管道外爬行機器人的設計與仿真【三維UG模型】【含CAD圖紙】

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課題的意義是指課題的技術、經(jīng)濟和社會意義和對單位及自己的意義。課題的意義通常可以表述成：課題研究針對的主要問題是什么，本課題具有哪些學術價值或實際應用價值（比如說：給企業(yè)的生產(chǎn)帶來多大便利和經(jīng)濟效益，提高了多少生產(chǎn)效率等），是否具有研究的緊迫性和必要性。 三、???? （20分）研究內(nèi)容 研究內(nèi)容是指課題要研究、設計什么，說明研究設計的重點。在此可以對即將開展的畢業(yè)設計的主要內(nèi)容進行說明，并突出畢業(yè)設計中的重點。 四、???? （25分）擬采取的技術方案和可行性分析 擬采取的技術方法與方案是指如何開展課題的研究設計工作。通常研究方法有：理論分析、實際調(diào)研、測繪、試驗、創(chuàng)新改進等，學生可以根據(jù)課題的實際情況選用不同的研究方法并確立自己的技術路線，并說明自己研究方案的有效和可行性。 五、???? （25分）研究計劃及預期成果 研究計劃及預期成果是指研究的進度和預期完成的成果（做到什么程度）。研究計劃是學生根據(jù)自己課題實際，制定研究的計劃進度表，并明確在那段時間內(nèi)完成什么樣工作的內(nèi)容。預期完成的成果形式可以是多種多樣的，包括:論文、產(chǎn)品、軟件、課件、電子制作、設計圖紙以及工藝卡片等，學生根據(jù)課題實際，說明預期完成的成果形式。 六、???? （10分）特色或創(chuàng)新之處 特色或創(chuàng)新之處是指本課題的研究設計的特色與創(chuàng)新點所在，學生需要全方面了解自己的設計研究在同類課題的研究中所處的水平，清楚知道自己的設計研究與他人之間的不同之處，并給予客觀的評價。 七、???? （5分）已具備的條件和尚需解決的問題 通常已具備條件可以寫：學生對本課題已有深入的認識，準備充分，已具備開展畢業(yè)設計研究的條件。此處主要分析開展研究設計尚不具備的條件，并說明如何解決。比如：還存在圖書和相關技術資料不足的問題，希望通過圖書館借閱和網(wǎng)上查詢來補充資料等等。 八、???? （5分）參考文獻 （要求博覽相關文獻資料至少5篇以上，應有必要的外文文獻）。一、基本情況 學生姓名 顧文峰 學號 200623501510 班級 機061-5班 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 指導教師 于云霞 學歷 學士 職稱 副教授 所學專業(yè) 機械制造 題目名稱 管道外爬行機器人的設計與仿真 題目來源 □企業(yè)生產(chǎn) □科研 □社會 □文獻和資料 □其他： 題目類型 □理論研究 □應用研發(fā) □開發(fā)研究 □工藝設計 □工程設計 □設備設計 □軟件設計 □實踐研究 □指定問題研究 注：在選中的項目上打√ 二、開題報告內(nèi)容 1、（10分）課題的目的和意義 （1）、目前國內(nèi)外研究進展及應用現(xiàn)狀綜述（或立題依據(jù)），研究的主要問題 早在1923年，捷克作家卡佩克發(fā)表了科幻劇本《洛桑萬能機器人》。卡佩克把捷克語“Robata“寫成Robot”，其意思是農(nóng)奴，預告了機器人的發(fā)展對人類社會科學與技術的悲劇性影響，因而極受關注，這被當做了“機器人”（Robot）一詞的起源。“機器人”（robot）一詞常常認為是人一樣的機器，其經(jīng)常出現(xiàn)在各種科幻電影和小說中。 與科幻作家所想象的超人機器人不同的是，更現(xiàn)實的機器人只是一類特殊的自動機器，它具有與人的四肢相比擬的運動機構，可接受視覺、聽覺、觸覺等傳感信息，在計算機即電腦的指揮下完成各種機械操作功能，當前主要是代替人進行比較通用、靈巧、自主的重復操作。機器人不僅可以把人類從條件惡劣、繁重單調(diào)的作業(yè)中解放出來，而且在力量、精度和速度以及特殊環(huán)境下的生存和工作能力等方面有人類無法替代的優(yōu)點。機器人的應用和研究對提高勞動上產(chǎn)率、推動科技發(fā)展具有重要意義，同時也成為衡量一個國家制造業(yè)水平和科技水平的一個重要標志。機器人在工業(yè)、國防和科學技術中日益廣泛的應用帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益、也有力的推動了有關學科和技術領域的發(fā)展，從而使其成為一個活躍的、富有魅力的研究領域。 近幾十年來，機器人技術不斷得到發(fā)展，其應用領域也越來越廣泛，人們 期望機器人在許多人類不能到達 的區(qū)域能代替人類完成更復雜的任務。隨著應用領域擴大，例如在軍事偵察、掃雷排險、防止核污染等危險惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運上具有廣闊的應用前景 ，所以機器人所面臨的環(huán)境往往是未知的、不可預測的、非人為構造的環(huán)境，機器人所要完成的任務也越來越復雜 一、國外的發(fā)展現(xiàn)狀 為了使機器人能更好的應用于工業(yè)，各工業(yè)發(fā)達國家的大學、研究機構和大工業(yè)企業(yè)對機器人系統(tǒng)開發(fā)投入了大量的人力財力。在美國和加拿大，各主要大學都設有機器人研究室，麻省理工學院側重于制造過程機器人系統(tǒng)的研究，卡耐基—梅隆機器人研究所側重于挖掘機器人系統(tǒng)的研究，而斯坦福大學則著重于系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)。德國正研究開發(fā)“MOVE AND PLAY”機器人系統(tǒng)，使機器人操作就像人們操作錄像機、開汽車一樣。 除了這些研究單位，各大機器人企業(yè)也投入大量人力、財力開發(fā)機器人系統(tǒng)。國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：⒈ 工業(yè)機器人性能不斷提高，而單機價格不斷下降。⒉ 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機檢測系統(tǒng)三位一體化，由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。⒊ 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。⒋ 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。⒌ 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。⒍ 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入使用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名的實例。⒎ 機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 二、我國機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關及“863”計劃的推動下，也取得了很大的進展。目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有150多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，進行一次性重新設計，導致產(chǎn)品規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本高，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、規(guī)?；O計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 爬行機器人的研究雖然取得了很大的進展，但是對于復雜的應用，仍不能令人滿意。隨著系統(tǒng)的日益復雜和運算量的日益增加，對計算設備能力的需求也日益提高，而多數(shù)輕便靈活型的機器人難以攜帶大量的計算設備。因此，將計算機和機器人分開，機器人把觀察到的視覺信號和傳感器信號，按照制定的標準合成，然后傳到遠方的計算機上，由功能強大的遠方計算機進行分解和處理，并發(fā)出控制信號給機器人的傳動機構以控制機器人行為，或者由機器人完成一些避障類的底層操作，而高層操作由遠方高性能機器、或人工在虛擬環(huán)境中遙控完成。將VR技術應用到移動機器人導航研究中將是一種可行的方法。 （2）、課題的學術價值或實際應用價值 現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展，尤其是進入80年代以來，機器人技術的進步與其在各個領域的廣泛應用，引起了各國專家學者的普遍關注。許多發(fā)達國家均把機器人技術的開發(fā)、研究列入國家高新技術發(fā)展計劃，機器人的研究領域和開發(fā)類型也在逐漸增多。移動機器人作為機器人學的一個重要分枝，其研究工作始于20世紀60年代。移動機器人的最成功應用是自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運，用于完成機床之間、機床與自動倉庫之間的工件工具傳送。移動機器人的運動靈活性能，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動化程度。星際探索和海洋開發(fā)是促使移動機器人發(fā)展的重要因素:從20世紀60年代，美國Mrr開始研究火星探索移動機器人，以便在火星上進行移動，收集探測數(shù)據(jù);海洋開發(fā)方面，移動機器人的作用是資源調(diào)查、石油礦藏開采、水下設施維護、沉船打澇、勘測。 現(xiàn)在，移動式機器人的研究開發(fā)除上述應用外，還涉及許多其他應用領域。如在建筑領域完成混凝土的鋪平、壁面的裝修、檢查和清洗;采礦業(yè)中進行隧道的掘進和礦藏的開采、農(nóng)林業(yè)中從事水果采摘、樹枝修剪、圓木搬運;軍事上用于探測偵察、爆炸物處理。福利方面進行盲人引導，病員護理等。 由于機器人應用從制造業(yè)向非制造業(yè)的擴展，以及移動機器人在諸如野外作業(yè)、深海探測以及一些人類本身所不能進入的有毒或高溫環(huán)境的作業(yè)中，有著極其廣泛的應用前景，因此近年來機器人研究在多方面都已經(jīng)取得了很大的進展，研究的成果必將成為各行各業(yè)提高生產(chǎn)力的強有力的工具 2、（20分）研究內(nèi)容 （1）、研究的主要內(nèi)容 管道外爬行機器人的總體機構即運動系統(tǒng)，包括坐標形式，機構方式，驅動方式。在整個機器人系統(tǒng)中，機器人的移動方式取決于對機器人工作環(huán)境、移動速度、移動連續(xù)性、行走控制難易程度、避障能力以及承載能力的要求;驅動方式取決于結構重量、控制距離、信號轉換、技術成熟性、構造難度、可靠性及可控性等要求; 此爬樹機器人要求結構簡單，動作靈活，實現(xiàn)高定位精度，運動直觀性，空間軌跡易于求解，且運動的速度較低，操作范圍較小，因而選用直角坐標型機器人；機構方式為極坐標式；另外，爬樹機器人驅動負載小，要求結構簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅動方式。 本次課題研究主要是對機器人本體的設計，它是機器人的支撐基礎和執(zhí)行機構。該機器人模仿蟲蠕動的形式在樹干上爬行。其爬行運用簡單的曲柄滑塊機構。其中電機與曲柄固接，驅動整個裝置運動;曲柄與連桿鉸接，其另一端與滑塊相連;在機座的兩邊分別通過槽型凸輪帶動一對活動卡爪，通過槽型凸輪半徑尺寸的變化和活動卡爪上傳感器的控制實現(xiàn)對樹干的夾緊與放松，實現(xiàn)由機架與曲柄之間的相互轉變，它們是實現(xiàn)上爬的關鍵結構。當整個機構有向下運動的趨勢時，通過凸輪傳動，在曲柄、滑塊和連桿之間形成可靠的自鎖，阻止構件向下運動，使其運動的方向始終向上。 （2）、擬解決的關鍵問題 本課題研究的機器人目標是適應在不同的管道上爬行，運動方式比較單一。，要求有較高的控制性，機器人需采用了一種力矩與重量比高的驅動源。對比各個吸附方式的特點，鑒于機器人作業(yè)表面演繹性，并且大部分為非導磁性材料，考慮機器人系統(tǒng)的使用范圍，選擇夾持器夾持是一種比較合理、可行的方式。使機器人能夠在管道壁上夾緊，又能對壁面有一定的自適應能力。而在越障方面機器人的很多動作要受到限制，不能隨心所欲。在 機器人設計時應盡量注意到以下問題： （1）安全性原則盡量使機器人的重心靠近管道壁，以減小傾翻力矩。 （2）能量最省原則更少的能量消耗，意味著可以攜帶更輕的電池重量和工作更長的時間。在不同的管道上都能實現(xiàn)運動。 （3）在機器人本體設計時應盡量做到使其結構合理化。 3、（25分）擬采取的技術方案和可行性分析 （1）、擬采取的技術方案及思路 總體設計為：管道外爬行機器人的爬行運用簡單的曲柄滑塊機構。其中電機與曲柄固接，驅動整個裝置運動;曲柄與連桿鉸接，其另一端與滑塊相連;在機座的兩邊分別通過氣缸驅動夾持器實現(xiàn)對管道的夾緊，實現(xiàn)由機架與曲柄之間的相互轉變，它們是實現(xiàn)上爬的關鍵結構。當整個機構有向下運動的趨勢時，通過氣缸傳動，在曲柄、滑塊和連桿之間形成可靠的自鎖，阻止構件向下運動，使其運動的方向始終向上。 機器人的技術指標反映了機器人所能勝任的工作和具有的最高操作性能，是選擇和設計機器人都必須考慮的關鍵問題。機器人的技術指標一般包括以下幾個方面(1)結構形式 機器人的機構形式是指機器人運動鏈的形式:如關節(jié)式、球坐標式、直角坐標式、圓柱坐標式等。此爬樹機器人要求結構簡單，動作靈活，實現(xiàn)高定位精度，運動直觀性強，空間軌跡易于求解，且運動的速度較低，操作范圍較小，因而選用直角坐標型機器人。(2)自由度和類型 自由度是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)，是指機器人所具有的獨立運動關節(jié)的數(shù)目，一般以沿軸線的移動和繞軸轉動的獨立運動數(shù)來表示，自由度越多越靈活，但同時結構越復雜，控制也越復雜。通常情況下機器人的自由度在3-6個之間，而自由度的類型是指屬于轉動關節(jié)還是直線關節(jié)。(3)運動范圍 是指機器人關節(jié)的運動范圍。機器人一般由于結構設計的限制和控制系統(tǒng)電纜的走線，都對關節(jié)的運動范圍會產(chǎn)生影響，大多數(shù)機器人的關節(jié)不可能在同一個方向持續(xù)轉動。(4)重復精度 機器人經(jīng)過多次循環(huán)運動后，到達空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍。(5)控制方式 機器人運動控制的方式，如示教再現(xiàn)、點位控制或軌跡控制。(6)驅動方式 機器人是采用液壓、氣動、交流電機或異步電機控制等由于本課題所研究的爬樹機器人驅動負載小，要求結構簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅動方式。 （2）、研究方案的有效和可行性分析（含研究過程中可能存在的困難或問題，及其解決措施） 基于曲柄滑塊機構能夠實現(xiàn)直線運動的啟示，在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個滑塊(即作為自鎖套)，使兩個滑塊分別作為機架交替上升，從而實現(xiàn)上爬動作。其中上滑塊與曲柄相連，相應的連桿接下滑塊。當機構具有向下運動的趨勢時，下自鎖套因受到自鎖機構的限制而固定不動，把其受到的向下的力轉化為反作用力，推動機構向上運動。在聯(lián)接中，把電機與曲柄固接作為驅動裝置，連桿作為傳動件，兩滑塊作為自鎖裝置。自鎖套的自鎖是通過凸輪轉動方式實現(xiàn)。在氣動方面，由于沒有聯(lián)結用的傳動機構，因而直接由氣動元件帶動兩自鎖套向上移動。在此方案中選用兩個汽缸作為主要的氣動元件，利用作用力與反作用力的原理，由其帶動上下兩個自鎖套分別自鎖，達到機器人上爬的最終目的。 以上設計的爬行過程都是在理想的情況下，很多實際因素都沒有考慮進去:如摩擦力的大小(即夾持器與管道接觸面的摩擦系數(shù))，在曲柄通過上下兩滑塊極限位置時，自鎖套內(nèi)凸輪轉動內(nèi)部的運動關系，自鎖套所要進行的向下運動的位移，以及上、下自鎖套、曲柄和連桿的質量，還有電機的功率、轉動速度及連接方式等等。針對以上兩種方案，進行機構對比分析。就采用汽缸驅動而言，它形式簡單、結構簡便，從機械設計角度出發(fā)，滿足設計經(jīng)濟性和可靠性的要求:它由驅動機構直接帶動兩個自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機構，精簡了構件之間的連接。此外，該機構具有環(huán)保等特點，它利用空氣作為動力源，無污染、運動時無噪音，而且運行速度快，可以在短時間內(nèi)使機器人爬到管道的預定位置，它還能夠隨身攜帶氣包作為動力源，可以做到無線操作。就采用曲柄滑塊結構而言，它屬于平面連桿機構，具有結構簡單、制造方便、運動副為低副，能承受較大載荷;但平衡困難，不易用于高速。由于設計的機構是由電機經(jīng)減速直接驅動的，和利用氣動原理相比它多了一套傳動和連接機構，但該機構運用的原理簡單，設計合理。通過以上分析，在本次設計中選取“曲柄滑塊機構”作為該爬行機器人的最終運動方案。 4、（25分）研究計劃及預期成果 （1）、研究進度、具體安排，及其進度檢查表 起止日期 主要工作內(nèi)容和要求 階段目標 實際完成內(nèi)容 檢查日期 檢查人 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? 此欄由導師填寫，用于到期檢查 此欄為導師簽字用 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 注：1、畢業(yè)設計答辯一般在16周以前結束。并按要求答辯前7天，學生應提交全部畢業(yè)論文（設計）材料（包括設計圖紙和其它資料），由指導教師和兩名評閱人評閱，以進行答辯資格審查。 2、進度檢查由指導教師按計劃檢查填寫，并與答辯前完成。 （2）、預期成果 管道外爬行機器人所要達到的預期目的是沿管道爬行，為實現(xiàn)其功能要求，通過電機的驅動和減速，給予曲柄一個繞定軸旋轉的主動力，在該力的驅動下帶動連桿及相應的自鎖裝置，由兩個自鎖套先后實現(xiàn)自鎖，曲柄滑塊機構帶動機器人向上爬行。 5、（10分）特色或創(chuàng)新之處 本論文的主要研究內(nèi)容包括管道外爬行機器人機器人總體方案的提出、執(zhí)行機構的的機械設計。由于該機器人體積小，運動靈活，在具體設計過程中根據(jù)工作環(huán)境的不同，能夠完成在高空的一系列動作，以實現(xiàn)一些復雜的功能: 1.在懸鎖橋及斜拉橋上的探傷。該機器人可以方便的爬行在鋼纜繩上，通過安裝探傷儀可以檢測到一切可能的事故的隱患，而且操作方便，不但節(jié)約資源而且能夠保證工作的可持續(xù)性。 2.帆船的船帆懸掛及檢查。 3.高層樓宇外觀清潔管道檢測維修、隧道掘進、高層建筑頂制件安裝、墻面施工傳遞物資、檢查電纜有無故障等工作。 6、（5分）已具備的條件和尚需解決的問題 （1）、圖書資料、儀器設備情況 由于有關機器人的資料較少，所以只有圖書館的相關書籍以及網(wǎng)上找到的各種論文以及資料 （2）、其他各方面條件 ? 7、（5分）參考文獻資料 序號 參考文獻資料 備注 1 機器人的設計與實現(xiàn) 科學出版社 【美】 Gordon McComb 著 龐明 王曉宇 任宗偉 李牧 蘇相國 譯 ? 2 ?自主移動機器人導論 西安交通大學出版社 【美】 R·西格霍特 I·R·諾巴克什 著 李人厚 譯 ? 3 ?王天然.機器人.北京：化學工業(yè)出版社,2000 ? 4 ?柳洪義.機器人技術基礎.冶金工業(yè)出版社,2002.165～166 ? 5 ?王炎，周大成.移動式服務機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及我們的研究.電氣傳動，2004 ? 6 ?小型爬壁機器人系統(tǒng)設計及應用. 東北大學學報（自然科學版），2007 ? 7 ? ? 8 ? ? 三、畢業(yè)設計（論文）選題及開題報告評議表 指導教師對開題報告的綜合意見：（從選題的理論或實際價值出發(fā)，闡述學生利用的知識、原理、建立的模型正確與否？學生的論證充分否？通過學生的努力，能否完成課題，達到預期的目標？課題及報告的難度、深度、綜合性、創(chuàng)造性等是否達到本科生應該具有的要求。） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 指導教師簽名： 年 月 日 學科組 評議結果 是否同意進入設計（論文）階段？ ? ? ? ? ? ? ? 學科組長簽名： 年 月 日 說明：1.本報告必須由承擔畢業(yè)設計(論文)課題任務的學生在接到“畢業(yè)設計(論文)任務書”、正式開始做畢業(yè)設計(論文)的第2周末之前獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。 2.每個畢業(yè)設計(論文)課題撰寫本報告一份，作為指導教師、學科組組長審查學生能否承擔該畢業(yè)設計(論文)課題任務、以及檢查設計進度的依據(jù)，并接受學院的抽查。 3.除“4、研究計劃及預期成果”中的“（1）、研究進度、具體安排，及其進度檢查表”中“實際完成內(nèi)容”和“檢查日期檢查人”欄需要導師用筆填寫外，其余各項均要求打印，打印字體和字號為“小四號宋體 分類號 編號 管道外爬行機器人的設計與仿真 DESIGN AND SIMULATION OF CRAWLED ROBOTS ALONG PIPELINE (申請煙臺大學學士學位論文) 申請學位： 工 學 學 士 院 系： 機電汽車工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學生姓名： 顧文峰 學 號： 200623501510 指導老師: 于 云 霞（副教授） 2010年5月30日 煙臺大學 申請學士學位論文 管道外爬行機器人的設計與研究 申請人: 顧文峰 導 師: 于云霞（副教授） 2009年5月30日 煙臺大學 煙臺大學畢業(yè)設計（論文）任務書 院（系）：機電汽車工程學院 姓名 顧文峰 學號 200623501510 畢業(yè)屆別 2010 專業(yè) 機061-5班 畢業(yè)設計（論文）題目 管外爬行機器人設計與仿真 指導教師 于云霞 學歷 學士 職稱 副教授 所學專業(yè) 機械制造 具體要求： 1） 了解國內(nèi)外機器人研究概況及其相關知識。 2） 查閱相關管外爬行機器人概況及結構特點，制定總體設計方案。 3） 進行爬樹機器人的機械本體結構設計。 4） 熟悉三維設計軟件并對設計進行三維建模造型。 5）對所設計的機構進行裝配與仿真。 6）按照規(guī)范要求，整理、撰寫論文，準備答辯。 7）完成相關英文資料翻譯 指導教師簽字：于云霞 2010年 3 月 1日 院（系）意見： 教學院長（主任）簽字： 年 月 日 附注： 【摘要】 隨著社會的發(fā)展需要，機器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟方面，并且起到了很大的作用。機器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟發(fā)展有很多的影響。 本文介紹了國內(nèi)外爬行機器人的發(fā)展狀況，本課題的研究意義，并對其進行了功能原理分析，在總結國內(nèi)外爬行機器人現(xiàn)狀的基礎上，對管道外爬行機器人進行了機構設計和理論分析。 在本次設計中，管道外爬行機器人采用曲柄滑塊機構，實現(xiàn)爬行過程。選擇了步進電機作為驅動電機;確定了曲柄、連桿構件的尺寸，并以氣缸作為夾持器的動力源；根據(jù)曲柄滑塊的工作原理對爬樹機器人進行運動分析;分析了爬行機器人的控制系統(tǒng)，并介紹了各個控制部分工作原理和特點。最后對該爬行機器人做了仿真。 關鍵詞： 機器人 曲柄滑塊機構 管道外爬行機器人 仿真 ［ABSTRACT］: With the need of the developing society,robots have permeated into every aspect of our life,work and economics,and are playing an important role.The research and development of the robots have a lot of influence on our economic expansion. In this article, present situation and development of climbing tree robot are introduced, as well as the importance of the reserch of the climbing robot, at the same time its principle is analyzed. After summarizing the present situation of climbing robot at home and abroad, mechanism design and theoretical analysis Piping crawl along the robot are finished. In this design, Crawled robots along pineline using slider-crank mechanism, the realization process of reptile. Choose a stepper motor as a motor, Determine the crank connecting the size of components, and the power cylinder for clamping device, According to the working principle of crank slider to climb robot motion analysis,the control system of climbing robot control system, further, each principle of work and trait of control systerm is introduced, at the last, simulation is made. Key words :Robot；Crank-slider mechanism；Crawled robots along pineline ; Simulation 【摘要】 隨著社會的發(fā)展需要，機器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟方面，并且起到了很大的作用。機器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟發(fā)展有很多的影響。 本文介紹了國內(nèi)外爬行機器人的發(fā)展狀況，本課題的研究意義，并對其進行了功能原理分析，在總結國內(nèi)外爬行機器人現(xiàn)狀的基礎上，對管道外爬行機器人進行了機構設計和理論分析。 在本次設計中，管道外爬行機器人采用曲柄滑塊機構，實現(xiàn)爬行過程。選擇了步進電機作為驅動電機;確定了曲柄、連桿構件的尺寸，并以氣缸作為夾持器的動力源；根據(jù)曲柄滑塊的工作原理對爬樹機器人進行運動分析;分析了爬行機器人的控制系統(tǒng)，并介紹了各個控制部分工作原理和特點。最后對該爬行機器人做了仿真。 關鍵詞： 機器人 曲柄滑塊機構 管道外爬行機器人 仿真 ［ABSTRACT］ With the need of the developing society,robots have permeated into every aspect of our life,work and economics,and are playing an important role.The research and development of the robots have a lot of influence on our economic expansion. In this article, present situation and development of climbing tree robot are introduced, as well as the importance of the reserch of the climbing robot, at the same time its principle is analyzed. After summarizing the present situation of climbing robot at home and abroad, mechanism design and theoretical analysis Piping crawl along the robot are finished. In this design, Crawled robots along pineline using slider-crank mechanism, the realization process of reptile. Choose a stepper motor as a motor, Determine the crank connecting the size of components, and the power cylinder for clamping device, According to the working principle of crank slider to climb robot motion analysis,the control system of climbing robot control system, further, each principle of work and trait of control systerm is introduced, at the last, simulation is made. Key words :Robot；Crank-slider mechanism；Crawled robots along pineline ; Simulation  目錄 目錄.............................................................................................................................1 第一章 緒論..............................................................................................................3 1.1 機器人的定義....................................................................................... 3 1.2 國內(nèi)外機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展................................................................3 1.21 國外機器人的發(fā)展............................................................................3 1.22 國內(nèi)機器人的發(fā)展............................................................................5 1.23 國內(nèi)外相關機器人的工作原理分析................................................6 1.3 課題來源，目的及意義........................................................................9 1.4 課題需要完成的主要任務...................................................................10 第二章 管外爬行機器人的機構方案設計............................................................11 2.1 總體機構方案設計...............................................................................11 2.11 坐標樣式...........................................................................................11 2.12 機構方式...........................................................................................12 2.13 驅動方式的選擇...............................................................................12 2.14 驅動電機的選擇...............................................................................13 2.15 爬行機器人的主要特點...................................................................14 2.2 爬行機器人機構設計...........................................................................16 2.21 機構設計.........................................................................................16 2.22 機構簡介.........................................................................................17 2.3 結構原理分析.......................................................................................18 2.4 運動原理分析.......................................................................................19 2.5 管道外爬行機器人運動方案設計.......................................................19 2.51 機器人預期功能要求.....................................................................19 2.52 功能原理設計.................................................................................19 2.53 運動方案的確定.............................................................................19 2.54 執(zhí)行機構材料的選擇.....................................................................20 2.55 位移和速度分析.............................................................................22 2.56 執(zhí)行機構運動簡圖.........................................................................23 2.6 本章小結...............................................................................................23 第三章 管道外爬行機器人的實體建模 ............................................................24 3.1 畢業(yè)設計軟件-UG5的介紹.................................................................24 3.11 UG5的功能特點.............................................................................25 3.12 使用UG的優(yōu)點..............................................................................25 3.2 爬行機器人的實體建模.......................................................................26 3.21 滑塊（方形架）的建模.................................................................26 3.22 夾持器的建模 ...............................................................................27 3.23 連桿、曲柄的建模...........................................................................28 3.24 聯(lián)軸器的建模.................................................................................28 3.25 各種連接銷的建模.........................................................................29 3.26 各種標準件的使用.........................................................................30 3.27 鍵的建模.........................................................................................30 3.28 爬行機器人的裝配.........................................................................31 3.29 機器人的二維視圖.........................................................................33 3.3 本章小結...........................................................................................33 第四章 爬行機器人的運動仿真 4.1 爬行機器人的仿真......................................................................... .34 4.11 連桿的建立...................................................................................34 4.12 運動副的建立...............................................................................34 4.13 爬行機器人的仿真.......................................................................35 4.2 爬行機器人的控制...........................................................................36 4.21 傳感器的控制...............................................................................36 4.22 電機的控制...................................................................................36 4.3 本章小結.........................................................................................40 總結 ......................................................................................................................41 致謝........................................................................................................................42 參考文獻................................................................................................................43 第一章 緒論 1.1機器人的定義 早在1923年，捷克作家卡佩克發(fā)表了科幻劇本《洛桑萬能機器人》?？ㄅ蹇税呀菘苏Z“Robata“寫成Robot”，其意思是農(nóng)奴，預告了機器人的發(fā)展對人類社會科學與技術的悲劇性影響，因而極受關注，這被當做了“機器人”（Robot）一詞的起源。“機器人”（robot）一詞常常認為是人一樣的機器，其經(jīng)常出現(xiàn)在各種科幻電影和小說中。 與科幻作家所想象的超人機器人不同的是，更現(xiàn)實的機器人只是一類特殊的自動機器，它具有與人的四肢相比擬的運動機構，可接受視覺、聽覺、觸覺等傳感信息，在計算機即電腦的指揮下完成各種機械操作功能，當前主要是代替人進行比較通用、靈巧、自主的重復操作。機器人不僅可以把人類從條件惡劣、繁重單調(diào)的作業(yè)中解放出來，而且在力量、精度和速度以及特殊環(huán)境下的生存和工作能力等方面有人類無法替代的優(yōu)點。機器人的應用和研究對提高勞動上產(chǎn)率、推動科技發(fā)展具有重要意義，同時也成為衡量一個國家制造業(yè)水平和科技水平的一個重要標志。機器人在工業(yè)、國防和科學技術中日益廣泛的應用帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益、也有力的推動了有關學科和技術領域的發(fā)展，從而使其成為一個活躍的、富有魅力的研究領域。 近幾十年來，機器人技術不斷得到發(fā)展，其應用領域也越來越廣泛，人們 期望機器人在許多人類不能到達 的區(qū)域能代替人類完成更復雜的任務。隨著應用領域擴大，例如在軍事偵察、掃雷排險、防止核污染等危險惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運上具有廣闊的應用前景 ，所以機器人所面臨的環(huán)境往往是未知的、不可預測的、非人為構造的環(huán)境，機器人所要完成的任務也越來越復雜 。 1.2 國內(nèi)外機器人的發(fā)展 1.2.1國外機器人的發(fā)展 美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，比起號稱"機器人王國"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術先進。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。 由于美國政府從60年代到70年代中的十幾年期間，并沒有把工業(yè)機器人列入重點發(fā)展項目，只是在幾所大學和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府又無財政支持的情況下，寧愿錯過良機，固守在使用剛性自動化裝置上，也不愿冒著風險，去應用或制造機器人。加上，當時美國失業(yè)率高達6．65％，政府擔心發(fā)展機器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯誤。70年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的高級機器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應用上及機器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場上形成了較強的競爭力。 　 進入80年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應用機器人，另一方面制訂計劃、提高投資，增加機器人的研究經(jīng)費，把機器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機器人迅速發(fā)展。 80年代中后期，隨著各大廠家應用機器人的技術日臻成熟，第一代機器人的技術性能越來越滿足不了實際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機器人，并很快占領了美國60％的機器人市場。 盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術在國際上仍一直處于領先地位。其技術全面、先進，適應性也很強。具體表現(xiàn)在： （1）性能可靠，功能全面，精確度高； （2）機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應用廣，水平高居世界之首； （3）智能技術發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應用； （4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。 在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機器人和AMF公司的沃莎特蘭機器人就已經(jīng)率先進入英國市場。1967年英國的兩家大機械公司還特地為美國這兩家機器人公司在英國推銷機器人。接著，英國 Hall Automation公司研制出自己的機器人RAMP。70年代初期，由于英國政府科學研究委員會頒布了否定人工智能和機器人的Lighthall報告，對工業(yè)機器人實行了限制發(fā)展的嚴厲措施，因而機器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。 但是，國際上機器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到：機器人技術的落后，導致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從70年代末開始，英國政府轉而采取支持態(tài)度，推行并實施了一系列支持機器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性、在財政上給購買機器人企業(yè)以補貼、積極促進機器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機器人開始了在生產(chǎn)領域廣泛應用及大力研制的興盛時期。 法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應用水平和應用范圍上處于世界先進水平。這主要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術，特別是把重點放在開展機器人的應用研究上。 法國機器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的研究計劃，建立起一個完整的科學技術體系。即由政府組織一些機器人基礎技術方面的研究項目，而由工業(yè)界支持開展應用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及.　 　 德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進機器人大約晚了五六年。其所以如此，是因為德國的機器人工業(yè)一起步，就遇到了國內(nèi)經(jīng)濟不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻是有利于機器人工業(yè)發(fā)展的。因為戰(zhàn)爭，導致勞動力短缺，以及國民技術水平高，都是實現(xiàn)使用機器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路；在"改善勞動條件計劃"中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術的發(fā)展。日爾曼民族是一個重實際的民族，他們始終堅持技術應用和社會需求相結合的原則。除了像大多數(shù)國家一樣，將機器人主要應用在汽車工業(yè)之外，突出的一點是德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術改造原有企業(yè)，報廢了舊機器，購買了現(xiàn)代化自動設備、電子計算機和機器人，使紡織工業(yè)成本下降、質量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對路。到1984年終于使這一被喻為"快完蛋的行業(yè)"重新振興起來。與此同時，德國看到了機器人等先進自動化技術對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機器人轉移的目標。經(jīng)過近十年的努力，其智能機器人的研究和應用方面在世界上處于公認的領先地位。 1.2.2國內(nèi)機器人的發(fā)展 我國機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關及“863”計劃的推動下，也取得了很大的進展。目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有150多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，進行一次性重新設計，導致產(chǎn)品規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本高，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、規(guī)?；O計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 我國從1987年實施國家“863”高技術研究發(fā)展計劃以來，把智能機器人確立為自動化領域的主體之一，在特種機器人、機器人應用工程、機器人基礎學科等方面取得了很大成績。在移動機器人方面主要研究工作有:1994年通過鑒定的清華大學智能移動機器人，涉及到基于地圖的全局路徑規(guī)劃、基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃、路徑規(guī)劃的仿真、傳感數(shù)據(jù)信息融合等技術;哈爾濱工業(yè)大學研制的輪式智能服務機器人能無纜行走、自動避障、識別語音并能與人對話、能夠在垂直陡壁上進行作業(yè)的機器人、用于服務場合的導游導購等，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平。此外還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種;在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 1.2.3國內(nèi)外相關資料工作原理分析 爬行機器人要想走向實用，必須擁有能勝任的運動系統(tǒng)、可靠的導航系統(tǒng)、精確的感知能力，并具有既安全而又友好地與人一起工作的能力，移動機器人的指標為自主性、適應性和交互性。自主性是指機器人具有適應復雜工作環(huán)境的能力，不但能夠測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務的能力，并做出正確的判斷及操作和移動的能力;交互性是智能產(chǎn)生的基礎，交互包括機器人與環(huán)境、機器人與人以及機器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。因此，在移動機器人研究中，關鍵在于以下幾個方面: 一、導航定位 在移動機器人的應用中，精確的位置知識是一個基本問題。有關位置的測量，可分為兩大類:相對測量和絕對測量。使用的方法分為7種:里程計、慣性航、磁羅盤、主動燈塔、全球定位系統(tǒng)、路標導航和地圖模型匹配。其中前兩種屬于相對位置測量，也稱為航跡推算。在導航與定位方面，有兩個重要的發(fā)展方向:一個是關于如何構造完整性的導航系統(tǒng);另一個是關于主動環(huán)境問題，也稱之為機器人與環(huán)境交互或融合問題。機器人通過環(huán)境中存在的主動裝置的交互，完成導航和定位任務。 移動機器人有多種導航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導航指示信號類型、導航地域等因素的不同，可以分為基于地圖導航，基于路標導航，基于視覺導航，基于感知器導航等。 二、機器人的結構 機器人機械結構的選擇和設計，是根據(jù)實際需要進行的。在機器人機構方面，結合機器人在各個領域以及各種場合的應用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。輪式機器人由于控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向實用化迅速發(fā)展。目前出現(xiàn)的輪式機器人主要有單輪，四輪，五輪，六輪和八輪這幾種機器人。移動機器人是一個機構、電氣和軟件的綜合系統(tǒng)，它的任何一個部分都不是孤立的。結構的問題影響到控制和算法。 近年來由于應用背景的不斷擴大和智能機器人的研究加快，國內(nèi)外對于輪式機器人的移動載體的研究也越來越多。按照機器人運動的約束方程可以將其分為兩類:完整性約束和非完整性約束的移動機器人。 對于一個非完整性的約束的輪子來說，它只能在與輪子軸垂直的方向前進或后退，在不打滑的情況下不具有側向移動的能力。在移動機器人平臺中，如果它的約束方程中有非完整性的約束方程，或者說如果它的某個輪子不具有側向滑動的能力，那么它就是一個非完整約束的移動機器人。非完整約束在現(xiàn)實世界中是隨處可見的，像傳統(tǒng)的車輪都屬于非完整約束的輪子，但是對它的研究卻較晚。非完整約束的移動機器人，雖然在開闊的工作空間中經(jīng)過姿態(tài)的調(diào)整可以達到任意的方向和位置，但是由于不具有移動的能力，這樣在緊湊的工作空間中就不再適用。非完整約束的移動機器人的運動能力和限制使得這類系統(tǒng)和軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤等問題中以增加了一個約束條件而變得困難了。另外，在非完整約束條件下的移動機器人的運動學方程和動力學方程是非線性函數(shù)，用常規(guī)的線性控制理論進行控制機器人是很困難的，而且也不能化成簡單的線性系統(tǒng)?？梢姡瑢τ诜峭暾s束的移動機器人的控制也存在一定的難度，但由于它的普通性，目前好多學者致力于非完整約束條件下移動機器人的運動控制的研究。由完整約束輪子構成的移動機器人能夠在保持機體姿態(tài)不變的前提下沿任意方向移動，實現(xiàn)全方位移動的功能。這種能力使得移動機器人的路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等問題變得相對簡單，并且它可以在狹小的工作空間中很好的完成任務。為了讓移動機器人具有全方位移動的能力，不斷有人進行完整性約束輪子的研究，于是出現(xiàn)了幾類有代表性的全方位移動輪。其中較具有影響力的是正交輪全方位移動機器人。由這種結構組成的移動機器人相對于前邊的兩種結構具有數(shù)學模型簡單、控制容易、全方位移動等優(yōu)點?，F(xiàn)在仍然有許多人在致力于全方位移動輪的研究，并且不斷有各種特色的新型裝置推出。在實際的系統(tǒng)中采用何種結構的車輪以及輪子的數(shù)量取決于地面性質、車輛的承載要求、移動機器人的任務等多種因素。 當前，對其它非輪式移動機器人，例如足式步行機器人、履帶式和特種機器人的研究較多，但大多數(shù)仍處于實驗階段。 三、路徑規(guī)劃技術 爬行機器人的路徑規(guī)劃就是給定機器人及其工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標，尋求有界輸入使系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)從起始點轉移到目標點。其主要研究內(nèi)容按機器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結構化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境，按機器人獲取信息方式的不同可分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。機器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀70年代，目前對這一問題的研究仍十分活躍，許多學者都做了大量的工作。 運動規(guī)劃是移動機器人的一個重要問題，對于自由移動機器人即機器人的運動不受約束，運動規(guī)劃問題可以通過在自由位形空間內(nèi)計算一條路徑加以解決，這樣的一條路徑與工作空間內(nèi)的一條可行的自由路徑相對應。但是移動機器人運動受到非完整性約束，并不是任意路徑都一定是可行的。在復雜動態(tài)環(huán)境中，還要考慮運動中的避障問題，因此，移動機器人的運動規(guī)劃是一個比較復雜的問題。尚有許多問題有待研究。 四、跟蹤控制 跟蹤控制是爬行機器人運動控制的一個重要問題，也是一個非常實際的問題。分為軌跡跟蹤控制和路徑跟蹤控制兩種。在軌跡跟蹤控制中，期望軌跡是由幾何參數(shù)來描述的。當要求機器人以一個期望的速度跟蹤一條由幾何參數(shù)給出的路徑時，可以采用路徑跟蹤控制。已有的軌跡跟蹤方法在數(shù)學上很完美，并且得到許多有意義的結果，但對于設計實際的跟蹤控制器來說，還有許多實現(xiàn)上的問題。關于這方面的工作，主要集中在早期。近期的研究主要集中在考慮非完整約束力學的情況下，如何實現(xiàn)有效跟蹤。 五、反饋鎮(zhèn)定 運動控制是機器人控制的一個重要方面。爬行機器人的運動控制可分為兩種策略:開環(huán)策略和閉環(huán)策略。開環(huán)策略就是試圖尋找一個有界的控制輸入序列來操縱系統(tǒng)，使其從一個初始位形到任意的期望位形。這種策略往往和機器人的運動規(guī)劃聯(lián)系在一起。閉環(huán)策略，就是反饋鎮(zhèn)定。考慮到非完整約束的移動機器人系統(tǒng)，是一個欠驅動的非完整系統(tǒng)，也是一個無漂移的零動力學系統(tǒng)，此類系統(tǒng)不滿足純狀態(tài)光滑鎮(zhèn)定的必要條件，也就是說，這類系統(tǒng)不能用連續(xù)可微的時不變的純狀態(tài)反饋律來予以鎮(zhèn)定。因此，非連續(xù)控制、時變控制律以及結合二者的混合控制律就是必然的選擇。故設計一個反饋鎮(zhèn)定律，是一個具有很大挑戰(zhàn)性的工作，也是目前一個非?；钴S的研究領域。 六、多傳感器系統(tǒng)與信息融合 由于現(xiàn)有傳感器普遍存在著有效探測范圍小，數(shù)據(jù)可靠性低等缺點，在實際應用中往往使用多傳感器共同工作，并采用多傳感器融合技術對檢測數(shù)據(jù)進行分析、綜合和平衡，利用數(shù)據(jù)的冗余和互補特性進行容錯處理，以求得到所需要的環(huán)境特性。所謂多傳感器融合，是指將多個傳感器采集的信息進行合成，形成對環(huán)境某一特征的綜合描述的一種方法。采用多個傳感器的優(yōu)點是很明顯的:(l)多個傳感器可提供同一環(huán)境信息的冗余信息;(2)可提供出現(xiàn)在環(huán)境中有關特征的互補信息;(3)多個傳感器可以并行快速地分析當前的場景;(4)多個傳感器雖然成本較高，但具有高魯棒性，可改善完成特定工作的指標;(5)在某傳感器發(fā)生故障的情形下，很快可以重組，重新投入工作。多傳感器數(shù)據(jù)集成與融合是一項內(nèi)容廣泛的技術，涉及到傳感器、信號處理、機器人學、控制理論、系統(tǒng)分析、概率統(tǒng)計、計算機科學以及仿生學等很多方面的知識。 事實上，采用傳感器融合技術，如不做出一定的限制，將會大大增加機器人的計算工作量。為減小數(shù)據(jù)計算量，在具體問題中，往往不是對所有的傳感器信息進行融合，而是采用傳感器分組方法，針對不同的行動激活不同的分組，或者對不同復雜程度的地形激活不同數(shù)量的傳感器來探測，這樣可以減少融合過程中的計算量。 七、分布式機器人系統(tǒng) 分布式機器人系統(tǒng)是由多個機器人、傳感器或者智能體組成，它們在物理上是分開的，必須通過一種媒質，例如以太網(wǎng)，來進行通訊。多個移動機器人交換信息，踢足球的機器人系統(tǒng)就是一個實例。在制造業(yè)中底座固定的機械手也常常作為分布式機器人系統(tǒng)，因為通常有一個監(jiān)控系統(tǒng)通過通訊總線來控制和監(jiān)視各個單個的機器人。 有關分布式機器人的研究，大部分是關于自主機器人和軟件智能體。這些系統(tǒng)被稱之為DARS(分布式自主機器人系統(tǒng))。大多數(shù)的應用都是關于多個自主移動機器人的協(xié)作和控制以及機器人的分布式控制系統(tǒng)，也有一些是基于機械手的。因為在定義上這些系統(tǒng)是自主的，所以不用考慮與人的互操作。它們基本上是一個本地的分布式系統(tǒng)，時延和丟包率都不是大問題。 八、智能技術 機器人的智能行為包括知識理解、推測、感覺、認識、推理、歸納、推斷、計劃、反應、學習和問題求解等。涉及的領域包括圖像理解、語音和文字符號的處理與理解、知識的表達和獲取、學習、智能運動。對于移動機器人來說，關鍵的智能技術是自動規(guī)劃技術和基于傳感器的智能。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡以及模糊技術被不斷地應用到移動機器人的智能技術中來 1.3課題來源目的及意義 現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展，尤其是進入80年代以來，機器人技術的進步與其在各個領域的廣泛應用，引起了各國專家學者的普遍關注。許多發(fā)達國家均把機器人技術的開發(fā)、研究列入國家高新技術發(fā)展計劃，機器人的研究領域和開發(fā)類型也在逐漸增多。移動機器人作為機器人學的一個重要分枝，其研究工作始于20世紀60年代。移動機器人的最成功應用是自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運，用于完成機床之間、機床與自動倉庫之間的工件工具傳送。移動機器人的運動靈活性能，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動化程度。 星際探索和海洋開發(fā)是促使移動機器人發(fā)展的重要因素:從20世紀60年代，美國Mrr開始研究火星探索移動機器人，以便在火星上進行移動，收集探測數(shù)據(jù);海洋開發(fā)方面，移動機器人的作用是資源調(diào)查、石油礦藏開采、水下設施維護、沉船打澇、勘測。 現(xiàn)在，移動式機器人的研究開發(fā)除上述應用外，還涉及許多其他應用領域。如在建筑領域完成混凝土的鋪平、壁面的裝修、檢查和清洗;采礦業(yè)中進行隧道的掘進和礦藏的開采、農(nóng)林業(yè)中從事水果采摘、樹枝修剪、圓木搬運;軍事上用于探測偵察、爆炸物處理。福利方面進行盲人引導，病員護理等。 由于機器人應用從制造業(yè)向非制造業(yè)的擴展，以及移動機器人在諸如野外作業(yè)、深海探測以及一些人類本身所不能進入的有毒或高溫環(huán)境的作業(yè)中，有著極其廣泛的應用前景，因此近年來機器人研究在多方面都已經(jīng)取得了很大的進展，研究的成果必將成為各行各業(yè)提高生產(chǎn)力的強有力的工具。 本課題主要要求機器人在結構化的環(huán)境中完成較復雜的任務，能夠沿著管道壁直線行走，在管道外以較快的速度行走，并且能在機器人本體上添加一些輔助的設備，完成對較復雜管道外環(huán)境的檢測。 該管道爬行機器人的研究具有延伸性和一定的通用性，可以應用到其他的領域。如軍事掃雷、牌型機器人、資源勘探機器人。清潔環(huán)保機器人和農(nóng)林機器人等。因此本文的研究可以促進爬行機器人向實用化方向發(fā)展。 管道外爬行機器人是在爬行機器人的基礎上做進一步的加深，和其他智能機器人一樣，管道外爬行機器人的研究和實現(xiàn)對推動智能機器人的發(fā)展和智能控制技術起到了推動作用。 1.4要完成的主要任務 1、概括地介紹了爬行機器人的定義、分類、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關鍵技術。; 2、查閱相關管外爬行機器人概況及結構特點，制定總體設計方案。; 3、進行爬行機器人的機械本體結構設計。 4、熟悉三維設計軟件并對設計進行三維建模造型。 5、對所設計的機構進行裝配與仿真。 第二章 管外爬行機器人的結構方案設計 2.1總體機構方案 作為一個系統(tǒng)機器人，一般由三部分、六個子系統(tǒng)組成，如圖2.1所示。這三部分是機械部分、傳感部分、控制部分；六個子系統(tǒng)是驅動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 人機交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 驅動系統(tǒng) 機械系統(tǒng) 機器人-環(huán)境交互系統(tǒng) 感 知 系 統(tǒng) 圖2.1 機器人的基本組成 在本小節(jié)，對機構坐標型式、機構方式及驅動形式和爬行機器人的主要特點做了介紹并進行了合理的選擇。 2.1.1坐標型式 關節(jié)型機器人依結構復雜程度分為直角坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、球坐標型機器人和關節(jié)型機器人。 1、直角坐標型機器人 直角坐標型機器人是最簡單的關節(jié)型機器人，其通過互相垂直的軸線位移來改變手部的空間位置。手部在空間三個相互垂直的方向X、Y、Z上作直線運動，運動是獨立的，如圖2.2a)所示。它易于實現(xiàn)高定位精度，控制簡單，運動直觀性強，空間軌跡易于求解，但操作靈活性差，運動的速度較低，操作范圍較小。 2、圓柱坐標型機器人 圓柱坐標型機器人在水平轉臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱上下運動并可在水平方向伸縮，如圖2.2b)所示。其結構簡單，便于幾何計算，工作范圍較大，運動速度較高，但隨著水平臂沿著水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。 3、球坐標型機器人 球坐標型機器人的工作臂不僅可繞垂直軸旋轉，還可繞水平軸作俯仰運動，且能沿著手臂軸線作伸縮運動，如圖2.2c)所示。其操作靈活，結構緊湊，并能擴大機器人的工作空間，但旋轉關節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個變量。 4關節(jié)坐標型機器人 關節(jié)坐標型機器人主要有立柱、前臂和后臂組成。如圖2.2d)所示。其全部關節(jié)皆為轉動型關節(jié)，結構緊湊，操作靈活性最好，運動速度較高，操作范圍大，所占空間體積小，相對的工作空間最大，還能繞過基座周圍的一些障礙，是機器人中使用最多的一種結構形式，但精度受手臂位姿的影響，實現(xiàn)高精度運動較困難。 圖2.2關節(jié)型機器人坐標型式 a)直角坐標型機器人 b)圓柱坐標型機器人 c)球坐標型機器人 d)關節(jié)型機器人 此爬行機器人要求結構簡單，動作靈活，實現(xiàn)高定位精度，運動直觀性強，空間軌跡易于求解，且運動的速度較低，操作范圍較小，因而選用直角坐標型機器人。 2.1.2機構方式 此機器人的研制主要完成關節(jié)移動控制，以實現(xiàn)對機器人末端的軌跡控制。要實現(xiàn)這種功能可以有多種機構方式，如下介紹: 1)雙關節(jié)式:具有較大的運動空間，運動靈活，結構簡單。但由于兩關節(jié)相互禍合具有牽連坐標關系，使得機構具有不對稱性，導致機器人末端力F和速度v不均勻的分配到兩個手臂上，提高了控制系統(tǒng)的復雜性，增加了控制的難度。其次是關于上臂關節(jié)驅動部件的安裝，若安裝在基座上，則增加了傳動鏈的長度，導致影響系統(tǒng)的精度;若安裝在下臂的末端，則要求整個系統(tǒng)具有較好的剛度。 2)極坐標式:兩坐標正交，互不影響，運動學分析簡單，控制容易。對于驅動傳動的電機可以安裝在基座上，對于驅動直線運動的電機也可以安裝在基座上，這樣總重量大部分就可以由基座來承擔，手臂重量輕，使得結構緊湊，但運動空間小，不適合于工業(yè)生產(chǎn)中。 3)連桿式:此結構屬于并聯(lián)機構，具有很好的對稱性，末端的力和速度可以平均分配給每個桿，同時，驅動單元可以安裝在基座上，使整個系統(tǒng)有很好的剛度。但是并聯(lián)機構的模型復雜，活動空間小，運動學分析相對較難，控制系統(tǒng)相對其它機構來說較復雜。 鑒于以上的分析和本機器人的特點，本機構采用第二種方式，即極坐標式。 2.1.3驅動形式的選擇 驅動部分是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，機器人常用的驅動形式主要有液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動三種基本類型。 1、氣壓驅動 在所有的驅動方式中，氣壓驅動是最簡單的。使用壓力通常在0.4一0.6Mpa，最高可達1Mpa。用氣壓伺服實現(xiàn)高精度是困難的，但在滿足精度的場合下，氣壓驅動在所有的機器人驅動形式中是質量最輕、成本最低的。氣壓驅動主要優(yōu)點是氣源方便，驅動系統(tǒng)具有緩沖作用，結構簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。其缺點是:功率質量比小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位時，位姿精度不高。 2、液壓驅動 液壓驅動是以高壓油作為介質，體積較氣壓驅動小，功率質量比大，驅動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時液壓驅動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍實現(xiàn)無級調(diào)速。但由于壓力高，總是存在漏油的危險，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境，所以需要良好的維護，以保證其可靠性。液壓驅動比電動機的優(yōu)越性就是它本身的安全性，由于電動機存在著電弧和引爆的可能性，要求在易爆區(qū)域中所帶電壓不超過9V，但液壓系統(tǒng)不存在電弧問題。 3、電氣驅動 電氣驅動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉矩，直接或經(jīng)過減速機構去驅動負載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動。電氣驅動是目前機器人是用得最多的一種驅動方式。其特點是易于控制，運動精度高，響應快，使用方便，驅動力較大，信號監(jiān)測、傳遞、處理方便，成本低廉，驅動效率高，不污染環(huán)境，可以采用多種靈活的控制方案。 由于本課題所研究的爬行機器人驅動負載小，要求結構簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅動方式。 2.1.4驅動電機的選擇 電動機有直流伺服電動機、交流伺服電動機和步進電動機三類。常用的交流電動機有三相異步電動機(或感應電動機)和同步電動機。 步進電機一般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構，有事也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號轉換為角位移或直線位移的一種D\A裝換裝置。按輸出位移的不同，步進電機可分為回轉式步進電機和直線式步進電機。機器人中一般采用回轉式步進電機。如果把步進電機裝在機器人回轉關節(jié)軸上，則接受一個電脈沖，步進電機就帶動機器人的關節(jié)周轉過一個相應的角度。步進電機連續(xù)不斷地接收脈沖，則關節(jié)軸連續(xù)不斷的轉動。步進電機轉過的角度與接收脈沖數(shù)成正比。 根據(jù)本系統(tǒng)的工作特點，我選用了步進電機。其性能優(yōu)越性如下： （1）輸出角度精度高，無積累誤差，慣性小。 （2）輸入和輸出呈嚴格的線性關系。步進電機將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。 （3）容易實現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反轉控制方便。 （4）輸出信號為數(shù)字信號，可以與計算機直接接口。 （5）結構簡單，使用方便，可靠性好，壽命長。 由于該爬行機器人所選用的電機為步進電機，基于步進電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，因而能帶動四個凸輪間歇地完成夾持器對管道的夾緊與放松;實現(xiàn)爬行機器人在爬行過程中互為機架直線上行的爬行過程。另外兩個直流電機直接作用在曲柄上，實現(xiàn)對曲柄的驅動。 表2.1 步進電機的參數(shù) 額定功率 0.75KW 外形尺寸（mm）直徑25mm 額定電壓 380V 高 30mm 額定電流 1.81A 最大額定轉矩 2.2 重量（kg） 0.5 Y小型（IP44）三相異步電動機（H80～315mm） 該系列電動機是封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，是全國統(tǒng)一設計的更新?lián)Q代產(chǎn)品。該系列電動機具有高效、節(jié)能、啟動轉矩高、噪音低、振動小、運動安全可靠等特點。 在電機的前端用齒輪減速器減速，由于電機的額定轉速為600r|min，所以選擇傳動比為1:4的齒輪。 2.15 氣缸的選擇 夾持器上選用氣缸作為動力源帶動其夾緊與松開。氣缸選用CG1型標準氣缸，選擇缸徑為40mm，行程為100mm的氣缸。 2.1.6爬行機器人的主要特點 一、爬行機器人的結構特點 本爬行機器人本體是兩個形狀相似、材料和性能相同的構件，結構緊湊、合理，各個關節(jié)處采用獨立電機直接驅動機構，其中四個個氣缸帶動夾持器運動，完成夾緊與松弛動作，實現(xiàn)整個機構由機架向滑塊的轉變，完成一個工作循環(huán);其余另外兩個電機驅動曲柄連桿機構組成，利用單片機控制電機，推動整個機構上移。 二、機器人的主要技術參數(shù) 機器人的技術指標反映了機器人所能勝任的工作和具有的最高操作性能，是選擇和設計機器人都必須考慮的關鍵問題。機器人的技術指標一般包括以下幾個方面。 (1)結構形式 機器人的機構形式是指機器人運動鏈的形式:如關節(jié)式、球坐標式、直角坐標式、圓柱坐標式等。 (2)自由度 自由度是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)，是指機器人所具有的獨立運動關節(jié)的數(shù)目。通常情況下機器人的自由度在3～6個之間，而自由度的類型是指屬于轉動關節(jié)還是直線關節(jié)。 (3)運動范圍 是指機器人關節(jié)的運動范圍。機器人一般由于結構設計的限制和控制系統(tǒng)電纜的走線，都對關節(jié)的運動范圍會產(chǎn)生影響，大多數(shù)機器人的關節(jié)不可能在同一個方向持續(xù)轉動。 (4)重復精度 機器人經(jīng)過多次循環(huán)運動后，到達空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍。 (5)控制方式 機器人運動控制的方式，如示教再現(xiàn)、點位控制或軌跡控制。 (6)驅動方式 機器人是采用液壓、氣動、交流電機或異步電機控制等。 (7)承載能力 承載能力是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質量。 承載能力不僅決定