爬桿機(jī)器人論文綜述

1、 中文摘要姓名：曲新波 學(xué)號：101014109 指導(dǎo)老師：譚月勝爬桿機(jī)器人家族很龐大,從動(dòng)力源進(jìn)行劃分,主要分為機(jī)械式和氣動(dòng)式兩大類。從有無控制系統(tǒng)的層面進(jìn)行劃分,主要分為普通型和智能型兩大類。普通型就是只有動(dòng)力源、執(zhí)行機(jī)構(gòu),智能型相比普通型還有(反饋)控制機(jī)構(gòu)。智能型在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的難度上比普通型要低。論文中,筆者所研究制造的蠕行式仿生爬桿機(jī)器人為非智能型機(jī)械式爬行器。論文在比較幾類爬行機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上,確定了機(jī)器人本體的大致結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了仿生爬行的原理和機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)的理念。根據(jù)路燈桿的尺寸數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)并制造出機(jī)器人樣機(jī)。機(jī)器人建模的過程(功能的實(shí)現(xiàn)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化)包括以

2、下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)中的功能機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合、攀爬手臂夾持重合度的選擇、攀爬力的變化與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系、攀爬力零點(diǎn)的渡過等難點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,為此類爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考、論文中,對機(jī)器人展開運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析。運(yùn)用ADAMS對用Solldworks所建機(jī)器人模型展開運(yùn)動(dòng)模擬仿真分析,測試運(yùn)動(dòng)部件的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和受力情況并優(yōu)化所建模型的尺寸參數(shù)。機(jī)器人中關(guān)鍵部件如機(jī)械手連接臂,對機(jī)器人的穩(wěn)定爬行很重要,運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對此進(jìn)行承載受力分析,查看各機(jī)械臂的變形撓度。關(guān)鍵詞:爬桿機(jī)器人,變直徑桿,攀爬,仿生學(xué)1.1論文研究的目的和意義目前全國日益加快的現(xiàn)代化建設(shè)步伐

3、,除了2008年8月在北京舉辦的奧運(yùn)會、2010年將要在上海舉辦的世博會之外,隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速增長、人民生活水平日益提高,城鎮(zhèn)中隨之矗立起無數(shù)的高層城市建筑,各類集實(shí)用性與美觀性一體的市政、商業(yè)工程諸如電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告牌立柱等(圖1-1),它們通常5-30米,有的甚至高達(dá)百米,壁面多采用油漆、電鍍、玻璃鋼結(jié)構(gòu)等,由于常年裸露在大氣之中,風(fēng)沙長年累月的積累會形成灰塵層,該污染影響城市的美觀,同時(shí)空氣中混合的酸性物質(zhì)也會對這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞,加快它們的生銹,并縮短它們的使用壽命,需要定期進(jìn)行壁面維護(hù)工作。圖1-1變直徑桿城市建筑圖為保持清潔,許多國際性城市如

4、廈門、深圳、香港等地規(guī)定,每年至少清洗數(shù)次。目前傳統(tǒng)的清洗技術(shù)主要分為人工清洗(化學(xué)藥劑清洗)和高壓水槍清洗等方法。其中人工清洗是由清潔工人搭乘吊籃進(jìn)行高空作業(yè)來完成,工人的工作環(huán)境惡劣,具有很大程度上的危險(xiǎn)性,工作效率也很低,耗資巨大。化學(xué)藥劑中所用的去污劑具有很強(qiáng)的毒副作用會對人造成潛在的危害,并易造成環(huán)境的二次污染;高壓水槍清洗耗能比較大、成本高,且對周邊環(huán)境有很大的影響。在利用高壓水槍進(jìn)行清洗時(shí),它的周邊不能有車輛!行人通過,且不能有過近的建筑物其它高空作業(yè)諸如:各種桿狀城市建筑的油漆、噴涂料、檢查、維護(hù),電力系統(tǒng)架設(shè)電纜!瓷瓶清潔等工作主要由人工和大型設(shè)備來完成,但它們都集中表現(xiàn)出效

5、率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大!耗能高、二次污染嚴(yán)重等問題。隨著機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護(hù)意識的增強(qiáng),迫切希夕望能用機(jī)器人代替人工進(jìn)行這些高空危險(xiǎn)作業(yè),從而把人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的勞動(dòng)環(huán)境中解脫出來。開發(fā)能在施工現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用的立柱爬桿清洗機(jī)器人,將是很有意義的,必具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。爬桿清洗機(jī)器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗成本,改善工人的勞動(dòng)環(huán)境,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,或?qū)砬逑礃I(yè)的一次革命。這種機(jī)器人的研制必將具有很大的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。該課題旨在研發(fā)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)適用、價(jià)格便宜、操作簡便的適用于路燈桿等桿狀城市設(shè)施可搭載清洗、維護(hù)設(shè)備的爬桿機(jī)器

6、人,用以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響市容的公共設(shè)施的清洗、維護(hù)問題【1】【2】。該機(jī)構(gòu)要能保證良好的運(yùn)行效果,低耗能高效率,綠色環(huán)保,節(jié)省人力物力。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的主要問題機(jī)器人是人類新世紀(jì)的偉大發(fā)明之一,是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物,它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動(dòng)化設(shè)備,機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生根本性的變化,而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響【3】。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)己成為當(dāng)代應(yīng)用最廣泛、發(fā)展迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,

7、將成為21世紀(jì)各國爭奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)的制高點(diǎn)【4】。機(jī)器人的分類機(jī)器人的種類多種多樣從應(yīng)用環(huán)境出發(fā),將機(jī)器人分為兩大類:工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人?；蛘叻譃閮深?制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機(jī)器人。仿生機(jī)器人是未來機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向,按仿生學(xué)角度來分可分為:蝗螂式爬行機(jī)器人、蜘蛛式爬行機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、尺鑊式爬行機(jī)器人等。按驅(qū)動(dòng)方式來分可分為:氣動(dòng)爬行機(jī)器人、電動(dòng)爬行機(jī)器人和液壓驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)器人等。按行走方式可分為:輪式【5】、履帶式、蠕動(dòng)式、多足式等。按工作空間來分可分為:管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人【6】、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無人飛機(jī)!空間機(jī)器人

8、等。按功能用途來分可分為:焊弧爬行機(jī)器人、檢測爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人【7】、提升爬行機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、巡線爬行機(jī)器人、玩具爬行機(jī)器人等。根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式和功能等可以設(shè)計(jì)多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機(jī)器人,如氣動(dòng)管內(nèi)檢測爬行機(jī)器人,電磁吸附多足式爬行機(jī)器人、電驅(qū)動(dòng)壁面焊弧爬行機(jī)器人等,每一種形式的爬行機(jī)器人都有各自的應(yīng)用特點(diǎn)。研究現(xiàn)狀爬行機(jī)器人【8】【9】【10】是機(jī)器人大家族中的一員,爬升機(jī)器人因?yàn)樾枰朔亓Φ淖饔枚煽康匾栏接谂郎砻嫔喜⒆灾饕苿?dòng),完成特定條件下的作業(yè),區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人,故爬升機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支,從運(yùn)動(dòng)方式上來表征的一種機(jī)器

9、人,形式是多種多樣的。爬行機(jī)器人并不少見,但是通常來說,這類機(jī)器人大多采用多足來進(jìn)行移動(dòng)或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動(dòng)前進(jìn)。更主要的是,平常的機(jī)器人,因?yàn)轶w積或行動(dòng)方式的影響,不能到一些特殊的地方進(jìn)行工作,比如說管道,壁面等等特種用途的領(lǐng)域。爬升機(jī)器人與一般地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最明顯不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動(dòng),完成特定條件下的作業(yè)。 最早開始研究且研究最多的是爬壁機(jī)器人【11】【12】,適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面【13】【14】和大球形表面上的危險(xiǎn)作業(yè)。對于管道外壁表面【15】,已有車輪移動(dòng)形!姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(guān)節(jié)形機(jī)器人,用于石油、化工企業(yè)等多為水平

10、管線上的檢查和診斷,且牽引力較小。國內(nèi)外的學(xué)者很早就對爬行機(jī)器人進(jìn)行研究工作,獲得了豐碩的成果。目前,國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人【16】【17】【18】【19】等。電動(dòng)機(jī)械式爬行器是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng),依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降【20】。螺旋運(yùn)動(dòng)爬升機(jī)器人的爬行動(dòng)作是由輪子的安裝位置決定的,輪子滾動(dòng)方向與水平面成一定角度,這樣輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它在桿體上形成的是螺旋軌跡,沿此軌跡通過電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)該機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)上升和下降運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋

11、線運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體,依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作,且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動(dòng),其向上爬行時(shí)氣缸動(dòng)作一個(gè)周期的過程為下部汽缸夾緊,上部汽缸松開,提升汽缸活塞桿伸出,上部上升;上部汽缸夾緊,下部汽缸松開,提升氣缸體上升,下部上升。如此反復(fù),機(jī)器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人,其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制,需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng),因此其設(shè)備成本較高。國外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機(jī)器人,可沿水平或垂直的直桿爬行,能跨越法蘭、平行桿【21】,并

12、可繞T型桿和L型桿爬行。國內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人【22】,見圖1-2,可在各種斜度的纜索上爬行,能完成纜索檢測、清洗等工作,并具有一定的智能性。 圖1-2氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖機(jī)器人由基礎(chǔ)模塊即爬升機(jī)構(gòu)加裝相應(yīng)的作業(yè)模塊而成。爬升機(jī)構(gòu)本體分上體、下體兩部分,其間由兩只提升氣缸和兩組導(dǎo)向軸副相聯(lián)接,可相對移動(dòng)一個(gè)行程距離提升氣缸上部的活塞桿端頭通過浮動(dòng)接頭與上體安裝板聯(lián)接,缸體由中央軸與下體安裝板相聯(lián)。導(dǎo)向軸承座通過彈性墊安裝于下體安裝板上。導(dǎo)向軸隨上體安裝板沿導(dǎo)向軸承座內(nèi)的直線軸承移動(dòng)時(shí),能繞軸線作擺動(dòng),使整體機(jī)構(gòu)能沿

13、纜索爬升。此外還有浙江大學(xué)陳俊龍教授設(shè)計(jì)的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人【18】,如圖1-3所示。在上部(10)和底部(1)上,各裝有一對套在直桿上的爪子(機(jī)器人可在地面上方便地作水平移動(dòng),使兩爪輕套在桿子上),每對爪子由固定爪和活動(dòng)爪組成,固定爪(13)和(15)分別固定安裝在上部(10)和底部(1)上,依靠活動(dòng)爪的壓緊和松開實(shí)現(xiàn)對直桿的抱緊和松開。而活動(dòng)爪(12)和(14)的緊松則由各自的氣缸實(shí)現(xiàn),如圖中的上夾氣缸(11)和下夾氣缸(16)。攀爬運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力由升降氣缸(6)提供,升降氣缸(6)的缸體固定在底部(1)上,而球頭活塞桿(7)的球頭則安裝在上部(10)上。當(dāng)上夾氣缸(11)松開,下夾氣缸(16)夾

14、緊時(shí),升降氣缸(6)下腔進(jìn)氣,上腔排氣,則活塞和球頭活塞桿(7)推動(dòng)上部(10)沿著導(dǎo)柱(8)向上移動(dòng),到達(dá)行程終了位置時(shí),上夾氣缸(11)夾緊,然后下夾氣缸(16)松開,即上爪緊,下爪松,與此同時(shí),升降氣缸(6)上腔進(jìn)氣,下腔排氣,從而使升降氣缸的缸體連同安裝的底部(1)一起沿著導(dǎo)柱(8)上升到與上部(10)相合止,至此,完成了攀升的一個(gè)循環(huán)。這樣,機(jī)器人一步一步往上攀升。清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人采用自重式鎖緊機(jī)構(gòu)【20】 (如圖1-4(a)所示),機(jī)器人靠自重壓迫鋼球使滑塊(機(jī)械手)鎖緊在桿壁上,可以爬行較小范圍的變直徑桿,但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行(從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行)。

15、該機(jī)構(gòu)改進(jìn)后可爬升和返回,如圖1-4(b、c)所示,由小氣缸推動(dòng)鋼球解鎖,便可雙向爬行,但需要加上一套氣動(dòng)控制設(shè)備。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決(如圖1-2、1-3所示),其上升和下降由氣壓控制,設(shè)備成本較高。電動(dòng)機(jī)械式管外爬行機(jī)器人,國內(nèi)比較典型的有陜西科技大學(xué)研制的管外爬桿機(jī)器人【23】,如圖1-5所示。 管外爬桿機(jī)器人抓緊裝置,包括立柱(15)以及可固定在立柱上的上箱體(6)和下箱體(16),上、下箱體(6)、(16)上分別設(shè)置有上、下凸輪軸(5)、(10),上、下凸輪軸(5)、(10)通過連桿(13)和曲柄(14)將上、下箱體(6)、(16)連為一體,

16、在上箱體(6)內(nèi)的上凸輪軸(5)上設(shè)置有上凸輪(4),在上凸輪(5)的上下兩側(cè)還設(shè)置有可與上凸輪(5)保持接觸的上爪臂(2)和與立柱(15)相接觸的上爪頭(1),在下箱體(16)內(nèi)的下凸輪軸(10)上依次設(shè)置有凸輪(11)、(12),凸輪(11)、(12)的兩側(cè)還設(shè)置有可同凸輪(11)、(12)保持接觸的下爪臂(9)和與立柱(15)相接觸的下爪頭(8)。上、下爪臂(2)、(9)與上、下箱體(6)、(16)之間還設(shè)置有彈簧(3)。上、下箱體(6)、(16)上還設(shè)置有與立柱(15)相接觸的導(dǎo)輪(7)。通過曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)和連桿平面運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)上!下爪頭沿桿壁移動(dòng)完成上升和下降運(yùn)動(dòng)。目前存在的主要問題由上面

17、敘述及調(diào)研可知目前國內(nèi)外所設(shè)計(jì)制造的各種電機(jī)機(jī)械式爬行器均有一個(gè)缺陷:它們大多采用凸輪機(jī)構(gòu)夾緊【26】,由于凸輪機(jī)構(gòu)的不可伸縮性,一個(gè)爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件【22】。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決,其上升和下降由氣壓控制,還需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng),因此其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。綜合文獻(xiàn)顯示,目前國內(nèi)外尚沒有在此類爬行機(jī)構(gòu)方面的深入研究。小結(jié)本章主要介紹了蠕行式仿生變直徑桿爬行機(jī)器人研究的目的和意義。第一節(jié)對機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)分類;第二節(jié)就該課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的主要問題進(jìn)行了討論。參考文獻(xiàn)1 張海洪,談士力,龔振邦,等.壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人清洗工藝分析J

18、.機(jī)電一體化,2001.(1):1-32 王園宇,武利生,李元宗.壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢淺析J.引進(jìn)與咨詢,2002.(4):3-43 蔣新松.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論M.遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1994:12-184 邵浩.壁面清洗爬壁機(jī)器人.中國第五屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會議論文集c.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997:134-1385 Yu Shengwei, Yan Wenjun.Design of low-level motion controller for a two-wheel mobile mini-robotJ. Mechanical &Electrical Engineering Magazin

19、e ,2006,23(9):38-40,466 Kiichi. Development of A Self Contained Wall-Climbing Robot J.機(jī)械技術(shù)研究所所報(bào)，1992,46（2）：55-567 趙興飛,周憶,石崇輝.氣驅(qū)爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與計(jì)算J.機(jī)床與液壓,2003.(3):1-38 徐生,張立彬,楊慶華,等.氣動(dòng)蠕動(dòng)爬桿機(jī)器人z.機(jī)械工程師,2004.(3):2-39 楊存智.爬桿（繩）機(jī)器人的研制J.機(jī)電一體化,2003.(4):l-310 陳俊龍,張美琴,盛剛,等.繼電器控制的爬桿機(jī)器人J.機(jī)電工程,2005.22(9):1-411 于復(fù)生,宿孝慶,沈孝芹,等一種氣動(dòng)爬桿機(jī)器人P.中國專利,200620