RB-D01型双层轨道式爬壁移动机器人说明书解读

前言
随着经济的发展，人们对于石油、化工原料、核反应堆等的需求量逐步增加，造成储存这些产品的立式油罐的容积越来越大，也越来越高，如果采用人工来完成立式油罐的容积测量、厚度测量、焊缝探伤检查、喷漆、清洁等外围作业显然耗时费力费财，已然成为一项危险作业，而且核反应堆具有辐射，对人体危害极大，在这种背景下，人类迫切需要开发一台代替人工作业的自动化机械来完成这些任务，既可以解放劳动力，提高工作效率，降低任务成本，而且任务执行精确、到位。

故爬壁机器人应运而生。

近几年来，机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。

其中，爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。

概括起来，爬壁机器人主要用于：
(1)核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；
(2)石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；
(3)建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；
(4)消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；
(5)造船业：用于喷涂船体的内外壁等。

在机械技术发达的国家已经采取了爬壁机器人作为他们完成油罐外围各项工作的首选工具。

比如日本足式磁吸附壁面移动机器人；美国的C-Bot壁面爬行机器人等。

爬壁移动机器人的出现将极大的降低油罐外围任务的成本、工人的劳动强度、安全性，同时提高工作效率，带来相当大的社会效益和经济效益，而且远程无线式控制将成为主流趋势。

因此，移动爬壁机器人的设计和研究有相当好的发展前景。

针对石化核能源企业的现实需求，我认为，爬壁移动式机器人最起码的功能应该有以下几点：1、机器人可沿金属（大多数）、水泥等罐壁垂直爬升和下降；2、可以在任意的某一位置停留，保证执行机构的工作环境；3、罐体表面工作时可以全覆盖；4、采用远程控制，保证用户的安全并最大程度的方便用户。

5、机器人自身带电源，因为使用线缆供电时，线缆容易绞缠、错乱和布置较慢等弊端凸显。

本次设计，遵循“安全稳定、执行精确、灵活紧凑”等原则进行设计，通过使用质量较轻的高强度材料、上下层轨道轻化等方法，最大程度的减轻了整机的质量，设计完成后，我们通过软件进行质量分析，结论是整机质量不超过50Kg，相对于设计任务要求，质量减轻了50%。

因为本人能力有限，设计不足之处，希望各位老师和同学批评指正，谨此表示衷心感谢。

目录
前言 (1)
摘要 (2)
Abstract (3)
第一章概述 (4)
1.1爬壁机器人国外发展现状 (4)
1.2爬壁机器人国内发展现状 (6)
第二章总体方案的制定与比较 (8)
2.1主要设计参数以及设计要求 (8)
2.2双层轨道式爬壁移动机器人的组成 (8)
2.3爬升模块的类型选用 (9)
第三章部件的设计与计算 (12)
3.1电机类型及容量设计 (12)
3.1.1爬升架爬升电机 (12)
3.1.2卷筒电机 (14)
3.2同步带设计 (16)
3.2.1 I号（中间轴-飞轮）同步带 (16)
3.2.2 II号（中间轴-飞轮）同步带 (18)
3.2.2 III号（电机-中间轴）与IV号（电机-卷筒轴）同步带 (20)
第四章电气控制原理图的设计与计算 (22)
4.1电气控制简述 (22)
4.1.1电源类型及选用 (22)
4.2电气控制元件选用 (23)
4.2.1电动推杆 (23)
4.2.2主要传感器 (23)
4.2.3主要芯片 (25)
4.3系统工作代码 (26)
第五章经济性分析 (37)
外文翻译及原文 (39)
参考文献 (48)
致谢 (49)
摘要
RB-D01型双层轨道式移动爬壁机器人，是针对石化企业或油库的立式油罐所设计的多用途机器人，例如大罐的不同体周的精确测量、厚度测量、探伤检查、清洁喷漆处理等。

该机器人主体采用双层轨道式设计，由测量模块、上层模块、下层模块、以及爬升模块组成。

为了方便运输、安装以及后续为大型油罐匹配等考虑，我们将轨道设计为分段式，每一段功能完全相同。

工作时，主伺服电机驱动爬升架爬升进行工作，带动整机爬升，爬升完一个步距后，通过双轴水平传感器测量反馈和主伺服电机的单个控制进行轨道水平调整。

由抱紧机构（电动推杆和闸瓦）将整体固定在罐壁，下层的光电开关给予测量机器人一个工作信号，测量机器人开始执行测量任务，任务完成后，通过光电开关反馈给爬升架一个信号，爬升架开始下一个爬升，如此重复，直至任务完成。

在此过程中，控制系统起着至关重要的作用，本设计中，采用了一种基于NRF905芯片的无线通讯系统远程控制，51单片机作为主控芯片方式来实现。

测量部分采用网格化全覆盖算法。

关键词：双层轨道、爬升架、抱紧机构、单片机
Abstract
RB-D01 type double track type mobile wall climbing robot is multi-purpose robot based on petrochemical enterprise or depot of vertical oil tank design, accurate measurement such as big pot
of different week, thickness measurement, inspection, cleaning spray paint processing.
The robot body adopts the double track type design, which is composed of a measuring module, an upper module, a lower module and a climbing module. In order to facilitate the transportation, installation and follow-up for large oil tank matching and other considerations, we will track design for the segmented, each section of the same function. When working, the main servo motor driven climb climbing frame work, drive the complete machine to climb, climb after a step away from, through biaxial level sensor feedback and master servo motor of single control track level adjustment. By an enclasping mechanism (electric push rod and the brake shoe) fixing the whole in the wall of the tank, lower layer photoelectric switch give measurement robot a working signal, measuring robot began to perform the measurement task, after the completion of the task, through the photoelectric switch feedback to the climbing frame a signal, climbing frame start a climb, so repeated, until the job is completed. In this process, the control system plays an important role in the design, the use of a wireless communication system based on NRF905 chip remote control, 51 single-chip microcomputer as the main control chip to achieve. In the measurement part, the full coverage algorithm is adopted.
Key words: double track, climbing frame, locking mechanism, SCM
设计内容主要结论
第一章概述
1.1爬壁机器人国外发展现状
爬壁机器人是可以在垂直墙壁上攀爬并完成作业的自动化机器人，又
称为壁面移动机器人，因为垂直壁面作业超出人的极限，因此在国外又称为
极限作业机器人。

爬壁机器人必须具备吸附和移动两项基本功能。

爬壁机器人主要用于石化企业对圆柱形大罐进行探伤检查或喷漆处
理，或进行建筑物的清洁和喷涂。

在核工业中用来检查测厚等，还可以用于消防和造船等行业1.1爬壁机器人国外发展现状
1966日本的西亮教授研究出第一款爬壁机器人以来，爬壁机器人在日本得到蓬勃发展。

之后，英国、西班牙、美国、德国和俄罗斯也相继研制出多款爬壁机器人样机。

目前，日本爬壁机器人研究和应用主要产品有车轮式吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。

这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m/min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。

1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。

还有步行式磁吸附爬壁机器人，吸盘式磁吸附爬壁机器人及履带式磁吸附爬壁机器人。

1990年以来，西班牙马德里CSIS大学工业自动化研究所研制出一种6足式爬壁机器人，如图，该机器人为磁吸附式，具有较大的静载荷，目的是为了工业上的应用。

1966日本
西亮教授
第一款爬壁机器人
1997年俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制出的用于大型壁面和窗户清晰作业的爬壁机器人，采用单吸盘结构，利用风机产生真空负压来提供吸附力，吸盘腹部装有四个驱动轮，机器人可在壁面全方位移动。

美国西雅图的Henry R Scemann在波音公司的资助下研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人“AutoCravler”。

其两条履带上各装有数个小吸附室，随着履带的移动，吸附室连续的行程真空腔而使得履带贴紧壁面行走。

日本荣光公司研制了一种多吸盘爬壁机器人，该几人装有两组真空吸盘，机器人本体上自带两个真空泵、电池、控制系统和无线通讯系统。

机器人一次充电可工作约30分钟，工作范围为距离控天线10m以内，最大行走速度为30cm/min。

用于高达建筑物墙壁的检测工作。

20世纪90年代初，英国朴次茅斯工艺学习研制了一种多组行走式的爬壁机器人，采用模块化设计，机器人由两个相似的模块组成，每个模块包括两个机械腿和腿部控制器。

可根据任务需求来安装不同数量的腿，可重构能力强。

机械腿采用仿生学机构，模拟大型动物臂部肌肉的功能，为两节式，包括上、下两个杆和3个双作用气缸，具有三自由度。

稳定性好，承载能力大，利于机器人的轻量化，并能跨越较大的障碍物。

除腿端部各有一真空吸盘外，机器人腹部设有吸盘，使得机器人具有较大的负载质量比，可达2：1。

机器人的步态规划规则。

下图中第二图为具有四个转动关节的双足爬壁机器人。

两个机器人样机均采用欠驱动机构，减小了机器人的质量和能耗。

机器人可以再墙壁、天花板上爬行，以及在两个表面之间过渡爬行，也可爬越管道一类的障碍物。

1.2爬壁机器人国内发展现状
在我国，哈尔滨工业大学从1998年就开始爬壁机器人的研究，哈尔滨船舶工程学院、中科院沈阳自动化所、哈尔滨科技大学扥单位也先后开展爬壁机器人的研究。

爬壁机器人设计的关键是载体，载体结构不同，爬壁机器人的性能也不同，他们研究的两载体机构有：（1）具有全方位移动功能的爬壁机构；（2）磁吸附壁面移动机构，其中前者采用负压吸附方式，移动机构采用全防车轮，它克服了行走机构转弯、定位胶南的不足。

实验证明，这种爬行机构行走灵活，有一点的承载能力，对壁面的适应能力也较强。

可由于壁面变化不剧烈的各种垂直壁面的多种作业。

哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行
走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。

单吸盘轮式壁面移动机器人，有吸附机构和移动机构两大部分，移动机构由电机、减速器、车轮构成，吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。

真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。

为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。

由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。

调节弹簧的作用有两个：一是为密封圈提供密封所必需的正压力，二是提高气垫对壁面的适应能力，还可起到减震的作用。

负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，为调整压力提供依据。

设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度，可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。

由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处（如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等），因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。

设计内容主要结论平面的特性。

上下层的连接机构可以有多种选择，比如刚性连接、结合水平仪的自动
调节连接、液压缸连接、螺纹螺母手动调节连接等。

由于本次设计的时候，
我们采用了分段式设计，所以在整个传动系统中，不再使用液压传动，因为
液压系统需要带液压油站和液压泵。

上层轨道结构设计的时候，我们需要根据任务执行部分的驱动底盘形状
进行设计，换句话说，就是满足任务执行模块需求的前提下进行上层轨道的
结构和功能设计。

3、下层轨道以及抱紧机构
下层轨道是一个中间机构，一方面给上层轨道和任务执行模块提供一个
支撑。

另一方面连接爬升机构，给整机爬升提供动力。

考虑到任务执行模块在执行任务时，需要在轨道运动，这个时候轨道应
当保持静止，为了轨道静止时可以获得更高的可靠性，设计的时候需要一个
机构来辅助抱紧罐体表面，分担主爬升轮部分的载荷来确保静止。

这样在一
定程度上保证了任务执行的精确度。

4、爬升架
爬升架是整机运行的一个核心部件，也是爬壁机器人的一个技术瓶颈，
因为爬升机构的限制，使得许多优秀的设计无法执行全方位的任务。

爬升机
构，既要保证运动速度和精度，又要适应各种不同的工作环境，这样才能有
更广的应用空间。

本次设计的爬壁移动机器人，主要应用于石化企业的罐体，而石化企业
的大部分罐体为立式圆柱形金属大罐，所以设计的时候，爬升力的设计是一
个关键问题，金属罐体表面的动摩擦因数较小，遇到潮湿的天气或者环境的
话，会更小。

在设计爬升力的时候要将这一部分的因素考虑在内，才能最大
程度的保证机器人能够保质保量的完成任务。

2.3爬升模块的类型选用
爬升系统是爬壁机器人的关键，良好的爬升将为后续工作提供一个非常
理想的工作环境。

而目前，主流的爬升有以下几种类型。

1、履带式
4、叶片式吸附
优点：控制简单，对环境适应能力较强。

缺点：承载能力过低。

5、足脚式
优点：越障简单，可适应复杂的工作环境。

缺点：可靠性较低，运动速度慢，控制复杂。

综上所述：结合设计题目中任务精度的要求及主体的结构类型，考虑到经济性和实用性，结构的优劣性。

最终确定轮式爬升方案作为本次毕业设计最终方案。

3.1.2卷筒电机
卷筒与爬升架之间是通过拉绳连接，在正常爬升时，卷筒电机不工作，而当爬升架遇到障碍物的时候，卷筒提供拉力，使得爬升架旋转避开障碍物。

根据图3-01的受力分析，我们知道。

拉簧的拉力与重力的合力为F1.而卷筒正是克服拉簧的拉力而工作。

所以，卷筒的拉力F L应该与该拉簧力F T大小相等，方向相反。

很显然，我们要求得卷筒拉绳对于爬升架的拉力F L，我们只需要求得拉簧拉力F T即可。

根据图3-02的受力分析，结合辅助轮轴的运动轨迹，我们可知，该力是一个变力，随着弹簧被拉得越来越长，该力也越来越大。

该力的最大处是在爬升架被完全拉起的那个位置。

而且，对于整个轨道而言，爬升架避障时，同一时刻只能有一个爬升架被拉起。

此时，弹簧拉力F T与水平线的夹角为56度。

α=90°−56°=34°
弹簧拉力F T为：
根据图3-01可求得
F1cos45=F T cos56
求得
F T=148.812N
扭矩
M=F T∗L=148.812N∗73.02mm=10.866Nm
因为遇到障碍时，卷筒需要在很短的时间内将爬升架拉起，我们将时间t规定为1s内，所以该轮轴围绕固定在下层轨道的轴旋转的角速度为
4.2.3主要芯片
1、主控芯片
主控芯片采用51系列单片机芯片AT89S51
AT89S51有PDIP、PLCC、TQFP三种封装方式，其中最常见的就是采用
40Pin封装的双列直接PDIP封装
芯片共有40个引脚，
1、主电源引脚（2根）
2、外接晶振引脚（2根）
3、控制引脚（4根）
4、可编程输入/输出引脚（32根）
AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、
P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

每一根引脚都可以编程。

PO口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7 P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7 2、无线通讯模块
名称：NRF905无线收发模块/无线数传模块/PTR8000+
型号：NRF905SE
RF905SE无线收发模块（PTR8000+），在Nordic VLSI公司最新封装改
版NRF905无线通信芯片基础上，特做优化设计，工作于433MHz全球开放ISM频段免许可证使用，高性能低功耗，接收灵敏度高，抗干扰性强，集成度高，通信稳定。

其接线图如下：
外文翻译及原文
机器人技术发展趋势
作者:JimPinto, 圣地亚哥,美国中部.美国
谈到机器人,就如同科幻一般。

但是,仅仅因为机器人在过去几十年里没有辜负自己的承诺,并不表示它们不会早到或者迟到。

事实上,一些先进技术导致的机器人的时代更近更小、更便宜、更实用、更具成本效益。

任何机器人都有三方面:
肌肉,骨骼与大脑
肌肉：有效联系物理载荷以便机器人运动。

骨骼：机器人的物理结构与决定于其所从事的工作; 考虑到有效载荷这就决定了机器人的大小和重量。

大脑：机器人智能; 它可以独立思考和做什么; 需要多少人工互动。

由于机器人已经被描绘于科幻世界,许多人期望机器人的外表更人性化。

其实机器人的外表决定于它的功能和任务。

不少机器,一点也不像人也明确地列为机器人。

同样,有些像人的机器人也脱离不了机械结构或者玩具。

起初的机器人是又大又只有很小的力。

老水流动力机器人被用于3D环境，阴暗、肮脏、危险。

由于第一产业的技术进步,已经完全改进了机器人的能力、业绩和战略利益。

例如,80年代机器人由水流驱动过渡成为电力驱动单位。

改进了性能和准确性。

工业机器人已在工作
在当今世界机器人数量已接近100万,有将近一半的在日本,仅有15%在美国。

数十年前,90%的机器人用于汽车制造业,通常用于做大量重复的工作。

今天只有50%用于汽车厂,而另一半分布于工厂、实验室、仓库、发电厂、医院和其他许多行业。

机器人用于产品装配、危险物品处理、油漆喷雾、切割、抛光、产品的检验。

那些被用于各式各样的任务的机器人数量,例如下水道清理,查找炸弹和操作日趋复杂的手术,在将来
将持续上涨。

机器人智能
即使原始的智力机器人已经被证明在生产力、效率和质量方面能够创造良好收益。

除此之外,一些"聪明"机器人没有用于制造业; 他们被用于太空探险、外科遥控甚至宠物就像索尼的Aibo机械狗。

从某种意义上说,一些其他应用表明机器人可能的用途。

如果生产厂家认识到,工业机器人并不是要局限于一个方面,或者受限制昨日机械概念。

伴随着迅速增长的电力微处理器和人工智能技术,大大提高了机器人其潜在的弹性的自
动化工具。

新增加的智能机器人的应用要求先进的智能。

机器人技术融入各种辅助技术—机器视觉、传感器(接触),高级技工及语音识别。

这一令人振奋的成果代表了新水平的工作应用,比以往任何时候都认为是实际的机器人。

实行综合的机器人视觉和触觉急剧地改变了新的产品和生产体系的速度和效率。

机器人变得如此精确,以至于机器人可以应用于所有手工的场所不再是一个不可能的观点。

半导体制造业是一个例子,高度一致的吞吐量和质量,不能靠手工或简单现机械就能实现。

此外,通过使那些快速产品与传统硬质工具不相匹配部分的转换和革新取得了显著成果。

增强竞争力
如上所述, 机器人的应用起源于汽车制造业。

通用汽车已拥有四至五万的机器人但仍
然能够继续发展并运用新方法。

为了能使机器人更加智能化，现在已运用了大量新的战略选择。

在过去的两三年里汽车价格已经下降,为了不断创造利润，制造商降低生产和结构成本。

这是唯一途径。

汽车厂改建新模式,通常需要投入数以亿计美元以购买设备。

机器人制造技术的重点是通过减少资本投资的方式以增加适用性。

新的遥控应用已被发现用在以专用设备自动作业的操作上了。

它的灵活性能作业自动化发挥得更协调,并且有重大的成本优势。

机器人协助
其主要增长领域是智能机器人协助装置(IAD)。

操作员熟练地操作着机器人就好像是自己的手和脚变长,且更有力了。

这就是遥控技术，没有人或机器人可以替代，它是有助于改造人类环境产品的一个新版本，多方面地帮助人类伙伴包括动力供应、运动导向、线路跟踪以及程序自动化。

智能机器人协助装置运用遥控技术帮助人们以较少的压力，更多、大、好、快地操作零部件和有效载荷。

利用人类机器界面,操作员和智能机器人协助装置携手合作以优化开放性、指导性和定位移动。

传感器、计算机动力和操控运算法则将操作员的手令转译成人类提升能力装置。

遥控新格局
随着科技和由摩尔法带来的经济影响将继续变换计算机的能力和价格，我们应该期望更多创新,更多具成本效益的遥控结构，以及更多在传统服务重点之外的运用。

工业遥控设备最大的变化是,他们将形成一个更广泛的多种结构和机制。

在许多情况下,牵涉到自动装置系统的配置,不会立即被认为是机器人。

例如,自动操作半导体生产的遥控装置已远远不同于那些用在汽车制造业的遥控装置。

我们会有那么一天更多这类可编程加工的遥控设备种类会比现今有的传统遥控设备来得多。

一个突发性转变即将来临它的潜力是巨大的因为不久后遥控设备不仅能够提升成本效益也能产生前所未有的优势和操作应用。

远景展望
尽管机器人研究者希望仿效人类的智慧和外表,但是从未成功过。

大多数机器人仍是无形的，也并非万能，也不能快速识别目标物体。

两足直立行走的机器人微乎其微，比如本田P3就侧重于研究和示范样本。

较少结合工业机器人机器视觉系统,因此它的要求,而不是机器人机器视觉视野。

早期机器视觉领养付很高的价格,因为需要的技术知识"民心"等制度。

例如,在八十年代中期,从辛辛那提市Milacron弹性制造系统的$900,000的机器视觉系统。

到1998年,平均价格已降至$40000,并且价格继续下降。

今天,从Cognex, Omron花$2,000就能买到简单的配有视觉套传感器的模式。

减价反映了当今电脑成本的降低,和为特殊工作如侦察业等的视觉系统的重点开发。

机器人在世界各地的使用
工业机器人的销售已上升到创纪录水平,它对家务杂事如除草和地毯吸尘有着巨大的未
开发的潜力。

去年有3000个水下机器人、2300个爆破机器人和1600个外科手术机器人开始工作。

预计吸尘和除草的家用机器人将大幅度增加，从2000年的12500到2004年末的500000。

iBOT Roomba吸尘器价格现在不到$200.00。

近日炭疽恐慌,人们越来越多地使用机器人排架邮局的资料。

事实上,美国邮政自动化有其巨大的潜力。

去年1000个机器人被安装来分类包裹。

美国邮政总署估计,它有可能使用80,000机器人进行分类包裹。

环顾今日在我们身边的"机器人":瓦斯自动泵、银行自动柜员机、自助式测试线机器已经。