爬壁机器人设计二维+三维+说明书1437320

摘要
船舶长期行驶在高湿度、高盐分的环境下，船舶表面产生一定程度的腐蚀与生锈，因此需要对船舶进行定期检测，以确定存在质量缺陷的位置，方便后期进行修复。目前，船舶表面质量的检测常由工人进行，船舶内部常存在大量的通风不佳的室腔，存在一些有毒气体，常规的护具也会因人为失误对工人造成威胁，因此使用机器人代替人工作业是一种必然趋势。其中爬壁机器人在壁面巡检中具有较强的适应性，因此本课题旨在设计一台可靠、高效以及环境适应能力强的爬壁巡检机器人，它的负载能力大于8kg，巡检速度大于6m/min。
针对本课题爬壁巡检机器人的实际工况分别比较了个爬行路劲、吸附方式、行走方式和驱动方式的优缺点，最终确定本课题所设计的爬壁巡检机器人采用“S”形路劲，永磁吸附、履带爬行和电机驱动的方案，所设计的爬壁巡检机器人的尺寸为360mm×300mm×180mm。
建立了爬壁机器人静力学不滑移和不脱落模型以及动力学匀速向上爬升和转弯模型，并进行数值求解，得到爬壁巡检机器人单个吸附单元最小吸附力应为91.05N，本课题决定采用吸附单元吸附力为150N，计算得到输入机器人小链轮的扭矩最小应为17.82N·m并对机器人主要零件进行设计校核。
使用workbench对船舶壁面倾斜角度为11.3°和71.7°进行仿真分析。在壁面倾角为11.3°时机器人最大形变为6.08×10-4mm，最大应力为3.24×10-5MPa；船舶壁面倾角为71.7°时，最大变形为2.03×10-3mm，最大应力为3.20×10-5MPa，均在可接受范围之内。
本课题所设计的爬壁巡检机器人安全可靠、布局紧凑、具有较高的适用性。
关键词：爬壁机器人；永磁吸附单元；有限元分析。

Abstract
Ships run in the environment of high humidity and high salt for a long time, corrosion and rust will occur on the surface of ships to a certain extent. Therefore, it is necessary to carry out regular inspection on ships to determine the location of quality defects for later repair. At present, the surface quality detection of ships is often carried out by workers, and there are often a large number of poorly ventilated chambers and some toxic gases in the interior of ships. Conventional protective gear will also pose a threat to workers due to human error. Therefore, it is an inevitable trend to use robots instead of manual work. The wall-climbing robot has strong adaptability in wall inspection, so this topic aims to design a reliable, efficient and strong environmental adaptability wall-climbing inspection robot, its load capacity is greater than 8kg, inspection speed is greater than 6m/min.
According to the actual working condition of the wall-climbing inspection robot in this subject, the advantages and disadvantages of a crawling force, adsorption mode, walking mode and driving mode are compared respectively. Finally, the wall-climbing inspection robot designed in this subject is determined to adopt the "S" shape road force, permanent magnet adsorption, crawler crawling and motor drive scheme. The size of the designed wall-climbing inspection robot is 360mm×300mm×180mm.
The static model of non-slip and non-fall of the wall-climbing robot and the dynamic model of uniform climbing and turning were established, and the numerical solution was carried out. The minimum adsorption force of a single adsorption unit of the wall-climbing inspection robot was 91.05N, and the adsorption force of the adsorption unit was 150N. It is calculated that the minimum torque of the input robot sprocket should be 17.82N·m and the main parts of the robot are designed and checked.
Using workbench, the ship wall tilt angles of 11.3° and 71.7° were simulated and analyzed. When the wall Angle is 11.3°, the maximum deformation of the robot is 6.08×10-4mm and the maximum stress is 3.24×10-5MPa. When the dip Angle of ship wall is 71.7°, the maximum deformation is 2.03×10-3mm and the maximum stress is
目录
摘要I
Abstract II
第1章绪论1
1.1课题研究背景及意义1
1.2国内外研究现状1
1.2.1国外研究现状1
1.2.2国内研究现状2
1.3主要研究内容2
1.4文章结构3
第2章爬壁机器人分析及方案设计3
2.1爬壁机器人分析3
2.1.1爬行路径分析及选择4
2.1.2吸附方式分析及选择4
2.1.3行走方式分析及选择5
2.1.4驱动方式分析及选择6
2.2爬壁机器人机械结构设计7
2.3本章小结8
第3章爬壁机器人相关设计计算9
3.1静力学分析计算9
3.1.1静力学模型的建立10
3.1.2模型的数值求解12
3.2动力学分析计算14
3.2.1动力学模型的建立14
3.2.2模型的数值求解18
3.3主要零件设计校核19
3.3.1电机的选型计算21
3.3.2直齿锥齿轮的设计校核22
3.3.3链传动的设计计算25
3.4本章小结26
第4章爬壁机器人仿真分析27
4.1前处理27
4.2静力学仿真求解29
4.3后处理30
4.3.1壁面倾角为11.3° 30
4.3.2壁面倾角71.7° 31
4.4本章小结31
第5章总结与展望32
5.1总结32
5.2展望32
致谢33
参考文献34

第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
随着我国综合国力不断提升，我国在船舶市场逐渐扩大，造船量和修船量也同步增加。船舶长时间在水面上行驶，水面大气中存在大量的NaCl等，会对船舶造成腐蚀等问题，因此需要对船舶进行定时巡检，发现其中较为严重的质量问题并进行检修[1]。船舶中布置着较多的密闭舱室，若派遣工作人员进入巡检，舱室中可能会存在有毒有害气体等，即使采用一些安全措施也可能会因为人为失误、设备故障等造成重大伤亡事故。因此，通过机器人代替员工进入密闭舱室进行巡检愈发重要，由于船舶的尺寸较大且舱室的入口较小，为了满足舱室的每一块区域都能被检测到的条件，爬壁机器人应用而生。现在越来越多的学者开始进行这一方向的研究。通过爬壁机器人可以有效降低安全事故发生的风险，可以定期对船舶的舱室进行巡检，同时可以节约劳动力。爬壁机器人可以搭载不同的检测传感器检测数据，并进行数据保存，方便后期对数据进行整理。
1.2国内外研究现状
随着经济贸易的发展，海上航运的需求极速增加，国内外对船舶的需求量也随之增加。海洋中存在极为丰富的矿产资源、水产资源等，若要进行开发与探测也离不开船只，因此船舶的重要作用不言而喻，海上航行需要保证船舶质量不会出现问题，因此对船舶需要进行定时检测。其中，爬壁机器人的应用贯穿船舶生产、使用、检测、维修等大部分环节，爬壁机器人的研制也引起了国内外学者的关注，学者们希望通过爬壁机器人解决实际的工程难题。爬壁机器人主要应用在船舶巡检、船舶喷砂除锈、船舶喷涂等多个领域。目前，国内外学者也取得了一些研究成果。
1.2.1国外研究现状
爬壁机器人在国外的研究起步较早，其中日本学者的研究较为显着。1966年A.NISHI教授研发了一台可以在垂直壁面上进行作业的爬壁机器人[2]。1984年，佐藤主等人研发了足式爬壁机器人，它总共拥有8个足部，采用永磁式吸附方式，该机器人的足部通过丝杆传动控制移动，由于丝杆转动较为缓慢，因此存在机器人移动速度慢的问题[3]。Unver O等人设计了一种采用粘性吸附的机器人，该机器人属于轻量机器人，它具有运动平稳速度快等优点，但是其负载能力较差[4]。Tummala R L等人研发了一种采用双足行走的爬壁机器人，它采用真空式吸附方式，它同样存在负载能力差的问题[5]。卡内基梅隆大学的学者研制了一款轮式爬壁机器人，主要结构使用了弹性材料，可以使得每次脱离壁面后回到正确的位置[6]。戴尔豪斯大学的学者研制了一种用于油管检测的爬壁机器人，该机器

传感器安装座

大齿轮

电机安装板

爬壁机器人

外壳

外链节

主动链轮

主动轴