【文章內(nèi)容簡介】 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的，是一種設(shè)計方法。而模塊化設(shè)計思想?yún)s由來己久，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。 爬行機器人的模塊化設(shè)計要求 我們按照功能劃分的模塊化設(shè)計方法，將爬行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(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，我們可以對爬行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。尺蠖式爬行機器人的本體是執(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)的重要組成部分。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。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從機器人爬行動作的特殊性及提高運動性和安全性方面考慮，需盡量使爬行機器人的體積小、重量輕。 ②從系統(tǒng)的工作性能上考慮，應(yīng)盡量使爬行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己有小零部件 如螺栓、彈簧等 ，減少自行設(shè)計和加工的元件，以減少設(shè)計難度和提高系統(tǒng)的可靠性，降低樣機制造成本。 機器人結(jié)構(gòu)原理方案分析 尺蠖的運動方式是一種蠕動爬行，蠕動是一種周期性的動作，蠕動體的姿態(tài)呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化。機器人的本體是指機器人移動作業(yè)的部分。 我們所設(shè)計的尺蠖式爬行機器人的本體部分主要由三個機械單元組成，分為上、下夾緊機構(gòu)和傳動機構(gòu)，傳動機構(gòu)在中間分別與上、下夾緊機構(gòu)相連接。上、下夾緊機構(gòu)分別起著保持器的作用，而軀干部分則起著推進器的作用。 夾緊機構(gòu)方案研究 根據(jù)爬行機器人的運動特點，夾緊機構(gòu)是關(guān)鍵，所產(chǎn)生的夾緊力應(yīng)能保證機器人在單步運動中一端夾緊在桿上，使機器人在單步工作中保持穩(wěn)定，夾緊 放松的運動過程能自如的進行。綜合考慮機器人系統(tǒng)工作環(huán)境和性質(zhì)，主要有兩種夾緊方式：機械式裝置和液 氣 壓式裝置。兩種方式都能產(chǎn)生足夠的夾緊力，各有其優(yōu)點。 液 氣 壓式夾緊裝置夾緊力調(diào)節(jié)方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，但需要液 氣 源和液 氣 動控制系統(tǒng)支持，體積龐大、噪音污染大并且其設(shè)備成本和維護費用較高。 紹了上海交通大學機器人研究所研究開發(fā)的一種氣動蠕動式纜索機器人，其爬升機構(gòu)簡圖如圖 所示，其夾緊機構(gòu)如圖 所示。 圖 氣動蠕動式爬纜機器人夾緊機構(gòu) 機器人上、下體安裝板上各沿圓周均布有 3 個可沿徑向調(diào)整的安裝塊，用于夾緊缸、夾緊爪、導向缸和導向輪總成在不同直徑的纜索上安裝。上、下體安裝板上開有安裝口，供機器人在纜索上的安裝。機械式夾緊裝置加緊力調(diào) 節(jié)不方便、工作狀態(tài)視結(jié)構(gòu)而定、結(jié)構(gòu)簡單、噪音小、費用低。 如圖 所示為一種輪式爬行機構(gòu)，它利用彈簧將滾輪壓緊在管道外壁，由滾輪滾動帶動爬行機構(gòu)在管道外壁行走。這種機構(gòu)適用于管徑較大的情況，連續(xù)行走速度可調(diào)且比較快，但無越障能力。 圖 氣動蠕動式纜索機器人夾緊機構(gòu) 對夾緊機構(gòu)的要求是：能產(chǎn)生足夠大的夾緊力、放松和夾緊收放自如、結(jié)構(gòu)簡單、輕量化。結(jié)合實際情況，我選用機械夾緊裝置。 傳動機構(gòu)方案分析 傳動機構(gòu)是機器人的軀干，它是連接機器人上、下機械臂的樞紐和協(xié)調(diào)機器人上、下機械手動作的控制中心，是 機器人設(shè)計的重要部分之一。如第二章節(jié) 所介紹的，通過比較各種傳動機構(gòu)的優(yōu)劣，采用曲柄連桿機構(gòu)作為本機器人的傳動機構(gòu)，如圖 ，當機械手夾緊桿體時，相應(yīng)部分對應(yīng)桿體是靜止的；反之，當機械手松開桿體時，相應(yīng)部分對應(yīng)桿體是運動的。 圖 曲柄滑塊機構(gòu)運動原理圖 電機帶動曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄連桿機構(gòu)又把運動傳遞到上機械臂，同時下機械臂也要做相應(yīng)的運動來配合上機械臂的運動。曲柄連桿機構(gòu)作為連接機器人上、下機械臂的樞紐，它所能做得運動僅僅只是曲柄回轉(zhuǎn)、連桿擺動，如圖 所示。要尋找一種合適的機構(gòu)來銜接上下機 械臂的運動，即在電機回轉(zhuǎn)帶動曲柄轉(zhuǎn)動的同時，上下機械手要作出相應(yīng)的配合動作。 在前面第二章 介紹中，已經(jīng)選定用曲柄連桿機構(gòu)作為機器人的軀干主體，曲柄回轉(zhuǎn)，滑塊往復運動。在移動凸輪機構(gòu)中，可以將移動凸輪的往復運動轉(zhuǎn)化成從動件的往復運動，如圖 所示。 圖 移動凸輪機構(gòu)運動示意圖 移動凸輪機構(gòu)的從動件頂桿和機器人的上機械臂固接，這樣移動凸輪的水平往復運動就轉(zhuǎn)化為上機械臂的往復擺動，移動凸輪和上機械臂就構(gòu)成了 移動 凸輪擺桿機構(gòu)。這樣就將曲柄滑塊機構(gòu)中的滑塊用 移動 凸輪擺桿機構(gòu)中移動凸輪代替，盤形凸輪設(shè)計成對稱形式就可以推動一對機械臂擺動。 當上、下機械手協(xié)調(diào)配合動作如圖 所示過程時，機器人方能作出符合我們要求的攀爬動作。曲柄在電機帶動下作回轉(zhuǎn)運動，很顯然，盤形凸輪機構(gòu)中，可以將盤形凸輪的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成從動件的往復運動，如圖 所示。 圖 盤形凸輪機構(gòu)運動示意圖 盤形凸輪機構(gòu)的從動件頂桿和機器人的下機械臂固接，這樣盤形凸輪的回轉(zhuǎn)運動就轉(zhuǎn)化為下機械臂的往復擺動，盤形凸輪和下機械臂就構(gòu)成了 盤形 凸輪擺桿機構(gòu)。 如第二章 所介紹的，曲柄回轉(zhuǎn)一 周，上、下機械臂的動作一個循環(huán)，機器人整體向上攀爬一步。由于電機是勻速轉(zhuǎn)動，所以盤形凸輪的近休止角和遠休止角是近似在 180176。的方向水平”對稱”的，這里講的對稱只是一種相對的概念，并不是嚴格意義上的對稱。因為機器人的機械臂是成對出現(xiàn)的，所以下盤形凸輪應(yīng)該是成對出現(xiàn)的。而且因為下機械臂的動作要一致，所以下盤形凸輪應(yīng)該按近似大徑對稱裝配。 動力系統(tǒng)方案研究 目前對于機器人的動力系統(tǒng)有多種不同的選擇方案，可以采用電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等不同的方式。不同的動力系統(tǒng)具有不同的特點，根據(jù)不同的工作環(huán)境和應(yīng)用場合 ，按照具體的要求來選擇最適合的動力系統(tǒng)可以達到預定的目標。表 為不同的驅(qū)動方式的性能對照表。 表 驅(qū)動方式性能對照表 項目 技術(shù)要求 動作快慢 速度穩(wěn)定性 驅(qū)動力 環(huán)境要求 控制距離 經(jīng)濟性 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 使用維護 速度調(diào)整 氣壓驅(qū)動 較低 較快 較差 中等 適應(yīng)性好 中等 便宜 簡單 簡單 容易 液壓驅(qū)動 較高 較慢 良好 最大 不怕振動 短 較貴 復雜 稍高 很容易 電氣驅(qū)動 較低 慢 很好 較大 一般 短 一般 稍復雜 簡單 困難 氣壓驅(qū)動使用壓力通常在 ~，最高可達1MPa。氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；缺點是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位時，位姿精度不高。氣壓驅(qū)動不可避免的存在漏氣的問題和氣壓裝置體積較大，這一點不符合本爬行機器人的工作空間的要求，不適合在本系統(tǒng)中使用。液壓驅(qū)動系統(tǒng)用215MPa 的油液驅(qū)動響工作穩(wěn)定性和定位精度，但由于有漏油的問題，也不適合在本系統(tǒng)中使用。 電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動。由于電氣驅(qū)動 具有易于控制，運動精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅(qū)動己經(jīng)成為最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動方式，符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動的方案。 機器人結(jié)構(gòu)原理及爬行動作原理 在預緊拉力彈簧夾緊機構(gòu)中，預緊拉力彈簧和凸輪機構(gòu)相組合，利用預緊拉力彈簧的柔性可調(diào)的夾緊活動范圍和凸輪機構(gòu)的升程差復合成爬行機器人的機械手雛形。預緊拉力彈簧作為上下機械手夾緊的動力源。機器人傳動機構(gòu) 曲柄滑塊機構(gòu) 中的滑塊設(shè)計成上 移動 凸輪擺桿機構(gòu)中的移動凸輪，在機構(gòu)上巧妙結(jié) 合，與此同時實現(xiàn)了零件的多功能復合。曲柄滑塊機構(gòu)中的曲柄和下 盤形 凸輪擺桿機構(gòu)中的盤形凸輪固結(jié)在一起，同步運動。至此，由曲柄滑塊機構(gòu)和凸輪擺桿機構(gòu)就構(gòu)成了蠕行式仿生變直徑桿爬行機器人的基本框架。綜上，機器人的結(jié)構(gòu)原理如圖 所示。 圖 機器人結(jié)構(gòu)原理圖 結(jié)合圖 中可以看出，機器人的爬行動作原理可分為以下 5 步： ①在初始狀態(tài) 1 時，下機械手夾緊、上機械手松開，下并聯(lián)盤形凸輪裝在 直角減速電機輸出軸上； ②電機回轉(zhuǎn)，驅(qū)動曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤形凸輪順時針轉(zhuǎn)動，推動下機械臂擺動，與此同時帶 動和連桿聯(lián)接在一起的上移動凸輪向下移動、推動上機械臂擺動，當下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角時，下機械手松開，與此同時上移動凸輪向下移動至空行程、上機械手抓緊，即狀態(tài) 2； ③電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時上機械手夾緊、下機械手松開，機器人下部在電機的提升拉力下向上移動，當曲柄和連桿重疊共線時，機器人下部被提升到極限位置，即狀態(tài) 3； ④電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過回程角時，下機械手夾緊，與此同時上移動凸輪向上滑過空行程、上機械手松開，即狀態(tài) 4； ⑤電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因為下機械手夾緊、上機械手松開，所以機器人上部在電機的提升推力 下向上移動，當曲柄和連桿拉直共線時，機器人上部提升到極限位置，即狀態(tài) 1。 ，電機每轉(zhuǎn)動一圈，機器人整體向上爬行一次，重復 1~5 就可以準確實現(xiàn)機器人機械手之間的協(xié)調(diào)動作和機器人整體的蠕行爬行。 變直徑桿爬行問題的解決 純凸輪夾緊機構(gòu)的不可調(diào)性，成為機器人爬行變直徑桿的最大障礙，是機器人設(shè)計中的”瓶頸”，如何解決變直徑桿的夾緊問題，成為此類爬行機器人設(shè)計中的突破點。必須采用柔性夾緊機構(gòu)才能達到我們預定的目的，預緊拉力彈簧夾緊機構(gòu)就可以很好的實現(xiàn)這點。 圖 凸輪、滾子運動原理圖 如圖 所示， 當需要夾緊的時候，預緊彈簧力通過機械臂傳動使機械手夾緊在桿體上，當需要松開的時候，用凸輪將機械臂頂開使機械手放松，采用凸輪的運動來控制夾緊爪的動作，避免了直接采用凸輪夾緊機構(gòu)的不可變性。機器人攀爬桿狀城市建筑時，隨著凸輪的回轉(zhuǎn)，滾子只在凸輪的遠