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1、 11 届本科毕业设计（论文）开题报告题 目 轮式悬磁吸附装置结构设计与吸附可靠性研究学 院 电气与自动化工程学院 年 级 2011 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号姓 名 校内导师 职 称 讲师 校外导师 职 称 毕业设计(论文)题目 轮式悬磁吸附装置结构设计与吸附可靠性研究 一课题的目的和意义：今世界，机器人在各行各业中都得到了广泛的应用和发展，其研究与应用水平已成为衡量一个国家经济实力和科技发展水平的重要标志。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
2、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，因此自问世以来受到各国的广泛关注。目前面临的问题是爬壁机器人在作业时，往往需要携带清洗设备、检测仪器、侦察武器等物品，这就要求其具有一定的负载能力，而负载能力越强，需要机器人吸附机构提供的吸附力越大。吸附装置作为爬壁机器人主要的组成原件，对此有决定性作用，所以如何设计一种吸附强并且可靠的吸附装置，是现在研究的重点，也是难点。二课题研究的主要内容：首先，通过阅读相关文献，了解磁吸附单元及其磁吸附爬壁机器人的发展概况和基本原理；掌握爬壁机器人任意位姿的力学分析和吸附稳定性研究 其次，对磁吸附单元的外形和吸附环节进行设计
3、，设计出可靠的磁吸附单元，；说明磁吸附单元的基本结构和工作原理，研究其制作方法。分析磁吸附单元制作中面临的问题，总结并提出了解决方案，完成磁吸附单元实物制作。然后，分别建立磁吸附单元吸附可靠性研究模型。在此前提下对吸附装置进行静态和运动状态的力学分析，针对吸附装置在运动过程中存在的三类可能失效形式：沿壁面滑移、纵向倾覆、横向倾覆，探索吸附装置安全吸附的条件与吸附力的关系。针对吸附装置越障能力的设计要求，通过建立吸附装置越障的力学模型，研究各种情况的越障碍能力，并采取相应措施提高其越障性能。 最后，处理实验所得数据，做出数据曲线图，分析爬壁机器人工作时各个位面的吸附可靠性得出相关结论。再将实验所
4、得数据与ANASYS仿真的数据结果作对比，证明理论的正确性，说明吸附可靠性研究为理论提供了实验依据。三、文献检索及参考文献目录窗体底端1陈勇, 王昌明, 包建东. 新型爬壁机器人磁吸附单元优化设计J. 兵工学报, 2012, 33(12): 1539-1544.2Meng M. A wall climbing robot for oil tank inspectionC/2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. 2006: 1523-1528.3王军波, 陈强, 孙振国. 爬壁机器人变磁力吸附单元的优化设计J
5、. 清华大学学报: 自然科学版, 2003, 43(2): 214-217.4蔡丽君. 履带式爬壁机器人设计与研究D. 上海工程技术大学, 2011.5张俊强, 张华, 万伟民. 履带式爬壁机器人磁吸附单元的磁场及运动分析J. 机器人, 2006, 28(2): 219-223.6Guo F, Tang Y, Ren L, et al. Structural parameter optimization design for Halbach permanent maglev railJ. Physica C: Superconductivity, 2010, 470(20): 1787-179
6、0.7张小松. 轮式悬磁吸附爬壁机器人研究D. 哈尔滨工业大学, 2012.8衣正尧, 弓永军, 王祖温, 等. 新型除锈爬壁机器人附壁建模与仿真J. 四川大学学报: 工程科学版, 2011, 43(2): 211-216.9唐浩. 船舶壁面除锈爬壁机器人的研究D. 大连海事大学, 2008.10张越.国内外壁面移动式机器人发展概况.唐山工程技术学院学报,1994,16(l),27-31.11唐贵杰. 永磁体空间磁场测量系统的研究D. 哈尔滨工业大学, 2008.12Silva M F, Barbosa R S, Oliveira A L C. Climbing Robot for Ferro
7、magnetic Surfaces with Dynamic Adjustment of the Adhesion SystemJ. Journal of Robotics, 2012, 2012.13Ji-zhuang F A N, Yan-he Z H U, Jie Z, et al. Research on adsorption mechanism of wall climbing robots based on internally balanced theoryJ. Journal of Harbin Institute of Technology (New Series), 200
8、7, 14.14丁鹏. 钢铁墙壁面爬壁机器人的研究D. 太原理工大学, 2012.15李德威. 基于钢铁墙壁的永磁吸附爬壁机器人研究D. 太原理工大学, 2010.16陈勇, 王昌明, 包建东. Halbach 型永磁吸附机构的有限元分析及优化J. 高技术通讯, 2013, 23(5): 484-490.四国内外研究现状及分析 爬壁机器人具有较长的历史，其开端可以追溯到日本西亮教授于1966年研制的依靠负压吸附的爬壁机器人样机，该机器人利用电力驱动风机获得吸附力从而实现壁面行走。由此引发在全球范围内爬壁机器人技术研究热潮，各国纷纷研制出各种类型的样机，在上世纪八十年代后，国内的研究人员也纷纷涉
9、足这一领域。这些样机虽然原理不同，但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，成为了爬壁机器人技术研究最为核心内容。总体来说，爬壁机器人的吸附方式主要归为以下三类：磁场吸附，基于负压的吸附和仿生吸附国内发展现状国内对爬壁机器人的研究起步较晚，但已取得不少成果。哈尔滨工程大学作为先驱者，1997年成功研制的水冷壁清洗检测爬壁机器人8 ，采用圆弧形永磁铁块，并与管壁圆弧相吻合组成吸附机构，从而减小工作气隙，提高磁吸附力。之后，又研制了基于磁吸附的履带式的多
10、功能罐壁喷涂、检测爬壁机器人4。属于恒磁力履带爬壁机器人，每条履带上均匀分布30块磁块，移动时始终保持一定数量的磁块和壁面接触以保证机器人的稳定吸附在壁面上。机器人的运动和转向通过控制两侧履带的速度来实现，利用车体上方的倾斜计实现对机器人位姿的控制。 针对恒磁力履带式爬壁机器人灵活性的不足，清华大学孙振国，王军波，陈强设计了一种变磁力吸附单元3，为变磁力吸附单元的两种工作状态。将径向磁化的圆柱形永磁体置于长方形铁轭中心的通孔中，气隙a把铁轭隔为对称的两半，永磁体可在孔中自由转动。永磁体通过与外部拨动-回复机构相连接，实现对磁吸附力的调节。清华大学研制的轮式磁吸附爬壁机器人7，永磁体安装在车子底
11、盘上，工作时与导磁壁面非接触。该机器人主要由轮式移动车体和特殊设计排列的永磁体吸附机构组成。对称分布的驱动轮采用非磁性材料，利用差速驱动实现转向。将永磁吸附机构安装在车底盘上，与导磁壁面保持一定的距离，则机器人既可以灵活地运动也能承受一定的负载。 太原理工大学在研究轮式爬壁机器人时设计了一种可调磁极吸附单元14。本磁力吸附装置根据磁力夹具工作原理设计，整体结构由永磁体和铁轭组成。将半径为R的径向磁化的圆柱形永磁体安装在长方体铁轭中，铁轭被气隙 D分隔成对称的两半，当永磁铁极性方向为水平时，呈吸附状态，在铁轭、工件和两者之间的气隙中形成闭合的磁场，向机器人提供爬壁时所需的磁吸附力；当永磁铁极性方
12、向为竖直时，呈卸载状态，在两侧铁轭中形成闭合磁场，几乎不向工件提供吸附力。如此一来，便可以实现对机器人上下工作壁面的操作。 国外发展现状日本在这个领域拥有领先地位。传统履带式磁吸附爬壁机器人磁吸附机构的永磁体通过铰链联接在一起，其壁面适应能力差。对此，日本研究人员研制了一种面向曲面的分散机构9，这种吸附机构是将永磁体直接镶嵌在履带上，同时在履带上装置多段刚性导杆，然后将连杆多级连接，这样一来，使机器人无论在什么样的壁面上都可以保证履带与壁面的接触，不影响其运动灵活性。但需要注意的是，为了使磁吸附机构对称，必须以2的幂次方分配导杆个数。日本应用技术研究所研制依靠磁轮吸附的爬壁机器人10。该机器人
13、依靠永磁体制作的四组车轮吸附单元吸附在壁面上，可以在各种大型导磁壁面移动。两足电机控制吸附单元实现机器人的灵活运动，机器人的摄像机可以传输图像，实时监控工作现场状况，前端的机械臂可以安装各种操作工具完成诸如除锈、检测的工作。该机器人对壁面和路况适应能力强，而且不会对壁面涂层或者油漆造成破坏。爬壁机器人现状分析 7爬壁机器人实质是通过吸附力产生对壁面的正压力，并依靠摩擦力克服自重从而在壁面上行走的移动机器人。从上述发展现状中可以看出，爬壁机器人的研究焦点集中在吸附方式和行走机构上。对于三种主要的吸附方式，仿生吸附前景广阔，但是由于这些技术大多刚刚起步，多数研究还停留在试验阶段，不具备可行性。负压
14、吸附壁面材料适应范围广，但是要求壁面比较光滑以保证其密封性，漏气后大大影响其吸附性能，且负压的产生不可避免的产生噪声辐射。磁吸附方式分为永磁吸附和电磁吸附，结构简单、吸附能力强，而且对壁面形状适应能力强，但是只适合在导磁性物质。在爬壁机器人各种行走方式中，腿足式机器人壁面适应和过渡能力强，能跨越较大的障碍，但是存在结构复杂，控制难度大，运动速度慢等缺点。履带式机器人发展较早，壁面形状适应能力强，工作壁面的接触面积大，但是存在功耗大，转向阻力矩大，运动不灵活等缺点。轮式移动系统机构简单，质量轻，功耗小，控制方便，运动灵活，但是和壁面接触面积小。爬壁机器人是吸附技术和行走技术有机融合，无论选择吸附
15、方式还是行走方式，都要考虑到两者的相互适应性。针对本课题的实际需求，轮式磁吸爬壁机器人有较强优势目前该类机器人有两种主要形式：一是用悬挂于基体的非接触吸附机构产生吸附力，用非磁性材料制作轮体来驱动机器人运动，这种悬磁结构所存在壁面适应能力差，越障较困难等缺点。另一种是直接用磁体制作轮体，轮体既做吸附结构又做驱动行走机构，但是对于现有的高性能永磁体，其质地硬而脆，抗冲击、振动能力不足，所以磁轮在工作过程中易碎，安全性不高。如何解决上述矛盾成为了研究的重点。五完成课题所需的条件、主要困难及解决办法1了解磁吸附装置的基本原理 2掌握吸附装置静力学分析方法3轮驱动磁吸附方案主要有两种形式：一种是吸附机构和和驱动机构分离；另一种是驱动行走机构既负责移动又负责吸附的方式。前者一般是在轮驱动车体腹部安装永磁体，这样永磁体辐射面积广、吸附力大、带载能力强，结合轮体驱动，机器人可以灵活移动由于要维持稳定的吸附力必须保证机永磁体和壁面的距离足够近，磁力随永磁体与壁面距离 的增大而急剧衰减。
