畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯

1、附件五：揚州大學機械工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯教 科 部： 機械電子教科部 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及自動化 姓 名： 張 遠 超 學 號： 061001632 外 文 出 處：Computers Elect.Engng Vol.22, No. 3, 193-209, 1996 附 件： DESIGN AND SUCTION CUP ANALYSISOF A WALL CLIMBING ROBOT指導(dǎo)老師評語簽名：朱興龍年 月 日 爬墻機器人的設(shè)計及其吸盤分析B.BAHR, Y. LI and M. NAJAFIB. BAHR, Y. LI: 美國威奇托市，威奇托州立大學機械工程系M.

2、 NAJAFI：美國Ashtabula市，肯特州立大學數(shù)學與計算機科學（發(fā)表于1995年12月13日） 摘要這篇論文描述了用吸盤從一個表面爬到另外一個表面的雙腿移動式機器人的設(shè)計，動靜態(tài)學和安全分析。工作的雅各賓矩陣源于三個人為的約束方程式，然后編寫一個程序去計算機器人最危險地方的反作用力和驅(qū)動力。與此同時，我們研究了在重力的作用下可變形吸盤上的壓力分配和機器人負荷分配的數(shù)量。0.緒論從原則上講，機器人技術(shù)系統(tǒng)為復(fù)雜的自動控制和制造業(yè)的過程提供了新的技術(shù)途徑，而且人們通過它們的應(yīng)用可以從危險的工作環(huán)境中解放出來。這些操作通常是單調(diào)簡單的、艱苦的、危害人類健康的。然而，人類的勞動付出仍然有很大一

3、部分用于那些操作。經(jīng)驗表明，許多手動操作不能通過傳統(tǒng)的自動控制來實現(xiàn)自動操作，自動化是唯一的解決方法。它表明工業(yè)機器人正在取代人類的操作，如裝載、卸載、檢查、維護、焊接、噴漆和精確制造。另一方面，工業(yè)機器人并不是設(shè)計在非正式組織的環(huán)境下工作的，比如摩天大樓、核電站、大型存儲箱和航天飛行器的結(jié)構(gòu)。因此，近年來許多研究人員研發(fā)出可以攀登垂直墻面的機器人，并明確了機器人在非正式環(huán)境下的需求。機動攀登機器人的領(lǐng)域是一個新型的、快速發(fā)展的跨學科領(lǐng)域。許多研究人員發(fā)起挑戰(zhàn)，為機器人的移動和攀登創(chuàng)造更敏捷的機械裝置。為了完成不在傳統(tǒng)機器人操作裝置范圍之外的任務(wù)，應(yīng)該發(fā)展出新一代的機器人系統(tǒng)。這些攀登機器人利

4、用真空、磁力或者推進器系統(tǒng)來實現(xiàn)表面的粘附。威奇托州立大學在1990年發(fā)明了一臺名為ROSTAM的攀登機器人。它由四條腿和一個中心部分組成。這四條腿有相同的設(shè)計，每條腿有兩個自由度。第一個自由度是轉(zhuǎn)動自由度，可以使腿繞著齒輪軸轉(zhuǎn)動。這個轉(zhuǎn)動的動作從齒輪減速直流電動機被傳送到渦輪，接著傳送到腿部的轉(zhuǎn)動聯(lián)接。第二個自由度是移動自由度，可以使腿沿著氣缸的軸心伸展。腿的移動動作是通過將壓縮空氣送入使桿伸縮的氣壓缸的端口來實現(xiàn)的。每條腿有兩個直徑為11.53厘米的吸盤，而且都裝備有排出器。ROSTAM-III最新的版本也是在WSU設(shè)計出來的，還有中間的轉(zhuǎn)動機構(gòu)和最好的兩條腿。這個機器人能以任何角度改變它

5、的移動方向。在這篇論文中，將討論接下來幾個部分：正文第一部分中，一個新型輕質(zhì)機器人的設(shè)計及其運動的描述。在第二部分中，機器人動靜態(tài)分析是發(fā)達的。而且在這個部分中，機器人的動靜態(tài)分析隨著開發(fā)設(shè)計部分所需要的逆的力和力矩的分析而發(fā)展。由于機器人使用吸盤吸附表面，吸盤的理論安全分析和實驗檢查將在第3部分中討論。第4部分展開為基于第2部分和第3部分的機器人安全分析。在第五部分中，我們學習吸盤由于外力的變形。在那里，引入了偏微分方程（有待確定）的設(shè)置，以及所受到的邊界條件。這一系統(tǒng)的解決方案是基于吸盤上的壓力分布的平衡位置的位移量。1.雙腿機器人的設(shè)計目前研究工作的目標是設(shè)計一個有普遍屬性機器人，它可以

6、移動，可以攀登在任何材料表面，一爬壁機器人可以在平面，直角表面或平行表面移動。因此，兩足機器人的設(shè)計如圖2所示，它由兩個結(jié)構(gòu)（左，右）和兩個腿分別裝配連接到左，右的結(jié)構(gòu)組成。在每條腿的末端都有一個直徑為11.35 cm的吸盤。雙腿通過左右的螺桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別連接。此外，轉(zhuǎn)動裝置的設(shè)計是在右腿上用一副錐齒輪，使機器人可以不受任何真空線的干擾而改變移動方向。這種機制使機器人轉(zhuǎn)動不受任何限制。該機制的直線運動由一個球?qū)輻U和兩個連接左，右方的直線軸承組成。該機器人的重量很輕（約4公斤），可移動到任何位置。它的重量承載能力至少是8公斤，使機器人可以攜帶，如攝像機，燈光負載，以及其他檢查工具。該機器人有4

7、個直流電動機控制的4個自由度。三個電動機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動和一個產(chǎn)生直線運動。當右腿上的吸盤吸附到一個表面，而左腿上的吸盤未吸附到這個表面，一對斜面之間的相對運動使機器人身體圍繞右腿轉(zhuǎn)動。該機器人直線運動是由一個直流電動機，一個球?qū)輻U和兩個直線軸承產(chǎn)生的。當右腿的吸盤吸附到一個表面，而左腿上的吸盤未吸附時，球?qū)輻U逆時針轉(zhuǎn)動連接在左腿上的左邊結(jié)構(gòu)。當循環(huán)結(jié)束之后，機器人處在張開的形勢，而且其左腿將依附于表面。然后，其右腿脫離表面，球?qū)輻U順時針旋轉(zhuǎn)，這意味著機器人移動了一步。假如需要機器人爬上直角面，首先是要將右吸盤吸附在表面上（圖3，步驟1），第二，它提起左邊結(jié)構(gòu)和左腿，三是對著墻移動左邊結(jié)構(gòu)和

8、左腿，讓左吸盤接觸吸附在側(cè)墻（圖3，步驟2）。在左吸盤緊附在側(cè)壁之后，右邊的身體和右腿向左邊的身體移動（圖3，步驟3）。最后，左腳圍繞左蝸輪中心旋轉(zhuǎn)，與此同時右腿圍繞右蝸輪中心旋轉(zhuǎn)，從而使兩條腿接觸墻壁，并穩(wěn)固地吸附于墻壁表面（圖3，步驟4）。該機器人可以從180度夾角的一個表面爬到另外一個表面，這意味著兩個表面是平行的。2.動靜態(tài)分析在本文中，運動狀態(tài)（逆動態(tài)）分析方法的引入是為了獲得每個連接點的最小扭矩Ni，或力Fi。此外，施加在吸盤上的最大力矩N和力F將用于第3節(jié)的安全分析中。2.1 符號,： 連接i質(zhì)心的地球坐標，i=1-4,： 轉(zhuǎn)動結(jié)合點： 棱柱連接點B, D, F： 連接點2，3，

9、4的相對質(zhì)心, ： 連接i處J點的地球坐標,當 j = A, B, C, D, E, P，： 連接i質(zhì)心軸的局部坐標，：連接i處j點的質(zhì)心坐標圖3 機器人從地面移動到側(cè)壁的表現(xiàn)： 連接i的長度： 和之間的角度： 約束函數(shù), 當 n = 18 ： 約束方程式中的常數(shù) ： 連接2質(zhì)心和連接3質(zhì)心的距離q: 系統(tǒng)的坐標矢量： 矩陣： 雅可比行列式. 是相對于,和部分派生的： 包括已知力，比如地球吸引力： 包括驅(qū)動力： 拉格朗日乘子矢量： 把約束方程考慮在內(nèi)的拉格朗日乘子： 非零原理，： 在X,Y方向連接點2的反作用力，：在X,Y方向連接點3的反作用力，：連接點4的反扭矩: 等同于電動機2的反驅(qū)動力：

10、 等同于電動機3的驅(qū)動力： 等同于電動機4的反驅(qū)動力圖4 機器人在傾斜的表面上移動考慮以下情況：機器人從地面移動到一個傾斜面（如圖4所示），沒有第一個節(jié)點的旋轉(zhuǎn)是必要的。因此，機械手可以被看作是一個四桿，三自由度開環(huán)的機械裝置。一組的笛卡爾坐標被分配到機器人的連接點，這樣的參考方法11可以用來與動力學分析軟件一起執(zhí)行運送或逆動態(tài)分析。由于吸盤的中心線應(yīng)垂直于地面，在動作期間保持不變。轉(zhuǎn)動的節(jié)點2的兩個約束方程為轉(zhuǎn)換連接點3的兩個約束方程是：轉(zhuǎn)動連接點4的兩個約束方程是：對機械手運動方程可以寫為 (2.1)其中由于, 和可以從運動學中計算出來，,是已知的，方程式（2.1）可以改寫為 (2.2)為

11、了找到電動機2的驅(qū)動扭矩，電動機3的驅(qū)動力和電動機4的反驅(qū)動力，要用到以下約束方程 (2.3) (2.4)其中 (2.5)因此，運動方程式可以改寫為 (2.6)用方程式（2.3）-（2.5），新的雅可比行列式為因此，拉格朗日乘數(shù)可以計算為： (2.8)這是用于電機的選擇和機器人連接的設(shè)計。然而，連接點3的反作用力不能直接得到。因此，下面的公式應(yīng)該使用吸盤的安全性分析，力, 和動量將會在第三部分中用到。3.安全分析安全分析是在設(shè)計爬壁機器人時最為重要的考慮因素，爬壁機器人在攀爬時應(yīng)該安全地緊附在表面。有兩個可能發(fā)生的危險情況。一個是機器人的滑動，另一個是機器人的墜落。接下來的理論章節(jié)將介紹如何推

12、導(dǎo)和制定方程式。該程序的部分將討論如何進行的實驗測量吸盤上的斷裂載荷，剪切力和力矩。（根據(jù)畢業(yè)設(shè)計要求，以下略去）6.總結(jié)爬壁機器人的模型和動靜態(tài)分析正在審議之中。這些分析用來確定電機扭矩以及在各結(jié)合點處的相關(guān)作用力。結(jié)果表明，在機械手的內(nèi)置電機應(yīng)具有高扭矩，以支撐全部有效載荷。此外，進行機器人的安全性分析，能夠決定何時機器人會脫離接觸面。要做到這一點，在這個工作場所中，機器人不同位置吸盤的最低真空度應(yīng)該被計算出來。吸盤中各類的載荷，比如力矩，剪切力和拉力，都經(jīng)過了理論和實驗分析。實驗結(jié)果比理論結(jié)果低5%的部分原因是吸盤在負載條件下的變形。為了強調(diào)這個論點，曾試圖考慮吸盤受到壓力的材料彈性的問

13、題。相關(guān)提法已得到發(fā)展。7.參考資料1. H.Hemami, Initiation of walk and tiptoe of planar nine-link biped.Mathematical Bioscience 61,163-189(1982).2. N.Akir et al., Design of a robot cable of moving on a vertical wall.Adv,Robotics1,33-45(1986).3. S.Hirose, Wall Climbing Vehicle Using Internally Balanced Magnetic Unit.

14、 Tokyo Institute of Technology, Japan (1987).4. N.Kira, Bipeal waling robot cable of moving on a vertical wall for inspection use. 5th Int. Symposium on Robotics in Construction, Tokyo, Japan (1988).5. K.Sato, M. Watanable, Y.Fukagawa and H.Morita, On-wall traveling robots for nuclear power plants.

15、Proc. ANC Third Topical Meeting on Robotics and Remote Systems, Charieston, South Carolina(1989).6. S.M.Song and K.J.Akselord, Analytical approach for gait study and its application on wave gaits. Int.J.Robotics Res. 6(2)(1987).7. V.G.Gradesky and B.V.Akselord, Motion of climbing robot with manipula

16、tor under vibration. Robotics and Vision Conference(1991)8. B,Bahr, F.Wu, Y.S.Yin and A.Jaffal, Design of a portable climbing robot. IASTED Int. Conference on Control and Robotics, Vancover, Canada(1992).9. B.Bahr and Y.Yin, Wall climbing robots for aircraft, ships nuclear power plants, sky scrapers, etc. Robotics and Manufacturing Recent Trend in Research, Education and Application 5, 377-382(1994).10. B.Bahr and G.Li, Safety and