鋼結構檢測用攀行機器人設計【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】

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日本在開發(fā)爬壁機器人方面發(fā)展最為迅速,主要應用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。日本清水建設公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機器人，他們研制的負壓吸附清洗玻璃面的爬壁機器人，曾為加拿大使館清洗。東京工業(yè)大學開發(fā)了無線遙控磁吸附爬壁機器人。在日本通產(chǎn)省“極限作業(yè)機器人”國家研究計劃支持下，日暉株式會社開發(fā)了用于核電站大罐的負壓吸附壁面檢測機器人。它有兩個獨立的負壓吸盤，可以在遙控下由地面自動爬行到大罐的弧形壁面,作視覺檢查與測厚，并可以跨越障礙。日本關西電力株式會社開發(fā)了核電站壁面點檢的爬壁機器人，移動速度為每分5米，負重50公斤。日立制造所研制了履帶式磁吸附檢查機器人，帶有超聲檢測裝置。由于采用了負荷分散機構，它能夠適應各種凹凸不平的曲面和棚頂。英國在攀行機器人領域也取得許多成果。90年代初RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機器人(取名Beetle)，已作為商品銷售。最高爬行速度達每分種12米，可以自動記錄每隔一定距離的壁厚，最高爬行高度為25米。英國南岸大學于1994年研制成功多足多吸盤氣動型攀行檢測機器人，可以攜帶一個小工業(yè)機器人(例如PUMA260),進行超聲檢測。它自重22公斤,負重20公斤。最近來自英國的報道，一種取名為羅布格三號的攀行機器人在貝德福市作演示。它有8條腿,類似巨型蜘蛛，能負重100公斤，可越障，能將磚放入準確位置并進行檢測，研制者計劃將其應用于建筑行業(yè)。 俄羅期彼得堡國立技術大學也研制成功負壓吸附攀行機器人。我國自90年代以來，有許多單位根據(jù)國家經(jīng)濟建設需要，研制成功各種類型與功能的攀行機器人。上海交通大學研制成功測量大罐容積的磁吸附攀行檢測機器人。哈爾濱理工大學研制成功測量大罐漆膜厚度的履帶復合式攀行機器人。哈爾濱工業(yè)大學研究所在“863計劃”支持下，于1994年研制成功核工業(yè)用的壁面攀行遙控檢查機器人，最近又與大慶采油一廠合作，研制成功采油行業(yè)中大量使用的儲罐防腐用噴吵、噴漆履帶式磁吸附爬壁機器人，在現(xiàn)場試驗，取得成功。 當前，國內外都非常重視攀行檢測機器人的研制，主要是因為它有著廣泛的用途，特別是它可以在一些危險環(huán)境下進行作業(yè)。攀行檢測機器人是一種新型特種機器人，能在危險工作狀態(tài)下代替人工作業(yè)，因此具有廣闊的應用前景。 由于傳統(tǒng)攀行機器人具有很多的不足之處（如對壁面的材料和形狀適應性不強，跨越障礙物的能力弱，體積大，質量重等），因此未來爬壁機器人的結構應該向著實用化的方向發(fā)展。 (1) 吸附裝置 最近幾年，美、英、俄等國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力—范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時產(chǎn)生的一種微弱電磁引力?？茖W家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬根次納米級的細毛，每根細毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)的直徑的十分之一。這些細毛的長度是人類毛發(fā)直徑的2倍，毛發(fā)前端有100～1000個類似樹狀的微細分枝，每分枝前端有細小的肉趾，這種精細結構使得細毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。雖然每根細毛產(chǎn)生的力量微不足道，但累積起來就很可觀。根據(jù)計算，一根細毛能夠提起一只螞蟻的重量，而一百萬根細毛雖然占地不到一個小硬幣的面積，但可以提起二十公斤力的重量。如果壁虎腳上650萬根細毛全部附著在物體表面上時，可吸附住質量為13千克的物體，這相當于兩個成人的質量?？茖W家說，壁虎實際上只使用一個腳，就能夠支持整個身體。從壁虎腳的附著力得到的啟示可用于研制爬壁機器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機理的基礎上，運用類比，模擬和模型方法，通過高分子材料化學，工程材料科學，力學和機械學的交叉研究，探索出一種與壁虎腳趾表面結構相近的，經(jīng)物理改進的極性高分子材料（人造壁虎仿生腳干性粘合劑），并應用精密微機械加工的手段，設計并制作模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置將適應于各種材質（如玻璃，粉墻和金屬等）和任意形狀的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。這種裝置如果研制成功將使爬壁機器人的實 用化邁出堅實的一大步。 (2) 移動方式 在移動機器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點。足式移動方式的機器人可以相對較容易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機器人的足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應能力更強。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達到的范圍內選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結構多樣、運動靈活，適應于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結構將在爬壁機器人上有著較好的應用前景。 (3) 驅動設備 傳統(tǒng)伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠離驅動的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統(tǒng)復雜，結構累贅，不能滿足實用化的要求，為此需要研制利用功能材料構成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機。微特電機所組成的驅動伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機器人關鍵部件，研制開發(fā)直接驅動、大力矩、小體積、重量輕、精度高、反應靈敏、工作可靠的各類微特電機是提高我國機器人的研究開發(fā)水平，滿足國內機器人高性能微特電機的基礎保障。因此微特電機在機器人應用的前景是非常樂觀的，而且要求微特電機技術的發(fā)展，滿足機器人智能化、可靠、靈活、長壽命的需要。因此攀行機器人使用微特電機技術的發(fā)展趨勢可歸納為朝高精度、高可靠性、直接驅動、新原理、新結構、機電一體化、超微化方向發(fā)展。 二、論文（設計）研究的內容 1. 重點解決的問題 Ⅰ、吸附機構的設計 爬壁機器人能吸附于壁面而不下滑，實現(xiàn)的方法主要有兩種：負壓吸附與永磁吸附。 負壓吸附法是通過真空泵裝置，使吸盤內腔產(chǎn)生負壓,從而使機器人吸附壁面，或者由噴射器經(jīng)噴咀將壓縮空氣噴出，使其周圍形成真空,吸附在壁面上。吸盤有單吸盤和多吸盤之分。吸盤尺寸的大小與腔內負壓和相應的吸附力、機器人重量、摩擦系數(shù)等有關，應附合以下二個條件：(1)不下滑條件,即摩擦力與重力相平衡 (2)不傾倒條件，即轉矩平衡。由分析可知，增強負壓，增大吸盤面積都可以增加負重能力。如果機器人邊移動，邊吸附，還會遇到吸盤密封技術的難點；如果機器人爬行的是弧形壁面，則更會增加制作難度。已問世的各類負壓吸附爬壁機器人都采取了許多措施。 磁吸附法則結構簡單，吸附力較大，對壁面凹凸適應性強。它具有兩種方式：永磁體和電磁鐵。永磁體方式吸附不耗能，安全性高，不受斷電影響；缺點是脫離壁面頗費周折。電磁鐵方式需通電，容易脫離壁面；缺點是體積大、笨重，斷電時有脫離危險。無論那一種磁吸附方式都只適用于導磁性壁面，所以它適用于導磁金屬壁面上的各種作業(yè)，如石油、煤氣等各種鋼儲罐的維修、檢測。真空吸附法不受壁面材料的限制，故應用面較廣。除上述兩種吸附方式外，西亮教授于1990年又研制成功推進型壁面移動機器人，利用螺旋漿作為推力發(fā)生機構，既實現(xiàn)貼附，又能高速移動。由于它使用柴油機，不帶電源線，使用方便，用無線電進行遙控。 Ⅱ、移動機構的設計 移動方式有三種：輪式、履帶式、腳式，本設計采用腳式。 Ⅲ、檢測裝置的設計 可以采用聲波檢測和安裝檢測探頭裝置對結構表面進行檢測。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） ①整體移動機構的設計 ②吸附機構的設計 ③檢測裝置的設計 ④統(tǒng)控制及設計計算 3.本論文（設計）預期取得的成果 本設計以檢測攀行機器人的研制為主線，在機械結構、運動控制系統(tǒng)和檢測模塊設計的基礎上，對機器人靜力學、動力學、運動學、軌跡規(guī)劃和姿態(tài)控制等進行了較為深入的研究，并進行了軌跡仿真。所取得的預期成果對腳式檢測攀行機器人，乃至腳式移動機器人的研制和發(fā)展做了簡單的研究設計分析，設計所研制的鋼材料檢測攀行機器人具有結構簡單、運動穩(wěn)定可靠、定位精度高、檢測效率高、自動化程度高等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。從而推動攀行機器人研究領域的持續(xù)發(fā)展。 三、論文（設）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)） 通過設計具體的機器人，查閱相關資料結合學過的機器人方面的知識，聯(lián)系已有的知識發(fā)揮自我的創(chuàng)新意識進行設計。 2.論文（設計）進度計劃 1~2周： 題目調研收集資料，查閱文獻，完成開題報告。 3~5周： 方案設計與總體設計分析。 6~12周： 術設計完成各部分裝配圖設計。 13~14周：設計計算，畢業(yè)論文，外文翻譯。 15~16周：準備和參加答辯。 四、文獻綜述 機器人是機構學、運動學、控制理論等學科發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，是當前國內外研究的熱點問題之一。在各高校機器人設計活動也已經(jīng)很廣的開展起來，這種氛圍對我國機器人的研制開發(fā)特別以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極意義的。檢測攀行機器人可用來代替人工進行的一些危險作業(yè)，進行各種儲存有毒有害介質的球形儲存罐等的檢測工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲液罐的視覺檢查、超聲側厚和焊縫探傷等作業(yè)。因此，該項目成為國內外科研人員研制開發(fā)的熱點。這種機器人己在部分工程項目中得到了有效的應用，具有潛在的市場應用價值機器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機器，有著廣泛的應用前景隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機器人的小型化、微型化成為機器人技術發(fā)展的重要方向之一。開發(fā)一種小型、便攜的攀行機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，對室內的情況進行偵察；或者充當可移動的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設施和人員。民用方面可用于高層建筑的表面檢測或進行清晰。但是傳統(tǒng)的爬壁機器人或是采用磁吸附方式，依靠磁力吸附于金屬壁面，不適合工作在采用玻璃或大理石的外墻表面；或是采用由真空泵或真空發(fā)生器抽吸空氣產(chǎn)生吸附力的主動吸附方式，需要外接氣源，連接大量的支持設備，能量耗費大，而且一般伴有較大的噪音，機器人的體積和活動范圍都受到限制，不宜在小型攀行機器人上使用。在高層鋼結構建筑物的表面檢測工作中，預防性定期檢測和被迫性事后檢測維修工作都存在著較大的缺陷，人工檢測已經(jīng)無法滿足。隨著科學技術的發(fā)展，機器人代替人工進行高層建筑的危險檢測工作成為了一種新的趨勢，攀行檢測機器人將會得到更廣泛的應用。 通過閱讀參考文獻豐富了我對攀行機器人的了解，也學到了很多知識，對我的畢業(yè)設計起到了至關重要的作用。在我大量文獻參考當中，形成了比較成熟的設計思想，從而積累了大量的理論基礎。 五、需要閱讀的參考文獻 [1] 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This thesis aims at the surface examination that the steel material anticipates building work, adopt robot to replace manpower to carry on dangerous homework and study a kind of used for the steel structure surface examination to use of climb and go robot, the thesis combines to climb a design of go the examination robot, carried on concrete analysis to the robot technique, put forward the whole structure of the robot and turn round organization and go forward a structural design project. This text combines the actual circumstance of work and aim at how to carry out robot to climb a line and just carry on the problem which examines to appear in the work to the material surface, make reference to for the last few years, condition of robot technique research and development, at well exertive machine, electricity, soft, hardware respectively characteristics and advantage with each other repair of foundation up, to the steel structure examination use to climb whole machine structure of go the robot, spread to move system and drive device carry on analysis and design, put forward a set of whole structure design and spread to move a project.Adopt flexible headway of machine structure form, this kind of way can raise the stability of the robot headway and the vivid of the operation, and to the headway organization of robot, turn-over organization, ascended and descend organization, feet department to carry on a design, the adoption treads to carry on drive into the electrical engineering and carry out sport of robot thus. Pass above the work of each part, got structure simple, onlinetranslation , can carry out steel structure of the examination use the overall design project of the robot and the structure design of the performance parts, and as to it's the design of his type robot system also includes to certainly draw lessons from value. Keyword：Steel structure；Robot；Examine；The structure design； 外文翻譯 附錄1 外文翻譯 鋼制構件內三維空間移動2腳機器人 正 根本政明 正 湯原哲夫 阿部幸雄 摘要：我們的目的在于發(fā)展造船領域和一般結構工程中所使用的三維空間移動機器人。 本文闡述了一種可以向上向下移動的2腿機器人的設計與結構。機器人帶有電磁吸盤。吸盤由大扭矩電動機帶動，以繞樞軸旋轉的方式進行移動。 此外，許多試驗證明其運動功能可以實現(xiàn)在各種加強筋平面上運動。包括水平或豎直的平面。 關鍵字：轉矩移動機構 可垂直移動移動腿 電磁吸盤 1．前言 在家電產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)等小型批量生產(chǎn)的領域內要節(jié)省人力或實現(xiàn)無人化等目標，采用FA（工廠自動化）已經(jīng)取得了很大的成功。但是，在船舶、建筑等大型構件的吊取安裝等領域內，使用固定位置的上述方法，由于設備巨大，笨重而可能引起的一系列問題而缺少適用性。至今沒能得到廣泛運用。解決這個問題，目前有一個方法就是下面要介紹的可搬運行機器人。 本文所介紹的機器人，不但能實現(xiàn)構件平面內的空間三維移動，還兼有翻越障礙物的能力。為此配置有行進機構、腳升降機構、電磁吸盤、回轉機構等。本文試對此種2腿機器人的設計、制作進行概述。 2．機構及其構成要素 圖1所表示的是本文設計、制作的旋轉式2腳步行機器人的平面圖和剖面圖。 圖1 兩腳機器人設計圖 主體框架1的中央為大轉矩馬達2。此外，兩側對稱配置安裝著一對電磁離合器3。以及支撐腿4。（以下，對于左右相同的結構，進行統(tǒng)一說明。）在大扭矩馬達2、電磁離合器3和支撐腿4之間配置有直齒輪，即由齒輪23、32、34及43組成齒輪鏈連接。 腳4是由步進電機41、滾珠螺栓42、滾珠花鍵44構成的。 滾珠花鍵44的前端安裝有腳5，為保證腳5在鋼板上有充分且穩(wěn)定的吸附力，配置有3個圓形的電磁吸盤51-1、2、3。此外，各電磁吸盤51，各有一塊Y型固定板52，其各正三角形的頂點位置配置有球軸承53來進行支撐。由此，可以適應傾斜或凹凸不平的路面。 3．動作行程的控制方法 這里的2腳機器人的基本動作行程，左右腿各部件的編號添加a、b字母進行說明。以下說明均按照此規(guī)定。 右腿4a當中一組3個由電磁鐵構成的電磁吸盤51通電，外部鋼板4被磁力吸附固定。同時，左腿4b的電磁吸盤51b斷電，此外，步進電機41b反轉，滾珠螺栓42b及球軸承44b之間，腳5b同外部鋼板10分離，向上抬起。變成圖1所示那樣。 接下來，電磁繼電器3a通電，而且，3b保持斷電狀態(tài)。大轉矩馬達2回轉，主體架1以右腿4a為中心進行回轉。當達到設定的角度（θ）的時候，大轉矩馬達3停轉。 在這種狀態(tài)下，步進電機41b開始正轉，左腿4b開始下降。當于外部鋼板接觸后，接觸傳感器發(fā)出指令使步進電機41b停轉。最后，電磁吸盤51通電吸合。 以上是機器人主體移動一步的動作行程。 下邊是一個具有代表性的步行例子。圖2（a）和（b）分別是θ=180o回轉前進和θ90o直角方向回轉前進示例。通過設定角度（θ）及不同角度的組合可以實現(xiàn)任意位置的移動。 圖3所示的是本2腳機器人的控制程序過程圖。 運動模式有（1）手動和（2）自動兩種形式。在手動模式下，可按照操作手冊說明通過按鈕來進行操作。 在自動模式下，按照預先設定的步行計劃圖，運用匯編語言編寫程序，通過存儲器后，輸入按下開始按鈕，就可以自動的向目的地移動。存儲器用于保存機器人移動所需的程序，當需要作業(yè)時可直接從存儲器中調入程序，使機器人有機動性。 當按動開始按鈕時，大扭矩馬達零點（θ），腳接地及抬起的上限位置以及限位開關的設定，干擾信號的輸入等要從機器人的操作性、可靠性及安全性等方面考慮。 圖3程序流程圖 4．試驗機運行結果。 表1 規(guī)格 速度 25m/min 步幅 636mm 步高 100mm 載荷 水平 50kg 垂直 10kg 機器人重量 150kg 尺寸 L119 B502 H530 實際試驗的數(shù)據(jù)及結果列于表1。照片1（a）（b）表示機器人在水平平面及垂直平面移動的情景。 5．總結 以上對2腳機器人的設計、制作及試運行結果進行了論述。證實了該機器人在水平及垂直平面內，移動的可能性。 下一步，將以通過計算機同機器人存儲器連接，實現(xiàn)遠距離操作，以及實現(xiàn)搭載，進行檢查、噴涂、清掃、焊接、修理等實際運用的方向發(fā)展，繼續(xù)研究。 43 鋼結構檢測用攀行機器人設計 1.緒論 1.1本課題的提出和研究意義 機器人是傳統(tǒng)的機構學與近代電子技術相結合的產(chǎn)物，是計算機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多學科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復操作和精度較高的自動化設備。它是機構學、運動學、控制理論等學科發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，是當前國內外研究的熱點問題之一。在各領域機器人設計活動也已經(jīng)很廣泛的開展起來，這種氛圍對我國機器人的研制開發(fā)以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極的意義。 國內外的發(fā)展現(xiàn)狀長期以來，人們就想往能在垂直陡壁上攀行，進行各種作業(yè)。近年來出現(xiàn)的攀行機器人，實現(xiàn)了這種理想。由于在垂直陡壁上作業(yè)是非常困難和危險的，超越了人的能力極限，所以在國外稱此類機器人為極限作業(yè)機器人。壁面攀行機器人可用來代替人工進行的一些危險操作，進行各種儲存有毒有害介質的儲存罐以及高層鋼結構建筑物表面的檢測工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲液罐的視覺檢查、超聲側厚和焊縫探傷等作業(yè)。它可以代替人類做一些危險的工作，并取得了很大的應用價值。因此，該項目成為國內外科研人員研制開發(fā)的熱點。 這種鋼結構檢測用攀行機器人己在部分工程項目中得到了有效的應用，具有潛在的市場應用價值，機器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機器，有著廣泛的應用前景隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機器人的小型化、微型化成為機器人技術發(fā)展的重要方向之一。開發(fā)一種小型、便攜的攀行機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，攀行于建筑物的表面或玻璃壁面上，對室內的情況進行偵察；或者充當可移動的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設施和人員。民用方面可用于高層建筑的表面檢測或進行清洗。但是傳統(tǒng)的攀行機器人或是采用磁吸附方式，依靠磁力吸附于金屬壁面，不適合工作在鋼結構建筑物的表面；或是采用由真空泵或真空發(fā)生器抽吸空氣產(chǎn)生吸附力的主動吸附方式，需要外接氣源，連接大量的支持設備，能量耗費大，而且一般伴有較大的噪音，機器人的體積和活動范圍都受到限制，不宜在小型攀行機器人上使用。在高層鋼結構建筑物的表面檢測工作中，預防性定期檢測和被迫性事后檢測維修工作都存在著較大的缺陷，人工檢測已經(jīng)無法滿足。隨著科學技術的發(fā)展，機器人代替人工進行高層建筑的危險檢測工作成為了一種新的趨勢，攀行檢測機器人將會得到更廣泛的應用。 當前，國內外都非常重視鋼結構攀行檢測機器人的研制，主要是因為它有著廣泛的用途，特別是它可以在一些危險環(huán)境以及高層鋼結構建筑物表面上進行攀行檢測作業(yè)。攀行檢測機器人是一種新型特種機器人，能在危險工作狀態(tài)下代替人工作業(yè)，因此具有廣闊的應用前景。 由于傳統(tǒng)攀行機器人具有很多的不足之處（如對壁面的材料和形狀適應性不強，跨越障礙物的能力弱，體積大，質量重等），因此未來爬壁機器人的結構應該向著實用化的方向發(fā)展。該機器人機構合理，性能完善，并且可以代替人工進行高空環(huán)境作業(yè)，降低了人類高空作業(yè)的危險系數(shù)；也大大提高了作業(yè)效率。這將意味著為高空鋼結構表面的檢測工作，開辟了應用機器人代替人力作業(yè)的新領域。 1.2國內外機器人的研究和發(fā)展狀況 圖1.1履帶式機器人 圖1.2履帶式機器人 攀行檢測機器人有著很大應用前景，它一經(jīng)問世就受到了各方面的重視。1966年日本的西亮教授首次研制成功壁面移動檢測機器人樣機，并在大阪府立大學表演成功。這是一種依靠負壓吸附的攀行機器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的攀行機器人，到80年代末期已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應用。日本在開發(fā)爬壁機器人方面發(fā)展最為迅速,主要應用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。日本清水建設公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機器人，他們研制的負壓吸附清洗玻璃面的爬壁機器人，曾為加拿大使館進行過清洗。東京工業(yè)大學開發(fā)了無線遙控磁吸附爬壁機器人。在日本通產(chǎn)省“極限作業(yè)機器人”國家研究計劃支持下，日暉株式會社開發(fā)了用于核電站大罐的負壓吸附壁面檢測機器人。它有兩個獨立的負壓吸盤，可以在遙控下由地面自動爬行到大罐的弧形壁面,作視覺檢查與測厚，并可以跨越障礙。日本關西電力株式會社開發(fā)了核電站壁面點檢的爬壁機器人，移動速度為每分5米，負重50公斤。日立制造所研制了履帶式磁吸附檢查機器人，帶有超聲檢測裝置，如圖1-1所示，該機器人可以垂直攀行于鋼結構表面上進行檢測工作。由于機器人采用了負荷分散機構，它能夠適應各種凹凸不平的曲面和棚頂。英國在攀行機器人領域也取得許多成果。90年代初RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機器人(取名Beetle)，已作為商品銷售。最高爬行速度達每分種12米，可以自動記錄每隔一定距離的壁厚，最高爬行高度為25米。英國南岸大學于1994年研制成功多足多吸盤氣動型攀行檢測機器人，可以攜帶一個小工業(yè)機器人(例如PUMA260),進行超聲檢測。它自重22公斤,負重20公斤。最近來自英國的報道，一種取名為羅布格三號的攀行機器人在貝德福市作演示。它有8條腿,類似巨型蜘蛛，能負重100公斤，可越障，能將磚放入準確位置并進行檢測，研制者計劃將其應用于建筑行業(yè)。 俄羅期彼得堡國立技術大學也研制成功負壓吸附攀行機器人。我國自90年代以來，有許多單位根據(jù)國家經(jīng)濟建設需要，研制成功各種類型與功能的攀行機器人。上海交通大學研制成功測量大罐容積的磁吸附攀行檢測機器人。哈爾濱理工大學研制成功測量大罐漆膜厚度的履帶復合式攀行機器人。哈爾濱工業(yè)大學研究所在“863計劃”支持下，于1994年研制成功核工業(yè)用的壁面攀行遙控檢查機器人，最近又與大慶采油一廠合作，研制成功采油行業(yè)中大量使用的儲罐防腐用噴吵、噴漆履帶式磁吸附爬壁機器人，在現(xiàn)場試驗，取得成功，如圖1-2所示。 當前,國內外都非常重視爬壁機器人的研制,主要是因為它有著廣泛的用途,特別是它可以在一些危險環(huán)境下進行作業(yè)。主要的用途有: (1)對石化企業(yè)中大量圓柱形大罐或球罐內外壁面進行檢查、探傷或噴砂除銹、噴漆防腐； (2)清洗高層建筑物的瓷磚壁面或玻璃墻面； (3)在建筑行業(yè)用于巨型墻面噴漆、砌磚、貼瓷磚和點檢； (4)在核工業(yè)中對大罐進行視覺檢查、測厚和焊縫探傷； (5)在消防部門用以遞送急救布帶,運送水帶和水槍； (6)在造船行業(yè)用于噴砂除銹或噴涂船體及其內壁等,特別是對修船行業(yè),可以快速地將船體進行防腐處理。 可見機器人作為新一代的生產(chǎn)工具，能夠代替人完成人力所不及或人所不適宜的工作。隨著機器人在各個領域的應用，對機器人的綜合性能提出了更高的要求，專業(yè)化更強，實用性更高，經(jīng)濟性要求也已經(jīng)擺到了人們的面前，因此，結構簡單、操作方便、能滿足功能要求又具有一定的可靠性的微型機器人或者說功能專一的機器人需求量越來越大。 1.3機器人的基本結構及其分類 機器人作為典型的機電一體化產(chǎn)品，其控制方式經(jīng)歷了三代發(fā)展:第一代是示教再現(xiàn)式可編程機器人，具有記憶、存儲功能，能按照作者在示教階段給出的軌跡重復進行特定的作業(yè)過程，但對周圍環(huán)境基本上沒有感知和環(huán)境信息反饋控制的能力。隨著傳感器技術包括視覺傳感器、非視覺傳感器(力覺、觸覺、接近覺等)以及信息處理技術的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機器人則具有感覺功能的自適應機器人，在獲取作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的部分有關信息的基礎上，能夠進行一定的適時處理、按照固定的邏輯發(fā)出動作命令。第三代是智能機器人，該種機器人不僅具有第二代機器人更完善的環(huán)境感知功能，而且具有邏輯思維、學習、判斷和決策功能，可根據(jù)作業(yè)要求和環(huán)境信息自主的進行工作，該機器人目前正處于研制和開發(fā)過程中，預計到21世紀初期將進入普及階段。盡管機器人的外觀、形狀和功能各異，但它們的主要構成基本上是一致的，從控制觀點上講，機器人系統(tǒng)可分為四部分:人機接口、控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構。 本論文所研究的鋼結構攀行用檢測機器人采用伸縮前進的方式進行攀行，主要分為：前進機構、回轉機構和腳部。采用步進電機來驅動機器人的行進，通過機器人編程來實現(xiàn)機器人的各種運動。 1.4本論文主要研究內容 鋼結構檢測用攀行機器人屬特種作業(yè)機器人,在核工業(yè)、石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領域均有廣泛的應用,自二十世紀六十年代出現(xiàn)以來,一直受到世界各國的關注,具有廣闊的應用前景。本論文研究的是一種集移動、轉向和升降功能于一體的全方位移動的攀行檢測機器人,并對攀行機器人的機構設計、運動學與動力學、路徑規(guī)劃以及控制系統(tǒng)等關鍵技術展開了研究。 論文首先介紹了攀行檢測機器人的國內外發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況,通過閱讀大量文獻和借鑒已有的類似成果,理論聯(lián)系實際,提出了機器人本體結構方案和運動方案。分析表明該機器人能夠攀行于鋼結構的表面上，具有穩(wěn)定性能高、越障能力強、負載大、能任意方向直行或在原地旋轉任意角度,是對高層壁面進行監(jiān)控、維護和檢測的良好載體,具有一定的理論意義和實用價值。本論文主要研究以下幾個方面的問題: （1） 鋼結構檢測用攀行機械人總體方案的確定 機器人是典型的機電一體化裝置，必須采用系統(tǒng)的觀點，立足全局，對機器人各功能模塊進行合理劃分。首先根據(jù)設計要求從理論上分析工作狀況，然后提出設計思路，包括傳動方式、控制方式等，在綜合分析的基礎上，整體規(guī)劃攀行檢測機器人的整體結構形式、驅動裝置、傳動系統(tǒng)，從而選定最優(yōu)方案。 （2） 鋼結構檢測用攀行機器人前進機構方案的設計 怎樣把步進電機的動力傳遞給機器人的前進機構，是本設計的一個重點方面，本文結合作業(yè)中的實際要求，采用直線導軌作為傳動元件通過齒條和齒輪的嚙合來實現(xiàn)機器人的前進運動。 （3） 鋼結構檢測用攀行機器人回轉機構方案的設計 機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，實現(xiàn)在攀行過程中行進方向的轉換，考慮機器人料的形狀和質量，采用在機器人機身中間安裝三角電磁吸盤吸附，通過步進電機驅動實現(xiàn)機身的整體回轉，從而改變機器人的行進方向。 （4） 鋼結構檢測用攀行機器人電磁腳方案的設計 為了使機器人能夠在鋼結構上自由行走，在機器人的腳部安裝七個微盤組合是電磁吸盤，在機器人的前后各安裝兩個電磁腳，機身中間安裝一個三角式電磁腳，這樣可以保證機器人的行進穩(wěn)定，并可在有溝槽或不平整的鋼結構壁面上吸附并行走。 （5） 機器人的檢測方案設計 檢測系統(tǒng)可以理解成由多個環(huán)節(jié)組成的能實現(xiàn)對某一物理量進行測量的完整系統(tǒng)?，F(xiàn)代檢測技術的一個明顯特點是傳感器采用電參量、電能量或數(shù)字傳感器以及微型傳感器，信號處理采用集成電路和微處理器。所以本設計采用的是在機器人的頭部安裝一個微型攝像頭，從而可以完成對鋼結構表面的檢測工作。檢測系統(tǒng)在測量過程中，首先由傳感器將被測物理量從研究對象中檢測出來并轉換成電量，然后輸出。檢測系統(tǒng)及其組成見圖1-3。 圖1.3檢測系統(tǒng) 2. 鋼結構檢測用攀行機器人總體方案設計 機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，合理分配機械、電子、硬件、軟件各部分所承擔的任務和功能，對提高系統(tǒng)的整體性能、結構簡化、成本降低起著舉足輕重的作用。因此，對鋼結構檢測用攀行機器人采用系統(tǒng)的觀點進行整體功能分析，可以實現(xiàn)整體結構優(yōu)化，是實現(xiàn)經(jīng)濟性、靈活性和高可靠穩(wěn)定性系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)和關鍵步驟。 2.1機器人的任務要求和機械系統(tǒng) 隨著社會城市化進程的不斷發(fā)展，鋼結構的高層建筑物也越來越多，為了檢測建筑物的表面工作是否存在安全隱患，人類必須要進行高空作業(yè)，但是高空作業(yè)難度系數(shù)及其高，危險性也很大，為了保障高空作業(yè)的安全性，人們不斷研究能夠進行鋼結構檢測用的攀行機器人來代替人類進行高空作業(yè)，這樣便加快高空作業(yè)機器人的誕生速度。 要求機器人能夠沿著鋼結構表面進行攀行，在攀行過程中，完成對鋼結構建筑物表面的檢測工作，設計的機器人通過機身中間的一只三足電磁腳先吸附在建筑物表面上，然后依靠步進電機將機器人的前進機構整體前移，再將安裝在前進裝置上的兩對電磁腳降下來吸附在建筑物表面上，再將機身中間的三足電磁腳提升通過步進電機將機身前移，這樣便完成了機器人的攀行動作。機器人是通過電磁腳的交替運作來實現(xiàn)整體伸縮前進的。 這樣設計出一種可以在高空危險環(huán)境下運動,并具有穩(wěn)定運動模式的小型鋼結構攀行機器人。該機器人采用腿式交替伸縮的運動模式，可以提高其環(huán)境適應能力和越障能力，并且比履帶式運動模式和三足旋轉式運動模式具有良好的穩(wěn)定性。研究開發(fā)的機器人采用了ARM+DSP結構的嵌入式控制系統(tǒng)以及遙控/半自主的工作方式,具有高機動性、小型化、輕量化、可復位以及低功耗、高實時性等特點。 機械結構是鋼結構檢測用攀行機器人最終的機構載體，是機器人賴以實現(xiàn)各種運動的基礎，機械結構的布局、類型、傳動方式以及驅動系統(tǒng)的設計直接關系著機器人的工作性能。機器人的機械系統(tǒng)由以下幾個子系統(tǒng)組成：1）機械子系統(tǒng)，由剛體和彈性體組成；2）傳感系統(tǒng)；3）執(zhí)行系統(tǒng)；4）控制器；5）信息處理系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間的通信是通過接口進行的，接口的基本功能是把從一個部分傳到另一個部分的信息解碼。如圖2-1所示，是經(jīng)典機械系統(tǒng)的方塊圖，系統(tǒng)的輸入是事先確定的任務，它是由實時或離線給定的。前者在本質上看成是智能的，后者是可編程序的機械。因此，人工智能（artificial intelligent）技術的軟件系統(tǒng)描述智能機械的任務。這種系統(tǒng)可以代替人進行再決策?？删幊虣C器人要求人通過程序向低水平控制或控制系統(tǒng)給定任務。程序的低水平的意思是：機械的動作被指定為關于關節(jié)動作或與正在執(zhí)行任務的特定體的基點相聯(lián)系起來的笛卡爾坐標的序列。機器人的機械系統(tǒng)輸出是通過傳感器監(jiān)測的實際任務（actual task）。傳感器以反饋信號的形式傳遞作業(yè)信息并與事先設定的動作相比較，事先設定的任務與執(zhí)行動作間的誤差反饋給控制器，然后合成必要的較正信號。這些信號反饋給執(zhí)行元件，驅動機械系統(tǒng)完成所要求的動作，形成閉環(huán)。 在機器人的控制系統(tǒng)中，通過人來構成閉環(huán)控制的稱為遙控機器人（telemanipulators）。遙控機器人是人借助于復雜負載的傳感器和顯示裝置進行控制的機械系統(tǒng)。 在方案設計階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關系。同類機械成功的先例應當借鑒，原先薄弱環(huán)節(jié)及不符合現(xiàn)有任務要求的部分應當加以改進或者根本改變。 圖2.1控制系統(tǒng) 2.2機器人結構的設計 本論文多足檢測攀行機器人，即攀行機器人的腿要多于兩條腿。對于攀行機器人來說穩(wěn)定性是主要問題，需要考慮它的靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性。靜態(tài)穩(wěn)定性只考慮在支撐位形下重力的作用，而動態(tài)穩(wěn)定性需要考慮重力和慣性力的共同作用。直觀上講，靜態(tài)穩(wěn)定性需要更多的接觸點，也就是比動態(tài)穩(wěn)定性需要更多的腿。跳躍機器人和兩腿步行機器人是步行機器人中依靠動態(tài)穩(wěn)定性的例子。為了穩(wěn)定時平衡，行走機器人需要具有運動結構，以提供平衡機器人重力的地面反作用力。兩腿機器人沒有靜態(tài)平衡能力，因為一條腿在轉移相時，身體只剩下一個接觸點，不能提供保持平衡所須的力。所以在運動時，最少要求用三條腿來保持穩(wěn)定。所以在機器人的機身中間設計了一個三足吸盤，這樣就能提供與地面反作用平衡的里同樣，維持靜平衡一般四條腿，所以在機器人的結構設計時，在機器人的前后兩端各安裝了四只電磁腳，用來保證機器人的運動穩(wěn)定。 機器人的基本結構框架采用鋁板制作，即采用一塊長540mm×寬275mm×高170mm的一塊鋁合金板作為機器人的機身，并制作成一個框架。電機安裝在機器人的機身中間如圖2-2所示。 圖2.2機身尺寸 如上圖，機器人框架上端面三個Φ8的孔是用來安裝三個齒輪軸的，一個Φ70的孔是用來安裝機器人的回轉機構，一個Φ50的孔是用來安裝步進電機的，在安裝的時候要保證各齒輪之間是相互嚙合的。框架的中間是空的，這樣急節(jié)省了材料又減輕了機器人本身的重量?？梢栽跈C身框架中安裝兩根導軌，用來保證安裝在機身中間的機器人前進機構可以自由伸縮，并能達到機器人的前進的行程要求。 圖2.3機身尺寸設計 如圖2-3是機器人的前進機構簡圖。前進機構前后兩個Φ70的圓孔用來安裝機器人的升降機構，并在升降機構的下邊分別安裝兩個電磁腳，這樣便保證了機器人的穩(wěn)定性。前進機構總長800mm，寬175mm，中間是空的，在中間的兩個薄板的內壁上分別安裝兩個齒條，用來和傳動齒輪嚙合，這樣就可以使前進裝置相對于機器人的機身運動了。 采用這樣設計的優(yōu)點是將機器人分成兩個部分，一個是機器人的機身，一個是機器人的前進機構，可以節(jié)約材料，減少機器人的自身重量，最主要的是能夠保證機器人的傳動穩(wěn)定，運動的靈活性，精簡了機器人的結構。它的整體布局結構合理，如圖2-4所示。整個機器人系統(tǒng)設計為兩個自由度，將運動分解為兩部分：移動部分和回轉部分。移動部分占一個自由度，即使機器人前后的移動機構；回轉部分占一個自由度，即控制機器人方向的旋轉運動機構，這兩個自由度之間沒有耦合，相互不干擾。 圖2.4總體布局圖 2.3傳動系統(tǒng)設計 傳動裝置的作用主要是將驅動元件的動力傳遞給機器人相應的執(zhí)行部件，以實現(xiàn)各種預定的運動。目前常用的傳動方式有: 齒輪傳動、皮帶輪傳動、鏈條傳動、齒輪齒條傳動、蝸輪蝸桿傳動、諧波減速傳動以及螺旋傳動等。諧波減速傳動具有體積小、結構緊湊、效率高、能獲得大的傳動比等優(yōu)點，但存在扭轉剛度較低且傳動比不能太小的缺點；皮帶輪傳動可以實現(xiàn)過載保護，可是存在彈性滑動，和鏈傳動一樣使用一段時間后易松弛，傳動運轉過程中還產(chǎn)生動載荷；鏈傳動雖然成本低，但鏈傳動的制造與安裝精度要求低，不適合用在要求傳遞精度高的機構當中，鏈傳動在兩根平行軸間職能用于同向回轉的傳動，運轉時不能保持恒定的傳動比，磨損后易發(fā)生跳齒，工作時候噪音大，不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動中應用。因此，它們常用于傳動精度要求不高的場合。 （1）機器人回轉部分傳動 本設計采用齒輪傳動來作為回轉傳動。齒輪傳動的主要特點有： 1） 效率高 在常用的機械傳動中，以齒輪傳動效率為最高。如一級圓柱齒輪傳動的效率可達99%。這對功率的傳遞十分重要，因為即使效率只提高1%，也有很大的經(jīng)濟意義。 2） 結構緊湊 在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。 3） 工作可靠、壽命長 設計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可長達一、二十年，這也是其他機械傳動所不能比擬的。這對機械傳動來說有著很大的經(jīng)濟性和實用性。 4） 傳動比穩(wěn)定 傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應用，也就是由于具有這一特點。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，切不宜用于傳動距離大的場合。 故選用齒輪傳動作為機器人回轉裝置的基本傳動裝置，這樣便可以保證了機器人的回轉運動。如圖2-5所示，是機器人的回轉機構。 圖2.5機器人回轉機構 （2）機器人前進部分傳動 而能夠使機器人的前進機構運動主要是依靠齒輪齒條進行動力的傳遞。選用齒輪齒條傳遞，主要是考慮機器人的內部結構的要求，將齒條安裝固定在前進裝置的內表面上，如圖2-6所示，這樣便可以與齒輪嚙合上，并能傳遞齒輪所傳遞的驅動力，從而使得機器人前進。 圖2.6機器人前進機構 （3）機器人升降部分傳動 機器人的升降機構采用的是蝸桿傳動，蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構，兩軸線交錯的夾角可為任意值，通常用的為 90o。這種傳動由于具有下述特點，故應用頗為廣泛。 1） 當使用單頭蝸桿（相當于單線螺紋）時，蝸桿旋轉一周，渦輪只轉過一個齒距，因而能實現(xiàn)大的傳動比。在動力傳動中，一般傳動比i=5—8；在分度機構或者手動機構的傳動中，傳動比可達300；若只傳遞運動，傳動比可達1000。由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因而結構很緊湊。 2） 在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和渦輪齒是逐漸進入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒對有較多，故沖擊載荷小，傳動穩(wěn)定，噪音低。 3） 當蝸桿的螺旋線升角小雨嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動便具有自鎖性。 4） 蝸桿傳動與螺旋齒輪傳動相似，在嚙合處有相對滑動。當滑動速度很大，工作條件不夠良好的時候，會產(chǎn)生較嚴重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失較大，效率低，當傳動具有自鎖性時，效率僅為0.4左右。同時由于摩擦與磨損嚴重，常需耗用有色金屬制造渦輪（或蝸圈），以便與鋼制渦輪配對組成減摩性良好的滑動摩擦副。 本設計采用的是環(huán)面蝸桿傳動，如圖2-7所示。環(huán)面蝸桿的傳動特征是，蝸桿體在軸外的外形是以凹圓弧為母線所形成的旋轉曲面，所以把這種蝸桿傳動叫做環(huán)面蝸桿傳動。在這種傳動的嚙合帶內，渦輪的節(jié)圓位于蝸桿的節(jié)弧面上，亦即蝸桿的節(jié)弧沿渦輪的節(jié)圓包著渦輪。在中間平面內，蝸桿和渦輪都是直線齒廓。由于同時相嚙合的齒對多，而且齒輪的接觸線與蝸桿齒運動的方向近似于垂直，這就大大改善了輪齒受力情況和潤滑油膜形成的條件，因而承載能力約為阿基米德蝸桿傳動的2—4倍，效率一般高達0.85—0.9；但它需要較高的制造和安裝精度。整體升降機構如圖2-8所示。 圖2.7環(huán)面蝸桿傳動 圖2.8機器人升降機構 2.4驅動系統(tǒng)性能分析與方案設計 機器人驅動系統(tǒng)的設計往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時還要考慮價格因素的影響以及所能達到的技術水平。目前機器人的驅動方式主要有液壓驅動、氣動驅動和電氣驅動三種形式。液壓驅動系統(tǒng)能夠提供較大的驅動壓力和功率，具有結構簡單、性能穩(wěn)定等特點，液壓伺服驅動系統(tǒng)響應速度快，可達到較高的定位精度和剛度，但油路系統(tǒng)復雜，工作性能受環(huán)境影響較大，移動性能差，且易造成泄漏現(xiàn)象，常用于要求提供較大驅動力矩、對移動性能要求差的特大功率機器人系統(tǒng)中。氣動系統(tǒng)具有結構簡單、動作迅速，可在惡劣的環(huán)境中工作，但氣動裝置也存在噪聲問題，只適用于精度要求不高的點位系統(tǒng)中。電氣驅動系統(tǒng)具有精度高、控制準確、響應迅速等優(yōu)點。綜合考慮各種驅動式的優(yōu)缺點，選用電氣驅動方式。 電氣驅動方式包括普通電機、直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機以及力矩電機等驅動方式。伺服電機轉子慣量小、動態(tài)特性好，由伺服電動機所構成的機器人驅動系統(tǒng)具有運行精度高、調速范圍廣、速度運行平滑、具有高可靠性并易于控制等優(yōu)點，交直流伺服電動機己成為機器人驅動系統(tǒng)的主流，直流伺服電動機的電刷易磨損形成電火花，限制了其應用范圍。近年來隨著交流調速技術的迅速發(fā)展，交流電機的驅動系統(tǒng)得到了廣泛的應用，但是交流伺服電機必須采用閉環(huán)控制方式，這種復雜的控制系統(tǒng)造成控制成本大大提高。隨著集成電路技術的發(fā)展，伺服系統(tǒng)的價格在大幅度降低，可靠性也得到了提高。 步進電動機是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號轉換成機械位移的機電執(zhí)行元件，具有控制簡單、響應速度快、工作可靠、無累計誤差等優(yōu)點。它能夠直接接受數(shù)字信號，無需中間轉換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對應，能實現(xiàn)直接的數(shù)字控制。步進電機以開環(huán)方式工作，可省去伺服電機驅動裝置中位置檢測與反饋部分以及A/D, D/A轉換，從而簡化了系統(tǒng)結構，使控制成本大大降低。另外，步進電機的抗干擾能力強、無累計定位誤差，可重復反轉而不損壞，并且步進電機的位置和速度控制簡單，具有一定精度，使用與維護都很方便。傳統(tǒng)觀念認為步進電機的控制性能差、難以實現(xiàn)機器人的空間軌跡控制，因而步進電機很少用于機器人的軌跡控制?？紤]到步進電機的輸出不是連續(xù)量，為了達到某些系統(tǒng)較高的定位精度要求，可以對步進電機驅動系統(tǒng)進行細分控制，也可以采用閉環(huán)控制方式獲得更高的驅動性能。由于步進電機驅動具有較好的經(jīng)濟性，隨著電機制造技術的提高，尤其是步進電機驅動技術的革命性變化，步進電機也己經(jīng)被廣泛應用于數(shù)控機床、復印機、打印機以及機器人關節(jié)臂的驅動上。平面關節(jié)型機器人多采用步進電機直接驅動方式，不但可以節(jié)省機械傳動裝置，而且可以有效的消除機械減速所帶來的誤差和效率的降低，提高運行的速度和定位精度。開環(huán)控制由于不存在噪聲干擾問題，工作安全可靠，系統(tǒng)簡單，價格低廉，特別是電子、計算機技術的迅速發(fā)展和提高，步進電機開環(huán)控制精度幾乎能達到閉環(huán)控制的控制精度?？紤]到控制的方便性、可靠性以及系統(tǒng)整體上的經(jīng)濟性，對移動系統(tǒng)和控制手爪轉動的電機均采用步進電機構成的開環(huán)驅動控制方式。開環(huán)控制可以大大簡化系統(tǒng)結構，減輕計算機的運算負擔，并且可以降低成本和提高可靠性。控制手抓開合的電機則選用一般的交流電機即可。 在步進電機的選型上，考慮到步進電機品種規(guī)格較多，仔細分析它們的特點，來恰到好處的選擇。 步進電機按結構和工作原理可分為反應式、永磁式以及混合式等幾種。 反應式步進電機:又稱可變磁阻型(VR-Variable Resistance)，多為單極性勵磁，結構簡單，精度容易保證，步距角小，啟動和運行頻率較高，但勵磁電流較大，電機內部阻尼小，低頻時容易產(chǎn)生振蕩，斷電后無定位轉矩。 永磁式步進電機(PM--Permanent Magnet Type):步距角大，啟動頻率較低，但控制功率較小，效率高，造價便宜，內部阻尼大，不易振蕩，斷電后有定位轉矩。與VR相比轉矩大，但轉子慣性也較大。 混合式步進電機(HT--Hybrid Type):是永磁式和反應式相結合的一種形式。兼有磁阻式步距角小、響應頻率高和永磁式勵磁功率小、效率高的優(yōu)點。但是結構復雜，需要正反脈沖供電，成本較高。如圖2-9所示的電機模擬圖，可以清楚的看到電機的內部。 圖2.9電機模擬圖 根據(jù)幾種常用電機的性能、特點分析，對該機器人的控制移動部分回轉和機器人升降裝置的驅動由于其要求既具有較高的控制性能，又具有定位轉矩，所以均選用混合式步進電機。步進電機選型時還需要考慮實際工作需要，在初期確定減速比(電機轉速/負載轉速)之后，通?？紤]以下幾方面的問題: 1、 選擇步進電機的步距角b，要求bI min ， 其中min 為負載軸要求的脈沖當量 2、 選擇步進電機的轉矩 初步選擇步進電機時，可按下式選擇步進電機的最大轉矩 Τm T L為折算到電機軸上的總負載轉矩，包括負載的阻尼轉矩和加速轉矩。 K一系數(shù) ，一般取2一3. 5 3、 步進電機運行頻率 f為 ：f== 式中：n一所要求的電機軸的轉速； nL一負載軸的轉速； b一步距角 4、 步進電機的矩頻特性 一般步進電機轉矩隨運行頻率升高而迅速下降，經(jīng)過改進的步進電機可以在一個很寬的范圍內保持轉矩在一個很小的幅度內變化。但是必須保證在實際運行工況下，選用的電機可以給出足夠轉矩。 2.5控制系統(tǒng)方案設計 計算機系統(tǒng)是整個機器人控制系統(tǒng)核心部分，結構和功能的劃分以及設計的合理性直接影響著整個機器人系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，計算機控制系統(tǒng)應具有較強的可靠性、較高的運行速度以及較好的性能價格比，在滿足工作性能要求基礎上體現(xiàn)出較好的經(jīng)濟性要求。 （1）硬件平臺選擇 在主控計算機的選用上存在兩種解決方案，即采用單片機并自行設計開發(fā)各種功能模塊構成主控計算機系統(tǒng)和基于工業(yè)控制計算機系統(tǒng)(如PC總線工控機或STD總線工控機等)并開發(fā)必要的專用功能模塊接口板(或者利用現(xiàn)成的專用功能模塊接口板)。機器人控制部分的主控計算機選用PC工控機與采用單片機構成的廉價控制系統(tǒng)方案相比較，性能差別主要體現(xiàn)在以下幾個方面: 1、一般情況下，機器人關節(jié)間的運動存在級間耦聯(lián)現(xiàn)象，在關節(jié)位置和速度的控制上必須滿足適時性控制要求，因此存在大量的數(shù)據(jù)運算和處理過程，在編程上，體現(xiàn)為大量的浮點運算和程序上占用大量的內存空間。單片機由于可尋址的存儲容量范圍有限，可能存在不能達到性能要求和編程復雜、開發(fā)工作量大等缺點，而PC機在數(shù)據(jù)運算和處理方面具有明顯優(yōu)勢，且開發(fā)工作量較小。 2、機器人控制系統(tǒng)不僅要求具有高可靠性的硬件支持，而且要求在軟件上能實現(xiàn)各種控制功能。單片機可直接利用的現(xiàn)成軟件資源較少，而PC系列計算機目前具有豐富的支持軟件，使程序設計更加方便靈活而且軟件的移植靈活性好，因此基于PC系列計算機進行程序開發(fā)可以避免重復性工作，并且具有完備的編程語言和開發(fā)環(huán)境。 3、采用單片機進行一個完整的控制系統(tǒng)開發(fā)，雖然目標系統(tǒng)成本較低，但試制階段的費用并不低廉，更為重要的是在開發(fā)硬件系統(tǒng)時工作量大、開發(fā)周期長，而且硬件的可靠性和抗干擾性能難以達到較高要求。隨著計算機技術的不斷進步，PC系列工控機具有較高的可靠性和可維護性能，同時價格在大幅度降低，采用PC工控機進行機器人控制系統(tǒng)的研制和開發(fā)，可以有效地縮短開發(fā)周期并能降低成本，對經(jīng)濟型機器人控制系統(tǒng)是一個優(yōu)選的硬件解決方案。 在機器人控制方式上，目前主要有集中式控制、主從式控制和分級控制三種方式。對于多關節(jié)機器人，每個關節(jié)對應一個處理器，將機器人控制中計算量最大的動力學方程按關節(jié)進行分解，作為各個子算法分布在各關節(jié)處理器上同時進行計算，然后輸出到主控制器中，這種采用模塊化結構、主從方式組成分布式多處理系統(tǒng)，是多關節(jié)機器人控制系統(tǒng)發(fā)展的方向，目前應用最為廣泛的是兩級或兩級以上計算機構成的分布式控制方式。集中式系統(tǒng)是最典型、結構最簡單的控制系統(tǒng)，它將所有的信息輸入、處理、控制均集中在一臺計算機上，因而對該計算機的性能要求較高，而分布式系統(tǒng)則降低了對計算機性能的要求，且系統(tǒng)可擴充性能好，易于維護，但故障率比集中式控制方式高得多。隨著計算機技術的迅速發(fā)展和存儲技術的日新月異，許多微型機在速度和性能上己經(jīng)接近甚至超過小型機，并且在價格上大幅度降低，可靠性增強，使用和維護更加方便。同時，隨著各種技術支持軟件的豐富，使編程方便易行、軟件的可移植性高，因而采用高性能價格比的微型計算機進行經(jīng)濟型機器人的集中式控制己成為可能。在微型機領域，IBM-PC機在結構、性能、價格特別是軟件技術支持方面都有很多優(yōu)點，使它在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。因此，該機械手控制系統(tǒng)采用集中控制方式，利用工BM-PC586作為控制計算機，另外加一塊PCL-839接口卡作為步進電機驅動器運動控制用接口卡，這樣既增加了硬件的可靠性，又縮短了開發(fā)周期。 （2）軟件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)是控制功能賴以實現(xiàn)的物質基礎，軟件則是計算機系統(tǒng)協(xié)調各部件完成控制功能的神經(jīng)中樞。軟件功能的劃分與結構上的實現(xiàn)在計算機控制系統(tǒng)中具有極其重要的作用。軟件設計的目標是依據(jù)需要完成整體功能以最優(yōu)的方式把軟件各部分內容有機組織起來，使整個系統(tǒng)具有較高的運行效率、可靠性、靈活性和操作實用性。該機械手軟件系統(tǒng)主要承擔的功能包括:運動學運算、路徑規(guī)劃、參數(shù)輸入、人機接口控制以及故障報警和處理系統(tǒng)，在功能的實現(xiàn)上應使系統(tǒng)具有較好的人機界面和靈活的操作控制功能。 3.機器人參數(shù)的計算 3.1機器人的機身重量 如圖2-2、2-3所示，為機器人機身的結構尺寸，先計算出機器人的機身體積如下： 圖2-3所示的機架體積為： 故 圖2-2所示的架體體積為： 故 所以機器人的機身體積為： 根據(jù)公式M=ρV, 取鋁合金的密度ρ=,則機器人的機身重量為： M=ρV==34.2Kg 3.2選擇步進電機型號 一、機身電動機類型和結構型式選擇 類型：選用BF系列55BF005型號的步進電機； 結構：臥式型步進電動機； 二、電機技術數(shù)據(jù)、主要外形及安裝尺寸 表3-1電機型號 相數(shù) 額定電壓/V 靜態(tài)電流/A 步距角 /o 保持轉矩/N·m 空載起動頻率/P· 外形總長 3 30 3 3.75/7.5 0.343 16000 70mm 3.3齒輪傳動設計 如圖3.1 齒輪 1．高速級齒輪傳動設計 （1）選擇材料，精度及參數(shù)： 大齒輪：45鋼，調質，，取 小齒輪：45鋼，正火，，取 齒數(shù)： 傳動比： 精度等級8級 （2）按齒面接觸強度設計： 由公式 Ⅰ.確定公式內的各計算數(shù)值 1） 試選載荷系數(shù)Kt=1.3 2） 計算小齒輪傳遞的轉矩 3） 由表查取齒寬系數(shù)=1； 4） 由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)； 5） 由圖10-21按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限為 ； 大齒輪的接觸疲勞強度極限； 6)計算應力循環(huán)次數(shù) 7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù) 8）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1 則 Ⅱ.計算 1）計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值 =48.546mm 2)計算圓周速度V 3）計算齒寬b 4）計算齒寬及齒高之比b/h 模數(shù)： 齒高： 5）計算載荷系數(shù) 根據(jù)V=2.96m/s,精度等級8級,由圖10-8查得,直齒輪,假設,由表10-3查得,由表10-2查得使用系數(shù),由表10-4查得8級精度,小齒輪相對支承非對稱布置時: 將數(shù)據(jù)代入則 由=9.78, 查圖10-13得,故載荷系數(shù) 6) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑() 7) 計算模數(shù)m (3) 按齒根彎曲強度設計 由公式得彎曲強度的設計公式: Ⅰ.確定公式內的各計算數(shù)值: 1) 由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞極限 齒輪的彎曲疲勞極限 2) 查圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù), 3) 計算彎曲疲勞許用應力,取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,則 4) 計算載荷系數(shù)K 5) 查取齒形系數(shù) 由表10-5查得 6) 查取應力校正系數(shù) 由表10-5查得 7) 計算大小齒輪的并加以比較 由此可見小齒輪的數(shù)值大 Ⅱ.設計計算: 可取由彎曲強度算得的模數(shù)2.116mm，并就圓整為標準值2.5mm按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù): 大齒輪齒數(shù):. 這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。 (4) 幾何尺寸 1) 計算分度圓直徑: 2) 計算中心距: mm 3) 計算齒輪寬度: 齒寬取 4) 齒根高: 齒全高: (5) 驗算 故合適。 3.4軸的設計 圖3.2 軸 3.4.1.軸的設計 （1）求輸出軸上的功率P,轉速n和轉矩T （2）初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料為45鋼，調質處理，根據(jù)表15-3查取，于是得 （3）軸的尺寸 如圖3-2所示，左軸承與齒輪左端面之間用端蓋定位,因軸承主要承受徑向載荷的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，由軸承產(chǎn)品，目錄中初步選取0基本游隙組，標準精度級選用深溝球軸承626，其尺寸為。選用深溝球軸承628，其尺寸為 則取 ； ； ; 。 至此，軸的各段尺寸已初步確定。 3.4.2.軸的校核 1).軸上零件的周向定位: 齒輪與軸的周向定位用平鍵聯(lián)接，各平鍵的尺寸為 2).倒角尺寸: 軸端倒角為 3).軸的校核 ①齒輪與軸的周向定位用平鍵連接。按查得平鍵截面尺寸，鍵槽用鍵槽銑刀加工。為保證齒輪與軸有良好的對中性，故選輪轂與軸的配合為。倒角為，其余見視圖。 ②倒角為,其余見視圖。 4).軸上的載荷 1) 水平面內的受力 見軸的設計簡圖，選用的是628型深溝球軸承。a=26.5mm =11.5mm =11.5mm 各個力對A點取矩,則求得 ,豎直方向合力求得 B點的彎矩 2) 總彎矩圖和扭拒圖 由總彎矩圖和扭拒圖可知,截面B受力最大,故截面B處為危險截面。如下圖所示。 4) 作為簡支梁的軸的支承跨距,畫出軸的彎矩圖和扭矩圖。 (4) 按彎扭合成應力校核軸的強度 校核軸上的承受最大彎矩和扭拒的截面B的強度，取α=0.6，則軸的計算應力 而軸的材料為45鋼，調質處理，則,故安全。 3.4.3 軸承的壽命計算 圓錐滾子軸承32911的額定動載荷為66.8KN,圓錐滾子軸承32912的額定動載荷為73.0KN，則 故軸承滿足使用的要求。 3.5鍵的校核 1.軸上鍵的校核: 鍵 ，則，根據(jù)材料查得 ，所以故合適。 2.步進電機軸上鍵的校核: 鍵GB/T1095-2003 ， ， ，則，根據(jù)材料查得所以，故合適。 3.6密封與潤滑 1.齒輪的潤滑采用油潤滑，軸的潤滑采用脂潤滑。 2.在各個軸承端蓋定位蓋處安裝0型密封圈，進行密封。 3.在輸入和輸出軸的軸承端蓋處設置環(huán)形槽，用墊圈進行密封。 3.7機身結構尺寸的設計 機身壁厚： 頂蓋壁厚： 固定步進電機螺釘數(shù)目：n=4 端蓋和電磁鐵固定用螺栓直徑： 回轉升降機構落幕直徑和數(shù)目： 4.電磁腳的設計分析 圖4.1電磁腳 4.2電磁腳內部結構圖 機器人的電磁腳是由吸盤、主傳動機構、轉角機構、運動轉換機構、控制系統(tǒng)以及電源幾部分組成，其中主傳動機構是其關鍵技術。電磁腳的基本尺寸為，腳的直徑Φ72mm，高度42mm，內部結構主要有，鐵心、腳底、隔磁環(huán)、磁盤、卡環(huán)、線圈、軸承、擋圈和球形環(huán)節(jié)等部件組成。電磁腳由螺釘固定在升降結構的連桿上，這樣就可以保證在步進電機帶動齒輪齒條運轉是，機器人的電磁腳便可以實現(xiàn)升降工作，并且最高可以抬升60mm，這樣便能實現(xiàn)機器人的跨越障礙能力，保證了機器人攀行的順利。如圖4-1為電磁腳的外形圖，4-2為電磁腳的內部結構圖。 5.機器人的檢測方案 本設計題目為鋼結構檢測用攀行機器人設計，檢測方案的設計也是本設計的一個重點，現(xiàn)代的檢測技術已經(jīng)十分發(fā)達了，并且種類也十分繁多，但是要想將這些技術用于機器人身上，這便需要在機器人身上安裝傳感器。為了方便設計并且也能達到鋼結構表面的檢測要求，最直接的方法就是在機器人的前端安裝一個微型攝像頭，并將鋼結構表面的狀況通過傳感器反饋回來。但由于安裝攝像頭只能看到一些表面的現(xiàn)象，對表面的缺欠還不能作出具體的判斷，這就需要安裝一種傳感器來完成，本設計選用電渦流式傳感器。 5.1電渦流式傳感器 塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流，此電流在導體內是閉合的，稱為渦流。 渦流的大小與金屬體的電阻率ρ、磁導率μ、厚度t、線圈與金屬體的距離X以及線圈的激勵電流頻率f等參數(shù)有關。固定其中若干參數(shù)，就能按渦流大小測量出另外一些參數(shù)。 渦流傳感器的特點是對位移、厚度、材料缺陷等實現(xiàn)非接觸式連續(xù)測量，動態(tài)響應好，靈敏度高，工業(yè)應用廣泛。 渦流傳感器在金屬體內產(chǎn)生渦流，其滲透厚度與傳感器線圈的激勵電流的頻率高低有關。所以渦流傳感器分為高頻反射式和低頻透射式兩類。 5.2高頻反射式電渦流式傳感器 1）基本工作原理 渦流傳感器的工作原理如圖5-1所示。 高頻信號加在電感線圈L上，L產(chǎn)生同頻率的高頻磁場Φ作用于金屬表面，由于趨膚效應，高頻電磁場在金屬板表面感應出渦流i，渦流產(chǎn)生的反磁場Φ反作用于Φ，使線圈的電感和電阻發(fā)生變化，從而使線圈阻抗變化。傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關系式為 Z = F（ρ，μ，γ，f，x） 由于渦流效應，金屬板電阻率ρ、磁導率μ、線圈半徑r、線圈激勵頻率f以及線圈與金屬板距離x的變化均會引起線圈阻抗Z的變化。如果ρ，μ，γ，f參數(shù)已定，Z成為線圈與金屬板距離x的單值函數(shù)，由Z可知x。 2）傳感器的結構 結構如圖5-1所示。它由一個安裝在框架上的扁平圓形線圈構成。線圈既可以粘貼在框架上，也可以繞在框架的槽內。線圈一般用高強度的漆包線，要求高的，可用銀線或者銀合金線。 圖5.1渦流傳感器工作原理和傳感器結構 6.控制分析 機器人驅動系統(tǒng)的設計往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時還要考慮價格因素的影響以及所能達到的技術水平。步進電動機是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號轉換成機械位移的機電執(zhí)行元件，具有控制簡單、響應速度快、工作可靠、無累計誤差等優(yōu)點。它能夠直接接受數(shù)字信號，無需中間轉換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對應，能實現(xiàn)直接的數(shù)字控制。另外，步進電機的抗干擾能力強、無累計定位誤差，可重復反轉而不損壞，并且步進電機的位置和速度控制簡單，具有一定精度，使用與維護都很方便。 本次設計采用步進電機驅動執(zhí)行部件完成攀行檢測任務。驅動控制圖如下： 電機2 前腿升降 齒輪轉動 后腿升降 電機1 電機3 機器人攀行前進 檢測機構 執(zhí)行任務 結論 本文在參考近幾年機器人領域取得重大成果的基礎上，結合“攀行機器人”和“檢測機器人”這個課題，對鋼結構檢測用攀行機器人進行了機電一體化結構設計、同時，對傳動方式和控制系統(tǒng)進行了研究和分析，本論文的研究主要取得了以下成果: 1. 對鋼結構檢測用攀行機器人采用機械電子學思想進行了總體設計。立足于機電一體化的觀點，對機器人的機械結構形式、驅動裝置、傳動方式等各組成部分進行了較為全面的分析，最后得出鋼結構檢測用攀行機器人的總體方案，提出用步進電機驅動，用齒輪、齒輪齒條和導軌傳動力和扭矩。 2. 根據(jù)鋼結構檢測用攀行機器人的結構特點，對前進機構的運動方式和特點進行了詳細的分析。采用步進電機來控制齒輪的扭矩和動力傳遞，防止扭矩和力過大，使前進機構損壞。 3.采用齒輪齒條來進行機器人回轉升降機構的控制，這部分的設計比較難，尤其是回轉裝置的結構和安裝位置的確定，通過查閱資料和分析整體結構，最后決定把機構安裝在機器人機架的中心部位，這樣既可以是結構緊湊，又可以使機器人的受力均勻，保持機器人的運動穩(wěn)定。 通過以上的工作，從總體結構分析和驅動系統(tǒng)的設計和制造，最終實現(xiàn)了鋼結構檢測用攀行機器人的簡單、實用的整體設計方案。總結以前的研究工作，認為有必要在以下幾個方面進行進一步的研究: (1)提高機器人的操作精度的研究。機器人的操作精度很大程度上依賴于電機驅動精度，如果僅僅依靠采用小步距角的步進電機是不夠的?，F(xiàn)在步進電機開環(huán)控制有許多提當高精度的措施，如細分控制可以達到與閉環(huán)不相上下的精度。但是，在機器人中的應用尚有待于進一步的研究。 (2)本文提出的鋼結構檢測用攀行機器人的整體方案對其它機器人的開發(fā)也有借鑒意義，但是尚未形成完整的理論。如果能對機器人設計研究提出一般性的理論原則，必然能對我國機器人的開發(fā)具有更大的推動作用，這一問題的研究也需大量的工作。 參考文獻 [1] 劉淑霞，王炎，徐殿國等.《爬壁機器人技術的應用》.機器人，1999，21(2):148—155. 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