爬壁机器人结构设计及拓扑优化

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1、学校代码10530学号201510161711分类号TP242.3密级公开硕士学位论文爬壁机器人结构设计及拓扑优化学位申请人史宝强指导教师周友行教授学院名称机械工程学院学科专业工程硕士(机械工程领域)研究方向机械创新与优化设计二零一八年六月二日ITheStructuralDesignandTopologicalOptimizationofWall-climbingRobotCandidateShiBaoqiangSupervisorZhouYouhangProfessorCollegeSchoolofMechanicalEng

2、ineeringProgramMechanicalEngineeringSpecializationMechanicalinnovationandoptimizationdesignDegreeMasterofEngineeingUniversityXiangTanUniversityDate2018.06.02IIIII摘要爬壁机器人具有在竖直与倾斜壁面行走、负载等能力，将其作为平台，可以实现多种极限作业。本文通过对国内外爬壁机器人技术及结构优化设计研究现状的分析，研制出一种新型爬壁机器人，并对其机身主体关键结构件以轻量化、

3、合理化为目的进行了优化设计，具体开展了如下几个方面的研究：（1）爬壁机器人总体方案设计。通过对国内外爬壁机器人研究现状进行总结分析，设定爬壁机器人的装置要求与性能指标，从吸附方式、移动方式、驱动方式及负载能力等方面制定了全新的爬壁机器人结构方案，采用了内、外层机构交替移动的方式，对各部分机构进行设计和三维建模，分析并提出机身主体结构的优化需求。（2）爬壁机器人机身主体关键部件拓扑优化。引入拓扑优化理论方法，通过算例优化对比了变密度法与渐进结构法的拓扑优化形式，分析变密度法中SIMP和RAMP两种材料插值模型，建立拓扑优化数学模

4、型并进行求解，选取爬壁机器人主体关键部件并通过ANSYSWorkbench优化软件，以结构实体材料所占体积为约束条件变量，对机器人主体关键结构部件进行多方案结构拓扑优化，并对优化前后结果进行质量、应力与变形量对比分析，确定最终优化结果。（3）爬壁机器人样机制作与实验研究。制作爬壁机器人原理样机，对爬壁机器人的移动能力，负载能力进行实验测试，验证本文所提出的爬壁机器人整体结构设计方案的可行性与可靠性。理论分析和实验结果表明：本文研制的爬壁机器人具有吸附能力强、行走灵活稳定、负载能力强的特点，通过对机器人机身主体关键部件的拓扑优化

5、设计，可以更好符合结构设计轻量化、合理化的标准。关键字：爬壁机器人；拓扑优化；变密度法；对比分析；轻量化；IVAbstractThelocomotiveabilitywithholdingloadofwall-climbingrobotonthewallprovidesthepossibilityofimplementingavarietyofhigh-altitudelimitoperations.Anewtypeofwall-climbingrobotwasdevelopedthroughtheanalysisofther

6、esearchstatusofstructuraloptimizationdesignofdomesticandforeigninthispaper,andthepurposeofoptimizingthekeystructuralcomponentsforlightweightandrationalizationhasbeenspecificallystudied.Themainresearchworkofthispaperincludesthefollowingpoints:(1)Theoveralldesignofwal

7、l-climbingrobot.Therequirementsandperformanceindicatorswassettedbysummarizingtheresearchstatusofdomesticandforeignwall-climbingrobots,andthenanewwall-climbingrobotstructureschemewasdevelopedfromtheaspectsofadsorptionmethod,movingmode,drivingmode,andloadcapacity,whic

8、hadoptsthemethodofalternatingmovementofinnerandouterlayers.Finally,thedesignandthree-dimensionalmodelingofeachpartoftheorganizationarecond