履式爬壁機器人設計【履帶式 真空吸附壁面清洗機器人】

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[3] 桂仲成陳強孫振國多體柔性永磁吸附爬壁機器人[J]《機械工程學報》 -2008年6期 [4] 潘煥煥，趙言正，王炎.鍋爐水冷壁清掃、檢測爬壁機器人的研制[J].中國機械工程，2000，11(4):372—376. [5] 桂仲成陳強孫振國張文增劉康爬壁機器人永磁吸附裝置的優(yōu)化設計[J] 《電工技術學報》 ISTIC EI PKU -2006年11期 . [6] 衣正堯弓永軍王祖溫王興如新型船舶壁面除銹爬壁機器人動力學建模與分析[J] 《機械工程學報》 -2010年15期 [7] 衣正堯弓永軍王祖溫王興如張增猛 用于搭載船舶除銹清洗器的大型爬壁機器人[J] 《機器人》 -2010年4期 [8] 楊化樹,曲新峰.工業(yè)機器人技術的應用及發(fā)展[J].黃河水利職業(yè)技術學院學報,2004,(4). [9] 陳一民.工業(yè)機器人通用控制器研究開發(fā)[J].上海大學學報(自然科學版) ，1998，(5). [10] 佟仕忠，肖立，丁啟敏，吳俊生.爬壁機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].遼寧石油化工大學,2004,(8) [11]付宜利,李志海爬壁機器人的研究進展機械設計第25卷第4期 [12] Wang, W.Wang, K.Zong, G.-H.Li, D.-Z.《Vacuum》, EI SCI 2010 1 [13] Hwang KimDongmok KimHojoon YangKyouhee LeeKunchan SeoDoyoung ChangJongwon Kim《Journal of Mechanical Science and Technology》, EISCI 2008 8. [14] HOUXIANG ZHANGJIANWEI ZHANGGUANGHUA ZONGWEI WANGRONG LIU《IEEE Robotics & Automation Magazine》, EI SCI 2006 1. [15] Yanzheng ZhaoZhuang FuQixin CaoYan Wang《Robotica》, EI SCI 2004 0 [16] Zheng HaojunLi TieminWang Jinsong《Chinese Journal of Mechanical Engineering》, EI SCI 2002 supplement 附：文獻綜述或報告 1.引言： 爬壁機器人是移動機器人領域的一個重要分支,可在垂直壁面上靈活移動,代替人工在極限條件下完成多種作業(yè)任務,是當前機器人領域研究的熱點之一。它主要應用于核工業(yè)、石化工業(yè)、造船業(yè)、消防部門及偵查活動等,如對高樓外壁面進行清洗,對石化企業(yè)中的儲料罐外壁進行檢測和維護,對大面積鋼板進行噴漆,以及在高樓事故中進行搶險救災等，并且取得了良好的社會效益和經濟效益，具有廣闊的發(fā)展前景。 經過30多年的發(fā)展,爬壁機器人領域已經涌現(xiàn)出一大批豐碩的成果,特別是20世紀90年代以來,國內外在爬壁機器人領域中的發(fā)展尤為迅速。近年來,由于多種新技術的發(fā)展,爬壁機器人的許多技術難題得到解決,極大地推動了爬壁機器人的發(fā)展。在我國各高校機器人設計活動也已經很廣的開展起來，這種氛圍對我國機器人的研制開發(fā)特別以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極意義的。 2.國外爬壁機器人研究現(xiàn)狀 1966年日本的西亮教授首次研制成功壁面移動機器人樣機,并在大阪府立大學表演成功。這是一種依靠負壓吸附的爬壁機器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的爬壁機器人,到80年代末期已經開始在生產中應用。日本在開發(fā)爬壁機器人方面發(fā)展最為迅速,主要應用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。如：日本清水建設公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機器人,他們研制的負壓吸附清洗玻璃面的爬壁機器人,曾為加拿大使館清洗。東京工業(yè)大學開發(fā)了無線遙控磁吸附爬壁機器人。在日本通產省"極限作業(yè)機器人"國家研究計劃支持下,日暉株式會社開發(fā)了用于核電站大罐的負壓吸附壁面檢查機器人等。 其他各國也加入到爬壁機器人研究的熱潮中如：美國西雅圖的Henry R Seemann在波音公司的資助下研制出一種真空吸附履帶式爬壁機器人“AutoCrawler”。其兩條履帶上各裝有數(shù)個小吸附室,隨著履帶的移動,吸附室連續(xù)地形成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走。美國CaseWestern Reserve University研制的采用4個“腿輪”的爬壁機器人樣機。與前兩種機器人相似,該機器人依靠4個“腿輪”上的仿生粘性材料來吸附,樣機不同的是這4個腿輪上腳掌的特殊分布更有利于機器人在壁面上穩(wěn)定爬行。該機器人質量僅有87 g。20世紀90年代初,英國樸次茅斯工藝學校研制了一種多足行走式的爬壁機器人。采用模塊化設計,機器人由兩個相似的模塊組成,每個模塊包括兩個機械腿和腿部控制器?？筛鶕?jù)任務需要來安裝不同數(shù)量的腿,可重構能力強。機械腿采用仿生學機構,模擬大型動物臂部肌肉的功能,為兩節(jié)式,包括上、下兩個桿和3個雙作用氣缸,具有3個自由度。穩(wěn)定性好,承載能力大,利于機器人的輕量化,并能跨越較大的障礙物。除腿端部各有一真空吸盤外,機器人腹部設有吸盤, 使機器人具有較大的負載質量比,可達2∶1。 3.國內爬壁機器人研究現(xiàn)狀 中國也于20世紀90年代以來進行類似的研究。1988年在國家“863”高技術計劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個系列的5種型號壁面爬行機器人。研制成功的我國第一臺壁面爬行遙控檢測機器人,采用負壓吸附,全方位移動輪,用于核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。1994年開發(fā)的用于高樓壁面清洗作業(yè)的爬壁機器人CLR-Ⅰ,采用全方位移動機構,機器人在原地就可以任意改變運動方向。之后開發(fā)的CLR-Ⅱ,采用兩輪獨立驅動方式———同軸雙輪差速機構, 通過對兩輪速度的協(xié)調控制實現(xiàn)機器人的全方位移動,機器人本體和地面控制站之間采用電力線載波通訊方式。上述3款爬壁機器人均采用單吸盤結構,彈簧氣囊密封,保證了機器人具有較高爬行速度和可靠的附著能力。1995年研制成功的金屬管防腐用磁吸附爬壁機器人,采用永磁吸附結構,靠兩條履帶的正反轉移動來實現(xiàn)轉彎。該機器人可以為石化企業(yè)金屬儲料罐的外壁進行噴漆、噴砂,以及攜帶自動檢測系統(tǒng)對罐壁涂層厚度進行檢測。1997年研制的水冷壁清檢測爬壁機器人,呈圓弧形永磁吸附塊與罐壁圓弧相吻合,提高了吸附力,也提高了作業(yè)的效率。上海大學也較早開展高樓壁面清洗作業(yè)機器人的研究,先后研制出垂直壁面爬壁機器人和球形壁面爬壁機器人。該球形壁面爬壁機器人采用多吸盤、負壓吸附、6足獨立驅動腿足行走方式,可用于不同曲率半徑的球形外壁1996年以來,北京航空航天大學先后研制成功WASH2 MAN,CLEANBOT 1,SKYCLEAN,“吊籃式擦窗機器人”和“藍天潔寶”等幕墻清洗機器人樣機。為全氣動擦窗機器人;吊籃式清洗機器人,機器人依靠樓頂上的安全吊索牽引移動,利用風機產生的負壓使機器人貼附在壁面上以國家大劇院橢球形頂棚清洗為應用背景研制的適用于復雜曲面的自攀爬式機器人樣機,由攀爬機構、移動機構、清機器人有許多相似之處,但由于其特殊的工作環(huán)境和任務要求,在理論和技術等方面又有一些特殊性。 4. 爬壁機器人的關鍵技術： 4.1吸附機構：吸附機構的作用是產生一個向上的力來平衡機器人的重力,使其保持在壁面上。目前,吸附方式主要有真空負壓吸附、磁吸附、螺旋槳推力及粘結劑等幾種方式。由于這些吸附方式各自都有局限性,所研制的爬壁機器人往往針對性較強,只適用于某種特定任務,較難通用化。機器人的設計需要針對工作任務、環(huán)境,選取合適的吸附方式。近年來,人們通過研究壁虎等爬行動物腳掌的吸附機理,制作出高分子合成的粘性材料,這些材料利用分子與分子之間的范德華力,在很小的接觸面積上就可獲得巨大的吸附力,而且具有吸附力與表面材料特性無關的優(yōu)點。但目前這些材料的使用壽命較短, 使用一定次數(shù)之后就失去粘性,難以實用化,需要進一步進行研究。 4.2移動機構及運動控制系統(tǒng)：移動機構及運動控制系統(tǒng)爬壁機器人的移動機構主要有輪式、多足式、履帶式等,其中,輪式和足式使用較為廣泛,履帶式多用于磁吸附方式。越障能力是爬壁機器人壁面適應性能的一個重要指標。當工作面上有凸起、溝槽時,機器人要通過這些障礙物,就必須有足夠的越障能力。各種移動機構中,多足式機器人的越障能力較強,其每個腿部都置有小吸盤,當遇到障礙物時,可控制各個“腿”,使小吸盤逐個跨過障礙物。壁面機器人的移動機構可以使機器人在可靠吸附的前提下能夠在壁面上靈活移動。由于爬壁機器人工作于壁面的特殊性,移動機構常和吸附機構存在耦合,這給機器人的運動控制帶來了一些困難。如多吸盤足式爬壁機器人,腿末端各有一個吸盤,每移動一個腿需要完成“消除吸力—抬腿—邁腿—落腿—產生吸附力”一系列動作。在此過程中,機器人移動機構的動作要和吸附機構相互協(xié)調,才能保證機器人在壁面上的靈活移動。此外,也有移動機構與吸附機構分離的,如單吸盤爬壁機器人,吸盤可持續(xù)吸附,驅動輪連續(xù)運動實現(xiàn)機器人的移動,運動控制較為簡單。 4.3能源供應及驅動方式：能源供應及驅動方式能源供應方式有通過電線管路為機 器人提供電、氣等能源的方式,也有自帶電池、氣瓶等方式。驅動方式主要有電機氣動等幾種方式。爬壁機器人的設計盡量采用具有高功效質量比的驅動器和動力源,特別是采用無線控制情況下。采用電機驅動時,能源供應主要有聚合物鋰電池、鎳氫電池、電化學電池和燃料電池。此外,由于內燃機的能源———汽油、氫等燃料具有較高的能重比,先進的微型內燃機也可應用于爬壁機器人。 4.4安全問題：機器人在受到外界干擾、環(huán)境變化情況下,如何保證機器人安全附著于壁面而不至于墜落,或墜落后如何盡量減小機器人的損傷。過去所研制的高樓清洗爬壁機器人, 大都采用由置于高樓頂上的運載小車、卷揚機構和系在機器人上的鋼絲繩組成保險系統(tǒng)。而對于一些其他用途的機器人,比如偵查用的小型爬壁機器人,其目標并不確定,不能采用保險繩的方式,因而需要研究新的防墜落方式?？梢钥紤]采用降落傘、小功率螺旋降落漿、快速撐起阻降板等,這些可能會成為未來爬壁機器人安全措施的發(fā)展方向。 5.爬壁機器人的發(fā)展趨勢 驅動、傳感、控制等硬軟件技術的發(fā)展極大地推動了爬壁機器人技術的發(fā)展,實際應用的需求也對爬壁機器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn),爬壁機器人的發(fā)展趨勢歸結起來主要有以下幾方面。(1)新型吸附技術的發(fā)展。吸附技術一直是爬壁機器人發(fā)展的一個瓶頸,它決定了機器人的應用范圍。(2)爬壁機器人的任務由單一化向多功能化方向發(fā)展。過去所研制的爬壁機器人大多用于清洗、噴涂、檢測等作業(yè),作業(yè)任務往往只局限于單一的任務。而目前人們則希望爬壁機器人能夠裝備多種工具,在不同的場合進行工作。(3)小型化、微型化是當前爬壁機器人發(fā)展的趨勢。在滿足功能要求的前提下,體積小、質量輕的機器人可較小能耗,具有較高靈活性,并且在某些特殊場合也需要機器人具有小的體積。(4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(fā)展。由于爬壁機器人的作業(yè)空間一般都較大,帶纜作業(yè)極大地限制了機器人的作業(yè)空間,所以,為了提高機器人的靈活性和擴大工作空間,無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機器人的發(fā)展趨勢。(5)由簡單遠距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結合,使機器人在封閉環(huán)境中能夠具有一定的自主決策能力, 完成任務,并具有自我保護能力,是移動機器人發(fā)展的重要方向,也是爬壁移動機器人的重要發(fā)展方向。(6)可重構是機器人適應能力的一項重要指標。為了使機器人能夠應用于不同場合,根據(jù)任務需求,在不需要重新設計系統(tǒng)條件下,充分利用已有的機器人系統(tǒng),應使機器人具有可重構性,即具有模塊化結構。根據(jù)任務需求,把需要的模塊直接連接起來組成新的機器人。 6　結束語 綜上所述,經過多年的發(fā)展,爬壁機器人領域取得了豐碩的研究成果,并且在一些領域得到了實際應用,取得了良好的社會效益。仿生學、微機電一體化、新型驅動器、高分子材料等新技術、新理論的應用極大地推動了爬壁機器人的發(fā)展,使其功能越來越強大。爬壁機器人的研究正向著采用新型吸附方式、多功能化、小型化、無纜化、智能化、可重構化等方向發(fā)展。在21世紀的今天隨著對生產力要求的不斷提高，爬壁機器人將會出現(xiàn)在越來越多的新領域中如反恐排爆、偵察救災及空間作業(yè)等，具有無限的市場前景。也可以這樣說21世紀是機器人大爆炸的時代誰先掌握這種技術誰就把握住了時代的脈搏走在了世界的前端。而爬壁機器人作為移動機器人領域的一個重要分支應給予高度的重視。 審 核 意 見 指導教師評閱意見（對選題情況、研究內容、工作安排、文獻綜述等方面進行評閱） 簽字： 年 月 日 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日 公章：