【正文】 轉?，F有自攀爬機器人的平動多采用氣缸作為動力裝置。采用氣缸的缺點就是避障比較困難，當遇到障礙物時，不能調整步距。而采用電動缸就克服了以上氣缸的缺點，遇到障礙物時可以隨時調整機器人的步距，最大限度的接近障礙物，作業(yè)完成后，繞過障礙物。驅動裝置采用伺服電機，通過伺服電機驅動電動缸，使上下框架作相對運動。上下框架設計采用 三 角結構，上框架大，下框架小。采用 三 角結構的優(yōu)點是使結構更加緊湊，重心基本和形狀中心重合，結構對稱，機器人行走更平穩(wěn)，而且重量更輕。自攀爬機器人運動示意簡圖如圖 ,圖 所示。當機器人在壁面垂直向上運動時，首先上框架上的 3 組吸盤組脫 離吸附，而后上框架上的 3 個腿部氣缸收縮，完成抬腿動作。上框架爬升到位后，上框架的 3 個腿部氣缸伸出，而后3 組吸盤組吸附 于 壁面上。抬腿到位后，電動缸收縮，驅動下框架相對上框架向上運動，缸桿和上框架吸附壁面不動個動作循環(huán)。 16 上框架的設計 上框架的設計要遵循結構簡單、質量輕、滿足強度和剛度要求的原則。材料選用密度小且剛度強度比較好的鋁合金，板厚設計為 10mm。該框架總體設計尺寸直徑 800mm左右，重量約為 2400g。上框架尾部分離設計為伺服電 機的安裝預留安裝空間，避免上框架運動時和伺服電機發(fā)生干涉。 下框架的設計 下框架設計和上框架設計類似，也采用 三 角形結構。該框架總體尺寸直徑為600mm，重量大約為 1700g。下框架結構采用中心對稱結構，具體工程圖形見附件。以前的很多設計采用氣缸作為動力 元 件，采用電動缸比采用氣缸有很多優(yōu)點。而且電動缸是通過伺服電機驅動的，伺服電機更容易控制。導致機器人的步距是固定的，當遇到障礙物時，無法調整步距大小，嚴重的限制了機器人的越障能力，而且氣缸具有沖擊力，因此選中電缸作為動力 元 件。當機器人做垂直向上移動時，電動缸活塞桿承受由機器人上框架的自重和搭載物產生的軸向力 。這樣電動缸活塞桿基本不承受機器人自重和負載重量產生的徑向力。下面分析一下電動缸在這 三 種形式下運動的受 力情況。壓力包括上框架及負載的水管、氣管、控制器等，壓力為 : F=(本體質量 /2+負載質量 ) X 9. 8N/kg=245N 18 另一種是上框架吸附 (包含負載 )，下框架在電動缸的作用力下向上運動。 一種是下框架吸附，上框架及所有負載在電動缸作用力下向下伸出，此時電動缸活塞桿承受拉力。此時電動缸活塞桿受壓力，壓力為 F=(本體質量 /2) X 9. 8N/kg=98N 因此可以看出機器人向上爬行時，電動缸活塞桿所受壓力比較大，最大為245N。 ③水平左右運動時 當自攀 爬機器人水平運動時，電動缸活塞桿和導軌都是水平方向的。而且導軌和電動缸的活塞桿都很光滑，摩擦力很小。至 于 由徑向力產生的彎矩則主要由電動缸兩側的導軌承受。 根據以上分析，電動缸選取 FESTO 公司生產的 DNCE32200B S10Q 型電動缸。 DNCE電動缸是一個帶活塞桿的線性運動軸，驅動部 分是由伺服電機驅動，通過滾珠絲杠副，把電機的旋轉運動轉換為活塞桿的直線運動。 DNCE 電動缸整體系統(tǒng)包括 DNCE 電動缸、伺服電機和傳動聯結件，電動缸如圖 所示。該電機整體上由伺服電機、傳動裝置、控制器和電源組成。該電機屬 于 緊湊型電機，可以減輕機器人總體重量。伺服電機如圖 所示。對轉動機構的要求主要可以實現任意方向的轉動。該設計缺點是只能上下左右運動，不能傾斜運動，而且需要裝微調裝置，以保證機器人是垂直運動或者水平運動。轉動部分的設計包括一個步進電機和一個減速傳動裝置一一蝸輪蝸桿副。 蝸 輪蝸桿設計 蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構。選用這種傳動方式由 于 該傳動方式具有結 20 構緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)以及在一定條件下具有自鎖等優(yōu)點。根據蝸桿的形狀不同，蝸桿傳動包括圓柱 蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動。 22 蝸桿傳動的受力分析 在進行蝸桿傳動的受力分析時，通常不考慮摩擦力的影響。設 Fn 為集中作用 于 節(jié)點P 處的法向載荷，它作用 于 法向截面 Pabc 內 (圖 2. 9a ) 。顯然，在蝸桿與蝸輪間，相互作用著 Ft1 與 Fa Fr1 與 Fr Fa1 與 Ft2 這三對大小相等、方向相反的力 (圖 ) 。因為軸向力的方向是由螺旋線的旋向和蝸桿的轉向來決定的。如果蝸桿的轉向相反，則蝸桿齒的左側為工作面 (推動蝸輪沿圖 所示方向的反向轉動 )，故此時蝸桿所受的軸向力必然指向右端。徑向力的方向則總是指向軸心的。 當不計摩擦力的影響時，各力的大小可按下列各式計算 : 23 Ft1=Fa2= 112dT () Fa1=Fa2= 222dT () Fr1=Fr2=Ft2tga () Fn=cosancosγFa1= cosancosγFt2=γd2cosancos2T2 () 式中 :T T2 — 分別為蝸桿及蝸輪的公稱轉矩 。 根據設計， T1= /M, d1=18, d2=82，帶入式 (()可得 Ft1=Fa2 = ,因為γ =,an=200，帶入式 ()可得 Fa1=Ft2=,T2=,Fn=234N。我們選用的步進電機為南京華興電機制造有限公司生產的 42BYG4503 型三相混合式步進電機，其主要技術參數如表 所示。 24 安全裝置及設計元件重量 自攀爬機器人的安全裝置主要由樓頂可移動的小車、支架、鋼索等組成。安全裝置的是保證機器人在斷電、避免突變等突發(fā)情況下機器人吸附不牢時，不會掉落下來，造成安全事故。吊掛機構能自由旋轉，以保證鋼索不會纏繞在一起。設計自制件重量表如表 所示 : 25 導軌、支座和滑塊的選取 自攀爬機器人運動時，必須設計能保證機器人移動的方向準確可靠。 導軌、支座和滑塊組件選用太敬集團 (TAIJING)的直線運動系列。支座型號為 SH 10A，這種支座上部帶有一個緊固螺栓，可以通過調整這個螺栓，鎖緊導軌，該支座重 24g, 4 個總重 96go 滑塊型號為 SMA I0GUU，這種滑塊內部的圓套筒內沿圓周有幾排縱向鋼珠，滑塊是通過圓形鋼珠和導軌接觸，滑動時鋼珠滾動，把滑動變成了鋼珠的滾動，所以滑動摩擦力非常小，這種滑塊重 92g，兩個總重 184g。根據自攀爬機器人的實際作業(yè)情況，確定了機器人的結構形式、吸附方式和驅動方式。確定了吸盤的安裝方式和分布方式，并對機器人運動情況和受力情況進行了詳細的分析。 26 第 3章 自攀爬機器人氣動控制系統(tǒng)設計與分析 引言 上一章對自攀爬機器人總體結構進行了設計分析，同時對其主要零部件也進行了設計分析。本章對氣動系統(tǒng)進行設計分析，設 計氣動系統(tǒng)原理圖，并對主要氣動零部件進行選取。而氣動 元 器件的選擇也影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本章根據總體設計方案，對氣動系統(tǒng)進行了分析設計。根據自攀爬機器人的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)性質，作業(yè)的建筑物表面多為非導磁材料，采用磁吸附有很大限制 。真空吸附通常是依靠抽風機、真空泵等真空發(fā)生設備在機器人的吸 盤 和墻壁的接觸面間形成負壓，依靠壓差使機器人吸附在壁面上。真空發(fā)生器結構簡單，無可動機械部件，使用壽命長，體積小，重量輕，安裝使用方便，真空度可達 88kP。壓縮空氣通過收縮的噴嘴后，從噴嘴內噴射出來的一束流體的流動稱為射流。而自由射流在接收室內的流動，將限制了射流與外界的接觸，但從噴嘴流出的主射流還是要卷吸一部分流體向前流動， 于 是在射流的周圍形成一個低壓區(qū)。這種利用一束高速流體將另一束流體 (靜止或低速 )吸進來，相互混合后一起流出的現象稱為引射現象。 27 真空吸附又可分為單吸盤吸附和多吸盤吸附兩種形式。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單個吸盤的不足和缺陷，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注。多吸盤吸附有多個支撐點，通過各吸盤的交替吸附與脫離，實現自攀爬機器人的移動行走和跨越 障礙。系統(tǒng)工作時， 28 真空發(fā)生器產生負壓，通過真空吸盤組吸附在壁面上，同時當一個吸盤由 于 壁面不平而失去真空時，真空安全閥能確保該吸 盤 不會影響其它的真空吸盤，仍維持系統(tǒng)的真空度不變，從而使機器人具有較好的吸附可靠性。同時吸盤的布置形式對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。 真空吸附機構安全性分析 當自攀爬機器人進行作業(yè)時，如果負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。對機器人受力分析如圖 所示，當機器人進行作業(yè)時， 6 組吸盤組 18 個吸 盤 全部吸附在壁面上，此時吸附力最強，即此時吸附最可靠。因此，只需對此時機器人的吸附可靠性情況進行分析。 29 N—— 工作表面對 三 個洗盤組的法向 力 。 F—— 三個吸 盤 組的真空吸附力 。 f—— 三個吸盤組所受到的滑動摩擦力 。 G—— 壁面清洗機器人及負載的重力 。 L2—— 自攀爬機器人及負載的重心距工作壁面的距離 。為吸盤在工作壁面的滑動摩擦系數， f 為外框架所有吸盤組的總的滑動摩擦力。 氣動邏輯控制分析與設計 前面已經講過，自攀爬機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器人可靠的吸附在壁面上。 我們設計的吸 盤 為 三 個一組，上下框架各 三 組，共 于 八個吸盤。鑒 于 此，我們設計一個吸盤組三個吸盤共用一個真空發(fā)生器，這就要解決判斷 三 個吸盤真空是否建立的問題。一個吸盤組 三 個吸盤都安裝真空安全閥，去保證每個吸盤真空的建立是獨立 于 其他吸盤。如果按經驗設計，壓力開關裝在真空發(fā)生器的上端，如圖 所示。從圖 可以看出， 當吸盤組 三 個吸 盤 都不能建立真空時，由 于 有真空安全閥的存在，每個真空安全閥上端即壓力傳感器檢測部位仍然能建立真空，這時壓力傳感器動作，將會使自攀爬機器人跌落。用氣動邏輯 元 件組合判斷真空吸盤是否建立真空?！芭c”回路只有當所有輸入信號都存在時才能輸出，兩個輸入信號的“與”回路如圖 所示，其輸出函數為 S=XY。如果當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 5 向抓考制系統(tǒng)發(fā)出信號，進行下一步動作。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。其它八個吸盤組都是同樣設計，從而保證了自攀爬機器人的安全。氣源是放在樓頂的隨動小車上的空壓機提供的，氣源處理組件也在隨動小車上，壓縮空氣通過 PUN6x1BL 塑料氣管輸送到氣缸和真空吸盤中。用該型號電磁閥控制自攀爬機器人腿部兩組六個個氣缸。一種中的 三 個氣缸同時動作。三 組真空吸盤為一個部分，用一個該型號的電磁閥控制。真空安全閥 8 是保證每個真空吸盤是獨立的，不會應為一個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為墻面凸凹不平，使真空吸盤真空不能建立的情況。用來判斷機器人是否安全的的吸附在壁面上。我們設計的自攀爬機器人的自身重量為 20kg,設計負載 15kg，總重為 35kg。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，不會使吸盤順著壁面滑落。故取 FC75P 吸盤能保證自攀爬機器人不會滑落。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)。 本章小結 本章對自攀爬機器人的氣動原理進行了詳細的說明，并設計了氣動控制回路。根據回路設計，選擇了適合系統(tǒng)的氣動 元 器件。利用 ANSYS 有限 元 分析軟件對設計的各個零部件進行了結構校核和應力應變分析，分析結果顯示設計零部件符合設計要求。 36 第 6 章 結論與展望 主要結論 自攀 爬機器人設計研究目標是設計出一種主要用 于 垂直壁面、球面等攀爬行走，可搭載相應的設備的載物平臺，實現壁面的清洗、探傷、管道敷設、油漆等多種功能，能作為一種通用的用 于 垂直壁面、球面等的行走機器人。本論文提出了一種新型自攀爬機器人模型，確定了自攀爬機器人的本體結構，各部件的設計、氣動 元 件的選型和計 算。該自攀爬機器人行程為 200mm，最高能攀爬高為 26mm 臺階，能跨越高為 80mm，寬為 50mm的障礙物。自對中連接件的角度補償為 40，上框架最前端的自對中連接件距上框架最后端的自對中連接件為 758mm。 ②根據機器人的 工作環(huán)境，考慮了各種影響因素，推導出了可靠吸附條件，根據該條件確定采用多吸盤結構，并確定了具體的吸盤直徑、個數及吸盤的總體布局。 ④對氣動控制系統(tǒng)進行