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鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)
1.緒論
1.1本課題的提出和研究意義
機(jī)器人是傳統(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。它是機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制理論等學(xué)科發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題之一。在各領(lǐng)域機(jī)器人設(shè)計(jì)活動(dòng)也已經(jīng)很廣泛的開展起來，這種氛圍對我國機(jī)器人的研制開發(fā)以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極的意義。
國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀長期以來，人們就想往能在垂直陡壁上攀行，進(jìn)行各種作業(yè)。近年來出現(xiàn)的攀行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了這種理想。由于在垂直陡壁上作業(yè)是非常困難和危險(xiǎn)的，超越了人的能力極限，所以在國外稱此類機(jī)器人為極限作業(yè)機(jī)器人。壁面攀行機(jī)器人可用來代替人工進(jìn)行的一些危險(xiǎn)操作，進(jìn)行各種儲(chǔ)存有毒有害介質(zhì)的儲(chǔ)存罐以及高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面的檢測工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲(chǔ)液罐的視覺檢查、超聲側(cè)厚和焊縫探傷等作業(yè)。它可以代替人類做一些危險(xiǎn)的工作，并取得了很大的應(yīng)用價(jià)值。因此，該項(xiàng)目成為國內(nèi)外科研人員研制開發(fā)的熱點(diǎn)。
這種鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人己在部分工程項(xiàng)目中得到了有效的應(yīng)用，具有潛在的市場應(yīng)用價(jià)值，機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的小型化、微型化成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。開發(fā)一種小型、便攜的攀行機(jī)器人在軍事和民用方面都具有重要意義。在軍事方面，它可以被投放在敵后，攀行于建筑物的表面或玻璃壁面上，對室內(nèi)的情況進(jìn)行偵察；或者充當(dāng)可移動(dòng)的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設(shè)施和人員。民用方面可用于高層建筑的表面檢測或進(jìn)行清洗。但是傳統(tǒng)的攀行機(jī)器人或是采用磁吸附方式，依靠磁力吸附于金屬壁面，不適合工作在鋼結(jié)構(gòu)建筑物的表面；或是采用由真空泵或真空發(fā)生器抽吸空氣產(chǎn)生吸附力的主動(dòng)吸附方式，需要外接氣源，連接大量的支持設(shè)備，能量耗費(fèi)大，而且一般伴有較大的噪音，機(jī)器人的體積和活動(dòng)范圍都受到限制，不宜在小型攀行機(jī)器人上使用。在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物的表面檢測工作中，預(yù)防性定期檢測和被迫性事后檢測維修工作都存在著較大的缺陷，人工檢測已經(jīng)無法滿足。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人代替人工進(jìn)行高層建筑的危險(xiǎn)檢測工作成為了一種新的趨勢，攀行檢測機(jī)器人將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。
當(dāng)前，國內(nèi)外都非常重視鋼結(jié)構(gòu)攀行檢測機(jī)器人的研制，主要是因?yàn)樗兄鴱V泛的用途，特別是它可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境以及高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面上進(jìn)行攀行檢測作業(yè)。攀行檢測機(jī)器人是一種新型特種機(jī)器人，能在危險(xiǎn)工作狀態(tài)下代替人工作業(yè)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
由于傳統(tǒng)攀行機(jī)器人具有很多的不足之處（如對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等），因此未來爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí)用化的方向發(fā)展。該機(jī)器人機(jī)構(gòu)合理，性能完善，并且可以代替人工進(jìn)行高空環(huán)境作業(yè)，降低了人類高空作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)；也大大提高了作業(yè)效率。這將意味著為高空鋼結(jié)構(gòu)表面的檢測工作，開辟了應(yīng)用機(jī)器人代替人力作業(yè)的新領(lǐng)域。
1.2國內(nèi)外機(jī)器人的研究和發(fā)展?fàn)顩r
圖1.1履帶式機(jī)器人 圖1.2履帶式機(jī)器人
攀行檢測機(jī)器人有著很大應(yīng)用前景，它一經(jīng)問世就受到了各方面的重視。1966年日本的西亮教授首次研制成功壁面移動(dòng)檢測機(jī)器人樣機(jī)，并在大阪府立大學(xué)表演成功。這是一種依靠負(fù)壓吸附的攀行機(jī)器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的攀行機(jī)器人，到80年代末期已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。日本在開發(fā)爬壁機(jī)器人方面發(fā)展最為迅速,主要應(yīng)用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。日本清水建設(shè)公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機(jī)器人，他們研制的負(fù)壓吸附清洗玻璃面的爬壁機(jī)器人，曾為加拿大使館進(jìn)行過清洗。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)了無線遙控磁吸附爬壁機(jī)器人。在日本通產(chǎn)省“極限作業(yè)機(jī)器人”國家研究計(jì)劃支持下，日暉株式會(huì)社開發(fā)了用于核電站大罐的負(fù)壓吸附壁面檢測機(jī)器人。它有兩個(gè)獨(dú)立的負(fù)壓吸盤，可以在遙控下由地面自動(dòng)爬行到大罐的弧形壁面,作視覺檢查與測厚，并可以跨越障礙。日本關(guān)西電力株式會(huì)社開發(fā)了核電站壁面點(diǎn)檢的爬壁機(jī)器人，移動(dòng)速度為每分5米，負(fù)重50公斤。日立制造所研制了履帶式磁吸附檢查機(jī)器人，帶有超聲檢測裝置，如圖1-1所示，該機(jī)器人可以垂直攀行于鋼結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行檢測工作。由于機(jī)器人采用了負(fù)荷分散機(jī)構(gòu)，它能夠適應(yīng)各種凹凸不平的曲面和棚頂。英國在攀行機(jī)器人領(lǐng)域也取得許多成果。90年代初RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機(jī)器人(取名Beetle)，已作為商品銷售。最高爬行速度達(dá)每分種12米，可以自動(dòng)記錄每隔一定距離的壁厚，最高爬行高度為25米。英國南岸大學(xué)于1994年研制成功多足多吸盤氣動(dòng)型攀行檢測機(jī)器人，可以攜帶一個(gè)小工業(yè)機(jī)器人(例如PUMA260),進(jìn)行超聲檢測。它自重22公斤,負(fù)重20公斤。最近來自英國的報(bào)道，一種取名為羅布格三號的攀行機(jī)器人在貝德福市作演示。它有8條腿,類似巨型蜘蛛，能負(fù)重100公斤，可越障，能將磚放入準(zhǔn)確位置并進(jìn)行檢測，研制者計(jì)劃將其應(yīng)用于建筑行業(yè)。 俄羅期彼得堡國立技術(shù)大學(xué)也研制成功負(fù)壓吸附攀行機(jī)器人。我國自90年代以來，有許多單位根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，研制成功各種類型與功能的攀行機(jī)器人。上海交通大學(xué)研制成功測量大罐容積的磁吸附攀行檢測機(jī)器人。哈爾濱理工大學(xué)研制成功測量大罐漆膜厚度的履帶復(fù)合式攀行機(jī)器人。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究所在“863計(jì)劃”支持下，于1994年研制成功核工業(yè)用的壁面攀行遙控檢查機(jī)器人，最近又與大慶采油一廠合作，研制成功采油行業(yè)中大量使用的儲(chǔ)罐防腐用噴吵、噴漆履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人，在現(xiàn)場試驗(yàn)，取得成功，如圖1-2所示。
當(dāng)前,國內(nèi)外都非常重視爬壁機(jī)器人的研制,主要是因?yàn)樗兄鴱V泛的用途,特別是它可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。主要的用途有: (1)對石化企業(yè)中大量圓柱形大罐或球罐內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查、探傷或噴砂除銹、噴漆防腐； (2)清洗高層建筑物的瓷磚壁面或玻璃墻面； (3)在建筑行業(yè)用于巨型墻面噴漆、砌磚、貼瓷磚和點(diǎn)檢； (4)在核工業(yè)中對大罐進(jìn)行視覺檢查、測厚和焊縫探傷； (5)在消防部門用以遞送急救布帶,運(yùn)送水帶和水槍； (6)在造船行業(yè)用于噴砂除銹或噴涂船體及其內(nèi)壁等,特別是對修船行業(yè),可以快速地將船體進(jìn)行防腐處理。
可見機(jī)器人作為新一代的生產(chǎn)工具，能夠代替人完成人力所不及或人所不適宜的工作。隨著機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，對機(jī)器人的綜合性能提出了更高的要求，專業(yè)化更強(qiáng)，實(shí)用性更高，經(jīng)濟(jì)性要求也已經(jīng)擺到了人們的面前，因此，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、能滿足功能要求又具有一定的可靠性的微型機(jī)器人或者說功能專一的機(jī)器人需求量越來越大。
1.3機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)及其分類
機(jī)器人作為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其控制方式經(jīng)歷了三代發(fā)展:第一代是示教再現(xiàn)式可編程機(jī)器人，具有記憶、存儲(chǔ)功能，能按照作者在示教階段給出的軌跡重復(fù)進(jìn)行特定的作業(yè)過程，但對周圍環(huán)境基本上沒有感知和環(huán)境信息反饋控制的能力。隨著傳感器技術(shù)包括視覺傳感器、非視覺傳感器(力覺、觸覺、接近覺等)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人則具有感覺功能的自適應(yīng)機(jī)器人，在獲取作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的部分有關(guān)信息的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)行一定的適時(shí)處理、按照固定的邏輯發(fā)出動(dòng)作命令。第三代是智能機(jī)器人，該種機(jī)器人不僅具有第二代機(jī)器人更完善的環(huán)境感知功能，而且具有邏輯思維、學(xué)習(xí)、判斷和決策功能，可根據(jù)作業(yè)要求和環(huán)境信息自主的進(jìn)行工作，該機(jī)器人目前正處于研制和開發(fā)過程中，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)初期將進(jìn)入普及階段。盡管機(jī)器人的外觀、形狀和功能各異，但它們的主要構(gòu)成基本上是一致的，從控制觀點(diǎn)上講，機(jī)器人系統(tǒng)可分為四部分:人機(jī)接口、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
本論文所研究的鋼結(jié)構(gòu)攀行用檢測機(jī)器人采用伸縮前進(jìn)的方式進(jìn)行攀行，主要分為：前進(jìn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和腳部。采用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)，通過機(jī)器人編程來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。
1.4本論文主要研究內(nèi)容
鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人屬特種作業(yè)機(jī)器人,在核工業(yè)、石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用,自二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)以來,一直受到世界各國的關(guān)注,具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文研究的是一種集移動(dòng)、轉(zhuǎn)向和升降功能于一體的全方位移動(dòng)的攀行檢測機(jī)器人,并對攀行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、路徑規(guī)劃以及控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。 論文首先介紹了攀行檢測機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況,通過閱讀大量文獻(xiàn)和借鑒已有的類似成果,理論聯(lián)系實(shí)際,提出了機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案和運(yùn)動(dòng)方案。分析表明該機(jī)器人能夠攀行于鋼結(jié)構(gòu)的表面上，具有穩(wěn)定性能高、越障能力強(qiáng)、負(fù)載大、能任意方向直行或在原地旋轉(zhuǎn)任意角度,是對高層壁面進(jìn)行監(jiān)控、維護(hù)和檢測的良好載體,具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本論文主要研究以下幾個(gè)方面的問題:
（1） 鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)械人總體方案的確定
機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化裝置，必須采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，立足全局，對機(jī)器人各功能模塊進(jìn)行合理劃分。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求從理論上分析工作狀況，然后提出設(shè)計(jì)思路，包括傳動(dòng)方式、控制方式等，在綜合分析的基礎(chǔ)上，整體規(guī)劃攀行檢測機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)，從而選定最優(yōu)方案。
（2） 鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人前進(jìn)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
怎樣把步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)，是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)方面，本文結(jié)合作業(yè)中的實(shí)際要求，采用直線導(dǎo)軌作為傳動(dòng)元件通過齒條和齒輪的嚙合來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
（3） 鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)在攀行過程中行進(jìn)方向的轉(zhuǎn)換，考慮機(jī)器人料的形狀和質(zhì)量，采用在機(jī)器人機(jī)身中間安裝三角電磁吸盤吸附，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)身的整體回轉(zhuǎn)，從而改變機(jī)器人的行進(jìn)方向。
（4） 鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人電磁腳方案的設(shè)計(jì)
為了使機(jī)器人能夠在鋼結(jié)構(gòu)上自由行走，在機(jī)器人的腳部安裝七個(gè)微盤組合是電磁吸盤，在機(jī)器人的前后各安裝兩個(gè)電磁腳，機(jī)身中間安裝一個(gè)三角式電磁腳，這樣可以保證機(jī)器人的行進(jìn)穩(wěn)定，并可在有溝槽或不平整的鋼結(jié)構(gòu)壁面上吸附并行走。
（5） 機(jī)器人的檢測方案設(shè)計(jì)
檢測系統(tǒng)可以理解成由多個(gè)環(huán)節(jié)組成的能實(shí)現(xiàn)對某一物理量進(jìn)行測量的完整系統(tǒng)?，F(xiàn)代檢測技術(shù)的一個(gè)明顯特點(diǎn)是傳感器采用電參量、電能量或數(shù)字傳感器以及微型傳感器，信號處理采用集成電路和微處理器。所以本設(shè)計(jì)采用的是在機(jī)器人的頭部安裝一個(gè)微型攝像頭，從而可以完成對鋼結(jié)構(gòu)表面的檢測工作。檢測系統(tǒng)在測量過程中，首先由傳感器將被測物理量從研究對象中檢測出來并轉(zhuǎn)換成電量，然后輸出。檢測系統(tǒng)及其組成見圖1-3。
圖1.3檢測系統(tǒng)
2. 鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，合理分配機(jī)械、電子、硬件、軟件各部分所承擔(dān)的任務(wù)和功能，對提高系統(tǒng)的整體性能、結(jié)構(gòu)簡化、成本降低起著舉足輕重的作用。因此，對鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)進(jìn)行整體功能分析，可以實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、靈活性和高可靠穩(wěn)定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵步驟。
2.1機(jī)器人的任務(wù)要求和機(jī)械系統(tǒng)
隨著社會(huì)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑物也越來越多，為了檢測建筑物的表面工作是否存在安全隱患，人類必須要進(jìn)行高空作業(yè)，但是高空作業(yè)難度系數(shù)及其高，危險(xiǎn)性也很大，為了保障高空作業(yè)的安全性，人們不斷研究能夠進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)檢測用的攀行機(jī)器人來代替人類進(jìn)行高空作業(yè)，這樣便加快高空作業(yè)機(jī)器人的誕生速度。
要求機(jī)器人能夠沿著鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行攀行，在攀行過程中，完成對鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面的檢測工作，設(shè)計(jì)的機(jī)器人通過機(jī)身中間的一只三足電磁腳先吸附在建筑物表面上，然后依靠步進(jìn)電機(jī)將機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)整體前移，再將安裝在前進(jìn)裝置上的兩對電磁腳降下來吸附在建筑物表面上，再將機(jī)身中間的三足電磁腳提升通過步進(jìn)電機(jī)將機(jī)身前移，這樣便完成了機(jī)器人的攀行動(dòng)作。機(jī)器人是通過電磁腳的交替運(yùn)作來實(shí)現(xiàn)整體伸縮前進(jìn)的。
這樣設(shè)計(jì)出一種可以在高空危險(xiǎn)環(huán)境下運(yùn)動(dòng),并具有穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)模式的小型鋼結(jié)構(gòu)攀行機(jī)器人。該機(jī)器人采用腿式交替伸縮的運(yùn)動(dòng)模式，可以提高其環(huán)境適應(yīng)能力和越障能力，并且比履帶式運(yùn)動(dòng)模式和三足旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)模式具有良好的穩(wěn)定性。研究開發(fā)的機(jī)器人采用了ARM+DSP結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)以及遙控/半自主的工作方式,具有高機(jī)動(dòng)性、小型化、輕量化、可復(fù)位以及低功耗、高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。
機(jī)械結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人最終的機(jī)構(gòu)載體，是機(jī)器人賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局、類型、傳動(dòng)方式以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系著機(jī)器人的工作性能。機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：1）機(jī)械子系統(tǒng)，由剛體和彈性體組成；2）傳感系統(tǒng)；3）執(zhí)行系統(tǒng)；4）控制器；5）信息處理系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間的通信是通過接口進(jìn)行的，接口的基本功能是把從一個(gè)部分傳到另一個(gè)部分的信息解碼。如圖2-1所示，是經(jīng)典機(jī)械系統(tǒng)的方塊圖，系統(tǒng)的輸入是事先確定的任務(wù)，它是由實(shí)時(shí)或離線給定的。前者在本質(zhì)上看成是智能的，后者是可編程序的機(jī)械。因此，人工智能（artificial intelligent）技術(shù)的軟件系統(tǒng)描述智能機(jī)械的任務(wù)。這種系統(tǒng)可以代替人進(jìn)行再?zèng)Q策?？删幊虣C(jī)器人要求人通過程序向低水平控制或控制系統(tǒng)給定任務(wù)。程序的低水平的意思是：機(jī)械的動(dòng)作被指定為關(guān)于關(guān)節(jié)動(dòng)作或與正在執(zhí)行任務(wù)的特定體的基點(diǎn)相聯(lián)系起來的笛卡爾坐標(biāo)的序列。機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)輸出是通過傳感器監(jiān)測的實(shí)際任務(wù)（actual task）。傳感器以反饋信號的形式傳遞作業(yè)信息并與事先設(shè)定的動(dòng)作相比較，事先設(shè)定的任務(wù)與執(zhí)行動(dòng)作間的誤差反饋給控制器，然后合成必要的較正信號。這些信號反饋給執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)完成所要求的動(dòng)作，形成閉環(huán)。
在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，通過人來構(gòu)成閉環(huán)控制的稱為遙控機(jī)器人（telemanipulators）。遙控機(jī)器人是人借助于復(fù)雜負(fù)載的傳感器和顯示裝置進(jìn)行控制的機(jī)械系統(tǒng)。
在方案設(shè)計(jì)階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。同類機(jī)械成功的先例應(yīng)當(dāng)借鑒，原先薄弱環(huán)節(jié)及不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分應(yīng)當(dāng)加以改進(jìn)或者根本改變。
圖2.1控制系統(tǒng)
2.2機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
本論文多足檢測攀行機(jī)器人，即攀行機(jī)器人的腿要多于兩條腿。對于攀行機(jī)器人來說穩(wěn)定性是主要問題，需要考慮它的靜穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性。靜態(tài)穩(wěn)定性只考慮在支撐位形下重力的作用，而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性需要考慮重力和慣性力的共同作用。直觀上講，靜態(tài)穩(wěn)定性需要更多的接觸點(diǎn)，也就是比動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性需要更多的腿。跳躍機(jī)器人和兩腿步行機(jī)器人是步行機(jī)器人中依靠動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的例子。為了穩(wěn)定時(shí)平衡，行走機(jī)器人需要具有運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以提供平衡機(jī)器人重力的地面反作用力。兩腿機(jī)器人沒有靜態(tài)平衡能力，因?yàn)橐粭l腿在轉(zhuǎn)移相時(shí)，身體只剩下一個(gè)接觸點(diǎn)，不能提供保持平衡所須的力。所以在運(yùn)動(dòng)時(shí)，最少要求用三條腿來保持穩(wěn)定。所以在機(jī)器人的機(jī)身中間設(shè)計(jì)了一個(gè)三足吸盤，這樣就能提供與地面反作用平衡的里同樣，維持靜平衡一般四條腿，所以在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在機(jī)器人的前后兩端各安裝了四只電磁腳，用來保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。
機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)框架采用鋁板制作，即采用一塊長540mm×寬275mm×高170mm的一塊鋁合金板作為機(jī)器人的機(jī)身，并制作成一個(gè)框架。電機(jī)安裝在機(jī)器人的機(jī)身中間如圖2-2所示。
圖2.2機(jī)身尺寸
如上圖，機(jī)器人框架上端面三個(gè)Φ8的孔是用來安裝三個(gè)齒輪軸的，一個(gè)Φ70的孔是用來安裝機(jī)器人的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，一個(gè)Φ50的孔是用來安裝步進(jìn)電機(jī)的，在安裝的時(shí)候要保證各齒輪之間是相互嚙合的?？蚣艿闹虚g是空的，這樣急節(jié)省了材料又減輕了機(jī)器人本身的重量?？梢栽跈C(jī)身框架中安裝兩根導(dǎo)軌，用來保證安裝在機(jī)身中間的機(jī)器人前進(jìn)機(jī)構(gòu)可以自由伸縮，并能達(dá)到機(jī)器人的前進(jìn)的行程要求。
圖2.3機(jī)身尺寸設(shè)計(jì)
如圖2-3是機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)簡圖。前進(jìn)機(jī)構(gòu)前后兩個(gè)Φ70的圓孔用來安裝機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)，并在升降機(jī)構(gòu)的下邊分別安裝兩個(gè)電磁腳，這樣便保證了機(jī)器人的穩(wěn)定性。前進(jìn)機(jī)構(gòu)總長800mm，寬175mm，中間是空的，在中間的兩個(gè)薄板的內(nèi)壁上分別安裝兩個(gè)齒條，用來和傳動(dòng)齒輪嚙合，這樣就可以使前進(jìn)裝置相對于機(jī)器人的機(jī)身運(yùn)動(dòng)了。
采用這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是將機(jī)器人分成兩個(gè)部分，一個(gè)是機(jī)器人的機(jī)身，一個(gè)是機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)，可以節(jié)約材料，減少機(jī)器人的自身重量，最主要的是能夠保證機(jī)器人的傳動(dòng)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)的靈活性，精簡了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。它的整體布局結(jié)構(gòu)合理，如圖2-4所示。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩個(gè)自由度，將運(yùn)動(dòng)分解為兩部分：移動(dòng)部分和回轉(zhuǎn)部分。移動(dòng)部分占一個(gè)自由度，即使機(jī)器人前后的移動(dòng)機(jī)構(gòu)；回轉(zhuǎn)部分占一個(gè)自由度，即控制機(jī)器人方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這兩個(gè)自由度之間沒有耦合，相互不干擾。
圖2.4總體布局圖
2.3傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳動(dòng)裝置的作用主要是將驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人相應(yīng)的執(zhí)行部件，以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。目前常用的傳動(dòng)方式有: 齒輪傳動(dòng)、皮帶輪傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、諧波減速傳動(dòng)以及螺旋傳動(dòng)等。諧波減速傳動(dòng)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能獲得大的傳動(dòng)比等優(yōu)點(diǎn)，但存在扭轉(zhuǎn)剛度較低且傳動(dòng)比不能太小的缺點(diǎn)；皮帶輪傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可是存在彈性滑動(dòng)，和鏈傳動(dòng)一樣使用一段時(shí)間后易松弛，傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中還產(chǎn)生動(dòng)載荷；鏈傳動(dòng)雖然成本低，但鏈傳動(dòng)的制造與安裝精度要求低，不適合用在要求傳遞精度高的機(jī)構(gòu)當(dāng)中，鏈傳動(dòng)在兩根平行軸間職能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的傳動(dòng)比，磨損后易發(fā)生跳齒，工作時(shí)候噪音大，不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動(dòng)中應(yīng)用。因此，它們常用于傳動(dòng)精度要求不高的場合。
（1）機(jī)器人回轉(zhuǎn)部分傳動(dòng)
本設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)來作為回轉(zhuǎn)傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)有：
1） 效率高 在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，以齒輪傳動(dòng)效率為最高。如一級圓柱齒輪傳動(dòng)的效率可達(dá)99%。這對功率的傳遞十分重要，因?yàn)榧词剐手惶岣?%，也有很大的經(jīng)濟(jì)意義。
2） 結(jié)構(gòu)緊湊 在同樣的使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小。
3） 工作可靠、壽命長 設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，工作十分可靠，壽命可長達(dá)一、二十年，這也是其他機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。這對機(jī)械傳動(dòng)來說有著很大的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。
4） 傳動(dòng)比穩(wěn)定 傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于具有這一特點(diǎn)。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，切不宜用于傳動(dòng)距離大的場合。
故選用齒輪傳動(dòng)作為機(jī)器人回轉(zhuǎn)裝置的基本傳動(dòng)裝置，這樣便可以保證了機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖2-5所示，是機(jī)器人的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
圖2.5機(jī)器人回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
（2）機(jī)器人前進(jìn)部分傳動(dòng)
而能夠使機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主要是依靠齒輪齒條進(jìn)行動(dòng)力的傳遞。選用齒輪齒條傳遞，主要是考慮機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求，將齒條安裝固定在前進(jìn)裝置的內(nèi)表面上，如圖2-6所示，這樣便可以與齒輪嚙合上，并能傳遞齒輪所傳遞的驅(qū)動(dòng)力，從而使得機(jī)器人前進(jìn)。
圖2.6機(jī)器人前進(jìn)機(jī)構(gòu)
（3）機(jī)器人升降部分傳動(dòng)
機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)采用的是蝸桿傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意值，通常用的為
90o。這種傳動(dòng)由于具有下述特點(diǎn)，故應(yīng)用頗為廣泛。
1） 當(dāng)使用單頭蝸桿（相當(dāng)于單線螺紋）時(shí)，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，渦輪只轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，因而能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比。在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般傳動(dòng)比i=5—8；在分度機(jī)構(gòu)或者手動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，傳動(dòng)比可達(dá)300；若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá)1000。由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。
2） 在蝸桿傳動(dòng)中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和渦輪齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒對有較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)穩(wěn)定，噪音低。
3） 當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小雨嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)便具有自鎖性。
4） 蝸桿傳動(dòng)與螺旋齒輪傳動(dòng)相似，在嚙合處有相對滑動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)速度很大，工作條件不夠良好的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失較大，效率低，當(dāng)傳動(dòng)具有自鎖性時(shí)，效率僅為0.4左右。同時(shí)由于摩擦與磨損嚴(yán)重，常需耗用有色金屬制造渦輪（或蝸圈），以便與鋼制渦輪配對組成減摩性良好的滑動(dòng)摩擦副。
本設(shè)計(jì)采用的是環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，如圖2-7所示。環(huán)面蝸桿的傳動(dòng)特征是，蝸桿體在軸外的外形是以凹圓弧為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面，所以把這種蝸桿傳動(dòng)叫做環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。在這種傳動(dòng)的嚙合帶內(nèi)，渦輪的節(jié)圓位于蝸桿的節(jié)弧面上，亦即蝸桿的節(jié)弧沿渦輪的節(jié)圓包著渦輪。在中間平面內(nèi)，蝸桿和渦輪都是直線齒廓。由于同時(shí)相嚙合的齒對多，而且齒輪的接觸線與蝸桿齒運(yùn)動(dòng)的方向近似于垂直，這就大大改善了輪齒受力情況和潤滑油膜形成的條件，因而承載能力約為阿基米德蝸桿傳動(dòng)的2—4倍，效率一般高達(dá)0.85—0.9；但它需要較高的制造和安裝精度。整體升降機(jī)構(gòu)如圖2-8所示。
圖2.7環(huán)面蝸桿傳動(dòng)
圖2.8機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)
2.4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能分析與方案設(shè)計(jì)
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時(shí)還要考慮價(jià)格因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。目前機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)三種形式。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動(dòng)壓力和功率，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可達(dá)到較高的定位精度和剛度，但油路系統(tǒng)復(fù)雜，工作性能受環(huán)境影響較大，移動(dòng)性能差，且易造成泄漏現(xiàn)象，常用于要求提供較大驅(qū)動(dòng)力矩、對移動(dòng)性能要求差的特大功率機(jī)器人系統(tǒng)中。氣動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作迅速，可在惡劣的環(huán)境中工作，但氣動(dòng)裝置也存在噪聲問題，只適用于精度要求不高的點(diǎn)位系統(tǒng)中。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有精度高、控制準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮各種驅(qū)動(dòng)式的優(yōu)缺點(diǎn)，選用電氣驅(qū)動(dòng)方式。
電氣驅(qū)動(dòng)方式包括普通電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)以及力矩電機(jī)等驅(qū)動(dòng)方式。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量小、動(dòng)態(tài)特性好，由伺服電動(dòng)機(jī)所構(gòu)成的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有運(yùn)行精度高、調(diào)速范圍廣、速度運(yùn)行平滑、具有高可靠性并易于控制等優(yōu)點(diǎn)，交直流伺服電動(dòng)機(jī)己成為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，直流伺服電動(dòng)機(jī)的電刷易磨損形成電火花，限制了其應(yīng)用范圍。近年來隨著交流調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是交流伺服電機(jī)必須采用閉環(huán)控制方式，這種復(fù)雜的控制系統(tǒng)造成控制成本大大提高。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)的價(jià)格在大幅度降低，可靠性也得到了提高。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件，具有控制簡單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)。它能夠直接接受數(shù)字信號，無需中間轉(zhuǎn)換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)字控制。步進(jìn)電機(jī)以開環(huán)方式工作，可省去伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中位置檢測與反饋部分以及A/D, D/A轉(zhuǎn)換，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使控制成本大大降低。另外，步進(jìn)電機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)、無累計(jì)定位誤差，可重復(fù)反轉(zhuǎn)而不損壞，并且步進(jìn)電機(jī)的位置和速度控制簡單，具有一定精度，使用與維護(hù)都很方便。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)的控制性能差、難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的空間軌跡控制，因而步進(jìn)電機(jī)很少用于機(jī)器人的軌跡控制。考慮到步進(jìn)電機(jī)的輸出不是連續(xù)量，為了達(dá)到某些系統(tǒng)較高的定位精度要求，可以對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分控制，也可以采用閉環(huán)控制方式獲得更高的驅(qū)動(dòng)性能。由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，隨著電機(jī)制造技術(shù)的提高，尤其是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的革命性變化，步進(jìn)電機(jī)也己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)以及機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的驅(qū)動(dòng)上。平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人多采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，不但可以節(jié)省機(jī)械傳動(dòng)裝置，而且可以有效的消除機(jī)械減速所帶來的誤差和效率的降低，提高運(yùn)行的速度和定位精度。開環(huán)控制由于不存在噪聲干擾問題，工作安全可靠，系統(tǒng)簡單，價(jià)格低廉，特別是電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和提高，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制精度幾乎能達(dá)到閉環(huán)控制的控制精度?？紤]到控制的方便性、可靠性以及系統(tǒng)整體上的經(jīng)濟(jì)性，對移動(dòng)系統(tǒng)和控制手爪轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)均采用步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)驅(qū)動(dòng)控制方式。開環(huán)控制可以大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，并且可以降低成本和提高可靠性?？刂剖肿ラ_合的電機(jī)則選用一般的交流電機(jī)即可。
在步進(jìn)電機(jī)的選型上，考慮到步進(jìn)電機(jī)品種規(guī)格較多，仔細(xì)分析它們的特點(diǎn)，來恰到好處的選擇。
步進(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為反應(yīng)式、永磁式以及混合式等幾種。
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī):又稱可變磁阻型(VR-Variable Resistance)，多為單極性勵(lì)磁，結(jié)構(gòu)簡單，精度容易保證，步距角小，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，但勵(lì)磁電流較大，電機(jī)內(nèi)部阻尼小，低頻時(shí)容易產(chǎn)生振蕩，斷電后無定位轉(zhuǎn)矩。
永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM--Permanent Magnet Type):步距角大，啟動(dòng)頻率較低，但控制功率較小，效率高，造價(jià)便宜，內(nèi)部阻尼大，不易振蕩，斷電后有定位轉(zhuǎn)矩。與VR相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣性也較大。
混合式步進(jìn)電機(jī)(HT--Hybrid Type):是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式。兼有磁阻式步距角小、響應(yīng)頻率高和永磁式勵(lì)磁功率小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要正反脈沖供電，成本較高。如圖2-9所示的電機(jī)模擬圖，可以清楚的看到電機(jī)的內(nèi)部。
圖2.9電機(jī)模擬圖
根據(jù)幾種常用電機(jī)的性能、特點(diǎn)分析，對該機(jī)器人的控制移動(dòng)部分回轉(zhuǎn)和機(jī)器人升降裝置的驅(qū)動(dòng)由于其要求既具有較高的控制性能，又具有定位轉(zhuǎn)矩，所以均選用混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)選型時(shí)還需要考慮實(shí)際工作需要，在初期確定減速比(電機(jī)轉(zhuǎn)速/負(fù)載轉(zhuǎn)速)之后，通?？紤]以下幾方面的問題:
1、 選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角b，要求bI min ，
其中min 為負(fù)載軸要求的脈沖當(dāng)量
2、 選擇步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩
初步選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可按下式選擇步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 Τm
T L為折算到電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括負(fù)載的阻尼轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩。
K一系數(shù) ，一般取2一3. 5
3、 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率 f為 ：f==
式中：n一所要求的電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速；
nL一負(fù)載軸的轉(zhuǎn)速；
b一步距角
4、 步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性
一般步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨運(yùn)行頻率升高而迅速下降，經(jīng)過改進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)保持轉(zhuǎn)矩在一個(gè)很小的幅度內(nèi)變化。但是必須保證在實(shí)際運(yùn)行工況下，選用的電機(jī)可以給出足夠轉(zhuǎn)矩。
2.5控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)核心部分，結(jié)構(gòu)和功能的劃分以及設(shè)計(jì)的合理性直接影響著整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的可靠性、較高的運(yùn)行速度以及較好的性能價(jià)格比，在滿足工作性能要求基礎(chǔ)上體現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)性要求。
（1）硬件平臺(tái)選擇
在主控計(jì)算機(jī)的選用上存在兩種解決方案，即采用單片機(jī)并自行設(shè)計(jì)開發(fā)各種功能模塊構(gòu)成主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(如PC總線工控機(jī)或STD總線工控機(jī)等)并開發(fā)必要的專用功能模塊接口板(或者利用現(xiàn)成的專用功能模塊接口板)。機(jī)器人控制部分的主控計(jì)算機(jī)選用PC工控機(jī)與采用單片機(jī)構(gòu)成的廉價(jià)控制系統(tǒng)方案相比較，性能差別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1、一般情況下，機(jī)器人關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)存在級間耦聯(lián)現(xiàn)象，在關(guān)節(jié)位置和速度的控制上必須滿足適時(shí)性控制要求，因此存在大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理過程，在編程上，體現(xiàn)為大量的浮點(diǎn)運(yùn)算和程序上占用大量的內(nèi)存空間。單片機(jī)由于可尋址的存儲(chǔ)容量范圍有限，可能存在不能達(dá)到性能要求和編程復(fù)雜、開發(fā)工作量大等缺點(diǎn)，而PC機(jī)在數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理方面具有明顯優(yōu)勢，且開發(fā)工作量較小。
2、機(jī)器人控制系統(tǒng)不僅要求具有高可靠性的硬件支持，而且要求在軟件上能實(shí)現(xiàn)各種控制功能。單片機(jī)可直接利用的現(xiàn)成軟件資源較少，而PC系列計(jì)算機(jī)目前具有豐富的支持軟件，使程序設(shè)計(jì)更加方便靈活而且軟件的移植靈活性好，因此基于PC系列計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序開發(fā)可以避免重復(fù)性工作，并且具有完備的編程語言和開發(fā)環(huán)境。
3、采用單片機(jī)進(jìn)行一個(gè)完整的控制系統(tǒng)開發(fā)，雖然目標(biāo)系統(tǒng)成本較低，但試制階段的費(fèi)用并不低廉，更為重要的是在開發(fā)硬件系統(tǒng)時(shí)工作量大、開發(fā)周期長，而且硬件的可靠性和抗干擾性能難以達(dá)到較高要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PC系列工控機(jī)具有較高的可靠性和可維護(hù)性能，同時(shí)價(jià)格在大幅度降低，采用PC工控機(jī)進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制和開發(fā)，可以有效地縮短開發(fā)周期并能降低成本，對經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)選的硬件解決方案。
在機(jī)器人控制方式上，目前主要有集中式控制、主從式控制和分級控制三種方式。對于多關(guān)節(jié)機(jī)器人，每個(gè)關(guān)節(jié)對應(yīng)一個(gè)處理器，將機(jī)器人控制中計(jì)算量最大的動(dòng)力學(xué)方程按關(guān)節(jié)進(jìn)行分解，作為各個(gè)子算法分布在各關(guān)節(jié)處理器上同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，然后輸出到主控制器中，這種采用模塊化結(jié)構(gòu)、主從方式組成分布式多處理系統(tǒng)，是多關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展的方向，目前應(yīng)用最為廣泛的是兩級或兩級以上計(jì)算機(jī)構(gòu)成的分布式控制方式。集中式系統(tǒng)是最典型、結(jié)構(gòu)最簡單的控制系統(tǒng)，它將所有的信息輸入、處理、控制均集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，因而對該計(jì)算機(jī)的性能要求較高，而分布式系統(tǒng)則降低了對計(jì)算機(jī)性能的要求，且系統(tǒng)可擴(kuò)充性能好，易于維護(hù)，但故障率比集中式控制方式高得多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和存儲(chǔ)技術(shù)的日新月異，許多微型機(jī)在速度和性能上己經(jīng)接近甚至超過小型機(jī)，并且在價(jià)格上大幅度降低，可靠性增強(qiáng)，使用和維護(hù)更加方便。同時(shí)，隨著各種技術(shù)支持軟件的豐富，使編程方便易行、軟件的可移植性高，因而采用高性能價(jià)格比的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人的集中式控制己成為可能。在微型機(jī)領(lǐng)域，IBM-PC機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能、價(jià)格特別是軟件技術(shù)支持方面都有很多優(yōu)點(diǎn)，使它在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。因此，該機(jī)械手控制系統(tǒng)采用集中控制方式，利用工BM-PC586作為控制計(jì)算機(jī)，另外加一塊PCL-839接口卡作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)控制用接口卡，這樣既增加了硬件的可靠性，又縮短了開發(fā)周期。
（2）軟件系統(tǒng)
硬件系統(tǒng)是控制功能賴以實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)各部件完成控制功能的神經(jīng)中樞。軟件功能的劃分與結(jié)構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中具有極其重要的作用。軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是依據(jù)需要完成整體功能以最優(yōu)的方式把軟件各部分內(nèi)容有機(jī)組織起來，使整個(gè)系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行效率、可靠性、靈活性和操作實(shí)用性。該機(jī)械手軟件系統(tǒng)主要承擔(dān)的功能包括:運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算、路徑規(guī)劃、參數(shù)輸入、人機(jī)接口控制以及故障報(bào)警和處理系統(tǒng)，在功能的實(shí)現(xiàn)上應(yīng)使系統(tǒng)具有較好的人機(jī)界面和靈活的操作控制功能。
3.機(jī)器人參數(shù)的計(jì)算
3.1機(jī)器人的機(jī)身重量
如圖2-2、2-3所示，為機(jī)器人機(jī)身的結(jié)構(gòu)尺寸，先計(jì)算出機(jī)器人的機(jī)身體積如下：
圖2-3所示的機(jī)架體積為：
故
圖2-2所示的架體體積為：
故
所以機(jī)器人的機(jī)身體積為：
根據(jù)公式M=ρV, 取鋁合金的密度ρ=,則機(jī)器人的機(jī)身重量為：
M=ρV==34.2Kg
3.2選擇步進(jìn)電機(jī)型號
一、機(jī)身電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式選擇
類型：選用BF系列55BF005型號的步進(jìn)電機(jī)；
結(jié)構(gòu)：臥式型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；
二、電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)、主要外形及安裝尺寸
表3-1電機(jī)型號
相數(shù)
額定電壓/V
靜態(tài)電流/A
步距角
/o
保持轉(zhuǎn)矩/N·m
空載起動(dòng)頻率/P·
外形總長
3
30
3
3.75/7.5
0.343
16000
70mm
3.3齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
如圖3.1 齒輪
1．高速級齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
（1）選擇材料，精度及參數(shù)：
大齒輪：45鋼，調(diào)質(zhì)，，取
小齒輪：45鋼，正火，，取
齒數(shù)：
傳動(dòng)比：
精度等級8級
（2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：
由公式
Ⅰ.確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
1） 試選載荷系數(shù)Kt=1.3
2） 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
3） 由表查取齒寬系數(shù)=1；
4） 由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)；
5） 由圖10-21按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為
；
大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；
6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1 則
Ⅱ.計(jì)算
1）計(jì)算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
=48.546mm
2)計(jì)算圓周速度V
3）計(jì)算齒寬b
4）計(jì)算齒寬及齒高之比b/h
模數(shù)：
齒高：
5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)V=2.96m/s,精度等級8級,由圖10-8查得,直齒輪,假設(shè),由表10-3查得,由表10-2查得使用系數(shù),由表10-4查得8級精度,小齒輪相對支承非對稱布置時(shí):
將數(shù)據(jù)代入則
由=9.78, 查圖10-13得,故載荷系數(shù)
6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑()
7) 計(jì)算模數(shù)m
(3) 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由公式得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式:
Ⅰ.確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值:
1) 由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞極限
齒輪的彎曲疲勞極限
2) 查圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù),
3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力,取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,則
4) 計(jì)算載荷系數(shù)K
5) 查取齒形系數(shù)
由表10-5查得
6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表10-5查得
7) 計(jì)算大小齒輪的并加以比較
由此可見小齒輪的數(shù)值大
Ⅱ.設(shè)計(jì)計(jì)算:
可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2.116mm，并就圓整為標(biāo)準(zhǔn)值2.5mm按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù):
大齒輪齒數(shù):.
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
(4) 幾何尺寸
1) 計(jì)算分度圓直徑:
2) 計(jì)算中心距:
mm
3) 計(jì)算齒輪寬度:
齒寬取
4) 齒根高:
齒全高:
(5) 驗(yàn)算
故合適。
3.4軸的設(shè)計(jì)
圖3.2 軸
3.4.1.軸的設(shè)計(jì)
（1）求輸出軸上的功率P,轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T
（2）初步確定軸的最小直徑
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表15-3查取，于是得
（3）軸的尺寸
如圖3-2所示，左軸承與齒輪左端面之間用端蓋定位,因軸承主要承受徑向載荷的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，由軸承產(chǎn)品，目錄中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級選用深溝球軸承626，其尺寸為。選用深溝球軸承628，其尺寸為
則取
； ； ; 。
至此，軸的各段尺寸已初步確定。
3.4.2.軸的校核
1).軸上零件的周向定位:
齒輪與軸的周向定位用平鍵聯(lián)接，各平鍵的尺寸為
2).倒角尺寸: 軸端倒角為
3).軸的校核
①齒輪與軸的周向定位用平鍵連接。按查得平鍵截面尺寸，鍵槽用鍵槽銑刀加工。為保證齒輪與軸有良好的對中性，故選輪轂與軸的配合為。倒角為，其余見視圖。
②倒角為,其余見視圖。
4).軸上的載荷
1) 水平面內(nèi)的受力
見軸的設(shè)計(jì)簡圖，選用的是628型深溝球軸承。a=26.5mm
=11.5mm
=11.5mm
各個(gè)力對A點(diǎn)取矩,則求得
,豎直方向合力求得
B點(diǎn)的彎矩
2) 總彎矩圖和扭拒圖
由總彎矩圖和扭拒圖可知,截面B受力最大,故截面B處為危險(xiǎn)截面。如下圖所示。
4) 作為簡支梁的軸的支承跨距,畫出軸的彎矩圖和扭矩圖。
(4) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上的承受最大彎矩和扭拒的截面B的強(qiáng)度，取α=0.6，則軸的計(jì)算應(yīng)力
而軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，則,故安全。
3.4.3 軸承的壽命計(jì)算
圓錐滾子軸承32911的額定動(dòng)載荷為66.8KN,圓錐滾子軸承32912的額定動(dòng)載荷為73.0KN，則
故軸承滿足使用的要求。
3.5鍵的校核
1.軸上鍵的校核:
鍵
，則，根據(jù)材料查得
，所以故合適。
2.步進(jìn)電機(jī)軸上鍵的校核:
鍵GB/T1095-2003
， ，
，則，根據(jù)材料查得所以，故合適。
3.6密封與潤滑
1.齒輪的潤滑采用油潤滑，軸的潤滑采用脂潤滑。
2.在各個(gè)軸承端蓋定位蓋處安裝0型密封圈，進(jìn)行密封。
3.在輸入和輸出軸的軸承端蓋處設(shè)置環(huán)形槽，用墊圈進(jìn)行密封。
3.7機(jī)身結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)
機(jī)身壁厚：
頂蓋壁厚：
固定步進(jìn)電機(jī)螺釘數(shù)目：n=4
端蓋和電磁鐵固定用螺栓直徑：
回轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)落幕直徑和數(shù)目：
4.電磁腳的設(shè)計(jì)分析
圖4.1電磁腳
4.2電磁腳內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
機(jī)器人的電磁腳是由吸盤、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及電源幾部分組成，其中主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是其關(guān)鍵技術(shù)。電磁腳的基本尺寸為，腳的直徑Φ72mm，高度42mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有，鐵心、腳底、隔磁環(huán)、磁盤、卡環(huán)、線圈、軸承、擋圈和球形環(huán)節(jié)等部件組成。電磁腳由螺釘固定在升降結(jié)構(gòu)的連桿上，這樣就可以保證在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條運(yùn)轉(zhuǎn)是，機(jī)器人的電磁腳便可以實(shí)現(xiàn)升降工作，并且最高可以抬升60mm，這樣便能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跨越障礙能力，保證了機(jī)器人攀行的順利。如圖4-1為電磁腳的外形圖，4-2為電磁腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
5.機(jī)器人的檢測方案
本設(shè)計(jì)題目為鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)，檢測方案的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，現(xiàn)代的檢測技術(shù)已經(jīng)十分發(fā)達(dá)了，并且種類也十分繁多，但是要想將這些技術(shù)用于機(jī)器人身上，這便需要在機(jī)器人身上安裝傳感器。為了方便設(shè)計(jì)并且也能達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)表面的檢測要求，最直接的方法就是在機(jī)器人的前端安裝一個(gè)微型攝像頭，并將鋼結(jié)構(gòu)表面的狀況通過傳感器反饋回來。但由于安裝攝像頭只能看到一些表面的現(xiàn)象，對表面的缺欠還不能作出具體的判斷，這就需要安裝一種傳感器來完成，本設(shè)計(jì)選用電渦流式傳感器。
5.1電渦流式傳感器
塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。
渦流的大小與金屬體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t、線圈與金屬體的距離X以及線圈的激勵(lì)電流頻率f等參數(shù)有關(guān)。固定其中若干參數(shù)，就能按渦流大小測量出另外一些參數(shù)。
渦流傳感器的特點(diǎn)是對位移、厚度、材料缺陷等實(shí)現(xiàn)非接觸式連續(xù)測量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，工業(yè)應(yīng)用廣泛。
渦流傳感器在金屬體內(nèi)產(chǎn)生渦流，其滲透厚度與傳感器線圈的激勵(lì)電流的頻率高低有關(guān)。所以渦流傳感器分為高頻反射式和低頻透射式兩類。
5.2高頻反射式電渦流式傳感器
1）基本工作原理
渦流傳感器的工作原理如圖5-1所示。
高頻信號加在電感線圈L上，L產(chǎn)生同頻率的高頻磁場Φ作用于金屬表面，由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁場在金屬板表面感應(yīng)出渦流i，渦流產(chǎn)生的反磁場Φ反作用于Φ，使線圈的電感和電阻發(fā)生變化，從而使線圈阻抗變化。傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為
Z = F（ρ，μ，γ，f，x）
由于渦流效應(yīng)，金屬板電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈半徑r、線圈激勵(lì)頻率f以及線圈與金屬板距離x的變化均會(huì)引起線圈阻抗Z的變化。如果ρ，μ，γ，f參數(shù)已定，Z成為線圈與金屬板距離x的單值函數(shù)，由Z可知x。
2）傳感器的結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。它由一個(gè)安裝在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。線圈既可以粘貼在框架上，也可以繞在框架的槽內(nèi)。線圈一般用高強(qiáng)度的漆包線，要求高的，可用銀線或者銀合金線。
圖5.1渦流傳感器工作原理和傳感器結(jié)構(gòu)
6.控制分析
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時(shí)還要考慮價(jià)格因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件，具有控制簡單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)。它能夠直接接受數(shù)字信號，無需中間轉(zhuǎn)換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)字控制。另外，步進(jìn)電機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)、無累計(jì)定位誤差，可重復(fù)反轉(zhuǎn)而不損壞，并且步進(jìn)電機(jī)的位置和速度控制簡單，具有一定精度，使用與維護(hù)都很方便。
本次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件完成攀行檢測任務(wù)。驅(qū)動(dòng)控制圖如下：
電機(jī)2
前腿升降
齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)
后腿升降
電機(jī)1
電機(jī)3
機(jī)器人攀行前進(jìn)
檢測機(jī)構(gòu)
執(zhí)行任務(wù)
結(jié)論
本文在參考近幾年機(jī)器人領(lǐng)域取得重大成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合“攀行機(jī)器人”和“檢測機(jī)器人”這個(gè)課題，對鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、同時(shí)，對傳動(dòng)方式和控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和分析，本論文的研究主要取得了以下成果:
1. 對鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人采用機(jī)械電子學(xué)思想進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。立足于機(jī)電一體化的觀點(diǎn)，對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)方式等各組成部分進(jìn)行了較為全面的分析，最后得出鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人的總體方案，提出用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用齒輪、齒輪齒條和導(dǎo)軌傳動(dòng)力和扭矩。
2. 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對前進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。采用步進(jìn)電機(jī)來控制齒輪的扭矩和動(dòng)力傳遞，防止扭矩和力過大，使前進(jìn)機(jī)構(gòu)損壞。
3.采用齒輪齒條來進(jìn)行機(jī)器人回轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)的控制，這部分的設(shè)計(jì)比較難，尤其是回轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)和安裝位置的確定，通過查閱資料和分析整體結(jié)構(gòu)，最后決定把機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人機(jī)架的中心部位，這樣既可以是結(jié)構(gòu)緊湊，又可以使機(jī)器人的受力均勻，保持機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。
通過以上的工作，從總體結(jié)構(gòu)分析和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造，最終實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人的簡單、實(shí)用的整體設(shè)計(jì)方案。總結(jié)以前的研究工作，認(rèn)為有必要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究:
(1)提高機(jī)器人的操作精度的研究。機(jī)器人的操作精度很大程度上依賴于電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度，如果僅僅依靠采用小步距角的步進(jìn)電機(jī)是不夠的。現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制有許多提當(dāng)高精度的措施，如細(xì)分控制可以達(dá)到與閉環(huán)不相上下的精度。但是，在機(jī)器人中的應(yīng)用尚有待于進(jìn)一步的研究。
(2)本文提出的鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機(jī)器人的整體方案對其它機(jī)器人的開發(fā)也有借鑒意義，但是尚未形成完整的理論。如果能對機(jī)器人設(shè)計(jì)研究提出一般性的理論原則，必然能對我國機(jī)器人的開發(fā)具有更大的推動(dòng)作用，這一問題的研究也需大量的工作。
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致謝
通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)的方法和各方面的要求，同時(shí)，熟練掌握了CAD制圖軟件，對以前所學(xué)習(xí)的機(jī)械專業(yè)課程得到了很好的鞏固。
本課題