【文章內容簡介】 息加工處理、組織方式等諸多方面的優(yōu)勢和長處。仿生機器人這門學科產生和存在的前提就在于，生物經過了長期的自然選擇進化而來，在結構、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應、自主學習等方面具有高度的合理性、科學性和進步性。而非結構化的、未知的工作環(huán)境、復雜的精巧的高難度的工作任務和對于高精度、高靈活性、高可靠性、高魯棒性、高智能型的目標需求則是仿生機器人提出和發(fā)展的客觀動力。 “模仿生物的身體結構和功能，從事生物特點工作的仿生機器人，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機器人，成為未來機器人領域的發(fā)展方向?！?004年8月在沈陽舉行的“2004IEEE機器人學與仿生學國際學術會議”上，與會的機器人學專家這樣表示。 日本東京工業(yè)大學教授廣瀨茂男曾獲得IEEE頒發(fā)的領先成就獎，是世界機器人研究領域的權威科學家。在他看來，模仿生物活動機能和身體結構的仿生機器人，應當是機器人研究領域未來的發(fā)展方向。他說，很多生物為了生存，在進化過程中具備適應大自然的獨特功能，科學界在機器人的發(fā)明制造上，就應當借鑒一些生物的獨特本領為人類服務。所以，仿生機器人必將是超出人類一般需求之前探索的一門真正的前沿科學。仿生機器人是機器人發(fā)展的最高階段，它既是機器人研究的最初目的，也是機器人發(fā)展的最終目標之一。仿生機器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機能的機器人系統(tǒng)。從仿生學的角度來看，仿生機器人是仿生學技術的完美綜合與全面應用。從本質上來講，所謂“仿生機器人”就是指利用各種光、機、電、液等各種無機元器件和有機功能體相配合所組建起來的在運動機理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調和計算推理、能量代謝和材料結構等多方面具有高級生命形態(tài)特征從而可以在未來的非結構化環(huán)境下精確的、靈活的、可靠的、高效的完成各種復雜任務的機器人系統(tǒng)。按照所模仿的運動機理、感知機理、控制機理及能量代謝和材料組成的不同，劃分仿生機器人的主要研究內容如圖21所示。其中運動仿生下的劃分也可看作基于不同運動機理的仿生機器人分類。仿生機器人運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導航仿生計算推理仿生群體控制仿生如仿蜜蜂定位等如神經網絡等如蟻群通信控制仿真等能量仿生如分解碳水化合物驅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，構成多種風格的機器人。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格；電磁吸附承載能力大，有很強的適應能力，但其應用范圍窄，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生的摩擦力使機械手夾緊在干提上能適應任何壁面吸附式真空吸附真 空泵設置許多吸盤，由真空泵裝置產生吸附力，使機器人吸附在壁面可實現小型、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，對壁面適應性強電磁吸附永磁體由永磁體產生吸附力，吸在壁面上吸附時不需外部能量，但只適用于導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，也只適用于導磁性壁面的吸附在設計移動機器人系統(tǒng)時，首先應考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人的移動機構是不同的。此外，還應考慮機器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復雜性、外型尺寸及制作費用等。作為桿件爬行機器人，根據現有的技術方案，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，結構簡單，轉彎容易。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，適應能力強。履帶磨損大，結構復雜，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能力。結構復雜，間歇移動，速度慢，關節(jié)和足數多，控制復雜。蠕動式承載能力大，運動平穩(wěn)，控制簡便，適應能力比較強。運動速度慢，結構復雜。 根據設計本課題所提的要求，及考慮現實生活中的實用性與結構簡單的原則，要求承載能力始終，控制方面，接觸面積小等設計原則，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構形式，這種方案能基本滿足我們設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：結構簡單，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動的方式，這種驅動方式運動精度高，方便，成本低，驅動效率高。 輪式爬桿機器人 在本方案的設計中，采取輪式爬桿機器人設計，主要以實現機器人沿桿向上做往復運動為主要目標。往復運動的實現有很多種，常見的機構有：不完全齒輪齒條雙側停息機構、曲柄連桿機構、圓柱齒輪齒條機構、螺旋絲桿機構等。 在本方案的設計中，我采取的是圓柱齒輪齒條機構，它具有以下特點：（1）圓柱齒輪齒條機構的結構簡單；（2）依靠摩擦力傳遞運動；（3）運動所需機構和驅動器數目少。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 爬桿機器人結構方案設計 設計任務 設計要求爬桿直徑： 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。 設計任務設計爬桿機器人，使其能完成所要求的相關任務；繪制主要零件圖，繪圖量不少于3張零號圖；編寫設計說明書20000字以上；參考文獻15篇以上；翻譯外文資料5000漢字以上。 爬桿機器人結構設計準則 輪式爬桿機器人的本體結構設計是本論文的關鍵，在此采用模塊化設計方法對機器人本體進行模塊化設計，模塊化設計方法分為基于結構特征的設計方法和側重功能分解的設計方法，將根據功能劃分方法對爬桿機器人進行設計。 模塊化設計基礎理論 模塊化設計是在產品設計和生產不斷發(fā)展的過程中逐步形成，是一種設計方法。而模塊化設計思想卻由來已久，其基本思想是以產品（系統(tǒng)）的總功能為對象，以功能分析為基礎，將整個產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。 由此可見模塊化應具有四個基本含義： （1）必須具有一定數量的模塊； （2）應用系統(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。 進行模塊化設計時，必須首先把產品劃分為若干模塊，然后以模塊為基本單元進行設計。因此，模塊合理劃分與否將直接影響產品的性能、外觀以及模塊通用化的程度和成本。模塊化產品，通常按功能將產品劃分為若干單元，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)實現產品的總功能。 爬桿機器人的模塊化設計要求我們按照功能劃分的模塊化設計方法，將爬桿機器人劃分為夾緊模塊和傳動模塊。模塊之間除標準化的機械與電氣連接接口外，其設計相互獨立。模塊之間在模塊化設計中應遵循如下基本原則： （1）模塊應具有自身的獨立性； （2）可用有限數目的模塊構成不同組合的產品； （3）模塊的穩(wěn)定性； （4）模塊的經濟型。模塊化設計的核心思想是將產品進行模塊劃分后，通過對某些模塊進行重新設計或變異設計得到新的產品。根據此思想，我們可以對爬桿機器人進行各種變形設計，滿足不同使用要求和應用環(huán)境要求。輪式爬桿機器人的本體是執(zhí)行爬行運動的驅動平臺和清洗維護設備的搭載平臺，因此本體機構是整個系統(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，要求本體移動靈活，安全可靠，小巧輕便，本體機構設計的優(yōu)劣是評價整個系統(tǒng)性能的首要指標。由于爬行設備的特殊性，所以設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，在結構設計時應該充分考慮空間對結構尺寸的限制，力求機構簡單可靠。 （4）由于機器人的體積受限，所以在設計和布置時需要在盡量保證機構功能、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），減少自行設計和加工的原件，以減少設計難度和提高系統(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計這個課題，我們首先要做的是把這個課題簡化，希望所設計的結構越簡單越好，而不是讓它復雜起來。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)境下機器人的設計問題，即使在以后的實際應用中這些是必須的，所以，在本設計中，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。初步的設定是這樣的：（1）桿的直徑在2030mm之間，也就是說本課題設計的機器人是在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，基于第一條的設想，整個桿的材質是一樣的，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定。丹尼斯克拉克和邁克爾歐文斯曾說過：“企圖設計出一個多功能的機器人，既在室內又在室外，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。”那我的機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計 爬桿機器人擺臂的設計在本次爬桿機器人擺臂的設計