗作業(yè)的要求，機器人首先必須具備清洗作業(yè)功能和控制功能，此外清洗爬壁機器人還必須在高層建筑物表面進行吸附和移動，因此清洗爬壁機器人系統(tǒng)應(yīng)包括機器人清洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。（1） 爬壁清洗機器人設(shè)計清洗系統(tǒng)設(shè)計高層建筑壁面的污垢主要是大氣污垢，清洗系統(tǒng)是爬壁清洗機器人的重要組成部分之一，考慮爬壁清洗機器人代替人工進行有效率的清洗工作，因此采用機械力清洗作用方式，即采用沖洗、刷洗。刮洗聯(lián)合作用的方式。噴淋沖洗壁面，便于除去壁面上附著力較小的污垢并浸潤壁面；電機通過同步傳動齒形帶帶動滾刷旋轉(zhuǎn)，通過滾刷刷洗，便于除去壁面上附著力較大的污垢。刮板可以刮凈和回收殘留在壁面的液滴，通過污水管進入污水箱。整個清洗作業(yè)系統(tǒng)包括滾刷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)和去污系統(tǒng)。清洗系統(tǒng)如圖4所示。圖4 爬壁清洗機器人清洗系統(tǒng)設(shè)計簡圖1 電動機 2 機架 3噴水頭 4 滾刷（2） 爬壁清洗機器人爬壁吸附系統(tǒng)設(shè)計機器人移動吸附系統(tǒng)是爬壁清洗機器人的核心部分，由移動系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)組成，在機器人工作過程中攜帶機器人的清洗系統(tǒng)，吸附在建筑物壁面上，實現(xiàn)對建筑物壁面清洗的功能。機器人主體部分由可以相互平移的兩個呈十字型的框架構(gòu)成，其中任意一個框架可以相對另一個進行平移，每個框架成組配備可獨立控制的腿足結(jié)構(gòu)。腿足結(jié)構(gòu)具有一個主動直動關(guān)節(jié)。隨著腿部的交替吸附和框架主體的相對運動，機器人實現(xiàn)壁面自由移動功能。框架制結(jié)構(gòu)主要依賴于本體自由度與腿足自由度的結(jié)構(gòu)，各部分結(jié)構(gòu)簡單，滿足靈活性和機動性的要求。另外，由于設(shè)計要求機器人能跨越50mm的障礙，因此在腿足部分要求有抬高至少50mm的能力。平面移動機構(gòu)如圖5所示。圖5 爬壁清洗機器人爬壁吸附系統(tǒng)設(shè)計1、2 十字框架 3 X向氣缸 4 Y向氣缸 5 清洗系統(tǒng) 6 吸盤組建筑物壁面材料雖然多樣化，但是大多數(shù)都是非導磁材料，如玻璃、瓷磚和涂料等，因此吸附方式采用真空吸附。單個吸盤雖然結(jié)構(gòu)簡單，容易控制，但是會降低機器人在移動過程中的越障能力和可靠性，而吸盤組結(jié)構(gòu)形式有利于利用洗盤的彈性變形，提高越障能力，保證吸盤與壁面的吸附，提高機器人工作的安全性和可靠性。十字框架結(jié)構(gòu)使機器人整體結(jié)構(gòu)緊湊，可以保證機器人的整體剛度，在移動吸附過程中，使機器人可以自由移動。（3） 爬壁清洗機器人控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)是爬壁清洗機器人的關(guān)鍵部分，采用PLC控制，來完成對機器人本體的吸盤脫離、本體移動、吸盤吸附、本體越障和清洗的順序控制。為了控制方便、操作簡便，控制器PLC固定在機器人本體上，通過自動控制和手動控制對機器人的整體進行控制，實現(xiàn)機器人個部分的協(xié)調(diào)工作和配合。4.2詳細的壁面清洗機器人的技術(shù)參數(shù)列表（1） 爬行速度：5-8m/min（2） 爬行高度：0-80m（3） 清洗速率：100-150m²/h（4） 越障高度：50mm（5） 控制方式：PLC控制（6） 本體重量：20kg（7） 負載重量：15kg（8） 移動方式：腳步行進時5 進度計劃2011年11月16日- 2011年12月30日：收集資料，確定設(shè)計系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻，書寫開題報告。2012年1月1日- 2012年2月28日： 結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)計算，完成裝配圖、部件、零件圖2012年3月1日- 2012年3月30日： 液壓系統(tǒng)設(shè)計2012年4月1日- 2012年4月30日： PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2012年5月1日- 2012年5月30日： 撰寫畢業(yè)論文2012年6月1日- 2012年6月10日： 畢業(yè)答辯準備和答辯。參考文獻1爬壁機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展 The Current Situation and Development of the Wall-Climbing Robot （遼寧石油化工大學信息工程學院，遼寧撫順 113001） 肖立，佟仕忠，丁啟敏，吳俊生2真空吸盤式爬壁清洗機器人的研究與開發(fā) 姬國釗、張世偉、王奇斌、李俊秀、王卓（東北大學，遼寧 沈陽 110004）3一種新型高樓清洗爬壁機器人的設(shè)計 高九崗， 吳神麗， 李宏穆 （成都理工大學核技術(shù)與自動化工程學院， 四川成都610059）4爬壁機器人氣動位置伺服控制研究 張厚祥 劉榮 王巍 宗光華 ( 北京航空航天大學機械工程及自動化學院, 北京100083)5氣動多吸盤爬壁機器人 孫錦山, 楊慶華, 阮健 Pneumatic Mult-i suckered Wal-l climbing Robot SUN Jin-shan, YANG QING-hua,RUAN Jian ( 浙江工業(yè)大學機電學院, 浙江杭州􀀁 310014)6閻軍濤 壁面清洗機器人的運動控制系統(tǒng)設(shè)計D 重慶：重慶大學， 2007 7李華斌. 氣動PWM 位置控制及擦玻璃機器人控制系統(tǒng)研究 D . 北京: 北京航空航天大學機械工程及自動化學院, 19988郭成. 微型爬壁機器人研究的關(guān)鍵技術(shù)J. 制造業(yè)自動化, 2004(7).9李華峰. 超聲波電機控制技術(shù)進展J. 微特電機, 2001(2).10張思明. 微特電機在機器人中的應(yīng)用與發(fā)展J. 世界電子元器件. 2002(3).11徐小云. 六足移動式微型仿生機器人的研究J. 機器人, 2002(5).12潘沛霖, 韓秀琴. 日本爬壁機器人研究現(xiàn)狀J. 機器人, 1994(6).13劉淑霞, 王炎. 爬壁機器人技術(shù)的應(yīng)用J. 機器人, 1999(2).14楊慶華, 張立彬, 阮健. 氣動彎曲關(guān)節(jié)的特性研究J . 工程設(shè)計學報, 2002, 9( 3) .15 于海斌, 朱云龍. 可集成的制造執(zhí)行系統(tǒng). 計算機集成制造系統(tǒng)CIMS, 2000, 6( 6) : 1 6.16Vijayan and Jaikumar. Manufacturing Execut ion Systems. Comput er World, 2000, 34( 31) : 38 42.17Thomas, Kelly, Ecectronic Data Syst ems. MES in the Age of Agile Manufacturing. A Presentat ion at MESA Roundtable 4, Chicago, Sep. 13, 1995.18Michael McClellan. Applying Manufacturing Execution Systems. CRC Press, 1997.19D. Brandl. MES Software: A Critical Element in the Enterprise Integration Process, I&CS ( USA) , 1999, 72( 10) : 51 56.指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日開題答辯小組意見1、論文選題：有理論意義；有工程背景；有實用價值；意義不大。2、論文的難度：偏高；適當；偏低。3、論文的工作量：偏大；適當；偏小。4、設(shè)計或研究方案的可行性：好；較好；一般；不可行。5、學生對文獻資料及課題的了解程度：好；較好；一般；較差。6、學生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達能力：好；較好；一般；較差。7、學生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力：好；較好；一般；較差。8、對論文選題報告的總體評價：好；較好；一般；較差（在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號“”）建議結(jié)論評議小組組長簽名：評議小組組員簽名： 年 月 日