钢丝绳捻向攀爬机器人设计与研究

摘要

工业中的许多纵深环境如矿井井筒、大厦电梯井、高空烟囱等，其工作环境复杂且人工巡检困难，已成为对工业安全生产监测的一个难点。为保障纵深环境中基础设施的正常运转和工作人员的安全，本文构建了一种可以沿着钢丝绳快速攀爬的巡检机器人代替工作人员对纵深环境进行实时监测。本文工作主要集中于巡检机器人的结构设计和性能评价，主要研究内容总结如下： 1)对机器人不同攀爬方式所具有的运动性能进行了分析。基于目前钢丝绳攀爬机器人的爬绳方式，对机器人不同攀爬方式所具有的运动性能进行分析比较，包括机器人攀爬时的主动轮轮体与钢丝绳的接触面积、机器人的主动轮轮体与钢丝绳的接触过程、两种运动方式所需的驱动力和两种机器人的越障性能四方面，当机器人主动轮转矩为0.1N?m，机器人总重为1.3kg时，对于常见的由于钢丝绳断丝产生的障碍，捻向机器人可以在携带4.5kg负载的情况下翻越高度为3mm的凸起障碍，比轴向攀爬机器人多携带0.4kg。 2)对沿钢丝绳捻向攀爬机器人的结构和控制系统进行了设计。根据纵深环境的巡检要求，设计了一种可沿着钢丝绳股捻向快速攀爬的机器人，该机器人由多个相同的移动模块组成，移动模块的数量由所需提供的驱动力所确定。每个移动模块由两组轮系共六个轮子组成，每个轮子由一个直流减速电机独立驱动，移动模块间可实现自动快速对接和分离。对机器人沿钢丝绳捻向攀爬时轮系数目与机器人的续航能力、多组轮系在机器人中的布置、机器人移动模块间的对接机构进行设计，并对机器人的运动参数进行确定，最后对机器人主要受力部件进行静力学分析，并完成样机的制作。 3)对机器人样机进行攀爬实验与性能进行了分析。搭建了一个可模拟纵深环境中钢丝绳振动工况的实验台。实验台可以模拟0~50Hz的高频小幅振动和0~25cm的低频大幅振动，其模拟范围可以覆盖实际中的钢丝绳振动工况。实验结果表明，不仅在实际的振动工况中，机器人可以快速可靠的在钢丝绳上攀爬，完成纵深环境的巡检工作，而且在振幅为0~20cm、振动频率为0~0.5Hz的低频大幅振动工况下和振幅为0~2cm和振动频率为20~50Hz的高频小幅振动工况下，机器人同样可以以最快9.8m/min的速度沿着钢丝绳快速的攀爬。 通过对沿钢丝绳捻向攀爬机器人的研究，为纵深环境巡检系统提供一种可快速移动的机器人技术方案，以帮助工作人员对纵深环境进行实时的监测，完善机器人技术和无线传感器网络健康监测技术在纵深环境中的应用体系，为工业生产提供安全保障。

目录

声明

致谢

变量注释表

1绪论

1.1.1课题背景

1.1.2 课题引出

1.2攀爬机器人国内外研究现状

1.2.1爬杆机器人研究现状

1.2.2爬绳机器人研究现状

1.2.3爬绳机器人移动方式总结

1.3课题研究意义

1.4 论文主要研究内容及章节安排

2爬绳机器人运动分析与力学特性比较

2.1轮体接触面积比较

2.2攀爬平稳性比较

2.2.1楔形轮沿轴向攀爬平稳性分析

2.2.2 圆弧轮沿轴向攀爬平稳性分析

2.2.3 楔形轮和圆弧轮运动缺点分析

2.2.4圆弧轮沿钢丝绳捻向攀爬平稳性分析

2.3攀爬所需驱动力的比较

2.4攀爬机器人越障性能比较

2.4.1 钢丝绳捻向攀爬机器人越障过程分析

2.4.2钢丝绳轴向攀爬机器人越障过程分析

2.5 本章小结

3钢丝绳捻向攀爬机器人设计

3.1机器人设计要求

3.2机器人设计总体方案

3.3钢丝绳捻向攀爬机器人结构设计

3.3.1多组轮系在机器人中布置方法以及驱动力计算

3.3.2 机器人结构设计

3.3.3机器人模块参数

3.4机器人模块对接机构设计

3.5机器人外壳应力应变分析

3.6机器人控制系统设计

3.6.1机器人PID调速方法

3.6.2机器人无线控制设计

3.6.3机器人视觉监测系统

3.7机器人样机的试制

3.8本章小结

4机器人攀爬实验及性能分析

4.1 实验台设计

4.1.1 实验台设计背景

4.1.2 实验台工作原理

4.1.3 实验台振动实现方法

4.2 机器人性能实验方法

4.3 机器人实验分析

4.3.1 低频振动实验分析

4.3.2高频振动实验分析

4.4 本章小结

5结论

5.1 论文工作总结

5.2 研究展望

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

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