鐵基罐體表面爬壁機器人的研制

1、鐵基罐體表面爬壁機器人的研制  摘 要         本文應(yīng)用Solid works三維造型軟件，實現(xiàn)了對鐵基罐體表面爬行機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。應(yīng)用89S52單片機實現(xiàn)了其控制系統(tǒng)的設(shè)計，從而完成了鐵基罐體表面爬行機器人系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，機器人控制主要有手持操作盒完成。在本系統(tǒng)中，用戶可以輸入機器人運行速度、運行距離等參數(shù)，控制機器人的運動并且可以通過LED數(shù)碼管組成的屏幕觀看機器人的運動狀況。在論文中并對鐵基罐體表面爬行機器人的表面適應(yīng)能力、轉(zhuǎn)向靈活性進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：

2、89S52；鐵基罐體；機器人      ABSTRACT The robot was use Solid works three-dimensional model software, is it creep the mechanical structural design of the robot the body surface to iron base pot to realize. Use 89S52 one-chip computer realize design of control system their,

3、finish iron base pot creep the robot system the body surface. In this system, the robot controls and holds and operates the box to finish mainly. Among system this, user can input robot operation speed, operate from, etc. the parameter, control sport of robot and can watch the sport state of the rob

4、ot through LED number screen made up to in charge of. Is it creep surface adaptive capacity of robot, turn to iron base pot to flexibility analyses the body surface to combine among thesis. Key words: 89S52；Iron base pot; robot  目 錄摘要-IABSTRACT-II1. 緒論-11.1機器人系統(tǒng)概論- -11.1.1 機器人發(fā)展?fàn)顩r-11.1.2 機

5、器人的應(yīng)用與發(fā)展趨勢-21.2 課題任務(wù)-31.2.1 課題背景和研究意義-31.2.2 本論文的主要工作任務(wù)及目標(biāo)-42. 總體結(jié)構(gòu)-62.1 結(jié)構(gòu)概述-62.2 結(jié)構(gòu)組成-63. 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計-83.1 履帶輪的設(shè)計-83.2 履帶的設(shè)計-93.3 張緊機構(gòu)的設(shè)計- -94.表面適應(yīng)能力分析-124.1力學(xué)模型-124.2影響爬壁機器人壁面適應(yīng)能力的因素-124.2.1履帶與壁面的貼和系數(shù)-124.2.2載荷分散系數(shù)-134.3提高壁面爬行機器人壁面適應(yīng)能力的措施-134.3.1適當(dāng)加長履帶和使用張緊輪-134.3.2采用后輪驅(qū)動的方式-144.3.3前面從動輪采用浮動支撐-154.3.4

6、載荷分散機構(gòu)-154.3.5平行四邊形結(jié)構(gòu)-165.轉(zhuǎn)向靈活性分析-185.1爬壁機器人靜力學(xué)分析-185.2爬壁機器人轉(zhuǎn)彎運動分析-195.3爬壁機器人人轉(zhuǎn)彎動力學(xué)分析-195.4爬壁機器人運動靈活性定義與分析-215.4.1轉(zhuǎn)向靈活性的定義-215.4.2大半徑轉(zhuǎn)向靈活性的分析-216.控制系統(tǒng)設(shè)計-236.1爬壁機器人的工作環(huán)境-236.2單片機驅(qū)動部分-236.3顯示部分-246.4傳感器部分-267.結(jié)論- 29附件-30參考文獻(xiàn)-35致謝-361 緒論1.1機器人系統(tǒng)概論1.1.1機器人發(fā)展?fàn)顩r機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。機器人技術(shù)的發(fā)

7、展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，同時，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國加強了經(jīng)濟(jì)的投入，同時也加強了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在普及第一代工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機器人已經(jīng)推廣，成為主流安裝機型，第三代智能機器人已占有一定比重（占日本1998年安裝臺數(shù)的10%，銷售額的36%）。當(dāng)前機器人的現(xiàn)狀主要有一下一個方面：（1） 機械結(jié)構(gòu) 以關(guān)節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機器人約占總數(shù)量的1/3。90年代初開發(fā)的適應(yīng)與窄小空間、快節(jié)奏、360°全工作范圍的垂直關(guān)節(jié)型機器人大量應(yīng)用于焊接和上、下料。

8、 應(yīng)3K和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)的需求，超大型機器人應(yīng)運而生。如焊接數(shù)10米長、十噸以上大構(gòu)件的弧焊機器人群，采取螞蟻啃骨頭的協(xié)作機構(gòu)。 CAD、CAE等技術(shù)已普遍應(yīng)用于設(shè)計、仿真和制造中。（2） 控制技術(shù) 大多采用32位CPU，控制軸數(shù)多大27軸，NC技術(shù)、離線編程技術(shù)大量采用。 協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機、多機器人的協(xié)調(diào)控制，正逐步實現(xiàn)多功能體的協(xié)調(diào)控制。 采用基于PC的開放接口的控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一種潮流，其成本低，具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)功能。（3） 驅(qū)動技術(shù) 80年代發(fā)展起來的AC伺服驅(qū)動已經(jīng)成為主流驅(qū)動技術(shù)，用于工業(yè)機器人中。DD驅(qū)動技術(shù)則廣泛的用于裝配機器人中。 新一代的伺服

9、電機與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合得控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)機器人中；在遠(yuǎn)程控制中已采用分布式智能驅(qū)動新技術(shù)。（4）應(yīng)用智能化的傳感器裝有視覺傳感器的機器人數(shù)量呈上升趨勢，不少機器人裝有兩種傳感器，有些機器人留有多種傳感器接口。（5）通用機器人編程語言在當(dāng)前的機器人控制技術(shù)中，有多種操作系統(tǒng)應(yīng)用于此，一些通用的編程語言也有了非常大的發(fā)展。（6）網(wǎng)絡(luò)通訊方式當(dāng)前有多種通訊方式，比如RS-232、RA-422、RS-485、CANBUS等通訊接口。（7）集成化與系統(tǒng)化當(dāng)今機器人技術(shù)的一個特點是應(yīng)用從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺以上的機器人群與微機及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個大群體（多智能體）

10、?？鐕蠹瘓F(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品連接在一起，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、的虛擬制造，為工業(yè)機器人的系統(tǒng)化發(fā)展推波助瀾。1.1.2 機器人的應(yīng)用與發(fā)展趨勢國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：（1）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的103萬美元降至97年的65萬美元。（2）機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便

11、于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。（4）機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。（5）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。（6）當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控

12、加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。（7）機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。  我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家

13、企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、

14、?；O(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。    我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以

15、期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.2課題任務(wù)1.2.1課題背景和研究意義隨著人類社會的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展, 人們對生活質(zhì)量和工作環(huán)境的要求愈來愈高, 服務(wù)機器人應(yīng)運而生。智能化的服務(wù)機器人可取代人在危險場合、惡劣環(huán)境的作業(yè), 完成人難以進(jìn)行的工作, 因而各國科學(xué)家對各種服務(wù)機器人技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用越來越重視?？梢灶A(yù)言, 它將成為未來機器人研究和發(fā)展的主流。在石油提煉工業(yè)中, 長期以來人們?yōu)樘岣哂凸奕莘e測量精度進(jìn)行了不懈的努力。目前, 石油和其液態(tài)產(chǎn)品均采用光學(xué)參比法(GB/T 1323512- 91) 來檢測油罐的容積, 該方法由人牽引測量儀器沿油罐外壁測量油罐外徑, 進(jìn)而推

16、算油罐容積。在中國北方氣候寒冷, 一些性能要求較高的石油產(chǎn)品, 儲存時常需要在油罐外壁加保溫層、在油罐底部加熱, 這會使油罐產(chǎn)生一定的變形。油罐使用一段時間后, 必須對容積重新標(biāo)定。這類外保溫金屬油罐只能通過檢測油罐內(nèi)壁求得容積。由于油罐內(nèi)不允許設(shè)置供測量人員使用的走道, 因而至今還采用相當(dāng)粗糙的方法測量油罐容積如圖1.1所示。 圖1.1 油罐容積標(biāo)定示意圖該方法由人用竹竿把測量標(biāo)尺沿油罐內(nèi)壁頂?shù)较鄳?yīng)的檢測點，利用參比法測量儀(圖中I) , 觀察置于檢測點標(biāo)尺B 的刻度并作記錄, 并沿油罐內(nèi)壁內(nèi)圈 每隔3m 選擇一檢測點。內(nèi)圈 與內(nèi)圈 相距1m 左右(可選擇)。油罐的變形程度可通過記錄的標(biāo)尺B

17、 刻度進(jìn)行推算, 進(jìn)而推知油罐的容積變化量。由于油罐高度h 通常在20米左右, 當(dāng)檢測點位置高度較高時, 測量標(biāo)尺不易精確定位, 因而測量精度較難保證。目前已提出的幾種測量方法均很難說完美。如何準(zhǔn)確地定位標(biāo)尺, 事關(guān)油罐測量的精度, 由于測量工作人員無法攀登至相應(yīng)高度定位標(biāo)尺, 油罐內(nèi)壁又無相應(yīng)的固定位置供標(biāo)尺定位, 各種方法都不可避免地存在著較大的測量誤差。如果能夠借助攜帶檢測標(biāo)尺的爬壁機器人, 使其按檢測油罐容積需求的運動軌跡移動,并在相應(yīng)的檢測點 停頓, 以便檢測人員作相應(yīng)的測量, 必將大大提高測量精度, 減少由于標(biāo)尺定位不準(zhǔn)所帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失。為此本設(shè)計就是在這樣的背景下所做的?；?/p>

18、鐵基罐體表面的爬行機器人不僅能夠用于油罐容積測量，而且可以廣泛應(yīng)用于危險、惡劣環(huán)境下的其他大型金屬物體的表面防腐、噴涂、探傷等工作，有著非常重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。1.2.2本論文完成的主要工作本論文的主要工作有如下幾項：1. 鐵基罐體表面爬行機器人的總體機構(gòu)設(shè)計，該部分主要包括：履帶輪的設(shè)計、履帶的設(shè)計、張緊機構(gòu)設(shè)計；2. 鐵基罐體表面爬行機器人的轉(zhuǎn)向靈活性分析；3. 鐵基罐體表面爬行機器人的壁面適應(yīng)能力分析；4. 鐵基罐體表面爬行機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計，該部分主要包括：直流減速電機的運行控制、鐵基罐體表面爬行機器人的轉(zhuǎn)向控制； 2總體結(jié)構(gòu)2.1結(jié)構(gòu)概述機器人要在壁面上自由移動，必須具備吸附

19、功能和移動功能。吸附方式有真空泵式、噴射器式、電磁鐵式和永磁體式等幾種，移動方式又有輪式、足式和履帶式多種。針對油罐壁面為鋼板（厚度512mm），表面有油膜等污物，存在高低不平的搭接焊接臺階，需要全方位靈活移動等環(huán)境和要求，選擇了永磁體吸附、履帶式移動的方案。它的吸附安全性好，無需外部供能，即使在控制器出現(xiàn)故障時也不會脫離壁面而墜落。這種具有相當(dāng)多數(shù)量小型永磁吸盤的履帶結(jié)構(gòu)，著壁面積大，吸附力也大，對壁面的凹凸不平、彎曲及臺階等均有較強的自適應(yīng)能力。在本課題中，考慮到經(jīng)濟(jì)成本和現(xiàn)場應(yīng)用能力，采用電纜供電和RS-485總線方式進(jìn)行信號傳輸。本課題中，該鐵基罐體表面爬行機器人有電纜供電，采用24V

20、直流電源供電。控制方式有兩種方式可共選擇：一種采用手持操作盒式方式，直接對其控制；第二種是采用計算機控制，由計算機發(fā)出指令控制鐵基罐體表面爬行機器人運動。2.2結(jié)構(gòu)組成鐵基罐體表面爬行機器人的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示：圖2.1鐵基罐體表面爬行機器人總體結(jié)構(gòu)框圖鐵基罐體表面爬行機器人的結(jié)構(gòu)見圖如圖2.2所示：圖2.2 鐵基罐體表面爬行機器人結(jié)構(gòu)鐵基罐體表面爬行機器人的吸附機構(gòu)是履帶，履帶是有鏈條改裝而成，兩條鏈條組成一條履帶，將具有強吸附能力的磁鐵固定于鏈條組成的履帶上，靠磁鐵的吸附能力附著在金屬罐體表面。同時，具有履帶張緊機構(gòu)，能使履帶非常好的附著在金屬罐體表面。鐵基罐體表面爬行機器人的底盤

21、與兩側(cè)履帶之間通過鉸接連接，以使鐵基罐體表面爬行機器人能夠適應(yīng)罐體表面的凸起等障礙。3.機械機構(gòu)設(shè)計3.1履帶輪的設(shè)計基于金屬表面的鐵基罐體爬壁機器人，履帶輪采用鏈輪組成，其結(jié)構(gòu)形式如圖3.1所示，采用雙鏈輪結(jié)構(gòu)，兩個鏈輪為一組，共四組，組成爬壁機器的驅(qū)動輪和從動輪。圖3.1 履帶輪的樣式由于鏈傳動是屬于有中間撓性件的嚙合傳動。與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，練傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動效率較高；又因為鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用與軸上的徑向壓力較小；在同樣使用條件下，鏈傳動結(jié)構(gòu)較為緊湊。同時鏈傳動能在高溫及速度較低的情況下工作。與齒輪傳動向比，鏈傳動的制造

22、與安裝精度要求較低，成本低廉；在遠(yuǎn)距離傳動時，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動輕便的多。鏈傳動的主要缺點是：在兩根平行軸間只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動；運轉(zhuǎn)時不能保持恒定的瞬時傳動比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時有噪聲；不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動中應(yīng)用。鏈傳動主要在要求工作可靠，且兩軸相距較遠(yuǎn)，以及其他不宜采用齒輪傳動的場合。例如：在摩托車上應(yīng)用了鏈傳動，結(jié)構(gòu)上大為簡化，而且使用方便可靠。鏈傳動還可用于低速重型及極為惡劣的工作條件下，例如掘土機的運行機構(gòu)，雖受到土塊、泥漿及瞬時過載等影響，但仍能很好的工作。基于以上原因，鏈傳動可以非常好的應(yīng)用于爬壁機器人中，它完全滿足爬壁機器人的工作環(huán)境，以及傳動控制的要求。3

23、.2履帶的設(shè)計在鐵基罐體表面爬行機器人中，履帶的設(shè)計是非常重要的一個環(huán)節(jié)，其樣式如圖3.2所示。圖3.2 鐵基罐體爬壁機器人一節(jié)履帶樣式在鐵基罐體爬壁機器人中，履帶是由鏈條改造而來，按用途同,鏈條可以分為：傳動鏈、輸送鏈和起重鏈。輸送鏈和起重鏈主要用在運輸和起重機械中，而在一般機械傳動中，常用的是傳動鏈。傳動鏈傳遞的功率一般在100kW一下，鏈速一般不超過15m/s，推薦使用的最大傳動比。傳動鏈有短節(jié)距精密滾子鏈（簡稱滾子鏈）、齒形鏈等類型。其中滾子鏈?zhǔn)褂米顝V，齒形鏈?zhǔn)褂幂^少?；跐L子鏈的一些優(yōu)點及其標(biāo)準(zhǔn)化的特點，在爬壁機器人中采用滾子鏈。并對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑臁Ｓ捎诒緳C器人采用雙鏈輪組成驅(qū)動輪

24、和從動輪，因此一條履帶需要兩條鏈條組成，將原有鏈條的銷軸加長到兩個鏈輪之間的距離，然后在連個鏈條之間加工一個能夠?qū)⒋盆F放置于其上的硬鋁中，利用銷軸將其固定。這樣就組成了一節(jié)鏈條，利用其上的強磁鐵吸附于金屬表面，放置磁鐵的硬鋁即將磁鐵固定于其中，又將磁路隔斷，有利于強磁鐵的磁力的集中，保證鐵基罐體表面爬行機器人穩(wěn)定的附著在其表面。3.3履帶張緊機構(gòu)的設(shè)計鏈傳動張緊的目的，主要是為了避免在鏈條的垂度過大時產(chǎn)生嚙合不良和鏈條的振動現(xiàn)象；同時也為了增加鏈條與鏈輪的嚙合包角。而在爬壁機器人中張緊是為了使機器人能夠很好的附著在罐體表面，增加其穩(wěn)定性。由于爬壁機器人靠磁鐵對鐵罐吸引力附著在罐體表面，一些大的

25、金屬罐體長期置放于惡劣的環(huán)境中，表面有很多油污等污物，再加上罐體一般是有金屬焊接而成，因此表面不一定很光滑，會有一些焊縫等凸起。因此如果鏈條過緊，鏈條將失去其能夠曲折的柔性，在一些凸起的地方無法很好的附著在罐體表面，同時如果不加張緊裝置隨著鏈條的老化，鏈條將松動，不利于機器人運行的穩(wěn)定。張緊機構(gòu)有圖3.3所示的機構(gòu)組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。張緊機構(gòu)有4個圖3.3所示的機構(gòu)相互對稱組成，上邊兩個之間與下邊兩個張緊輪之間通過彈簧連接，依靠彈簧的彈力分別對履帶內(nèi)表面的上下表面產(chǎn)生壓力，依此使履帶能夠很好的附著在金屬罐體表面，使機器人能穩(wěn)定的在罐體表面爬行。圖3.3 張緊機構(gòu)的一部分圖3.4 張

26、緊機構(gòu) 4表面適應(yīng)能力分析4.1力學(xué)模型如圖4.1 所示，機器人在勻速爬壁行駛過程中首先要克服爬行裝置中的內(nèi)部阻力才能為克服外阻力提供推進(jìn)力(可傳遞的牽引力)。圖4.1 履帶式爬壁機器人行駛中的受力分析主動輪上的牽引力：41式中包括行走裝置中的內(nèi)摩擦，以及機器人自身重力因素的影響.。則行走裝置的推進(jìn)力，進(jìn)而可以定義推進(jìn)力的最大值為履帶式磁吸附爬壁機器人的壁面附著力，即42式中：為名義吸附力，為履帶吸附面上永磁體的數(shù)目， 為每一塊永磁體對壁面的吸引力，為履帶對壁面的附著系數(shù) 和 一經(jīng)選定, 就為定值。 由兩個因素決定: 一是壁面的情況; 二是機器人的履帶行走裝置對壁面的適應(yīng)程度. 引進(jìn)壁面系數(shù)

27、和適應(yīng)程度系數(shù) 來表示這兩個因素對的影響, 即43式中與壁面的粗糙度、壁面氧化層厚度以及壁面材料性質(zhì)等壁面特性有關(guān)。而機器人的履帶行走裝置對 卻是由機器人本身的設(shè)計決定的. 合理的設(shè)計能夠得到較大的值, 從而增大，使爬壁機器人獲得較大的，大大提高爬壁機器人壁面行駛的安全性. 這是爬壁機器人設(shè)計中追求的重要目標(biāo)之一.4.2影響爬壁機器人壁面適應(yīng)能力因素4.2.1履帶與壁面的貼合系數(shù)爬壁機器人在壁面行駛過程中, 履帶與壁面貼合得越好, 就意味著有更多的永磁體與壁面相接觸或相接近, 使得履帶與壁面之間的實際磁性吸引力就越大. 可以用履帶實際接觸壁面部分的面積 與履帶總面積 的比值來表征貼合系數(shù), 即

28、444.2.2載荷分散系數(shù)由于履帶是用鉸鏈聯(lián)接的, 不能將垂直于履帶方向的載荷分布到各個永磁體上, 也就是說履帶在垂直于拉力方向上沒有剛性, 這對于爬壁機器人工作的安全性極其有害. 如圖2 所示, 當(dāng)機器人在天棚上爬行時, 載荷將集中在兩端的永磁體上, 易使其從天棚上剝落下來. 若采用特殊的履帶導(dǎo)向機構(gòu), 使得載荷均勻分布在所有吸附的永磁體上, 就會大大減輕兩端永磁體承受的載荷, 有效降低機器人剝落的可能性. 載荷分布的均勻程度可以用吸附面上各永磁體所承受載荷的最大差值與總載荷 的比值描述. 于是定義爬壁機器人載荷分散系數(shù)為45當(dāng)載荷均勻分布時, = 1; 當(dāng)載荷集中在兩端時, = 0. 5.

29、圖4.2 機器人爬天棚時的載荷受力情況綜合以上履帶式磁吸附爬壁機器人壁面適應(yīng)能力的兩個影響因素, 機器人的履帶行走裝置對壁面的適應(yīng)程度系數(shù) 可以表示為46由上式可以看出, 在履帶式磁吸附爬壁機器人設(shè)計中, 應(yīng)從提高 和 兩方面采取措施, 增大其 ,以增加它的壁面附著力。4.3提高爬壁機器人壁面適應(yīng)能力措施4.3.1適當(dāng)加長履帶和使用張緊裝置當(dāng)機器人經(jīng)過障礙物時, 若履帶緊緊地繞在鏈輪上(見圖4.3 (a) ) , 即長度, 此時履帶大部分剝離了壁面, 履帶與壁面吸附和接近的面積減小, 使得履帶的 很小, 影響履帶與壁面的吸附力. 適當(dāng)加大履帶長度, 使, 這樣履帶可以貼近壁面, 使更多的永磁體

30、吸附在壁面上. 如圖4.3(b) 所示, 假設(shè)障礙物高度為, 前輪至障礙物的距離為, 則應(yīng)加長的履帶為47當(dāng)時48于是機器人在越過高度為 的障礙時, 履帶應(yīng)至少加長 , 才能保證履帶與壁面很好地貼合. 但是履帶的長度不能過長, 履帶過長會導(dǎo)致鏈輪與履帶銷軸嚙合過程中發(fā)生跳齒現(xiàn)象, 嚴(yán)重的還會導(dǎo)致履帶脫落. 張緊裝置使加長的履帶始終保持張緊, 保證履帶銷軸與鏈輪正常嚙合. 采用適當(dāng)長度履帶并在松邊增加張緊裝置, 是提高爬壁機器人壁面適應(yīng)能力的必要措施. （a）未加長履帶 （b）加長履帶圖4.3 機器人履帶長度的選擇比較4.3.2采用后輪驅(qū)動的方式履帶行走裝置由于驅(qū)動位置的不同, 履帶內(nèi)張力的分布

31、也不同. 前驅(qū)動和后驅(qū)動方式的爬壁機器人履帶內(nèi)張力分布如圖4.4 (a) 和(b) 所示. 圖中 為履帶中的初始張力， 為主動輪上的牽引力. 由圖4.4 (a) 中可看出, 驅(qū)動裝置前置時, 大部分履帶在行駛時承受大牽引力, 這一方面影響了履帶的壽命, 另一方面使履帶劇烈地伸長, 導(dǎo)致在行駛時前下部履帶處形成所謂的“履帶腹部”, 使機器人在轉(zhuǎn)向行駛時履帶有脫落的危險. 而采用后驅(qū)動形式(見圖4.4(b) ) , 由于履帶內(nèi)拉應(yīng)力高區(qū)段短, 上述問題不會出現(xiàn)。（a）前驅(qū)動（b）后驅(qū)動圖4.4 機器人采用不同驅(qū)動方式時的履帶內(nèi)張力采用后驅(qū)動形式更為重要的優(yōu)點在于其提高了爬壁機器人的壁面適應(yīng)性. 當(dāng)

32、履帶經(jīng)過障礙時, 前面的從動輪會多轉(zhuǎn)過角, 使履帶的加長部分通過從動輪移至與壁面接觸段, 如圖4.5示. 這樣機器人與壁面貼合的磁性履帶加長, 增加了其貼合系數(shù), 使得履帶能夠更好地適應(yīng)壁面的波動。圖4.5 前面從動輪的運動特性4.3.3前面從動輪采用浮動支撐前面從動輪的支承形式對于提高履帶式爬壁機器人的壁面適應(yīng)性有重要意義。僅靠有張緊裝置的加長履帶來適應(yīng)壁面上尺寸較大的障礙是不夠的。前面從動輪軸承導(dǎo)槽與機架采用有彈性的支撐方式，遇到較大障礙時，輪因履帶牽引而引起的退讓使兩輪中心距減小，帶相應(yīng)地加長。長部分通過前面從動輪與壁面貼合，為機器人提供更大的附著力。4.3.4載荷分散機構(gòu)在履帶式爬壁機

33、器人的設(shè)計中，把載荷分散到整個與壁面接觸的永磁體上，可以減小履帶的剝離力，保證機器人能在壁面安全吸附。載荷分散機構(gòu)有兩種。一種是在履帶上加一剛性導(dǎo)桿，使履帶在吸附部分由鉸鏈聯(lián)接變成剛性聯(lián)接，從而使載荷均勻分布到各個永磁體上。它適用于壁面是光滑平面的情況，還有一種適用于一般形狀壁面的載荷分散機構(gòu)，如圖4.6它是由多級分段剛性導(dǎo)桿組成，可以很好地適應(yīng)壁面的高低變化。 分段剛性導(dǎo)桿的長度越大，履帶與壁面接觸部分的剛性也就越好，但同時使得履帶對不平壁面的貼合程度減小。分段剛性導(dǎo)桿數(shù)目的選擇由壁面的不平程度決定。壁面相對平滑則分段剛性導(dǎo)桿的數(shù)目可以減少，每段長度可以加大；反之壁面情況復(fù)雜時則應(yīng)增加剛性導(dǎo)

34、桿的數(shù)目,減小每段長度。另外，導(dǎo)桿與機架也應(yīng)采用彈性聯(lián)接，使剛性導(dǎo)桿機構(gòu)壓緊履帶，有利于發(fā)揮其分散載荷的功能。圖4.6 載荷分散機構(gòu)4.3.5平行四邊行結(jié)構(gòu)當(dāng)履帶式爬壁機器人兩履帶在不同高度的壁面行駛時(見圖4.7) 若兩履帶間的聯(lián)接為剛性的，則會使兩履帶與壁面成角，兩者都不能牢固地吸附在壁面上。角的大小與兩履帶間的距離 、臺階的高度 以及機器人在臺階上的位置有關(guān)，它嚴(yán)重影響了履帶對壁面的附著力，臺階越高影響越嚴(yán)重，甚至?xí)蛊鋸谋诿娴粝聛?。解決的方案是兩履帶的機架與中間機架采用銷軸聯(lián)接，如圖4.9 這樣，兩履帶的機架和中間的兩機架形成一個平行四邊形機構(gòu)，使兩履帶能隨兩邊壁面的高低自動調(diào)整適應(yīng)。

35、履帶式磁吸附爬壁機器人本體設(shè)計中采用平行四邊形機架結(jié)構(gòu)，從整體上提高了爬壁機器人的壁面適應(yīng)性能。圖4.7 非平行四邊形機架結(jié)構(gòu)爬壁機器人設(shè)計圖4.8 平行四邊形機架結(jié)構(gòu)爬壁機器人設(shè)計5轉(zhuǎn)向靈活性分析5.1爬壁機器人靜力學(xué)分析假設(shè)爬壁機器人附著在罐體表面，則機器人所受靜力如圖5.1所示。圖5.1 爬壁機器人靜力學(xué)分析爬壁機器人的履帶由許多永磁吸盤連接而成，可將其視為柔性體，機器人的整個載荷只集中于前后輪和載荷分散機構(gòu)處。由于彈簧的變形量在機器人運動過程中保持不變，因此可認(rèn)為由載荷分散機構(gòu)產(chǎn)生的拉力始終為，為保證爬壁機器人不會從壁面掉下，作用在其上的外力應(yīng)滿足以下靜力學(xué)平衡方程組：515253式中

36、：、 分別為作用于前后輪的支承力； 為由于履帶吸盤的吸力而與壁面產(chǎn)生的摩擦力； 為爬壁機器人包括電纜及機載設(shè)備所受的重力， ；、 分別為拉力、支承力、和摩擦力對機器人重心 的力臂。由式(1) 可得：根據(jù)爬壁機器人結(jié)構(gòu)特點，在前后輪與壁面接觸處認(rèn)為只有1 個履帶吸盤吸附于壁面，而根據(jù)載荷分散機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，在載荷分散機構(gòu)與壁面接觸處有3 個履帶吸盤與壁面接觸。因此，為保證爬壁機器人在傾斜壁面的靜態(tài)平衡所需的單個履帶吸盤最小吸力為： 54由機器人所受重力及其結(jié)構(gòu)參數(shù)，并比較（4）有：其中，為安全系數(shù)。5.2爬壁機器人轉(zhuǎn)彎運動分析由于爬壁機器人履帶吸盤的吸力一般都比較大，故可以忽略機器人在爬行過

37、程中的滑移和側(cè)滑，即爬壁機器人運動速度只與外內(nèi)側(cè)驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)動速度有關(guān)。圖5.2 為機器人轉(zhuǎn)向運動各參數(shù)相互關(guān)系示意圖：圖5.2 爬壁機器人轉(zhuǎn)向運動示意圖圖5.2 中為兩外內(nèi)側(cè)輪之間的中心距； 為機器人縱向長度；為機器人轉(zhuǎn)向運動的轉(zhuǎn)向中心。設(shè)機器人以的行駛速度沿半徑為 的曲線運動, 根據(jù)相似三角形關(guān)系, 可得機器人在大半徑轉(zhuǎn)向過程中, 外內(nèi)側(cè)履帶主動輪上出現(xiàn)的圓周速度為5.3爬壁機器人轉(zhuǎn)彎動力學(xué)分析在機器人轉(zhuǎn)向運動的過程中，運動阻力主要包括分別作用于外內(nèi)側(cè)輪上直線運動摩擦力和、為克服履帶吸盤與壁面之間吸附力的剝離力和以及轉(zhuǎn)向運動摩擦力。其中 和 是由主動輪提供的爬壁機器人向前運動的牽引力。在以

38、下的分析中，將忽略其他行駛阻力以及機器人內(nèi)部各傳動系統(tǒng)之間的內(nèi)部阻力。圖5.3 為機器人在傾斜壁面上轉(zhuǎn)向運動的受力分析。圖中為固定于傾斜壁面的坐標(biāo)系。為固結(jié)于機器人重心處的坐標(biāo)系。圖5.3 爬壁機器人爬行于傾斜金屬表面：圖5.3 機器人爬行于傾斜表面受力分析根據(jù)前面靜力學(xué)分析，在保證機器人不從壁面翻落下來的前提下，機器人始終爬行于該傾斜壁面，由圖5.3 可得機器人轉(zhuǎn)向運動于傾角為的金屬壁面的3 自由度動力學(xué)方程為：555657式中：為以機器人重心為中心的轉(zhuǎn)動慣量；為機器人質(zhì)量；， ，分別為機器在x，y方向上的線速度、轉(zhuǎn)向角速度及其各自加速度；為第k 個履帶吸盤在金屬壁面上產(chǎn)生的摩擦力； 為作用

39、力中心與機器人轉(zhuǎn)動中心M 之間的距離；n 為機器人轉(zhuǎn)動中心位置(其計算方法將在后面說明)； l 為機器人重心與轉(zhuǎn)向中心M 之間在x方向的距離； 和 分別為重力在x、y 方向上的分量。 585.4爬壁機器人運動靈活性定義與分析5.4.1轉(zhuǎn)向靈活性的定義根據(jù)爬壁機器人爬行的特點可知，爬行的穩(wěn)定性與靈活性是一對矛盾，為增強爬行的穩(wěn)定性需要增大履帶吸盤的吸附力，而為增強爬行的靈活性就要減小履帶吸盤的吸附力。因此，在選取決定履帶吸盤吸附力等力時就應(yīng)考慮兩者之間的相互影響關(guān)系, 合理地選取安全系數(shù)，在地面履帶車輛轉(zhuǎn)向靈活性中是根據(jù)履帶車不打滑的要求來定義的，而在爬壁機器人轉(zhuǎn)向運動過程中，由于履帶吸盤的吸附

40、力大, 在運動過程中不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，故不能采用地面履帶車輛的分析方法來分析爬壁機器人轉(zhuǎn)向運動的靈活性。在機器人動力學(xué)分析中可知，機器人轉(zhuǎn)向運動過程中要克服比較大的轉(zhuǎn)向阻力， 在相同運動速度下，轉(zhuǎn)向運動所需功率比直線運動所需功率大。因此采用下式來定義機器人運動靈活性：其中： 為機器人轉(zhuǎn)向運動靈活系數(shù)； 為在給定線速度和轉(zhuǎn)向半徑下的轉(zhuǎn)向運動主動輪驅(qū)動總功率； 為在相同運動線速度下直線運動主動輪驅(qū)動總功率。5.4.2大半徑轉(zhuǎn)向靈活性分析由爬壁機器人轉(zhuǎn)向運動的運動學(xué)和動力學(xué)分析可知，機器人在大半徑轉(zhuǎn)向運動中 外內(nèi)側(cè)驅(qū)動輪上的功率分別為：59 510因此，轉(zhuǎn)向運動總功率：以相同的線速度直線運動的總功率

41、為：其中，為直線運動下的驅(qū)動力，因此，有爬壁機器人大半徑轉(zhuǎn)向運動的靈活系數(shù)：511圖5.3（a）給出機器人大半徑轉(zhuǎn)向運動的靈活系數(shù) 與轉(zhuǎn)角H的關(guān)系，由圖可見， 隨H的增大而增大。圖5.3 (b) 給出 與R 之間的變化關(guān)系(其中H= 45°)， 由圖可見， 隨R 增大而增大。 圖5 (c) 給出與 之間的變化關(guān)系。根據(jù)圖中的曲線可以認(rèn)為，既保證機器人爬行的安全性，又要兼顧機器人轉(zhuǎn)向運動的靈活性，安全系數(shù) 取3 4 比較合適。足夠大的電動機功率才能保證機器人爬行的靈活性，而電動機功率過大，也會導(dǎo)致資源的浪費和機器人質(zhì)量的增加。因此可以由式(9)、(10) 選擇合適的電動機額定功率：圖5

42、.3 爬行機器人的轉(zhuǎn)向靈活系數(shù)的仿真結(jié)果6控制系統(tǒng)設(shè)計6.1爬壁機器人的工作環(huán)境罐體長期放置，四季變更會造成油罐壁面不同程度的變形，除機械機構(gòu)設(shè)計中增加履帶柔性功能以適應(yīng)壁面變形外，控制系統(tǒng)設(shè)計尚需考慮以下情況，以保證爬壁機器人以垂直線行走，偏斜度和定位精度在自移動法規(guī)定的要求之內(nèi)。鋼板疊焊：油罐是由鋼板疊焊而成，一般下部直徑大，上部直徑隨著鋼板疊接而減小，鋼板厚度在5 12mm 之間，顯然,機器人爬行軌跡大于罐體垂直高度。鋼板凹凸不平：爬壁機器人在爬行時,左右履帶軌跡與期望軌跡不同，造成定位不準(zhǔn)。最為嚴(yán)重情況是左履帶爬行在凹面，而右履帶爬行在凸面, 如左、右履帶軌跡長度不等，則垂直度顯然不能

43、保證。對于凹凸的壁面情況，機械設(shè)計中設(shè)計了相應(yīng)的機構(gòu)使機器人能自適應(yīng)壁面的不規(guī)則變化，使履帶順應(yīng)壁面的凹凸；同時， 在控制系統(tǒng)中，引入修正環(huán)節(jié)糾正壁面的不規(guī)則凹凸所造成的機器人爬行軌跡與期望軌跡的差異。6.2單片機驅(qū)動部分控制系統(tǒng)采用單片機控制減速電機的方式來實現(xiàn)，采用達(dá)林頓管TIP127作為功率放大元件原理圖如圖6.1所示：圖6.1 減速電機控制原理圖圖6.1是控制減速電機的示意圖，在此只是畫出了一路輸出的情況，有圖可知：減速電機由三級管TIP127驅(qū)動。該控制系統(tǒng)有三個功能端組成：功能控制端（PWM輸入）反轉(zhuǎn)控制端（低電平有效）正轉(zhuǎn)控制端組成（高電平有效）。當(dāng)正轉(zhuǎn)控制端為高電平，功能控制端

44、有PWM信號輸入時，減速電機就會在單片機的控制下正轉(zhuǎn)，爬壁機器人向上爬行。反之爬壁機器人就向后爬行。這樣我們通過單片機的控制就實現(xiàn)了爬升的動作。圖6.1中的光隔TLP521實現(xiàn)控制和電壓隔離作用，既能使單片機輸出的低電壓信號控制較高電壓信號，又防止對減速電機提供能量的電壓反饋到單片機管腳中，防止對單片機造成損害。TIP127的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖6.2所示。圖6.2 TIP127內(nèi)部結(jié)構(gòu)TIP127是有兩個三極管級連而成，使得TLP127的功率大大的增加，以此可以滿足對減速電機的驅(qū)動。驅(qū)動電機采用微型直流減速電機，直流減速電機具有體積小、重量清、扭矩大、價格便宜、驅(qū)動方便等優(yōu)點。在該系統(tǒng)中采用微型

45、直流減速電機完全能夠完成鐵基罐體表面爬行機器人的各個技術(shù)要求。6.3顯示部分本系統(tǒng)的顯示部分全部由數(shù)碼管實現(xiàn)，顯示的內(nèi)容包括：機器人爬升高度實時顯示機器人爬升速率實時顯示遙控器設(shè)定顯示八段LED顯示器由8個發(fā)光二極管組成?；?個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個賀點形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。LED顯示器有兩種不同的形式：一種是8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器；另一種是8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器。共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個筆劃段hgfedcba對應(yīng)于一個字節(jié)（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二進(jìn)制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。例如，對于共陰LED顯示器，當(dāng)公共陰極接地（為零電平），而陽極hgfedcba各段為0111011時，顯示器顯示