磁吸附履带式攀爬钢缆机器人的分析与研究

摘要

攀爬机器人用于代替人类完成各种危险的工作而成为当今机器人领域的研究热点之一。这类机器人可以搭载所需要的设备在管道或钢缆上面进行运动，协助工作人员完成检测、维护等工作，具有广阔市场应用前景，研究和探索新型的攀爬钢缆、管道类机器人具有重要意义。
　　本文首先分析了关于攀爬机器人的国内外研究的最新进展，提出一种磁吸附履带式攀爬钢缆机器人的新型驱动方案。然后利用三维建模软件完成了对爬缆机器人的详细机械结构设计。使用ANSYS Workbench分析软件对关键零部件进行了静态结构强度分析，校核了关键零部件的结构强度。
　　接下来重点研究了磁吸附履带的关键技术——永磁履带板的磁场特性和吸附能力对其进行了深入的理论分析与研究，设计了三种磁极布置方案的永磁履带板，推导相应的理论公式，分析计算永磁履带板的磁感应强度和磁力大小。同时，借助ANSYS Workbench软件中有限元电磁分析平台对不同磁极布置方案进行磁场仿真分析，得出最佳磁极布置方案。本研究还对定制的永磁履带板样品进行磁感应强度和磁力的测量实验，并通过测量结果验证了永磁履带板的磁场理论分析以及磁场有限元分析的正确性和可行性。与实际测量实验数据对比得到其他两种计算磁力的方法与真实值的误差，验证了永磁履带板内磁场分布具有边角集中效应的规律。
　　最后，对不同位姿状态下机器人的单侧和双侧机构进行力学分析，研究机器人各种可能的倾覆形式，通过其动态力学分析得到所需的驱动力矩，并在ADAMS软件中建立机器人的虚拟样机模型，对其进行运动仿真分析，分析虚拟样机运动情况。对支架和履带进行模态分析，得出支架、履带机构的固有频率和振型，为避免机构共振的发生和日后的结构优化工作提供了参考。为制作样机实验奠定基础。
　　本文工作对于磁吸附攀爬机器人的后继研究和发展提供参考和设计基础。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 研究背景及意义

1．3 攀爬机器人国内外发展现状

1．3．1 国内研究现状概况

1．3．2 国外研究现状概况

1．4 论文主要研究内容

1．5 本章小结

2．1 引言

2．2 爬缆机器人功能分析及设计

2．3 攀爬方案设计

2．3．1 支撑方式的分析与选择

2．3．2 运动方式的分析与选择

2．3．3 动力驱动源的分析与选择

2．4 总体方案设计

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 爬缆机器人机械结构设计

3．2．1 关键零件设计

3．3 机器人装配设计及模型建立

3．3．1 机器人模块化设计

3．3．2 爬缆机器人装配模型

3．4 关键零部件结构强度分析

3．4．1 整体支架静力分析

3．4．2 传动轴静力分析

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 永磁材料分析及磁路设计与选择

4．2．1 永磁材料的分析选择

4．2．2 磁路的分析设计

4．3 永磁吸附力理论分析与计算

4．3．1 永磁吸附力的力学模型

4．3．2 永磁履带板磁力计算分析

4．4 永磁履带板磁场有限元分析

4．4．1 单块永磁履带板有限元分析

4．4．2 单侧机构多块永磁履带板有限元分析

4．4．3 双侧机构多块永磁履带板有限元分析

4．5 永磁铁样品测试分析

4．5．1 永磁铁样品理论计算

4．5．2 永磁铁样品磁场有限元分析

4．5．3 永磁铁样品实验分析

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2 单侧机构静态力学分析

5．2．1 克服下滑条件的静力分析

5．2．2 克服倾覆条件的静力分析

5．2．3 攀爬机器人承载能力分析

5．3 单侧机构运动受力分析

5．3．1 爬缆机器人向上运动分析

5．3．2 爬缆机器人向下运动分析

5．3．3 驱动单元的设计设计

5．4 双侧机构静力学分析

5．4．1 双侧机构纵向攀爬状态分析

5．4．2 双侧机构横向攀爬状态分析

5．5 爬缆机器人运动仿真分析

5．5．1 爬缆机器人虚拟样机模型

5．5．2 竖直方向运动仿真

5．5．3 倾斜方向运动仿真

5．6 关键零部件模态分析

5．6．1 支架模态分析

5．6．2 链条模态分析

5．6．3 模态结果分析

5．7 本章小结

6．1 研究成果总结

6．2 主要创新点

6．3 研究工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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