爬绳机器人开题报告

毕业设计开题报告

学生姓名：

学号：

班级：机械

所在学院：机电工程学院

专业：机械工程及自动化

设计题目：爬绳机器人控制部分设计

指导教师：

完成日期：2015年4 月20 日

山东建筑大学毕业设计开题报告表

班级：机械1班姓名：

设计题目爬绳机器人控制部分设计

一、选题背景和意义

建国以来，随着经济不断发展，我国的交通事业有了突飞猛进地进步。在交通建设中，桥梁建设占据着举足轻重的作用。各种大跨径桥梁在交通建设中被广泛采用，特别是斜拉桥和悬索桥，因其有优美的线条、跨越能力强等特点更是成为我国桥梁建设中的宠儿，目前在全国主跨超过 200 米的大跨径斜拉桥已达 30 多座。但近些年来,桥梁的事故日益频出，也使得桥梁维护以及安全性问题引起人们的广泛关注。缆索是斜拉桥和悬索桥的重要组成部分,造价约占全桥造价的25%～30%，它的腐蚀损伤是大多斜拉桥和悬索桥发生事故的重要原因。2001 年 11 月 7日,四川省宜宾市的南门大桥发生桥面局部跨蹋事故,钢缆锈蚀就是这起事故的主要原因之一。2005 年 2 月长沙浏阳河大桥发生强烈晃动也是由于缆索晃动引起。美国 1940 年在俄亥俄州朴次茅斯格兰特将军大桥发生的缆绳锚爪鞘开裂事故,也是因为雨水中含有的微量硝酸盐附在缆索上导致发生应力开裂。因此,在桥梁维护中，缆索的防护和监测对于人们生产生活有着十分重大的意义。

斜拉桥和悬索桥的重要受力构件是缆索,缆索钢丝和成品索防护不良，是造成缆索生锈腐蚀、断丝失效的主要原因，因此在斜拉桥和悬索桥工程中，一直把缆索防护问题作为重要的技术工艺控制项目。一般情况下，缆索损伤主要来自疲劳和腐蚀。其中腐蚀的防范主要通材料保护措施来保证。如何对缆索表面保护材料状况进行快速、准确检测是对斜拉、悬索桥梁缆索受腐蚀和损伤状况检测的重要问题，也是对桥梁本身健康监测维护的重要问题。

二、课题关键问题及难点

缆索检测机器人研究面临的主要技术难点，考虑到缆索机器人应用背景和实现的功能，要成功地研究开发一种应用于斜拉桥缆索检测的爬行机器人，必须解决好以下几个技术难题：

①实现功能与结构最优化问题。

即在满足预定功能的前提下，尽可能地使机器人系统结构简单、合理，加工方便，成本低，重量轻。

②电驱动连续爬升机构承载能力的问题。

由于电驱动爬升机构承载能力有限，解决好驱动能力与负载能力的关系也是

我们要解决的一个关键性问题。

③三驱动电机的同步运动问题。

由于机器人在高空作业过程中要承受外界力、缆索自身挠度等因素的影响，

难免会偏离预定轨迹或者颠簸爬行，这是我们都不希望发生的，要得到比较好的检测效果，不误检、漏检，机器人运动平稳是十分重要的，因此就要很好地解决三个驱动电机的运动同步性问题。

④安全保护策略。机器人在危险的高空作业，遇到突发事件，如系统断电

等能安全回收也是我们要解决的一个很重要问题。

三、调研报告

1、国内外缆索机器人现状

机器人是传统的机构学和近代电子技术相结合的产物，而缆索机器人是一种能够携带相关设备攀爬缆索，并对其进行高空长距离检测维护特种机器人。这种自动化装备不但可以应用在斜拉桥缆索的检测、清洗、喷涂、彩装等领域，而且可以完成高压供电电缆和石化行业架空管道的探伤和表面处理，还可以应用于高空气象和环境检测、高架路路灯杆以及风景区索道、体育馆等其它建筑的缆索维护，具有广阔市场应用前景，能带来巨大经济效益和社会效益。

缆索机器人，与人工作业方式相比，不但极大地降低了成本，而且也最大限度地保证了作业安全。所以，近些年国内、外很多科研单位都开展了缆索机器人的技术及理论研究工作，并且取得了一些实用成果。但总的来说，该类机器人的研究还是处于初级阶段。

国内比较典型的有上海交通大学研制的斜拉桥缆索涂装维护机器人可在各种斜度的缆索上爬行，能完成缆索检测、清洗等工作，并具有一定的智能性。研制成功了采用电动全驱动摩擦轮式、气动蠕动式两种机器人样机，并且在上海徐浦大桥和南浦大桥上进行了实验，目前处于国内领先地位。实验样机如图 1.1，图1.2。

在国外与缆索爬升相类似的管外移动机器人、巡线机器人和灯杆检测清洗机

器人等，相关专家都进行了大量研究，并且都研制成功了样机，但没有发现有关斜拉桥缆索机器人的报道。

纵观国内外各种爬升模型，机构依附于线约束表面的有直线连续爬升、夹紧

蠕动爬升、螺旋攀援爬升和吸附爬升等自动方式。以下是几种与缆索机器人类似的机器人，主要依附管状或者线缆爬行进行特种作业要求。

图1.3和图1.4是两种很典型的应用于灯杆检测清洗的机器人，都采用电驱动，但结构完全不同。图3是美国维吉尼亚大学研制的应用于高速路灯杆无损检测的磁吸附式电驱动爬行机器人Polecat有六个驱动轮和两个从动轮，每一个轮子设计成中间加有磁铁的两个圆盘，通过协调磁铁吸力和电机驱动力就可以实现机器人的爬行运动。图4是伊朗德黑兰大学研制应用于高速路路灯清洗机器人，该

机器人采用对称框架式结构，主体部分有三个驱动轮和三个从动轮，在主体上部对称安装了两个机械手臂，当机器人在电机的驱动下爬到预定位置，机械手臂动作就可以完成清洗任务。

在第一届全国大学生第一届机械创新设计大赛获奖作品中也出现了类似功能

和结构的机器人，如图1.5为天津大学爬杆喷漆机器人，图1.6北航爬杆爬管道年用机器人，图1.7辽宁工程技术大学爬杆爬绳机器人。

地下电缆检测机器人：如图1.8所示，华盛顿大学发明的名叫“巡游者”的地下电缆检测系统。在工作时，“巡游者”依靠漏斗形状的轮子前进，并利用“稳定臂”帮助它保持平衡。分节设计具有更大的灵活性，可以随意根据需要增加传感器和电池组，机器人上携带声纳探测器，红外线传感器和相机用于多参数检测。

高压线路巡线机器人，可代替人在巡查线路时掌握线路的运行状况，及时发现设备缺陷，以判断高压线路是否存在隐患和故障。图1.9由日本Sato公司生产的电力线损伤探测器也采用了单体小车结构，该机器人能在地面操作人员的遥控下，沿电力线行走，利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置，将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工作人员可回放复查，进一步确定损伤情况。探测器不具备越障功能，遇到线路附件等障碍物时便自动停止前进。

另外应用于农业生产当中的类似爬行机器人还有爬树机器人，图1.10是日本

农业水产省农业研究所研制的爬树剪枝机器人，这种机器人采用了发动机带动

橡胶轮绕树盘旋上升的方法，为了减小爬树机器人的爬升斜度，提高爬升能力，把该机器人的橡胶轮安装成与树干方向成一定斜角。正是由轮子与树干的倾斜角，使得机器人沿树干螺旋爬升。图1.11是马来西亚理科大学研制的用于农业生产当中的气动蠕动式爬棕树机器人，通过上下卡钳的来回运动实现机器人的运动。