爬桿機器人論文綜述

1、 中文摘要姓名：曲新波 學號：101014109 指導老師：譚月勝爬桿機器人家族很龐大,從動力源進行劃分,主要分為機械式和氣動式兩大類。從有無控制系統(tǒng)的層面進行劃分,主要分為普通型和智能型兩大類。普通型就是只有動力源、執(zhí)行機構(gòu),智能型相比普通型還有(反饋)控制機構(gòu)。智能型在實現(xiàn)運動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器人為非智能型機械式爬行器。論文在比較幾類爬行機構(gòu)的優(yōu)劣的基礎上,確定了機器人本體的大致結(jié)構(gòu)。在此基礎上詳細闡述了仿生爬行的原理和機器人模塊化設計的理念。根據(jù)路燈桿的尺寸數(shù)據(jù),設計并制造出機器人樣機。機器人建模的過程(功能的實現(xiàn)與機械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化)包括以

2、下幾個關(guān)鍵點:爬桿機器人設計中的功能機構(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、攀爬力零點的渡過等難點的設計方法和設計準則,為此類爬行機器人的設計提供參考、論文中,對機器人展開運動學和動力學仿真分析。運用ADAMS對用Solldworks所建機器人模型展開運動模擬仿真分析,測試運動部件的各項運動參數(shù)和受力情況并優(yōu)化所建模型的尺寸參數(shù)。機器人中關(guān)鍵部件如機械手連接臂,對機器人的穩(wěn)定爬行很重要,運用有限元分析軟件ANSYS對此進行承載受力分析,查看各機械臂的變形撓度。關(guān)鍵詞:爬桿機器人,變直徑桿,攀爬,仿生學1.1論文研究的目的和意義目前全國日益加快的現(xiàn)代化建設步伐

3、,除了2008年8月在北京舉辦的奧運會、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,需要定期進行壁面維護工作。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性,工作效率也很低,耗資巨大?；瘜W藥劑中所用的去污劑具有很強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。在利用高壓水槍進行清洗時,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,電力系統(tǒng)架設電纜!瓷瓶清潔等工作主要由人工和大型設備來完成,但它們都集中表現(xiàn)出效

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

6、人,用以解決當前城鎮(zhèn)中存在的影響市容的公共設施的清洗、維護問題【1】【2】。該機構(gòu)要能保證良好的運行效果,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器人是人類新世紀的偉大發(fā)明之一,是傳統(tǒng)的機構(gòu)學與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是計算機科學、控制論、機構(gòu)學、信息科學和傳感技術(shù)等多學科綜合性高科技產(chǎn)物,它是一種仿人操作、高速運行、重復操作和精度較高的自動化設備,機器人技術(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)生深遠的影響【3】。機器人產(chǎn)業(yè)己成為當代應用最廣泛、發(fā)展迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支,

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

8、等。按功能用途來分可分為:焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人【7】、提升爬行機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、助殘機器人、巡線爬行機器人、玩具爬行機器人等。根據(jù)不同的驅(qū)動方式和功能等可以設計多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機器人,如氣動管內(nèi)檢測爬行機器人,電磁吸附多足式爬行機器人、電驅(qū)動壁面焊弧爬行機器人等,每一種形式的爬行機器人都有各自的應用特點。研究現(xiàn)狀爬行機器人【8】【9】【10】是機器人大家族中的一員,爬升機器人因為需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動,完成特定條件下的作業(yè),區(qū)別于平面移動機器人,故爬升機器人是機器人領(lǐng)域的一個重要研究分支,從運動方式上來表征的一種機器

9、人,形式是多種多樣的。爬行機器人并不少見,但是通常來說,這類機器人大多采用多足來進行移動或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動前進。更主要的是,平常的機器人,因為體積或行動方式的影響,不能到一些特殊的地方進行工作,比如說管道,壁面等等特種用途的領(lǐng)域。爬升機器人與一般地面移動機構(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,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作業(yè)。對于管道外壁表面【15】,已有車輪移動形!姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(guān)節(jié)形機器人,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)外的學者很早就對爬行機器人進行研究工作,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爬行機構(gòu)主要有電動機械式爬桿機器人、電動液壓式爬桿機器人和氣動蠕行式爬桿機器人【16】【17】【18】【19】等。電動機械式爬行器是由電動機帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動,依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降【20】。螺旋運動爬升機器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的,輪子滾動方向與水平面成一定角度,這樣輪子轉(zhuǎn)動時它在桿體上形成的是螺旋軌跡,沿此軌跡通過電動機的正反轉(zhuǎn)該機構(gòu)便可實現(xiàn)上升和下降運動。電動機械式爬桿機器人和螺旋

11、線運動爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體,依靠此摩擦力帶動整個機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作,且機器人總體機構(gòu)較復雜。氣動蠕行式爬桿機器人用氣缸驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)交替夾緊和移動,其向上爬行時氣缸動作一個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,機器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機器人,其上升和下降運動的實現(xiàn)由氣壓控制,需要氣源和氣動控制系統(tǒng),因此其設備成本較高。國外有代表性的有東京大學研制的關(guān)節(jié)型行走機器人,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機器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護用氣動蠕動式爬纜機器人【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氣動蠕動式爬纜機器人機構(gòu)簡圖機器人由基礎模塊即爬升機構(gòu)加裝相應的作業(yè)模塊而成。爬升機構(gòu)本體分上體、下體兩部分,其間由兩只提升氣缸和兩組導向軸副相聯(lián)接,可相對移動一個行程距離提升氣缸上部的活塞桿端頭通過浮動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)。導向軸承座通過彈性墊安裝于下體安裝板上。導向軸隨上體安裝板沿導向軸承座內(nèi)的直線軸承移動時,能繞軸線作擺動,使整體機構(gòu)能沿

13、纜索爬升。此外還有浙江大學陳俊龍教授設計的氣動爬桿機器人【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(機器人可在地面上方便地作水平移動,使兩爪輕套在桿子上),每對爪子由固定爪和活動爪組成,固定爪(13)和(15)分別固定安裝在上部(10)和底部(1)上,依靠活動爪的壓緊和松開實現(xiàn)對直桿的抱緊和松開。而活動爪(12)和(14)的緊松則由各自的氣缸實現(xiàn),如圖中的上夾氣缸(11)和下夾氣缸(16)。攀爬運動的動力由升降氣缸(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。當上夾氣缸(11)松開,下夾氣缸(16)夾

14、緊時,升降氣缸(6)下腔進氣,上腔排氣,則活塞和球頭活塞桿(7)推動上部(10)沿著導柱(8)向上移動,到達行程終了位置時,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,升降氣缸(6)上腔進氣,下腔排氣,從而使升降氣缸的缸體連同安裝的底部(1)一起沿著導柱(8)上升到與上部(10)相合止,至此,完成了攀升的一個循環(huán)。這樣,機器人一步一步往上攀升。清華大學研發(fā)設計的爬桿機器人采用自重式鎖緊機構(gòu)【20】 (如圖1-4(a)所示),機器人靠自重壓迫鋼球使滑塊(機械手)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、該機構(gòu)改進后可爬升和返回,如圖1-4(b、c)所示,由小氣缸推動鋼球解鎖,便可雙向爬行,但需要加上一套氣動控制設備。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動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,設備成本較高。電動機械式管外爬行機器人,國內(nèi)比較典型的有陜西科技大學研制的管外爬桿機器人【23】,如圖1-5所示。 管外爬桿機器人抓緊裝置,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)上設置有上凸輪(4),在上凸輪(5)的上下兩側(cè)還設置有可與上凸輪(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)上依次設置有凸輪(11)、(12),凸輪(11)、(12)的兩側(cè)還設置有可同凸輪(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)之間還設置有彈簧(3)。上、下箱體(6)、(16)上還設置有與立柱(15)相接觸的導輪(7)。通過曲柄的轉(zhuǎn)動和連桿平面運動來帶動上!下爪頭沿桿壁移動完成上升和下降運動。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)外所設計制造的各種電機機械式爬行器均有一個缺陷:它們大多采用凸輪機構(gòu)夾緊【26】,由于凸輪機構(gòu)的不可伸縮性,一個爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件【22】。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決,其上升和下降由氣壓控制,還需要氣源和氣動控制系統(tǒng),因此其設備成本和維護費用較高。綜合文獻顯示,目前國內(nèi)外尚沒有在此類爬行機構(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器人研究的目的和意義。第一節(jié)對機器人進行了詳細分類;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行了討論。參考文獻1 張海洪,談士力,龔振邦,等.壁面自動清洗機器人清洗工藝分析J

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