爬桿作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)-攀爬-爬樹機(jī)器人

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機(jī)器人技術(shù)是近30年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學(xué)科。它綜合了力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、自動控制、傳感技術(shù)、電液驅(qū)動技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科的有關(guān)知識和最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就。尤其是進(jìn)入80年代以來，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。移動機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)的一個重要分枝，其研究工作始于20世紀(jì)60年代。移動機(jī)器人的最成功應(yīng)用是自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運(yùn)，用于完成機(jī)床之間、機(jī)床與自動倉庫之間的工件工具傳送。移動機(jī)器人的運(yùn)動靈活性能，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動化程度?，F(xiàn)在，移動式機(jī)器人的研究開發(fā)除上述應(yīng)用外，還涉及許多其他應(yīng)用領(lǐng)。如在建筑領(lǐng)域完成混凝土的鋪平、壁面的裝修、檢查和清洗：采礦業(yè)中行隧道的掘進(jìn)和礦藏的開采、農(nóng)林業(yè)中從事水果采摘、樹枝修剪、圓木搬運(yùn)；軍事上用于探測偵察、爆炸物處理。福利方面進(jìn)行盲人引導(dǎo)，病員護(hù)理等。 爬行機(jī)器人是機(jī)器人大家族中的一員，爬升機(jī)器人因?yàn)樾枰朔亓Φ淖饔枚煽康匾栏接谂郎砻嫔喜⒆灾饕苿?，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動機(jī)器人，故爬升機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要研究分支，從運(yùn)動方式上來表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。從動力源進(jìn)行劃分，主要分為機(jī)械式和氣動式兩大類。從有無控制系統(tǒng)的層面進(jìn)行劃分，主要分為普通型和智能型兩大類。普通型就是只有動力源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，智能型相比普通型還有(反饋)控制機(jī)構(gòu)。 最早開始研究且研究最多的是爬壁機(jī)器人，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面和大球形表面上的危險作業(yè)。對于管道外壁表面，已有車輪移動形、姿態(tài)可變形、尺蠖形和多關(guān)節(jié)形機(jī)器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。 爬行機(jī)器人并不少見，但是通常來說，這類規(guī)器人大多采用多足來進(jìn)行移動或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動前進(jìn)。更主要的是，平常的機(jī)器人，因?yàn)轶w積或行動方式的影響，不能到一些特殊的地方進(jìn)行工作，比如說管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。 國內(nèi)外很早就對爬行機(jī)器人進(jìn)行研究工作，獲得了豐碩的成果。目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機(jī)構(gòu)主要有電動機(jī)械式爬桿機(jī)器入、電動液壓式爬稈機(jī)器入和氣動蠕行式爬桿機(jī)器人。電動機(jī)械式爬行器是由電動機(jī)帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運(yùn)動爬升機(jī)器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動時它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，該機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)上升和下降運(yùn)動。電動機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋線運(yùn)動爬桿機(jī)器人都是以電動機(jī)帶動滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動整個機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作，且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。氣動蠕行式爬桿機(jī)器人用氣缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動，其向上爬行時氣缸動作一個周期的過程為下部汽缸夾緊，上部汽缸松開，提升汽缸活塞桿伸出，上部上升；上部汽缸夾緊，下部汽缸松開，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機(jī)器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動由實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩涌劐幭到y(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。日本是機(jī)器人制造王國，它擁有世界上最多的機(jī)器人。在2005年5月10日展出的日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu))機(jī)器人周(2005年6月9日～19日)期間，在長久會場內(nèi)的Morizo kiccoro會展中心舉辦的“機(jī)器人樣機(jī)展”，其中實(shí)機(jī)演示的5種機(jī)器人中有三種是移動機(jī)器人：分別是移動跳躍機(jī)器人、腳輪式移動機(jī)器人和水陸兩用蛇形機(jī)器人。 國內(nèi)有蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的曹建東等發(fā)明的氣動爬桿機(jī)器人（如圖1、2所示），其工作臺上分別設(shè)有左，右軌道固定支架，固定支架之間設(shè)有運(yùn)行軌道桿，其特點(diǎn)是：運(yùn)行軌道桿上穿設(shè)有左，右滑動導(dǎo)向固定塊，兩滑動導(dǎo)向固定塊上各安裝雙桿伸縮爬行氣缸，由此可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在軌道上自動來回爬行運(yùn)動。 圖1 氣動爬桿機(jī)器人的構(gòu)造示意圖 圖2 氣動爬桿機(jī)器人的俯視圖。 圖中標(biāo)記為：1左軌道固定支架；2緩沖塊；3左推緊氣缸；4壓緊塊；5左滑動導(dǎo)向塊；6方形固定塊；7雙桿伸縮爬行氣缸；8右滑動導(dǎo)向固定塊；9推緊缸固定塊；10方形運(yùn)行軌道桿；11固定三角件；12左限位固定塊；13滾輪式行程開關(guān)；14導(dǎo)條；15傳感器固定塊；16定位傳感器；17右限位固定塊；18電磁閥組合；19 I/O信號接口；20工作臺；21導(dǎo)線傳輸鏈；22導(dǎo)條固定塊；23右推緊氣缸；24右軌道固定支架 此外還有山東建筑大學(xué)機(jī)電學(xué)院于復(fù)生的“一種氣動爬桿機(jī)器人”（如圖3所示）。這種氣動機(jī)器人，屬于機(jī)械制造領(lǐng)域。該爬桿機(jī)器人是由水平夾緊氣缸，匯流板和電磁閥組件，加強(qiáng)支架，連接塊，后頂桿，側(cè)桿，前頂桿，垂直氣缸，支架組成。水平夾緊氣缸其外筒的前端牢靠地安裝在支架上，其活塞的前端通過聯(lián)接塊與后頂桿相連，后頂桿的兩端有銷子插在側(cè)桿的中間，在水平夾緊氣缸的帶動下，后頂桿可前后移動。前頂桿通過螺釘和銷釘與側(cè)桿聯(lián)接，其一端可方便地拆卸，以把機(jī)器人要爬的桿件包攬入內(nèi)。加強(qiáng)支架通過螺釘與上下四根側(cè)桿。匯流板及電磁閥組件，支架緊固地聯(lián)接起來，構(gòu)成了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。這種氣動爬桿機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單，可爬桿直徑適用范圍大，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 圖3 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 1-水平夾緊氣缸 2-匯流板及電磁閥組件 3-加強(qiáng)支架 4-聯(lián)接塊 5-后頂桿6-側(cè)桿 7-前頂桿 8-垂直氣缸 9-支架 3 研究內(nèi)容 該課題主要針對直徑150mm左右的桿，且保證在全負(fù)載情況下應(yīng)該能夠保持 100mm/s 左右的運(yùn)行速度，除此之外總重應(yīng)該不得超過5kg，同時得以保證最大的靈活性和最底的能量消耗。而且機(jī)器人的傳動系統(tǒng)應(yīng)該具有自鎖機(jī)構(gòu)以克服重力的影響。 該機(jī)器人包括夾持機(jī)構(gòu)、移動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等組成。夾持部分有上、下兩個機(jī)械手組成。通過上、下機(jī)械手的交替夾緊來實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的支點(diǎn)定位和蠕動。移動部分采用連桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動部分采用電氣驅(qū)動。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。 圖4 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 4．研究方案 4.1方案分析 欲使機(jī)器人在桿上自由移動，必須具備兩種功能：貼附功能與移動功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，運(yùn)動方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動式。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機(jī)器人。 4.1.1吸附方案 吸附式是通過面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點(diǎn)夾緊在桿上。吸附方式又有真空吸附和電磁吸附之分，其中真空吸附式用的比較多，因?yàn)樗鼘Ρ诿娴囊蟛皇謬?yán)格；電磁吸附承載能力大，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場可吸附的含鐵、鈷、鑲等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點(diǎn)和比較如表1所示。 表1 爬行機(jī)器人貼附方案的比較 貼附方式 概要 特點(diǎn) 夾持式 機(jī)械手 由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)械手夾緊在桿體上 能適應(yīng)任何壁面 吸 附 式 真 空 吸 附 真 空 泵 設(shè)置許多吸盤，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機(jī)器人吸附在壁面上 可實(shí)現(xiàn)小型、輕量化，無需附加供氣裝置，但要求壁面有一定平滑度 噴 射 器 在本體上安裝噴嘴，由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出。其周圍形成真空，吸附在壁面上 能效低、噪音大，且需要供氣裝置，但可以達(dá)到高真空度，對壁面適應(yīng)性強(qiáng) 電 磁 吸 附 永 磁 體 由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上 吸附時不需終部能量，但只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附 電 磁 體 電磁鐵通電將其吸附在壁面上 吸附時需要電能，也只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附 4.1.2移動方案 在設(shè)計(jì)移動機(jī)器人系統(tǒng)時，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)椴煌挠猛荆苿訖C(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機(jī)器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機(jī)動性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。作為桿件爬行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動方式可供選擇。各種移動方案的比較如表2所示。 表2 爬行機(jī)器人移動方案比較 移動方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 輪 式 移動速度快，控制方便，轉(zhuǎn)彎容易 接觸面積小，越障能力差，易打滑。 履 帶 式 接觸面積大，承載能力大，移動速度快，適應(yīng)能力強(qiáng)。 履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動性差。 腿 式 越障能力強(qiáng)，承載能力大，機(jī)動性好，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。 蠕 動 式 承載能力大，運(yùn)動平穩(wěn)，控制簡便，適應(yīng)能力比較強(qiáng)。 運(yùn)動速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 4.1.3動力系統(tǒng)比較 目前對于機(jī)器人的動力系統(tǒng)可以采用電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等不同的方式。不同的動力系統(tǒng)其有不同的特點(diǎn)，根據(jù)不同的工作環(huán)境和應(yīng)用場合，按照具體的要求來選擇最適合的動力系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。 氣壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比較小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器入在任意定位時，位姿精度不高。氣壓驅(qū)動不可避免的存在漏氣的問題和氣壓裝置體積較大，這一點(diǎn)不符合本爬行機(jī)器人的工作空間的要求，不適合在本系統(tǒng)中使用 電氣驅(qū)動是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動。由于電氣驅(qū)動具有易于控制，運(yùn)動精度高，反應(yīng)快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動己經(jīng)成為最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動方式，符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動的方案。 4.2 方案選擇 綜合上述幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。本課題擬設(shè)計(jì)一種爬桿機(jī)器人，它的工作對象為城市桿狀建筑，要求承載能力大、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能力強(qiáng)，能越障礙物。通過比較各種方案，本設(shè)計(jì)采用仿生尺蠖式蠕動爬行結(jié)構(gòu)形式，這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基本滿足我們設(shè)定的工作狀況。尺蠖蠕動式爬行具有很多優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動方向上任意長的距離提升重物，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡便，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 4.2.1機(jī)器人爬行原理分析 既然是仿生尺蠖式蠕動，那么在本機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，將以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軀干的伸縮往復(fù)運(yùn)動的主要動作為目標(biāo)。往復(fù)運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)有很多種，常見的機(jī)構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停歇機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)、螺旋絲桿機(jī)構(gòu)等。這幾種機(jī)構(gòu)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以很好地協(xié)調(diào)好機(jī)器人的整體工作。從圖5、6中可以看出，機(jī)器人的爬行動作原理可分為以下5步： 1) 在初始狀態(tài)1時，下機(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開； 2) 電機(jī)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤形凸輪順時針轉(zhuǎn)動，并推動下機(jī)械臂擺動，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角時，下機(jī)械手松開；與此同時上移動凸輪向下移動過空行程，上機(jī)械手抓緊，及狀態(tài)2.； 3) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時上機(jī)械手夾緊，下機(jī)械手松開，機(jī)器人下部被提升到極限位置，即狀態(tài)3.； 4) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過回程角時，下機(jī)械手夾緊；與此同時上移動凸輪向上滑過空行程，上機(jī)械手松開，即狀態(tài)4.； 5) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因?yàn)橄聶C(jī)械手夾緊，上機(jī)械手松開，所以機(jī)器人上部在電機(jī)的提升推力下向上移動，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線時，機(jī)器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)5； 從圖5中可以看出，減速電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，機(jī)器人整體向上爬行一次。 圖5 機(jī)器人運(yùn)動過程圖 圖 6 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖 4.2.2電氣設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可以劃分為幾個基本模塊，如下圖所示。對各模塊的實(shí)現(xiàn)，分別有以下一些不同的設(shè)計(jì)方案 4.2.3電機(jī)驅(qū)動調(diào)速模塊 驅(qū)動電路采用H型橋式PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動形式，如圖所示。電路主要由大功率三極管B772、D882、三極管8050和光電耦合器等元件組成。該驅(qū)動電路可控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止 5進(jìn)度計(jì)劃 2011年12月---- 2012年1月：收集資料，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻(xiàn)，書寫開題報告。 2012年 1月---- 2012年 2月：開始總體設(shè)計(jì)，完成機(jī)械部分，傳動部分設(shè)計(jì)。完成總裝配圖，A0圖紙1張，完成部分零件圖A1圖紙3張等。 2012年 2月---- 2012年3月：完成電氣控制部分設(shè)計(jì)，完成電氣控制系統(tǒng)圖，A1圖紙1張，撰寫說明書。 2012 年 3 月---- 2012年4月：中期答辯 2012 年 4 月---- 2012年5月：編寫畢業(yè)論文。 2012 年 5 月---- 2012年6月：畢業(yè)答辯準(zhǔn)備和答辯。 6．參考文獻(xiàn) [1]張海洪，談士力，龔振邦，等．壁面自動清洗機(jī)器人清洗工藝分析[J]．機(jī)電一體化，2001．(1)：1-3 [2]王園宇，武利生，李元宗．壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢淺析[J]．引進(jìn)與咨詢，2002．(4)：3-4 [3]蔣新松．機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]．遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994：12．18 [4]郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社.2005:1-4 [5]濮良貴. 機(jī)械設(shè)計(jì)[J].高等教育出版社,2006. 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[16] 龔振邦等編著.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì) [M].北京：電子工業(yè)出版社,1995. 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 開題答辯小組意見 1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實(shí)用價值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。 4、設(shè)計(jì)或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。 5、學(xué)生對文獻(xiàn)資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。 6、學(xué)生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學(xué)生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對論文選題報告的總體評價：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號“√”） 建議結(jié)論 評議小組組長簽名： 評議小組組員簽名： 年 月 日 12