【正文】 ，電動缸受力情況有兩種 :一種是下框架吸附，上框架及所有負載在電動缸活塞桿的作用力下向上伸出，此時氣缸桿承受軸向壓力。當機器人水平移動時，電動缸活塞桿要承受較大的徑向力，由 于 滿足本設計條件的電動缸的徑向力承受能力較差，所以本設計在電動缸兩側設計了兩個與電動缸活塞桿平行的導軌，以承受機器人自重和負載重量產(chǎn)生的徑向力。氣缸的行程是固定的，只能在行程終點停止。 17 電動缸及伺服電機的選取 電動缸是自 攀爬機器人實現(xiàn)上下左右的動力 元 件，本設計利用電動缸驅(qū)動自攀爬機器人本體上下左右移動。材料選用鋁合金，板厚為 10mm，同時為了減輕重量，同樣設計了一些減負孔。該設計圖形如圖 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，中間的孔為導軌和上框架聯(lián)結件安裝孔。結構采用 三 角形結構，成中心對稱。當控制系統(tǒng)檢測到上框架上的 3 組吸盤組吸附牢固時，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，完成抬腿動作 。機器人工作時，上下框架的 6 個氣缸全部伸出， 同時 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 移動機構設計 移動機構總體設計 自攀爬機器人的移動機構采用上下框架式結構。通過氣缸缸桿和缸體的相對移動實現(xiàn)機 器人的平動。閏君濤同學的碩士論文里也用了上下框架式結構和旋轉(zhuǎn)機構。該系統(tǒng)主要由上、下兩層框架、中間安裝板、電動缸、蝸輪蝸桿和一系列真空 元 件構成，實現(xiàn)相對移動、相對轉(zhuǎn)動和跨越運動。控制系統(tǒng)采用基 于 ARM7TMIDS 的UC/OS II 實時操作系統(tǒng) 。綜合考慮自攀爬機器人系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境和性質(zhì)，使其既能達到減輕重量，結構簡單又能達到安全可靠和控制方便的要求，確定了自攀爬機器人的總體設計要求及方案。真空吸附方式和電氣混合驅(qū)動的驅(qū)動方式，使機器人結構更加緊湊，運動更靈活。國內(nèi)外在這方面的研究主要集中在新型結構、吸附方式和驅(qū)動方式上。 對樣機進行調(diào)試，試作業(yè)。 進行應力形變分析。研制一種運行可靠的自攀爬壁面移動機構，使系統(tǒng)簡單可靠，操作方便。因此本文從理論與實踐相結合的方面進行研究。這些不同 11 的吸附方式和不同的移動方式構成多種風格的自攀爬機器人。按照自攀爬機器人移動方式的不同，自攀爬機器人可分為 :輪式自攀爬機器人、履帶式自攀爬機器人、腳步行走式自攀爬機器人 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器人、主從遙控移動作業(yè)機器人、野外惡劣環(huán)境遠距離遙控檢測機器人、水下自主機器人和飛行機器人等。該機器人完成吸附和 10 移動兩大功能，并可攜帶各種工具對壁面進行檢查和維修。在本體正對壁面一側，裝有渦流檢測組件，該組件通過直流電機和同步帶機構帶動渦流探頭在垂直 于 機器人運動路線的方向上往復移動，換向動作靠繼電器和行程開關實現(xiàn)。主要部件如圖所 示 :該機器人長約 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 向氣缸的移動對玻璃進行擦洗。然后 Y 框架與壁面吸附保持不動， X 框架再與壁面分離，向 Y 方向移動 ，循環(huán)往復，使機器人向 Y 方向前進 。如圖 所示，在履帶一周上安裝有數(shù) 于 個永磁吸附塊，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 )使機器人貼附在壁面上。在它的基礎上又開發(fā)成功 CLR II 型壁面清洗機器人。采用電力線載波通訊，有效地利用電力線。上海科技大學、哈爾濱船舶工程學院、中科院沈陽自動化研究所、哈爾濱科技大學等單位緊隨其后開 始了壁面爬行機器人的研究。 7 圖 是西班牙 CSIC 大學的工業(yè)自動化研究所研制的磁吸附六足爬壁機器人“ REST。該機器人檢測系統(tǒng)帶有 三 維立體視覺檢測器以及渦流探頭等檢測設備。如圖 所示，它的基本結構由 三 個 Alicia2 組成，每兩個之間由一桿連接起來，越障時兩個吸附一個在桿的作用下抬起，輕松實現(xiàn)越障。除此之外，樸次茅斯大學還針對不同的使用要求設計了 Bigfoot, Toad, The Nero SeriesVehicles, Tribot 等壁面爬行機器人。 圖 為樸次茅斯大學研制的 RobugIV 型 機器人。 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 動檢測機器人”，是一種步行式機器人，主要用 于 自動檢測處 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，運動部分有兩個氣缸組成。由于推力始終指向壁面，機器人可以相對容易地實現(xiàn)越障。缺點是必須行走在能進行磁性吸附的壁面。此電機的動作，配合吸盤的吸附與放松，可以實現(xiàn)機器人構形的變化，從而完成越障等功能。前后吸盤各裝有四個車輪，當吸盤內(nèi)產(chǎn)生負壓時，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動，該機器人允許橫向移動，并可跨越一定高度的障礙。 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，移動速度為每分鐘 5 米，負重 50 公斤。 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壁面清洗。自此以后世界各國著名的大學、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機器人 樣機，并在大阪府立大學表演成功。 本課題研究的是在垂直壁面工作的機器人。 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器人、微操作機器人以及微定位機器人 。在低空執(zhí)行偵查或作業(yè)的有各種飛行機器人 。機器人技術經(jīng)過幾 于 年的飛速發(fā)展，已在科技和 工業(yè)生產(chǎn)的各種領域得到了廣泛應用。 機器人用在工業(yè)領域比較多，隨著機器人技術的快速發(fā)展，它不僅在工業(yè)上應用愈來愈廣， 而且 在海洋開發(fā)、宇宙空間、社會服務、搶險救災及核工業(yè)等領域都將大顯身手。 ④機器人遙控及監(jiān)控技術 。 未來機器人技術的主要研究內(nèi)容集中在以下幾個方面。雖然“機器人”這個名詞出現(xiàn)至今已有八 于 多年了，但是仍然沒有統(tǒng)一的定義。 關鍵詞 :自攀爬機器人，真空吸附，框架結構，避障 。本文詳細的分析了機器人在理論和實際開發(fā)應用中存在的問題，制作了自攀爬機器人樣機。 本文研究目的是設計一種新型、可靠性高、適應范圍廣 且 能夠自主移動、自 主避 障的自攀爬機器人。它的研究和開發(fā)有著廣闊的前景和良好的社會效益，受到人們的重視。機器人技術的發(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 將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響。它是計算機科學、控制論、機械學、電子技術等多學科綜合性的高科技產(chǎn)物，是典型的機電一體化產(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、造船等領域中的危險狀態(tài)下作業(yè)。此外，還涉及構成各類機器人自身服務功能的各項專有技術。通過步進電機驅(qū)動蝸桿和蝸輪，使上下框架做相對轉(zhuǎn)動，從 而 實現(xiàn)機器人任意角度的旋轉(zhuǎn)。本文對自攀爬機器人的研究，給自攀爬機器人的新型結構和自主移動提供了依據(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 自攀爬機器人發(fā)展趨勢 ???????????????? 10 現(xiàn)有自攀爬機器人類型比較分析 ???????????? 10 課題研究內(nèi)容及技術要求 ????????????????? ? 11 本章小結 ?????????????????????? ?? ? 12 第 2 章 自攀爬機器人本 體結構設計 ????????????????? 13 引言 ??????????????????????? ?? ? ? 13 總體系統(tǒng)設計 ?????????????????????? ? 13 移動機構設計 ???????????????????? ?? ? 15 移動機構總體設計 ??????????????? ?? ? 15 上框架的設計 ??????????????????? ? 16 下框架的設計 ??????????? ???????? ? 16 電動缸及伺服電機的選取 ?????????????? ? 17 轉(zhuǎn)動機構設 計 ??????????????????? ?? ? ? 19 轉(zhuǎn)動機構總體設計 ??????????????? ?? ? 19 蝸 輪蝸桿設計 ????????????????? ?? ? 19 蝸 桿傳動的受力分析 ???????????????? ? 22 步進電機的選擇 ????????? ????????? ? 23 安全裝置及設計 元 件重量 ????????????????? ? 24 導軌、支座和滑塊的選取 ????????????????? ? 25 本章小結 ???????????????????????? ? 25 第 3 章 自攀爬機器人氣動控制系統(tǒng)設計與分析 ???????????? 26 引言 ???????????????????????? ?? ? 26 真空吸附結構設計 ???????????????????? ? 26 吸附機構工作原理 ????????????????? ? 26 吸附機構設計???????????????????? 27 真空吸附機構安全性分析??????????????? 28 動邏輯控制分析與設計?????????????????? 30 動控制系統(tǒng)設計????????????????????? 33 真空吸盤的選取????????????????????? 34 本章小結???????????? ???????????? 34 第 4 章 自攀爬機器人運動學理論基礎 ??????????????? 35 前言?????????????????????????? 35 自攀爬機器人運動學分析????????????????? 35 笛卡爾坐標系的齊次坐標變換???????????? 35 平移變換和旋轉(zhuǎn)變換???????????????? 37 本章小結???????????????????????? 42 第 5 章 自攀爬機器人結構有限元分析和優(yōu)化 ????