爬壁式機(jī)器人設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

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高等教育自學(xué)考試 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 爬壁式機(jī)器人設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 姓 名 指導(dǎo)教師 所屬 助學(xué)單位 2011 年 12 月 2 日 第 1 頁(yè) 目錄 前言 .......................................................................................................................................................................... 2 第一章 ..................................................................................................................................................................... 3 總體結(jié)構(gòu) ................................................................................................................................................................... 3 械結(jié)構(gòu) ............................................................................................................................................................. 3 制系統(tǒng)硬件 ..................................................................................................................................................... 4 感導(dǎo)引系統(tǒng) ..................................................................................................................................................... 9 第二章 ................................................................................................................................................................... 14 壁機(jī)器人磁吸附原理 ................................................................................................................................... 14 吸附技術(shù)簡(jiǎn)介 ............................................................................................................................................... 14 吸力及選材 ........................................................................................................................................... 14 第三章 ................................................................................................................................................................... 16 種新型磁輪單元 ........................................................................................................................................... 16 輪分析 ........................................................................................................................................................... 16 第四章 爬壁 機(jī)器人的力學(xué)分析 .......................................................................................................................... 18 壁 機(jī)器人靜力學(xué)分析 ................................................................................................................................... 18 壁 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 ................................................................................................................................... 19 結(jié)論 ........................................................................................................................................................................ 21 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................................... 21 致謝 ........................................................................................................................................................................ 21 第 2 頁(yè) 摘要 爬壁機(jī)器人 ,是極限作業(yè)機(jī)器人的一個(gè)分支 ,它的突出特點(diǎn)是可以在垂直墻壁表面或者天花板上移動(dòng)作業(yè)爬壁機(jī)器人能吸附于壁面而 不 下滑 ,實(shí)現(xiàn)的方法主要有兩種 :負(fù)壓吸附與磁吸附 介紹一種新型爬壁機(jī)器人，它以超聲串列法自動(dòng)掃查和檢測(cè)在役化工容器筒壁對(duì)接環(huán)焊的危害性缺陷。 本文將 著重介紹了它的機(jī)械結(jié)構(gòu)及位置調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制算法。 這種機(jī)器人采用磁輪吸附和小車式行走，利用磁帶導(dǎo)航，光纖傳感器檢測(cè)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、導(dǎo)航性能好、位置調(diào)整方法可行和定位精度高等特點(diǎn) 。 本文將介紹的爬壁機(jī)器人為 超聲串列自動(dòng)掃查機(jī)器人是以某煉油廠加氫反應(yīng)器為具體的應(yīng)用對(duì)象，用來(lái)以超聲串列法自動(dòng)掃查和檢測(cè)筒壁對(duì)接環(huán)焊縫的危害缺陷而研制的，并按 力容器無(wú)損檢測(cè)》的 要求，用超聲串列法檢測(cè)。 超聲串列法要求一發(fā)、一收探頭中心聲束保持在一個(gè)與焊縫中心線相垂直的平面內(nèi)，收發(fā)探頭相對(duì)于串列基準(zhǔn)線須保持等距、反相、勻速移動(dòng)。 由于采用手動(dòng)檢測(cè)，操作難度大，重復(fù)性差，可比性差而難以實(shí)施。 對(duì)于這種用在圓形筒壁上在役檢測(cè)的機(jī)器人，丹麥的 司研制了多用途模塊磁輪掃描儀 本的 o。 是售價(jià)昂貴。 從文獻(xiàn)及報(bào)道方面看，國(guó)內(nèi)對(duì)于這種在役磁輪式爬壁機(jī)器人還少有實(shí)用化的樣例，也缺乏 這方面的機(jī)械結(jié)構(gòu)及自動(dòng)控制裝置的研究，因此，對(duì)大厚度焊縫的超聲波探傷自動(dòng)掃查爬壁機(jī)器人的研究是十分必要的。 關(guān)鍵詞 ：機(jī)器人技術(shù) 爬壁機(jī)器人 磁吸附 前言 機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種模仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動(dòng)化設(shè)備。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生革命性的變化，而且將對(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的小型化、微型化成為機(jī)器人技術(shù)發(fā) 展的重要方向之一。開(kāi)發(fā)一種小型、便攜的爬壁機(jī)器人在軍事和民用方面都具有重要意義。在軍事方面，它可以被投放在敵后，爬行于建筑物的外墻或玻璃壁面上，對(duì)室內(nèi)的情況進(jìn)行偵察；或者充當(dāng)可移動(dòng)的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設(shè)施和人員。 爬壁機(jī)器人作為工業(yè)用機(jī)器人的一種，指的是能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置，可以代替人工在高空、毒氣毒液、輻射、水下 第 3 頁(yè) 等高危環(huán)境下進(jìn)行特種作業(yè)，在熱電廠、造船業(yè)、核工業(yè)、石化天然氣業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，隨著技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用范圍的拓展，越來(lái)越受到各國(guó)科 研部門的重視 第一章 總體結(jié)構(gòu) 本樣機(jī)由機(jī)械部分、控制部分、導(dǎo)航傳感檢測(cè)部分組成。 械 結(jié)構(gòu) 本樣機(jī)的機(jī)械部分由導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)體、左右磁輪運(yùn)動(dòng)體組成。 樣機(jī)及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1。設(shè) o 1 x 1 y 1 為機(jī)器人的坐標(biāo)系，其中原點(diǎn) o 1 在機(jī)器人 4個(gè)輪子布局的對(duì)稱中心點(diǎn)上， x 1 為機(jī)器人左右磁輪的對(duì)稱中心線， y 1 平行于串列掃查探頭的導(dǎo)軌。 圖中所示 標(biāo)的 當(dāng)于是固定在筒壁上的，與串列掃查基準(zhǔn)線重合， o與 o 1 重合。 在這里所謂的串列基準(zhǔn)線是串列掃查時(shí)，作為一發(fā) 一收兩探頭等間隔移動(dòng)的所定相對(duì)對(duì)稱基準(zhǔn)線，一般設(shè)定為在離探傷面距離為 0。 5跨距的位置。 本文中左指的是 y 1 方向 ,反之為右方向。 各部分的工作原理如下： (1)左右磁輪運(yùn)動(dòng)體 整個(gè)掃查機(jī)器人靠 4個(gè)磁輪的吸力吸附在圓筒壁上 ,由磁輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)、后退，以及調(diào)整機(jī)器人的位置和方位，在這里我們選用磁輪而沒(méi)有用履帶，這有利于達(dá) 到串列掃 第 4 頁(yè) 查對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的要求。 機(jī)器人左右各有兩個(gè)磁輪，各由交流伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速、同步齒形帶傳動(dòng) ,帶動(dòng)磁輪沿壁面運(yùn)動(dòng) ,兩個(gè)磁輪通過(guò)齒形帶均可運(yùn)動(dòng) ,所以都是主動(dòng)輪，這樣左右磁輪的運(yùn)動(dòng)形成機(jī)器人的兩個(gè)自由度。 當(dāng)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)輪同向等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,機(jī)器人向前后移動(dòng)，當(dāng)左邊的 2 個(gè)磁輪的速度大于右邊的兩個(gè)磁輪的速度時(shí)，機(jī)器人向右偏轉(zhuǎn) ; 反之，向左偏轉(zhuǎn)。 (2)導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)體 采用交流伺服電機(jī)經(jīng)齒輪減速器和同步齒形帶帶動(dòng)兩滑塊在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，形成機(jī)器人的第三個(gè)自由度。 由于兩滑塊分別固聯(lián)在嚙入齒形輪的一邊和離 開(kāi)齒形輪的另一邊的齒形帶上，所以兩滑塊隨著齒形帶的運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)軌上同向或反向直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)固定在滑塊上的探頭相對(duì)機(jī)器人中心線同向或反向運(yùn)動(dòng)。 調(diào)整爬壁機(jī)器人的中心線與串列基準(zhǔn)線相平行，就可確保收、發(fā)探頭相對(duì)串列基準(zhǔn)線等距離運(yùn)動(dòng) ,符合串列掃查的運(yùn)動(dòng)要求。 同時(shí)電機(jī)與光電碼盤連接 ,通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖算出收發(fā)探頭入射點(diǎn)間距離 ,通過(guò)與壁面壓緊的滾輪和與之相聯(lián)的光電編碼器檢測(cè)機(jī)器人方向前進(jìn)、后退距離。 3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)用工控機(jī)伺服控制 ,通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 制系統(tǒng)硬件 該微型爬壁機(jī)器人采用 12個(gè)微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 4 個(gè)接觸傳感器， 4個(gè)壓力傳感器，以后還要增加用于壁障的紅外傳感器和用于采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的微型攝像頭，所以對(duì)主控制器的要求較高。設(shè)計(jì)中，最終選定 司最新開(kāi)發(fā)的基于 32 位 為控制系統(tǒng)主控制器。 *128 能； *16 *向量中斷控制器； *仿真跟蹤模塊支持實(shí)時(shí)跟蹤； *標(biāo)準(zhǔn) 調(diào)試接口，兼容現(xiàn)有工具； *雙 中一帶有 調(diào)制解調(diào)器接口； *高速 400kb/s； * *2個(gè)定時(shí)器分別具有 4 路捕獲 /比較通道； *多達(dá) 6路輸出的 元； 第 5 頁(yè) *實(shí)時(shí)時(shí)鐘； *看門狗定時(shí)器； *通用 I/ *0 *兩個(gè)低功耗模式，空閑和掉電； *通過(guò)外部中斷，將處理器從掉電模式中喚醒； *外設(shè)功能可單獨(dú)使能 /禁止實(shí)現(xiàn)功耗最優(yōu)化； *片內(nèi)晶振的操作頻率范圍 10～ 25 *處內(nèi) 。 微型爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 2所示，選用 提高系統(tǒng)效率和降低功耗，功放驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極性 6 引腳 內(nèi)部集成了雙極型 有的開(kāi)量都做成 種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤(rùn)滑”作用，消除正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。 能 信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整（ 另外， 2個(gè) 片芯片上，這就意味著用 1片芯片可以同時(shí)控制 2個(gè)電機(jī)。每 1個(gè)電機(jī)需要 3個(gè)控制信號(hào) 中 使能信號(hào)， 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)， ， 0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路 過(guò)調(diào)整 擇一路 I/反向器 74腳，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。為了節(jié)省 ，選用2 片 74制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。為了節(jié)省 ，選用 2片 74，每片分別選用 3路 I/路 I/樣就可以將 8路 I/6路 I/前所述，因?yàn)橹弊㈦姍C(jī)采用 速，這樣每 1個(gè)電機(jī)至少需要 1 路 12個(gè)電機(jī)需要 12 路 路 出，所以選用2 片電平鎖存器 742個(gè)電機(jī)分成 2組共用 6路 第 6 頁(yè) 接觸傳感器由外層管和內(nèi)部超彈性線構(gòu)成，內(nèi)外兩層通過(guò)硅管隔開(kāi)。當(dāng)內(nèi)線和外 層接觸時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉。通過(guò)這種方法，接觸傳感器向 此來(lái)控制吸盤的方向。 從壓力傳感器來(lái)模擬信號(hào)經(jīng) A/ 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 微型爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件選用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μ C/是一個(gè)源代碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用 植方便，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。目前，它 已經(jīng)在幾十種從 8位到 64位的微處理器、微控制器上實(shí)現(xiàn)了成功的移植。下面首先介紹μ C/后介紹微型爬壁機(jī)器人控制軟件的設(shè)計(jì)。 μ C/移植μ C/要包括：設(shè)置堆棧的增長(zhǎng)方面，聲明 3個(gè)宏（開(kāi)中斷、關(guān)中斷和任務(wù)切換），聲明 10個(gè)與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型；用 個(gè)與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)（任務(wù)堆棧初始化函數(shù)和 5 個(gè)鉤子函數(shù)）；用匯編語(yǔ)言編寫 4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)。 用匯編語(yǔ)言編寫的 4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)如下： ① 用于在調(diào)度中使最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)處于就緒態(tài)并開(kāi)始執(zhí)行； ② 完成任務(wù)級(jí)的上下文切換； ③ 完成中斷級(jí)任務(wù)切換，其過(guò)程與 類似，只是在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序后可能使更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)處于就緒態(tài)； ④ 是系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)子程序。 μ C/語(yǔ)言中的 數(shù)據(jù)類型的定義，因?yàn)樗鼈兣c處理器類型有關(guān)，隱含著不可移值性，所以代之以移值性強(qiáng)的整數(shù) 數(shù)據(jù)類型，這樣，既直觀又可移值。 第 7 頁(yè) 在μ C/用 和 開(kāi)中斷和關(guān)中斷來(lái)保護(hù)臨界段代碼。 碼時(shí)，不能改變處理器的開(kāi)中斷位 I。為了兼容各種模式，使用軟中斷指令 使用中斷，使用 中斷。 Μ C/0表示堆棧從低地址往高地址增長(zhǎng)， 1表示堆棧從高地址往低 地址增長(zhǎng)。雖然 理器核對(duì)于兩種方式支持，但 語(yǔ)言編譯器僅支持一種方式，即從高地址往低地址增長(zhǎng)，并且必須是滿遞減堆棧，所以值為 1。以上內(nèi)容在文件 做如下定義。 *布爾變量 */ *無(wú)符號(hào) 8位整型變量 */ *有符號(hào) 8位整型變量 */ *無(wú)符號(hào) 16位整型變量 */ *有符號(hào) 16 位整型變量 */ *無(wú)符號(hào) 32 位整型變量 */ *有符號(hào) 32位整型變量 */ *單精度浮點(diǎn)數(shù)（ 32位長(zhǎng)度） */ *雙精度浮點(diǎn)數(shù)（ 64位長(zhǎng)度） */ *堆棧是 32位寬度 */ _*關(guān)中斷 */ _*開(kāi)中斷 */ #堆棧由高地址向低地址增長(zhǎng) */ 件的移值 第 8 頁(yè) ，任務(wù)切換函數(shù)，中斷任務(wù)切換函數(shù) 和時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù) 這 4個(gè)匯編函數(shù)的改寫。上層任務(wù)調(diào)度部分不需要任何改動(dòng)。 統(tǒng)任務(wù)劃分及調(diào)度 系統(tǒng)任務(wù)劃分 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的任務(wù)不同于前后臺(tái)系統(tǒng)中的子程序模塊，任務(wù)是處理機(jī)按程序處理數(shù)據(jù)的過(guò)程，是個(gè)動(dòng)態(tài)的概念。一般，一個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)于一段獨(dú)立的主程序。它可以調(diào)用各種子程序，并使用各種系統(tǒng)資源如中斷、外設(shè)等，以完成某種預(yù)定的功能，且允許多個(gè)任務(wù)并行運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)任務(wù)劃分，是將系統(tǒng)中所有要處理的事情劃分為一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊，所有待處理的任務(wù)模塊按順序建立一個(gè)個(gè)的任務(wù)，并分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。在主程序中，所需要做的工作只是建立這 些模塊的任務(wù)，然后每次執(zhí)行就緒任務(wù)隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。根據(jù)微型爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求，對(duì)可系統(tǒng)進(jìn)行如下的任務(wù)劃分：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、串行通信、數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。 任務(wù)調(diào)整 μ C/據(jù)各任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求及重要程度，分別置它們的優(yōu)先級(jí)為 10、 9、 5、 6、 12、 11，其中 0、 1、 2、 3、 先級(jí)號(hào)越低，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高。 為了在后臺(tái)實(shí)時(shí)檢測(cè)同步信號(hào)的變化，及時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的事件，可直接利用嵌入式微控制器所提供的各種中斷，通過(guò)對(duì)中斷服務(wù)處理程序傳遞信號(hào)量，來(lái)喚醒等待同步信號(hào)的任務(wù)，使這個(gè)任務(wù)從掛起狀態(tài)到就緒狀態(tài)，送到 而達(dá)到實(shí)時(shí)處理的目的。 在多任務(wù)系統(tǒng)中，消息、信號(hào)是系統(tǒng)能夠在各個(gè)任務(wù)之間通信最常用的手段，其中，使用信號(hào)量是協(xié)調(diào)多任務(wù)最簡(jiǎn)單有效的手段。在μ C/，一個(gè)任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序，通過(guò)事件控制塊來(lái)向另外的任務(wù)發(fā)信號(hào)。當(dāng) 微型爬壁機(jī)器人啟動(dòng)之后，首先通過(guò)接觸傳感器和壓力傳感器檢測(cè) 4只吸盤是否很好的與壁面吸合；同時(shí)，通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)前面是否有障礙物。如果一切正常就發(fā)送信號(hào)量給直線前進(jìn)任務(wù)，直線前進(jìn)任務(wù)接受到信號(hào)量開(kāi)始運(yùn)行，通過(guò)協(xié)調(diào)控制 12個(gè)電機(jī)并配合相應(yīng)傳感器使爬壁機(jī)器人沿直線運(yùn)行。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到前面有障礙物時(shí)，會(huì)進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中發(fā)送信號(hào)給停止任務(wù)，停止任務(wù)接收以信號(hào)量后運(yùn)行。首先使機(jī)器人停下來(lái)調(diào)整好姿勢(shì)確保機(jī)器人四足吸在壁面上，然后發(fā)送信號(hào)量喚醒左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)任務(wù)，控制機(jī)器人繞過(guò)障礙物。以后還可以給微型爬壁機(jī)器 人配備微型攝像頭，對(duì)目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集?？傊谖⑿团辣跈C(jī)器人的控制系統(tǒng)中，信號(hào)、消息不斷傳遞，使得各個(gè)任務(wù)不斷切換運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)得以正確運(yùn)轉(zhuǎn)工作。 第 9 頁(yè) 感導(dǎo)引系統(tǒng) 傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。 外部傳感器為： (1)傳感器檢測(cè)導(dǎo)引方案采用在筒壁上沿平行焊縫方向貼導(dǎo)向帶，通過(guò)安裝在車體上的 4個(gè)對(duì)顏色敏感的光纖傳感器 (傳感器固定在傳感器盒上 )來(lái)檢測(cè)機(jī)器人本體的位置偏移和方位偏移。 (2)由另一緊壓壁面的自由輪帶動(dòng)的光電碼盤檢測(cè) 內(nèi)部傳感器為： x 向 部傳感器 ,即是伺服電機(jī)軸上的 3個(gè)位移光電碼盤。 以平行于焊縫的參考線為定位參考基準(zhǔn) ,布置好導(dǎo)向帶 ,導(dǎo)向帶采用表面光滑且無(wú)凹陷的磁條作為底層，在磁條上鋪設(shè)固定寬度的白色色帶用于導(dǎo)航。 傳感器的平面布置如圖 2所示。 圖中 .‘1 x ‘1 y ‘1 為傳感器盒坐標(biāo)系，相當(dāng)于是固定在機(jī)器人本體上的。 x ‘ 1 傳感器對(duì)稱中 心線上與 x 1 軸平行， y ‘1 軸通過(guò) 1、 2 傳感器， . ‘1 為傳感器坐標(biāo)原點(diǎn)。 .‘ (2) f4< (3) 兩側(cè)的吸附力變化方向相反，通過(guò)仿真計(jì)算得總吸附力變化不大： f3+ f1+ (4) 同理，圖 2d 中 于 于 附力得變化相互抵消，得： f5+ f1+ (5) 圖 2d 中， 機(jī)器人其他零件對(duì)磁輪單元的作用力矩。 (a) (b) (c) （ d） 圖 2 磁輪和壁面的不同接觸狀態(tài) 第 18 頁(yè) 第四章 爬壁 機(jī)器人的力學(xué)分析 壁 機(jī)器人靜力學(xué)分析 機(jī)器人參數(shù)如圖 3所示。下文變量說(shuō)明： W：左輪、右輪軸線距離 (m)； L：輔助萬(wàn)向輪到左輪、右輪軸線距離 (m)； S：機(jī)器人重心 m)； H：機(jī)器人重心到壁面距離 (m)。 圖 3 機(jī)器人參數(shù)示意圖 爬壁機(jī)器人在靜止且不作業(yè)時(shí)受到以下力： G：爬 壁機(jī)器人的重力 (N)； 用在左右輪軸線上的等效吸附力 (N)； 用在輔助萬(wàn)向輪上的等效吸附力 (N)； 輪、右輪和輔助萬(wàn)向輪與壁面的正壓力 (N)； 輪、右輪和輔助萬(wàn)向輪與壁面間的摩擦力 (N)。 在進(jìn)行清理、補(bǔ)焊和磨削等作業(yè)時(shí)，機(jī)器人會(huì)受到作業(yè)產(chǎn)生的反力。實(shí)驗(yàn)證實(shí)磨削時(shí)的產(chǎn)生的反力在切向和法向都是最大，因此機(jī)器人在進(jìn)行磨削作業(yè)時(shí)如果能保持穩(wěn)定，不發(fā)生滑移和脫落，則在進(jìn)行其他作業(yè)時(shí)也能保持穩(wěn)定。 第 19 頁(yè) 壁 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)分為直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。理論和實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)爬壁機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向時(shí)，要求單個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置輸出的驅(qū)動(dòng)力矩和功率最大，是最易發(fā)生打滑及堵轉(zhuǎn)失穩(wěn)的工況。爬壁機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平面受力狀況如圖 4所示，圖中 F L、 F N)， 別為作用在左右輪上的側(cè)向摩擦力 (N)， 作用在滾動(dòng)萬(wàn)向輪上的滾動(dòng)阻力 (N)。 在坐標(biāo)系 壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)方程為 ： 其中 m ：為爬壁機(jī)器人質(zhì)量 ( 左、右輪軸線中點(diǎn)為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( 器人在 (m/s)； R、 m/ ω ：機(jī)器人角速度 (s)； 圖 4 爬壁機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向平面受力圖 第 20 頁(yè) 式中 別為作用在左右輪上的驅(qū)動(dòng)力矩 ( 別為左右輪的滾動(dòng)阻力 (N)， D r 為驅(qū)動(dòng)輪半徑 (m)。 根據(jù)靜力平衡關(guān)系得： 根據(jù)爬壁機(jī)器人在壁面運(yùn)行的實(shí)際情況，提出下列假設(shè)：爬壁機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不出現(xiàn)滑移和側(cè)滑，以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，即認(rèn)為 x V （ 0～ s）及線速度 0～ 2 m/，離心力遠(yuǎn)小于機(jī)器人自重，故忽略離 心加速度項(xiàng)的影響。 根據(jù)上述假設(shè)，上式可簡(jiǎn)化為： 第 21 頁(yè) 由上式分析可得，為防止驅(qū)動(dòng)輪打滑， 結(jié)論 本文主要討論了磁吸附機(jī)器人及其磁吸附機(jī)構(gòu)。本文還介紹了一種永磁體集中布置的曲面自適應(yīng)磁輪單元。該磁輪單元能提供比普通同等質(zhì)量的磁輪更大的吸附力，且在曲面上能保持吸附力基本不變。研究了磁吸附爬壁機(jī)器人的力學(xué)模 型，通過(guò)對(duì)以上爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能的分析，可以預(yù)見(jiàn)當(dāng)微機(jī)械電子技術(shù)、微驅(qū)動(dòng)器技術(shù)、高分子材料技術(shù)和能源供給方面等高科技領(lǐng)域發(fā)展到一定程度時(shí)，這種新型爬壁機(jī)器人的實(shí)用化才能變成現(xiàn)實(shí)。 參考文獻(xiàn) 王麗慧 . 水下船體表面清刷機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)研究 [D]. 哈爾濱 : 哈爾濱工程大學(xué) , 2002 田蘭圖 . 油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人技術(shù)及系統(tǒng)研究 [D]. 北京 : 清華大學(xué) , 2004 桂仲成 , 陳強(qiáng) , 孫振國(guó) , 等 . 水輪機(jī)葉片修復(fù)機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái) [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào) , 2006 劉淑霞 , 王炎 , 徐殿國(guó) , 等．爬壁機(jī)器 人技術(shù)的應(yīng)用 [J]．機(jī)器人 , 1999, 21(2): 14 致謝 在即將完成本科學(xué)習(xí)之際，首先我衷心感謝徐漢斌老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予的無(wú)私的關(guān)心、幫助和指導(dǎo)。徐老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的科研精神和對(duì)學(xué)術(shù)的執(zhí)著追求將使我終身受益。同時(shí)在此期間，徐老師給予了我全面鍛煉的機(jī)會(huì)，導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求使我的論文得以順利進(jìn)行。在此成文之際，謹(jǐn)向徐老師致以我最深切的敬意和最衷心的感謝。 感謝在本科學(xué)習(xí)期間，給予我鼓勵(lì)和幫助的所有同學(xué)及朋友。特別是養(yǎng)育我多年的父母。 感謝對(duì)論文進(jìn)行評(píng)審、提出寶貴意見(jiàn)的各位老師 。 第 1 頁(yè)