【導(dǎo)讀】動(dòng)了人類社會(huì)的技術(shù)進(jìn)步。它是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)等多學(xué)?？凭C合性的高科技產(chǎn)物，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。以部分取代人完成各種惡劣環(huán)境下的工作，而且將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。其目的是代替人類，在各工業(yè)、石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領(lǐng)。域中的危險(xiǎn)狀態(tài)下作業(yè)。它的研究和開發(fā)有著廣闊的前景和良好的社會(huì)效益，受。世界上很多國家開展了這方面的研究工作，國內(nèi)外已有不同類型。的自攀爬機(jī)器人研制成功。控制、視覺、環(huán)境識(shí)別、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法等諸多知識(shí)，是多學(xué)科交叉綜合的結(jié)果。此外，還涉及構(gòu)成各類機(jī)器人自身服務(wù)功能的各項(xiàng)專有技術(shù)。通過對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析，針對(duì)自攀爬機(jī)。通過氣缸桿的伸縮和電動(dòng)缸的相對(duì)移動(dòng)，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿和蝸輪，使上。在理論和實(shí)際開發(fā)應(yīng)用中存在的問題，制作了自攀爬機(jī)器人樣機(jī)。載大、能任意方向旋轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。

　　

【正文】 要求。而多吸盤吸附穩(wěn)定可靠，抗傾覆承載能力和越障能力較高，吸盤組在功能上可以彌補(bǔ)單個(gè)吸盤的不足和缺陷，并提高吸附系統(tǒng)的性能，因而多吸盤方式受到了更多的關(guān)注。由此，自攀爬機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)根據(jù)玻璃、瓷磚幕墻具有表面光滑、表面缺陷少、非導(dǎo)磁性等特點(diǎn)，選用真空多吸盤吸附方式。多吸盤吸附有多個(gè)支撐點(diǎn)，通過各吸盤的交替吸附與脫離，實(shí)現(xiàn)自攀爬機(jī)器人的移動(dòng)行走和跨越 障礙。 吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 吸附機(jī)構(gòu)基本組成原理圖如圖 所示，吸附機(jī)構(gòu)由安裝在吸盤安裝板上的真空吸盤組、真空安全閥、壓力開關(guān)、真空發(fā)生器等真空 元 件組成。系統(tǒng)工作時(shí)， 28 真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓，通過真空吸盤組吸附在壁面上，同時(shí)當(dāng)一個(gè)吸盤由 于 壁面不平而失去真空時(shí)，真空安全閥能確保該吸 盤 不會(huì)影響其它的真空吸盤，仍維持系統(tǒng)的真空度不變，從而使機(jī)器人具有較好的吸附可靠性。真空系統(tǒng)中的壓力傳感器，能檢測(cè)吸 盤 內(nèi)部是否達(dá)到了預(yù)定的真空度，從而判斷自攀爬機(jī)器人是否進(jìn)行下一步動(dòng)作，以確保吸盤組能牢固的吸附 于 壁面上，不致滑落或者傾覆。同時(shí)吸盤的布置形式對(duì)吸盤組的吸附性能也有較大影響，吸 盤 的幾種布置形式如圖 所示 :環(huán)形布置、矩形布置、 三 角布置和直線布置等幾種形式。環(huán)形吸盤組各個(gè) 方向的特性近似相等，矩形吸盤組兩個(gè)正交方向的抗傾覆性能相差較大，三角吸盤組兩個(gè)相反方向的抗傾覆能力相差很大，適合 于 一邊受壓一邊受拉的場(chǎng)合，自攀爬機(jī)器人根據(jù)自身的三角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際作業(yè)的情況，選擇的是三角布置形式。 真空吸附機(jī)構(gòu)安全性分析 當(dāng)自攀爬機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)時(shí)，如果負(fù)載過重或者受力不平衡，就可能從壁面上滑落或者 發(fā)生傾翻，以致發(fā)生安全事故。因此必須對(duì)自攀爬機(jī)器人吸盤吸附力進(jìn)行可靠性分析，保證機(jī)器人能安全可靠的吸附在壁面上。對(duì)機(jī)器人受力分析如圖 所示，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)時(shí)， 6 組吸盤組 18 個(gè)吸 盤 全部吸附在壁面上，此時(shí)吸附力最強(qiáng)，即此時(shí)吸附最可靠。對(duì)自攀爬機(jī)器人進(jìn)行分析可知，當(dāng)機(jī)器人垂直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，下框架吸附，上框架脫離吸附，且下框架吸盤組一個(gè)在上邊，兩個(gè)在下邊時(shí)吸附力可靠性最差。因此，只需對(duì)此時(shí)機(jī)器人的吸附可靠性情況進(jìn)行分析。我們把每組吸盤組 3 個(gè)吸盤作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。 29 N—— 工作表面對(duì) 三 個(gè)洗盤組的法向 力 。 Ni—— 工作表面對(duì)第 i 個(gè)吸 盤 組的法向力 。 F—— 三個(gè)吸 盤 組的真空吸附力 。 Fi—— 第 i 個(gè)吸 盤 組的真空吸附力 。 f—— 三個(gè)吸盤組所受到的滑動(dòng)摩擦力 。 fi—— 第 i 個(gè)吸盤組所受到的摩擦力 。 G—— 壁面清洗機(jī)器人及負(fù)載的重力 。 L1—— 上面一個(gè)吸盤組的幾何中心距下面兩個(gè)吸 盤 組幾何中心連線的垂直距離 。 L2—— 自攀爬機(jī)器人及負(fù)載的重心距工作壁面的距離 。 根據(jù)摩擦力的特性，最大靜摩擦力一般要大 于 滑動(dòng)摩擦力，為了避免機(jī)器人從工作壁面上滑落，所以只要重力小 于 滑動(dòng)摩擦力，即只須滿足 : Gf=??31μi Ni () 式中 181。為吸盤在工作壁面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)， f 為外框架所有吸盤組的總的滑動(dòng)摩擦力。 然后分析垂直壁面方向、平行壁面方向的受力，列出力的平衡方程 ??31 Ni)(Fii=0 () ?? ?31i GFi=0 () 30 (F1N1)L1=GL2 () 根據(jù)實(shí)際情況不妨假定各個(gè)吸盤組的真空度是相等的，則作用在所有吸盤組上的吸附力相等，假定為 Fa，則 Fa=F/3，同時(shí)壁面作用在吸盤組 2 和 3 上的力N2=N3 解（ ）得 ： N1=Fa 12LGL () 把（ ）代入（ ）可以求得 ： N2=N3=Fa+ 122LGL () 吸盤組要在傾覆力矩的作用下保持不傾翻必須滿足 : Ni0 () 綜合以上式子可以得兩個(gè)約束條件 : Fa 12LGL () Faμ3G () 從自攀爬機(jī)器人的這兩個(gè)安全約束條件看，當(dāng)摩擦系數(shù)一定的情況下，吸盤的最小吸附力同時(shí)滿足這兩個(gè)安全約束條件，則自攀爬機(jī)器人的吸盤吸附力設(shè)計(jì)即是安全的。 氣動(dòng)邏輯控制分析與設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)講過，自攀爬機(jī)器人在墻面上可靠吸附，不但要吸盤有足夠大的吸附力， 而且要保證吸 盤 提供的吸附力能使自攀爬機(jī)器人可靠的吸附在壁面上。這就需要檢測(cè)裝置去判斷吸盤是否已經(jīng)牢固的吸附在壁面上，從而判斷機(jī)器人是否能進(jìn)行下一步動(dòng)作。 我們?cè)O(shè)計(jì)的吸 盤 為 三 個(gè)一組，上下框架各 三 組，共 于 八個(gè)吸盤。如果要為每個(gè)真空吸盤提供一個(gè)真空發(fā)生器，就大大的增加了氣動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且增加了機(jī)器人自身的重量。鑒 于 此，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)吸盤組三個(gè)吸盤共用一個(gè)真空發(fā)生器，這就要解決判斷 三 個(gè)吸盤真空是否建立的問題。以前的經(jīng)驗(yàn)做法就是在每個(gè)吸盤上安裝一個(gè)真空安全閥，真空安全閥的作用就是當(dāng)一個(gè)吸盤沒有建立真空時(shí)，不會(huì) 影響到其他吸盤真空的建立。一個(gè)吸盤組 三 個(gè)吸盤都安裝真空安全閥，去保證每個(gè)吸盤真空的建立是獨(dú)立 于 其他吸盤。我們?cè)O(shè)計(jì)的自攀爬機(jī)器人本體和負(fù)載重量共為 350N，選用的真空吸盤最低安全系數(shù)是當(dāng)上框架或者下框架 31 吸附時(shí)， 三 個(gè)吸盤組中每個(gè)吸 盤 組至少有一個(gè)可靠吸附在壁面上，我們才認(rèn)為吸附是安全的，自攀爬機(jī)器人才能進(jìn)行下一步動(dòng)作。如果按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，壓力開關(guān)裝在真空發(fā)生器的上端，如圖 所示。如果壓力開關(guān)檢測(cè)到吸盤組建立真空，即判斷吸盤組吸附是可靠的，發(fā)出信號(hào)使自攀爬機(jī)器人進(jìn)行下一步動(dòng)作，將會(huì)出現(xiàn)安全問題。從圖 可以看出， 當(dāng)吸盤組 三 個(gè)吸 盤 都不能建立真空時(shí)，由 于 有真空安全閥的存在，每個(gè)真空安全閥上端即壓力傳感器檢測(cè)部位仍然能建立真空，這時(shí)壓力傳感器動(dòng)作，將會(huì)使自攀爬機(jī)器人跌落。 如何解決既能保證每個(gè)吸盤能獨(dú)立建立真空，又能準(zhǔn)確判斷吸盤組是否可靠的吸附 于 壁面上，這就涉及到了氣動(dòng)邏輯回路方面的問題。用氣動(dòng)邏輯 元 件組合判斷真空吸盤是否建立真空。如圖 所示，用兩個(gè)氣動(dòng)邏輯 元 件“與門”組合判斷吸盤組中至少有一個(gè)建立真空，機(jī)器人才會(huì)進(jìn)行下一步動(dòng)作?！芭c”回路只有當(dāng)所有輸入信號(hào)都存在時(shí)才能輸出，兩個(gè)輸入信號(hào)的“與”回路如圖 所示，其輸出函數(shù)為 S=XY。我們把圖 的 三 個(gè)吸盤從左到右依次編號(hào)為 a, b, c，兩個(gè)“與門”氣動(dòng)邏輯 元 件從上到下依次編號(hào)為 A 和 B，建立真空信號(hào)為 0，沒有建立真空為 1，分析如何判斷吸盤組的吸附可靠性。如果當(dāng)所有的吸盤都建立了真空， a, b,c 均為 0，則 A 為 0，則 B 為 0，則說明吸掀組的吸附是可靠的，從而壓力開關(guān) 5 向抓考制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行下一步動(dòng)作。如果吸盤 a 沒有建立真空為 0，吸盤 b,c 建立了真空為 1，則 A 為 0，則 B 為 0，則說明吸掀組的吸附是可 32 靠的。如果 a,b 都沒有建立真空為 1，只有 c 建立了真空，則 A 為 1, B 為 0，也說明吸掀組的吸附是可靠的。如果 三 個(gè)吸掀都沒有建立真空，則 a, b, c 都為 1，則 A 為 1, B 為 1，則說明吸盤組 三 個(gè)吸盤都沒有可靠的吸附 于 壁面上，這樣壓力開關(guān)就不會(huì)發(fā)出信號(hào)使機(jī)器人進(jìn)行下一步動(dòng)作。其它八個(gè)吸盤組都是同樣設(shè)計(jì)，從而保證了自攀爬機(jī)器人的安全。 33 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)自攀爬機(jī)器人總體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)原理圖，如圖 所示。氣源是放在樓頂?shù)碾S動(dòng)小車上的空壓機(jī)提供的，氣源處理組件也在隨動(dòng)小車上，壓縮空氣通過 PUN6x1BL 塑料氣管輸送到氣缸和真空吸盤中。電 磁閥 3 是 FESTO 公司生產(chǎn)的 CPE14M1BH5LQS6 型兩位五通電磁閥，該電磁閥具有寬度小、功耗低、流量大等特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，響應(yīng)速度快，容易控制。用該型號(hào)電磁閥控制自攀爬機(jī)器人腿部?jī)山M六個(gè)個(gè)氣缸。六個(gè)氣缸 三 個(gè)一組，分別用電磁閥控制。一種中的 三 個(gè)氣缸同時(shí)動(dòng)作。電磁閥 6 是 FESTO 公司生產(chǎn)的 CPE 14M1BH3 GL1 /8 型兩位 三 通電磁閥，用該型號(hào)電磁閥控制自攀爬機(jī)器人的 6 組真空吸盤。三 組真空吸盤為一個(gè)部分，用一個(gè)該型號(hào)的電磁閥控制。真空發(fā)生器 7 是使真空吸盤產(chǎn)生真空，前面已經(jīng)詳細(xì)敘述 。真空安全閥 8 是保證每個(gè)真空吸盤是獨(dú)立的，不會(huì)應(yīng)為一個(gè)吸盤的真空釋放而影響到其他真空吸盤，這就有效的減少了因?yàn)閴γ嫱拱疾黄?，使真空吸盤真空不能建立的情況。“與門” 10 是判斷一組真空吸盤中是否建立真空。用來判斷機(jī)器人是否安全的的吸附在壁面上。 34 真空吸盤的選取 吸盤的選取要滿足吸附力的要求，使自攀爬機(jī)器人不致傾翻和滑落。我們?cè)O(shè)計(jì)的自攀爬機(jī)器人的自身重量為 20kg,設(shè)計(jì)負(fù)載 15kg，總重為 35kg。我們?nèi)=10N/kg，則 G=350N。因此選用的真空吸盤必須滿足吸附力要求，并切和壁面有 較大的摩擦力，不會(huì)使吸盤順著壁面滑落。 根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案和對(duì)吸盤的要求分析，我們選取 FC75P 吸盤在真空度為60KPa 時(shí)，單個(gè)吸盤與壁面的最小摩擦力為 225N，則每個(gè)吸盤組與墻面的最小摩擦力為 675N， 三 個(gè)吸盤組與墻面的最小摩擦力為 2125N,取安全系數(shù)為 4，則吸盤組的摩擦力遠(yuǎn)大 于 機(jī)器人及負(fù)載的重量。故取 FC75P 吸盤能保證自攀爬機(jī)器人不會(huì)滑落。 我們?cè)O(shè)計(jì)的自攀爬機(jī)器人重心距墻面的距離 L2 為 410mm，上框架上面一個(gè)吸盤組據(jù)下面兩個(gè)吸盤連線的垂直距離 Ll = 523mm 為 523mm。一組吸盤的摩 擦力為 2125N,而吸盤的吸附力大 于 摩擦力，故吸盤的摩擦力大于 12LGL ，那么吸盤的吸附力一定大于 12LGL ，滿足式 (38)。故我們選的 FC75P 吸盤能保證自攀爬機(jī)器人不會(huì)傾翻。 本章小結(jié) 本章對(duì)自攀爬機(jī)器人的氣動(dòng)原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并設(shè)計(jì)了氣動(dòng)控制回路。對(duì)吸盤的吸附特性和吸附原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明，同時(shí)對(duì) 機(jī)器人吸盤吸附的安全性進(jìn)行了分析，并根據(jù)設(shè)計(jì)選擇的真空吸盤。根據(jù)回路設(shè)計(jì)，選擇了適合系統(tǒng)的氣動(dòng) 元 器件。 35 本章小結(jié) 本章首先對(duì)有限 元 分析軟件 ANSYS 進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，介紹了 ANSYS 有限 元 分析軟件的基本特點(diǎn)和分析的基本過程和基本步驟。利用 ANSYS 有限 元 分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)校核和應(yīng)力應(yīng)變分析，分析結(jié)果顯示設(shè)計(jì)零部件符合設(shè)計(jì)要求。然后根據(jù)設(shè)計(jì)和分析結(jié)果，繪制出了工程加工圖紙，并制造加工了各個(gè)自制件，進(jìn)行了樣機(jī)的安裝。 36 第 6 章 結(jié)論與展望 主要結(jié)論 自攀 爬機(jī)器人設(shè)計(jì)研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一種主要用 于 垂直壁面、球面等攀爬行走，可搭載相應(yīng)的設(shè)備的載物平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)壁面的清洗、探傷、管道敷設(shè)、油漆等多種功能，能作為一種通用的用 于 垂直壁面、球面等的行走機(jī)器人。它綜合了機(jī)器人學(xué)、自動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)械、軟件編程和硬件設(shè)計(jì)等多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，它的研制成功，有助 于 推動(dòng)壁面的清洗、探傷、管道敷設(shè)、油漆等極限作業(yè)的自動(dòng)化，減少人力勞動(dòng)，提高工作效率，降低勞動(dòng)成本，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。本論文提出了一種新型自攀爬機(jī)器人模型，確定了自攀爬機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，各部件的設(shè)計(jì)、氣動(dòng) 元 件的選型和計(jì) 算。并根據(jù)設(shè)計(jì)加工出了原理樣機(jī)一臺(tái)。該自攀爬機(jī)器人行程為 200mm，最高能攀爬高為 26mm 臺(tái)階，能跨越高為 80mm，寬為 50mm的障礙物。能根據(jù)攀爬的環(huán)境，進(jìn)行自主判斷障礙并能自主避障。自對(duì)中連接件的角度補(bǔ)償為 40，上框架最前端的自對(duì)中連接件距上框架最后端的自對(duì)中連接件為 758mm。 主要工作和結(jié)論 : ①提出了一種全新的 三 角框架式、真空吸附的自攀爬機(jī)器人搭載平臺(tái)，建立了機(jī)器人的 三 維模型，進(jìn)行了動(dòng)畫仿真，通過仿真可以看出機(jī)器人不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且行動(dòng)靈活、控制方便、能夠跨越一定高度的障礙。 ②根據(jù)機(jī)器人的 工作環(huán)境，考慮了各種影響因素，推導(dǎo)出了可靠吸附條件，根據(jù)該條件確定采用多吸盤結(jié)構(gòu)，并確定了具體的吸盤直徑、個(gè)數(shù)及吸盤的總體布局。 ③在自制件的設(shè)計(jì)中充分考慮了強(qiáng)度和減輕重量的要求，對(duì)設(shè)計(jì)中的自制件進(jìn)行了受力分析，并用有限 元 分析軟件 ANSYS 進(jìn)行了應(yīng)力分析和形變，分析結(jié)果顯示所有自制件均能滿足要求。 ④對(duì)氣動(dòng)控制系統(tǒng)