畢業設計（**）開題報告
隨著科學技術的日益發展，人們對生產安全和生產效率的要求越來越高，使得機械人在各個領域中都得到了廣泛的應用和發展。以機械人代替人類從事各種危險、繁重、重複、單調及有毒有害的工作是社會發展的乙個趨勢。而爬壁式機械人是移動機械人領域的乙個重要分支，能在壁面與頂部上靈活移動，完成一定的極限任務 。
目前，國內、外許多家科研機構都在這一領域展開了研製開發工作。概括起來，爬壁機械人主要用於以下幾個方面[1]：
( 1) 核工業: 對核廢液儲罐進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等；
( 2) 石化企業: 對圓柱形大罐或球形罐的內外壁面進行檢查或噴砂除鏽、噴漆防腐；
( 3) 建築行業: 噴塗巨型牆面、安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃等；
( 4) 消防部門: 用於傳遞救援物資, 進行救援工作；
( 5) 造船業: 用於噴塗船體的內、外壁等。
而運用於大型壓力容器上的自動探傷車，其本質就是爬壁機械人，它可在垂直壁面移動，完成壁面的探傷檢測作業。大型壓力容器一般儲存的都是一些易燃易爆的化學物質，人工在上面進行探傷作業時存在危險度高、勞動強度大、錯檢漏檢率高的問題。所以研製一種大型壓力容器自動探傷車，代替人工進行自動探傷檢測作業，實現探傷檢測作業的自動化，保證了人的生命安全，提高工作效率。
2.1爬壁機械人概述
爬壁機械人是移動機械人領域的乙個重要分支，它把地面移動機械人技術與吸附技術有機結合起來，可在垂直壁面上附著爬行，並能攜帶工具完成一定的作業任務，大大擴充套件了機械人的應用範圍[2]。
為了在壁面環境中執行作業任務,爬壁機械人必須具有兩個基本功能[3]：壁面吸附功能和移動功能。按吸附方式來分，主要分為真空吸附和磁吸附兩種方式。
真空吸附又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式，具有不受壁面材料限制的優點，但當壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低;磁吸附可分為永磁鐵和電磁鐵兩種，要求壁面必須是導磁材料，但它的結構簡單，吸附力遠大於真空吸附方式，且對壁面的凹凸適應性強，不存在真空吸附漏氣的問題，因而當壁面是導磁材料時優先選用磁吸附爬壁機械人。按移動方式來分，有車輪式、履帶式和足腳式。車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難;履帶式對壁面的適應性強，著地面積大、不易轉彎;足腳式移動速度慢，但帶載能力強。
2.2國外爬壁機械人的研究現狀
日本是世界上率先開展了壁面移動機械人研究工作的國家，2023年日本大阪府立大學工學部的西亮教授成功研製出第乙個垂直壁面移動機械人樣機, 該機械人利用電風扇進氣側的低壓作用作為吸附力, 使機械人貼附在垂直壁面上。2023年他又採用單吸盤結構製作出以實用化為目標的第二代爬壁機械人樣機[4]。
2023年,日本東京工業大學的巨集油茂男研究開發了吸盤式磁吸附爬壁機械人,吸盤與壁面之間有乙個很小的傾斜角度,這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大,每個吸盤分別由乙個電動機來驅動,與壁面線接觸的吸盤旋轉,爬壁機械人就隨著向前移動,這種吸附機構的吸附力可以達到很大[5]。
日本應用技術研究所研製出的車輪式磁吸附爬壁機械人，它可以吸附在各種大型構造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進行檢查或修理等作業。這種爬壁機械人靠磁性車輪對壁面產生吸附力，其主要特徵是：行走穩定速度快，最大速度可達9m／min，適用於各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆[6]。
美國也是開展壁面移動機械人研究較早的國家。2023年，美國西雅圖的henryr seemann在波音公司的資助下研製出一種真空吸附履帶式爬壁機械人[7]。其兩條履帶上各裝有數個小吸附室,隨著履帶的移動,吸附室連續地成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走。
最近幾年，美國的研究小組真正揭示了壁虎在牆上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力一一范德華力[8]。史丹福大學教授馬克·庫特科斯基的研究小組開發一種具有粘性腳足的壁虎狀機械人。「壁虎機械人」足底有數百萬個極其微小的毛髮，微小的聚合體毛墊能確保足底和牆壁接觸面積大，進而使范德瓦爾斯粘性達到最大化。
借助這些毛髮，它就能令足底粘上壁面。
除此之外，德國、西班牙、俄羅斯、英國、澳大利亞等國家都相繼開展了壁面移動機械人研究。
2023年以來,西班牙馬德里csic大學工業自動化研究所研製出一種6足式爬壁機械人。該機械人為磁吸附式,具有較大的靜載荷,目的是為了工業上的應用[9]。
2023年俄羅斯莫斯科機械力學研究所研製出的用於大型壁面和窗戶清洗作業的爬壁機械人也採用單吸盤結構。 該機械人利用風機產生真空負壓來提供吸附力, 吸盤腹部裝有4個驅動輪, 機械人可在壁面全方位移動[10]。
20世紀90年代初, 英國朴次茅斯工藝學校研製了一種多足行走式的爬壁機械人。採用模組化設計, 機械人由兩個相似的模組組成, 每個模組包括兩個機械腿和腿部控制器。可根據任務需要來安裝不同數量的腿, 可重構能力強。
機械腿採用仿生學機構, 模擬大型動物臂部肌肉的功能, 為兩節式, 包括上、下兩個杆和 3個雙作用氣缸, 具有 3個自由度。穩定性好, 承載能力大, 利於機械人的輕量化, 並能跨越較大的障礙物。除腿端部各有一真空吸盤外, 機械人腹部設有吸盤,使機械人具有較大的負載質量比[11]。
2.2國內爬壁機械人的研究現狀
自2023年以來,在國家「863」高技術計畫的支援下,哈爾濱工業大學機械人研究所已經成功研製我國第一台壁面爬行遙控檢測機械人。它採用負壓吸附,全方位移動輪,用於核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。該機械人採用的是單吸盤結構,彈簧氣囊密封,保證了機械人具有較高爬行速度和可靠的附著能力[1]。
2023年研製成功金屬管防腐用磁吸附爬壁機械人,採用永磁吸附結構,靠兩條履帶的正反轉移動來實現轉彎[2]。該機械人可以為石化企業金屬儲料罐的外壁進行噴漆、噴砂,以及攜帶自動檢測系統對罐壁塗層厚度進行檢測。
上海大學談士力等人設計開發了面向球形儲存罐檢修的球面移動爬壁機械人,它採用真空吸附方式和腿足式移動機構,可以適應不同曲率半徑的曲面,並可跨越300 mm高的障礙[12]。
2023年以來,北京航空航天大學先後研製成功 「吊籃式擦窗機器人」和「藍天潔寶」等幕牆清洗機械人樣機。其中，該吊籃式清洗機械人依靠樓頂上的安全吊索牽引移動,利用風機產生的負壓使機械人貼附在壁面上[13]。
2023年研製的水冷壁清洗、檢測爬壁機械人, 呈圓弧形永磁吸附塊與罐壁圓弧相吻合, 提高了吸附力, 也提高了作業的效率[2]。
近年來,上海交通大學也開展了爬壁機械人的研究。設計了一種自身無行走機構而依靠壁面牽引實現機械人移動的壁面清洗機械人樣機。機械人腹部的兩個吸盤交替抬起和吸附可實現跨越水平窗框障礙運動[14]。
2.3爬壁機械人的發展趨勢
由於傳統爬壁機械人具有很多的不足之處(如對壁面的材料和形狀適應性不強，跨越障礙物的能力弱，體積大，質量重等)，因此未來爬壁機械人的結構應該向著實用化的方向發展[15]。
(1)吸附方式
吸附技術一直是爬壁機械人發展的乙個瓶頸,它決定了機械人的應用範圍。目前,吸附方式主要有真空負壓吸附、磁吸附、螺旋槳推力及粘結劑等幾種方式。由於目前應用比較成熟的吸附技術都有很大的侷限性,在很多情況下難以滿足實際應用的要求。
因此,開發和研究新型吸附技術是當前爬壁機械人領域的乙個重要方向。近年來,人們通過研究壁虎等爬行動物腳掌的吸附機理,製作出高分子合成的粘性材料,這些材料利用分子與分子之間的范德華力,在很小的接觸面積上就可獲得巨大的吸附力,而且具有吸附力與表面材料特性無關的優點。模仿壁虎等動物腳掌的仿生粘性材料的發展是當前新型吸附技術發展的熱點。
(2)移動方式
在移動機械人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優點。足式移動方式的機械人可以相對較容易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），並且機械人的足所具有的大量的自由度可以使機械人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應能力更強。足式機械人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達到的範圍內選擇最優支撐點，即使在表面極度不規則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。
正是由於足式結構多樣、運動靈活，適應於各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結構將在爬壁機械人上有著較好的應用前景。
(3)能源**及驅動方式
傳統伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠離驅動的地方，而且電機高速執行後需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統複雜，結構累贅，不能滿足實用化的要求，為此需要研製利用功能材料構成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機。
微特電機所組成的驅動伺服系統和位置速度感測系統是機械人關鍵部件，研製開發直接驅動、大力矩、小體積、重量輕、精度高、反應靈敏、工作可靠的各類微特電機是提高我國機械人的研究開發水平，滿足國內機械人高效能微特電機的基礎保障。因此微特電機在機械人應用的前景是非常樂觀的，而且要求微特電機技術的發展，滿足機械人智慧型化、可靠、靈活、長壽命的需要。因此爬壁機械人使用微特電機技術的發展趨勢可歸納為朝高精度、高可靠性、直接驅動、新原理、新結構、機電一體化、超微化方向發展。
綜上所述，目前國內外對於爬壁機械人的研究正處於飛速發展水平，因其可在垂直壁面或高空極限空間代替人進行危險作業，已被廣泛地應用於清洗、消防、檢測等多個行業。但爬壁機械人在吸附能力和運動靈活性上還存在一些問題。在實際的工程應用中，一般要求爬壁機械人攜帶一定重量的負載，這就要求它具備可靠、穩定而又足夠大的吸附力。
但這一要求得到滿足的同時，其運動速度、越障能力、轉向靈活性、壁面適應能力等必然會受到不同程度的限制。因此，為解決這一矛盾，需要尋找一種可以方便地控制其吸附力大小的吸附方式以及設計靈活輕便的移動機構。這是爬壁機械人在相當長一段時間所要面對的問題之一。
本課題名為大型壓力容器自動探傷車，其研究目標是對大型壓力容器壁面上的探傷作業，提供可以代替人工進行作業的專用爬壁機械人。為了安全有效地工作，該探傷車要保證爬行可靠、移動靈活、定位準確。在此基礎上，要盡可能使其本體質量輕、體積小、操作方便。
與其他爬壁機械人一樣，該探傷車應該具有良好的吸附功能和爬行功能並具備轉彎功能。
該探傷車最主要的特點就是垂直作業，因此，機械人必須具備安全可靠的爬壁吸附功能。
3.1吸附機構
探傷車要想在垂直的壁面上運動，必須保證機構能夠穩定吸附在壁面上，防止滑落、傾倒等不利因素的產生，因此要設計合理而可行的吸附機構。爬壁探傷車現有的吸附方式主要分為真空吸附、磁吸附和推力吸附。由於液壓容器表面是導磁性材料，且凹凸不平，為了提高吸附力，選用永磁吸附法。
但採用永磁吸附的爬壁探傷車在與壁面剝離時需要很大的力，為此，專門設計了電磁腳的吸附機構。
開題 壓力容器設計與製造
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一 壓力容器設計類別 級別的劃分 一 a類 1 a1級係指超高壓容器 高壓容器 結構形式主要包括單層 無縫 鍛焊 多層包紮 繞帶 熱套 繞板等 2 a2級係指第三類低 中壓容器 3 a3級係指球形儲罐 4 a4級係指非金屬壓力容器。二 c類 1 c1級係指鐵路罐車 2 c2級係指汽車罐車或長管拖車 ...
壓力容器設計審圖總結
前提 是圖樣必須滿足有關法律 法規及標準的要求 關鍵點 c k a,c p 1 圖紙的合法性，上類容器是否有設計資格印章，各級設計人員是否簽署 9 z0 e,p s n3 e q v7 2 選用標準的準確性及有效性 0 m1 k x c z8 c l h 3 容器類別劃分的正確性。4 設計引數是否確...