三角形履带磁吸附爬壁机器人研究【字数：13849】
摘 要本论文是以Arduino为控制核心的三角形履带磁吸附爬壁小车。三角形履带磁吸附爬壁机器人是一种能够在各个角度的金属表面上实现侦查，检测及进行维修操作的机器人，它能够代替工程师在高危环境中进行作业。本文从爬壁机器人的传动系统及在光滑的金属表面吸附力的缺陷的方面进行分析与研究，设计出了一种新式的以履带为主的传动系统的爬壁机器人，主要的研究方向及内容如下第一部分对爬壁机器人的整体框架结构进行设计。通过参考文献，对爬壁机器人的各种传动方式优缺点进行比较，确定爬壁机器人为三角形履带传动结构。并对吸附方式和驱动结构进行确定、确定电机以及电机驱动的型号。第二部分针对爬壁机器人的承受重量与对金属壁面吸附力大小的问题，对爬壁机器人进行力学分析。解决爬壁机器人在爬壁的过程中出现脱落或者倒溜的情况。第三部分应用Ansys有限元分析软件对永磁铁的磁场进行模拟分析，从而得到永磁体的个数及摆放阵列。
目 录
1.前言 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2磁吸附爬壁机器人的研究现状 1
1.2.1国内研究现状 1
1.2.2国外研究现状 3
1.3本课题主要研究内容 4
1.4本章小结 5
2三角形履带磁吸附爬壁机器人的总体方案设计 6
2.1爬壁机器人的设计目标和要求 6
2.2三角形履带磁吸附爬壁机器人本体结构设计 6
2.2.1爬壁机器人移动方式的选择 6
2.2.2三角形履带移动方式驱动方案的确定 7
2.2.3爬壁机器人的车体的设计与安装过程 8
2.2.4吸附方案的确定 9
2.3控制系统设计方案 11
2.3.1Arduino单片机 11
2.3.2串口通信电路 12
2.3.3驱动模块 13
2.3.4火牛电源连接线 14
2.3.5红外模块 15
2.3.6电源模块 16
2.4本章小结 16
3磁吸附爬壁机器人的稳定性分析 17
3.1爬壁机器人的吸附力分析 17
3.2本章小结 19
4运用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
ANSYS软件对永磁吸附装置磁场进行仿真与分析 20
4.1ANSYS软件介绍 20
4.2有限元分析法 20
4.3永磁体的有限元分析 20
4.3.1有限元模型的建立 20
4.3.2永磁吸附装置的有限元分析 22
4.4本章小结 28
5调试与运行 29
5.1爬壁机器人的模块功能调试 29
5.1.1蓝牙模块调试 29
5.1.2红外模块调试 30
5.2磁吸附结构调试 33
5.3本章小结 34
6总结 35
参考文献 36
附录 37
Arduino单片机程序设计 37
致谢 40
前言
1.1课题研究背景及意义
如今，机器人在各种行业中都有着广泛的应用和飞速的发展，爬壁机器人在机器人应用范围中有着非常重要的地位，爬壁机器人的研究水准能使一个国家在探索与维修领域的发展水平得到飞速的提高。爬壁机器人是机器人中十分特殊的一种,它是传统机器人技术与吸附技术的结合体,它是一种能在环境恶劣、地形高危的情况下进行监测并且可以进行维修作业的可操作机械装置。基于它无限的潜能，如今工程师们对其的开发与应用愈来愈重视。迄今为止,爬壁机器人的主要应用范围很广，例如：在核化工中对核废液储罐进行视觉检查及对储罐进行维修、石化工业中对圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查、船工业中船舶清洁维修、消防领域中传递救援物资及侦查等方面都得到了应用。爬壁机器人将极大的提高各方面检测水平，提高操作工人在特殊环境下操作的安全性，降低高空作业的风险，提高劳动工作的效率并能给社会经济带来一定的效益。
1.2磁吸附爬壁机器人的研究现状
1.2.1国内研究现状
国内对爬壁机器人的研究相较于国外晚了30年，国内第一批发明出爬壁机器人的是哈工大机器人研究所在国家“863”计划的资助下完成了履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人的研发（如图1.1）所示该机器人主要是针对石油行业中的储油钢罐的内外壁厚度的监测、储水钢罐内外壁的厚度的监测，喷砂除锈、喷漆防腐作业等人工操作时会对人身产生危害的工作而研制的特种设备作为国内对爬壁机器人早期开始研究的单位，在随后科技的发展过程中又研制出了（如图1.2）所示的面向侦查领域的磁吸附的爬壁机器人[]。在同一时间，国内对爬壁机器人的研究也逐渐火热，有代表性的国内高校有清华大学、上海交通大学、大连海事大学及宁波大学等国内爬壁机器人技术研究比较成熟的就是磁吸附类爬壁机器人，他们的研究大多偏重于应用型，主要用于化学油罐壁面检测与船舶壁面清洗、除锈、焊缝等方面，主要采用的传动结构为履带式或者轮式[]。
采用永磁式为吸附方式的爬壁机器人基本都有以下三个特点：
（1）它们都需要定期的检修与保养。
（2）它们吸附的表面都为柱状或凹凸不平的壁面。
（3）它们的吸附对象都属于钢制壁面，容易被磁铁吸附。
/ /
图1.1磁吸附爬壁机器人 图1.2侦查爬壁机器人
上海交通大学徐泽亮与马培荪等建造了（如图1.3）所示的基于稀土永磁均匀磁化且以履带为传动结构的多体磁化爬壁机器人[]。此外闻靖研制了用于储油罐清洗与检测的爬壁机器人（如图1.4），其机械结构与普通爬壁机器人一样，此机器人主要针对变磁力吸附单元进行了研发，根据有限元仿真得到相应的磁感应强度分布及磁吸附力的大小，与此同时还研发了基于Visual C++开发的上、下位机控制系统[]。大连海事大学的衣正尧研发了履带式永磁真空混合吸附的爬壁机器人（如图1.5），主要应用方面为船舶壁面的除锈[]。该机器人体型巨大，因为采用了永磁吸附，所以它带负载能力强，也能随着爬壁高度的变化自动调节机器人的允许负载极限重量与重心位置[]。宁波大学的陈伟设计研制了船体抛光小型机器人开发了弯翘曲面行走系统（如图1.6），用RecurDyn软件对机器人行走系统的曲面自适应效果进行动力学研究，并模拟机器人在规则曲面和不规则曲面上的运作情型，利用workbench软件建立对单个永磁铁进行静磁分析，分析船体钢板厚度与空气间隙等因素对吸附力产生的影响，从而填补了永磁吸附类爬壁机器人在吸附理论上的空白[]。
目 录
1.前言 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2磁吸附爬壁机器人的研究现状 1
1.2.1国内研究现状 1
1.2.2国外研究现状 3
1.3本课题主要研究内容 4
1.4本章小结 5
2三角形履带磁吸附爬壁机器人的总体方案设计 6
2.1爬壁机器人的设计目标和要求 6
2.2三角形履带磁吸附爬壁机器人本体结构设计 6
2.2.1爬壁机器人移动方式的选择 6
2.2.2三角形履带移动方式驱动方案的确定 7
2.2.3爬壁机器人的车体的设计与安装过程 8
2.2.4吸附方案的确定 9
2.3控制系统设计方案 11
2.3.1Arduino单片机 11
2.3.2串口通信电路 12
2.3.3驱动模块 13
2.3.4火牛电源连接线 14
2.3.5红外模块 15
2.3.6电源模块 16
2.4本章小结 16
3磁吸附爬壁机器人的稳定性分析 17
3.1爬壁机器人的吸附力分析 17
3.2本章小结 19
4运用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
ANSYS软件对永磁吸附装置磁场进行仿真与分析 20
4.1ANSYS软件介绍 20
4.2有限元分析法 20
4.3永磁体的有限元分析 20
4.3.1有限元模型的建立 20
4.3.2永磁吸附装置的有限元分析 22
4.4本章小结 28
5调试与运行 29
5.1爬壁机器人的模块功能调试 29
5.1.1蓝牙模块调试 29
5.1.2红外模块调试 30
5.2磁吸附结构调试 33
5.3本章小结 34
6总结 35
参考文献 36
附录 37
Arduino单片机程序设计 37
致谢 40
前言
1.1课题研究背景及意义
如今，机器人在各种行业中都有着广泛的应用和飞速的发展，爬壁机器人在机器人应用范围中有着非常重要的地位，爬壁机器人的研究水准能使一个国家在探索与维修领域的发展水平得到飞速的提高。爬壁机器人是机器人中十分特殊的一种,它是传统机器人技术与吸附技术的结合体,它是一种能在环境恶劣、地形高危的情况下进行监测并且可以进行维修作业的可操作机械装置。基于它无限的潜能，如今工程师们对其的开发与应用愈来愈重视。迄今为止,爬壁机器人的主要应用范围很广，例如：在核化工中对核废液储罐进行视觉检查及对储罐进行维修、石化工业中对圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查、船工业中船舶清洁维修、消防领域中传递救援物资及侦查等方面都得到了应用。爬壁机器人将极大的提高各方面检测水平，提高操作工人在特殊环境下操作的安全性，降低高空作业的风险，提高劳动工作的效率并能给社会经济带来一定的效益。
1.2磁吸附爬壁机器人的研究现状
1.2.1国内研究现状
国内对爬壁机器人的研究相较于国外晚了30年，国内第一批发明出爬壁机器人的是哈工大机器人研究所在国家“863”计划的资助下完成了履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人的研发（如图1.1）所示该机器人主要是针对石油行业中的储油钢罐的内外壁厚度的监测、储水钢罐内外壁的厚度的监测，喷砂除锈、喷漆防腐作业等人工操作时会对人身产生危害的工作而研制的特种设备作为国内对爬壁机器人早期开始研究的单位，在随后科技的发展过程中又研制出了（如图1.2）所示的面向侦查领域的磁吸附的爬壁机器人[]。在同一时间，国内对爬壁机器人的研究也逐渐火热，有代表性的国内高校有清华大学、上海交通大学、大连海事大学及宁波大学等国内爬壁机器人技术研究比较成熟的就是磁吸附类爬壁机器人，他们的研究大多偏重于应用型，主要用于化学油罐壁面检测与船舶壁面清洗、除锈、焊缝等方面，主要采用的传动结构为履带式或者轮式[]。
采用永磁式为吸附方式的爬壁机器人基本都有以下三个特点：
（1）它们都需要定期的检修与保养。
（2）它们吸附的表面都为柱状或凹凸不平的壁面。
（3）它们的吸附对象都属于钢制壁面，容易被磁铁吸附。
/ /
图1.1磁吸附爬壁机器人 图1.2侦查爬壁机器人
上海交通大学徐泽亮与马培荪等建造了（如图1.3）所示的基于稀土永磁均匀磁化且以履带为传动结构的多体磁化爬壁机器人[]。此外闻靖研制了用于储油罐清洗与检测的爬壁机器人（如图1.4），其机械结构与普通爬壁机器人一样，此机器人主要针对变磁力吸附单元进行了研发，根据有限元仿真得到相应的磁感应强度分布及磁吸附力的大小，与此同时还研发了基于Visual C++开发的上、下位机控制系统[]。大连海事大学的衣正尧研发了履带式永磁真空混合吸附的爬壁机器人（如图1.5），主要应用方面为船舶壁面的除锈[]。该机器人体型巨大，因为采用了永磁吸附，所以它带负载能力强，也能随着爬壁高度的变化自动调节机器人的允许负载极限重量与重心位置[]。宁波大学的陈伟设计研制了船体抛光小型机器人开发了弯翘曲面行走系统（如图1.6），用RecurDyn软件对机器人行走系统的曲面自适应效果进行动力学研究，并模拟机器人在规则曲面和不规则曲面上的运作情型，利用workbench软件建立对单个永磁铁进行静磁分析，分析船体钢板厚度与空气间隙等因素对吸附力产生的影响，从而填补了永磁吸附类爬壁机器人在吸附理论上的空白[]。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/1084.html
