真空吸附式壁面清洗机器人毕业设计.doc

1、 本 科 毕 业 设 计（论文） 题 目：连杆吸盘越障系统设计 专题题目：新型越障式 -高空清洁卫士 学 院：机电工程学院 专 业：机械工程及其自动化 班 级： xxxxx 学 号： xxxxx 学 生： xxxx 指导教师： 职称：教授 指导教师： 职称： 时间： xxxx 年 xx 月 摘 要 机器人的开发和应用，拓展了人类的生产能力，解放了危险环境下的工作人员，极大地推动了人类科技革命和社会进步 ，多足式爬壁机器人属于极限作业机器人的一种，广泛应用于清洗，消防，检测等多个行业。 本文在国内外现有壁面移动机器人研究成果的基础上。结合壁面作业的特点对壁面机器人的吸附技术，行走技术进行了研究分

2、析，并创造性的提出了壁面越障技术，本文主要的研究工作如下： 首先，追溯国内外壁面机器人研究的历史背景、总体类别与特点，及其发展态势，总结出壁面攀爬机器人的研究特点和关键技术所在。 其次，本文根据机器人实际工作的要求，主要对高空清洁卫士机器人越障系统中的腿部机构、吸附结构，驱动机构构型设计。 最后，本文在结构件的设计过 程中，同时考虑轻量化和安全可靠性要求，对机器人的吸附、越障机构进行了强度校核和优化设计。 ： 壁面越障；腿式结构；真空吸盘；机构设计；周期性步态 Abstract The development and application of robots have expanded ou

3、r production capacity of the human beings, as well as emancipated personnel works in hazardous environments , greatly promoted scientific and technological revolution and human social progress.A multi legged wall climbing robot which belongs to the limit of the robot, is widely used in cleaning, fir

4、e protection, detection and other industries. 关键词 : Based on the existing domestic and foreign mobile robot wall surface on the research results of. According to the characteristics of the wall operation adsorption technology to wall robot, walking technology is studied and analyzed, and creatively

5、put forward the wall climbing technique, the main research work of this article are as follows: Firstly, the historical background, the overall classification and characteristics of domestic research on outer surface of the developing situation and the robot traces, and later, summed up the research

6、 characteristic and the key technology of wall climbing robot. Secondly, in the end of this paper the robot concept design, this paper introduces Unigraphics NX model and modeling method, and taking the leg mechanism as an example, introduces the Unigraphics platform of NX parts and assembly design,

7、 and simulation results under the Simulation simulation platform. Again, this paper clearly on the wall robot based on the constraint conditions and the basic function, carries on the analysis and the design of wall climbing robot gait, elaborate periodic gait and its realization ways, fully demonst

8、rated the periodic gait and the principle of robot. Finally, based on the design process of structural parts, considering the requirements of lightweight and safe reliability, adsorption, obstacle crossing mechanism of the robot is carried on strength and optimization design. Xxxx； xxx； 目 录 Key word

9、s: 第一章 绪论 1.1 课题研究背景、目的、及其意义 1.2 国内外壁面机器人研究现状 1.2.1 国外研究现状 1.2.1 国外研究现状 1.3 现有爬壁机器人类型比较分析 第二章 新型越障式 -高空清洁卫士总体结构设计 2.1 新型越障式 -高空清洁卫士的设计准则与要求 2.2 新型越障式 -高空清洁卫士行走机构设计 2.3 新型越障式 -高空清洁卫士越障系统设计 2.3.1 新型越障式 -高空清洁卫士腿部结 构的设计 2.3.2 新型越障式 -高空清洁卫士吸附结构的设计 2.3.3 新型越障式 -高空清洁卫士硬件驱动的选择 2.4 新型越障式 -高空清洁卫士总体 结构设计 第三章 基

10、于 Unigraphics NX的三维建模技术 3.1 引言 3.2 Unigraphics NX 简介 3.3 Unigraphics NX 建模方法 3.3.1 自 底而上 3.3.2 自顶而下 3.3.3 两种建模方式的比较 3.4 新型越障式 -高空清洁卫士建模实例 3.4.1 腿部机构的建模 3.4.2 主要部件的装配 第四章 机器人关键部分校核与有限元分析 4.1 新型越障式 -高空清洁卫士附着技术选择 4.2 真空吸附机构受力与安全性分析 4.2.1 抗滑落条件 4.2.2 抗倾覆条件 4.3 腿部连杆的校核及有限元分析 4.3.1 腿部连杆的强度校核 4.3.2 腿部连杆有限元

11、分析和结构优化结论 致谢 参考文献 附录 第一章 绪 论 1.1 课题研究背景、目的及其意义 机器人是近代电子技术与传统的机构学相结合的产物，是集计算机科学、控 制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和 发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。 对于机器人的分类，目前国际上没有统一的标准 我国的机器人专家按照机器人的应用领域将机器人分为工业机器人和特种机器人两大类。其中，壁面攀爬机器人是一种能够在垂直陡壁或者高空极限位置进行作业从而服务于人类的特种

12、机器人。目前，壁面机器人已经在建筑业、核工业、消防部门、石化行 业以及造船业等多个行业领域得到研制和应用。 随着社会的高速发展，高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景，并大都采用玻璃幕墙。而许多开放性城市都规定，每年应对高楼进行定期清洗。长期以来，对高层建筑的清洗工作主要是由人工完成的。这种“一桶水、一根绳、一块板”的人 工作业方式效率很低，清洗一幢大楼有时要耗时数天乃至数十天，耗资巨大，而且稍有不慎就会出现事故，造成伤亡，“蜘蛛人”高空作业，清洁危险，效率低，成本高。近几年来，随着科学技术的发展，这种状况巳经有所改善。目前在国内己经采用升降平台或吊篮搭载清洁工对大楼

13、进行清洗，或者在设计建筑的时候考虑清洗系统。但是这种改善的方式对建筑本身有一定的要求，起到的作用非常有限，因此，人们迫切希望能设计制造出一种可以完全代替人工完成高层建筑清洗任务的装置。 壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将极大 降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境 ， 提高生产效率 ， 也必将极大 地推动清洗业的发展，带来相当的社会 、 经济效益 。 同时，在其他一些工业领域 ， 壁面消防机器人、 壁面检测机器人、壁面喷 涂机器人、壁面清污机器人等也起到代替人类在髙温、高压、有毒、浓烟、放射 性等艰险恶劣的环境中完成复杂作业的作用。因此，国内外多家研究机构都在

14、积极开展此项研究工作。 我国从 1987 年实施国家“ 863”高技术研究发展计划以来，把智能机器人确立为自动化领域的主体之一 ， 在特种机器人、机器人应用工程、机器人基础学 科等方面取得了很大成绩， 壁面攀爬机器人由于其特殊的作用己越来越受到人们的重视。 1.2 国内外壁面机器人研究现状 第一个爬壁机器人于 1966 年由日本的西亮教授研制出，之后便在日本得到快速地发展。美国、俄罗斯、西班牙、英国、德国、韩国等国相继研制出一些各具特色的壁面移动机器人实验样机。 20世纪 80年代以来，我国在国家自然基金和 863 计划的大力支持下，从上世纪 90 年代中期也相继开发出一些壁面移动机器人样机，

15、并在爬壁机器人领域取得了快速的发展。 1.2.1 国外研究现状 壁面移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。早在 1966年，在大阪府立大学工学部任讲师的西亮利用电风扇进气侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机。 1975 年，已经身为宫崎大学工学院部教授的西亮又制作了以实用化为目标的二号样机，这是个单吸盘结构、靠轮子行走的壁面移动机器人。从此以后各国著名的大学、研究所、公司纷纷投入力量广泛开展用于极限作业的壁面移动式机器人的研究。 (1)日本 图 1-1 “ Walker”机器人 图 1-2

16、 履带式壁面移 动机器人 1978年，化工机械技术服务株式会社制作了一种叫 Walker的壁面移动机器人。如 图 1-1 所示，该机器人采用了单吸盘结构。用真空泵产生负压，行走机构采用上下两个行走滚子和左右两条行走皮带的驱动。滚子和皮带自然组成一个真空腔体。转向通过左右滚轮和皮带的速度差来实现。Walker 既有吸附功能又有行走功能。但它有一个 严重的缺点，即：壁面上有裂缝时，真空难以维持。图 1-2 所示为关西电力株式会社研制的真空吸附履带式结构壁面移动机器人。利用均布于履带和车体底部的吸盘，该机器人可以实现直线运动和转向 运动，但越障和面面转换能力差。 图 1-3 日本的尺蠖机器人 图 1

17、-4 气体马达驱动机器 图 1-3为日本宫崎大学设计的采用直流伺服电机驱动、真空吸附 5自由 度壁面移动机器人，吸盘直径为 16.5cm，腿长 70cm，重 12kg。 2 个踝关节各有 2个转动自由度，中间的膝关节为 1自由度的转动副，机器人可绕其中一条腿转向，能在水平面，垂直面及天花板之间移动。但其尺寸及重量大，机器人只能以有限的姿态运动，限制了机器人的灵活性。图 1-4 为日本宫崎 大学提出的另 一型采用空气马达驱动、真空吸附的 5 自由度尺蠖式机器人，各关节布置与前一型机器人相似，设计着眼点在于真空吸盘需要使吸盘内产 生负压的抽气机，而所抽出的气体可提供给他们自行设计的低压气动马达，从

18、而产生行走所需的驱动力，利于实现机器人的无缆化。但由于低压气体马 达的频响较慢，系统的动特性不好，同时由于结构的限制不易小型化。 （ 2） 美国 图 1-5 ROBIN robot 图 1-6 ROSTAM-IVrobot 如图 1-5所示为美国 Wichita大学研制用于空间飞行器检修的爬行机器 人第四代样机 ROSTAM-IV。该机器人采用直流电机作为驱动器，真空吸盘为吸附机构，具有 4自由度，踝关节类似于 ROBIN，但膝关节为移动副，能实现空间内的三维运动，但其运动空间较膝关节为转动副的机器人要小，不具备凸过渡能力。吸盘直径为 11.35cm,展开时长 1.2m,质量 4Kg a) FLIPPER 机器人 b) CRAWLER 机器人 图 1-7 尺蠖式机器人