【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 息加工處理、組織方式等諸多方面的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處。仿生機(jī)器人這門學(xué)科產(chǎn)生和存在的前提就在于，生物經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的自然選擇進(jìn)化而來(lái)，在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等方面具有高度的合理性、科學(xué)性和進(jìn)步性。而非結(jié)構(gòu)化的、未知的工作環(huán)境、復(fù)雜的精巧的高難度的工作任務(wù)和對(duì)于高精度、高靈活性、高可靠性、高魯棒性、高智能型的目標(biāo)需求則是仿生機(jī)器人提出和發(fā)展的客觀動(dòng)力。 “模仿生物的身體結(jié)構(gòu)和功能，從事生物特點(diǎn)工作的仿生機(jī)器人，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，成為未來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展方向?！?004年8月在沈陽(yáng)舉行的“2004IEEE機(jī)器人學(xué)與仿生學(xué)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議”上，與會(huì)的機(jī)器人學(xué)專家這樣表示。 日本東京工業(yè)大學(xué)教授廣瀨茂男曾獲得IEEE頒發(fā)的領(lǐng)先成就獎(jiǎng)，是世界機(jī)器人研究領(lǐng)域的權(quán)威科學(xué)家。在他看來(lái)，模仿生物活動(dòng)機(jī)能和身體結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)器人，應(yīng)當(dāng)是機(jī)器人研究領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。他說(shuō)，很多生物為了生存，在進(jìn)化過(guò)程中具備適應(yīng)大自然的獨(dú)特功能，科學(xué)界在機(jī)器人的發(fā)明制造上，就應(yīng)當(dāng)借鑒一些生物的獨(dú)特本領(lǐng)為人類服務(wù)。所以，仿生機(jī)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(xué)。仿生機(jī)器人是機(jī)器人發(fā)展的最高階段，它既是機(jī)器人研究的最初目的，也是機(jī)器人發(fā)展的最終目標(biāo)之一。仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)。從仿生學(xué)的角度來(lái)看，仿生機(jī)器人是仿生學(xué)技術(shù)的完美綜合與全面應(yīng)用。從本質(zhì)上來(lái)講，所謂“仿生機(jī)器人”就是指利用各種光、機(jī)、電、液等各種無(wú)機(jī)元器件和有機(jī)功能體相配合所組建起來(lái)的在運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計(jì)算推理、能量代謝和材料結(jié)構(gòu)等多方面具有高級(jí)生命形態(tài)特征從而可以在未來(lái)的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下精確的、靈活的、可靠的、高效的完成各種復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。按照所模仿的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、感知機(jī)理、控制機(jī)理及能量代謝和材料組成的不同，劃分仿生機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容如圖21所示。其中運(yùn)動(dòng)仿生下的劃分也可看作基于不同運(yùn)動(dòng)機(jī)理的仿生機(jī)器人分類。仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿生位移運(yùn)動(dòng)仿生陸地生物運(yùn)動(dòng)仿生水中生物運(yùn)動(dòng)仿生空中生物仿生執(zhí)行運(yùn)動(dòng)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?jì)算推理仿生群體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(dòng)等材料仿生如仿生皮膚等圖13 仿生機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容及分類第二章 爬桿機(jī)器人方案選擇 總體方案分析欲使機(jī)器人在桿上自由地移動(dòng)，必須具備兩種功能：貼附功能與移動(dòng)功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，運(yùn)動(dòng)方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動(dòng)式四種。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機(jī)器人。吸附式是通過(guò)面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點(diǎn)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?yàn)樗鼘?duì)壁面的要求不十分嚴(yán)格；電磁吸附承載能力大，有很強(qiáng)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(chǎng)可吸附的含鐵、鈷、鎳等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點(diǎn)和比較如表21所示。表21 爬桿機(jī)器人貼附方案的比較貼附方式概要特點(diǎn)夾持式機(jī)械手由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)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(jī)器人吸附在壁面可實(shí)現(xiàn)小型、輕量化，無(wú)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(dá)到高真空度，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)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(shí)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(shí)需要電能，也只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)椴煌挠猛?，移?dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機(jī)器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。作為桿件爬行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動(dòng)方式可供選擇。各種移動(dòng)方案的比較見表22所示。表22 爬行機(jī)器人移動(dòng)方案的比較移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)輪式移動(dòng)速度快，控制方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)速度快，適應(yīng)能力強(qiáng)。履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性差。腿式越障能力強(qiáng)，承載能力大，機(jī)動(dòng)性好，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動(dòng)，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。蠕動(dòng)式承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，適應(yīng)能力比較強(qiáng)。運(yùn)動(dòng)速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 根據(jù)設(shè)計(jì)本課題所提的要求，及考慮現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)用性與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)原則，通過(guò)對(duì)比各種方案，對(duì)于本課題我選擇了輪式爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，這種方案能基本滿足我們?cè)O(shè)定和要求的工作狀況。對(duì)于輪式爬桿機(jī)器人，它具備以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，控制方面，移動(dòng)速度快，接觸面積小，而且易采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，這種驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)精度高，方便，成本低，驅(qū)動(dòng)效率高。 輪式爬桿機(jī)器人 在本方案的設(shè)計(jì)中，采取輪式爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)，主要以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿桿向上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)為主要目標(biāo)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有很多種，常見的機(jī)構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停息機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)、螺旋絲桿機(jī)構(gòu)等。 在本方案的設(shè)計(jì)中，我采取的是圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)，它具有以下特點(diǎn)：（1）圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（2）依靠摩擦力傳遞運(yùn)動(dòng)；（3）運(yùn)動(dòng)所需機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少。而對(duì)于它所存在的缺點(diǎn)，像輪式爬桿器易打滑這點(diǎn)，我們可以通過(guò)選擇與電線桿等桿狀物接觸的材料如橡膠材料來(lái)改善其易打滑的缺點(diǎn)。第三章 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)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(shí)間≥5小時(shí)；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(jìn)行控制操作。 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)爬桿機(jī)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(hào)圖；編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書20000字以上；參考文獻(xiàn)15篇以上；翻譯外文資料5000漢字以上。 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 輪式爬桿機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本論文的關(guān)鍵，在此采用模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)方法分為基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)方法和側(cè)重功能分解的設(shè)計(jì)方法，將根據(jù)功能劃分方法對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。 模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論 模塊化設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過(guò)程中逐步形成，是一種設(shè)計(jì)方法。而模塊化設(shè)計(jì)思想?yún)s由來(lái)已久，其基本思想是以產(chǎn)品（系統(tǒng)）的總功能為對(duì)象，以功能分析為基礎(chǔ)，將整個(gè)產(chǎn)品分解為若干特定的模塊，然后通過(guò)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(chǎng)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(gè)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(gè)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(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)行設(shè)計(jì)。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(dú)立化，這些單元被稱為功能模塊，然后由功能模塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的總功能。 爬桿機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)要求我們按照功能劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法，將爬桿機(jī)器人劃分為夾緊模塊和傳動(dòng)模塊。模塊之間除標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械與電氣連接接口外，其設(shè)計(jì)相互獨(dú)立。模塊之間在模塊化設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循如下基本原則： （1）模塊應(yīng)具有自身的獨(dú)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(jì)型。模塊化設(shè)計(jì)的核心思想是將產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分后，通過(guò)對(duì)某些模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或變異設(shè)計(jì)得到新的產(chǎn)品。根據(jù)此思想，我們可以對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行各種變形設(shè)計(jì)，滿足不同使用要求和應(yīng)用環(huán)境要求。輪式爬桿機(jī)器人的本體是執(zhí)行爬行運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和清洗維護(hù)設(shè)備的搭載平臺(tái)，因此本體機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組合部分。為使機(jī)器人能夠安全、方便的完成工作任務(wù)，要求本體移動(dòng)靈活，安全可靠，小巧輕便，本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是評(píng)價(jià)整個(gè)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(jì)時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題有：（1）從機(jī)器人爬桿動(dòng)作的特殊性及提高運(yùn)動(dòng)型和安全性方面考慮，需盡量使爬桿機(jī)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(jī)器人的工作沖擊較小，運(yùn)行平穩(wěn)，提高工作時(shí)的穩(wěn)定性。 （3）從機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境來(lái)看，由于在桿上爬行，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮空間對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，力求機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。 （4）由于機(jī)器人的體積受限，所以在設(shè)計(jì)和布置時(shí)需要在盡量保證機(jī)構(gòu)功能、強(qiáng)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(shí)，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(shí)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(shí)間考慮，各零件和材料的加工和選取，盡量采用市場(chǎng)上可采購(gòu)的材料和已有小零部件（如螺栓、彈簧等），減少自行設(shè)計(jì)和加工的原件，以減少設(shè)計(jì)難度和提高系統(tǒng)的可靠性，降低機(jī)械制造成本。 對(duì)環(huán)境進(jìn)行分析面對(duì)爬桿器人的設(shè)計(jì)這個(gè)課題，我們首先要做的是把這個(gè)課題簡(jiǎn)化，希望所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越好，而不是讓它復(fù)雜起來(lái)。第一，雖然爬桿機(jī)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(qiáng)烈震動(dòng)等惡劣環(huán)境下機(jī)器人的設(shè)計(jì)問(wèn)題，即使在以后的實(shí)際應(yīng)用中這些是必須的，所以，在本設(shè)計(jì)中，將不會(huì)有這些功能模塊。 第二，對(duì)特定環(huán)境的分析。我所設(shè)計(jì)制作的是爬桿機(jī)器人，所以這個(gè)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(shuō)本課題設(shè)計(jì)的機(jī)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(chǎng)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(shí)任意的，所以重力對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)既不能拿來(lái)利用，也不能視而不見，要將它的影響降低至最小。不過(guò)有一點(diǎn)是肯定的，那就是桿在空間是牢固的。不會(huì)來(lái)回?cái)[動(dòng)，也不會(huì)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(dòng)機(jī)器人時(shí)的地面情況，基于第一條的設(shè)想，整個(gè)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。總之，是比較理想的。 第三，爬桿機(jī)器人的功能設(shè)定。丹尼斯克拉克和邁克爾歐文斯曾說(shuō)過(guò)：“企圖設(shè)計(jì)出一個(gè)多功能的機(jī)器人，既在室內(nèi)又在室外，既是足球機(jī)器人，也是清潔機(jī)器人，而且還能戰(zhàn)斗，那么這肯定是不切實(shí)際的，只能是紙上談兵，根本無(wú)法把它制作起來(lái)?！蹦俏业臋C(jī)器人的功能是什么呢？很簡(jiǎn)單，爬桿機(jī)器人，只要能在桿上爬來(lái)爬去，并能實(shí)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(jī)器人是能在室外環(huán)境下運(yùn)動(dòng)，沿常用桿做運(yùn)動(dòng)，爬桿機(jī)器人體積不會(huì)太大，而且不會(huì)脫離桿，同時(shí)在移動(dòng)過(guò)程中是靠自身的動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力的。 爬桿機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 爬桿機(jī)器人擺臂的設(shè)計(jì)在本次爬桿機(jī)器人擺臂的設(shè)計(jì)