飞机表面清洗机器人结构设计与分析毕业论文.docx

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1、飞机表面清洗机器人结构设计与分析毕业论文第一章绪论1. 1课题背景世界经济的繁荣，促进了航空运输事业的飞速发展，飞机作为交通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。飞机在日常使用中经常接触到各种各样的污染物，如飞行时空气中的风沙、灰尘，海上飞行时空气中的盐雾、酸雾等，不仅影响飞机外观整洁，而且会造成机身腐蚀。因此飞机表面清洗作业己成为飞机保养过程中的一个重要环节，它不但使飞机表面清洁美观、有效地缓解和减轻腐蚀，而且可以清除蒙皮表面粘着的污染物对气动特性带来的不良影响，同时能保证起落架收放机构、舵轴颈部位和活动翼结合部位机构的正常运动，对提高机上电子设备的感应灵敏度也有一定好处。随着城市现代化程度

2、的提高，对飞机外观质量和清洁度要求愈来愈高。国外民用飞机一般每隔10日至15日必须定期清洗一次，我国军用飞机推荐的清洗周期一般为较好地区90天、中等地区45天、恶劣地区15天、沿海地区7天。由于世界各国都在不断装备最新的客货运输飞机及军用飞机，飞机数量不断增加，这就使得飞机表面清洗成为一项繁重、耗时、耗资的工作。此外飞机表面的常规清洗看起来好象颇为简单，实际却是一个很重要、很复杂、技术性很强的工作，不当的清洗方法会对飞机造成新的腐蚀隐患。随着科学技术的发展及社会的进步，飞机表面清洗的机械化、自动化问题越来越被人们所重视，飞机表面清洗设备已成为现代化机场不可或缺的机械设备。其原因是常规的手工刷洗

3、方法不仅效率低，且难以满足清洗质量要求。利用机械化飞机表面清洗设备不但可以节省劳动力，减轻工人劳动强度,提高清洗质量，而且节约了飞机地面停留时间，提高了经济效益。正因如此,许多大中城市的飞机场开始陆续引进飞机表面清洗设备，对飞机表面清洗设备的需求呈现出不断增长的趋势。虽然目前飞机表面清洗设备是机场中的重要配套设备，然而自动化、智能化的飞机表面清洗设备一直没有受到足够的重视，这在很大范围内制约了飞机表面清洗设备优势的发挥，使得飞机表面清洗工人的劳动强度和危险性仍然很大，清洗效率也满足不了时代发展的要求。实现飞机表面清洗作业的自动化，用机器人来替代人工清洗操作，将会大大节约劳动力，降低工作人员的劳

4、动强度，提高清洗效率，同时也降低飞机的非营运时间。所以开展机器人飞机表面清洗作业、提高飞机表面清洗作业的自动化水平，是目前急需解决的问题。基于这种现状，国外学者提出了飞机表面清洗设备机器人化的设想。其主体思想就是将机器人技术引入飞机表面清洗设备的自动控制中，使其具有机器人的功能，即在清洗飞机表面时，清洗设备能够按照程序设定的轨迹和位置自动完成飞机表面清洗工作。目前德国、美国、日本等国家已开展了飞机表面清洗机器人的研究工作,并做了一些有益的尝试，国外实践表明，采用机器人清洗飞机表面一般可提高劳动生产率一倍以上，节约水资源50%以上，降低工程成本50%左右。目前国内对此项技术的研究尚处于空白状态。

5、近儿年来我国航空事业发展很快，国内几大航空公司已经接近或达到发达国家的水平。伴随着航空事业的迅速发展，飞机表面清洗机器人在我国将会有很大的应用市场。1. 2机器人技术发展历程及冗余度机器人研究进展1. 2. 1机器人技术的发展历程机器人的诞生是人类20世纪最具代表性的科技之一，机器人的研究和应用对提高劳动生产率、推动科技发展具有重要意义，同时也成为衡量一个国家制造业自动化水平和科技水平的一个重要标志。两院院士宋健曾指出机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代晟高意义上的自动化”。国外机器人发展历程及趋势英语中的机器人(Robot) 一词来源于1921年捷克斯洛伐克的剧作家K

6、arel Capel创作的一部科幻剧本R. u. R. (Rossum? s Universal Robots) 01947年美国原予能委员会的阿尔贡研究所开发了可代替人处理放射性物质的遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手；1954年美国Devol发表了 “通用重复型机器人”的专利论文，首次提出“工业机器人”的概念并申请了专利，该专利的技术关键是利用伺服技术控制机器人的关节，对机器人进行动作示教，机器人能完成动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现式机器人：1958年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型；1959年美国Unimation公司推出第一台工业机器人；作为机器人产

7、品出售的最早的实用机型是1962年美国AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的Urmnate机器人。70年代机器人进入实用化时代。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，1973年辛辛那提米拉克隆公司研制了第一台由小型计算机控制的工业机器人：1979年Unimation公司推出了多CPU两级微机控制的Puma系列工业机器人；同年日本山梨大学的牧野洋研制出的具有平面关节的SCARA型机器人在许多场合上得到了广泛的应用。此期间，日本结合国情面向中小企业采取了一系列鼓励使用机器人的措施，其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。80年代工业机器人进入普及

8、时代，90年代初期工业机器人的生产与需求进入了高潮期，随后由于受到日本等国经济危机的影响，机器人产业也一度跌入低谷。近些年来随着世界经济的复苏，机器人产业又出现了一片生机。21世纪，计算机技术和人工智能技术的迅速发展使机器人在功能和技术层次上有了很大提高。当代机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点：一是机器人的应用领域在迅速地扩大，机器人的种类日趋增多；二是机器人的性能不断地提高，并逐步向智能化方向发展。除了在制造业中应用的工业机器人之外，机器人应用已逐步进入较制造业更为广阔的民用服务领域。各种机器人分别应用在军事、航天、资源开发、排险救灾、海洋开发、建筑、医疗、农林业、社会服务等方面。复杂

9、的民用服务应用也对机器人的研究、设计和实现提出了更高的要求。应用于制造业的工业机器人和面向非制造业的智能机器人的研究、开发和应用，将成为21世纪智能机器人的两个重要发展方向。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：工业机器人性能不断提高；机械结构向模块化、可重构化发展；工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；机器人中的传感器作用日益重要；智能机器人走出实验室进入实用化阶段；机器人化机械开始兴起。我国机器人的研究发展过程及发展战略由于我国对机器人的研究起步较晚，大约只有20多年的发展历史。80年代中期，国家将工业机器入开发列入科技攻关计划，建立了机器人示范工程；国家“863”计划又

10、把智能机器人的研究和开发列为发展主题之一，从而使我国机器人事业有了长足发展，缩短了与发达国家之间的差距。在工业机器人方面，我国已具有独立开发设计机器人和控制器的能力，义经历“八五”攻关，逐步开展了机器人喷漆线、机器人点焊、弧焊机器人（如图11所示）的开发剌应用。图1-2类人机器人Fig 1-2 Apery robot图1-3水下机器人Fig 1-3 Under water robot图IT焊接机器人Fig 1-1 Welding robot图1-4装配机器人图1-5自动堆垛机器人图1-6机器人化装载机Fig 1-4 Assembly robot Fig 1-5 Auto-pile robotF

11、ig 1-6 Robotization loader在智能机器人和特种机器人的研究和开发方面，国防科技大学研制成功的“先行者”类人型机器人（如图12所示），实现了机器人技术的重大突破;中科院沈阳自动化所研制的6000米水下无缆机器人（如图L 3所示），该成果居世界领先水平；哈尔滨工业大学等单位在壁面清洗机器人、水下船体表面清刷机器人、装配机器人（如图L 4所示）、双臂协调控制机器人、管道机器人等机种上开展了不少工作。在机器人化机械开发应用方面，机器人技术已经成功地应用于多种工程机械的改造中，这在很大程度上提高了我国工程机械在国内、国际上的竞争力，大大刺激了其它工程机械的机器人化的研究。中科院合

12、肥智能所和台肥义车厂研制的10型自动多向高架无轨堆垛机器人（如图1. 5所示）、徐工集团和吉林工业大学2001年开发的ZL50G型机器人化装载机口”（如图1-6所示）、1999年由国防科技大学和江麓-浩利机械有限公司联合研制了W1102DZ型压路机器人1261（如图1, 7所示）、自动摊铺机（如图1_8所示）性能均已达到了实用水平,其技术性能达到了90年代后期国际同类产品的先进水平。图1-7压路机器人图1-8自动摊铺机Fig. 1-7 RoadmilerrobotFig 1-8 Auto-spreading machine另外，浙江大学、西南交大、中南工业大学开展了挖掘机器人的研究工作，东北大

13、学郭立新等对混凝土泵车布料机构机器人化进行了探讨。在机群智能化工程机械研究上，徐州工程机械集团有限公司、三一重工股份公司和天津鼎盛工程机械有限公司三家承担单位取得了阶段性成果，于2002年12月通过了专家组组织的验收。但从整体上看，无论是单机智能化工程机械的种类，还是研究和开发的深度，与技术先进国家相比我国都还存在很大的差距，需要在原有成绩的基础上，结合国情，选择工业基础较好、共性技术较多和经济效益显著的工程机械产品进行信息化、智能化改造升级，有重点地系统攻关，才能形成可供实用的技术和产品，提高我国机械产品的国际竞争力，促进产业化的形成。我国机器人技术的研究重点应放在以实现技术跨越为目标的特种

14、机器人研究、利用机器人技术对传统机械产品进行改造、发展新一代智能机器与系统等方面。1. 2. 2冗余度机器人国内外的研究进展从运动学的观点来讲，冗余度机器人是指完成某一特定任务时，机器人具有多余的自由度。多余的自由度可用来改善机器人的运动学及动力学性能，如增加灵活性、躲避障碍、回避奇异、优化主运动任务下的关节速度、加速度、力矩、能量等辅助操作指标等。例如在工业焊接中，可以充分利用冗余度机器人的灵活性，实现对工作的多方位焊接，这样可以减少甚至节省换位机的设计与制造费用。因此冗余度机器人在机器人向智能化发展的研究中占有重要地位。设计出对环境适应能力强，拥有更高自主性及灵活性的机器人，就成了机器人发

15、展的方向。多年来学者们在这一领域里进行了艰苦的研究工作，无论在理论研究发展上，还是在冗余度机器人的创新设计上都取得了丰硕的成果，为新领域新学科的开拓和发展提供了巨大的帮助。目前，国内外发表的关于冗余度机器人研究的文献主要集中于机构学（机构设计及研究）、运动学（逆运动学求解、奇异回避、障碍回避、最优运动性能等）等诸多领域。冗余度机器人机构学研究进展冗余度机器人因其本身几何结构具有高度的灵活性，得到了广泛研究,已成为机器人技术的一个重要发展方向。目前的研究己从一般的冗余度机器人操作手系统，扩展到多冗余度机器人系统以及超冗余度机器人，其机构学的研究也正成为机器人研究的热点。迄今为止，国内外已研制了多种冗余度机器人系统，一些产品已实现商品化。国外在冗余度机器人操作机设计研究方面，日本MITI机械工程试验室1974年就开发出了仿人形“MELARM” 7-D0F双臂机器人，东京大学1979年研制了 “UJBO T” 7-D0F机器人操作手；1987年，日本MITI机械工程实验室又生产了一台用于缝纫的仿人形