【正文】 由 三 種形式 :垂直向上爬行、垂直向下爬行、水平左右移動。此時電動缸活塞桿受拉力，拉力為 : F=(本體質(zhì)量 /2) X 9. 8N/kg=98N ②垂直向下爬行時 當(dāng)自攀爬機(jī)器人垂直向下爬行時，電動缸有兩種受力情況。向下爬行時電動缸活塞桿所受拉力比較大，最大拉力也為 245N。此時不妨可以認(rèn)為電動缸活塞桿不受拉力或者壓力。該電動缸最大驅(qū)動力為 350N,穩(wěn)定驅(qū)動力為 280N，符合設(shè)計要求。 19 伺服電機(jī)選用 FESTO 公司生產(chǎn)的 MTRD CI 伺服電機(jī)，該種伺服電機(jī)是與控制裝置一體化的電機(jī)。而且可以通過顯示控制面板容易的控制伺服電機(jī)。根據(jù)前面的分析，以前的壁面機(jī)器人研究基本上沒有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，多采用“ 于 ”字交叉式結(jié)構(gòu)，通過兩個氣缸的交替運(yùn)動，來實現(xiàn)機(jī)器人的上下運(yùn)動和左右運(yùn)動，不采用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。通過步進(jìn)電機(jī)提供動力，驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，通過蝸輪減速，使上下框架做相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實現(xiàn)自攀爬機(jī)器人 3600 自由旋轉(zhuǎn)。不足之處就是傳動效率低，但是對 于 本設(shè)計，該傳動方式效率可以滿足要求。如圖 所示，為蝸桿螺旋面上的受力情況，蝸桿沿圖示的方向旋轉(zhuǎn)。 在確定各力方向時，蝸桿所受的軸向力的方向比較重要。至 于 蝸桿所受圓周力 Ft1 的方向，總是與它的轉(zhuǎn)向相反的 。 d d2 — 分別為蝸桿及蝸輪的分度圓直徑。該公司配套的驅(qū)動電源型號 :MS3H057M，電機(jī)控制器型號 :ENC1S。安全機(jī)構(gòu)采用鋼索把 機(jī)器人吊掛在樓頂移動小車上，自攀爬機(jī)器人的吊掛點(diǎn)位 于自攀爬機(jī)器人的上部。同時為了能在自攀爬機(jī)器人在進(jìn)行左右運(yùn)動時，能分擔(dān)自身重量，在設(shè)計時選用了導(dǎo)軌、滑塊和支座組件保證自攀爬機(jī)器人運(yùn)動的方向。 本章小結(jié) 本章首先前面對自攀爬機(jī)器人發(fā)展 現(xiàn)狀和研究情況做了對比和分析。根據(jù)總體設(shè)訓(xùn)一方案要求選擇了標(biāo)準(zhǔn)的氣動 元 件和步進(jìn)電機(jī)等。氣動系統(tǒng)是自攀爬機(jī)器人的核心和動力源，真空吸附的氣動原理圖設(shè)計與自攀爬機(jī)器人吸附的安全性和靈活性直接相關(guān)。推力吸附會產(chǎn)生很大噪音，而且會給機(jī)器 人本身增加重量，考慮到本設(shè)計采用氣缸作為腿部動作部件，有氣源裝置，所以該結(jié)構(gòu)采用真空吸附方式，既減輕了重量，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，又能充分利用現(xiàn)有資源。真空發(fā)生器工作原理圖和實物圖如圖 、圖 所示，它由工作噴嘴、接收室、混合室 和擴(kuò)散室組成。接收室的流體便被吸進(jìn)來，與主射流混合后，經(jīng)接收室另一端流出。但是由 于 單個吸盤吸附穩(wěn)定性和抗傾覆能力差，在凸凹不平的壁面作業(yè)，很難滿足自攀爬機(jī)器人的作業(yè)要求。 吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計 吸附機(jī)構(gòu)基本組成原理圖如圖 所示，吸附機(jī)構(gòu)由安裝在吸盤安裝板上的真空吸盤組、真空安全閥、壓力開關(guān)、真空發(fā)生器等真空 元 件組成。環(huán)形吸盤組各個 方向的特性近似相等，矩形吸盤組兩個正交方向的抗傾覆性能相差較大，三角吸盤組兩個相反方向的抗傾覆能力相差很大，適合 于 一邊受壓一邊受拉的場合，自攀爬機(jī)器人根據(jù)自身的三角結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際作業(yè)的情況，選擇的是三角布置形式。對自攀爬機(jī)器人進(jìn)行分析可知，當(dāng)機(jī)器人垂直向上運(yùn)動時，下框架吸附，上框架脫離吸附，且下框架吸盤組一個在上邊，兩個在下邊時吸附力可靠性最差。 Ni—— 工作表面對第 i 個吸 盤 組的法向力 。 fi—— 第 i 個吸盤組所受到的摩擦力 。 根據(jù)摩擦力的特性，最大靜摩擦力一般要大 于 滑動摩擦力，為了避免機(jī)器人從工作壁面上滑落，所以只要重力小 于 滑動摩擦力，即只須滿足 : Gf=??31μi Ni () 式中 181。這就需要檢測裝置去判斷吸盤是否已經(jīng)牢固的吸附在壁面上，從而判斷機(jī)器人是否能進(jìn)行下一步動作。以前的經(jīng)驗做法就是在每個吸盤上安裝一個真空安全閥，真空安全閥的作用就是當(dāng)一個吸盤沒有建立真空時，不會 影響到其他吸盤真空的建立。如果壓力開關(guān)檢測到吸盤組建立真空，即判斷吸盤組吸附是可靠的，發(fā)出信號使自攀爬機(jī)器人進(jìn)行下一步動作，將會出現(xiàn)安全問題。如圖 所示，用兩個氣動邏輯 元 件“與門”組合判斷吸盤組中至少有一個建立真空，機(jī)器人才會進(jìn)行下一步動作。如果吸盤 a 沒有建立真空為 0，吸盤 b,c 建立了真空為 1，則 A 為 0，則 B 為 0，則說明吸掀組的吸附是可 32 靠的。 33 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)自攀爬機(jī)器人總體設(shè)計，設(shè)計了氣動原理圖，如圖 所示。六個氣缸 三 個一組，分別用電磁閥控制。真空發(fā)生器 7 是使真空吸盤產(chǎn)生真空，前面已經(jīng)詳細(xì)敘述 。 34 真空吸盤的選取 吸盤的選取要滿足吸附力的要求，使自攀爬機(jī)器人不致傾翻和滑落。 根據(jù)總體設(shè)計方案和對吸盤的要求分析，我們選取 FC75P 吸盤在真空度為60KPa 時，單個吸盤與壁面的最小摩擦力為 225N，則每個吸盤組與墻面的最小摩擦力為 675N， 三 個吸盤組與墻面的最小摩擦力為 2125N,取安全系數(shù)為 4，則吸盤組的摩擦力遠(yuǎn)大 于 機(jī)器人及負(fù)載的重量。故我們選的 FC75P 吸盤能保證自攀爬機(jī)器人不會傾翻。 35 本章小結(jié) 本章首先對有限 元 分析軟件 ANSYS 進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，介紹了 ANSYS 有限 元 分析軟件的基本特點(diǎn)和分析的基本過程和基本步驟。它綜合了機(jī)器人學(xué)、自動控制、運(yùn)動學(xué)、機(jī)械、軟件編程和硬件設(shè)計等多學(xué)科領(lǐng)域的知識，它的研制成功，有助 于 推動壁面的清洗、探傷、管道敷設(shè)、油漆等極限作業(yè)的自動化，減少人力勞動，提高工作效率，降低勞動成本，有較高的推廣應(yīng)用價值。能根據(jù)攀爬的環(huán)境，進(jìn)行自主判斷障礙并能自主避障。 ③在自制件的設(shè)計中充分考慮了強(qiáng)度和減輕重量的要求，對設(shè)計中的自制件進(jìn)行了受力分析，并用有限 元 分析軟件 ANSYS 進(jìn)行了應(yīng)力分析和形變，分析結(jié)果顯示所有自制件均能滿足要求。 主要工作和結(jié)論 : ①提出了一種全新的 三 角框架式、真空吸附的自攀爬機(jī)器人搭載平臺，建立了機(jī)器人的 三 維模型，進(jìn)行了動畫仿真，通過仿真可以看出機(jī)器人不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且行動靈活、控制方便、能夠跨越一定高度的障礙。并根據(jù)設(shè)計加工出了原理樣機(jī)一臺。然后根據(jù)設(shè)計和分析結(jié)果，繪制出了工程加工圖紙，并制造加工了各個自制件，進(jìn)行了樣機(jī)的安裝。對吸盤的吸附特性和吸附原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明，同時對 機(jī)器人吸盤吸附的安全性進(jìn)行了分析，并根據(jù)設(shè)計選擇的真空吸盤。 我們設(shè)計的自攀爬機(jī)器人重心距墻面的距離 L2 為 410mm，上框架上面一個吸盤組據(jù)下面兩個吸盤連線的垂直距離 Ll = 523mm 為 523mm。我們?nèi)=10N/kg，則 G=350N?！芭c門” 10 是判斷一組真空吸盤中是否建立真空。電磁閥 6 是 FESTO 公司生產(chǎn)的 CPE 14M1BH3 GL1 /8 型兩位 三 通電磁閥，用該型號電磁閥控制自攀爬機(jī)器人的 6 組真空吸盤。電 磁閥 3 是 FESTO 公司生產(chǎn)的 CPE14M1BH5LQS6 型兩位五通電磁閥，該電磁閥具有寬度小、功耗低、流量大等特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單緊湊，響應(yīng)速度快，容易控制。如果 三 個吸掀都沒有建立真空，則 a, b, c 都為 1，則 A 為 1, B 為 1，則說明吸盤組 三 個吸盤都沒有可靠的吸附 于 壁面上，這樣壓力開關(guān)就不會發(fā)出信號使機(jī)器人進(jìn)行下一步動作。我們把圖 的 三 個吸盤從左到右依次編號為 a, b, c，兩個“與門”氣動邏輯 元 件從上到下依次編號為 A 和 B，建立真空信號為 0，沒有建立真空為 1，分析如何判斷吸盤組的吸附可靠性。 如何解決既能保證每個吸盤能獨(dú)立建立真空，又能準(zhǔn)確判斷吸盤組是否可靠的吸附 于 壁面上，這就涉及到了氣動邏輯回路方面的問題。我們設(shè)計的自攀爬機(jī)器人本體和負(fù)載重量共為 350N，選用的真空吸盤最低安全系數(shù)是當(dāng)上框架或者下框架 31 吸附時， 三 個吸盤組中每個吸 盤 組至少有一個可靠吸附在壁面上，我們才認(rèn)為吸附是安全的，自攀爬機(jī)器人才能進(jìn)行下一步動作。如果要為每個真空吸盤提供一個真空發(fā)生器，就大大的增加了氣動控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且增加了機(jī)器人自身的重量。 然后分析垂直壁面方向、平行壁面方向的受力，列出力的平衡方程 ??31 Ni)(Fii=0 () ?? ?31i GFi=0 () 30 (F1N1)L1=GL2 () 根據(jù)實際情況不妨假定各個吸盤組的真空度是相等的，則作用在所有吸盤組上的吸附力相等，假定為 Fa，則 Fa=F/3，同時壁面作用在吸盤組 2 和 3 上的力N2=N3 解（ ）得 ： N1=Fa 12LGL () 把（ ）代入（ ）可以求得 ： N2=N3=Fa+ 122LGL () 吸盤組要在傾覆力矩的作用下保持不傾翻必須滿足 : Ni0 () 綜合以上式子可以得兩個約束條件 : Fa 12LGL () Faμ3G () 從自攀爬機(jī)器人的這兩個安全約束條件看，當(dāng)摩擦系數(shù)一定的情況下，吸盤的最小吸附力同時滿足這兩個安全約束條件，則自攀爬機(jī)器人的吸盤吸附力設(shè)計即是安全的。 L1—— 上面一個吸盤組的幾何中心距下面兩個吸 盤 組幾何中心連線的垂直距離 。 Fi—— 第 i 個吸 盤 組的真空吸附力 。我們把每組吸盤組 3 個吸盤作為一個整體進(jìn)行分析。因此必須對自攀爬機(jī)器人吸盤吸附力進(jìn)行可靠性分析，保證機(jī)器人能安全可靠的吸附在壁面上。真空系統(tǒng)中的壓力傳感器，能檢測吸 盤 內(nèi)部是否達(dá)到了預(yù)定的真空度，從而判斷自攀爬機(jī)器人是否進(jìn)行下一步動作，以確保吸盤組能牢固的吸附 于 壁面上，不致滑落或者傾覆。由此，自攀爬機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)根據(jù)玻璃、瓷磚幕墻具有表面光滑、表面缺陷少、非導(dǎo)磁性等特點(diǎn)，選用真空多吸盤吸附方式。若在噴嘴兩端的壓差達(dá)到一定值時，氣流達(dá)聲速或業(yè)聲速流動， 于 是在噴嘴出 日 處，即接 收室內(nèi)可獲得一定負(fù)壓。射流能卷吸周圍的靜止流體和它一起向前流動，這稱為射流的卷吸作用。該結(jié)構(gòu)采用真空發(fā)生器使吸掀內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓，從 Ifu 實現(xiàn)吸 盤 可靠的吸附 于 墻面。 真空吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計 吸附機(jī)構(gòu)工作原理 自攀爬機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的吸附方式一般可分為 :磁吸附、真空吸附和推力吸附三類。根據(jù)總體設(shè)計要求，選擇了主要驅(qū)動部件。并設(shè)計了自攀爬機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)以及其它零部件。導(dǎo)軌為SN10 型，這是一種實心導(dǎo)軌，材料為高 碳鉻軸承鋼，表面進(jìn)行了硬化處理，硬化層為 ，維氏硬度 HV697，外徑 l0mm，長度 270mm，重 167g，兩根的重量為 334g。其具體設(shè)計另撰文敘述。由于 自攀爬機(jī)器人設(shè)計能夠自由攀爬、下降和旋轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的選擇 由 于 機(jī)器人結(jié)構(gòu)基本上是一個關(guān) 于 蝸輪軸的中心對稱形狀，當(dāng)機(jī)器人在垂直壁面上工作時轉(zhuǎn)動力矩很小，經(jīng)計算轉(zhuǎn)動需要的扭矩為 ，我們設(shè)計的蝸輪蝸桿的傳動比為 82:1，因此所需電機(jī)提供的扭矩不到 N/M。關(guān) 于蝸輪上各力的方向，可由圖 所示的關(guān)系定出的。如圖 所示，蝸桿為右旋蝸桿，當(dāng)其為主動件沿圖示方向 (由左端視之為逆時針方向 )回轉(zhuǎn)時，如圖 2. 9b 所示，蝸桿齒的右側(cè)為工作面 (推動蝸桿沿圖示方向即圖 所示方向轉(zhuǎn)動 )，故蝸桿所受的軸向力 Fa1(即蝸 輪齒給它的阻力的軸向分力 )必然指向左端 (見圖 下部 )。 Fn 可分解為三個 互相垂直的分力，即圓周力 Ft、徑向力 Fa。根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計采用普通圓柱蝸桿傳動，其基本參數(shù)如表 所示 : 21 這種蝸輪蝸桿可以實現(xiàn)自鎖，在自攀爬機(jī)器人水平或者豎直運(yùn)動時，不驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，蝸輪蝸桿能實現(xiàn)自鎖，保證自攀爬機(jī)器人運(yùn)動方向保持不變。兩軸線交錯的火角可為任意值，常用的有 900。根據(jù)這些分析，本課題在借鑒了以前研究的成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計了轉(zhuǎn)動裝置，以實現(xiàn) 3600 自主旋轉(zhuǎn) 。 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)總體設(shè)計 自攀爬機(jī)器人轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)主要實現(xiàn)機(jī)器人的自由轉(zhuǎn)向功能。整體方式減少了電源線，并且很大的改善了電磁兼容性能。機(jī)械接 日 和標(biāo)準(zhǔn)的 DNC 氣缸一致。這樣保護(hù)了點(diǎn)動缸活塞桿，提高了電動缸的工作壽命。此時電動缸活塞桿的伸縮只需要克服由 于 徑向力帶來的摩擦力。拉力包括上框架及負(fù)載的水管、氣管、控制器等，拉力為 : F=(本體質(zhì)量 /2+負(fù)載質(zhì)量 )X 9. 8N/kg=245N 另一種是上框架吸附 (包含負(fù)載 )，下框架在電動缸的作用力下向下運(yùn)動。 ①垂直向上爬行時 當(dāng)自攀爬機(jī)器人垂直向上爬行時