畢業(yè)設計（論文）飛機表面清洗機器人結構設計與分析

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1、摘要 摘要 機器人化工程機械是機器人應用領域的一個重要發(fā)展方向，也是提升機械產品競爭力的一個重要手段。目前國內外已經出現了許多機器人化的工程機械產品，帶來了顯著的經濟效益和社會效益。本文基于機器人化工程機械的設計思想，對飛機表面清洗年進行了機器人化研究，所研究設計的飛機表面清洗機器人屬于特種作業(yè)機器人范疇，該機器人具有廣闊的應用前景。 本文以飛機表面清洗機器人為研究對象，采用機器人技術、計算機仿真技術和多剛體動力學理論，對飛機表面清洗機器人若干關鍵技術問題進行了深入細致的分析和研究。研究的主要內容包括以下幾部分： 1、論文系統(tǒng)綜述了國內外機器人技術、飛機表面清洗技術的研究狀況利發(fā)展趨勢

2、，在國內首次對機器人化飛機表面清洗車及其相關技術的研究現狀和主要研究問題進行了深入分析，為飛機表面清洗機器人的進一步研究奠定了堅實的基礎。 2、論文對飛機表面清洗機器人本體結構方案進行了研究和設計。主要對機器人載車、手臂機械結構、整機動力性能及穩(wěn)定性等關鍵技術進行了系統(tǒng)的研究。飛機表面清洗機器人是飛機場重要的設備。而臂架系統(tǒng)是飛機表面清洗機器人重要的工作部件之一，要求臂架系統(tǒng)具有較高的整體剛度和強度、良好的工作適應性和可靠性。同時利用SolidWorks軟件對機器人手臂最危險工況下的結構強度進行了有限元分析，確保了機器人結構設計的合理性。可以說這項研究為機器人開辟了一個新的應用領域。 3、

3、本文主要針對飛機表面清洗機器人臂架系統(tǒng)、回轉機構等進行了設計，同時運用軟件對飛機表面清洗機器人的結構進行了建模、運動仿真和結構分析。利用SOLIDWORKS進行飛機表面清洗機器人的臂架、轉塔、支腿的設計,建立了飛機表面清洗機器人的模型，并進行虛擬裝配及運動仿真。建立的幾何模型為后續(xù)分析提供模型數據。利用SOLIDWORKS建立的幾何模型數據進行有限元分析，經過簡化建立有限元模型，對部分重要結構進行了結構分析，提高了結構的強度及合理性。 4、論文對飛機表面清洗機器人運動學進行了研究。飛機表面清洗機器人屬于多冗余自由度空間機構，這就決定了手臂位姿具有不確定性。運動學設計是保證機器人在飛機表面進行

4、平穩(wěn)、有規(guī)律運動的關鍵技術。本文利用冗余度機器人運動學理論推導了飛機表面清洗機器人的運動學方程，計算了機器人運動方程的正解，推導了機器人的雅可比矩陣，對清洗機器人手臂進行了速度分析，為該機器人的工程應用提供了設計理論依據和基礎。 5、本文運用了現代設計方法。并行設計提高了整車一次設計成功的概率，縮短了從設計到整車試制成功的周期，可為企業(yè)贏得市場和利潤。 6、對全文進行了總結，并對今后的研究工作進行了展望。 關鍵詞 飛機表面清洗機器人 運動學 結構分析 59 Abstract Robotized engineering machines are important d

5、evelopment trends in the applying of robots．At present，with the appearance of many robotized engineering machines，they have brought remarkable economic and social benefits．This paper studies robotization of aircraft’s surface cleaning vehicles based on the idea of robotization of engineering machin

6、es，the aircraft’s surface cleaning robot as a special type of working robot will be widely used． This paper elabocates on some key technology of aircraft’s surface cleaning robot based on the technology of robot，computer simulation technology and more rigid body dynamics technology．The main content

7、s in this thesis include five aspects presented as follows： 1．We summarize the status and developing trends of robot technology and aircraft’s surface cleaning technology in this paper．For the first time we analyzed aircraft’s surface cleaning robots and its status of technology, it established a f

8、oundation for the study on aircraft’S surface cleaning robots． 2．We study and design a structure and scheme of aircraft’s surface cleaning robots，The technology of machine structure of a robot’s vehicle and arm，dynamic performance and stability of the robot have been studied．The aircraft’s surface

9、cleaning robot is one of construction facility in the airport. The arm system is one of the very important equipment in aircraft’s surface cleaning robot. It must have high strength and stiffness, good working adaptability and reliability. Using SOLIDWORKS，the system makes a finite element analysis

10、of the structure intensity on a robot’s arm in a very dangerous condition. It ensures the rationality of the structure’s design．This research develops a new application field． 3.This paper designed the arm system、turret、leg. It make the aircraft’s surface cleaning robot model by SOLIDWORKS and desi

11、gned the arm system, etc. The virtual assembly and movement simulation is successful and it served for the later design. The simplified date provided by SOLIDWORKS is used during the structure analysis. This can improve the important structure’s strength and rationality. 4．The kinematics of all air

12、craft’s surface cleaning robot has been studied in this paper．This type of robot is a redundant robot，so the posture of this robot’s arm is not certain. The kinematics design is a key technology for ensuring a robot’s motion with placidity and orderliness．We have conquered some disadvantages in gene

13、ral arithmetic to deduce equation of an aircraft’s surface cleaning robot with the theory of redundant robot，counted a robot’s motion equation and obtained positive solution．Jacobian matrix of a robot has been deduced in this paper，and it also analyzes the velocity of an aircraft’s surface cleaning

14、robot’s arm providing design theory and foundation for the robot’s engineering application． 5.This paper use the modern design method. Parallel designed can decrease the design period and enhance the design efficiency. It can help the company win the market and make profit. 6. This part will summa

15、rize all the contents and expects the next study work． Key words Aircraft’s surface cleaning robot，Kinematics，Structure analysis 第一章 緒論 第一章 緒論 1．1 課題背景 世界經濟的繁榮，促進了航空運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，飛機作為交通運輸的主要工具正發(fā)揮著越來越大的作用。飛機在日常使用中經常接觸到各種各樣的污染物，如飛行時空氣中的風沙、灰塵，海上飛行時空氣中的鹽霧、酸霧等，不僅影響飛機外觀整潔，而且會造成機身腐蝕。因此飛機表面清洗作業(yè)己成為飛機保

16、養(yǎng)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它不但使飛機表面清潔美觀、有效地緩解和減輕腐蝕，而且可以清除蒙皮表面粘著的污染物對氣動特性帶來的不良影響，同時能保證起落架收放機構、舵軸頸部位和活動翼結合部位機構的正常運動，對提高機上電子設備的感應靈敏度也有一定好處。 隨著城市現代化程度的提高，對飛機外觀質量和清潔度要求愈來愈高。國外民用飛機一般每隔l0日至15日必須定期清洗一次，我國軍用飛機推薦的清洗周期一般為較好地區(qū)90天、中等地區(qū)45天、惡劣地區(qū)15天、沿海地區(qū)7天。由于世界各國都在不斷裝備最新的客貨運輸飛機及軍用飛機，飛機數量不斷增加，這就使得飛機表面清洗成為一項繁重、耗時、耗資的工作。此外飛機表面的常規(guī)清洗

17、看起來好象頗為簡單，實際卻是一個很重要、很復雜、技術性很強的工作，不當的清洗方法會對飛機造成新的腐蝕隱患。 隨著科學技術的發(fā)展及社會的進步，飛機表面清洗的機械化、自動化問題越來越被人們所重視，飛機表面清洗設備已成為現代化機場不可或缺的機械設備。其原因是常規(guī)的手工刷洗方法不僅效率低，且難以滿足清洗質量要求。利用機械化飛機表面清洗設備不但可以節(jié)省勞動力，減輕工人勞動強度，提高清洗質量，而且節(jié)約了飛機地面停留時間，提高了經濟效益。正因如此，許多大中城市的飛機場開始陸續(xù)引進飛機表面清洗設備，對飛機表面清洗設備的需求呈現出不斷增長的趨勢。 雖然目前飛機表面清洗設備是機場中的重要配套設備，然而自動化、

18、智能化的飛機表面清洗設備一直沒有受到足夠的重視，這在很大范圍內制約了飛機表面清洗設備優(yōu)勢的發(fā)揮，使得飛機表面清洗工人的勞動強度和危險性仍然很大，清洗效率也滿足不了時代發(fā)展的要求。實現飛機表面清洗作業(yè)的自動化，用機器人來替代人工清洗操作，將會大大節(jié)約勞動力，降低工作人員的勞動強度，提高清洗效率，同時也降低飛機的非營運時間。所以開展機器人飛機表面清洗作業(yè)、提高飛機表面清洗作業(yè)的自動化水平，是目前急需解決的問題?；谶@種現狀，國外學者提出了飛機表面清洗設備機器人化的設想。其主體思想就是將機器人技術引入飛機表面清洗設備的自動控制中，使其具有機器人的功能，即在清洗飛機表面時，清洗設備能夠按照程序設定的軌

19、跡和位置自動完成飛機表面清洗工作。 目前德國、美國、日本等國家已開展了飛機表面清洗機器人的研究工作，并做了一些有益的嘗試，國外實踐表明，采用機器人清洗飛機表面一般可提高勞動生產率一倍以上，節(jié)約水資源50％以上，降低工程成本50％左右。目前國內對此項技術的研究尚處于空白狀態(tài)。近兒年來我國航空事業(yè)發(fā)展很快，國內幾大航空公司已經接近或達到發(fā)達國家的水平。伴隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，飛機表面清洗機器人在我國將會有很大的應用市場。 1．2 機器人技術發(fā)展歷程及冗余度機器人研究進展 1．2．1 機器人技術的發(fā)展歷程 機器人的誕生是人類20世紀最具代表性的科技之一，機器人的研究和應用對提高勞動生產率、

20、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)自動化水平和科技水平的一個重要標志。兩院院士宋健曾指出：“機器人學的進步和應用是本世紀自動控制最有說服力的成就，是當代晟高意義上的自動化”。 國外機器人發(fā)展歷程及趨勢 英語中的機器人(Robot)--詞來源于1921年捷克斯洛伐克的劇作家Karel Capel創(chuàng)作的一部科幻劇本R．u．R．(Rossum’s Universal Robots)。1947年美國原予能委員會的阿爾貢研究所開發(fā)了可代替人處理放射性物質的遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手；1954年美國Devol發(fā)表了“通用重復型機器人”的專利論文，首次提出“工業(yè)

21、機器人”的概念并申請了專利，該專利的技術關鍵是利用伺服技術控制機器人的關節(jié)，對機器人進行動作示教，機器人能完成動作的記錄和再現，這就是所謂的示教再現式機器人：1958年美國聯合控制公司研制出第一臺數控工業(yè)機器人原型；1959年美國Unimation公司推出第一臺工業(yè)機器人；作為機器人產品出售的最早的實用機型是1962年美國AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的Ummate機器人。 70年代機器人進入實用化時代。1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議，1973年辛辛那提米拉克隆公司研制了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人：1979年Unimation公司推出

22、了多CPU兩級微機控制的Puma系列工業(yè)機器人；同年日本山梨大學的牧野洋研制出的具有平面關節(jié)的SCARA型機器人在許多場合上得到了廣泛的應用。此期間，日本結合國情面向中小企業(yè)采取了一系列鼓勵使用機器人的措施，其機器人擁有量很快超過了美國，一舉成為“機器人王國”。 80年代工業(yè)機器人進入普及時代，90年代初期工業(yè)機器人的生產與需求進入了高潮期，隨后由于受到日本等國經濟危機的影響，機器人產業(yè)也一度跌入低谷。近些年來隨著世界經濟的復蘇，機器人產業(yè)又出現了一片生機。 21世紀，計算機技術和人工智能技術的迅速發(fā)展使機器人在功能和技術層次上有了很大提高。當代機器人技術的發(fā)展趨勢主要有兩個突出的特點：一

23、是機器人的應用領域在迅速地擴大，機器人的種類日趨增多；二是機器人的性能不斷地提高，并逐步向智能化方向發(fā)展。除了在制造業(yè)中應用的工業(yè)機器人之外，機器人應用已逐步進入較制造業(yè)更為廣闊的民用服務領域。各種機器人分別應用在軍事、航天、資源開發(fā)、排險救災、海洋開發(fā)、建筑、醫(yī)療、農林業(yè)、社會服務等方面。復雜的民用服務應用也對機器人的研究、設計和實現提出了更高的要求。應用于制造業(yè)的工業(yè)機器人和面向非制造業(yè)的智能機器人的研究、開發(fā)和應用，將成為2l世紀智能機器人的兩個重要發(fā)展方向。 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： ①工業(yè)機器人性能不斷提高； ②機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展； ③工業(yè)機器人控

24、制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展； ④機器人中的傳感器作用日益重要； ⑤智能機器人走出實驗室進入實用化階段； ⑥機器人化機械開始興起。 我國機器人的研究發(fā)展過程及發(fā)展戰(zhàn)略 由于我國對機器人的研究起步較晚，大約只有20多年的發(fā)展歷史。80年代中期，國家將工業(yè)機器入開發(fā)列入科技攻關計劃，建立了機器人示范工程；國家“863”計劃又把智能機器人的研究和開發(fā)列為發(fā)展主題之一，從而使我國機器人事業(yè)有了長足發(fā)展，縮短了與發(fā)達國家之間的差距。 在工業(yè)機器人方面，我國已具有獨立開發(fā)設計機器人和控制器的能力，義經歷“八五”攻關，逐步開展了機器人噴漆線、機器人點焊、弧焊機器人(如圖1—1所示)的

25、開發(fā)剌應用。 圖1-1焊接機器人 圖1-2類人機器人 圖1-3水下機器人 Fig 1-1 Welding robot Fig 1-2 Apery robot Fig 1-3 Under water robot 圖1-4裝配機器人 圖1-5自動堆垛機器人 圖1-6機器人化裝載機 Fig 1-4 Assembly robot Fig 1—5 Auto-pile robot Fig 1-6 Robotization loader 在智能機器人和特種機器人的研究和開發(fā)方面，國防科技大學研制成功的“先

26、行者”類人型機器人(如圖1-2所示)，實現了機器人技術的重大突破；中科院沈陽自動化所研制的6000米水下無纜機器人(如圖1．3所示)，該成果居世界領先水平；哈爾濱工業(yè)大學等單位在壁面清洗機器人、水下船體表面清刷機器人、裝配機器人(如圖1．4所示)、雙臂協調控制機器人、管道機器人等機種上開展了不少工作。 在機器人化機械開發(fā)應用方面，機器人技術已經成功地應用于多種工程機械的改造中，這在很大程度上提高了我國工程機械在國內、國際上的競爭力，大大刺激了其它工程機械的機器人化的研究。 中科院合肥智能所和臺肥義車廠研制的WD．10型自動多向高架無軌堆垛機器人(如圖1．5所示)、徐工集團和吉林工業(yè)

27、大學2001年開發(fā)的ZL50G型機器人化裝載機口””(如圖1-6所示)、1999年由國防科技大學和江麓-浩利機械有限公司聯合研制了W1102DZ型壓路機器人1261(如圖1，7所示)、自動攤鋪機(如圖l_8所示)性能均已達到了實用水平，其技術性能達到了90年代后期國際同類產品的先進水平。 圖1-7壓路機器人 圖1-8自動攤鋪機 Fig．1-7 Roadmilerrobot Fig l-8 Auto—spreading machine 另外，浙江大學、西南交大、中南工業(yè)大學開展了挖掘機器人的

28、研究工作，東北大學郭立新等對混凝土泵車布料機構機器人化進行了探討。在機群智能化工程機械研究上，徐州工程機械集團有限公司、三一重工股份公司和天津鼎盛工程機械有限公司三家承擔單位取得了階段性成果，于2002年12月通過了專家組組織的驗收。 但從整體上看，無論是單機智能化工程機械的種類，還是研究和開發(fā)的深度，與技術先進國家相比我國都還存在很大的差距，需要在原有成績的基礎上，結合國情，選擇工業(yè)基礎較好、共性技術較多和經濟效益顯著的工程機械產品進行信息化、智能化改造升級，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成可供實用的技術和產品，提高我國機械產品的國際競爭力，促進產業(yè)化的形成。 我國機器人技術的研究重點應放在以

29、實現技術跨越為目標的特種機器人研究、利用機器人技術對傳統(tǒng)機械產品進行改造、發(fā)展新一代智能機器與系統(tǒng)等方面。 1．2．2 冗余度機器人國內外的研究進展 從運動學的觀點來講，冗余度機器人是指完成某一特定任務時，機器人具有多余的自由度。多余的自由度可用來改善機器人的運動學及動力學性能，如增加靈活性、躲避障礙、回避奇異、優(yōu)化主運動任務下的關節(jié)速度、加速度、力矩、能量等輔助操作指標等。例如在工業(yè)焊接中，可以充分利用冗余度機器人的靈活性，實現對工作的多方位焊接，這樣可以減少甚至節(jié)省換位機的設計與制造費用。因此冗余度機器人在機器人向智能化發(fā)展的研究中占有重要地位。設計出對環(huán)境適應能力強，擁有更高自主性及

30、靈活性的機器人，就成了機器人發(fā)展的方向。多年來學者們在這一領域里進行了艱苦的研究工作，無論在理論研究發(fā)展上，還是在冗余度機器人的創(chuàng)新設計上都取得了豐碩的成果，為新領域新學科的開拓和發(fā)展提供了巨大的幫助。目前，國內外發(fā)表的關于冗余度機器人研究的文獻主要集中于機構學(機構設計及研究)、運動學(逆運動學求解、奇異回避、障礙回避、最優(yōu)運動性能等)等諸多領域。 冗余度機器人機構學研究進展 冗余度機器人因其本身幾何結構具有高度的靈活性，得到了廣泛研究，已成為機器人技術的一個重要發(fā)展方向。目前的研究己從一般的冗余度機器人操作手系統(tǒng)，擴展到多冗余度機器人系統(tǒng)以及超冗余度機器人，其機構學的研究也正成為機器人

31、研究的熱點。迄今為止，國內外已研制了多種冗余度機器人系統(tǒng)，一些產品已實現商品化。 國外在冗余度機器人操作機設計研究方面，日本MITI機械工程試驗室1974年就開發(fā)出了仿人形“MELARM”7-DOF雙臂機器人，東京大學1979年研制了“UJBO T”7-DOF機器人操作手；1987年，日本MITI機械工程實驗室又生產了一臺用于縫紉的仿人形7自由度機器人。美國Robotics Research公司1987年設計了用于空間研究的、由兩個7-DOF臂和一個3一DOF軀干組成17一DOF機器人系統(tǒng)；美國航空航天實驗室研制T30-DOF的超冗余度機器人。法國研制了一種新的冗余度機器人平行機構闈，并利用

32、此機構的冗余度克服了高速運動時的運動奇異。 在國內，哈爾濱工業(yè)大學、中科院沈陽自動化所、北京航空航天大學率先開展了冗余度機器人的研究工作。哈爾濱工業(yè)大學1986年開發(fā)了象鼻子柔性臂，1995年研制出組合式多齒輪柔性臂，1996年研制了用于115自行火炮彈丸自動裝填作業(yè)155HP—I、155HP-II型7-DOF擬人手臂機器人系統(tǒng)，1999年又研制了9-DOF焊接機器人，解決了普通機器人不能焊接長縫的問題；北京航空航天大學研制成功了1臺AA—RR型7-DOF機器人操作臂系統(tǒng)；中國科學院機器人開放實驗室正在研制多機器人協調操作系統(tǒng)，其中1臺機器人安裝在具有視覺的可移動小車上，構成了更為復雜的冗余

33、度機器人系統(tǒng)，最近又研制出一種超冗余度蛇型機器人；南開大學計算機系研制了機器人雙臂協調系統(tǒng)，其中一臂為PUMA 560機器人，另一臂為PUMA760機器人，構成了具有冗余度的雙臂協調系統(tǒng)；東南大學也正在研制1臺視覺伺服雙臂冗余度機器人系統(tǒng)；劃辛軍等人根據人體結構的形體特點，提出用球面三自由度并聯機構代替擬人七自由度冗余手臂的肩關節(jié)、腕關節(jié)。 冗余度機器人運動學研究進展 隨著計算機的發(fā)展，許多新技術應運而生，并且在理論上和實用技術上都得到了快速的發(fā)展。在機器人領域里也相繼出現了許多新的與計算機相關的數值求解法，用以替代以往手操作的圖解法和解析法，為機器人學的發(fā)展開拓了廣闊的前景。 由于冗余

34、度機器人的關節(jié)自由度數多于任務給定的位姿自由度數，冗余度機器人在究成給定工作任務過程中關節(jié)可以自由運動，即運動學逆解不確定，機器人運動學逆解釋機器人運動學的一個主要問題。如何在充分發(fā)揮多冗余度機器人靈活性的同時，確保冗余度機器人運動學逆解具有確定的解集，即在優(yōu)化性能指標的同時如何獲得穩(wěn)定的逆解，成為當前學者們研究的熱點。 1．3國內外飛機表面清洗技術發(fā)展概況 飛機表面清洗技術的發(fā)展可以分為三個階段。第一階段為手工操作階段，由工人進行清刷工作。第二階段為機械輔助人工操作階段，利用專用的清洗機械輔助人工完成大型飛機的清洗任務，工作效率有所提高。第三階段為自動化清洗作業(yè)階段，自動化機械為飛機表面

35、清洗工作提供了良好的條件和保障。 1．3．1手工操作飛機表面清洗技術 最早的飛機表面清洗是由工人手持單刷進行清洗作業(yè)的，如圖1-9所示。 圖1-9人工清洗飛機表面 Fig.1-9 Cleaning aircraft’s surface by men 清洗大型飛機時主要是借助于高空作業(yè)車（如圖1-10、圖1-11所示）等設備進行人工清洗，工人勞動強度大、效率低。清洗一架大型飛機，一個20人的清洗班組要耗時5h，人均揮刷近10000次以上。另外，由于飛機地面停留時間長，經濟效益有所降低。 圖1-10高空作業(yè)車 Fig 1-10 Vehi

36、cle working in high altitude 圖1-11 高空作業(yè)平臺 1．3．2機械化飛機表面清洗技術 隨著大型飛機的出現以及飛機數量迅速增加，純粹手工清洗操作已經滿足不了時代對飛機清洗的高效率、高質量的要求，從而出現了專門用于飛機表面清洗的專用飛機表面清洗車。目前各飛機場站應用的飛機表面清洗車，如圖1-10、1-11所示，多數為利用升降平臺或舉高車改裝而成。清洗時靠升降平臺或舉高車承載清潔工首先利用噴槍噴洗滌劑，然后用高壓水槍沖洗，沖不掉的地方或飛機的關鍵部位用刷子擦去塵土及污物。清洗作業(yè)基本還屬于手工作業(yè)，方法雖簡便易行，但勞動強度大，并且清洗時存在著很大的危險

37、隱患。首先，站在升降平臺或舉高車上的清潔工在高處作業(yè)具有一定危險性，另外飛機每一塊蒙皮對水壓的要求都不同，水槍噴射出的高壓水，容易導致飛機電子儀器設備損壞。可見，常規(guī)清洗不僅效率低，且難以滿足清洗質量，對飛機設備的安全性能也帶來了一定的危害。 隨著飛機數最的增加，清洗作業(yè)也不斷增加，為了減少勞動力、削減經費，開發(fā)全自動飛機表面清洗車顯得越來越重要了。90年代初人們開始尋求自動化和機器人技術在飛機表面清洗這一行業(yè)上的應用，并取得了很大的進步，日本、美國，德國在90年代后期相繼開發(fā)出了飛機表面清洗機器人。 1．3．3機器人飛機表面清洗技術 (1)龍門式飛規(guī)表面清洗機器人[1-3] 日本成田

38、的新東京國際航空機場裝備了計算機控制的龍門式飛機表面清洗機器人，如圖1-12（a）所示。此機器人裝置是由日本航空和川崎重工共同利用10年時間．總耗資20億日元開發(fā)出來的。該裝置寬90米，高26．2米，長100米，鐵架結構。裝置在對應于飛機頭部、機身前部、機身下部、機身后部、主翼、水平尾翼、垂直尾翼等位置處共安裝了16臺機器人，每臺機器人手臂上安裝了清洗刷，并在各個刷子的前端和清洗機器人各處安裝了噴射水和清洗液的噴嘴。 清洗時飛機由牽引車拉入裝置內，然后利用儀器將測得的飛機準確位置傳給計算機，同時利用此數據微調清洗裝置的方位開始按一定順序自動清洗機體，如圖l-12(b)、1-12(c)、1．1

39、2(d)所示。機器人手臂達不到的地方或用機器人不易清洗的地方再由人工利用長刷進行清洗。利用該自動清洗機器人清洗一架巨型客機足需5名機務人員約100分鐘就能完成。 (a) (b) (c) (d) (a)龍門式飛機表面清洗機器人全貌； (b)清洗機器人正在清洗飛機頭部； (c)清洗機器人正在清洗飛機機身部位； (d)清洗機器人正在清洗飛機機翼部位 圖1-12龍門式飛機表面清洗機器人 Fig1-12The type of Long Men aircraft’s surface cleani

40、ng robot (2)長臂式移動清洗機器人[4-12] 圖1-13長臀式飛機表面清洗機器人 Fig．I-13The type of long arm aircraft’s surface cleaning robot 德國漢薩航空公司委托普茨邁斯特公司經過近5年的開發(fā)，研制出了長臂式飛機表面清洗機器人，如圖1-13所示。目前已在德國法蘭克福機場上崗 工作。該清洗機器人的主要組成部分有機械系統(tǒng)、計算機、組合傳感器、機器人控制器及液壓系統(tǒng)，其核心部件是AEG公司的IRC250機器人控制器和道尼爾公司的激光器。 首先利用微機對航空公司的整個機隊的飛機外形進行編程，并將飛機的機型數據

41、輸入計算機。工作時，機器人位于飛機的兩側，利用專用激光攝像機確定出機器人的精確工作位置，利用傳感器得到飛機的三維輪廓，并將此信息送往計算機進行處理。計算機將機器人當前的位置與所存儲的飛機的數 據模型進行比較．并由當前的位置計算出機器人的坐標。機器人開始清洗時，由裝在車后部的AEG的IRC250機器人控制器控制清洗滾刷，按照預定程序沿著飛機表面做清洗運動。 清洗機器人的機械操作臂有9個自由度，它的機械臂向上可伸33米高，向外可伸27米遠，且清洗機器人可以走近飛機，所以它可以清洗任何類型的飛機。由于機器人的臂很長，它能覆蓋所有類型飛機表面的85％．只有機身下面等少數機器入達不到的部位或用機器人

42、清洗不經濟的部位需要用手工補擦。為了提高效率，手工擦洗可與機器人擦洗同時進行。通過使用機器人不僅減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率，而且可以節(jié)省一半以上的水資源。例如，人工清洗一架波音747飛機需要100個工時，飛機在地面須停留10h，而機器人清洗僅需12個工時，飛機在地面停留2～3h。這樣大大縮短了飛機的地面停留時間，增加了飛行營運時間，提高了經濟效益。 1．4我國飛機清洗技術的發(fā)展方向 目前我國飛機表面清洗技術，基本處于手工清洗操作階段和利用專用的清洗機械輔助人工完成清洗工作階段，在智能化清洗技術方面還處于空白階段。根據我們對國內各民用、軍用機場的調查表明，各機場都存在飛機品種繁多的

43、特點，長臂式飛機表面清洗機器人是我國飛機表面清洗車的發(fā)展方向。同時，我國在壁面清洗機器人、船體表面清洗機器人研究方面以及高空作業(yè)長臂類機器人化機械研究方面取得的進展，為我國飛機表面清洗機器人化研究提供了有益的經驗。 (1)我國清洗機器人研究概況 圖1-14壁面清洗機器人 圖1-15擦窗機器人 Fig 1-14 Wall-cleaning robot Fig 1—15 Window—cleaning robot 目前，我國清洗機器人研究主要集中在用于建筑物的外墻壁、玻璃幕墻清洗的爬壁機器人，如圖1-14、1-15所示。哈爾濱

44、工業(yè)大學[13]、上海大學[14-15]、上海交通大學[16]、北京航空航天大學[17-18]等單位在這方面的研究較多，并有產品研制成功。此類機器人起源于20世紀70年代的日本[19-20]，機器人主要依靠吸附力吸附在工作面上并移動。機器人按吸附功能分真空吸附、磁吸附和推力吸附三類。真空吸附機器人是通過真空泵裝置，使吸盤內腔產生負壓或由噴射器經噴嘴將壓縮空氣噴出，使周圍形成真空，使機器人吸附在壁面上。它不受壁面材料的限制，但當壁面凹凸不平時。吸盤容易漏氣，降低了吸附力和承載力，它產生的吸附力遠小于磁吸附。磁吸附要求壁面必須是導磁材料，對壁面的凹凸適應性強，不存在漏氣問題且結構簡單。推力吸附是依

45、靠螺旋槳或涵道風扇產生合適的推力，使機器人穩(wěn)定可靠地吸附在壁面上。 (2)我國長臂類機器人化機械研究概況 所謂機器人化機器是指在傳統(tǒng)機械中引入機器人技術，使其具有機器人的功能。這一概念最早是由蔣新松院士提出來的。機器人化工程機械是工程機械的發(fā)展方向，工程機械的機器人化研究，不僅方便了工程機械作業(yè)裝置的設計、分析、校核，而且也將成熟的機器人技術應用到工程機械中，對實現工程機械的自動化、提升工程機械技術水平和產品檔次以及對擴展機器人應用領域無疑也具有十分重要的意義[21-22]。 國外在工程機械機器人化方面開展了大量的研究和開發(fā)工作。如瀝青路面鋪設全自動施工系統(tǒng)、地下共同溝全自動施工系統(tǒng)、機

46、器人化建筑機械等已成為當今國際自動化技術發(fā)展的一個重要方向。1994年日本在清除長崎火山爆發(fā)區(qū)火山土石流采取了無人化施工，施工所用的機械(挖掘機、推土機、裝載機和自卸汽車等)都是在幾千米外安全地帶操縱的。歐洲由產、學、研組成的聯合研究團體在政府資助下，在深入開展單體智能化技術研究的基礎上，開始了機群智能化技術研究和開發(fā)，標志著工程機械智能化的研究又向前邁出了一大步。 我國在工程機械智能化方面的研究還處于起步階段。國家863計劃先進制造與自動化技術領域專家委員會，關于機器人技術主題重點支持了工程機械機群智能化和單機智能化。對個別機種的機器人化機器的研究已經初步得到實際應用，這些成果極大地提高了

47、我國工程機械在國內的競爭力，有的甚至已經走向了國際市場，下面僅就長臂類機器人化機械研究作以簡單介紹。 ●噴漿機器人[23-29] 噴漿支護是現代建設施工中廣泛采用的支護方法，施工中也存在一些待解決的問題，如人工噴漿時回彈造成的飛沙走石使工人不敢抬頭睜眼，致使無法保持噴槍與受噴面的垂直度和最佳距離。這樣不僅浪費材料，而且混凝土結構疏密不一，不能保證噴層的質量。另外對大斷面隧道，人工噴漿需要搭腳手架，影響施工進度．且費工費料。 圖1-16 大型噴漿機器人 圖

48、1-17 小型噴漿機器人 Fig 1-16 Large concrete spray robot Fig 1-17 Small-sized concrete spray robot 國外從60年代開始采用機械手噴漿，山東科技大學機器人研究中心從1994年開始著手噴漿機器人的研制。2000年初第一臺大型噴漿機器人已完成，并在濟南高速公路的隧道施工、西安至合肥的鐵路隧道施工中開始投入使用，機器人運轉正常。該系列噴射混凝土機器人（如圖1-16、1-17所示）在同類產品中居國際領先水平。 ●隧道鑿巖機器人[30-34] 圖1-18 隧道鑿

49、巖機器人 Fig 1—18 Tunnel rock drill robot 早期的液壓鑿巖設備全由人工操作，操作人員熟練程度的差異往往會導致嚴重的“超挖”或“欠挖”，對工程的成本和工期都會產生不利影響。為了提高隧道開挖水平，世界上幾乎所有的發(fā)達國家都推出了隧道鑿巖機器人。中南工業(yè)大學于1998年開始了隧道鑿巖機器人工程樣機的開發(fā)，現已完成樣機研制，如圖9所示。該機器人是雙臂型機器人，只要操作者在電腦上輸入工作界面面積和炮眼數目，機器人便自動設計鉆孔的疏密布局，并可以在任何堅硬的巖石上打出所需要的炮眼。 ●伐根清理機器人[35-36] 伐根清理

50、是高效地利用伐區(qū)剩余物和伐區(qū)林地更新造林的關鍵。為了解決伐根清理中存在著勞動強度大、作業(yè)安全性差、作業(yè)效率低等問題，東北林業(yè)大學研制了一種智能型伐根清理機器人，如圖10所示。該機器人主要由行走機構、機械手、液壓驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。其中機械手安裝在具有行走功能的回轉平臺上，由回轉盤、大臂、小臂和旋切提拔裝置組成。為 圖1-19 伐根清理機器人 Fig．1—19 Eliminating roots robot 能實現在各種不同坡度、地形進行清理伐根，機械手具有六個自由度。旋切提拔裝置由萬能切刀、提拔筒、四爪抓取機構等組成，在液壓

51、系統(tǒng)的驅動下可以實現各種俯仰、旋轉、抓取動作。該機器人可在駕駛室內利用攝像鏡頭和顯示器組成的實時監(jiān)控系統(tǒng)對作業(yè)目標進行搜索，操作人員在機器人駕駛室內即可進行伐根清理作業(yè)。使用智能型伐根機器人促進人工更新造林、保護生態(tài)環(huán)境具有現實意義和廣闊的應用前景。 ●林木球果采集機器人[37-38] 圖1-20 林木球果采集機器人 Fig 1-20Forest cone collecting robot 目前國內外研制了多種球果采集機，如升降機、樹干振動機等，由于這些機械本身都存在著這樣或那樣韻缺點，所以沒有被廣泛應用。目前在林區(qū)仍靠人工上樹手持專用工具來采摘林木球果，這樣不僅工人勞動強度大，

52、作業(yè)安全性差，生產率低，而且對母樹損壞較多。為了解決這個問題，東北林業(yè)大學研制出了林木球果采集機器人，如圖11所示。該機器人由機械手、行走機構、液壓驅動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。其中機械手由回轉盤、立柱、大臂、小臂和采集爪組成，整個機械手共有5個自由度。在采集林木球果時，將機器人停放在距母樹3—5 m處，操縱機械手回轉馬達使機械手對準其中一棵母樹，然后單片機系統(tǒng)控制機械手大、小臂同時柔性升起達到一定高度，采集爪張開并擺動，對準要采集的樹枝，大小臂同時運動，使采集爪沿著樹枝生長方向趨近1-2m，然后采集爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重復上

53、述動作；連捋數枝后，將球果倒入拖拉機后部的集果箱中。采集完一棵樹，再轉動機械手對準下一棵：試驗表明，這種球果采集機器人采集落葉松果是人工上樹采摘的30-35倍。另外，更換不同齒距的梳齒則可用于各種林木球果的采集。這種機器人采摘林木球果時，對母樹破壞較小，采凈率高，對森林生態(tài)環(huán)境的保護及林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等方面都有重要的意義。 ●消防機器人[39-40] 圖1-21 消防機器人 Fig．1-21 Fire robot 公安部上海消防研究所、上海交通大學、上海市消防局經過3年的研究，聯合研制出我國第一臺消防機器人（如圖1-21所示），己通過國家“863”專家組驗收。該機器人可以行走、爬

54、坡、跨障、噴射滅火，可以進行火場偵察。此次消防機器人的研制成功為我國消防部隊裝備自動化和智能化開辟了一個新途徑。 1．5本文研究的主要內容 從目前能夠檢索到的文獻中可以看出，關于飛機表面清洗機器人方面研究的報導還很少。一是目前國外對此方面的研究也處于起步階段，涉及到知識產權、技術封鎖等問題；二是由于研究的條件和環(huán)境所限，從事這項研究的群體還較??；三是這種超冗余機器人運動學的求解及控制比較復雜，技術實現存在一定困難。 本論文以一種能夠清洗大部分機型的飛機表面清洗機器人為研究對象，采用現代汽車理論、機器人技術、計算機仿真技術、多剛體動力學理論，對飛機表面清洗機器人將進行以下幾個方面研究工作：

55、 1、論文系統(tǒng)綜述了國內外機器人技術、飛機表面清洗技術的研究狀況利發(fā)展趨勢，在國內首次對機器人化飛機表面清洗車及其相關技術的研究現狀和主要研究問題進行了深入分析，為飛機表面清洗機器人的進一步研究奠定了堅實的基礎。 2、論文對飛機表面清洗機器人本體結構方案進行了研究和設計。主要對機器人載車、手臂機械結構、整機動力性能及穩(wěn)定性等關鍵技術進行了系統(tǒng)的研究。飛機表面清洗機器人是飛機場重要的設備。而臂架系統(tǒng)是飛機表面清洗機器人重要的工作部件之一，要求臂架系統(tǒng)具有較高的整體剛度和強度、良好的工作適應性和可靠性。同時利用SolidWorks軟件對機器人手臂最危險工況下的結構強度進行了有限元分析，確保了機

56、器人結構設計的合理性。可以說這項研究為機器人開辟了一個新的應用領域。 3、本文主要針對飛機表面清洗機器人臂架系統(tǒng)、回轉機構等進行了設計，同時運用軟件對飛機表面清洗機器人的結構進行了建模、運動仿真和結構分析。利用SOLIDWORKS進行飛機表面清洗機器人的臂架、轉塔、支腿的設計,建立了飛機表面清洗機器人的模型，并進行虛擬裝配及運動仿真。建立的幾何模型為后續(xù)分析提供模型數據。利用SOLIDWORKS建立的幾何模型數據進行有限元分析，經過簡化建立有限元模型，對部分重要結構進行了結構分析，提高了結構的強度及合理性。 4、論文對飛機表面清洗機器人運動學進行了研究。飛機表面清洗機器人屬于多冗余自由度空

57、間機構，這就決定了手臂位姿具有不確定性。運動學設計是保證機器人在飛機表面進行平穩(wěn)、有規(guī)律運動的關鍵技術。本文利用冗余度機器人運動學理論推導了飛機表面清洗機器人的運動學方程，計算了機器人運動方程的正解，推導了機器人的雅可比矩陣，對清洗機器人手臂進行了速度分析，為該機器人的工程應用提供了設計理論依據和基礎。 5、本文運用了現代設計方法。并行設計提高了整車一次設計成功的概率，縮短了從設計到整車試制成功的周期，可為企業(yè)贏得市場和利潤。 6、對全文進行了總結，并對今后的研究工作進行了展望。 第二章 飛機表面清洗機器人結構設計與分析 第二章 飛機表面清洗機器人總體結構設計 2．1引言 飛機

58、表面清洗機器人的主要任務是清除飛機表面所附著的污染物。機器人的工作面是飛機外表面，考慮到不同飛機表面曲率變化的差別，本章設計了以汽車底盤為載車、機器手作為執(zhí)行機構的移動式飛機表面清洗機器人。在簡單介紹了飛機表面清洗機器人的結構和工作原理的基礎上，進一步對機器人總體結構、動力性能、穩(wěn)定性進行了研究。進而對機器人手臂進行了結構設計及強度的有限元分析，并設計了機器人手臂的液壓驅動系統(tǒng)，為以后深入地研究機器人的運動學、軌跡規(guī)劃及控制打下基礎。 2．2飛機表面清洗機器人結構組成及工作原理 飛機表面清洗機器人由運輸平臺和安裝在其上的機器手組成，結構如圖2-1所示。運輸平臺選用標準汽車底盤，可以自主驅動

59、：機器手由機器人手臂、液壓系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等組成；機器人手臂由回轉工作臺、第一臂架、第二臂架、第三臂架、第四臂架、第五臂架、清洗滾刷組成，第五臂架前后兩部分由腕關節(jié)聯結。 圖2-l飛機表面清洗機器人結構示意圖 Fig．2-1 The structure of a aircraft’s surface cleaning robot 該機器人共有13個自由度，包括1個整機移動自由度、9個計算機程序控制的關節(jié)回轉自由度、2個由接觸傳感器控制的滾刷位姿誤差自適應調節(jié)自由度、1個滾刷回轉的局部自由度。機器人的驅動系統(tǒng)采用了具有輸出功率大、精度高及響應速度快的液壓伺服驅動方式，控制系統(tǒng)采用計

60、算機集中控制方式。工作時，計算機按照預先編好的程序，控制液壓系統(tǒng)驅動整個機器人可由回轉工作臺帶動機器人繞底座回轉，各手臂可以繞各自關節(jié)轉動，使機器人手臂帶動滾刷沿預定軌跡運動，實現清洗刷的移動和滾動。機器人擁有的冗余自由度，保證了機器人末端的清洗滾刷能到達機器人工作區(qū)間的任意點，并能夠自主、靈活的完成各種復雜軌跡的運動，實現了對不同類型飛機表面的自動清洗工作。 2.3 飛機表面清洗機器人臂架系統(tǒng)設計 2.3.1 臂架折疊方式 圖2.2 臂架折疊型式 臂架系統(tǒng)主要由多節(jié)臂架、連桿、油缸、連接件鉸接而成的可折疊和展開的平面四連桿機構組成，根據各節(jié)臂架間轉動方向和順序的不同，臂架有多種折

61、疊型式，如：R型、Z型（或M型）、綜合型等。各種折疊方式都有其獨到之處。R型結構緊湊；Z型臂架在打開和折疊時動作迅速；綜合型則兼有前兩者的優(yōu)點。具體的結構型式如圖2.2所示。 本設計采用的折疊方式如圖2.3所示，為Z型，臂架在打開和折疊動作迅速。 圖2.3 Z型臂架折疊 2.3.2臂架結構特點 臂架可簡化為一個細長的懸臂梁，其主要載荷為自重。它要求臂架強度大、剛性好、重量輕、因此，臂架的結構一般設計成四塊鋼板圍焊而成的箱型梁，材料選用高強度細晶粒合金結構鋼。具體型式如圖2.4所示。 圖2.4 臂架的典型型式 2.3.3連桿的結構 連桿一般為直桿或弓形的二力桿，也有三角

62、結構的連桿，如圖2.5所示。 圖2.5 連桿的幾種典型形式 2.3.4臂架油缸結構型式 各節(jié)臂之間用液壓油缸支撐，油缸為臂架運動提供動力，它有壓力有推動活塞前后運動，從而驅動平面四連桿機構中的臂架繞鉸接軸轉動。缸體的進油口應設有液壓鎖，以防治液壓軟破裂時發(fā)生臂架墜落事故。具體結構如圖2.6所示。 1—端蓋；2—閥安裝板；3—缸筒；4—支撐環(huán)；5—密封圈； 6—活塞；7—活塞桿；8—端蓋； 9—壓板；10—耳環(huán) 圖2.6 油缸的結構簡圖 2.4泵車轉塔結構 轉塔主要由轉臺、回轉機構、固定轉塔（連接架）和支撐結構等幾部分組成。轉塔安裝在汽車底盤中部，行駛時其載荷壓在汽車

63、底盤上；而工作時，底盤輪胎離開地面，底盤掛在轉塔上。整個飛機表面清洗機器人（包括底盤、臂架系統(tǒng)和轉塔自身）的載荷由轉塔的四條支腿傳給地面。臂架系統(tǒng)安裝在轉塔上，轉塔為臂架提高一個穩(wěn)固的底座，整個臂架可以在這個底座上旋轉，每節(jié)臂架還能繞各自的軸旋轉，轉塔的四個支腿直接支承在地面上。 2.4.1轉臺結構 轉臺是由高強度鋼板焊接而成的結構件，作為臂架的基座，它上部用臂架連接套與臂架鉸接，下部用高強度螺栓與回轉支承相連，主要承受臂架載荷，同時可隨臂架一起在水平面內旋轉。結構如圖2.7所示。 圖2.7 轉塔結構簡圖 2.4.2回轉機構 圖2.8 回轉機構結構簡圖 回轉機構集支承

64、、旋轉和連接功能于一體，它由高強度螺栓、回轉支承、回轉減速機、主動齒輪和過渡齒輪（按強度取舍）組成。結構如圖2.8所示。 回轉減速機帶動主動齒輪，經過渡齒輪驅動回轉支承外圈，實現回轉支承內外圈之間的慢速旋轉?；剞D支承的外圈與上部轉臺、內圈與下部固定轉塔用高強度螺栓相連，內外圈之間由交叉滾子（或鋼球）連接。因此，它上部連接的臂架、轉臺與固定轉塔之間即可實現低速旋轉，而臂架、轉臺的工作載荷通過回轉支承傳給固定轉塔。 2.4.3 固定轉塔結構 固定轉塔是由高強度鋼板焊接而成的箱型受力結構件，是臂架、轉臺、回轉機構的底座?；炷帘密囆旭倳r主要承受上部的重力，而混凝土泵車泵送時主要承受整車的重力和

65、臂架的傾翻力矩。同時高強度鋼板圍焊的空間，又可做液壓油箱或水箱。因此，它既要有足夠的強度和剛性，又要有良好的密封性。如圖2.9所示。 圖2.9 固定轉塔結構簡圖 2.4.4支承結構 支承結構的作用是將整車穩(wěn)定地支承在地面上，直接承受整車的負載力矩和重量。 圖2.10為經常使用的后擺伸縮型支腿的支撐結構，由四條支腿，多個油缸組成。其中四條支腿、前后支腿展開油缸、前支腿伸縮油缸和支撐油缸構成大型框架，將臂架的傾翻力矩，臂架系統(tǒng)的反作用力和整車的自重安全的由支腿傳入地面。支腿收攏時與底盤同寬，展開支撐時能保證足夠的支撐跨距。工作狀態(tài)下，飛機表面清洗機器人在工地上的占地空間和整車的支撐穩(wěn)

66、定性由負載力矩、結構重量、支撐寬度、結構力學性能、支撐地面狀況等因素決定。因此，它應具有合理的結構形式、足夠的力學性能和有效的支撐范圍，保證其承載能力和整車的抗傾翻能力，確保泵車工作時的安全穩(wěn)定性。同時，應將支腿支撐在有足夠剛度的或用其它材料按一定要求墊好的地面上，且整車各個方向傾斜度不超過，為此，在混凝土泵車左右兩側各裝有一個水平儀來辨別傾斜度。 圖2.10 支撐結構簡圖 第三章 臂架系統(tǒng)詳細設計 第三章 臂架系統(tǒng)詳細設計 3.1臂架箱型結構分析 為減輕臂架重量，提高臂架強度，剛度和穩(wěn)定性是改善臂架性能的主要途徑。可采用高強度材料，合理選擇截面形狀，使臂架自重減小，充分利用材料，正確的設計計算方法往往帶來事半功倍的效果。臂架有多種截面形式，如圖3.1所示，其中矩形截面是由翼緣板和和腹板焊接而成的[10]。于其它截面相比，矩形截面的制造工藝簡單，具有較好的抗彎能力和抗扭強度。圖（a）的截面型式較好，整個臂架應力流暢，無明顯力流阻滯和應力集中，而且重量較輕。 圖3.1 臂架箱型結構 3.2臂架鋼板及焊接性能 3.2.1鋼板性能 泵車臂架鋼板采用瑞