化工容器壁面检测移动机器人的本体设计及运动分析

分类号：TP242密级：公开UDC：单位代码：10424学位论文化工容器壁面检测移动机器人的本体设计及运动分析王富杰申请学位级别：硕士学位专业名称：机械制造及其自动化指导教师姓名：孙静职称：副教授山东科技大学二〇一二年五月论文题目：化工容器壁面检测移动机器人的本体设计及运动分析作者姓名：王富杰入学时间：2009年9月专业名称：机械制造及研究方向：先进制造工艺、装其自动化备及其自动化指导教师：孙静职称：副教授王吉岱教授论文提交日期：2012年5月论文答辩日期：2012年6月9日授予学位日期：DESIGNANDMOTIONANALYSISOFWALL-CLIMBINGROBOTAPPLIEDTODETECTIONONCHEMICALCONTAINERADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeofMASTEROFPHILOSOPHYfromShandongUniversityofScienceandTechnologybyWangFujieSupervisor:AssociateProfessorSunJingProfessorWangJidaiCollegeofMechanicalandElectronicEngineeringMay2012声明本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。硕士生签名：日期：AFFIRMATIONIdeclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofPhilosophyinShandongUniversityofScienceandTechnology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.Thedocumenthasnotbeensubmittedforqualificationatanyotheracademicinstitute.Signature:Date:山东科技大学硕士学位论文摘要摘要化工容器是一种用于存储或反应的容器，由于其经常在高温、高压或腐蚀的条件下工作，很容易因为材料的劣化、脆断或疲劳断裂而导致失效，因此，为了保证化工容器的安全运行，需要对其进行定期安全检测。壁面移动机器人技术的发展，为化工容器壁面检测的自动化和高效性提供了新的技术平台，在化工行业具有广泛的应用前景。本文在详细综述了壁面移动机器人国内外发展概况的基础上，针对化工容器壁面检测对壁面移动机器人的功能要求及传统壁面移动机器人的缺陷，提出了一种采用间隙磁吸附、轮式移动机构和电机驱动的新型壁面移动机器人本体结构方案，主要解决了传统壁面移动机器人因转弯困难而导致运动过程中灵活性不足的问题。通过分析化工容器的实际检测要求及壁面真实情况，建立了壁面移动机器人在壁面上的一般空间位置模型；分析了可能发生的失稳形式及产生失稳形式的原因，通过对处于任意位置的壁面移动机器人进行了静态受力和稳定性分析及推导，得到了壁面移动机器人上单个永磁吸附单元提供的吸附力应满足的条件，为壁面移动机器人的安全可靠性设计提供了依据。研究了壁面移动机器人的动态平衡和驱动平衡问题。理论分析了壁面移动机器人在化工容器壁面进行匀速运动时的动态平衡及驱动平衡的要求，获得驱动电机提供的驱动力矩需要满足的条件；建立了一般情况下的壁面移动机器人投影平面简化模型，并在此模型的基础上分析了转弯时的动态平衡，得到了驱动电机需要提供的昀小许用驱动力矩，为驱动电机的选型提供了依据。通过Solidworks软件创建了壁面移动机器人的三维模型，使用ADAMS软件对模型进行运动学和动力学仿真分析。通过运动学模拟仿真，验证了壁面移动机器人直线行走时的速度符合设计要求，原地转弯过程符合转弯灵活性要求；通过动力学模拟仿真，验证了吸附装置设计的合理性，驱动电机提供的驱动力矩满足机器人的驱动要求。关键词：壁面移动机器人，轮式移动，间隙磁吸附，模拟仿真山东科技大学硕士学位论文摘要ABSTRACTAsstorageorreactionvessels,chemicalcontainersareusuallyoperatedunderhightemperature,highpressureorcorrosionenvironment,itisliabletocausefailureduetothedegradation,brittlefractureorfatiguefractureofmaterials.Inordertoensurethesafetyoperationofchemicalcontainers,itisnecessarytocarryouttheregularsafetyinspection.Thedevelopmentofwall-climbingrobottechnologysuppliesanewtechnologyplatformfortheautomationandtheefficiencyinspection,whichwillhaveawideapplicationprospectinchemicalindustry.Basedonadetailedoverviewofthedevelopmentofwall-climbingrobotsathomeandabroadandaimedatthefunctionrequirementsofwall-climbingrobotsappliedtodetectchemicalcontainers,anewstructureschemeofawall-climbingrobotwhichadoptsspacemagneticadsorption,wheelmovementandmotordrivenhasbeenputforwardinthispaper.Itwillimprovethemovementflexibilityoftraditionalwall-climbingrobotswhichresultedfromthedifficultiesduringturning.Accordingtothepracticalrequirementsofchemicalcontainersdetectionsandtheactualsituationofcontainers’surfaces,thegeneralspaceattitudemodelofwall-climbingrobothasbeenbuiltup.Afteranalyzingtheinstabilitiesthatcanoccurandtheircauses,thestaticforceandstabilityofwall-climbingrobotunderarbitraryspaceattitudehavebeenstudied,andthentheabsorptionforceofeachmagneticcellsweregotten,whichprovidesthereliabilityforthesafetyofthewall-climbingrobot.Thedynamicbalanceandthedrivenbalanceofthewall-climbingrobotwerestudied.Thebalancedrequirementsofthewall-climbingrobotduringuniformlinearmotionwereanalyzedtheoreticallyandtherequirementsofthedrivingtorquewasachieved.Theprojectivemodelofthewall-climbingrobotwasbuiltandtheturningofwall-climbingrobothasbeenanalyzedindetail,whichsuppliestheleastpermissibledrivingtorqueofthemotor.Three-dimensionalmodelofthewall-climbingrobotwascreatedbytheSolidworks,thekinematicsanddynamicssimulationsofwall-climbingrobotwerecarriedonbyADAMS.Throughkinematicssimulations,thelinearmotionvelocitywasprovedtosatisfiedtherequirementsandtheflexibilityofturningwereimproved.Thespacemagneticadsorptionandmotordrivenweretestifiedtobereasonableviadynamicssimulations.Keywords:wall-climbingrobot,wheelmovement,spacemagneticadsorption,simulation山东科技大学硕士学位论文目录目录1绪论..............................................................................................................11.1课题研究背景及意义.................................................................................................11.2在役化工容器检测技术的发展现状.........................................................................21.3国内外壁面移动机器人的发展概况.........................................................................41.4壁面移动机器人的研究现状...................................................................................101.5目前存在的问题.......................................................................................................141.6主要研究内容...........................................................................................................152壁面移动机器人的总体方案及本体结构设计...........................................162.1壁面移动机器人的总体结构方案设计...................................................................162.2壁面移动机器人的本体结构设计...........................................................................252.3本章小结....................................................................