电磁履带式悬挂系统机器人

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1、编号：哈尔滨工业大学大一年度项目立项报告项目名称： 电磁履带式悬挂系统机器人 项目负责人： 赵斐然 学号： 1140850117 联系电话： 18245018144 电子邮箱：1071617512 院系及专业： 机电工程学院机械电子工程 指导教师： 张广玉 职称： 教授 联系电话： 13804500601 电子邮箱： zgyqx 院系及专业： 机械电子工程 哈尔滨工业大学基础学部制表填表日期：2014年11月19日一、项目团队成员（包括项目负责人、按顺序）姓名性别所在院学号联系电话本人签字赵斐然男机械电子工程114085011718245018144张栗寅男机械电子工程114085012113

2、115603225赵绪男机械电子工程114081061318245019035二、指导教师意见 签 名： 年 月 日三、项目专家组意见 批准经费： 元 组长签名： （ 学部盖章 ） 年 月 日8四、立项报告(一) 立项背景研究现状：作为机器人研究领域的重要分支，爬壁机器人综合运用了机器人移动技术和吸附技术。它可以在竖直壁面、倾斜壁面甚至建筑物或容器的内顶面灵活运动，并能携带工具完成一定的任务。爬壁机器人极大的拓展了机器人的活动空间和工作范围，拥有重大的研发价值和良好的应用前景。作为人类的智能助手，爬壁机器人已经开始应用于多种不适宜人类作业的恶劣环境中如应用在核工业和石化工业的大型罐体内外壁检测

3、、清理、维护作业的机器人应用在建筑行业高层外墙体喷刷、玻璃墙壁的清洁的机器人；应用在船舶行业的除锈、喷涂的机器人。总之，爬壁机器人正在各个行业发挥越来越大的作用。现有的攀爬机器人普遍有运行速度慢，适应能力差，壁面过渡能力差的问题。根据应用特点为了保证机器人的灵活运动，确定了通过两侧履带差速驱动的运动方式；针对以往磁吸附机构的不足，提出了一种吸附稳定、壁面适应能力强的新型履带式磁吸附装置。趋势：攀爬机器人都具有基本的吸附攀爬功能。为了能够在竖直或者倾斜壁面作业，吸附力不仅要保证机器人基本的静态稳定吸附，而且必须使得机器人在各种环境的运动中安全的贴紧壁面。所以采用何种方式获取可靠的吸附力，成为了爬

4、壁机器人技术研究最为核心内容。磁吸附利用磁场对其中介质产生的作用力作为爬壁机器人的吸附力，该技术发展较早，种类较多，按照不同的标准有多种分类方法：现有的磁吸附型爬壁机器人按行走机构不同主要分为腿足式、车轮式和履带式；按照其磁力来源分为永磁与电磁两种吸附方式；按照磁体与壁面间的距离可以分为接触式和非接触式。磁吸附方式产生吸附力相当可观，但需要保持磁源和介质的距离，而且只适合在导磁面上应用。从应用的角度来看，攀爬机器人未来的发展将朝着以下特点出发：（1）壁面适应性。机器人能够在尽可能多的壁面吸附、行走，并具有较强的越障能力，包括壁面过渡能力。 （2）机动灵活性。因此，机器人需要移动速度快，转向灵活

5、。 （3）负载轻。检测机器人设备简单，其负载一般不用太大，体积可以做到小型化、微型化。 （4）无缆化、续航时间长。一般要求机器人自己携带电源，控制采用无线遥控或者自主移动，图像也通过无线的方式发送回地面。降低机器人的功耗，保证尽可能长的续航时间是研制该类机器人的一样重要任务。履带式爬壁机器人具有吸附性强，负载能力高的有点，越障能力也十分优越，但也不可避免的有灵活性差的瑕疵。研究意义：本组设计的电磁履带悬挂系统机器人可以在竖直金属墙面，水平金属墙面已经管道外侧行走，具有出色的负载能力，在负载系统上装全景相机、测量装置后可以在核工业可用于对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等危险的工；利用简单

6、的滚筒便在石化企业可用于对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除 锈、喷漆防腐；在造船业可用于喷涂船体的内外壁，装上清洁装置可以进行船体内外壁清洁等。本机器人由于其速度优越，攀爬面广的优点，还可以制作为竞技玩具车。(二) 项目研究内容及实验方案研究内容：小组研究磁吸式爬壁机器人，可以在竖直、水平金属墙面、管道上自由行走。且其承载力大，可以搭载各种测量或操作工具，壁面适应能力强，在非金属平面上也可以短时间行走。初步构想有两大创新点：1.电磁履带整体结构：如图1所示，履带是由电动机以及磁力系统所组成。履带的每个关节是由电磁铁构成（电磁铁的具体结构参见图2）。每个电磁铁对应一对电刷，为了简洁图

7、一只画了部分的电刷。每对电刷上有一对接线柱，分别于电源的正负极相连。与电刷相对应的是每对关节（电磁铁）上的铁片，当铁片和电刷相连接的时候，形成通路，产生磁力。举一个简单的例子：当机器人在平整的铁质表面行走时，这时控制关节一到关节二的电路，使其处于通路状态。此时关节一受到磁力的作用向下运动。值得注意的是，为了使其在下落的过程中实现良好接触，我们特意把电刷设计的有韧性。如图虚线部分是其自然状态，而实现部分是其工作状态。这样的设计既使它在下落过程中实现紧密接触，同时在关节一接触地面后，关节三立马和电刷接触，从而实现持续运动。具体细节（图2）：对于履带关节的设计我们是受电磁铁的启发。中间长方体的结构类

8、比于电磁铁的铁芯，它的四周环绕了密集的线圈。我们之所以这样设计，是考虑到使关节和铁面接触的部分磁力最大。功能：（1）行走。这是最基础的功能。因为它是双动力系统，所以我们可以在起伏不大的铁质表面和普通路面上自由行走。（2 )加速。在地面上，可以增加发动机的功率增大转速，从而增大速度。在铁质表面上，可以增大电流，增大电磁铁的吸引力，从而增大履带的加速度更快的降落到地面，来实现加速。（3）转向：调节履带的转速差来改变方向。为了更加灵活的转向，转向时适当减轻履带的吸附力。（4）越障：如图3所示。由电动机和磁动力两个系统共同完成，触地的部分提供向前推力，抬起部分提供向上的拉力。如图3所示因为每个电磁铁相

9、互独立而又相互关联，可以实现很多种不同的行走方式，适应性更强。2.悬挂系统（图4）改进汽车中普遍使用的麦弗逊式悬挂系统，使之灵活性更强。如图所示：悬挂系统由连杆和弹簧组成，连杆一端连接履带，一端与弹簧相接。图中实线位置为当机器人在平面行走，弹簧处于原长；虚线位置为其在曲面行走，履带吸附在表面进而使弹簧拉伸。这样，通过弹簧与连杆的配合实现多表面行走。同时，行走较快时，这一系统还具有减震的功能。机器人整体结构：机器人形似坦克，具有两条履带，正视图如图5所示。主体安装在两条履带之间，通过悬挂系统将主体与履带连接在一起；1区为控制系统，装载单片机及摄像头等；2区为功能区，可承载各种测量工具与操作工具（

10、图4为装载涂漆滚筒） 图1 履带结构图2 履带关节图3 过障图图4 悬挂系统示意图图5 整体结构正视图实施方案：1.学习机械原理，工业设计等书籍，改进方案设计；2.在空余时间主要是周末学习建模软件以及视频制作软件，在寒假集中学习讨论。3.重视尺寸的设计，以及细节处的创新，尽量做到设计一款完全自主创新的电磁履带式爬壁机器人。(三) 进度安排整个进度安排大概需要接近半年时间，主要时间用于机械原理等专业书籍以及Inventer、3Ds max等软件的学习。具体安排如下：表1：安排流程图时间任务每周进行一次汇总，做好总结工作，保证每次都有新的突破。14.11.14.12初期构想完成，分工确立，并着手学

11、习软件14.1215.01尺寸确立完成，绘出草图15.0115.03集中进行软件以及书籍的学习，并基本完成三维建模15.04装配完成，动画设计完成15.0515.06后期处理并准备结题答辩(四) 中期及结题预期目标中期目标：软件学习基本完成，基本完成三维建模。结题预期目标：完成三维建模以及动画的制作，准备答辩报告和材料准备。(五) 经费使用计划无(六) 主要参考文献1. 张小松.轮式悬磁吸附爬壁机器人研究.哈尔滨工业大学硕士论文,20042. 潘焕焕，赵言正，王炎等.锅炉水冷壁清扫、检测爬壁机器人的研制.中国机械工程博士论文,2000,3. 张兴悟. 高机动性小型清洁爬壁机器人的研究.中国科学技术大学博士论文,20074. 刘淑霞. 壁面清洗爬壁机器人控制技术的研究.哈尔滨工业大学博士论文,20005. 刘淑良，赵言正，高学山等.喷砂、喷漆、测量用磁吸附爬壁机器人.高技术通讯期刊,20006. 潘佩霖，韩秀琴，赵言正等.日本磁吸附爬壁机器人的研究现状. 机器人设计与研究.1994， 7. 袁夫彩，陆念力.水下船体清刷机器人关键技术及其试验的研究.机械设计与研究,2008