【文章內(nèi)容簡介】 動仿生位移運動仿生陸地生物運動仿生水中生物運動仿生空中生物仿生執(zhí)行運動仿生如仿生手等感知仿生聽覺仿生視覺仿生嗅覺仿生其他感知仿生仿生耳仿生眼仿生鼻控制仿生定向?qū)Ш椒律嬎阃评矸律后w控制仿生如仿蜜蜂定位等如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等如蟻群通信控制仿真等能量仿生如分解碳水化合物驅(qū)動等材料仿生如仿生皮膚等圖13 仿生機器人的主要研究內(nèi)容及分類第二章 爬桿機器人方案選擇 總體方案分析欲使機器人在桿上自由地移動，必須具備兩種功能：貼附功能與移動功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，運動方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動式四種。這些不同的方式可以進行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機器人。吸附式是通過面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點夾緊在桿上。吸附式又有真空吸附和電磁吸附之分，其中真空吸附式用得比較多，因為它對壁面的要求不十分嚴(yán)格；電磁吸附承載能力大，有很強的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場可吸附的含鐵、鈷、鎳等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點和比較如表21所示。表21 爬桿機器人貼附方案的比較貼附方式概要特點夾持式機械手由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機械手夾緊在干提上能適應(yīng)任何壁面吸附式真空吸附真 空泵設(shè)置許多吸盤，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機器人吸附在壁面可實現(xiàn)小型、輕量化，無需附加供氣裝置，但要求壁面有一定平滑度噴射器在本體上安裝噴嘴，由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，其周圍形成真空，吸附在避免上能效低、噪音大，且需要供氣裝置，但可以達到高真空度，對壁面適應(yīng)性強電磁吸附永磁體由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上吸附時不需外部能量，但只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附電磁鐵電磁鐵通電將其吸附在避免上吸附時需要電能，也只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附在設(shè)計移動機器人系統(tǒng)時，首先應(yīng)考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人的移動機構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費用等。作為桿件爬行機器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動方式可供選擇。各種移動方案的比較見表22所示。表22 爬行機器人移動方案的比較移動方式優(yōu)點缺點輪式移動速度快，控制方便，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)彎容易。接觸面積小，越障能力差，易打滑。履帶式接觸面積大，承載能力大，移動速度快，適應(yīng)能力強。履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機動性差。腿式越障能力強，承載能力大，機動性好，具有很強的壁面適應(yīng)能力。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。蠕動式承載能力大，運動平穩(wěn)，控制簡便，適應(yīng)能力比較強。運動速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 根據(jù)設(shè)計本課題所提的要求，及考慮現(xiàn)實生活中的實用性與結(jié)構(gòu)簡單的原則，要求承載能力始終，控制方面，接觸面積小等設(shè)計原則，通過對比各種方案，對于本課題我選擇了輪式爬桿機器人的結(jié)構(gòu)形式，這種方案能基本滿足我們設(shè)定和要求的工作狀況。對于輪式爬桿機器人，它具備以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強，控制方面，移動速度快，接觸面積小，而且易采用電動機驅(qū)動的方式，這種驅(qū)動方式運動精度高，方便，成本低，驅(qū)動效率高。 輪式爬桿機器人 在本方案的設(shè)計中，采取輪式爬桿機器人設(shè)計，主要以實現(xiàn)機器人沿桿向上做往復(fù)運動為主要目標(biāo)。往復(fù)運動的實現(xiàn)有很多種，常見的機構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停息機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)、圓柱齒輪齒條機構(gòu)、螺旋絲桿機構(gòu)等。 在本方案的設(shè)計中，我采取的是圓柱齒輪齒條機構(gòu)，它具有以下特點：（1）圓柱齒輪齒條機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單；（2）依靠摩擦力傳遞運動；（3）運動所需機構(gòu)和驅(qū)動器數(shù)目少。而對于它所存在的缺點，像輪式爬桿器易打滑這點，我們可以通過選擇與電線桿等桿狀物接觸的材料如橡膠材料來改善其易打滑的缺點。第三章 爬桿機器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計要求爬桿直徑： 10cm≤d≤35cm；爬桿高度： h≥15cm；爬桿速度： v≥15cm/s；最小負(fù)重：≥6kg；可以在電線桿上懸停，懸停時間≥5小時；爬桿器成品的直徑盡量??；爬桿器留有開口，使用是先將爬桿器扣于電線桿上鎖緊，再進行控制操作。 設(shè)計任務(wù)設(shè)計爬桿機器人，使其能完成所要求的相關(guān)任務(wù)；繪制主要零件圖，繪圖量不少于3張零號圖；編寫設(shè)計說明書20000字以上；參考文獻15篇以上；翻譯外文資料5000漢字以上。 爬桿機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則 輪式爬桿機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計是本論文的關(guān)鍵，在此采用模塊化設(shè)計方法對機器人本體進行模塊化設(shè)計，模塊化設(shè)計方法分為基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計方法和側(cè)重功能分解的設(shè)計方法，將根據(jù)功能劃分方法對爬桿機器人進行設(shè)計。 模塊化設(shè)計基礎(chǔ)理論 模塊化設(shè)計是在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過程中逐步形成，是一種設(shè)計方法。而模塊化設(shè)計思想?yún)s由來已久，其基本思想是以產(chǎn)品（系統(tǒng)）的總功能為對象，以功能分析為基礎(chǔ)，將整個產(chǎn)品分解為若干特定的模塊，然后通過模塊的不同組合，可以得到不同品種、不同功能的產(chǎn)品，以滿足市場的各種需求。模塊化又稱模件化，模塊化的定義有很多種，但是按其概念有如下的定義：由若干個具有不同用途（或性能）并可互換的模塊，經(jīng)不同的組合，以滿足不同需要的這種方法稱之為模塊化。 由此可見模塊化應(yīng)具有四個基本含義： （1）必須具有一定數(shù)量的模塊； （2）應(yīng)用系統(tǒng)組合原理； （3）最終要獲得能基本滿足各種不同功能的需要； （4）模塊化的可分性。 進行模塊化設(shè)計時，必須首先把產(chǎn)品劃分為若干模塊，然后以模塊為基本單元進行設(shè)計。因此，模塊合理劃分與否將直接影響產(chǎn)品的性能、外觀以及模塊通用化的程度和成本。模塊化產(chǎn)品，通常按功能將產(chǎn)品劃分為若干單元，并使功能單元獨立化，這些單元被稱為功能模塊，然后由功能模塊系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品的總功能。 爬桿機器人的模塊化設(shè)計要求我們按照功能劃分的模塊化設(shè)計方法，將爬桿機器人劃分為夾緊模塊和傳動模塊。模塊之間除標(biāo)準(zhǔn)化的機械與電氣連接接口外，其設(shè)計相互獨立。模塊之間在模塊化設(shè)計中應(yīng)遵循如下基本原則： （1）模塊應(yīng)具有自身的獨立性； （2）可用有限數(shù)目的模塊構(gòu)成不同組合的產(chǎn)品； （3）模塊的穩(wěn)定性； （4）模塊的經(jīng)濟型。模塊化設(shè)計的核心思想是將產(chǎn)品進行模塊劃分后，通過對某些模塊進行重新設(shè)計或變異設(shè)計得到新的產(chǎn)品。根據(jù)此思想，我們可以對爬桿機器人進行各種變形設(shè)計，滿足不同使用要求和應(yīng)用環(huán)境要求。輪式爬桿機器人的本體是執(zhí)行爬行運動的驅(qū)動平臺和清洗維護設(shè)備的搭載平臺，因此本體機構(gòu)是整個系統(tǒng)的重要組合部分。為使機器人能夠安全、方便的完成工作任務(wù)，要求本體移動靈活，安全可靠，小巧輕便，本體機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣是評價整個系統(tǒng)性能的首要指標(biāo)。由于爬行設(shè)備的特殊性，所以設(shè)計時需要考慮的主要問題有：（1）從機器人爬桿動作的特殊性及提高運動型和安全性方面考慮，需盡量使爬桿機器人的體積小、重量輕。 （2）從系統(tǒng)的工作性能上考慮，應(yīng)盡量使爬桿機器人的工作沖擊較小，運行平穩(wěn)，提高工作時的穩(wěn)定性。 （3）從機器人的作業(yè)環(huán)境來看，由于在桿上爬行，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該充分考慮空間對結(jié)構(gòu)尺寸的限制，力求機構(gòu)簡單可靠。 （4）由于機器人的體積受限，所以在設(shè)計和布置時需要在盡量保證機構(gòu)功能、強度和性能的條件下，盡量減小零部件的體積。在布置各部件時，除考慮部件自身占據(jù)的空間地位外，還要給予檢查、維修及更換部件時所必要的空間。 （5）從系統(tǒng)的成本以及各零部件的加工難度和加工時間考慮，各零件和材料的加工和選取，盡量采用市場上可采購的材料和已有小零部件（如螺栓、彈簧等），減少自行設(shè)計和加工的原件，以減少設(shè)計難度和提高系統(tǒng)的可靠性，降低機械制造成本。 對環(huán)境進行分析面對爬桿器人的設(shè)計這個課題，我們首先要做的是把這個課題簡化，希望所設(shè)計的結(jié)構(gòu)越簡單越好，而不是讓它復(fù)雜起來。第一，雖然爬桿機器人所處的環(huán)境是室外。但是我們不需要額外考慮諸如灰塵、雨雪、低溫以及強烈震動等惡劣環(huán)境下機器人的設(shè)計問題，即使在以后的實際應(yīng)用中這些是必須的，所以，在本設(shè)計中，將不會有這些功能模塊。 第二，對特定環(huán)境的分析。我所設(shè)計制作的是爬桿機器人，所以這個桿是非常重要的。初步的設(shè)定是這樣的：（1）桿的直徑在2030mm之間，也就是說本課題設(shè)計的機器人是在2030mm的桿上爬，也許這不是很重要的。但至少可以在某一種桿上順利爬行，它的直徑可以使25mm或者是市場上現(xiàn)成的在2030mm之間的桿。（2）桿并不是豎直擺放的。它在空間的位置時任意的，所以重力對于機器人來說既不能拿來利用，也不能視而不見，要將它的影響降低至最小。不過有一點是肯定的，那就是桿在空間是牢固的。不會來回擺動，也不會倒下。還有桿是懸空的，只有它的兩端是固定在地面或者桌面上的。（3）桿的表面是什么樣的。這就好比制作移動機器人時的地面情況，基于第一條的設(shè)想，整個桿的材質(zhì)是一樣的，它的表面也是一樣的，而且是常用的表面情況，至少它不是兩種極端，即它不是光滑的，也不是黏糊糊的。在它的上面也沒有釘子、口香糖等障礙?？傊?，是比較理想的。 第三，爬桿機器人的功能設(shè)定。丹尼斯克拉克和邁克爾歐文斯曾說過：“企圖設(shè)計出一個多功能的機器人，既在室內(nèi)又在室外，既是足球機器人，也是清潔機器人，而且還能戰(zhàn)斗，那么這肯定是不切實際的，只能是紙上談兵，根本無法把它制作起來?！蹦俏业臋C器人的功能是什么呢？很簡單，爬桿機器人，只要能在桿上爬來爬去，并能實現(xiàn)一定的功能，那么我就是比較成功的。 綜上所述，我所制作的機器人是能在室外環(huán)境下運動，沿常用桿做運動，爬桿機器人體積不會太大，而且不會脫離桿，同時在移動過程中是靠自身的動力系統(tǒng)提供動力的。 爬桿機器人總體方案設(shè)計 爬桿機器人擺臂的設(shè)計在本次爬桿機器人擺臂的設(shè)計中，爬桿機器人擺臂需要與電線桿的立柱直接接觸，原理則是利用摩擦力使得爬桿機器人能夠在電線桿等桿類形狀的立柱上不至于滑落并且能夠向上運動或靜止在桿類形狀的立柱上。 因此在設(shè)計爬桿機器人擺臂之前，我們需要先選擇我們所設(shè)計的爬桿機器人固定的桿的直徑大小，以便我們設(shè)計各個部分的尺寸大小。 在這里，根據(jù)實際的具體情況和現(xiàn)實生活中存在的桿類立柱來看，我選擇的是金屬材質(zhì)圓柱形電桿。其中一種金屬材質(zhì)圓柱形電桿的具體尺寸是：直徑為25cm，高度為20m。 在本次設(shè)計總體方案擺臂部分中，它的簡體如下，電動機啟動，通過鏈傳動帶動鏈輪和旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)再帶動另一個鏈輪轉(zhuǎn)動，再通過鏈傳動傳遞到與金屬材質(zhì)圓柱形電桿接觸的輪上，輪式機械手這樣可實現(xiàn)上、下移動，從而實現(xiàn)我們所要求的運動。圖31 爬桿機器人擺臂部分簡圖 在本次爬桿機器人擺臂的設(shè)計過程中，在兩擺臂之間必須加上一個拉伸彈簧。此拉伸彈簧的作用：一是拉伸彈簧對上擺臂提供一個向下的拉力，對下擺臂提供一個向上的拉力，這樣上下兩輪都有一個對金屬材質(zhì)圓柱形電桿的正壓力，產(chǎn)生的摩擦力使得爬桿機器人緊固在桿上；二是彈簧具有活動性，當(dāng)圓柱形電桿的直徑不為25cm時，整個爬桿機器人可以通過對彈簧的調(diào)節(jié)使得所設(shè)計的爬桿機器人能作用于大部分