【正文】 在電動缸活塞桿的作用力下向上伸出，此時氣缸桿承受軸向壓力。 自攀爬機器人電動缸的主要運動由 三 種形式 :垂直向上爬行、垂直向下爬行、水平左右移動。當機器人水平移動時，電動缸活塞桿要承受較大的徑向力，由 于 滿足本設(shè)計條件的電動缸的徑向力承受能力較差，所以本設(shè)計在電動缸兩側(cè)設(shè)計了兩個與電動缸活塞桿平行的導軌，以承受機器人自重和負載重量產(chǎn)生的徑向力。 電 動缸的活塞桿連接上框架，缸體固定在中間框架上。氣缸的行程是固定的，只能在行程終點停止。電動缸采用伺服電機驅(qū)動，通過傳感器等檢測設(shè)備檢測出障礙物時，電動缸能停止在任何位置，任意改變機器人的步距，從而更好的避障和越障。 17 電動缸及伺服電機的選取 電動缸是自 攀爬機器人實現(xiàn)上下左右的動力 元 件，本設(shè)計利用電動缸驅(qū)動自攀爬機器人本體上下左右移動。如圖 所示，外圈 三 個大孔為下框架腿部安裝孔，中間為蝸桿軸和軸承安裝位置，中間為減負孔。材料選用鋁合金，板厚為 10mm，同時為了減輕重量，同樣設(shè)計了一些減負孔。同時為了加強上框架的剛度，在上框架邊緣都有加強筋。該設(shè)計圖形如圖 所示，上框架形狀為對稱三 角形，外邊孔為上框架腿部安裝孔，中間的孔為導軌和上框架聯(lián)結(jié)件安裝孔。同時為了減輕重量，在不影響剛度和強度的前提下，在上框架上加工了很多減負孔，以減輕自攀爬機器人的自身重量。結(jié)構(gòu)采用 三 角形結(jié)構(gòu)，成中心對稱。 到位后，下框架腿部氣缸伸出， 3 組吸盤組吸附在壁面上，完成一利用上下框架的相對移動， 實現(xiàn)機器人的自主攀爬。當控制系統(tǒng)檢測到上框架上的 3 組吸盤組吸附牢固時，下框架腿部的 3 組吸盤組與壁面脫離，而后下框架的 3 組腿部氣缸收縮，完成抬腿動作 。抬腿到位后，電動缸缸桿伸出，驅(qū)動上框架相對 于 下框架向上運動，缸體和下框架吸附壁面不動。機器人工作時，上下框架的 6 個氣缸全部伸出， 同時 6 組吸盤組全部吸附 于 壁面上。自攀爬機器人采用雙作用氣缸作為腿部結(jié)構(gòu)，通過氣缸桿的伸縮實現(xiàn)腿部的抬起和放下。上下框架能完成3600 相對旋轉(zhuǎn)。電動缸缸桿和缸體分別連接上、下框架， 通過電動缸缸桿的伸縮，實現(xiàn)上下框架的相對移動，完成機器人的上下左右運動。 15 移動機構(gòu)設(shè)計 移動機構(gòu)總體設(shè)計 自攀爬機器人的移動機構(gòu)采用上下框架式結(jié)構(gòu)。同時，由 于 不能調(diào)整步距，就不能最大限度的接近障礙物，使得機器人作業(yè)自點增多，不利 于 提高機器人的作業(yè)效率。通過氣缸缸桿和缸體的相對移動實現(xiàn)機 器人的平動。 再次我們設(shè)計移動機構(gòu)時選用了電缸做為平動機構(gòu)的動力裝置，通過伺服電機帶動電動缸驅(qū)動上下框架做相對移動。閏君濤同學的碩士論文里也用了上下框架式結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。下框架完全可以在上框架下做 3600 自由旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)主要由上、下兩層框架、中間安裝板、電動缸、蝸輪蝸桿和一系列真空 元 件構(gòu)成，實現(xiàn)相對移動、相對轉(zhuǎn)動和跨越運動。并 且 有障礙識別裝置，如果判斷不能跨越的障礙，則自動繞過障礙物?？刂葡到y(tǒng)采用基 于 ARM7TMIDS 的UC/OS II 實時操作系統(tǒng) 。移動機構(gòu)采用 三 角框架式，以滿足對壁面的適應(yīng) 能力及越障避障能力，減輕重量，從 }fu 實現(xiàn)全方位移動 。綜合考慮自攀爬機器人系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境和性質(zhì)，使其既能達到減輕重量，結(jié)構(gòu)簡單又能達到安全可靠和控制方便的要求，確定了自攀爬機器人的總體設(shè)計要求及方案。 總體系統(tǒng)設(shè)計 自攀爬機器人設(shè)計的主要難點和重點是其 三 個基本功能 :在壁面上的可靠吸附功能、自由移動越障功能和靈活的轉(zhuǎn)向功能。真空吸附方式和電氣混合驅(qū)動的驅(qū)動方式，使機器人結(jié)構(gòu)更加緊湊，運動更靈活。本章對自攀爬機器人的總體結(jié)構(gòu)進行分析和設(shè)計，選擇適合自攀爬機器人的結(jié)構(gòu)方式、吸附方式和驅(qū)動方式。國內(nèi)外在這方面的研究主要集中在新型結(jié)構(gòu)、吸附方式和驅(qū)動方式上。對比現(xiàn)有各種自攀爬機器人存在的優(yōu)缺點，并結(jié)合本課題的技術(shù)要求和工作內(nèi)容合理的選擇了自攀爬機器人的吸附方式、行走方式和控制方式，明確了本論文的主要研究內(nèi)容。 對樣機進行調(diào)試，試作業(yè)。運用應(yīng)力分析軟件，進行靜態(tài)應(yīng)力分析、動態(tài)應(yīng)力分析。 進行應(yīng)力形變分析。根 據(jù)吸附可靠性和抗傾覆要求，通過計算確定吸盤的直徑、數(shù)量，合理安排吸 盤 布局 。研制一種運行可靠的自攀爬壁面移動機構(gòu)，使系統(tǒng)簡單可靠，操作方便。根據(jù)自攀爬機器人工作的特點和工作環(huán)境，采用合適的吸附方式、驅(qū)動方式和結(jié)構(gòu)。因此本文從理論與實踐相結(jié)合的方面進行研究。從自攀爬機器人出現(xiàn)以來，對其研究的進展及成果備受人們關(guān)注，但是大部分還處 于 實驗室階段，進入到生產(chǎn)應(yīng)用階段的很少。這些不同 11 的吸附方式和不同的移動方式構(gòu)成多種風格的自攀爬機器人。履帶式自攀爬機器人接觸面積大，壁面適應(yīng)強，但是結(jié)構(gòu)復雜，體積大，不易轉(zhuǎn)彎，不易跨越障礙 。按照自攀爬機器人移動方式的不同，自攀爬機器人可分為 :輪式自攀爬機器人、履帶式自攀爬機器人、腳步行走式自攀爬機器人 三 種。磁力吸附吸附力大，吸附可靠，但是要求被吸附物體是金屬材料，常用 于 罐體檢測機器人 。真空吸附又分為單吸 盤 真空吸附和多吸 盤 真空吸附。因此未來自攀爬機器人應(yīng)向結(jié)構(gòu)可靠、動作靈活、控制簡單、輕量化發(fā)展 現(xiàn)有自攀爬機器人類型比較分析 根據(jù)國內(nèi)外對自攀爬機器人的研究狀況分析可知，自攀爬機器人能夠可靠的在壁面或者球面上進行作業(yè)，必須能夠可靠的吸附和自主移動。例如，壁面爬行遙控檢查機器人、主從遙控移動作業(yè)機器人、野外惡劣環(huán)境遠距離遙控檢測機器人、水下自主機器人和飛行機器人等。其中自主式移動機器人是研究最多的一種，自主移動機器人能夠按照預(yù)先給出的任務(wù)指令，根據(jù)已知的地圖信息做出全局路徑規(guī)劃，并在行進過程中，不斷感知周圍局部環(huán)境信息，自主地做出決策，引導自身繞開障礙物，安全行駛到達指定目標，并執(zhí)行要求的動作與操作。該機器人完成吸附和 10 移動兩大功能，并可攜帶各種工具對壁面進行檢查和維修。它由機械部分、控制部分、導航傳感檢測部分組成。在本體正對壁面一側(cè)，裝有渦流檢測組件，該組件通過直流電機和同步帶機構(gòu)帶動渦流探頭在垂直 于 機器人運動路線的方向上往復移動，換向動作靠繼電器和行程開關(guān)實現(xiàn)。本體左右側(cè)各有前后兩個帶輪，分別與裝有永磁體塊的履帶嚙合，構(gòu)成運動部件。主要部件如圖所 示 :該機器人長約 720 毫米、寬 370 毫米、高約 370 毫米、重約 20 千克。 9 圖 是哈爾濱工業(yè)大學和香港城市大學共同研制的 Cleanbot— IV 型爬壁機器人。在 X 向氣缸的兩端各連接一把刷子，隨 X 向氣缸的移動對玻璃進行擦洗。如果把兩框架的運動相配合，就可以實現(xiàn)機器人在作業(yè)面內(nèi)的任意移動，還可跨越鋁合金窗框。然后 Y 框架與壁面吸附保持不動， X 框架再與壁面分離，向 Y 方向移動 ，循環(huán)往復，使機器人向 Y 方向前進 。如圖 ，它是多吸盤吸附，采用“ 于 ”字框架式結(jié)構(gòu)，即由兩個成“ 于 ”字交叉狀的無桿氣缸組成驅(qū)動裝置，用以實現(xiàn)機器人在 X, Y 方向上的移動。如圖 所示，在履帶一周上安裝有數(shù) 于 個永磁吸附塊，其中的一部分緊緊地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通過履帶 (由鏈條和永磁塊組成 )使機器人貼附在壁面上。該機器人的行走速度可達 010m/min，采用無級調(diào)速，適用 于 清洗玻璃幕墻。在它的基礎(chǔ)上又開發(fā)成功 CLR II 型壁面清洗機器人。 010m/ min,可以根據(jù)作業(yè)的具體情況，實現(xiàn)無級調(diào)速。采用電力線載波通訊，有效地利用電力線。它由本體吸附機構(gòu)、驅(qū)動控制系統(tǒng)、清洗作業(yè)系統(tǒng)等組成。上海科技大學、哈爾濱船舶工程學院、中科院沈陽自動化研究所、哈爾濱科技大學等單位緊隨其后開 始了壁面爬行機器人的研究。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在我國，機器人的開發(fā)與應(yīng)用正處 于 繁榮發(fā)展的階段。 7 圖 是西班牙 CSIC 大學的工業(yè)自動化研究所研制的磁吸附六足爬壁機器人“ REST。機器人只能做上下運動，左右運動靠隨動小車牽引實現(xiàn)。該機器人檢測系統(tǒng)帶有 三 維立體視覺檢測器以及渦流探頭等檢測設(shè)備。該機器人采用 于 字框架式結(jié)構(gòu)， 于 字框 架之間可以相對滑動，完成機器人的前后、左右運動。如圖 所示，它的基本結(jié)構(gòu)由 三 個 Alicia2 組成，每兩個之間由一桿連接起來，越障時兩個吸附一個在桿的作用下抬起，輕松實現(xiàn)越障。它 主要由一個吸盤和兩個輪子組成，吸盤用來吸附 于 墻壁表面，兩個輪子分別由兩個直流電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向。除此之外，樸次茅斯大學還針對不同的使用要求設(shè)計了 Bigfoot, Toad, The Nero SeriesVehicles, Tribot 等壁面爬行機器人。每只腳都有自己的微處理器，都是由氣缸驅(qū)動，每個腳的根部都有一個吸盤 .。 圖 為樸次茅斯大學研制的 RobugIV 型 機器人。 日 本國際機器人公司研制的用 于 清洗窗戶的“空中勇士”也是采用腳步式行走。 另外東京煤氣公司同 日 立制作所共同開發(fā)研制的“球形煤氣罐自 動檢測機器人”，是一種步行式機器人，主要用 于 自動檢測處 于 工作狀態(tài)的球形煤氣罐焊縫。 5 圖 是美國密歇根州大學設(shè)計的“爬行者”機器人。這些部分由連接支架連接，運動部分有兩個氣缸組成。 圖 是莫斯科工業(yè)大學研制的爬壁機器人。由于推力始終指向壁面，機器人可以相對容易地實現(xiàn)越障。相對真空吸附、磁吸附而言，在爬壁機器人載體方面有很大的創(chuàng)新。缺點是必須行走在能進行磁性吸附的壁面。它可以吸附在如油罐、球形煤氣罐、船舶等各 種大型構(gòu)造物的壁面，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。此電機的動作，配合吸盤的吸附與放松，可以實現(xiàn)機器人構(gòu)形的變化，從而完成越障等功能。當同一吸盤上的兩個驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速不同時，吸盤的移動方向?qū)l(fā)生變化，實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向。前后吸盤各裝有四個車輪，當吸盤內(nèi)產(chǎn)生負壓時，吸 盤 通過車輪附著 于 壁面。該機器人由前后吸盤 和中間載物平臺通過連桿和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)聯(lián)接 組成。每組框架有 三 只腳掌，每只腳掌上有兩只真空吸盤，吸盤相對于壁面可以作直線運動，該機器人允許橫向移動，并可跨越一定高度的障礙。由 于 采用了負荷分散機構(gòu)，它能夠適應(yīng)各種凹凸不平的曲面和棚頂。 日 本關(guān)西電力株式會社開發(fā)了核電站壁面點檢的爬壁機器人，移動速度為每分鐘 5 米，負重 50 公斤。在 日 本通產(chǎn)省“極限作業(yè)機器人”國家研究計劃支持下， 日 暉株式會社開發(fā)了用 于 檢查核電站大罐的負壓吸附壁面檢查機器人。 日 本清水建設(shè)公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機器人，他們研制的負壓吸附清洗玻璃 面的爬壁機器人，曾為加拿大使館進行壁面清洗。隨后出現(xiàn)了各種類型的自攀爬機器人，到 80 年代末期已經(jīng)開始在生產(chǎn)實際中應(yīng)用。自此以后世界各國著名的大學、研究所 1975 年，已經(jīng)身為宮崎大學工學院教授的西亮教授又研制了以實用化為目標的 2 號樣機。早在 1966 年， 日 本的西亮教授就首次研制成功壁面移動機器人 樣機，并在大阪府立大學表演成功。對此類機器人系統(tǒng)展開工程應(yīng)用研究，可解決工程實際問題，因此，本論文展開了自攀爬機器人的結(jié)構(gòu)研究。 本課題研究的是在垂直壁面工作的機器人。原因是使用機器人不僅可以代替人工進行危險作業(yè)，把人們從惡劣的工作環(huán)境中解放出來，而且大大的提高了作業(yè)的效率 。 ⑥電力行業(yè)對電站鍋爐水冷壁管壁厚度的測量等。 ④消防部門用 于 傳遞救援物資，進行救援工作等。 ②石化工業(yè)對圓形大罐或球形罐的內(nèi)外壁面進行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐等。 自攀爬機器人是特種機器人的一種，是一種移動式服務(wù)機器人，能夠在垂直壁面、球面等場合攀爬行走，可搭載相應(yīng)的設(shè)備，實現(xiàn)壁面的清洗、探傷、管道敷設(shè)、油漆等多種功能，是一種通用的用 于 垂直壁面、球面等場合的行走機器人。在微觀世界中同樣也存在微型機器人、微操作機器人以及微定位機器人 。在深達幾千米的海底有深海機器人 。在低空執(zhí)行偵查或作業(yè)的有各種飛行機器人 。人類已經(jīng)研制了在各種領(lǐng)域作業(yè)的特種機器人，這些機器人不但可以替代人類進行危險繁重的工作，而且作業(yè)效率也大大的提高。機器人技術(shù)經(jīng)過幾 于 年的飛速發(fā)展，已在科技和 工業(yè)生產(chǎn)的各種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手和多自由度機器人，而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用 于 非制造業(yè)并服務(wù) 于 人類的各種先進機器人。 機器人用在工業(yè)領(lǐng)域比較多，隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，它不僅在工業(yè)上應(yīng)用愈來愈廣， 而且 在海洋開發(fā)、宇宙空間、社會服務(wù)、搶險救災(zāi)及核工業(yè)等領(lǐng)域都將大顯身手。 ⑥微型和微小機器人技術(shù) 。 ④機器人遙控及監(jiān)控技術(shù) 。 ②機器人控制技術(shù) 。 未來機器人技術(shù)的主要研究內(nèi)容集中在以下幾個方面。機器人應(yīng)用大國 —— 日 本，其工業(yè)機器人協(xié)會 (JIRA)對“機器人”的定義是 :一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動 并自動完成各種操作動作，代替人類勞動的通用機器。雖然“機器人”這個名詞出現(xiàn)至今已有八 于 多年了，但是仍然沒有統(tǒng)一的定義。s moving and the electric cylinder39。 關(guān)鍵詞 :自攀爬機器人，真空吸附，框架結(jié)構(gòu)，避障 。 本文理論聯(lián)系實際，針對所設(shè)計的機器人，進行了運動學方面的分析。本文詳細的分析了機器人在理論和實際開發(fā)應(yīng)用中存在的問題，制作了自攀爬