悬磁吸附爬壁小车设计研究【字数：11317】
在自动化越来越普遍的的今天，很多危险的工作已经不再需要人力去完成，如船舶油管的维护，核能工业，化石行业等，爬壁机器人的应用得到体现。爬壁机器人因为灵巧、安全、稳定，能搭载相应的工具去完成指定的任务，越来越多的研究者投入其中研究开发，爬壁机器人的种类也越来越多，性能也越来越完善。本次研究设计是一款悬磁吸附爬壁小车，研究内容包括小车的框架设计、运动方式、驱动方式、磁吸附方式、小车运行程序的编写、永磁体的磁力仿真。爬壁小车需要在导磁壁面进行静态受力分析和动态受力分析，得出小车需要的最小吸附力和电动机所需要的牵引力。对小的硬件进行选型安装，爬壁程序的编写。用ANSYS对永磁铁进行磁力分析，求证是否满足爬壁小车需要的最小吸附力，选择永磁铁的排列方式。以上述条件做为爬壁小车的一个理论基础完成小车的搭建，对设计完成的小车进行多次调试，验证是否满足要求。
目录
第1章 绪论 1
1.1研究的背景和意义 1
1.2爬壁小车的国内外研究现状 1
1.3爬壁小车的未来发展方向 2
1.4课题的主要研究内容 3
1.5本章小结 4
第2章 悬磁吸附爬壁小车的总体设计方案 5
2.1悬磁吸附爬壁小车的设计目的和要求 5
2.2悬磁吸附爬壁小车的运动方式 5
2.3悬磁吸附爬壁小车的驱动方式（四驱） 6
2.4永磁材料的挑选与吸附方式 6
2.4.1永磁材料的选择 6
2.4.2磁吸附方式的选择 7
2.5控制系统的设计 8
2.5.1 最小系统板 8
2.5.2电源模块 8
2.5.3稳压模块 9
2.5.4 驱动模块 10
2.5.5蓝牙模块 10
2.6爬壁小车底板设计 11
2.7爬壁小车车轮的选择 12
2.8爬壁小车的基本框架 13
2.9本章小结 13
第3章 悬磁吸附爬壁小车的受力分析 14
3.1悬磁吸附爬壁小车的静态受力分析 14
3.2悬磁吸附爬壁小车的动态受力分析 15
3.3本章小结 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
6
第4章 运用ANSYS对磁吸附装置进行仿真分析及排列安装 17
4.1ANSYS软件介绍 17
4.2ANSYS的仿真步骤及结果 17
4.4永磁铁的安装排列 21
4.3本章小结 22
第5章 程序编写 23
5.1 程序流程图 23
5.2手动模式程序 23
5.3自动模式程序 24
5.4本章小结 25
第6章 调试与运行 26
6.1小车的承重测试 26
6.2小车的爬壁测试 27
6.3小车的速度测试 28
6.4自动行走 29
6.5本章小结 30
第7章 总结与展望 31
7.1总结 31
7.2展望 31
参考文献 33
致谢 34
第1章 绪论
1.1研究的背景和意义
爬壁小车是爬壁机器人这个大家族中的一位重要成员，其涉及的不仅有移动而且还有吸附方面的知识。它可以在一些倾斜的或者垂直的表面移动，可以在人类无法到达的设备装置内进行灵活运作，也可以带一些特定的工具去完成相应的任务。所以这决定它是一个非常复杂的装置，运用的学科自然也是多种多样，如机械原理、微机原理与接口技术、力学、电机拖动、通讯技术等等。这些学科不只是简单的叠加使用，而且要考虑到他们之间的耦合还要保证系统的稳定，要解决完善这些问题将会是一大难题。但是爬壁小车有他自身的很多优点：灵活、稳定、安全、高效。因此它在现代工业的作用是至关重要的，如建筑业，核工业，造船业等。这些需要在高空或者其他危险场景的作业就需要一辆爬壁小车，而且在进行高空作业时可以依托它的高空滞留能力对地面进行监测，可以通过红外控制或者蓝牙控制完成某些侦查任务，达到军民两用的效果，所以爬壁小车具有极大的现实意义，也需要有深远的发展。
1.2爬壁小车的国内外研究现状
自从日本在19世纪60年代研究的第一个爬壁机器人诞生以来，爬壁机器人便获得了良好的发展前景。之后在一些发达国家相继被研究。我国爬壁机器人的研制是从20世纪70至80年代开始的，国内的许多高等院校和研究结构开始系统详细的投入对爬壁机器人的研究，并且出现了多种型号不同吸附形式的爬壁机器人。虽然这些爬壁机器人看起来千奇百怪各有不同，但总结起来都有一个共同点：都有吸附和爬壁的功能。为了要保证爬壁小车在工作时的安全稳定性，不仅仅要保证小车在静态时的吸附力是足够的，而且还要保证小车在爬壁过程中是否能牢牢的吸附在垂直或者倾斜的壁面。所以吸附方式和吸附所用的材料成了爬壁小车研究的核心问题，国内和国外都有自己的研究成果。
（1）国外爬壁小车研究现状
19世纪60年代日本得到西亮教授研发出第一台爬壁机器人，由负压吸附的方式进行爬。其原理是通过电动机带动风扇转动产生压力将吸盘内空气排出，使得吸盘内空气的压力大于外部空气的压力，使得机器人能牢牢地吸附在工作物的表面。
19世纪80年代后日本的石川岛播磨重工业公司研制的磁吸附爬壁机器人，采用磁吸附和轮式――四轮行走的移动方式，主要包含两个永磁盘式轮和吸附结构，在运行时最大的速度为每分钟达到10cm，负载能够最大可以达到25kg。后面Hagen Schempfi等研制出的爬壁机器人主要采用无线遥控以及PID进行控制。在机器人的控制系统中主要设定了机器人的移动轨迹，并且具有简单的人机操作界面，能够将机器人自身的工作状态和情况显示出来，这样能够更加方便对机器人的运动进行合理的规划和控制。
21世纪以后，日本东京大学机器人研究团队首先提出柔性电极吸附概念，即通过对静电的利用产生吸附能力，并成功研制出了两部概念样机。机其吸附装置采用平面双向电极，通过尺蠖的行走方式使机器人能够在垂直导体立面上移动。此机器人样机一总质量为 327g，向前移动速度最大达到 6.6mm/s，身长 13cm，宽 7.5cm，每片电极质量为12g，在1.5KV的电压下最大重量负荷为750g。其二代吸附装置采用梳齿电极，通过履带驱动的行走方式使机器人能够在绝缘立面上移动，例如玻璃壁面，这一点是对概念样机一代单一导体立面环境的一个改进。此二代机器人的平均移动速度可以达到7mm/s。但是因为没有添加连续电极引导机构，二代机器人每移动4s就需要12s的高压离子充电时间，以保持机器人电极始终具备吸附力。
目录
第1章 绪论 1
1.1研究的背景和意义 1
1.2爬壁小车的国内外研究现状 1
1.3爬壁小车的未来发展方向 2
1.4课题的主要研究内容 3
1.5本章小结 4
第2章 悬磁吸附爬壁小车的总体设计方案 5
2.1悬磁吸附爬壁小车的设计目的和要求 5
2.2悬磁吸附爬壁小车的运动方式 5
2.3悬磁吸附爬壁小车的驱动方式（四驱） 6
2.4永磁材料的挑选与吸附方式 6
2.4.1永磁材料的选择 6
2.4.2磁吸附方式的选择 7
2.5控制系统的设计 8
2.5.1 最小系统板 8
2.5.2电源模块 8
2.5.3稳压模块 9
2.5.4 驱动模块 10
2.5.5蓝牙模块 10
2.6爬壁小车底板设计 11
2.7爬壁小车车轮的选择 12
2.8爬壁小车的基本框架 13
2.9本章小结 13
第3章 悬磁吸附爬壁小车的受力分析 14
3.1悬磁吸附爬壁小车的静态受力分析 14
3.2悬磁吸附爬壁小车的动态受力分析 15
3.3本章小结 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
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第4章 运用ANSYS对磁吸附装置进行仿真分析及排列安装 17
4.1ANSYS软件介绍 17
4.2ANSYS的仿真步骤及结果 17
4.4永磁铁的安装排列 21
4.3本章小结 22
第5章 程序编写 23
5.1 程序流程图 23
5.2手动模式程序 23
5.3自动模式程序 24
5.4本章小结 25
第6章 调试与运行 26
6.1小车的承重测试 26
6.2小车的爬壁测试 27
6.3小车的速度测试 28
6.4自动行走 29
6.5本章小结 30
第7章 总结与展望 31
7.1总结 31
7.2展望 31
参考文献 33
致谢 34
第1章 绪论
1.1研究的背景和意义
爬壁小车是爬壁机器人这个大家族中的一位重要成员，其涉及的不仅有移动而且还有吸附方面的知识。它可以在一些倾斜的或者垂直的表面移动，可以在人类无法到达的设备装置内进行灵活运作，也可以带一些特定的工具去完成相应的任务。所以这决定它是一个非常复杂的装置，运用的学科自然也是多种多样，如机械原理、微机原理与接口技术、力学、电机拖动、通讯技术等等。这些学科不只是简单的叠加使用，而且要考虑到他们之间的耦合还要保证系统的稳定，要解决完善这些问题将会是一大难题。但是爬壁小车有他自身的很多优点：灵活、稳定、安全、高效。因此它在现代工业的作用是至关重要的，如建筑业，核工业，造船业等。这些需要在高空或者其他危险场景的作业就需要一辆爬壁小车，而且在进行高空作业时可以依托它的高空滞留能力对地面进行监测，可以通过红外控制或者蓝牙控制完成某些侦查任务，达到军民两用的效果，所以爬壁小车具有极大的现实意义，也需要有深远的发展。
1.2爬壁小车的国内外研究现状
自从日本在19世纪60年代研究的第一个爬壁机器人诞生以来，爬壁机器人便获得了良好的发展前景。之后在一些发达国家相继被研究。我国爬壁机器人的研制是从20世纪70至80年代开始的，国内的许多高等院校和研究结构开始系统详细的投入对爬壁机器人的研究，并且出现了多种型号不同吸附形式的爬壁机器人。虽然这些爬壁机器人看起来千奇百怪各有不同，但总结起来都有一个共同点：都有吸附和爬壁的功能。为了要保证爬壁小车在工作时的安全稳定性，不仅仅要保证小车在静态时的吸附力是足够的，而且还要保证小车在爬壁过程中是否能牢牢的吸附在垂直或者倾斜的壁面。所以吸附方式和吸附所用的材料成了爬壁小车研究的核心问题，国内和国外都有自己的研究成果。
（1）国外爬壁小车研究现状
19世纪60年代日本得到西亮教授研发出第一台爬壁机器人，由负压吸附的方式进行爬。其原理是通过电动机带动风扇转动产生压力将吸盘内空气排出，使得吸盘内空气的压力大于外部空气的压力，使得机器人能牢牢地吸附在工作物的表面。
19世纪80年代后日本的石川岛播磨重工业公司研制的磁吸附爬壁机器人，采用磁吸附和轮式――四轮行走的移动方式，主要包含两个永磁盘式轮和吸附结构，在运行时最大的速度为每分钟达到10cm，负载能够最大可以达到25kg。后面Hagen Schempfi等研制出的爬壁机器人主要采用无线遥控以及PID进行控制。在机器人的控制系统中主要设定了机器人的移动轨迹，并且具有简单的人机操作界面，能够将机器人自身的工作状态和情况显示出来，这样能够更加方便对机器人的运动进行合理的规划和控制。
21世纪以后，日本东京大学机器人研究团队首先提出柔性电极吸附概念，即通过对静电的利用产生吸附能力，并成功研制出了两部概念样机。机其吸附装置采用平面双向电极，通过尺蠖的行走方式使机器人能够在垂直导体立面上移动。此机器人样机一总质量为 327g，向前移动速度最大达到 6.6mm/s，身长 13cm，宽 7.5cm，每片电极质量为12g，在1.5KV的电压下最大重量负荷为750g。其二代吸附装置采用梳齿电极，通过履带驱动的行走方式使机器人能够在绝缘立面上移动，例如玻璃壁面，这一点是对概念样机一代单一导体立面环境的一个改进。此二代机器人的平均移动速度可以达到7mm/s。但是因为没有添加连续电极引导机构，二代机器人每移动4s就需要12s的高压离子充电时间，以保持机器人电极始终具备吸附力。
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