爬树机器人爬杆作业机器人设计（含全套CAD图纸）
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四轴联动简易机械手 1绪论 随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快 ,人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善 ,使机械手技术快速发展 ,其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点 ,已渗透到工业领域的各个部门 ,在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作 ,能放置在各种不同的生产线或物流流水线中 ,使零件搬运、 货物运输更快捷、便利。 2四轴联动简易机械手的结构及动作过程 机械手结构如下图 1 所示 ,有气控机械手 (1)、 丝杠组 (2)、转盘机构 (3)、旋转基座 (4)等组成。 图 2械手结构图 其运动控制方式为： (1)由伺服电机驱动可旋转角度为 360的气控机械手(有光电传感器确定起始 0 点 );(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿 X、 Y 轴移动 (有 x、 y 轴限位开关 );(3)可回旋 360的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转 (其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成 );(4)旋转基座主要支撑以上 3 部分 ;(5)气控机械手的张合由气压控制 (充气时机械手抓紧 ,放气时机械手松开 )。 其工作过程为：当货物到达时 ,机械手系统开始动作 ;步进电机控制开始向下运动 ,同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动 ;伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处 ,然后充气 ,机械手夹住货物。 步进电机驱动纵轴上升 ,另一个步进电机驱动横轴开始向前走 ;转盘直流电机转动使机械手整体运动 ,转到货物接收处 ;步进电机再次驱动纵轴下降 ,到达指定位置后 ,气阀放气 ,机械手松开货物 ;系统回位准备下一次动作。 3控制器件选型 为达到精确控制的目的 ,根据市场情况 ,对各种关键器件选型如下： 进电机及其驱动器 机械手纵轴 (Y 轴 )和横轴 (X 轴 )选用的是北京四通电机技术有限公司的42两相混合式步进电机 ,步距角为 ,电流 横轴电机 ,带动机械手机构伸、缩 ;纵轴电机 ,带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是 ,该驱动器采用 10 40V 直流供电 ,H 桥双极性恒相电流驱动 ,最大 3A 的 8 种输出电流可选 ,最大 64 细分的 7 种细分模式可选 ,输入信号光电隔离 ,标准单脉冲接口 ,有脱机保持功能 ,半密闭 式机壳可适应更恶劣的工况环境 ,提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计 ,保证了驱动器可适应较宽的电压范围 ,用户可根据各自情况在 10 40间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩 ,但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为 3A/相 (峰值 ),通过驱动器面板上六位拨码开关的第 5、 6、 7，三位可组合出 8 种状态 ,对应 8 种输出电流 ,从 3A 以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、 4 细分、 8 细分、 16 细分、 32 细分和 64 细分 7 种运行模式 ,利用驱动器面板上 六位拨码开关的第 1、 2、3，三位可组合出不同的状态。 服电机及其驱动器 机械手的旋转动作采用松下伺服电机 A 系列小惯量 额定输出 50W、 100/200V 共用 ,旋转编码器规格为增量式 (脉冲数 2500p/r、分辨率10000p/r、引出线 11 线 );有油封 ,无制动器 ,轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法 ,使速度频率响应提高 2 倍 ,达到 500位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品 V 系列的 1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能 ,可弥补机械的刚性不足 ,从而实现高速定 位 ,也可通过外接高精度的光栅尺 ,构成全闭环控制 ,进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式 ,还配有 信口 ,使上位控制器可同时控制多达 16 个轴。伺服电机驱动器为 A 系列 用于小惯量电动机。 流电机 可回旋 360的转盘机构有直流无刷电机带动 ,系统选用的是北京和时利公司生产的 57刷直流电机 ,其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的 动器 ,其采用 24 48V 直流供电 ,有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护 ,且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。 转编码器 在可回旋 360的转盘机构上 ,安装有 6编码器将信号传给 现转盘机构的精确定位。 选型 根据系统的设计要求 ,选用 司生产的 型机。 一个小巧的单元内综合有各种性能 ,包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。 元又是一个独立单元 ,能处理 广泛的机械控制应用问题 ,所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它 C 和 些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。 4软件编程 件流程图 流程图是 序设计的基础。只有设计出流程图 ,才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表 ,最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求 ,绘制流程图如图 2 所示。 图 4件流程图 序部分 由于 论文篇幅有限 ,这里只列出了开始两段程序 ,供读者参阅 ,见图 3。 图 4序列表 5结束语 四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由 制 ,不仅能满足机械手的手动、半自动、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求 ,更可通过接口元器件与计算机组成 业局域网 ,实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。 of is on of of do of in an of Y is to be in of or of of as in of 1), XY 2), 3), 4), (1) by 60 (2) by , Y , Y (3) 60 in by dc to (4) (5) by to of to of to C so go to at to To to of a of as 1. Y X is o., 2of , M1 is M2 is of 0 40V DC A of 4 to be to to be to a to to 0 40A / IP on be ,6,7 8 of to of A to , 8 16 32 4 of of IP ,2be 2. of 0W, 100/200V of 500p / r, 0000p / r, 1 ; a no s 00 / 4. up of in to be an to to a in up 6 a to 3. DC 60 of be a C is 7C C ees by 4 48V DC a is so 4. 60 in on 6A2 to to of 5. to in a a of PU is a of a of of it is in of C 1. is it be to a So a of is to to on . 2. is by LC of a of LC be 用于 施工 服务 的 最小自由度 混合爬杆 操纵机器人 1绪论 目的 旨在描述设计 样机的特点和爬杆 /操纵机器人 通过 极点 和 弯曲 部分的 能力。 设计 /方法 /方式 机器人 主要部分 引入 具有 混合（并行 /串行）四自由度（自由度）机制的还介绍了一种 具有 独特 夹具设计 。 成果 研制出一种具有爬坡能力和操纵杆具有弯曲和分支的能力 ， 另外 至少需要 4 个自由度 的机器人 ，同时 发现 电气驱动对于爬杆机器人是一个很好的选择，它比气动和液压缸具有更好的优势 研究限制 /影响 在 未来的工作 当中， 机器人 的 半工业规模 对 工业机器人的 设计和制造是一个很好的 启发 。 实际影响 随着对 夹持模块和工具模块 最后 的修改 ，机器人 将 能够做一些服务工作，像管 道 测试，管 /极清洁， 公路 灯泡更换等。 独创性 /价 值 为 建设与服务工作 设计和制造一个 具有 最小自由度 的 爬杆和操纵机器人 。 关键词： 设计，并行编程，运动学，极点，机器人 2介绍 爬壁机器人已获得很大的重视，近年来由于其潜在的应用在建筑和高大的建筑维修，农业收获，公路和桥梁维修，船厂的生产设施等等 都有体现 。 如果需要提高串行多足机器人在复杂工作坏境中的 使用，就需要在更大程度上提高其自由度 。 众所周知，串行配置需求量更大的扭矩在关节 上 ，因 此 爬壁机器人 的 关键 就是 要求较大和较重的致动器 从而在较小的有效载荷重量比 。对比结果使用并行平台在减少的重量 /功率比，从而使有效载荷 早期在这一领域主要通过移动球面（窗口）机制集中 在 六自由度研究上（ 梅尔莱特， 2000；到 1998） et 模和模拟 了一种具有气动执行器和平行六自由度的并联机器人，该模型具有一个较大的有效载荷能力，这对于工业爬杆机器人来说是一个很重要的环节（ et 1999） 后来 阿拉西利 等人，制作了一个能够 自主攀沿管状结构 的并联机器人 ， 该机器人采用高夫 斯图尔特作为机器人平台 ， 该平台的驱动器 采用 六气缸气动伺服控制 ， 他们的 机械结构 使用了 六 气 缸 作 为抓手（ 一个夹具使用三个气缸 ） 总共 使用 了 12 个驱动器 但 不 包括 所需的机械臂驱动器 （ et 2003）， 该 机械结构 是相当复杂的 ， 因此 有能力通过任何方向 的 弯曲， 并能够让他适合移动 沿线的树木 和复杂的结构 ，因此，我们需要设计的是一种不太复杂具有 沿着 人类设计的路线和不太复杂的结构移动的能力，同时该结构拥有最小自由度和最低数量的驱动器。此外， 气压缸在机械装置的使用过程中还存在着压缩空气从压缩 机到气缸的转移问题 但最近几年来，机械工具在一些工业领域中的应用导致了更加注重不少于六自由度平行机制的研究， 大多数最近几年的研究集中在三自由度机械机构上（ et 2001; et 1992b; 1996） 在 沿杆 或具有弯曲和分支结构的管状结构上移动就必须具有四个自由度（ 沿垂直于管轴的翻转和旋转）， 同一自由度在爬杆的应用中对于大部分操作和 维修工作中也是必不可少的。在 讨论了关于平面并联机构应用在并联结构机器人的详细建模机制和选择 过程（ 2004） 。 就作者所知， 对于这样的操作还没有四自由度的机械结构来提供二自由度的翻转和旋转，在本文中，该机构显示 利用并行 /串行机制 来提供具有二自由度翻转和二自由度旋转的轴（这将在以下描述出来）。 并行 /串行机器人 同时具有 刚性全并联机构 和串联机器人扩展工作区的优点（ 1999） et (2004). 该机构还利用新型夹具设计，使它适合安全爬杆操作 3 概念 （方案） 就像前面所提到的， 沿着 具有 弯曲和分支 的 管状结构 运 动 ，至少需要四自由度。这些包括 沿 着极轴运动的平移自由度（图 1），归零 ： 沿 着极轴左右旋转的旋转自由度（图 2），接收： 沿 轴的径向方向旋转的旋转自由度（图 3） 图 3沿杆 图 3极轴旋转 图 3曲段 运动 结合以上三自由度和 沿 极轴径向翻转运动的翻转自由度，为在杆上达到目标点以后的必要操作提供必要的操作性能（ 即修理，维修或生产等操作 比如 焊接 ） 4机器人 的 设计 和组成 要 设计 的爬杆机器人主要由三部分组成 （图 5）： 三自由度的平面并联机构 ，串行 Z 轴旋转机制 ， 夹钳 。 结合三自由度平面并联 机构和具 有旋转机制的极轴提供的二自由度翻转和平移，这就需要在最后一章对设计目标做出解释 图 4器人进行焊接操作 图 4杆机器人模型 除此之外，线性气缸要用于平行机械手来安装包 围杆 ，因此需要减少夹具的动作时间 一个手爪连接到一个机械臂，另外一个连接旋转平台的底部，这样就可以达到，该夹钳有四个自由度与之想对应 ，同时 可以 满足在不同的截面和几何构型的轴和杆上运动 自由度平面平行机械手 通常意义上的三自由度平行三角平台由移动平台通过三个简单的运动链连接到一个固定的底座组成，每个运动链通过三个独立自由度关节组成，其中的一个是活动关节（ 及其他人）， 一些人通过研究表明 ，有 1653种不同平行三角平台能够转变成为三自由度机构，对于所推荐的机械结构，制可以被选定为机器人的 平面平行部分 转机构 旋转机构是由导轨，滑动单元，齿轮组和电机 组成 ，图 1 显示的是导轨和滑动单元，该导轨是环绕着极轴的 T 形圆导轨 ，滑块单元 由特定的轴承 组成，它能够在所有可能的配置 中承受在各种实践和维护机器人的稳定性的过程中产生的力和力矩，该滑块有一个下夹持器 通过一个由简单传动装置连接的电机驱动，当保持其中一个夹钳固定通过旋转运动其他夹持器可以绕极轴旋转 持器 该夹持器具有一个独特多指设计，它只需通过一个简单的电机来适应杆的不同截面和尺寸，每个夹具包括 2v 多指灵体，双转轴电机，左右各两个螺钉和双直线导轨， 特殊的多手指布局的使用不仅增加了夹具的扭矩处理能力同时也提高在不同杆的截面和尺寸的适应性， 滚珠丝杠 的 摩擦系数为 条直线导轨将承受机器人在爬升的过程中载重，选定的双轴电 机相对于机器人的重量来说很小，图 2 展示了夹具的制作。 图 4转机构系列 图 4器人装配夹具 在典型的爬杆应用中各个组成部分的 结合运动展示在图 3 1 显示的原版本的规格和机器人工业版本的估计规格 5机器人原型 下面是建议的机械结构的运动学分析（ et 2004; et 2004） ，为假设的内部灯泡更换操作而设计和建造的原型单位， 这个机器人的重量为 16个机器人的身体是由 铝 合金 制造 ，这个机器人是由三个直流电机和三个 电气缸体驱动， 在缸体的控制上， 电气驱动 的使用 比气动和液动更加简化 ，还能增加控制的精度，而且还不需要压缩机或 泵 ，同时这也消除了液压管或气动管，而且这些对爬杆机器人的应用也是很不安全的、 这些电动机的重量为每个 个电动机能够提供 800.6 m/ 平面并联机构的旋转接头应该制作的具有相对较高的耐受性，不然的话，平面并联机构将会被约束或展现出多余的自由度，除此之外，对于机械结构的合理运动，装配的工艺精度也是非常重要的 ，为了使两个微型机械手更好的适应更换动作，一个机械手 夹持新灯泡， 一个机械手更换旧灯泡，这个夹持器为气动驱动，同时也是一个可以被利用的拥有 300量的小存储器 ，通过装在机械手上得圆顶遥控摄像机，当机器人在更换灯泡时，用操纵杆通过悬挂装置来实现远程控制，该相机拥有两个自由度，可以绕两条垂直的轴左右旋转，同时被一个圆顶所遮盖，图 6 展示制作的原型。 图 7 显示的是在杆上得制作原型，图 8 是制作原型通过弯曲部分时图像，图9 是制作原型更换灯泡是的图像 6机器人的控制 就像前面所提到，制作原型 是通过三个 三个直流电机驱动，每个电机都有一个控制 面板，它是直接连接到中央电脑 图 6器人 沿杆轴 运动 图 6器人绕杆转动 图 6过弯曲部分时的机器人 表一 线性驱动器的个数 旋转驱动器的个数 重量 尺寸（ 原型版本 3 3 16 18 25 60 工业版本 3 3 30 50 50 100 图 6作原型 图 6造原型 沿 杆移动 图 6作原型通过弯曲部分 机械手的电动机采用电流反馈控制，当 夹钳接触到电极，电流上升，当电流上升到一定的值时，机械手产生 与电流 成正比的力，由于机械手的电动机是没有后备电源的，当电动机断电后，由于大量齿轮的存在，夹具不会松懈还将保持原有的姿态，这样可以保证当其断电后的安全性。 电缸包括一个直流电机 ，传动装置和螺杆，在直流电机的轴使用了频率为500编码器，气缸的直线运动的精度为 直流电机的转动机构的轴上也使用了 100编码器 ，串行机制的转动装置的精度为 一些列组装在夹钳上得触摸开关，不仅可以 检 测到杆的弯曲和障碍物，还可以检测出机械手与杆弯曲角度， 这将允许串行机构转动 。 图 6作原型的更换灯泡操作 通过这种方式机器人可以以合适姿态通过弯曲部分，控制系统包括一个运动学模块和一个位置控制系统的 头 7结论 在本文中 ，对自主机器人的爬杆问题提出解决办法。提出了一个独特了的多指夹具功能，它能够适应各种杆的截面和尺寸，同时他的机构也是非常简单，还探讨了一些关于机器人的原型和控制的问题。 四轴联动简易机械手 1绪论 随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快 ,人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善 ,使机械手技术快速发展 ,其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点 ,已渗透到工业领域的各个部门 ,在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作 ,能放置在各种不同的生产线或物流流水线中 ,使零件搬运、 货物运输更快捷、便利。 2四轴联动简易机械手的结构及动作过程 机械手结构如下图 1 所示 ,有气控机械手 (1)、 丝杠组 (2)、转盘机构 (3)、旋转基座 (4)等组成。 图 2械手结构图 其运动控制方式为： (1)由伺服电机驱动可旋转角度为 360的气控机械手(有光电传感器确定起始 0 点 );(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿 X、 Y 轴移动 (有 x、 y 轴限位开关 );(3)可回旋 360的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转 (其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成 );(4)旋转基座主要支撑以上 3 部分 ;(5)气控机械手的张合由气压控制 (充气时机械手抓紧 ,放气时机械手松开 )。 其工作过程为：当货物到达时 ,机械手系统开始动作 ;步进电机控制开始向下运动 ,同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动 ;伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处 ,然后充气 ,机械手夹住货物。 步进电机驱动纵轴上升 ,另一个步进电机驱动横轴开始向前走 ;转盘直流电机转动使机械手整体运动 ,转到货物接收处 ;步进电机再次驱动纵轴下降 ,到达指定位置后 ,气阀放气 ,机械手松开货物 ;系统回位准备下一次动作。 3控制器件选型 为达到精确控制的目的 ,根据市场情况 ,对各种关键器件选型如下： 进电机及其驱动器 机械手纵轴 (Y 轴 )和横轴 (X 轴 )选用的是北京四通电机技术有限公司的42两相混合式步进电机 ,步距角为 ,电流 横轴电机 ,带动机械手机构伸、缩 ;纵轴电机 ,带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是 ,该驱动器采用 10 40V 直流供电 ,H 桥双极性恒相电流驱动 ,最大 3A 的 8 种输出电流可选 ,最大 64 细分的 7 种细分模式可选 ,输入信号光电隔离 ,标准单脉冲接口 ,有脱机保持功能 ,半密闭 式机壳可适应更恶劣的工况环境 ,提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计 ,保证了驱动器可适应较宽的电压范围 ,用户可根据各自情况在 10 40间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩 ,但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为 3A/相 (峰值 ),通过驱动器面板上六位拨码开关的第 5、 6、 7，三位可组合出 8 种状态 ,对应 8 种输出电流 ,从 3A 以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、 4 细分、 8 细分、 16 细分、 32 细分和 64 细分 7 种运行模式 ,利用驱动器面板上 六位拨码开关的第 1、 2、3，三位可组合出不同的状态。 服电机及其驱动器 机械手的旋转动作采用松下伺服电机 A 系列小惯量 额定输出 50W、 100/200V 共用 ,旋转编码器规格为增量式 (脉冲数 2500p/r、分辨率10000p/r、引出线 11 线 );有油封 ,无制动器 ,轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法 ,使速度频率响应提高 2 倍 ,达到 500位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品 V 系列的 1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能 ,可弥补机械的刚性不足 ,从而实现高速定 位 ,也可通过外接高精度的光栅尺 ,构成全闭环控制 ,进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式 ,还配有 信口 ,使上位控制器可同时控制多达 16 个轴。伺服电机驱动器为 A 系列 用于小惯量电动机。 流电机 可回旋 360的转盘机构有直流无刷电机带动 ,系统选用的是北京和时利公司生产的 57刷直流电机 ,其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的 动器 ,其采用 24 48V 直流供电 ,有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护 ,且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。 转编码器 在可回旋 360的转盘机构上 ,安装有 6编码器将信号传给 现转盘机构的精确定位。 选型 根据系统的设计要求 ,选用 司生产的 型机。 一个小巧的单元内综合有各种性能 ,包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。 元又是一个独立单元 ,能处理 广泛的机械控制应用问题 ,所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它 C 和 些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。 4软件编程 件流程图 流程图是 序设计的基础。只有设计出流程图 ,才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表 ,最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求 ,绘制流程图如图 2 所示。 图 4件流程图 序部分 由于 论文篇幅有限 ,这里只列出了开始两段程序 ,供读者参阅 ,见图 3。 图 4序列表 5结束语 四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由 制 ,不仅能满足机械手的手动、半自动、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求 ,更可通过接口元器件与计算机组成 业局域网 ,实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。 of is on of of do of in an of Y is to be in of or of of as in of 1), XY 2), 3), 4), (1) by 60 (2) by , Y , Y (3) 60 in by dc to (4) (5) by to of to of to C so go to at to To to of a of as 1. 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O. (2003),“ 42, J. (1992a),“to 27, et (1992b), “On in . 2 2005 171178177 (1999),“of a . 121, (2000), F., F., O. T. (2001),“H4 L. (1999), “of a 34, R., R., O. (1999), “of at (1998), “A of 31 (1996), “of a S., M., M. (2004), “of a at 19 S., H. (2004), “of a at 2 . 2 2005 171178178 1 上 海 电 机 学 院 本科生毕业设计（论文） 中期检查 报告 姓 名 周益 学 号 081002070725 指导教师 赵爽 专 业 机械电子工程 学院 /系 机械学院 毕业设计 (论文 )题目 爬杆作业机器人设计 课题来源 /项目编号 题目自拟 课题有无变化 无 有 变化原因 中期报告（已完成的研究内容，所取得阶段性成果，下一步工作计划和研究内容等） 一、已完成的内容： 1、电机的选型以及减速箱的相关设计 2、曲柄滑块机构、凸轮机构的设计 3、爬杆机械手的设计 4、绘制总装图 二、下一步工作内 容： 1、修改总装图及零件图。 2、完成控制部分的设计 3、按学校规定的格式撰写整理计算说明书，准备最终答辩。 学生签名 ： 周益 2012 年 6 月 6 日 2 指导教师意见 : 该生接到毕业设计任务书后，通过查阅文献资料，确定了总体方案 。 随后对方案的机械传动部分 如曲柄滑块 机构， 凸轮机构，减速部分以及机械手抓 等进行了设计计算 与选型 ，并画出了总装图 ，但总装图较粗糙 。 望该生在接下来的一段时间里， 抓紧时间 ， 细化完善图纸、补充零件图和部件图，完成爬杆作业机器人设计的控制部分设计，画出控制原理图， 撰写 论文等工作。 指导教师签名 ： 年 月 日 学院（系）意见 审 查 结 果 ： 通过 不通过 院长（系主任）签名： 年 月 日 1 上海 电 机 学 院 毕业设计 （ 论 文） 开题报 告 课 题 爬杆作业机器人设计 学 院 （系） 机械学院 专 业 机械电子工程 年 级 学 号 姓 名 周益 导 师 定稿日期： 2012 年 1 月 6 日 2 爬杆 作业 机器人设计 1 选题背景及其意义 随 着国民经济的飞速增长，人民生活水平的提高 ，城镇中随之矗立起无数电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索等高层建筑。 这些高层建筑 壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等， 长期以来 会形成灰尘层，酸污染影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，加快它们的生锈，并缩短它们的使用寿命，需要定期进行壁面维护工作。 它 们通常 高 5，有的甚至高达百米， 会给操作人员带来不便和危险。 因此本课题 拟设计一爬杆机器人，可以在没有 障碍 的光杆上爬行， 代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。具有良好的经济效益和社会效益。 2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 机器人技术是近 30 年来迅速发展起来的一门综合学科。它综合了力学、机构学、机械设计学、计算机工程、自动控制、传感技术、电液驱动技术、人工智能、仿生学等学科的有关知识和最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。尤其是进入 80 年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注 。 许多发达 国 家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划 。 移动机器人作为机器人学的一个重要分枝，其研究工作始于 20 世纪 60 年代。移动机器人的最成功应用是自动化生产系统中的物料搬运，用于完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件工具传送。移动机器人的运动灵活性能，大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。 现在，移动式机器人的研究开发除上述应用外，还涉及许多其他应用领。如在建筑领域完成混凝土的铺平、壁面的装修、检查和清洗：采矿业中行隧道的掘进和矿藏的开采、农林业中从事水果采摘、树枝修剪、圆木搬运；军事上用于探测侦察、爆炸物 处理。福利方面进行盲人引导，病员护理 等。 爬行机器人是机器人大家族中的一员，爬升机器人因为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动，完成特定条件下的作业，区别于 平面移动机器人，故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。 从动力源进行划分，主要分为机械式和气动式两大类。从有无控制系统的层面进行划分，主要分为普通型和智能型两大类。普通型就是只有动力源、执行机构，智能型相比普通型还有 (反馈 )控制机构。 最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人 ，适于高层建筑 、水力发电 大坝等 3 垂直壁面和大球形表面上的 危 险作 业 。对 于 管道外壁表面 ，已有车轮移动形、姿态可变形、尺蠖形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵 引 力较小。 爬行机器人并不少见，但是通常来说，这类规器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。更主要的是，平常的机器人，因为体积或行动方式的影响，不能到一些特殊的地方进行工作，比如说管道，壁面等等特种用途的领域。 国内外很早就对爬行机器人进行研究工作，获得了丰硕的成果。 目前，国内外提出的一些依附 于 杆体表面的自动爬行机 构主要有电动机械式爬杆机器入、电动液压式爬秆机器入和气动蠕行式爬杆机器 人 。电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与 杆 体的摩擦力使爬升器沿 杆 体上 升 下降。螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与 水平面成一定角度，这样轮子转动时它在杆 体上形成的是螺旋轨迹，沿此轨迹通过电动机的正反转 ， 该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人 和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压 紧 杆 体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工 作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部汽缸夹紧，上部汽缸松开，提升汽缸活塞杆伸出，上部上升；上部汽缸夹紧，下部汽缸松开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下 降运动由 实现由气压控制，需要气源和气动控铡系统， 因 此其设备成本较高。日本是机器人制造王国，它拥有世界上最多的机器人 。 在 2005 年 5 月 10 日展出的日本新能源产业技术综合开发机构 (术开发机构 )机器人周 (2005 年 6 月 9 日 19 日 )期间，在长久会场内的 展中心举办的“机器人样机展”，其中实机演示的 5 种机器人中有三种是移动 机器人：分别是移动跳跃机器人、 脚轮式移动机器人 和水陆两用蛇形机器人。 国内有苏州工业职业技术学院的曹建东等发明的气动爬杆机器人 （如图 1、2 所示）， 其工作台上分别设有左，右轨道固定支架，固定支架之间设有运行轨道杆，其特点是：运行轨道杆上 穿设有左，右滑动导向固定块，两滑动导向固定块上各安装双杆伸缩爬行气缸，由此可实现机器人在轨道上自动来回爬 行运动 。 4 图 1 气动爬杆机器人的构造示意图 图 2 气动爬杆机器人的俯视图。 图中标记为： 1 左轨道固定支架； 2 缓冲块； 3 左推紧气缸； 4 压紧块； 5 左滑动导向块； 6 方形固定块； 7 双杆伸缩爬行气缸； 8 右滑动导向固定块； 9 推紧缸固定块； 10 方形运行轨道杆； 11 固定三角件； 12 左限位固定块； 13 滚轮式行程开关； 14 导条； 15 传感器固定块； 16 定位传感器； 17 右限位固定块； 18 电磁阀组合； 19 I/O 信 号接口； 20 工作台； 21 导线传输链； 22 导条固定块； 23右推紧气缸； 24 右轨道固定支架 此外还有山东建筑大学机电学院于复生的“一种气动爬杆机器人” （ 如 图 3所示 ） 。 这种气动机器人，属于机械制造领域。 该爬杆机器人是由水平夹紧气缸，汇流板和电磁阀组件， 加强支架，连接块，后顶杆，侧杆，前顶杆，垂直气缸，支架组成。水平夹紧气缸其外筒的前端牢靠地安装在支架上，其活塞的前端通过联接块与后顶杆相连，后顶杆的两端有销子插在侧杆的中间，在水平夹紧气缸的带动下，后顶杆可前后移动。前顶杆通过螺钉和销钉与侧杆联接，其一端可方便地拆卸 ，以把机器人要爬的杆件包揽入内。加强支架通过螺钉与上下四根侧杆。汇流板及电磁阀组件，支架紧固地联接起来，构成了机器人的整体结构。这种气动爬杆机器人具有结构简单，可爬杆直径适用范围大，使用方便等优点。 5 图 3 爬杆机器人结构图 123457893 研究内容 该课题主要针对直径 150右的杆，且保证在 全负载情况下应该能够保持 100mm/s 左右 的运行速度 ，除此之外总重应该不得超过 5时得以保 证最大的灵活性和最底的能量消耗。而且机器人的传动系统应该具有自锁机构以克服重力的影响。 该机器人包括夹持机构、移动机构、驱动机构等组成。夹持部分有上、下两个机械手组成。通过上、下机械手的交替夹紧来实现爬杆机器人的 支点定位和 蠕动。移动部分采用连杆机构 ，驱动部分采用电气驱动。结构示意图如图 4 所示。 图 4 爬杆机器人结构 示意 图 6 4 研究方案 欲使机器人在杆上 自由移动，必须具备两种功能：贴附功 能与移动功能。 贴附方式有吸附式和夹持式两种，运动方式有轮式、履带式、腿式及蠕动 式 。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格的机器人。 附方案 吸附式是通过面接触方式紧贴于壁面上，夹持式是靠点夹紧在杆上。吸附方式又有真空吸附和电磁吸附之分，其中真空吸附式用的比较多，因为它对壁面的要求不十分严格；电磁吸附承载能力大，有很强的适应能力，但其应用范围窄，需要杆件壁面含有电磁场可吸附的含铁、钴、镶等材料。各种贴附方式的优缺点和比较如表 1 所示。 表 1 爬行机器人贴附方案的比较 贴附方式 概要 特点 夹 持式 机械手 由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上 能适应任何壁面 吸 附 式 真 空 吸 附 真 空 泵 设置许多吸盘，由真空泵装置产生吸附力，使 机 器人吸附在壁面上 可实现小型、轻量化，无需附加供气装置，但要求壁面有一定平滑度 喷 射 器 在本体上安装喷嘴，由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出。其周围形成真空，吸附在壁面上 能效低、噪音大，且需要供气装置，但可以达到高真空度，对壁面适应性强 电 磁 吸 附 永 磁 体 由永磁体产生吸附力，吸在壁 面上 吸附时不需终部能量，但只适用 于导磁性壁面的吸附 电 磁 体 电磁铁通电将其吸附在壁 面上 吸附 时需要电能，也只适用于导磁性壁面的吸附 动方案 在设计移动机器人系统时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。此外，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。作为杆件爬行机器 人 ，根据现有的技术方案，有很多种移动方式可供选择。各种移动方案的比较如 表 2所示 。 7 表 2 爬行机器人移动方案比较 移动方式 优点 缺点 轮 式 移动速度快，控制方便，转弯容易 接触 面 积 小，越障能力差，易打滑。 履 带 式 接触面 积 大，承载能力大，移动速度快，适应能力强。 履带磨损大，结构复杂，机动性差。 腿 式 越障能力强，承载能力大，机 动 性好，具有很强的壁面适应能力 。 结构复杂，间歇移动，速度慢，关节和足数多，控制复杂。 蠕 动 式 承载能力大，运动平稳，控 制 简便，适应能力比较强。 运动速度慢，结构复杂。 力系统比较 目前对于机器人的动力系统 可以采用电气驱动、液压驱动、气压驱动等不同的方式 。不同的动力系统其有不同的特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照 具体的要求来选择最适合的动力系统可以达到预定的目标。 气压驱动的优点是响应速度快，结构简单，控制方便；缺点是功率质量比较小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器入在任意定位时，位姿精度不高。气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本爬行机器人的工作空间的要求，不适合在本系统中使用 电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，反应快，使用方便，信号监测、传递和 处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动己经成为最普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。所以选择电气驱动的方案。 案选择 综合上述几种方案的优缺点 。本 课题 拟设计一种 爬杆机器人 ，它的工作对象为城市杆状建筑，要求承载能力大、接触面积小、速度适中，适应能力强，能越障碍物。通过比较各种方案，本 设计采用 仿生尺蠖式 蠕动爬行结构形式，这是一种新颖的变直径杆仿生爬行机构设计方 案，该方案能基本满足我们设定的工作状况。 尺蠖 蠕动式爬行具有很多优点，可实现在运动方向上任意长的距离提升重物，
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