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水下爬壁机器人变磁力脚吸盘吸附特性的研究

作　者: 王立柱
导　师: 袁夫彩
学　校: 河南工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 水下爬壁机器人磁吸盘变磁力有限元分析动力学分析
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

水下爬壁机器人是一种可以携带清刷工具对水下壁面附着的海水腐蚀物和海生物进行清理等作业的特种机器人。当工作壁面为导磁材料时，其采用磁力吸附。磁吸附力越强，水下爬壁机器人的吸附稳定性越高，但使其运动阻力增大，运动灵活性降低；减小磁吸附力，可以降低水下爬壁机器人运动阻力，增加其运动灵活性，但使其吸附稳定性降低，容易从壁面上脱落。因此，磁吸附特性对水下爬壁机器人的运动性能有重要影响，对其进行研究具有重要理论意义和实际应用价值。水下爬壁机器人变磁力脚吸盘（以下简称脚吸盘）作为水下爬壁机器人的一种新型吸附装置，其研究是在河南省教育厅自然科学基金项目“水下机器人变磁力脚吸盘吸附特性的研究”支持下开展的。论文系统分析了各种爬壁机器人吸附装置的研究进展，研制了水下爬壁机器人变磁力脚吸盘原理样机。针对水下工作特性需要，对脚吸盘的机械结构、受力情况、驱动性能和控制方式等进行了研究。首先分析了国内外爬壁机器人吸附方式的特点，综述了各种吸附方式发展状况和应用现状，提出了一种磁吸附力可以调节的水下爬壁机器人变磁力脚吸盘。分析了脚吸盘的工作原理，研究设计了脚吸盘的机械结构。确定了脚吸盘采用永磁吸附方式，选用了稀土永磁材料钕铁硼为吸附材料；分析了各种驱动方式的驱动性能，确定了使用步进电机驱动脚吸盘；选择了丝杠螺母机构作为脚吸盘传动机构，其可以将电机的旋转运动转化为直线运动；设计了脚吸盘密封系统，选用O形圈进行静密封，格莱圈进行动密封。对脚吸盘在水陆两种吸附壁面上的受力情况进行了分析。建立了脚吸盘避免绕壁面倾覆、下滑和法向脱离三种情况的力学模型，运用MATLAB软件对力学模型进行了仿真分析，并通过试验进行了验证，得出：抗下滑是脚吸盘需要解决的主要问题，脚吸盘稳定吸附所需吸附力应不小于抗下滑所需最大磁吸力。对脚吸盘进行了有限元分析和动力学仿真分析。建立了脚吸盘有限元模型，运用ANSYS软件对不同吸附间隙下的磁吸附力大小进行分析，并通过试验对理论分析结果进行验证，求得磁吸附力在不同吸附间隙下的变化曲线；在Adams/view中建立脚吸盘动力学分析模型，将磁吸附力变化曲线上的磁吸附力坐标值作为外载荷加载到模型中，对脚吸盘进行动力学仿真分析，求得驱动脚吸盘所需的力矩和功率。分析了脚吸盘控制原理，设计了控制系统硬件和软件，并通过脚吸盘原理样机对控制系统进行了检验。水下爬壁机器人变磁力脚吸盘的研制将促进水下爬壁机器人吸附装置更新换代，对水下爬壁机器人吸附性能改善和提高具有重要意义。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章前言  11-23
  1.1 研究背景  11
  1.2 爬壁机器人吸附装置的国内外研究现状  11-21
    1.2.1 负压吸附  12-15
    1.2.2 推力正压吸附  15-16
    1.2.3 干性粘合剂吸附  16-17
    1.2.4 磁力吸附  17-21
  1.3 研究目的及意义  21-22
  1.4 研究内容及安排  22
  1.5 本章小结  22-23
第二章水下爬壁机器人变磁力脚吸盘机械结构设计  23-33
  2.1 引言  23
  2.2 脚吸盘结构组成和工作原理  23-24
  2.3 脚吸盘吸附方式选择  24-25
  2.4 脚吸盘驱动方式确定  25-27
  2.5 脚吸盘传动方式选择和设计  27-29
  2.6 脚吸盘密封设计  29-31
    2.6.1 O 形圈密封  29-30
    2.6.2 毛毡密封  30-31
    2.6.3. 格莱圈密封  31
  2.7 轴承选择和摩擦力矩计算  31-32
  2.8 本章小结  32-33
第三章水下爬壁机器人变磁力脚吸盘受力分析  33-40
  3.1 概述  33
  3.2 水下爬壁机器人变磁力脚吸盘受力分析  33-39
    3.2.1 脚吸盘绕壁面倾覆时分析  33-35
    3.2.2 脚吸盘沿壁面法向脱离时分析  35-36
    3.2.3 脚吸盘沿壁面下滑时分析  36-38
    3.2.4 试验验证  38-39
  3.3 本章小结  39-40
第四章水下爬壁机器人变磁力脚吸盘有限元分析和动力学分析  40-59
  4.1 概述  40
  4.2 脚吸盘有限元分析  40-51
    4.2.1 有限元分析数学模型  41-44
    4.2.2 ANSYS 二维有限元分析  44-47
    4.2.3 ANSYS 三维有限元分析  47-51
    4.2.4 试验验证  51
  4.3 脚吸盘动力学分析  51-58
    4.3.1 定义材料属性、创建运动副和驱动  52-53
    4.3.2 施加载荷  53-54
    4.3.3 仿真结果分析  54-57
    4.3.4 试验验证  57-58
  4.4 本章小结  58-59
第五章水下爬壁机器人变磁力脚吸盘控制系统设计  59-64
  5.1 引言  59
  5.2 控制系统设计  59-63
  5.3 本章小结  63-64
第六章总结与展望  64-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
个人简历  70

水下爬壁机器人变磁力脚吸盘吸附特性的研究

内容摘要

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