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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號(hào)：
專 業(yè)：
機(jī)械工程及自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目：
氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)
指 導(dǎo) 教 師:
2010年 3月 19日
開題報(bào)告填寫要求
1．開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；
2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報(bào)告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫
2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
引言
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細(xì)，尤其是在現(xiàn)代化的大產(chǎn)業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產(chǎn)品的同一個(gè)部位上的一個(gè)螺母，有的人整天就是接一個(gè)線頭，人們感到自己的工作比較枯燥，于是人們強(qiáng)烈希望用某種機(jī)器代替自己工作，因此人們研制出了機(jī)器人，用以代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹩握{(diào)、枯燥或是危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物，是一種典型的機(jī)構(gòu)和電控制結(jié)合的產(chǎn)物，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
在市政工程中，有大量的安裝及維修等工作需要爬桿作業(yè)。對(duì)于較粗的桿件，人工攀爬和工程車作業(yè)都比較方便。但是對(duì)于一些直徑較細(xì)，強(qiáng)度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。應(yīng)用帶升降機(jī)的工程車進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)成本較高，而且對(duì)于狹窄的胡同，工程車難以進(jìn)入，造成作業(yè)困難，因此爬桿機(jī)器人的研制一直是市政工程研究的熱點(diǎn)。爬桿機(jī)器人與一般在地面上移動(dòng)的機(jī)構(gòu)有著很大的不同，因?yàn)樗朔亓砉ぷ?，并依靠圓柱桿的表面上升，進(jìn)行自主移動(dòng)，完成特定條件下的工作。本文主要是介紹一種適合于在圓柱桿狀物體表面爬行的氣壓驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人。
1、機(jī)器人的分類
機(jī)器人的種類多種多樣，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類:工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人。或者分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機(jī)器人。
仿生機(jī)器人是未來機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向，按仿生學(xué)角度來分可分為：蝗螂式爬行機(jī)器人、蜘蛛式爬行機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、尺鑊式爬行機(jī)器人等。
按驅(qū)動(dòng)方式來分可分為：氣動(dòng)爬行機(jī)器人、電動(dòng)爬行機(jī)器人和液壓驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)器人等。按行走方式可分為:輪式[1]、履帶式、蠕動(dòng)式、多足式等。
按工作空間來分可分為：管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人[2]、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無人飛機(jī)、空間機(jī)器人等。
按功能用途來分可分為：焊弧爬行機(jī)器人、檢測爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人、提升爬行機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、巡線爬行機(jī)器人、玩具爬行機(jī)器人等。
根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式和功能等可以設(shè)計(jì)多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機(jī)器人，如氣動(dòng)管內(nèi)檢測爬行機(jī)器人，電磁吸附多足式爬行機(jī)器人、電驅(qū)動(dòng)壁面焊弧爬行機(jī)器人等，每一種形式的爬行機(jī)器人都有各自的應(yīng)用特點(diǎn)。
2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
爬行機(jī)器人[3][4][5]是機(jī)器人大家族中的一員，爬升機(jī)器人因?yàn)樾枰朔亓Φ淖饔枚煽康匾栏接谂郎砻嫔喜⒆灾饕苿?dòng)，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人，故爬升機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支，從運(yùn)動(dòng)方式上來表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。
最早開始研究且研究最多的是爬壁機(jī)器人[6][7]，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面[8][9]和大球形表面上的危險(xiǎn)作業(yè)。對(duì)于管道外壁表面[8]，已有車輪移動(dòng)形、姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(guān)節(jié)形機(jī)器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。
國內(nèi)外的學(xué)者很早就對(duì)爬行機(jī)器人進(jìn)行研究工作，目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人[9][10][11]等。
電動(dòng)機(jī)械式爬行器是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運(yùn)動(dòng)爬升機(jī)器人的爬行動(dòng)作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動(dòng)方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)該機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)上升和下降運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋線運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作，且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。
氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動(dòng)，其向上爬行時(shí)氣缸動(dòng)作一個(gè)周期的過程為下部氣缸夾緊，上部氣缸松開，提升氣缸活塞桿伸出，上部上升;上部氣缸夾緊，下部氣缸松開，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機(jī)器人就可以連續(xù)爬行。對(duì)于氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。
國外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機(jī)器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭障礙、平行桿[12]，并可繞T型桿和L型桿爬行。
國內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人[13]，可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測、清洗等工作，并具有一定的智能性。
清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人采用自重式鎖緊機(jī)構(gòu)，機(jī)器人靠自重壓迫鋼球使滑塊(機(jī)械手)鎖緊在桿壁上，可以爬行較小范圍的變直徑桿，但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行(從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行)。該機(jī)構(gòu)改進(jìn)后可爬升和返回，但需要加上一套氣動(dòng)控制設(shè)備。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。
電動(dòng)機(jī)械式管外爬行機(jī)器人，國內(nèi)比較典型的有陜西科技大學(xué)[14]研制的管外爬桿機(jī)器人。
哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或繩索爬行的機(jī)器人[15]，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人是由兩個(gè)形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對(duì)活動(dòng)V型卡爪、一對(duì)槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測儀、電機(jī)等零部件構(gòu)成。
3、目前主要存在的問題
由上面敘述可知目前國內(nèi)外所設(shè)計(jì)制造的各種電機(jī)機(jī)械式爬行器均有一個(gè)缺陷:它們大多采用凸輪機(jī)構(gòu)[16]夾緊，由于凸輪機(jī)構(gòu)的不可伸縮性，一個(gè)爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。
目前國內(nèi)外尚沒有在此類爬行機(jī)構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的需要，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來替代繁瑣的氣動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時(shí)在爬行過程中可攜帶其它清潔能源實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備。
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
爬桿機(jī)器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗檢查維修成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。這種機(jī)器人的研制必將具有很大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。本課題旨在研發(fā)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)適用、價(jià)格便宜、操作簡便的適用于路燈桿等桿狀城市設(shè)施可搭載清洗、維護(hù)設(shè)備的爬桿機(jī)器人，用以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響市容的公共設(shè)施的清洗、維護(hù)問題。該機(jī)構(gòu)要能保證良好的運(yùn)行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)保，節(jié)省人力物力。
從上述看來所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)應(yīng)該能夠完成在圓柱狀物體表面的爬升運(yùn)動(dòng)，該圓柱體狀物體的直徑在10—30cm之間。欲使機(jī)器人在圓柱狀物體上自由地上下移動(dòng)，必須具備兩種功能：貼附功能與移動(dòng)功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，移動(dòng)方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動(dòng)式四種。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機(jī)器人。
要求所要設(shè)計(jì)的這種爬行機(jī)器人，它的工作對(duì)象為各種型號(hào)的城市桿狀建筑，要求有一定的承載能力、接觸面積小、速度適中。通過比較各種方案，本課題設(shè)計(jì)使用夾持式的蠕動(dòng)爬行結(jié)構(gòu)形式，該方案能基本滿足我們?cè)O(shè)定的工作狀況，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向上任意長的距離提升重物，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡便。爬升靠氣缸來完成，夾緊運(yùn)動(dòng)采用螺旋傳動(dòng)完成。
設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電機(jī)的選擇與計(jì)算，齒輪傳動(dòng)部分的計(jì)算與校核，螺旋傳動(dòng)部分的計(jì)算與校核，軸承副的選擇與計(jì)算，連接件的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算，氣缸的選型計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算好各個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸大小及型號(hào)之后，使用Proe完成三維圖的設(shè)計(jì)繪制工作。
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指導(dǎo)教師意見：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日