【文章內(nèi)容簡介】 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)展的過程中逐步形成的，是一種設(shè)計(jì)方法。而模塊化設(shè)計(jì)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(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(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。 爬行機(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，將爬行機(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)爬行機(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。尺蠖式爬行機(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)的重要組成部分。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)需要考慮的主要問題有： ①從機(jī)器人爬行動(dòng)作的特殊性及提高運(yùn)動(dòng)性和安全性方面考慮，需盡量使爬行機(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)盡量使爬行機(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(jì)和加工的元件，以減少設(shè)計(jì)難度和提高系統(tǒng)的可靠性，降低樣機(jī)制造成本。 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理方案分析 尺蠖的運(yùn)動(dòng)方式是一種蠕動(dòng)爬行，蠕動(dòng)是一種周期性的動(dòng)作，蠕動(dòng)體的姿態(tài)呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化。機(jī)器人的本體是指機(jī)器人移動(dòng)作業(yè)的部分。 我們所設(shè)計(jì)的尺蠖式爬行機(jī)器人的本體部分主要由三個(gè)機(jī)械單元組成，分為上、下夾緊機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在中間分別與上、下夾緊機(jī)構(gòu)相連接。上、下夾緊機(jī)構(gòu)分別起著保持器的作用，而軀干部分則起著推進(jìn)器的作用。 夾緊機(jī)構(gòu)方案研究 根據(jù)爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，夾緊機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵，所產(chǎn)生的夾緊力應(yīng)能保證機(jī)器人在單步運(yùn)動(dòng)中一端夾緊在桿上，使機(jī)器人在單步工作中保持穩(wěn)定，夾緊 放松的運(yùn)動(dòng)過程能自如的進(jìn)行。綜合考慮機(jī)器人系統(tǒng)工作環(huán)境和性質(zhì)，主要有兩種夾緊方式：機(jī)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(diǎn)。 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(dòng)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(hù)費(fèi)用較高。 紹了上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開發(fā)的一種氣動(dòng)蠕動(dòng)式纜索機(jī)器人，其爬升機(jī)構(gòu)簡圖如圖 所示，其夾緊機(jī)構(gòu)如圖 所示。 圖 氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu) 機(jī)器人上、下體安裝板上各沿圓周均布有 3 個(gè)可沿徑向調(diào)整的安裝塊，用于夾緊缸、夾緊爪、導(dǎo)向缸和導(dǎo)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(jī)器人在纜索上的安裝。機(jī)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(fèi)用低。 如圖 所示為一種輪式爬行機(jī)構(gòu)，它利用彈簧將滾輪壓緊在管道外壁，由滾輪滾動(dòng)帶動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)在管道外壁行走。這種機(jī)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(dòng)蠕動(dòng)式纜索機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu) 對(duì)夾緊機(jī)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(shí)際情況，我選用機(jī)械夾緊裝置。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案分析 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的軀干，它是連接機(jī)器人上、下機(jī)械臂的樞紐和協(xié)調(diào)機(jī)器人上、下機(jī)械手動(dòng)作的控制中心，是 機(jī)器人設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為本機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖 ，當(dāng)機(jī)械手夾緊桿體時(shí)，相應(yīng)部分對(duì)應(yīng)桿體是靜止的；反之，當(dāng)機(jī)械手松開桿體時(shí)，相應(yīng)部分對(duì)應(yīng)桿體是運(yùn)動(dòng)的。 圖 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖 電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)又把運(yùn)動(dòng)傳遞到上機(jī)械臂，同時(shí)下機(jī)械臂也要做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)來配合上機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為連接機(jī)器人上、下機(jī)械臂的樞紐，它所能做得運(yùn)動(dòng)僅僅只是曲柄回轉(zhuǎn)、連桿擺動(dòng)，如圖 所示。要尋找一種合適的機(jī)構(gòu)來銜接上下機(jī) 械臂的運(yùn)動(dòng)，即在電機(jī)回轉(zhuǎn)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，上下機(jī)械手要作出相應(yīng)的配合動(dòng)作。 在前面第二章 介紹中，已經(jīng)選定用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的軀干主體，曲柄回轉(zhuǎn)，滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)中，可以將移動(dòng)凸輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成從動(dòng)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖 所示。 圖 移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖 移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件頂桿和機(jī)器人的上機(jī)械臂固接，這樣移動(dòng)凸輪的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化為上機(jī)械臂的往復(fù)擺動(dòng)，移動(dòng)凸輪和上機(jī)械臂就構(gòu)成了 移動(dòng) 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)。這樣就將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊用 移動(dòng) 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)中移動(dòng)凸輪代替，盤形凸輪設(shè)計(jì)成對(duì)稱形式就可以推動(dòng)一對(duì)機(jī)械臂擺動(dòng)。 當(dāng)上、下機(jī)械手協(xié)調(diào)配合動(dòng)作如圖 所示過程時(shí)，機(jī)器人方能作出符合我們要求的攀爬動(dòng)作。曲柄在電機(jī)帶動(dòng)下作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，很顯然，盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，可以將盤形凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成從動(dòng)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖 所示。 圖 盤形凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖 盤形凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件頂桿和機(jī)器人的下機(jī)械臂固接，這樣盤形凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化為下機(jī)械臂的往復(fù)擺動(dòng)，盤形凸輪和下機(jī)械臂就構(gòu)成了 盤形 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)。 如第二章 所介紹的，曲柄回轉(zhuǎn)一 周，上、下機(jī)械臂的動(dòng)作一個(gè)循環(huán)，機(jī)器人整體向上攀爬一步。由于電機(jī)是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以盤形凸輪的近休止角和遠(yuǎn)休止角是近似在 180176。的方向水平”對(duì)稱”的，這里講的對(duì)稱只是一種相對(duì)的概念，并不是嚴(yán)格意義上的對(duì)稱。因?yàn)闄C(jī)器人的機(jī)械臂是成對(duì)出現(xiàn)的，所以下盤形凸輪應(yīng)該是成對(duì)出現(xiàn)的。而且因?yàn)橄聶C(jī)械臂的動(dòng)作要一致，所以下盤形凸輪應(yīng)該按近似大徑對(duì)稱裝配。 動(dòng)力系統(tǒng)方案研究 目前對(duì)于機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)有多種不同的選擇方案，可以采用電氣驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等不同的方式。不同的動(dòng)力系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)，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(dòng)力系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。表 為不同的驅(qū)動(dòng)方式的性能對(duì)照表。 表 驅(qū)動(dòng)方式性能對(duì)照表 項(xiàng)目 技術(shù)要求 動(dòng)作快慢 速度穩(wěn)定性 驅(qū)動(dòng)力 環(huán)境要求 控制距離 經(jīng)濟(jì)性 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 使用維護(hù) 速度調(diào)整 氣壓驅(qū)動(dòng) 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(dòng) 較高 較慢 良好 最大 不怕振動(dòng) 短 較貴 復(fù)雜 稍高 很容易 電氣驅(qū)動(dòng) 較低 慢 很好 較大 一般 短 一般 稍復(fù)雜 簡單 困難 氣壓驅(qū)動(dòng)使用壓力通常在 ~，最高可達(dá)1MPa。氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位姿精度不高。氣壓驅(qū)動(dòng)不可避免的存在漏氣的問題和氣壓裝置體積較大，這一點(diǎn)不符合本爬行機(jī)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(dòng)系統(tǒng)用215MPa 的油液驅(qū)動(dòng)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(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于電氣驅(qū)動(dòng) 具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號(hào)監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)己經(jīng)成為最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動(dòng)的方案。 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理及爬行動(dòng)作原理 在預(yù)緊拉力彈簧夾緊機(jī)構(gòu)中，預(yù)緊拉力彈簧和凸輪機(jī)構(gòu)相組合，利用預(yù)緊拉力彈簧的柔性可調(diào)的夾緊活動(dòng)范圍和凸輪機(jī)構(gòu)的升程差復(fù)合成爬行機(jī)器人的機(jī)械手雛形。預(yù)緊拉力彈簧作為上下機(jī)械手夾緊的動(dòng)力源。機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 中的滑塊設(shè)計(jì)成上 移動(dòng) 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)凸輪，在機(jī)構(gòu)上巧妙結(jié) 合，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)了零件的多功能復(fù)合。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄和下 盤形 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)中的盤形凸輪固結(jié)在一起，同步運(yùn)動(dòng)。至此，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和凸輪擺桿機(jī)構(gòu)就構(gòu)成了蠕行式仿生變直徑桿爬行機(jī)器人的基本框架。綜上，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理如圖 所示。 圖 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖 結(jié)合圖 中可以看出，機(jī)器人的爬行動(dòng)作原理可分為以下 5 步： ①在初始狀態(tài) 1 時(shí)，下機(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開，下并聯(lián)盤形凸輪裝在 直角減速電機(jī)輸出軸上； ②電機(jī)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤形凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)下機(jī)械臂擺動(dòng)，與此同時(shí)帶 動(dòng)和連桿聯(lián)接在一起的上移動(dòng)凸輪向下移動(dòng)、推動(dòng)上機(jī)械臂擺動(dòng)，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角時(shí)，下機(jī)械手松開，與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向下移動(dòng)至空行程、上機(jī)械手抓緊，即狀態(tài) 2； ③電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時(shí)上機(jī)械手夾緊、下機(jī)械手松開，機(jī)器人下部在電機(jī)的提升拉力下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿重疊共線時(shí)，機(jī)器人下部被提升到極限位置，即狀態(tài) 3； ④電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過回程角時(shí)，下機(jī)械手夾緊，與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向上滑過空行程、上機(jī)械手松開，即狀態(tài) 4； ⑤電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因?yàn)橄聶C(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開，所以機(jī)器人上部在電機(jī)的提升推力 下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線時(shí)，機(jī)器人上部提升到極限位置，即狀態(tài) 1。 ，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，機(jī)器人整體向上爬行一次，重復(fù) 1~5 就可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作和機(jī)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(jī)構(gòu)的不可調(diào)性，成為機(jī)器人爬行變直徑桿的最大障礙，是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的”瓶頸”，如何解決變直徑桿的夾緊問題，成為此類爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)中的突破點(diǎn)。必須采用柔性夾緊機(jī)構(gòu)才能達(dá)到我們預(yù)定的目的，預(yù)緊拉力彈簧夾緊機(jī)構(gòu)就可以很好的實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。 圖 凸輪、滾子運(yùn)動(dòng)原理圖 如圖 所示， 當(dāng)需要夾緊的時(shí)候，預(yù)緊彈簧力通過機(jī)械臂傳動(dòng)使機(jī)械手夾緊在桿體上，當(dāng)需要松開的時(shí)候，用凸輪將機(jī)械臂頂開使機(jī)械手放松，采用凸輪的運(yùn)動(dòng)來控制夾緊爪的動(dòng)作，避免了直接采用凸輪夾緊機(jī)構(gòu)的不可變性。機(jī)器人攀爬桿狀城市建筑時(shí)，隨著凸輪的回轉(zhuǎn)，滾子只在凸輪的遠(yuǎn)