油罐检测爬壁机器人结构设计说明书.docx

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1、油罐检测爬壁机器人结构设计摘要：弧面机器人是移动机器人领域的一个重要分支,它是地面移动机器人结合吸附技术。它可以连接到垂直墙爬行,和携带工具来完成特定的任务大大扩大了机器人的应用范围。本文检测大型油罐的墙上攀爬机器人结构设计。机器人能爬在水箱表面灵活,并携带油箱超声波探头的超声波探伤。文章首先总结了国内外现有的弧面机器人在一些攀爬机构画出设计的文献,然后选择最好的解决方案进行比较。计划制定后，电机、传输和安装、定位和其他设计计算。主要做以下工作：首先,概述弧面机器人及其相关领域的现状和未来的发展方向。弧面机器人的总体结构设计,选择和分析墙上攀爬机器人的吸附方式，并阐述了每个磁路着重好的和坏点。

2、确定最后爬墙爬壁机器人的吸附方式为非接触式永磁吸附方式，和弧面机器人的稳定性和磁性吸附吸引力关系做出了相应的分析。其次,通过分析弧面机器人的运动模式是决定使用履带驱动模式的方式运动。通过对电机的驱动能力、机械师、运动学，建立机器人的动力学和运动学模式。完成后考虑,整体弧面机器人身体的机械结构设计。关键词:弧面机器人;磁吸附;TankteststructuredesignofrobotAbstract：Wa11-c1imbingrobotisanimportantbranchofthemobi1erobotfie1dasitistheterrestria1mobi1eroboticscombin

3、ewithadsorptiontechno1ogy.Itcanbeattachedtothevertica1wa11craw1ing,andtocarrytoo1stocomp1etecertaintasksinthegreat1yexpandedscopeofapp1icationofrobots.Thispaperfocusesonthedetectionof1argeoi1tankwa11c1imbingrobotstructuredesign.Therobotcancraw1inthetanksurfacef1exib1e,andcarryingtheu1trasonicprobein

4、u1trasonicf1awdetectionoftank.Artic1esstartwiththeexistingwa11-c1imbingrobotathomeandabroadaresummarizedinthe1iteratureofsevera1c1imbinstitutionsdrawthedesign,thense1ectthebestso1utionbycomparing.Program1aiddownafterthemotor,transmissionandinsta11ation,positioningandotherdesignca1cu1ations.Main1ydot

5、hefo11owingworks：First,theoverviewofthere1evantareasofwa11-c1imbingrobotanditspresentsituationandfuturedeve1opmentdirection.Designedthewa11-c1imbingrobotsovera11construction,choseandana1yzedthewa11c1imbingrobotsadsorptionway,ande1aboratedeachmagneticcircuitgoodandbadpointsemphatica11y.Determinedfina

6、11ycraw1sthewa11-c1imbingrobotsadsorptionwayforthenon-contactpermanentmagnetismadsorptionway,andthewa11-c1imbingrobotsstabi1ityandmagnetismadsorptiveattractionre1ationshasmadethecorrespondingana1ysis.Second1y,throughtheana1ysisthemovementofthewa11-c1imbingrobotmodeitisdecidedtousecaterpi11ardrivemod

7、easthewayofmovement.Byana1ysisingofthemotordrivecapabi1ity,mechanic,kinematic,theestab1ishmentoftherobotdynamicsandkinematicsmode.Afterthecomp1etionofconsideration,theovera11designedonthewa11-c1imbingrobotbodysmechanica1structure.Keywords:Wa11-c1imbingrobot；Magneticadsorption；摘要IAbstract目录m1引言11.1本课

8、题研究的目的和意义12爬壁机器人总体方案22.1 总体设计要求22.1.1 总体方案性能分析22.2 吸附机构的设计32.3 2.1吸附方式的选择42.2.2吸附单元的设计42.3移动机构的设计82.3.1移动方式的选择82.4驱动电机的驱动力92.5抗倾覆机构的设计123爬壁机器人机械结构设计143.1 爬壁机器人总体机械结构143.2 车体框架设计144爬壁机器人运动模型分析164.1爬壁机器人静力学分析164.2爬壁机器人运动学分析175结论20参考文献21致谢231引言在核工业、石化工业中，工人经常需要面对恶劣危险的作业环境；在消防部门、造船业、高楼清洗中，工人经常处在高空中；在深海作

9、业、抢修救灾中，工人的工作环境更是危险。随着人类的自我保护意识的逐步增强，为了减小或者避免工作环境中的危险，人们迫切需要有一种能替代人类的高空作业工具，从危险的工作环境中解放出来。目前，国内外己经有相当数量的爬壁机器人投入使用，主要应用于以下几个方面：1）核工业:对核废液储罐进行检查、测厚及焊缝探伤等。2）石化企业:对圆柱形罐体或球形罐体的内外表面进行检测、去锈或喷漆等。3）建筑行业;壁面清洗、擦玻璃、喷涂墙面、安装瓷砖等。4）消防部门：用于传递救援物质，协助救援工作等。5）造船行业:用于清洗船体表面、喷涂船体或轮船内壁等。6）电力行业:对发电站锅炉水冷壁管壁厚度进行测量。1.1本课题研究的目

10、的和意义油罐是石化企业中最常见的储存设备，由于压力的作用以及雨水和油品的侵蚀，罐壁可能产生凹坑、裂纹、内部孔洞等缺陷，这些缺陷不仅会造成油品泄漏，甚至可能引起火灾，因此必须定期进行检测。目前，对油罐的检测均由人工实现，需搭建脚手架，效率很低且危险性高。所以我们需要研究一种能够代替人来实现油罐壁面检测的机器人-爬壁机器人.它是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，是高空极限作业的一种自动机械装置，它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可在垂直壁面上附着爬行，并能携带工具完成一定的作业任务，大大扩展了机器人的应用范围。2爬壁机器人总体方案2.1总体设计要求本课题主要针对油罐检测爬壁机器人进行结

11、构设计。该机器人能在油罐表面灵活爬行，并携带超声探头对油罐进行超声探伤。因此该机器人能够在钢制壁面爬行、能够携带检测探头到达壁面任何位置，且机器人必须具备在钢质壁面可靠吸附的能力、有一定的运动精度和稳定性。所以必须具备稳定的移动能力和抗倾覆能力。下面将基于大型油罐检测的实际特点对上述各项功能选择最优的解决方案。2.1.1总体方案性能分析（1）有效负载爬壁机器人携带超声波探头在垂直壁面上运动，需克服自身重力。同时控制信号采用电缆线传输，大约需要长50m,重约6Kg的电缆线，再加上电缆线及超声波探头的重量。根据任务书要求，机器人的最大有效负载为20kg电机驱动力不小于340No（2）结构尺寸爬壁机

12、器人自身的尺寸决定了其运动的灵活性，为了使机器人能够转向灵活、不易倾覆，就要合理缩小机器人的大小和重量。并且机器人的高度直接影响其倾覆能力，所以也应尽量减小其高度。根据实际测量的数据显示，油罐口孔的直径约为600mm,因此机器人本体的三个投影面中至少有一个面的对角线要小于600mm。但由于永磁体的吸附面积受到机器人底面长和宽的限制，需要留有永磁吸附单元的空间，尺寸又不能太小。综合考虑将机器人设计成645mm350mmX190mm的尺寸。（3）爬行速度爬行速度主要是根据高效性、准确性和安全性确定。速度过快会引起机器人的倾覆，使定位的精度降低；速度过慢又会降低检测的效率。根据任务书将爬行速度设定为

13、为：02m/min。（4）运动精度爬壁机器人能够灵活准确运动，是准确检测油罐的基础和前提。由于油罐壁面是凹凸不平的，机器人在油罐壁面爬行过程中行进路线略微偏离了油罐母线，且油罐高度很大，机器人爬行一段距离后误差会被放大，从而可能造成漏检或者重复检测，这些都会造成爬壁机器人在检测运动不精确。所以要在机器人的本体上安装倾角传感器。倾角传感器根据角度偏差来调整爬壁机器人的运行姿态。（5）越障能力油罐的焊接有对焊和叠焊两种形式，因此机器人要安全越过焊接处，就必须能够跨越510mm的凸起。（6）设计性能指标根据上面的分析，得到如下的性能指标：最大尺寸：645mm350mm190mm机器人自重：24kg负

14、载能力：20kg移动速度：02mmin越障能力：510mm2.2吸附机构的设计目前爬壁机器人的吸附方式可以分为：真空吸附、磁力吸附和气流负压吸附,吸附方式的种类的优缺点见下表2.2。吸附方式优点缺点真空吸附单吸盘结构简单、体积小、易于控制、不受壁面材料限制越障能力低、对于复杂壁面环境不适应、断电和超过泄漏量将丧失吸附能力多吸盘密封性好、吸附力稳定、越障能力好、壁面过渡能力强结构复杂、控制难度大、断电和超过泄漏量将丧失吸附能力磁力吸附永磁式维持吸附力、不受断电的影响、安全可靠、吸附力稳定、壁面适应性强只适合导磁材料、控制较为麻烦、运行时磁体与壁面脱离较困难电磁式磁体与壁面的脱离容易、吸附力实时可

15、调、壁面适应性强需要消耗电能、受断电影响、电磁体重量大、不适合易燃易爆场所气流负压吸附无泄漏问题、壁面适应性强、吸附不稳定、运动精度有限、体积大、效率低2.2.1吸附方式的选择考虑到油罐壁上凹凸不平且有铁锈或其它杂质，所由上表可以看出，真空吸附方式容易使吸盘漏气导致爬壁机器人滑落，因此不适合选择；爬壁机器人需要携带很多设备，这就要求机器人的运动能够灵活、安全稳定、爬行速度快，而气流负压吸附方式吸附不稳定、运动精度有限、体积大、效率低，因而也不适合使用；油罐是钢结构组成，是导磁材料，适合磁力吸附方式，但考虑到油罐内装有易燃易爆物质，所以不适合选择电磁式吸附;而永磁式吸附结构简单、吸附力大，对壁面的凸凹适应性强，无漏气问题，很适合设计的要求。2.2.2吸附单元的设计永磁吸附单元的设计的原则是选择最优的材料和最合理的磁路结构，在提供稳定吸附力的同时减小爬壁机器人质量，并提高其运动和负载能力。综合考虑磁体的性能指标，确定吸附单元的永磁材料为轨铁硼N35。其性能表2.2.2致铁硼N35的性能参数剩磁/Br(T)磁感矫顽内禀矫最大磁能Br的密度（kg最高回复磁导力顽力积温度系m1)工作率/片rec/HCB(kA/HCJ/