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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號：
專 業(yè)：
機械工程及自動化
設(shè)計(論文)題目：
氣缸驅(qū)動爬桿機器人的設(shè)計
指 導(dǎo) 教 師:
2010年 3月 19日
開題報告填寫要求
1．開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；
2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫
2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
引言
隨著社會的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細(xì)，尤其是在現(xiàn)代化的大產(chǎn)業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產(chǎn)品的同一個部位上的一個螺母，有的人整天就是接一個線頭，人們感到自己的工作比較枯燥，于是人們強烈希望用某種機器代替自己工作，因此人們研制出了機器人，用以代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹩握{(diào)、枯燥或是危險的工作。機器人是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物，是一種典型的機構(gòu)和電控制結(jié)合的產(chǎn)物，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
在市政工程中，有大量的安裝及維修等工作需要爬桿作業(yè)。對于較粗的桿件，人工攀爬和工程車作業(yè)都比較方便。但是對于一些直徑較細(xì)，強度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。應(yīng)用帶升降機的工程車進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)成本較高，而且對于狹窄的胡同，工程車難以進(jìn)入，造成作業(yè)困難，因此爬桿機器人的研制一直是市政工程研究的熱點。爬桿機器人與一般在地面上移動的機構(gòu)有著很大的不同，因為它要克服重力來工作，并依靠圓柱桿的表面上升，進(jìn)行自主移動，完成特定條件下的工作。本文主要是介紹一種適合于在圓柱桿狀物體表面爬行的氣壓驅(qū)動爬桿機器人。
1、機器人的分類
機器人的種類多種多樣，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類:工業(yè)機器人、特種機器人?；蛘叻譃閮深悾褐圃飙h(huán)境下的工業(yè)機器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機器人。
仿生機器人是未來機器人領(lǐng)域的一個發(fā)展方向，按仿生學(xué)角度來分可分為：蝗螂式爬行機器人、蜘蛛式爬行機器人、蛇形機器人、尺鑊式爬行機器人等。
按驅(qū)動方式來分可分為：氣動爬行機器人、電動爬行機器人和液壓驅(qū)動爬行機器人等。按行走方式可分為:輪式[1]、履帶式、蠕動式、多足式等。
按工作空間來分可分為：管道爬行機器人、壁面爬行機器人[2]、球面爬行機器人、陸地移動機器人、水下機器人、無人飛機、空間機器人等。
按功能用途來分可分為：焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人、提升爬行機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、助殘機器人、巡線爬行機器人、玩具爬行機器人等。
根據(jù)不同的驅(qū)動方式和功能等可以設(shè)計多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機器人，如氣動管內(nèi)檢測爬行機器人，電磁吸附多足式爬行機器人、電驅(qū)動壁面焊弧爬行機器人等，每一種形式的爬行機器人都有各自的應(yīng)用特點。
2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
爬行機器人[3][4][5]是機器人大家族中的一員，爬升機器人因為需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動機器人，故爬升機器人是機器人領(lǐng)域的一個重要研究分支，從運動方式上來表征的一種機器人，形式是多種多樣的。
最早開始研究且研究最多的是爬壁機器人[6][7]，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面[8][9]和大球形表面上的危險作業(yè)。對于管道外壁表面[8]，已有車輪移動形、姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(guān)節(jié)形機器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。
國內(nèi)外的學(xué)者很早就對爬行機器人進(jìn)行研究工作，目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機構(gòu)主要有電動機械式爬桿機器人、電動液壓式爬桿機器人和氣動蠕行式爬桿機器人[9][10][11]等。
電動機械式爬行器是由電動機帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運動爬升機器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動時它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動機的正反轉(zhuǎn)該機構(gòu)便可實現(xiàn)上升和下降運動。電動機械式爬桿機器人和螺旋線運動爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動整個機器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運作，且機器人總體機構(gòu)較復(fù)雜。
氣動蠕行式爬桿機器人用氣缸驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)交替夾緊和移動，其向上爬行時氣缸動作一個周期的過程為下部氣缸夾緊，上部氣缸松開，提升氣缸活塞桿伸出，上部上升;上部氣缸夾緊，下部氣缸松開，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機器人，其上升和下降運動的實現(xiàn)由氣壓控制，需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。
國外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭障礙、平行桿[12]，并可繞T型桿和L型桿爬行。
國內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動蠕動式爬纜機器人[13]，可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測、清洗等工作，并具有一定的智能性。
清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計的爬桿機器人采用自重式鎖緊機構(gòu)，機器人靠自重壓迫鋼球使滑塊(機械手)鎖緊在桿壁上，可以爬行較小范圍的變直徑桿，但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行(從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行)。該機構(gòu)改進(jìn)后可爬升和返回，但需要加上一套氣動控制設(shè)備。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。
電動機械式管外爬行機器人，國內(nèi)比較典型的有陜西科技大學(xué)[14]研制的管外爬桿機器人。
哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或繩索爬行的機器人[15]，采用曲柄連桿機構(gòu)作為傳動機構(gòu)，機器人是由兩個形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對活動V型卡爪、一對槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測儀、電機等零部件構(gòu)成。
3、目前主要存在的問題
由上面敘述可知目前國內(nèi)外所設(shè)計制造的各種電機機械式爬行器均有一個缺陷:它們大多采用凸輪機構(gòu)[16]夾緊，由于凸輪機構(gòu)的不可伸縮性，一個爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護(hù)費用較高。
目前國內(nèi)外尚沒有在此類爬行機構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的需要，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡單的機械結(jié)構(gòu)來替代繁瑣的氣動設(shè)備實現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時在爬行過程中可攜帶其它清潔能源實現(xiàn)對路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備。
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畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
爬桿機器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗檢查維修成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率。這種機器人的研制必將具有很大的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。本課題旨在研發(fā)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)適用、價格便宜、操作簡便的適用于路燈桿等桿狀城市設(shè)施可搭載清洗、維護(hù)設(shè)備的爬桿機器人，用以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響市容的公共設(shè)施的清洗、維護(hù)問題。該機構(gòu)要能保證良好的運行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)保，節(jié)省人力物力。
從上述看來所設(shè)計的機構(gòu)應(yīng)該能夠完成在圓柱狀物體表面的爬升運動，該圓柱體狀物體的直徑在10—30cm之間。欲使機器人在圓柱狀物體上自由地上下移動，必須具備兩種功能：貼附功能與移動功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，移動方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動式四種。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機器人。
要求所要設(shè)計的這種爬行機器人，它的工作對象為各種型號的城市桿狀建筑，要求有一定的承載能力、接觸面積小、速度適中。通過比較各種方案，本課題設(shè)計使用夾持式的蠕動爬行結(jié)構(gòu)形式，該方案能基本滿足我們設(shè)定的工作狀況，可實現(xiàn)在運動方向上任意長的距離提升重物，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行平穩(wěn)，控制簡便。爬升靠氣缸來完成，夾緊運動采用螺旋傳動完成。
設(shè)計內(nèi)容包括電機的選擇與計算，齒輪傳動部分的計算與校核，螺旋傳動部分的計算與校核，軸承副的選擇與計算，連接件的設(shè)計與強度計算，氣缸的選型計算。設(shè)計計算好各個結(jié)構(gòu)的尺寸大小及型號之后，使用Proe完成三維圖的設(shè)計繪制工作。
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指導(dǎo)教師意見：
1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語：
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日