【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)械手共有5個(gè)自由度。在采集林木球果時(shí)，將機(jī)器人停放在距母樹3—5 m處，操縱機(jī)械手回轉(zhuǎn)馬達(dá)使機(jī)械手對準(zhǔn)其中一棵母樹，然后單片機(jī)系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度，采集爪張開并擺動(dòng)，對準(zhǔn)要采集的樹枝，大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使采集爪沿著樹枝生長方向趨近12m，然后采集爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動(dòng)采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重復(fù)上述動(dòng)作；連捋數(shù)枝后，將球果倒入拖拉機(jī)后部的集果箱中。采集完一棵樹，再轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手對準(zhǔn)下一棵：試驗(yàn)表明，這種球果采集機(jī)器人采集落葉松果是人工上樹采摘的3035倍。另外，更換不同齒距的梳齒則可用于各種林木球果的采集。這種機(jī)器人采摘林木球果時(shí)，對母樹破壞較小，采凈率高，對森林生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等方面都有重要的意義。●消防機(jī)器人[3940]圖121 消防機(jī)器人Fig．121 Fire robot公安部上海消防研究所、上海交通大學(xué)、上海市消防局經(jīng)過3年的研究，聯(lián)合研制出我國第一臺(tái)消防機(jī)器人（如圖121所示），己通過國家“863”專家組驗(yàn)收。該機(jī)器人可以行走、爬坡、跨障、噴射滅火，可以進(jìn)行火場偵察。此次消防機(jī)器人的研制成功為我國消防部隊(duì)裝備自動(dòng)化和智能化開辟了一個(gè)新途徑。1．5本文研究的主要內(nèi)容從目前能夠檢索到的文獻(xiàn)中可以看出，關(guān)于飛機(jī)表面清洗機(jī)器人方面研究的報(bào)導(dǎo)還很少。一是目前國外對此方面的研究也處于起步階段，涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)封鎖等問題；二是由于研究的條件和環(huán)境所限，從事這項(xiàng)研究的群體還較??；三是這種超冗余機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解及控制比較復(fù)雜，技術(shù)實(shí)現(xiàn)存在一定困難。本論文以一種能夠清洗大部分機(jī)型的飛機(jī)表面清洗機(jī)器人為研究對象，采用現(xiàn)代汽車?yán)碚?、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多剛體動(dòng)力學(xué)理論，對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人將進(jìn)行以下幾個(gè)方面研究工作：論文系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)、飛機(jī)表面清洗技術(shù)的研究狀況利發(fā)展趨勢，在國內(nèi)首次對機(jī)器人化飛機(jī)表面清洗車及其相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和主要研究問題進(jìn)行了深入分析，為飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的進(jìn)一步研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。論文對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。主要對機(jī)器人載車、手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)、整機(jī)動(dòng)力性能及穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。飛機(jī)表面清洗機(jī)器人是飛機(jī)場重要的設(shè)備。而臂架系統(tǒng)是飛機(jī)表面清洗機(jī)器人重要的工作部件之一，要求臂架系統(tǒng)具有較高的整體剛度和強(qiáng)度、良好的工作適應(yīng)性和可靠性。同時(shí)利用SolidWorks軟件對機(jī)器人手臂最危險(xiǎn)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，確保了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性?？梢哉f這項(xiàng)研究為機(jī)器人開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。本文主要針對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人臂架系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)用軟件對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模、運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)構(gòu)分析。利用SOLIDWORKS進(jìn)行飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的臂架、轉(zhuǎn)塔、支腿的設(shè)計(jì),建立了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的模型，并進(jìn)行虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真。建立的幾何模型為后續(xù)分析提供模型數(shù)據(jù)。利用SOLIDWORKS建立的幾何模型數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過簡化建立有限元模型，對部分重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及合理性。論文對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了研究。飛機(jī)表面清洗機(jī)器人屬于多冗余自由度空間機(jī)構(gòu)，這就決定了手臂位姿具有不確定性。運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)是保證機(jī)器人在飛機(jī)表面進(jìn)行平穩(wěn)、有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文利用冗余度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)理論推導(dǎo)了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的正解，推導(dǎo)了機(jī)器人的雅可比矩陣，對清洗機(jī)器人手臂進(jìn)行了速度分析，為該機(jī)器人的工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)理論依據(jù)和基礎(chǔ)。本文運(yùn)用了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。并行設(shè)計(jì)提高了整車一次設(shè)計(jì)成功的概率，縮短了從設(shè)計(jì)到整車試制成功的周期，可為企業(yè)贏得市場和利潤。對全文進(jìn)行了總結(jié)，并對今后的研究工作進(jìn)行了展望。59第二章 飛機(jī)表面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析第二章 飛機(jī)表面清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．1引言飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的主要任務(wù)是清除飛機(jī)表面所附著的污染物。機(jī)器人的工作面是飛機(jī)外表面，考慮到不同飛機(jī)表面曲率變化的差別，本章設(shè)計(jì)了以汽車底盤為載車、機(jī)器手作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人。在簡單介紹了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力性能、穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。進(jìn)而對機(jī)器人手臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度的有限元分析，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人手臂的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為以后深入地研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃及控制打下基礎(chǔ)。2．2飛機(jī)表面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成及工作原理飛機(jī)表面清洗機(jī)器人由運(yùn)輸平臺(tái)和安裝在其上的機(jī)器手組成，結(jié)構(gòu)如圖21所示。運(yùn)輸平臺(tái)選用標(biāo)準(zhǔn)汽車底盤，可以自主驅(qū)動(dòng)：機(jī)器手由機(jī)器人手臂、液壓系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成；機(jī)器人手臂由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、第一臂架、第二臂架、第三臂架、第四臂架、第五臂架、清洗滾刷組成，第五臂架前后兩部分由腕關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)。圖2l飛機(jī)表面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig．21 The structure of a aircraft’s surface cleaning robot該機(jī)器人共有13個(gè)自由度，包括1個(gè)整機(jī)移動(dòng)自由度、9個(gè)計(jì)算機(jī)程序控制的關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)自由度、2個(gè)由接觸傳感器控制的滾刷位姿誤差自適應(yīng)調(diào)節(jié)自由度、1個(gè)滾刷回轉(zhuǎn)的局部自由度。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了具有輸出功率大、精度高及響應(yīng)速度快的液壓伺服驅(qū)動(dòng)方式，控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)集中控制方式。工作時(shí)，計(jì)算機(jī)按照預(yù)先編好的程序，控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人可由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)機(jī)器人繞底座回轉(zhuǎn)，各手臂可以繞各自關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人手臂帶動(dòng)滾刷沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清洗刷的移動(dòng)和滾動(dòng)。機(jī)器人擁有的冗余自由度，保證了機(jī)器人末端的清洗滾刷能到達(dá)機(jī)器人工作區(qū)間的任意點(diǎn)，并能夠自主、靈活的完成各種復(fù)雜軌跡的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對不同類型飛機(jī)表面的自動(dòng)清洗工作。 飛機(jī)表面清洗機(jī)器人臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì) 臂架折疊方式 臂架折疊型式臂架系統(tǒng)主要由多節(jié)臂架、連桿、油缸、連接件鉸接而成的可折疊和展開的平面四連桿機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)各節(jié)臂架間轉(zhuǎn)動(dòng)方向和順序的不同，臂架有多種折疊型式，如：R型、Z型（或M型）、綜合型等。各種折疊方式都有其獨(dú)到之處。R型結(jié)構(gòu)緊湊；Z型臂架在打開和折疊時(shí)動(dòng)作迅速；綜合型則兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)。，為Z型，臂架在打開和折疊動(dòng)作迅速。 Z型臂架折疊臂架可簡化為一個(gè)細(xì)長的懸臂梁，其主要載荷為自重。它要求臂架強(qiáng)度大、剛性好、重量輕、因此，臂架的結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)成四塊鋼板圍焊而成的箱型梁，材料選用高強(qiáng)度細(xì)晶粒合金結(jié)構(gòu)鋼。 臂架的典型型式連桿一般為直桿或弓形的二力桿，也有三角結(jié)構(gòu)的連桿。 連桿的幾種典型形式各節(jié)臂之間用液壓油缸支撐，油缸為臂架運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，它有壓力有推動(dòng)活塞前后運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)平面四連桿機(jī)構(gòu)中的臂架繞鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)。缸體的進(jìn)油口應(yīng)設(shè)有液壓鎖，以防治液壓軟破裂時(shí)發(fā)生臂架墜落事故。1—端蓋；2—閥安裝板；3—缸筒；4—支撐環(huán)；5—密封圈；6—活塞；7—活塞桿；8—端蓋； 9—壓板；10—耳環(huán) 油缸的結(jié)構(gòu)簡圖轉(zhuǎn)塔主要由轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、固定轉(zhuǎn)塔（連接架）和支撐結(jié)構(gòu)等幾部分組成。轉(zhuǎn)塔安裝在汽車底盤中部，行駛時(shí)其載荷壓在汽車底盤上；而工作時(shí)，底盤輪胎離開地面，底盤掛在轉(zhuǎn)塔上。整個(gè)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人（包括底盤、臂架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)塔自身）的載荷由轉(zhuǎn)塔的四條支腿傳給地面。臂架系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)塔上，轉(zhuǎn)塔為臂架提高一個(gè)穩(wěn)固的底座，整個(gè)臂架可以在這個(gè)底座上旋轉(zhuǎn)，每節(jié)臂架還能繞各自的軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)塔的四個(gè)支腿直接支承在地面上。轉(zhuǎn)臺(tái)是由高強(qiáng)度鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)件，作為臂架的基座，它上部用臂架連接套與臂架鉸接，下部用高強(qiáng)度螺栓與回轉(zhuǎn)支承相連，主要承受臂架載荷，同時(shí)可隨臂架一起在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)簡圖 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)集支承、旋轉(zhuǎn)和連接功能于一體，它由高強(qiáng)度螺栓、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)減速機(jī)、主動(dòng)齒輪和過渡齒輪（按強(qiáng)度取舍）組成?；剞D(zhuǎn)減速機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)齒輪，經(jīng)過渡齒輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承外圈，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈之間的慢速旋轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)支承的外圈與上部轉(zhuǎn)臺(tái)、內(nèi)圈與下部固定轉(zhuǎn)塔用高強(qiáng)度螺栓相連，內(nèi)外圈之間由交叉滾子（或鋼球）連接。因此，它上部連接的臂架、轉(zhuǎn)臺(tái)與固定轉(zhuǎn)塔之間即可實(shí)現(xiàn)低速旋轉(zhuǎn)，而臂架、轉(zhuǎn)臺(tái)的工作載荷通過回轉(zhuǎn)支承傳給固定轉(zhuǎn)塔。 固定轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)固定轉(zhuǎn)塔是由高強(qiáng)度鋼板焊接而成的箱型受力結(jié)構(gòu)件，是臂架、轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的底座?；炷帘密囆旭倳r(shí)主要承受上部的重力，而混凝土泵車泵送時(shí)主要承受整車的重力和臂架的傾翻力矩。同時(shí)高強(qiáng)度鋼板圍焊的空間，又可做液壓油箱或水箱。因此，它既要有足夠的強(qiáng)度和剛性，又要有良好的密封性。 固定轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)簡圖支承結(jié)構(gòu)的作用是將整車穩(wěn)定地支承在地面上，直接承受整車的負(fù)載力矩和重量。，由四條支腿，多個(gè)油缸組成。其中四條支腿、前后支腿展開油缸、前支腿伸縮油缸和支撐油缸構(gòu)成大型框架，將臂架的傾翻力矩，臂架系統(tǒng)的反作用力和整車的自重安全的由支腿傳入地面。支腿收攏時(shí)與底盤同寬，展開支撐時(shí)能保證足夠的支撐跨距。工作狀態(tài)下，飛機(jī)表面清洗機(jī)器人在工地上的占地空間和整車的支撐穩(wěn)定性由負(fù)載力矩、結(jié)構(gòu)重量、支撐寬度、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、支撐地面狀況等因素決定。因此，它應(yīng)具有合理的結(jié)構(gòu)形式、足夠的力學(xué)性能和有效的支撐范圍，保證其承載能力和整車的抗傾翻能力，確保泵車工作時(shí)的安全穩(wěn)定性。同時(shí)，應(yīng)將支腿支撐在有足夠剛度的或用其它材料按一定要求墊好的地面上，且整車各個(gè)方向傾斜度不超過，為此，在混凝土泵車左右兩側(cè)各裝有一個(gè)水平儀來辨別傾斜度。 支撐結(jié)構(gòu)簡圖第三章 臂架系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)第三章 臂架系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)為減輕臂架重量，提高臂架強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性是改善臂架性能的主要途徑?？刹捎酶邚?qiáng)度材料，合理選擇截面形狀，使臂架自重減小，充分利用材料，正確的設(shè)計(jì)計(jì)算方法往往帶來事半功倍的效果。臂架有多種截面形式，其中矩形截面是由翼緣板和和腹板焊接而成的[10]。于其它截面相比，矩形截面的制造工藝簡單，具有較好的抗彎能力和抗扭強(qiáng)度。圖（a）的截面型式較好，整個(gè)臂架應(yīng)力流暢，無明顯力流阻滯和應(yīng)力集中，而且重量較輕。 臂架箱型結(jié)構(gòu)泵車臂架鋼板采用瑞典SSAB公司的WELDOX960鋼板WELDOX系列鋼板是瑞典SSAB鋼鐵公司開發(fā)生產(chǎn)的超高強(qiáng)度鋼，集高強(qiáng)度與可焊性、長壽命于一身，WELDOX960作為新一代低合金高強(qiáng)鋼，具有細(xì)晶粒超潔凈度、高均勻性、高強(qiáng)度、高韌性和良好綜合性能的新材料。在國內(nèi)得到了較快的發(fā)展應(yīng)用，主要應(yīng)用范圍：壓力鋼管、采礦設(shè)備礦用自卸車體和汽車起重機(jī)、橋梁、鐵路、帆船龍骨、大的拱梁、斗鏟的頂邊的框架和主要的高韌性部件等領(lǐng)域。重量的減輕，減少了產(chǎn)品的總重量。3．焊接選取瑞典生產(chǎn)的EDFK 1000高強(qiáng)焊絲，設(shè)計(jì)了WELDOX960高強(qiáng)鋼的混合氣體保護(hù)焊工藝，在預(yù)熱、焊接線能量、層間溫度的條件下進(jìn)行多道焊接。WELDOX高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板的合金含量低，碳當(dāng)量低，從而可用任何普通的電弧焊方法，就可將其焊在普通結(jié)構(gòu)鋼板上。在焊接WELDOX板時(shí)，其目標(biāo)是：在焊接接頭處獲得適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和良好的韌性。國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式為：隨著碳當(dāng)量的增加，鋼材的焊接性能會(huì)變差，當(dāng)值大于時(shí)，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時(shí)需采取預(yù)熱、后熱等系列工藝措施。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，盡量減少冷裂紋的出現(xiàn)（氫裂或延期裂紋）至關(guān)重要。產(chǎn)生裂紋出現(xiàn)的主要原因是在有應(yīng)力出現(xiàn)的焊口有氫氣存在。工程機(jī)械的工作工況大多需要承受動(dòng)載荷及重載荷，對焊縫的要求除強(qiáng)度指標(biāo)外，還要求有較高的韌性。對于焊縫強(qiáng)度的選擇問題，長期以來其高強(qiáng)鋼的焊接大多采用“等強(qiáng)度匹配”，但對于諸如WELDOX系列鋼板，高強(qiáng)鋼，除考慮強(qiáng)度外，還必須考慮焊接區(qū)的韌性和裂紋敏感性。就焊縫金屬而言，強(qiáng)度越高，可達(dá)到的韌性水平往往越低，甚至低于木材的韌性水平。因此，在特殊情況下，對焊縫金屬強(qiáng)度要求可低于母材，或剛度很大的焊接結(jié)構(gòu)，為了減少焊接冷裂紋傾向，可選擇比母材強(qiáng)度低一些的焊接材料。預(yù)熱預(yù)熱對平頭焊縫和根部焊道最為重要。焊接過程中和焊接后的溫度越高，則氫氣越容易溢出；鋼板越厚，預(yù)熱的必要性越大，以補(bǔ)償厚板更快的冷卻速度，而且厚板的碳當(dāng)量值更高；對被剛性固定的工件焊接時(shí)，預(yù)熱也是必要的；對于不同鋼種的鋼焊接在一起時(shí)或焊接材料的碳當(dāng)量比母材高，預(yù)熱溫度由碳當(dāng)量最高的母材或焊接材料決定。當(dāng)板厚大于時(shí)，必須分多層焊接，第一層用ER491進(jìn)行打底焊，第二層焊滿，焊接層間溫度控制在之間，焊接速度，電流,電壓,送絲速度為。預(yù)處理所有焊縫焊前必須保證焊道干燥、清潔，除掉其中表面的油、水、銹和防銹漆，預(yù)熱后必須用鋼刷清理焊縫區(qū)域以清除積碳。焊絲，坡口及坡口周圍范圍內(nèi)必須清理干凈，不得有影響焊接質(zhì)量的鐵銹、油污、水和涂料等異物。對于重要的焊縫，在焊縫兩端應(yīng)設(shè)置尺寸合適的引弧板和引出板時(shí)，應(yīng)注意防止在引弧和收弧處產(chǎn)生焊接缺陷。焊后熱處理WELDOX只有在設(shè)計(jì)規(guī)則有特殊要求時(shí)方進(jìn)行焊后熱處理。避免裂紋出現(xiàn)的方法有：焊前預(yù)熱母體材料：確保焊接面的清潔與干燥；選擇含氫量小的焊料；通過良好的焊接順序與