真空吸附式壁面清洗机器人毕业设计论文.docx

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真空吸附式壁面清洗机器人毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

题目：

连杆吸盘越障系统设计

专题题目：

新型越障式-高空清洁卫士

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

机器人的开发和应用，拓展了人类的生产能力，解放了危险环境下的工作人员，极大地推动了人类科技革命和社会进步，多足式爬壁机器人属于极限作业机器人的一种，广泛应用于清洗，消防，检测等多个行业。

本文在国内外现有壁面移动机器人研究成果的基础上。

结合壁面作业的特点对壁面机器人的吸附技术，行走技术进行了研究分析，并创造性的提出了壁面越障技术，本文主要的研究工作如下：

首先，追溯国内外壁面机器人研究的历史背景、总体类别与特点，及其发展态势，总结出壁面攀爬机器人的研究特点和关键技术所在。

其次，本文根据机器人实际工作的要求，主要对高空清洁卫士机器人越障系统中的腿部机构、吸附结构，驱动机构构型设计。

最后，本文在结构件的设计过程中，同时考虑轻量化和安全可靠性要求，对机器人的吸附、越障机构进行了强度校核和优化设计。

：

壁面越障；腿式结构；真空吸盘；机构设计；周期性步态

Abstract

Thedevelopmentandapplicationofrobotshaveexpandedourproductioncapacityofthehumanbeings,aswellasemancipatedpersonnelworksinhazardousenvironments,greatlypromotedscientificandtechnologicalrevolutionandhumansocialprogress.Amultileggedwallclimbingrobotwhichbelongstothelimitoftherobot,iswidelyusedincleaning,fireprotection,detectionandotherindustries.

Basedontheexistingdomesticandforeignmobilerobotwallsurfaceontheresearchresultsof.Accordingtothecharacteristicsofthewalloperationadsorptiontechnologytowallrobot,walkingtechnologyisstudiedandanalyzed,andcreativelyputforwardthewallclimbingtechnique,themainresearchworkofthisarticleareasfollows:

Firstly,thehistoricalbackground,theoverallclassificationandcharacteristicsofdomesticresearchonoutersurfaceofthedevelopingsituationandtherobottraces,andlater,summeduptheresearchcharacteristicandthekeytechnologyofwallclimbingrobot.

Secondly,intheendofthispapertherobotconceptdesign,thispaperintroducesUnigraphicsNXmodelandmodelingmethod,andtakingthelegmechanismasanexample,introducestheUnigraphicsplatformofNXpartsandassemblydesign,andsimulationresultsundertheSimulationsimulationplatform.

Again,thispaperclearlyonthewallrobotbasedontheconstraintconditionsandthebasicfunction,carriesontheanalysisandthedesignofwallclimbingrobotgait,elaborateperiodicgaitanditsrealizationways,fullydemonstratedtheperiodicgaitandtheprincipleofrobot.

Finally,basedonthedesignprocessofstructuralparts,consideringtherequirementsoflightweightandsafereliability,adsorption,obstaclecrossingmechanismoftherobotiscarriedonstrengthandoptimizationdesign.

Xxxx；xxx；

第一章绪论…………………………………………………×

1.1课题研究背景、目的、及其意义………………………×

1.2国内外壁面机器人研究现状……………………………×

1.2.1国外研究现状………………………………………×

1.2.1国外研究现状………………………………………×

1.3现有爬壁机器人类型比较分析…………………………×

第二章新型越障式-高空清洁卫士总体结构设计………×

2.1新型越障式-高空清洁卫士的设计准则与要求…………×

2.2新型越障式-高空清洁卫士行走机构设计………………×

2.3新型越障式-高空清洁卫士越障系统设计………………×

2.3.1新型越障式-高空清洁卫士腿部结构的设计……×

2.3.2新型越障式-高空清洁卫士吸附结构的设计……×

2.3.3新型越障式-高空清洁卫士硬件驱动的选择……×

2.4新型越障式-高空清洁卫士总体结构设计

第三章基于UnigraphicsNX的三维建模技术……………×

3.1引言………………………………………………………×

3.2UnigraphicsNX简介……………………………………×

3.3UnigraphicsNX建模方法……………………………×

3.3.1自底而上……………………………………………×

3.3.2自顶而下……………………………………………×

3.3.3两种建模方式的比较………………………………×

3.4新型越障式-高空清洁卫士建模实例………………×

3.4.1腿部机构的建模……………………………………×

3.4.2主要部件的装配……………………………………×

第四章机器人关键部分校核与有限元分析……………×

4.1新型越障式-高空清洁卫士附着技术选择………………×

4.2真空吸附机构受力与安全性分析………………………×

4.2.1抗滑落条件…………………………………………×

4.2.2抗倾覆条件…………………………………………×

4.3腿部连杆的校核及有限元分析…………………………×

4.3.1腿部连杆的强度校核………………………………×

4.3.2腿部连杆有限元分析和结构优化…………………×结论…………………………………………………………………×

致谢……………………………………………………………×

参考文献………………………………………………………×

附录……………………………………………………………×

第一章绪论

1.1课题研究背景、目的及其意义

机器人是近代电子技术与传统的机构学相结合的产物，是集计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。

机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。

对于机器人的分类，目前国际上没有统一的标准^我国的机器人专家按照机器人的应用领域将机器人分为工业机器人和特种机器人两大类。

其中，壁面攀爬机器人是一种能够在垂直陡壁或者高空极限位置进行作业从而服务于人类的特种机器人。

目前，壁面机器人已经在建筑业、核工业、消防部门、石化行业以及造船业等多个行业领域得到研制和应用。

随着社会的高速发展，高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景，并大都采用玻璃幕墙。

而许多开放性城市都规定，每年应对高楼进行定期清洗。

长期以来，对高层建筑的清洗工作主要是由人工完成的。

这种“一桶水、一根绳、一块板”的人工作业方式效率很低，清洗一幢大楼有时要耗时数天乃至数十天，耗资巨大，而且稍有不慎就会出现事故，造成伤亡，“蜘蛛人”高空作业，清洁危险，效率低，成本高。

近几年来，随着科学技术的发展，这种状况巳经有所改善。

目前在国内己经采用升降平台或吊篮搭载清洁工对大楼进行清洗，或者在设计建筑的时候考虑清洗系统。

但是这种改善的方式对建筑本身有一定的要求，起到的作用非常有限，因此，人们迫切希望能设计制造出一种可以完全代替人工完成高层建筑清洗任务的装置。

壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会、经济效益。

同时，在其他一些工业领域，壁面消防机器人、壁面检测机器人、壁面喷涂机器人、壁面清污机器人等也起到代替人类在髙温、高压、有毒、浓烟、放射性等艰险恶劣的环境中完成复杂作业的作用。

因此，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。

我国从1987年实施国家“863”高技术研究发展计划以来，把智能机器人确立为自动化领域的主体之一，在特种机器人、机器人应用工程、机器人基础学科等方面取得了很大成绩，壁面攀爬机器人由于其特殊的作用己越来越受到人们的重视。

1.2国内外壁面机器人研究现状

第一个爬壁机器人于1966年由日本的西亮教授研制出，之后便在日本得到快速地发展。

美国、俄罗斯、西班牙、英国、德国、韩国等国相继研制出一些各具特色的壁面移动机器人实验样机。

20世纪80年代以来，我国在国家自然基金和863计划的大力支持下，从上世纪90年代中期也相继开发出一些壁面移动机器人样机，并在爬壁机器人领域取得了快速的发展。

1.2.1国外研究现状

壁面移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。

早在1966年，在大阪府立大学工学部任讲师的西亮利用电风扇进气侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机。

1975年，已经身为宫崎大学工学院部教授的西亮又制作了以实用化为目标的二号样机，这是个单吸盘结构、靠轮子行走的壁面移动机器人。

从此以后各国著名的大学、研究所、公司纷纷投入力量广泛开展用于极限作业的壁面移动式机器人的研究。

（1）日本

图1-1“Walker”机器人图1-2履带式壁面移动机器人

1978年，化工机械技术服务株式会社制作了一种叫Walker的壁面移动机器人。

如图1-1所示，该机器人采用了单吸盘结构。

用真空泵产生负压，行走机构采用上下两个行走滚子和左右两条行走皮带的驱动。

滚子和皮带自然组成一个真空腔体。

转向通过左右滚轮和皮带的速度差来实现。

Walker既有吸附功能又有行走功能。

但它有一个严重的缺点，即：

壁面上有裂缝时，真空难以维持。

图1-2所示为关西电力株式会社研制的真空吸附履带式结构壁面移动机器人。

利用均布于履带和车体底部的吸盘，该机器人可以实现直线运动和转向运动，但越障和面面转换能力差。

图1-3日本的尺蠖机器人图1-4气体马达驱动机器

图1-3为日本宫崎大学设计的采用直流伺服电机驱动、真空吸附5自由度壁面移动机器人，吸盘直径为16.5cm，腿长70cm，重12kg。

2个踝关节各有2个转动自由度，中间的膝关节为1自由度的转动副，机器人可绕其中一条腿转向，能在水平面，垂直面及天花板之间移动。

但其尺寸及重量大，机器人只能以有限的姿态运动，限制了机器人的灵活性。

图1-4为日本宫崎大学提出的另一型采用空气马达驱动、真空吸附的5自由度尺蠖式机器人，各关节布置与前一型机器人相似，设计着眼点在于真空吸盘需要使吸盘内产生负压的抽气机，而所抽出的气体可提供给他们自行设计的低压气动马达，从而产生行走所需的驱动力，利于实现机器人的无缆化。

但由于低压气体马达的频响较慢，系统的动特性不好，同时由于结构的限制不易小型化。

（2）美国

图1-5ROBINrobot图1-6ROSTAM-IVrobot

如图1-5所示为美国Wichita大学研制用于空间飞行器检修的爬行机器人第四代样机ROSTAM-IV。

该机器人采用直流电机作为驱动器，真空吸盘为吸附机构，具有4自由度，踝关节类似于ROBIN，但膝关节为移动副，能实现空间内的三维运动，但其运动空间较膝关节为转动副的机器人要小，不具备凸过渡能力。

吸盘直径为11.35cm,展开时长1.2m,质量4Kg

a）FLIPPER机器人b）CRAWLER机器人

图1-7尺蠖式机器人

图1-7为美国密执根州立大学研制的微小型尺蠖式机器人样机。

图a）所示的第一代机器人FLIPER为由3个直流伺服电机驱动四个关节的欠驱动双足机构，膝关节与具有两自由度的踝关节中的1个自由度耦合。

双足末端真空吸盘能有效吸附地板、墙壁及天花板，具有很强的适应能力。

欠驱动机构形式可以减轻机器人的重量，减少能耗，但控制复杂而且减少了机器人的自由度，因而降低了机器人的灵活性，只能以空翻的方式运动。

第二代机器人CRAWLER[92]的膝关节采用了移动副，机器人以仿尺蠖蠕动的方式运动。

该机器人248mm，宽45mm，重335g，装备小型摄像机、温度及红外传感器、麦克风，能在人不能到达或不宜到达的地方搜集有用信息。

（3）英国

图1-8NERO机器人图1-9SADIE机器人

图1-8所示为英国的Portsmouth大学研制研制的平面运动型用于核电站反应堆压力罐外表面作业的壁面移动机器人NERO，该机器人采用框架式结构，在每个框体上设有一组真空吸盘，吸盘的伸缩及框架之间的直线运动、转动由气缸驱动实现。

图1-9为针对核反应堆冷却管焊接检查研制的机器人SADIE，该机器人在借鉴NERO机器人的基础上进行了改进，尺寸为640mmx400mmx180mm。

图1-8NERO机器人图1-9SADIE机器人

英国Portsmouth大学研制了用于核电站检测及维护的仿螃蟹及蜘蛛的8足壁面移动系列机器人，采用真空吸附方式，足末端安装真空吸盘。

如图1-8所示为ROBUIII机器人，该机器人长0.8m，宽0.6m，高0.6m，腿长1m，负载25Kg，行走速度6m/min，拖缆（包括电源线、气管、通讯线及视频信号线），半自主控制，每条腿为3杆机构，具有4个自由度，由气缸驱动，具有壁面过渡功能。

如图1-9所示为ROBUGIV机器人，该机器人采用了与ROBUIII相同的机构及驱动形式，并进行了小型化，采用CAN总线进行分布式控制，实现了机器人自主全方位运动，该机器人长0.3m，宽0.45m，高0.3m,腿长0.7m，重40Kg，负载5Kg。

（4）韩国

图1-10ROBUGII机器人图1-11MRWALLSPECTIII机器人

图1-10为英国的Portsmouth大学研制的ROBUGII壁面移动机器人，采用了4足结构，每条腿具有3个自由度，躯干具有1个自由度，由气缸驱动，重12Kg，负载12Kg，具有壁面过渡能，采用分布式控制方法。

仿蜘蛛腿结构使得机器人具有很好的灵活性和越障能力。

但是，由于结构复杂，运动速度仅有0.6m/min。

图1-11为韩国研制的MRWALLSPECT-III的多关节四足壁面移动机器人，具有壁面过渡功能，每条腿具有3个由电机驱动的主动自由度及1个被动踝关节自由度，末端为对称布置的3个真空吸盘，由4个并联的真空泵发生真空，采用嵌入式控制器，无线局域网通讯，拖缆提供电源。

1.2.1国内研究现状

我国的机器人事业起步较晚，主要起步于在20世纪80年代术90年代