一种永磁轮式爬壁机器人结构设计研究
一种永磁轮式爬壁机器人结构设计研究[20200410135629]
摘要
爬壁机器人是工业机器人的一种，它是用于墙壁工作的机器人，主要应用在各种不同情况的墙面上，装载各种的工作仪器，完成壁面的清理、探伤、涂漆、安装设管道等多种工作。研究爬壁机器人的目的是为了最终让它代替人类在各类行业中的危险作业。它的研制和发展有着美好的前景和不错的经济效益和社会效益，受到相关人士的重视。本文的研究目的是设计适应性强、可靠性高、控制方便、能够自动移动、自动避障、自主作业的爬壁机器人。
在近年的机器人研究中，不难看出机器人的吸附力和移动是一个矛盾点。永磁吸附结构普遍存在上下墙面困难的问题，轮式的行走方式在跨越障碍时也有一定的难度。这个难度主要表现在吸附气隙会随着墙面凹凸情况的变化而变化,而气隙的变化会直接影响吸附装置对墙面吸附力的大小。在这样的背景下本课题针对轮船清理工作进行了设计。本次的毕业设计包含机器人的机械结构和静态稳定的分析。针对轮船上的墙壁为钢铁材料，本课题选择了可调磁极式非接触永磁吸附轮式移动，然后基于模块化设计思想，设计了爬壁机器人的本体机械结构，在matlab中进行了数学建模，得到吸附力和墙壁倾角以及机器人转角的关系，最后设计了爬壁机器人本体。根据matlab得到的曲线得出机器人在墙面上行走的时候，它的吸附力和墙面角度的关系，根据吸附力和移动的关系，得出吸附力的合理大小。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:爬壁机器人结构设计仿真设计永磁吸附轮式
目录
1.绪论 3
1.1研究的背景和意义 3
1.2爬壁机器人国内外发展现状 4
1.2.1真空吸附式爬壁机器人发展状况 5
1.2.2磁吸附式爬壁机器人发展状况 7
1.2.3其他类型爬壁机器人发展状况 9
1.3论文研究主要内容 9
2.吸附方式和移动方式 3
2．1基本结构设计 10
2.1.1吸附方式的选择 10
2.1.2行走方式的选择 11
2.1.3驱动方式的选择 12
2.2小结 12
3.机器人结构的设计 13
3.1机身的设计 13
3.1.1机身结构 13
3.1.2永磁吸附装置的设计 14
3.2机器人行走位姿 15
3.3小结 16
4.静态稳定性分析 17
4.1空间位姿描述 17
4.2静态稳定分析 18
4.2.1抗滑移 19
4.2.2抗翻转 21
4.2.3防橫翻 24
4.2.4防法向脱离 26
4.3小结 26
5.结论与展望 27
5.1结论 27
5.2展望 27
参考文献 29
附件 主程序 30
1.绪论
1.1研究的背景和意义
机器人的出世和发展是人类文明上最辉煌的成就之一，近年来，随着科技的迅猛发展，机器人技术已经变成高端科学技术发展的非常重要的领域。尽管“机器人”这个名词已经存在了八十多年，但是到现在依然没有一样的定义。美国机器人协会（RIA）被定义为：“机器编程来执行任务，处理各类材料，零件，工具和专用设备的各种动作可重复编程的多功能操作”。日本是一个机器人大国，工业机器人在日本协会（JIRA）这个定义机器人的国家“配有存储设备，能自动完成各种操作行为，而不是普遍的人类的工作机器。”中国机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，这是机器有许多类似的生物或人类的智慧能力，如感知，规划能力，运动能力和协调能力，有一个高度灵活的自动机。”
未来机器人的主要研究发展方向有：
1)机器人的控制技术；
2)工业机器人的操作机结构优化设计技术；
3)多传感系统；
4)机器人的遥控技术和监控技术；
5)虚拟机器人的技术；
6)微型和微小机器人的技术；
7)仿生的技术；
目前，机器人在工业领域中运用非常广泛，随着机器人技术的迅速发展，将在宇宙的探测、海洋的开发、社会服务中、娱乐活动、抢险救灾中还有核工业等领域有着很大的作用。
在核和石化工作中，技术员必须要面对各类恶劣的工作环境危险；在消防部门、制船业、大楼的清洗中，工人们经常处于高空中；在海里的工作、抢险救灾中，工人们工作的环境还要恶劣。人类都要保护自己，不希望自己一直工作在危险的环境中，并且人类希望自己的工作环境是安全的，有保障的，所以人们迫切的需要有一种工具能够代替人类进行高危险作业，使自身走出危险的工作环境，爬壁机器人的应运就诞生了。在机器人的研究中，爬壁机器人是一项重要的突破，是即工业机器人之后，又一个服务于人类的高科技机器人，并且多用在非制造业，各类墙壁上都有爬壁机器人的身影，且能够完成一定的工作需要的特种机器人。目前，国内外己经有非常多的各种爬壁机器人投入使用，主要是用在以下几个方面：
1)核工行业：检查核废液储罐，还有测量厚度及焊接缝隙探测伤痕等工作；
2)石化企业：对各类工业罐子的内外表面进行除锈、检查或喷漆等工作；
3)建筑工业：壁面清洗、擦玻璃、喷涂墙面、安装瓷砖等；
4)消防部门：用在运送救援的物质，帮助救援的工作等；
5)造船工业：用于清洁船体的表面、给船体喷漆或清洗轮船内壁等；
6)电力工业：检测发电站得出锅炉水冷壁管壁的厚度。
对于国内外机器人的发展动态进行了研究，虽然现在有很多大学正在研究，同时也造出了许多结构不同，吸附方式不同的爬壁机器人，也有一些大学是将仿生学与爬壁机器人的研究结合起来，制造出了小型爬壁机器人，他们是基于新型吸附材料的。然而，直接吸附的履带式爬壁机器人运用的最为广泛，而较难满足吸附力要求的轮式爬壁机器人的研究逐渐减少，尽管他们移动速度快，控制灵活。2005年，国内的某一个研究所制造出了一个轮式爬壁机器人，他的吸附力是由轮子提供的，也就是说轮子就是吸附装置。工作时他的轮子直接与墙面接触，这样吸附力是足够大了，但是不能解决上下墙壁的问题。本论文设计的是一款非接触式爬壁机器人，而且在吸附装置的结构设计上采用的是可调磁极，这样保证吸附力的同时，还能解决上下墙壁困难的问题。本课题中包含了爬壁机器人的结构设计，包括吸附方式，驱动方式，行走方式的选择，在各种墙壁上的静态稳定性分析。
1.2爬壁机器人国内外发展现状
想要让爬壁机器人顺利的在墙壁上行走并且根据人们的要求完成规定的工作，机器人就得满足两个要求：吸附结构合理和移动方式合理。按照机器人的吸附方式和移动方式的不用可以将机器人进行分类。按照吸附方式的不同，机器人可以分为推力吸附、磁吸附、真空吸附和粘着剂吸附。其中磁吸附又可以分为永磁吸附和变磁力吸附。按照移动方式的不同，机器人可以分为轮式，脚式、履带式。吸附方式和移动方式的不同组合就导致了机器人的不同种类，例如：永磁轮式爬壁机器人，多盘真空爬壁机器人等。日本在机器人的研究中，取得的成绩最好。美国、德国、俄罗斯、英格兰、西班牙、中国、澳大利亚等国也在为机器人的研究不断努力。哈尔滨工业大学是国内率先进行对机器人研究工作的大学，目前还有清华大学、上海交大、重大、北航、长光、南昌大学、上海大学等大学的研究院正在对机器人的研究工作做着努力，而且也取得了一定的成绩。
1.2.1真空吸附式爬壁机器人发展状况
美国国际公司为了解决清洁高楼的问题，在1986年研制出了一个名为“Sky Washer”的爬壁机器人[1]，其结构如图1.1所示。本机器人配备有两个L形框架交替地吸附于墙面达到相对滑动。只有两个在每一帧的脚，每个装有两个真空吸盘上的脚底，吸盘相对的阻挡表面可以是直线运动，这允许机器人跨越一定高度横向移动。
图1.1 sky washer 图1.2siriusc清洗机器人
如图1.2所示为SIRIUSC壁面清洗机器人，它是由德国的Fraunhofr研究所研制的[2]。这部机器人工作的时候，有一个随动小车在机器人上面的建筑物顶部，这部机器人除了有不错的安全性能外，还能帮助机器人侧向移动时定位。这是一部只能做向上运动和向下运动的机器人，当机器人需要向左或者向右运动的时候，需要靠专门的移动装置来牵引。两对线上的模块是爬行机构，每个模块上面都有若干个真空吸吸盘，并共同使用一个伺服电机驱动。
图1.3多吸盘步行机器人 图1.4十字结构爬壁机器人
日本工业技术院的似野智昭在2006年研制出了一种多吸盘步行机器人[3]，如图1.3所示。这部机器人的组成很有创新，他有两个足端和装有5个吸盘的足腿。他的每一天足腿都可以两两互绕旋转，机器人的直线和转向运动是由运动时不同的旋转角度形成的。该机器人能够安全的在凹凸面上、沟槽上移动，由于任意一条腿都可以绕另一条腿转动，而且每一个足端都可以自由拉升、压缩，这部机器人可以朝着任何一个方向运动，并且有一定的跨越障碍的能力。
摘要
爬壁机器人是工业机器人的一种，它是用于墙壁工作的机器人，主要应用在各种不同情况的墙面上，装载各种的工作仪器，完成壁面的清理、探伤、涂漆、安装设管道等多种工作。研究爬壁机器人的目的是为了最终让它代替人类在各类行业中的危险作业。它的研制和发展有着美好的前景和不错的经济效益和社会效益，受到相关人士的重视。本文的研究目的是设计适应性强、可靠性高、控制方便、能够自动移动、自动避障、自主作业的爬壁机器人。
在近年的机器人研究中，不难看出机器人的吸附力和移动是一个矛盾点。永磁吸附结构普遍存在上下墙面困难的问题，轮式的行走方式在跨越障碍时也有一定的难度。这个难度主要表现在吸附气隙会随着墙面凹凸情况的变化而变化,而气隙的变化会直接影响吸附装置对墙面吸附力的大小。在这样的背景下本课题针对轮船清理工作进行了设计。本次的毕业设计包含机器人的机械结构和静态稳定的分析。针对轮船上的墙壁为钢铁材料，本课题选择了可调磁极式非接触永磁吸附轮式移动，然后基于模块化设计思想，设计了爬壁机器人的本体机械结构，在matlab中进行了数学建模，得到吸附力和墙壁倾角以及机器人转角的关系，最后设计了爬壁机器人本体。根据matlab得到的曲线得出机器人在墙面上行走的时候，它的吸附力和墙面角度的关系，根据吸附力和移动的关系，得出吸附力的合理大小。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:爬壁机器人结构设计仿真设计永磁吸附轮式
目录
1.绪论 3
1.1研究的背景和意义 3
1.2爬壁机器人国内外发展现状 4
1.2.1真空吸附式爬壁机器人发展状况 5
1.2.2磁吸附式爬壁机器人发展状况 7
1.2.3其他类型爬壁机器人发展状况 9
1.3论文研究主要内容 9
2.吸附方式和移动方式 3
2．1基本结构设计 10
2.1.1吸附方式的选择 10
2.1.2行走方式的选择 11
2.1.3驱动方式的选择 12
2.2小结 12
3.机器人结构的设计 13
3.1机身的设计 13
3.1.1机身结构 13
3.1.2永磁吸附装置的设计 14
3.2机器人行走位姿 15
3.3小结 16
4.静态稳定性分析 17
4.1空间位姿描述 17
4.2静态稳定分析 18
4.2.1抗滑移 19
4.2.2抗翻转 21
4.2.3防橫翻 24
4.2.4防法向脱离 26
4.3小结 26
5.结论与展望 27
5.1结论 27
5.2展望 27
参考文献 29
附件 主程序 30
1.绪论
1.1研究的背景和意义
机器人的出世和发展是人类文明上最辉煌的成就之一，近年来，随着科技的迅猛发展，机器人技术已经变成高端科学技术发展的非常重要的领域。尽管“机器人”这个名词已经存在了八十多年，但是到现在依然没有一样的定义。美国机器人协会（RIA）被定义为：“机器编程来执行任务，处理各类材料，零件，工具和专用设备的各种动作可重复编程的多功能操作”。日本是一个机器人大国，工业机器人在日本协会（JIRA）这个定义机器人的国家“配有存储设备，能自动完成各种操作行为，而不是普遍的人类的工作机器。”中国机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，这是机器有许多类似的生物或人类的智慧能力，如感知，规划能力，运动能力和协调能力，有一个高度灵活的自动机。”
未来机器人的主要研究发展方向有：
1)机器人的控制技术；
2)工业机器人的操作机结构优化设计技术；
3)多传感系统；
4)机器人的遥控技术和监控技术；
5)虚拟机器人的技术；
6)微型和微小机器人的技术；
7)仿生的技术；
目前，机器人在工业领域中运用非常广泛，随着机器人技术的迅速发展，将在宇宙的探测、海洋的开发、社会服务中、娱乐活动、抢险救灾中还有核工业等领域有着很大的作用。
在核和石化工作中，技术员必须要面对各类恶劣的工作环境危险；在消防部门、制船业、大楼的清洗中，工人们经常处于高空中；在海里的工作、抢险救灾中，工人们工作的环境还要恶劣。人类都要保护自己，不希望自己一直工作在危险的环境中，并且人类希望自己的工作环境是安全的，有保障的，所以人们迫切的需要有一种工具能够代替人类进行高危险作业，使自身走出危险的工作环境，爬壁机器人的应运就诞生了。在机器人的研究中，爬壁机器人是一项重要的突破，是即工业机器人之后，又一个服务于人类的高科技机器人，并且多用在非制造业，各类墙壁上都有爬壁机器人的身影，且能够完成一定的工作需要的特种机器人。目前，国内外己经有非常多的各种爬壁机器人投入使用，主要是用在以下几个方面：
1)核工行业：检查核废液储罐，还有测量厚度及焊接缝隙探测伤痕等工作；
2)石化企业：对各类工业罐子的内外表面进行除锈、检查或喷漆等工作；
3)建筑工业：壁面清洗、擦玻璃、喷涂墙面、安装瓷砖等；
4)消防部门：用在运送救援的物质，帮助救援的工作等；
5)造船工业：用于清洁船体的表面、给船体喷漆或清洗轮船内壁等；
6)电力工业：检测发电站得出锅炉水冷壁管壁的厚度。
对于国内外机器人的发展动态进行了研究，虽然现在有很多大学正在研究，同时也造出了许多结构不同，吸附方式不同的爬壁机器人，也有一些大学是将仿生学与爬壁机器人的研究结合起来，制造出了小型爬壁机器人，他们是基于新型吸附材料的。然而，直接吸附的履带式爬壁机器人运用的最为广泛，而较难满足吸附力要求的轮式爬壁机器人的研究逐渐减少，尽管他们移动速度快，控制灵活。2005年，国内的某一个研究所制造出了一个轮式爬壁机器人，他的吸附力是由轮子提供的，也就是说轮子就是吸附装置。工作时他的轮子直接与墙面接触，这样吸附力是足够大了，但是不能解决上下墙壁的问题。本论文设计的是一款非接触式爬壁机器人，而且在吸附装置的结构设计上采用的是可调磁极，这样保证吸附力的同时，还能解决上下墙壁困难的问题。本课题中包含了爬壁机器人的结构设计，包括吸附方式，驱动方式，行走方式的选择，在各种墙壁上的静态稳定性分析。
1.2爬壁机器人国内外发展现状
想要让爬壁机器人顺利的在墙壁上行走并且根据人们的要求完成规定的工作，机器人就得满足两个要求：吸附结构合理和移动方式合理。按照机器人的吸附方式和移动方式的不用可以将机器人进行分类。按照吸附方式的不同，机器人可以分为推力吸附、磁吸附、真空吸附和粘着剂吸附。其中磁吸附又可以分为永磁吸附和变磁力吸附。按照移动方式的不同，机器人可以分为轮式，脚式、履带式。吸附方式和移动方式的不同组合就导致了机器人的不同种类，例如：永磁轮式爬壁机器人，多盘真空爬壁机器人等。日本在机器人的研究中，取得的成绩最好。美国、德国、俄罗斯、英格兰、西班牙、中国、澳大利亚等国也在为机器人的研究不断努力。哈尔滨工业大学是国内率先进行对机器人研究工作的大学，目前还有清华大学、上海交大、重大、北航、长光、南昌大学、上海大学等大学的研究院正在对机器人的研究工作做着努力，而且也取得了一定的成绩。
1.2.1真空吸附式爬壁机器人发展状况
美国国际公司为了解决清洁高楼的问题，在1986年研制出了一个名为“Sky Washer”的爬壁机器人[1]，其结构如图1.1所示。本机器人配备有两个L形框架交替地吸附于墙面达到相对滑动。只有两个在每一帧的脚，每个装有两个真空吸盘上的脚底，吸盘相对的阻挡表面可以是直线运动，这允许机器人跨越一定高度横向移动。
图1.1 sky washer 图1.2siriusc清洗机器人
如图1.2所示为SIRIUSC壁面清洗机器人，它是由德国的Fraunhofr研究所研制的[2]。这部机器人工作的时候，有一个随动小车在机器人上面的建筑物顶部，这部机器人除了有不错的安全性能外，还能帮助机器人侧向移动时定位。这是一部只能做向上运动和向下运动的机器人，当机器人需要向左或者向右运动的时候，需要靠专门的移动装置来牵引。两对线上的模块是爬行机构，每个模块上面都有若干个真空吸吸盘，并共同使用一个伺服电机驱动。
图1.3多吸盘步行机器人 图1.4十字结构爬壁机器人
日本工业技术院的似野智昭在2006年研制出了一种多吸盘步行机器人[3]，如图1.3所示。这部机器人的组成很有创新，他有两个足端和装有5个吸盘的足腿。他的每一天足腿都可以两两互绕旋转，机器人的直线和转向运动是由运动时不同的旋转角度形成的。该机器人能够安全的在凹凸面上、沟槽上移动，由于任意一条腿都可以绕另一条腿转动，而且每一个足端都可以自由拉升、压缩，这部机器人可以朝着任何一个方向运动，并且有一定的跨越障碍的能力。
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