基于单气缸的气动爬壁机器人研究毕业论文(编辑修改稿)

基于单气缸的气动爬壁机器人研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

由于爬壁机器人的作业环境恶劣，本控制系统采用 STD 总线工业控制机，它能够适应控制现场的震动、灰尘、潮湿、有害气体和各种电磁干扰，具有较高的可靠性和灵活的外围模板配置。 电气控制柜是整个控制系统的核心，包括一套 STD 工业控制机，两套交流伺服单元，开关电源、继电器等。 鉴于机器人工作在有爆炸性气体的环境中，电机选用日本三木公司生产的永磁式交流伺服电机，型号为 SAH120，并分别安装了隔爆外壳和隔爆电气接线盒，具有全封闭结构，可靠性高。 驱动器采用配套的伺服单元，型号为 SAPII，可实现电 机的位置闭环控制和制动控制，具有过流、过压、过载、超速、过热、电源异常、短路与再生吸收能量等的保护。 遥控器采用 STD 工控机的遥控系统，遥控距离 ≥25m ，控制机器人的运动、喷涂、测厚等，操作方便。 (2) 水冷壁清扫、除渣、测厚爬壁机器人 火力发电站大型排管锅炉中的水冷壁的向火侧管壁表面上存在着积灰、结渣、磨损和腐蚀等问题，对锅炉的安全、经济运行会造成很大危害。 为实现电站锅炉水冷壁的定期自动清扫和检修， 1997 年，哈工大机器人研究所和天力机器人工程有限责任公司联合研制开发出一套适用电站锅炉水冷壁排管清扫、 敲渣、检测的履带式磁吸附爬壁机器人试验样机，并于 1998 年得到国家 “863” 高科技计划资助，如图 6 所示。 该设备的使用可使工作效率提高 10 以上，大幅度地缩短了检修时间，经济效益可观。 图 16 水冷壁爬管机器人 (1) 具体技术指标 a) 吸附方式：永磁吸附； b) 移动机构：履带式； c) 移动速度： 2～ 8m/min。 d) 负重能力： 40kg。 e) 控制方式：有线遥控， PLC 控制。 f) 爬行壁面：由 Φ60mm 管组成的排管水冷壁， 高度为 46m。 g) 作业功能：带附件后 ，能实现清扫、敲渣、测厚、打标记等。 (2) 机械结构 机器人的永磁吸附块形状呈圆弧形，与管壁圆弧相吻合，从而减少磁路中的气隙，提高磁 第 11 页 吸附力。 为使机器人能安全跨越一定高度的焊缝设计了抗倾覆机构，并可使行走平稳可靠。 在履带式水冷壁清扫、检测爬壁机器人中，通过链条传动带动摇杆机构，使钢丝刷做来回往复运动，实现对管壁表面的清扫。 敲渣电机带动棘轮棘爪机构，使钢锤间歇性地敲打管壁表面，实现对管壁表面结渣部分的清除。 在机器人上方安置 5 个超声波探头，可同时测量 5根管子的壁厚，并且纪录在案，一旦检测到壁厚过薄，能自动报 警并做标记，便于维修。 (3) 控制系统 电气控制柜包括一套可编程控制器、一套交流电机驱动器、开关电源、继电器等。 可编程控制器选用德国西门子公司的 S7200 型 PLC， CPU214 模块处理遥控盒的输入信号，发出脉冲指令，控制机器人的上、下行走，并执行清扫、敲渣、检测作业，检测电机的运行状态，以此构成爬壁机器人的控制系统。 电机采用日本松下的交流伺服电机 MSM042A1，驱动器采用相配套的交流数字伺服单元 MSD043A1XB。 第 12 页 2. 总体设计 机器人的功能分析 爬墙机器人的主要功能是能够自行爬上墙壁，为此爬墙机器人必须能够获得足够的吸力和牵引力。 作为一种自动爬行装置，其主运动为直线运动，因此设计采用具有循环往复运动特点的液压缸或气缸较为有利。 这样，既利于获得连续或单步两种爬升方式，又可以方便地进行手动、自动遥控操纵。 但由于机器人最大的爬升高度为 2~3 米，如果采用液压传动作为动力，油液的传送、油管的布置和现场施工中液压有的获得都是难以解决的问题，此外，液压油的重量也会对机器人整体重量产生巨大影响。 所以，根据机器人功能要求，本设计确定采用气压传动作为机器人动力，完全可 以满足荷重要求，也有利于使机器人自重控制在范围内，同时气源又可以满足清洗、喷涂等作业的用气需要。 出于工作效率上的考虑，对爬行速度的要求不高 ,其速度也可以手动设定，故设计确定采用单片机。 它的特点体现在体积小，重量轻，成本低，变成简单，容易掌握。 配合安装与气缸上进行行程控制的电磁阀可以很容易地实现机器人运动控制要求。 机器人的大体设计就如上所述，它的外观可以参考图纸。 为直观观察，可见如图 21的立体图。 图 21 机器人立体图 零件说明 对于零件的说明请参考图纸： 第 13 页 1． QGEW2 LA 50B 100 型气缸 外购件，此气缸由生产，材料为硬铝，是本机器人主要的动力来源。 2．托盘一 材料为硬铝，其周围是轮齿，其下面的轴与托盘二上装的轴承联接。 当机器人想转弯时，由它旁边的小齿轮带动，可以向各方向旋转，从而达到转弯的目的。 它的上面有两个缺口，其作用由下面提到。 3．托盘二 材料为硬铝，中间的孔用来安装轴承，与托盘一联接，旁边突出的部分上安装电机，带动托盘一转动，使机器人可以转弯。 四个小螺纹孔用来安装四根滑杆，滑杆的作用下面提到。 4．托盘三 材料为硬铝，中间的螺纹孔用来安装吸盘支架，四个小孔用来 安装套筒，套筒中安装 直线轴承，与托盘二上的滑杆联接。 除下的大孔用来安装轴承，与一个电机联接。 5． GB281988 型螺钉 标准件，用来联接气缸支架与气缸。 6．气缸支架 材料为 45 号钢，用来固定气缸，使气缸与托盘一可以很好的联接在一起，不会有相对运动。 7．吸盘 外购件，抓住墙面的主要力量来源，机器人靠它吸附在墙面上。 8．轴承 6204 标准件，型号 GB/T2761994，安装在托盘三上。 9．弹性挡圈 第 14 页 标准件，型号 GB/，安装在托盘三内的套筒中，用来阻挡其中直线 轴承滑动。 10．直线轴承 标准件 11．轴承 6210 标准件，型号 GB/T2761994，安装在托盘二上。 12．滑杆 材料为硬铝，用来保持两个托盘之间的平行。 13． GB/ 型螺钉 用来固定气缸支架与托盘一。 14．吸盘支架 焊接件，材料为硬铝，安装在托盘三上，由四部分焊接而成，上面安装吸盘。 15．焊接框架 焊接件，材料为硬铝，是本机器人的总体框架，由六种零件焊接而成，它们是： 1） QGEW2 LA 50B 100 型气缸 其功用等上面已经提起过，在这里就不再详细介绍了。 2）直 角管接头 用来连接腿与横梁。 3）腿 用来支撑整个机器人的 “ 身体 ” ，下端接吸盘，中空，通气的管子由此通过；行走时起到迈进的作用。 4）横板 联接前后两个支撑架，可以加强稳定性；嵌在托盘一的两个缺口中，防止支架在行走过程中左右晃动。 另外，可以在横板上安装电机驱动器、气流控制阀、电磁阀等器件。 5）前后挡板 加强腿的稳定性，还为横板提供焊接点。 6）横梁 连接两腿，固定气缸，也是中空，可以让管道在此通过。 第 15 页 以上为各零件的简单介绍，下面来说一下机器人的工作原理。 工作原理 制作本机器人的目 的是可以使机器人在人的控制下独立的爬上墙壁，因此如何使机器人吸附在墙壁上就是本设计中首要解决的问题，另外，吸附在墙壁上后如何行走是另一个在问题，解决了这两个问题后，其它问题就比较容易解决了。 对于第一个问题我采取的措施是使用了吸盘，通过吸盘的吸力使机器人吸附在墙壁上。 吸盘可以抓的住的粗糙度比较大，一般的就可以吸起像石头一样粗糙的物体，因此，对于吸附墙壁来说，吸盘可以轻松的应付。 解决了这个问题下个问题就是如何让机器人行走。 对于大部分可独立运动的物体，如动物、车辆等，运动的方式主要有两种：一是像动物一样，几个 支撑点相互交错着支撑身体，并且移动位置来达到行走的目的；另一个就是像车辆一样，通过轮子的转动来向前运动。 由于本机器人需要用吸盘吸附在墙上，所以，用轮子转动的方式比较困难，因此，我采用了第一种方式，就是两个吸附点或者说几个吸盘相互交换位置，轮换着吸附墙面，从而使机器人行走。 从图纸上可以清楚的看到，机器人大体上可分为两个相对静止的部分，一是焊接框架和气缸的活塞杆（后面简称为支架）；一是其它的如三个托盘）等和气缸筒（后面简称为下盘，因此，机器人的行走就靠这两部分上的吸盘轮换着吸附墙面，并且交换位置来行走。 大体的 行走过程是这样的： 以向上走为例，先让支架上的吸盘吸住墙面，使机器人可以固定在墙上，此时如果下盘处于位置比较靠下的地方，则对气缸上位置在上面的气口（后面简称为 1 口）输入气体，位置在下面的气口（后面简称为 2 口）输出气体，使气缸向上运动，从而带动下盘向上运动。 当下盘到达顶部时，此时气缸的行程也已近最大，停止输入气体，使下盘上的吸盘吸住墙壁，吸牢后，支架上的吸盘放开墙壁， 1 口输出气体， 2 口输入气体，使气缸向下运动，下盘也随之下移，当下盘到达底部后，支架上的吸盘再吸附住墙面，而下盘上的吸盘放开，再重复上面所述的过程 ，即可向上运动。 同理，也可以向下运动。 如果在运动过程中，想让机器人转弯，则可通过小齿轮的转动带动托盘一，使支架转动到想要的位置，从而改变方向。 运动过程中，在支架和下盘相对运动时，如果不做任何调整，吸盘会与墙面产生摩 第 16 页 擦，而使运动难以顺利进行，因此，在托盘三上安装了一个电机，带动一根螺纹杆转动，螺纹杆与托盘二上的螺纹孔联接，当电机转动时，可以带动托盘三和托盘二间的相对分开与接近的运动，这样，在运动时，就需加入这项运动。 在支架和下盘同时抓住墙壁时，根据情况，选择电机的正反转，这样就可以避免摩擦。 整个行走过 程可用图 22 表示： 图 22 机器人的行走过程 3. 机械机构设计 第 17 页 机械机。