氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)【說明書+CAD+PROE】

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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯 系： 機(jī)械工程 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 外文出處： ICRA 1997 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語： 簽名： 2010年 3月 25日 注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。 附件1：外文資料翻譯譯文 基于Rubbertuator結(jié)構(gòu)攀巖檢查機(jī)器人 1.摘要 闡述了我們對(duì)羅賓機(jī)器人研究的進(jìn)展。羅賓是一個(gè)在人造環(huán)境下工作的爬升機(jī)器人。它可以攜帶照相機(jī)或傳感器到橋梁、房屋、航天器或船上來檢查。這個(gè)機(jī)器人有兩個(gè)真空管吸盤夾具由一個(gè)四自由度的機(jī)械裝置連接在一起可以在表面上行走而且容許在相鄰表面上的過渡行走。羅賓在幾個(gè)領(lǐng)域有所創(chuàng)新。它是唯一的使用McKibben型氣動(dòng)人工肌肉來實(shí)現(xiàn)爬升的機(jī)器人。它在利用包含數(shù)控系統(tǒng)的爬升機(jī)器人上也有所創(chuàng)新。羅賓也是少數(shù)幾個(gè)能夠在曲面間過渡或從水平面到垂直面過渡的爬升機(jī)器人之一。 圖1：羅賓 2.介紹 羅賓,如圖1所示,是一種多用途結(jié)構(gòu)檢測工具,特別針對(duì)于人造環(huán)境的檢驗(yàn)。最終目的是成為一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)基礎(chǔ)成分。由于許多國家的基礎(chǔ)設(shè)施年齡、檢查和大型人造的建筑的維修將會(huì)變得越來越重要。這個(gè)機(jī)器人和其他許多攀爬機(jī)器人將會(huì)成為安全的有效的衰老基礎(chǔ)設(shè)施檢測工具,如建筑、橋梁、飛機(jī)和船只。當(dāng)它可以攜帶傳感器進(jìn)入危險(xiǎn)地區(qū)或無法到達(dá)的地方，從而使人類督察任務(wù)更加安全。當(dāng)它執(zhí)行那些對(duì)于人類的檢查員來說或是太困難或者乏味的工作時(shí)也是很令人滿意的『1』。如果一個(gè)結(jié)構(gòu)攀巖機(jī)器人是被用來攀登諸如橋梁或者飛機(jī)的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，則其在相鄰表面之間的轉(zhuǎn)變過渡的能力是至關(guān)緊要的。此外，重要的是登山機(jī)器人能否處理好各種帶或不帶支撐點(diǎn)的表面類型。這使得機(jī)器人是一個(gè)多用途檢驗(yàn)媒介。我們目前正在開發(fā)羅賓，以便它成為一種低成本的人工環(huán)境檢查工具。 2.1以前的攀登的機(jī)器人 最初的墻壁爬上是平面的機(jī)器人，有第三的運(yùn)動(dòng)的最小限度的范圍。這些機(jī)器人將只限于在一個(gè)設(shè)計(jì)好的平面上運(yùn)動(dòng)，并且大部分機(jī)器人只限于進(jìn)入一個(gè)完全平坦的平面。這嚴(yán)格地限制條件限制了這些機(jī)器人只能在最簡單的環(huán)境中使用，各面的轉(zhuǎn)換是不需要的并且表面上必須沒有任何障。天空清洗機(jī)[2]是商業(yè)開發(fā)為清洗摩天大樓窗戶的系統(tǒng)。IROW [3]的開發(fā)是為了檢查圓柱殼形狀的墻壁和含有放射性液體罐底部。如同許多其他的設(shè)計(jì)，它通過臍狀的繩索連接到電源和控制系統(tǒng)。墻地面車[4]與天空清洗機(jī)[2]在基礎(chǔ)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上非常相似。它有兩個(gè)自由度，并可以采用真空吸頭或磁裝置吸附在表面。如果天空清洗機(jī)是笛卡爾的機(jī)制，這個(gè)機(jī)器人有一個(gè)極機(jī)制。有包含強(qiáng)大的永久磁體的被動(dòng)式腳座和一個(gè)電磁鐵用來取消永久磁場以舉起腳座。即使是電力供應(yīng)不足這種有磁性的腳依然能保持依附在一個(gè)平面上。連續(xù)動(dòng)作的攀登機(jī)器人與天空清洗機(jī)有許多相似之處。然而，它還擁有一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)能夠使機(jī)器人用不到滾輪或吸盤卻不停的進(jìn)行轉(zhuǎn)化動(dòng)作[5]。這種機(jī)器人更傾向用在焊接船殼和那些需要持續(xù)動(dòng)作的其他特殊任務(wù)。 一些攀爬機(jī)器人應(yīng)具有在毗連平坦的表面之間做出轉(zhuǎn)換的重要能力。對(duì)用來檢測諸如大樓這樣復(fù)雜環(huán)境的任何機(jī)器人都應(yīng)具有從地面移動(dòng)到墻面，從墻面到天花板的能力?！昂斯S檢查員”機(jī)器人是專門設(shè)計(jì)來檢查一套在核反應(yīng)堆的建筑物的房間[6].這種機(jī)器人的行為與尺蠖的行為相似。NINJA-1[7]是有史以來開發(fā)的一個(gè)最復(fù)雜的攀巖壁機(jī)器人。它有四條腿，每條腿都帶有四自由度，并且在腿的下面都有一個(gè)吸盤。這種機(jī)制的機(jī)器人能容易地處理不平坦的表面上的障礙。它能在表面之間轉(zhuǎn)變并且使用不同的姿態(tài)和走的步態(tài)來過渡。塔涂裝機(jī)器人[8]是第一個(gè)以Rubbertuators即橡膠，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人。其設(shè)計(jì)使用了Rubbertuators使其在兩端行成一個(gè)有夾具的平行機(jī)制。塔涂裝機(jī)器人的尺蠖類蠕動(dòng)，與核電廠檢查非常相似。不幸的是，這種設(shè)計(jì)沒有被實(shí)施。斯塔姆-四[9]是最相似的羅賓設(shè)計(jì)。三個(gè)主要差異是缺乏鉸連接膝關(guān)節(jié)，簡單的真空裝置用來連接機(jī)器人的表面和作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)來使用。斯塔姆第四可以步行穿過平坦的表面，轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)換。但是，膝關(guān)節(jié)的缺乏無法執(zhí)行外部的轉(zhuǎn)換或跨越表面上的障礙。此外，此設(shè)計(jì)中在兩端使用一個(gè)真空杯裝置以支持機(jī)器人。雖然是在支持機(jī)器人，它是很敏感的在表面或其他表面性質(zhì)形成裂縫。 圖2：行走中羅賓 3.機(jī)器人檢查員 羅賓機(jī)器人的基本的結(jié)構(gòu)是在每一末端的帶有兩只腳的鉸接腿。圖2顯示了在行動(dòng)中的羅賓機(jī)制。該機(jī)器人有四個(gè)自由度，其機(jī)制的設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人可以步行前進(jìn)，后退以及轉(zhuǎn)機(jī)。另外，羅賓可以從一個(gè)水平表面轉(zhuǎn)移到的垂直表面并返回。過渡能力在檢查人造結(jié)構(gòu)時(shí)是很重要的。羅賓機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以并能在平面行走中跨過障礙在內(nèi)部（地上到墻上）和外部（屋頂?shù)酵鈮Γ?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，羅賓打算在其背部裝上照相機(jī)和其他的接觸傳感器，像腳上的電渦流探頭[1]，但目前的發(fā)展重點(diǎn)是提高本身的攀登手段。 3.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)?！? 羅賓是一種“步行腿”式機(jī)器人, 通過對(duì)一只腳固定和加強(qiáng)對(duì)另一只自由腳的控制正如圖2序列描繪的一樣。如圖3，機(jī)器人也可以從水平到垂直的表面轉(zhuǎn)移，雖然控制軟件還沒有寫入這中情形。 圖3：水平面到垂直面的轉(zhuǎn)移 圖4：Rubbertuator的構(gòu)造 3.2氣動(dòng)肌肉 Rubbertuators是靈活的氣動(dòng)執(zhí)行器，是羅賓的肌肉。這些驅(qū)動(dòng)器重量輕，并且是強(qiáng)有力，這是我們能夠開發(fā)羅賓的技術(shù)之一。羅賓的rubbertuators控制是由一個(gè)非常簡單的開關(guān)閥系統(tǒng)。關(guān)節(jié)位置由光學(xué)編碼器反饋到剛度控制系統(tǒng)，壓力傳感器反饋的rubbertuator執(zhí)行器的壓力。如圖4所示Rubbertuator是由一個(gè)纖維鞘包圍的橡膠管與兩端配件組成。由于軟管膨脹，直徑增加，纖維鞘保持幾乎恒定的容量繼而迫使Rubbertuator在長度上縮短。羅賓上的Rubbertuators每個(gè)重約300克，但幾乎施加了3OOKgf的全壓下才會(huì)縮短。 3.3真空腳座 機(jī)器人的真空裝置或腳，是負(fù)責(zé)提供有力的支撐點(diǎn)用來走過任何角度或方向上的橫斷表面。多吸盤被用來降低真空裝置對(duì)表面裂紋的敏感度。五個(gè)杯子放置的形狀如骰子上的點(diǎn)。這些杯子分別被安排以實(shí)現(xiàn)最小的占位面積而留下足夠的空間接觸界杯之間的傳播，當(dāng)杯子緊緊的與地面接觸時(shí)那種情況才會(huì)發(fā)生。圖5顯示了機(jī)器人在墻上支撐自量。 圖5：羅賓在墻面的支撐 4.控制系統(tǒng) 微控制器的網(wǎng)絡(luò)用于羅賓的低級(jí)控制。每一個(gè)聯(lián)合機(jī)制，每個(gè)夾具都是由圖8所示的物理層控制器板集所控制。微控制器板是一種通用的設(shè)計(jì)，允許同一電路板可用于真空系統(tǒng)的控制和氣動(dòng)聯(lián)合控制。這種微控制器的網(wǎng)絡(luò)可以連接到PC主機(jī)上并運(yùn)行包容結(jié)構(gòu)控制器。低層次的步驟像壓力和強(qiáng)度調(diào)整可以在微控制器上的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。 4.1壓力控制 傳統(tǒng)上，Rubbertuators [羅]已非常龐大，笨重，昂貴的伺服閥控制。這就對(duì)移動(dòng)、爬行機(jī)器人中應(yīng)用Rubbertuators提出一個(gè)重大問題，其中體重往往是首要關(guān)注的問題。這些閥的使用將使Rubbertuators的優(yōu)點(diǎn)不再明顯。開-關(guān)類型電磁閥重量輕、價(jià)位低，是傳統(tǒng)電磁閥的替代品，但是其帶來更加復(fù)雜的控制問題。利用電磁鐵閥門對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的成本和重量小于40％，是市面上最輕的發(fā)現(xiàn)伺服閥。一 圖6：Rubbertuator氣動(dòng)回路 個(gè)單獨(dú)的Rubbertuator氣動(dòng)回路圖示在圖6中所展示。機(jī)器人中有8個(gè)這樣的回路用以控制四個(gè)關(guān)節(jié)。吸入閥v給Rubbertuator充氣造成它收縮，當(dāng)出口閥向大氣排除尾氣時(shí)引起Rubbertuator松馳。Rubbertuator的壓力從一個(gè)壓力傳感器反饋到控制計(jì)算機(jī)。由于希望使用脈沖或Bang - Bang控制體系，在入口和出口閥門被選定響應(yīng)時(shí)間非常短，少于10毫秒。 有三種可能的控制措施：增加壓力（進(jìn)氣閥打開）后，保持壓力（兩個(gè)閥關(guān)閉），減少壓力（出口閥門的）。壓力的變化率對(duì)進(jìn)口，出口和內(nèi)部的壓力和閥流量參數(shù)的相對(duì)值呈非線性函數(shù)。另外，氣動(dòng)系統(tǒng)中還有微小泄漏，工作時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這個(gè)簡單的閥門系統(tǒng)，只有bang-bang壓力控制是成功的。如果壓力低于目標(biāo)的壓力區(qū)進(jìn)氣閥門會(huì)打開，如果壓力高于目標(biāo)的壓力區(qū)，出口閥則打開。兩個(gè)閥門關(guān)閉時(shí)有一個(gè)小滯后區(qū)設(shè)定點(diǎn)附近爆炸控制器以防止爆炸的過度振蕩壓力。閥門選擇了非常小的流量，而且是對(duì)系統(tǒng)性能的主要限制。 4.2關(guān)節(jié)剛度控制 剛度控制器是建立在壓力控制器的頂部，并維持很小剛度來滿足一定的約束，也就是使連接rubbertuators到關(guān)節(jié)的鏈條不至于從鏈輪滑落。當(dāng)膨脹時(shí)Rubbertuator的動(dòng)作就像是一個(gè)非線性空氣彈簧，彈簧伸長和收縮率伴隨管的壓力的變化而變化。Rubbertuator收縮長度是(1 -€) Lo，Lo是最大長度。制造商列出一個(gè)等式，描述了Rubbertuator收縮力[10]：FTUb(PE,) = P [ a ( l - E) 2 - b] DZ （1）其中p是壓力，t是收縮率，a，b是rubbertuator類型的參數(shù)，Do是Rubbertuator原直徑。一些特性可以從這個(gè)模型觀測，力F與壓力P呈線性變化，與收縮率€ 呈非線性。 圖7：關(guān)節(jié)處連接 模型驅(qū)動(dòng)器遲滯，其中部分來自于覆蓋面和覆蓋之間的纖維繩線管，還有就是纖維層和輪管繩子的摩擦。一個(gè)rubbertuators對(duì)用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接作出如圖7所示。他們的工作很像動(dòng)物的肌為對(duì)肌肉的屈伸。這是兩rubbertuators的拉動(dòng)力量共同來自這一舉動(dòng)的僵硬關(guān)節(jié)。每個(gè)rubbertuator只有施加收縮方向的力量。因此，這剛度對(duì)與每個(gè)關(guān)節(jié)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向是獨(dú)立的。 對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的氣壓校準(zhǔn)相等的等量以實(shí)現(xiàn)剛度控制器。一個(gè)文件包含一個(gè)位置和每rubbertuator的伴生的壓力是由抽樣程序生成的。這些數(shù)據(jù)是用于計(jì)算每個(gè)rubbertuator最佳擬合多項(xiàng)式曲線，它被用來生成編碼的立場和壓力值正?；?。此表從主機(jī)下載到每個(gè)關(guān)節(jié)的相關(guān)微控制器。剛度控制器然后設(shè)置每個(gè)編碼器的位置所需的最低壓力值，從而使每個(gè)聯(lián)合的一面達(dá)到最低鏈張緊剛度。剛度控制被作為添加到目前最低值的一個(gè)額外的壓力值，對(duì)rubbertuator的一個(gè)張緊壓力。通過增加關(guān)節(jié)的一邊的剛度，其移動(dòng)到一個(gè)位置，此處向邊的rubbertuator和環(huán)境的力是平衡的關(guān)節(jié)移動(dòng)式，命令產(chǎn)生一個(gè)附加力，因此新的鏈張緊力不斷的加載。新鏈張緊壓力由于從命令中增加的剛度通過其范圍不斷地重新加載作為聯(lián)合行動(dòng)。由于沒有實(shí)際的剛度反饋，所以剛度是開環(huán)控制。 圖8：基于行動(dòng)控制系統(tǒng) 5.行為系統(tǒng) 羅賓利用基于行為受弧打擊，使用的 ecture 對(duì)于仲裁的 subsumption[ll]。不象大多數(shù)行為系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)帶寬被保存所作建造行為，以便他們要求最少信息。圖 8 詳細(xì)說明基于行為控制系統(tǒng)。 5.1 級(jí)別1 第一級(jí)包含了腳步動(dòng)作，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用以維持表面的吸力和運(yùn)動(dòng)。腳的行為通過啟用該腳真空泵表面紅外傳感器探測來回應(yīng)。這種低層次的行為可能被納入上級(jí)的行為以便于行走。 5.2 級(jí)別2 第二級(jí)包括那些通過羅賓發(fā)送必要的剛度指令到指定的控制器關(guān)節(jié)的行進(jìn)行為。這些行為包含了協(xié)同和擴(kuò)展行為。擴(kuò)展行為由順序動(dòng)作引發(fā)，以運(yùn)行或重置其狀態(tài)。它將指定的剛度壓力發(fā)送至腳踝和膝蓋關(guān)節(jié)控制器，以便完成抬腳、伸膝、放腳動(dòng)作。協(xié)同行為，也由順序動(dòng)作引起。它將指定的剛度壓力發(fā)送至腳踝和膝蓋關(guān)節(jié)控制器，以便抬腳、屈膝、放腳。目標(biāo)位置根據(jù)規(guī)則為基礎(chǔ)的位置控制算法得到，先后預(yù)估必要的剛度值，以達(dá)到期望的位置。計(jì)算編碼器的位置決定何時(shí)增加或減少我們的接近值。如果當(dāng)前的位置高于目標(biāo)的位置，我們向關(guān)節(jié)傳遞與預(yù)期方向相反的命令，減少我們的近似剛度。如果當(dāng)前的位置低于目標(biāo)窗口，我們發(fā)送一個(gè)期望的旋轉(zhuǎn)方向剛度的聯(lián)合控制，提高近似剛度。當(dāng)我們的目標(biāo)窗口內(nèi)，我們輸出近似剛度值。這種連續(xù)的近似方法，最終使其穩(wěn)定在目標(biāo)窗口內(nèi)。 5.3 級(jí)別3 3級(jí)是所有行為的最高優(yōu)權(quán)順序。此行為監(jiān)控真空和膝蓋的位置，以確定羅賓目前在哪種狀態(tài)。然后發(fā)出信號(hào)做出適當(dāng)?shù)男袨?。由于硬件的局限性，此行為顯得尤為重要。羅賓還沒有為了表面抽吸檢測的真空傳感器。因此，我們使用超時(shí)產(chǎn)生這種行為。 圖9：關(guān)節(jié)的步進(jìn)順序 6 .評(píng)價(jià) 圖9顯示在一個(gè)水平面上直線行走機(jī)器人的動(dòng)作指令的順序和關(guān)節(jié)位置反饋。該圖通過兩個(gè)步驟和它所期望的位置相比介紹了每個(gè)關(guān)節(jié)。實(shí)線虛線表明理論與實(shí)際的關(guān)節(jié)角度。需要注意的是，這些目標(biāo)的角度是只有在對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作執(zhí)行時(shí)才有效。該步驟在兩秒開始以15度角實(shí)現(xiàn)其擴(kuò)展目標(biāo)。這是在18秒時(shí)被實(shí)現(xiàn)并會(huì)導(dǎo)致打開膝蓋擴(kuò)到理想角度80度。達(dá)到這個(gè)目標(biāo)導(dǎo)致擴(kuò)大然后降下對(duì)表面通過改變期望聯(lián)接一目標(biāo)到45度的一套開放，延長的自由裝置。這個(gè)目標(biāo)導(dǎo)致查出表面和使能真空的腳傳感器，反過來，發(fā)信號(hào)序列行為對(duì)功能失效擴(kuò)大并且使能收縮。開始移動(dòng)聯(lián)接三和四分別朝他們的37和-46度的期望位置直接收縮。在38秒結(jié)束做到這一點(diǎn)導(dǎo)致收縮關(guān)閉膝蓋。聯(lián)接的期望位置三和四是在這個(gè)膝蓋收縮了之后他們不移動(dòng)了。完成這個(gè)過程在44秒，重新設(shè)置每一個(gè)下一步的行為狀態(tài)。 7. 未來研究方向 該機(jī)器人目前傾向行走于平坦的表面或距垂直階層最多不超過30度的傾斜表面。我們也在想方設(shè)法給機(jī)器人開發(fā)更多在水平面到垂直面甚至背面的操作。將會(huì)有跟多高級(jí)的行為把正常的擴(kuò)展和收縮行為用于直線行走。硬件優(yōu)化列如大閥門端口將將允許更多的易感應(yīng)的控制。我們也決定在腳上增加真空傳感器已證實(shí)在下次行動(dòng)之前達(dá)到吸入值。擁有這些增加的功能羅賓便在它將成為一個(gè)有用的機(jī)器人檢查工具的道路上行進(jìn)。 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 選題情況 課題名稱 氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì) 難易程度 偏難 適中 √ 偏易 工作量 較大 合理 √ 較小 符合規(guī)范化的要求 任務(wù)書 有 √ 無 開題報(bào)告 有 √ 無 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 √ 中 差 學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況 好 √ 一般 差 工作進(jìn)度 快 按計(jì)劃進(jìn)行 √ 慢 中期工作匯報(bào)及解答問題情況 優(yōu) 良 √ 中 差 中期成績?cè)u(píng)定：良 所在專業(yè)意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 學(xué) 院（系）： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 設(shè)計(jì)(論文)題目： 氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì) 起 迄 日 期: 2010年2月24日 ~ 2010年6月5日 設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn): 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 專業(yè)負(fù)責(zé)人: 發(fā)任務(wù)書日期: 2010年2月23日  任務(wù)書填寫要求 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負(fù)責(zé)人審查、學(xué)院（系）領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生； 2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼； 3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及學(xué)院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫； 4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“學(xué)院（系）”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼； 5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714—2005《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性； 6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2008年3月15日”或“2008-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)及論文的撰寫, 掌握科學(xué)研究的一般方法及過程，培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)查閱和機(jī)械設(shè)計(jì)的能力，使學(xué)生了解目前機(jī)器人的發(fā)展動(dòng)態(tài)，掌握有關(guān)機(jī)器人的基本知識(shí)，鍛煉學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的能力，使學(xué)生在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，具備從事科學(xué)研究的基本能力，達(dá)到對(duì)本科畢業(yè)生的要求。 2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 內(nèi)容： 1. 查閱國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，了解爬桿機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，完成文獻(xiàn)綜述。 2. 對(duì)現(xiàn)有的爬桿機(jī)器人進(jìn)行分析，提出爬桿機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案。 3. 爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)選型以及理論計(jì)算。 4. 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的三維造型和二維工程圖的設(shè)計(jì)。 5. 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 要求： 1. 完成文獻(xiàn)綜述、開題報(bào)告和外文翻譯。 2. 完成爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)選型以及理論計(jì)算。 3. 完成結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)的三維造型和二維工程圖設(shè)計(jì)。 4. 完成畢業(yè)論文的撰寫。 要求按照畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃，在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上按時(shí)按質(zhì)按量的完成任務(wù)。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕： 1. 開題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述、英文資料翻譯； 2. 提交結(jié)構(gòu)的二維工程圖。 3. 所有設(shè)計(jì)資料電子文檔； 4. 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4．主要參考文獻(xiàn)： 1. 趙興飛, 周憶, 石崇輝. 氣驅(qū)爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與計(jì)算[J]. 機(jī)床與液壓， 2003，(3)：61-62. 2. 徐生，張立彬，楊慶華，董曉偉，鮑官軍，沈建冰. 氣動(dòng)蠕動(dòng)爬桿機(jī)器人[J]. 機(jī)械工程師， 2004，(3)：36-68. 3．畢道欽，李蓓智，張家梁，毛志敏，宋立博. 氣動(dòng)蠕動(dòng)式管外爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)械制造，2005，43(487)：38-40. 4. 張家梁，呂恬生,姚香根. 氣動(dòng)管外爬升機(jī)構(gòu)的研究[J] . 機(jī)械工程師， 1997，(7)：7-8. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2010年 2 月16 日 ~ 2月22日 2 月23日 ~ 3月 15日 3 月16日 ~ 4月 10日 4 月11日 ~ 5月 24日 5 月25日 ~ 6月5日 6 月6日 ~ 6月15日 下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，翻譯英文資料，完成文獻(xiàn)的查詢。 完成外文翻譯、寫完開題報(bào)告和課題前期準(zhǔn)備。 完成結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。 完成三維造型和二維工程圖設(shè)計(jì)。 完成論文初稿、修改論文。 準(zhǔn)備論文答辯。 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 學(xué)院（系）意見： 院（系）領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)前期工作材料 學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào)： 系： 機(jī)械工程系 專 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目: 氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師: 講師 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 材 料 目 錄 序號(hào) 名 稱 數(shù)量 備 注 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題、審題表 1 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 1 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告〔含文獻(xiàn)綜述〕 1 4 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯〔含原文〕 1 5 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 1 2010年 3月 注：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查工作結(jié)束后，請(qǐng)將該封面與目錄中各材料合訂成冊(cè)，并統(tǒng)一存放在學(xué)生“畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料袋”中（打印件一律用A4紙型）。 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文) 作 者: 學(xué) 號(hào)： 系： 機(jī)械工程系 專 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化 題 目: 氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì) 講師 指導(dǎo)者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 副教授 評(píng)閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2010年 5月 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要 隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人已經(jīng)日趨廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。隨著經(jīng)濟(jì)的增長，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無數(shù)電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索等高層建筑。長期以來怎樣綠色環(huán)保、高效、低成本的解決這些集實(shí)用性與美觀性一體的桿狀城市建筑的清洗、維護(hù)問題，一直是環(huán)保工作者們研究的一個(gè)課題。 論文針對(duì)上述市政工程中需要大量爬桿作業(yè)的需求，研制出一種基于氣動(dòng)元件的爬桿機(jī)器人，該機(jī)器人有一定的載重能力，可廣泛替代人工應(yīng)用到市政爬桿作業(yè)中。在比較幾類爬行機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定了機(jī)器人本體的大致結(jié)構(gòu),采用氣動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬升運(yùn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)雙向螺旋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行機(jī)器人手臂的夾緊。隨后根據(jù)路燈桿的尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)估算出機(jī)器人的各零部件的尺寸與質(zhì)量，據(jù)此，確定氣缸和電機(jī)的型號(hào)。最后，對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行校核驗(yàn)算，設(shè)計(jì)出爬桿機(jī)器人。 關(guān)鍵詞 爬桿機(jī)器人 氣缸 攀爬 仿生學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要 Title Design of pole-climbing robot driven by cylinders Abstract With the development of the science and technology, robotics have become more widely used in industrial production and daily life. With the growth of the economic, there are a lot of high-rise buildings such as the poles，the road poles and cable-stayed bridges appeared in the numerous cities and towns. How to solve the cleaning and maintenance of these sets with green environmental, highly efficient and low-cost method integrating with the aesthetics and practicability, which is subject of study for environ-mental protection workers for a long time. In this paper, a kind of pneumatic pole-climbing robot was designed for satisfying the great demands on pole-climbing tasks in city planning engineering. The robot has certain load capacity. It can be widely used in city planning pole-climbing tasks instead of manpower. Based on compared the merits and demerits of several kind of crawling mechanism， we determine the general structure of robot body， adopt pneumatic components of climbing robot, motor drive two-way spiral movement mechanism motion for the clamping robot arm. Then according to the size of reading data，design of robot estimate the size of components with quality，accordingly, determine the cylinder and motor model. Finally, the test of each element, climb bare-footed robot is designed. Keywords pole-climbing robot cylinder speel bionics 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: 2010年 3月 19日  開題報(bào)告填寫要求 1．開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報(bào)告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 引言 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細(xì)，尤其是在現(xiàn)代化的大產(chǎn)業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產(chǎn)品的同一個(gè)部位上的一個(gè)螺母，有的人整天就是接一個(gè)線頭，人們感到自己的工作比較枯燥，于是人們強(qiáng)烈希望用某種機(jī)器代替自己工作，因此人們研制出了機(jī)器人，用以代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹩握{(diào)、枯燥或是危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物，是一種典型的機(jī)構(gòu)和電控制結(jié)合的產(chǎn)物，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。 在市政工程中，有大量的安裝及維修等工作需要爬桿作業(yè)。對(duì)于較粗的桿件，人工攀爬和工程車作業(yè)都比較方便。但是對(duì)于一些直徑較細(xì)，強(qiáng)度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。應(yīng)用帶升降機(jī)的工程車進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)成本較高，而且對(duì)于狹窄的胡同，工程車難以進(jìn)入，造成作業(yè)困難，因此爬桿機(jī)器人的研制一直是市政工程研究的熱點(diǎn)。爬桿機(jī)器人與一般在地面上移動(dòng)的機(jī)構(gòu)有著很大的不同，因?yàn)樗朔亓砉ぷ?，并依靠圓柱桿的表面上升，進(jìn)行自主移動(dòng)，完成特定條件下的工作。本文主要是介紹一種適合于在圓柱桿狀物體表面爬行的氣壓驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人。 1、機(jī)器人的分類 機(jī)器人的種類多種多樣，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類:工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人?；蛘叻譃閮深悾褐圃飙h(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機(jī)器人。 仿生機(jī)器人是未來機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向，按仿生學(xué)角度來分可分為：蝗螂式爬行機(jī)器人、蜘蛛式爬行機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、尺鑊式爬行機(jī)器人等。 按驅(qū)動(dòng)方式來分可分為：氣動(dòng)爬行機(jī)器人、電動(dòng)爬行機(jī)器人和液壓驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)器人等。按行走方式可分為:輪式[1]、履帶式、蠕動(dòng)式、多足式等。 按工作空間來分可分為：管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人[2]、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無人飛機(jī)、空間機(jī)器人等。 按功能用途來分可分為：焊弧爬行機(jī)器人、檢測爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人、提升爬行機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、巡線爬行機(jī)器人、玩具爬行機(jī)器人等。 根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式和功能等可以設(shè)計(jì)多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機(jī)器人，如氣動(dòng)管內(nèi)檢測爬行機(jī)器人，電磁吸附多足式爬行機(jī)器人、電驅(qū)動(dòng)壁面焊弧爬行機(jī)器人等，每一種形式的爬行機(jī)器人都有各自的應(yīng)用特點(diǎn)。 2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 爬行機(jī)器人[3][4][5]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?dòng)，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人，故爬升機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支，從運(yùn)動(dòng)方式上來表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。 最早開始研究且研究最多的是爬壁機(jī)器人[6][7]，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面[8][9]和大球形表面上的危險(xiǎn)作業(yè)。對(duì)于管道外壁表面[8]，已有車輪移動(dòng)形、姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(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。 國內(nèi)外的學(xué)者很早就對(duì)爬行機(jī)器人進(jìn)行研究工作，目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人[9][10][11]等。 電動(dòng)機(jī)械式爬行器是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)爬升機(jī)器人的爬行動(dòng)作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動(dòng)方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動(dòng)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(dòng)。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋線運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)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(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動(dòng)，其向上爬行時(shí)氣缸動(dòng)作一個(gè)周期的過程為下部氣缸夾緊，上部氣缸松開，提升氣缸活塞桿伸出，上部上升;上部氣缸夾緊，下部氣缸松開，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(duì)于氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。 國外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機(jī)器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭障礙、平行桿[12]，并可繞T型桿和L型桿爬行。 國內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人[13]，可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測、清洗等工作，并具有一定的智能性。 清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人采用自重式鎖緊機(jī)構(gòu)，機(jī)器人靠自重壓迫鋼球使滑塊(機(jī)械手)鎖緊在桿壁上，可以爬行較小范圍的變直徑桿，但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行(從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行)。該機(jī)構(gòu)改進(jìn)后可爬升和返回，但需要加上一套氣動(dòng)控制設(shè)備。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。 電動(dòng)機(jī)械式管外爬行機(jī)器人，國內(nèi)比較典型的有陜西科技大學(xué)[14]研制的管外爬桿機(jī)器人。 哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或繩索爬行的機(jī)器人[15]，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人是由兩個(gè)形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對(duì)活動(dòng)V型卡爪、一對(duì)槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測儀、電機(jī)等零部件構(gòu)成。 3、目前主要存在的問題 由上面敘述可知目前國內(nèi)外所設(shè)計(jì)制造的各種電機(jī)機(jī)械式爬行器均有一個(gè)缺陷:它們大多采用凸輪機(jī)構(gòu)[16]夾緊，由于凸輪機(jī)構(gòu)的不可伸縮性，一個(gè)爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。 目前國內(nèi)外尚沒有在此類爬行機(jī)構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的需要，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來替代繁瑣的氣動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時(shí)在爬行過程中可攜帶其它清潔能源實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備。 參考文獻(xiàn) [1] 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. 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