【正文】 ，電動(dòng)缸受力情況有兩種 :一種是下框架吸附，上框架及所有負(fù)載在電動(dòng)缸活塞桿的作用力下向上伸出，此時(shí)氣缸桿承受軸向壓力。當(dāng)機(jī)器人水平移動(dòng)時(shí)，電動(dòng)缸活塞桿要承受較大的徑向力，由 于 滿足本設(shè)計(jì)條件的電動(dòng)缸的徑向力承受能力較差，所以本設(shè)計(jì)在電動(dòng)缸兩側(cè)設(shè)計(jì)了兩個(gè)與電動(dòng)缸活塞桿平行的導(dǎo)軌，以承受機(jī)器人自重和負(fù)載重量產(chǎn)生的徑向力。氣缸的行程是固定的，只能在行程終點(diǎn)停止。 17 電動(dòng)缸及伺服電機(jī)的選取 電動(dòng)缸是自 攀爬機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上下左右的動(dòng)力 元 件，本設(shè)計(jì)利用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)自攀爬機(jī)器人本體上下左右移動(dòng)。材料選用鋁合金，板厚為 10mm，同時(shí)為了減輕重量，同樣設(shè)計(jì)了一些減負(fù)孔。該設(shè)計(jì)圖形如圖 所示，上框架形狀為對稱三 角形，外邊孔為上框架腿部安裝孔，中間的孔為導(dǎo)軌和上框架聯(lián)結(jié)件安裝孔。結(jié)構(gòu)采用 三 角形結(jié)構(gòu)，成中心對稱。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到上框架上的 3 組吸盤組吸附牢固時(shí)，下框架腿部的 3 組吸盤組與壁面脫離，而后下框架的 3 組腿部氣缸收縮，完成抬腿動(dòng)作 。機(jī)器人工作時(shí)，上下框架的 6 個(gè)氣缸全部伸出， 同時(shí) 6 組吸盤組全部吸附 于 壁面上。上下框架能完成3600 相對旋轉(zhuǎn)。 15 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 自攀爬機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用上下框架式結(jié)構(gòu)。通過氣缸缸桿和缸體的相對移動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī) 器人的平動(dòng)。閏君濤同學(xué)的碩士論文里也用了上下框架式結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)主要由上、下兩層框架、中間安裝板、電動(dòng)缸、蝸輪蝸桿和一系列真空 元 件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)相對移動(dòng)、相對轉(zhuǎn)動(dòng)和跨越運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)采用基 于 ARM7TMIDS 的UC/OS II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 。綜合考慮自攀爬機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境和性質(zhì)，使其既能達(dá)到減輕重量，結(jié)構(gòu)簡單又能達(dá)到安全可靠和控制方便的要求，確定了自攀爬機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)要求及方案。真空吸附方式和電氣混合驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊，運(yùn)動(dòng)更靈活。國內(nèi)外在這方面的研究主要集中在新型結(jié)構(gòu)、吸附方式和驅(qū)動(dòng)方式上。 對樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試，試作業(yè)。 進(jìn)行應(yīng)力形變分析。研制一種運(yùn)行可靠的自攀爬壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)簡單可靠，操作方便。因此本文從理論與實(shí)踐相結(jié)合的方面進(jìn)行研究。這些不同 11 的吸附方式和不同的移動(dòng)方式構(gòu)成多種風(fēng)格的自攀爬機(jī)器人。按照自攀爬機(jī)器人移動(dòng)方式的不同，自攀爬機(jī)器人可分為 :輪式自攀爬機(jī)器人、履帶式自攀爬機(jī)器人、腳步行走式自攀爬機(jī)器人 三 種。真空吸附又分為單吸 盤 真空吸附和多吸 盤 真空吸附。例如，壁面爬行遙控檢查機(jī)器人、主從遙控移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人、野外惡劣環(huán)境遠(yuǎn)距離遙控檢測機(jī)器人、水下自主機(jī)器人和飛行機(jī)器人等。該機(jī)器人完成吸附和 10 移動(dòng)兩大功能，并可攜帶各種工具對壁面進(jìn)行檢查和維修。在本體正對壁面一側(cè)，裝有渦流檢測組件，該組件通過直流電機(jī)和同步帶機(jī)構(gòu)帶動(dòng)渦流探頭在垂直 于 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線的方向上往復(fù)移動(dòng)，換向動(dòng)作靠繼電器和行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)。主要部件如圖所 示 :該機(jī)器人長約 720 毫米、寬 370 毫米、高約 370 毫米、重約 20 千克。在 X 向氣缸的兩端各連接一把刷子，隨 X 向氣缸的移動(dòng)對玻璃進(jìn)行擦洗。然后 Y 框架與壁面吸附保持不動(dòng)， X 框架再與壁面分離，向 Y 方向移動(dòng) ，循環(huán)往復(fù)，使機(jī)器人向 Y 方向前進(jìn) 。如圖 所示，在履帶一周上安裝有數(shù) 于 個(gè)永磁吸附塊，其中的一部分緊緊地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通過履帶 (由鏈條和永磁塊組成 )使機(jī)器人貼附在壁面上。在它的基礎(chǔ)上又開發(fā)成功 CLR II 型壁面清洗機(jī)器人。采用電力線載波通訊，有效地利用電力線。上海科技大學(xué)、哈爾濱船舶工程學(xué)院、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、哈爾濱科技大學(xué)等單位緊隨其后開 始了壁面爬行機(jī)器人的研究。 7 圖 是西班牙 CSIC 大學(xué)的工業(yè)自動(dòng)化研究所研制的磁吸附六足爬壁機(jī)器人“ REST。該機(jī)器人檢測系統(tǒng)帶有 三 維立體視覺檢測器以及渦流探頭等檢測設(shè)備。如圖 所示，它的基本結(jié)構(gòu)由 三 個(gè) Alicia2 組成，每兩個(gè)之間由一桿連接起來，越障時(shí)兩個(gè)吸附一個(gè)在桿的作用下抬起，輕松實(shí)現(xiàn)越障。除此之外，樸次茅斯大學(xué)還針對不同的使用要求設(shè)計(jì)了 Bigfoot, Toad, The Nero SeriesVehicles, Tribot 等壁面爬行機(jī)器人。 圖 為樸次茅斯大學(xué)研制的 RobugIV 型 機(jī)器人。 另外東京煤氣公司同 日 立制作所共同開發(fā)研制的“球形煤氣罐自 動(dòng)檢測機(jī)器人”，是一種步行式機(jī)器人，主要用 于 自動(dòng)檢測處 于 工作狀態(tài)的球形煤氣罐焊縫。這些部分由連接支架連接，運(yùn)動(dòng)部分有兩個(gè)氣缸組成。由于推力始終指向壁面，機(jī)器人可以相對容易地實(shí)現(xiàn)越障。缺點(diǎn)是必須行走在能進(jìn)行磁性吸附的壁面。此電機(jī)的動(dòng)作，配合吸盤的吸附與放松，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人構(gòu)形的變化，從而完成越障等功能。前后吸盤各裝有四個(gè)車輪，當(dāng)吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，吸 盤 通過車輪附著 于 壁面。每組框架有 三 只腳掌，每只腳掌上有兩只真空吸盤，吸盤相對于壁面可以作直線運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人允許橫向移動(dòng)，并可跨越一定高度的障礙。 日 本關(guān)西電力株式會(huì)社開發(fā)了核電站壁面點(diǎn)檢的爬壁機(jī)器人，移動(dòng)速度為每分鐘 5 米，負(fù)重 50 公斤。 日 本清水建設(shè)公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機(jī)器人，他們研制的負(fù)壓吸附清洗玻璃 面的爬壁機(jī)器人，曾為加拿大使館進(jìn)行壁面清洗。自此以后世界各國著名的大學(xué)、研究所早在 1966 年， 日 本的西亮教授就首次研制成功壁面移動(dòng)機(jī)器人 樣機(jī)，并在大阪府立大學(xué)表演成功。 本課題研究的是在垂直壁面工作的機(jī)器人。 ⑥電力行業(yè)對電站鍋爐水冷壁管壁厚度的測量等。 ②石化工業(yè)對圓形大罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐等。在微觀世界中同樣也存在微型機(jī)器人、微操作機(jī)器人以及微定位機(jī)器人 。在低空執(zhí)行偵查或作業(yè)的有各種飛行機(jī)器人 。機(jī)器人技術(shù)經(jīng)過幾 于 年的飛速發(fā)展，已在科技和 工業(yè)生產(chǎn)的各種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 機(jī)器人用在工業(yè)領(lǐng)域比較多，隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，它不僅在工業(yè)上應(yīng)用愈來愈廣， 而且 在海洋開發(fā)、宇宙空間、社會(huì)服務(wù)、搶險(xiǎn)救災(zāi)及核工業(yè)等領(lǐng)域都將大顯身手。 ④機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù) 。 未來機(jī)器人技術(shù)的主要研究內(nèi)容集中在以下幾個(gè)方面。雖然“機(jī)器人”這個(gè)名詞出現(xiàn)至今已有八 于 多年了，但是仍然沒有統(tǒng)一的定義。 關(guān)鍵詞 :自攀爬機(jī)器人，真空吸附，框架結(jié)構(gòu)，避障 。本文詳細(xì)的分析了機(jī)器人在理論和實(shí)際開發(fā)應(yīng)用中存在的問題，制作了自攀爬機(jī)器人樣機(jī)。 本文研究目的是設(shè)計(jì)一種新型、可靠性高、適應(yīng)范圍廣 且 能夠自主移動(dòng)、自 主避 障的自攀爬機(jī)器人。它的研究和開發(fā)有著廣闊的前景和良好的社會(huì)效益，受到人們的重視。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，不但可以部分取代人完成各種惡劣環(huán)境下的工作， 而且 將對人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。它是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)等多學(xué)科綜合性的高科技產(chǎn)物，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。其目的是代替人類，在各工業(yè)、石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領(lǐng)域中的危險(xiǎn)狀態(tài)下作業(yè)。此外，還涉及構(gòu)成各類機(jī)器人自身服務(wù)功能的各項(xiàng)專有技術(shù)。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿和蝸輪，使上下框架做相對轉(zhuǎn)動(dòng)，從 而 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人任意角度的旋轉(zhuǎn)。本文對自攀爬機(jī)器人的研究，給自攀爬機(jī)器人的新型結(jié)構(gòu)和自主移動(dòng)提供了依據(jù)。s relative movement. Stepper motor drives the worm and wheel to make the upper and lower parts of the selfclimbing robot to rotate, and thus the robot achieves rotation in any paper minutely analyses the theoretical and practical problems of the robot in its development and application, and a prototype of selfclimbing robot has been robot, characterized by strong ability to avoid obstacles, large capacity of load and rotation in any direction, is able to crawl along the vertical wall as well as some of the spherical curvatures of the wall. This paper applies theory to practice on the selfclimbing robot, and has a kinematics analysis in view of the robot designed. Based on the studies of selfclimbing robot, this paper has some help to the study of new structure and automatic movement of robot Keywords: SelfClimbing Robot, Vacuum adsorption, Frame ， Obstacle avoidance 目 錄 第 1 章 緒論 ??????????????????????????? 1 引言 ????????????????????????? ? ? 1 研究意義及目的 ?????????????????????? 1 自攀爬機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和問題 ????????????? 2 國 外研究現(xiàn)狀 ???????????????????? 3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ???????????????????? 7 自攀爬機(jī)器人發(fā)展趨勢 ???????????????? 10 現(xiàn)有自攀爬機(jī)器人類型比較分析 ???????????? 10 課題研究內(nèi)容及技術(shù)要求 ????????????????? ? 11 本章小結(jié) ?????????????????????? ?? ? 12 第 2 章 自攀爬機(jī)器人本 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ????????????????? 13 引言 ??????????????????????? ?? ? ? 13 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì) ?????????????????????? ? 13 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ???????????????????? ?? ? 15 移動(dòng)機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì) ??????????????? ?? ? 15 上框架的設(shè)計(jì) ??????????????????? ? 16 下框架的設(shè)計(jì) ??????????? ???????? ? 16 電動(dòng)缸及伺服電機(jī)的選取 ?????????????? ? 17 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè) 計(jì) ??????????????????? ?? ? ? 19 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì) ??????????????? ?? ? 19 蝸 輪蝸桿設(shè)計(jì) ????????????????? ?? ? 19 蝸 桿傳動(dòng)的受力分析 ???????????????? ? 22 步進(jìn)電機(jī)的選擇 ????????? ????????? ? 23 安全裝置及設(shè)計(jì) 元 件重量 ????????????????? ? 24 導(dǎo)軌、支座和滑塊的選取 ????????????????? ? 25 本章小結(jié) ???????????????????????? ? 25 第 3 章 自攀爬機(jī)器人氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 ???????????? 26 引言 ???????????????????????? ?? ? 26 真空吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ???????????????????? ? 26 吸附機(jī)構(gòu)工作原理 ????????????????? ? 26 吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)???????????????????? 27 真空吸附機(jī)構(gòu)安全性分析??????????????? 28 動(dòng)邏輯控制分析與設(shè)計(jì)?????????????????? 30 動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)????????????????????? 33 真空吸盤的選取????????????????????? 34 本章小結(jié)???????????? ???????????? 34 第 4 章 自攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)理論基礎(chǔ) ??????????????? 35 前言?????????????????????????? 35 自攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析????????????????? 35 笛卡爾坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換???????????? 35 平移變換和旋轉(zhuǎn)變換???????????????? 37 本章小結(jié)???????????????????????? 42 第 5 章 自攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)有限元分析和優(yōu)化 ????