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2011, 1, 47011 () 2011 of a rm , 9, 2011; , 2011; 5, 2011 he of to of of to as be a as an is do so no To we to a of of it . he is as of 1. to as of a an is a or to to of 2. on is SO as an in or 1. to or to a of An or to as as or 007 % 14,000 At 007 in an 0,000 3. to of an to to in a a of a of of 4. of SA of is to a of a to a of 5. In is of of to a of as of a at of 6. on to . 48 1,000 in of is of up an by In a a a to a is of a a to be to to In in to of an of to as be a as an 2. he of is on a to a 6 of a by of is to a of of is or it is to of As is in a is is is of . of of in it is to a of is of a of 4 a of of of is is in in . by to of is is 80 by 9. of on by In of 0 of at , it is by A. on B, B ) C D) as . of 2011 49A. . of . of B. of E) of D) of B) L = 1 of m (of C) m (of D) m (of E) of in as , B, 1)-(4). of , 5), , 6), to , 7) 8), 0 (1) .8 m s (2) 0 (3) .8 m s (4) 220E m CD D L M (5) 2202D c M (6) m 278.6 oz (7) m oz (8) on is a 80 oz/it is we at , 8), we at to is at is 60 oz/of be , 0 30 a 7.9 of be to to 2011 . 50 it a we to of It to t a on be as In to a to to in of . By of in in we of In we of of a on in a of it is an in in of is . 3. o of to of . D . a by as . a in in y in x z by xz as . In 9: z: in z x: in x y: in y as , 21as 9) 10). 2222180 BC x 2(9) 222122x z2(10) 0(11) is to 1 is to 2. is 2011 51A. . . 11). of in to to 4. he is of of it is to a to it be or is in an we of of is of is a as 0. is by a in 0. 5. he be or In a a a to a to do In we of a a a in it be in a of is 1. is 68 a as 2. is in of , it a it is to is is a It to a as as 3, a s 2011 . 52 1. of 2. 3. on or a In is n As is a as 4. to a to or to to is In x y z 1 2 by an so be in a is is a as 5. to In it a 4. 2011 53A. 5. of it an of be as A on is a 80. of is an in In of we of a of as a to In to a as 6, be to as an a in by a or a of we 6. to as 7. by by to on to a on or on by to of to We a to 6. 7. of is by a in it is by to by in to of an polarizati 外文翻译 of a rm 个具有竞争力的低成本的四自由度机械人手臂的设计与开发 院 、 部 ： 机械工程学院 专业名称： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导老师： 摘 要 这项工作的主要重点是设计，开发和实施具有竞争力的机器人手臂具有增强控制和粗短的成本。机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成精确简单的任务，如光材料处理，这将被整合到了作为一个助理为工业劳动力的移动平台。机器人手臂上配有数个伺服电机的臂之间做链接和执行的手臂动作。伺服电机编码器包括使没有控制器实施。控制我们使用 它执行逆运动学计算和串行通信的适当的角度，以一个微控制器，驱动伺服电机，修改的位置，速度和加速度的能力的机器人。机器人手臂的测试和验证，进行和结果表明，正 常工作。关键词：机器人手臂，低成本，设计，验证，四自由度，伺服电机， 机器人控制 目 录 1 引言 . 1 2 机械设计 . 1 3 机械手逆 运动 . 6 4 最终选择效应 . 6 5 机械手的控制 . 7 运动学控制 . 8 动 . 9 6 测试和验证 . 10 7 结果与讨论 . 11 服电机运动范围 . 11 流消耗 . 12 大负载 . 12 终位置 . 12 8 结论 . 13 参考文献 . 14 1 1 引言 机器人实际上是定义为研 究，设计和使用机器人系统的制造 1。机器人通常用于执行不安全的，危险的，高度重复的，和 单调 的任务。它们具有许多不同的功能，如材料处理，组装，电弧焊接，电阻焊接，机床的装载和卸载功能，刷涂，喷涂等。主要有两种不同类型的机器人：一个服务机器人以及工业机器人。服务机器人是机器人，工作半或完全自主地去履行服务，有用的福祉人类和设备，但不包括生产操作 2 。工业用机器人，在另一方面，被正式通过 义的自动控制和多用途可编程操纵器在三个或更多个轴 3。工业机器人是移动的材料，零件，工具，或通过可变的程式动作的 专门设备来执行各种任务。工业机器人系统不仅包括工业机器人，但也能够执行其任务以及测序或监视通信接口需要对机器人的任何设备和 /或传感器。 2007 年全球市场增长了 3，约 114,000 新安装的工业机器人。截至 2007 年底，全国共有大约一万个工业机器人的使用，估计有50,000 服务机器人用于工业用途比较 3 。由于增加使用工业机器人手臂，演变到该主题开始试图模仿人类动作的细节模式。例如一组学生在韩国做创新的设计，为舞蹈的手，举重，中国书法和颜色分类机械臂考虑 4 。另一组工程师在美国开发八个自由度机械臂。该机 器人是能够把握多个对象与很多从笔形状的一球，也模拟人类的手 5。在空间上，航天飞机遥控器系统，被称为 其继任者是例子多度已经用来执行各种使用专门部署热潮的任务，例如航天飞机的检查自由机械臂有摄像头和连接在末端执行器和卫星的部署和检索演习从货舱航天飞机传感器 6 。 在墨西哥，科学家们已经上了轨道设计和 发展 许多机器人的手臂，墨西哥政府估计，在墨西哥有在不同的工业应用中使用了大约 11,000 机械臂。不过，专家认为，机器人手臂的最高点，不仅质量更高，而且准确，可重复性和粗短的成本 。 大多数机器人都设置了一个操作的示教和重复技术。在这种模式下，一个训练有素的操作者（编程器）通常使用的便携式控制装置（示教）手动教机器人的任务。在这些编程会话机器人的速度很慢。 目前的工作是一个两阶段的项目，这需要一个移动机器人能够运送工具从存储室到工业单元的一部分。在这个阶段中的项目，该项目开展了在科技，墨西哥蒙特雷大学，主要的重点是设计， 制定和实施了工业机器人手臂粗短的成本，准确和优越的控制。这个机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成简单的任务，如光队友里亚尔处理，这将被整合到移动平台的形式，作为 一个助理为工业劳动力。 2 机械设计 机器人手臂的机械设计是基于一个机器人操作器具有类似功能的一个人的 2 手臂 6这样的操纵器的链接是由关节，允许旋转运动和操纵器的链接被认为形成一个运动链连接。机械手的运动链的业务最终被称为末端效应器或臂端的 - 工具，它是类似于人的手。图 1 显示了自由体图的机器人手臂的机械设计。 图 1 机械手的自由体图 如图所示，端部执行器不包括在设计，因为市售的夹持器被使用。这是因为端部执行器是系统中最复杂的部分之一，并且，反过来，这是很容易和经济地使用商业 化 生 产 它。 图 2 示 出了机器人手臂的工作区域。 图 2 机械手工作区域图 这是一个机器人臂具有四个自由度（ ）的典型的工作空间。机械设计仅限于 4 自由度，主要是因为，这样的设计允许大部分必要的运动，并保持 成本和机器人竞争的复杂性。因此，关节的旋转运动被限制，其中旋转的肩完成围绕两个轴和周围只有一个在肘和手腕上，参见图 1。 机器人手臂的关节通常是由驱动的电气马达。伺服电动机被选择，因为它们包括编码器，它可以自动提供 3 反馈给电动机并相应地调整位置。但是， 这些电动机的缺点是转动范围小于 180跨度，从而大大减小了臂和可能的 位置到达该区域的 9。的基础上，选定了伺服电机的资格 由结构和可能的负载所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于构造的材料是丙烯酸树脂。 图 3 示出用于负载计算的力的图。的计算均只对具有最大负荷关节，由于其他关节将具有相同的电机，即电机可以移动的链接没有问题。计算考虑了权重 的电动机，约 50 克，除电机在关节 B 的重量，因为它是通过链接的 4 示出了力示意图上链路 包含接头（ B 和 C）具有最高的负载（携带了该书的 计算如下进行。 图 3 机械手负载分布图 图 4 负载分布图 用于 扭矩计算的值： 克（体重链接的 克（体重链接的 克（体重链路的 L = 1 千克（负载） 斤（重电机） （公元前链路的长度） 4 液晶显示屏为 （链接的 度） 斯 = （ E 的长度） 执行力之和在 Y 轴，用负载，如图 4 中，并求解 方程（ 1） - （ 4）。同样，执行的时刻周围的点 C 的总和，式（ 5），和点 B，方程 化（ 6），以获得在 C 和 B，等式（ 7）和（ 8），分别在转矩。 0)( y 4 2 0)( y 4 7 5 2 )()( 22 0)()( 0)()( 2)()( 2 0)()( 2 C （ 6） c / （ 7） / （ 8） 该被选择的基础上，计算在伺服马达，是 其具有 280盎司 /英寸的扭矩。该电动机被推荐，因为它比任何其他电机与同样规格便宜得多。由于我们需要更大的扭矩在关节 B，见公式（ 8） ，我们使用两个电动机在点 B 处，以符合扭矩要求 ;然而，一个马达是不够的其它关节。采用两台电机的合资 B 比使用一个大电机 560 盎司 /英寸便宜得多。 图 5 伺服电机 可以在图 5 中示出，其他有关的特征是，它们可以转动 60 度，在 130 毫秒 5 和它们有各自 的重量。一旦被定义为机器人手臂和电机的初始尺寸，设计进行 了使用 台 ;设计应仔细考虑丙烯酸类片材的厚度和该块将被彼此连接的方式。用于使机器人的聚丙烯酸酯片材是 1/8 厚度和该薄片的选择，因为它更容易加工和更轻的重量以良好的抗性。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。它是需要工具来烧，并加入丙烯酸零件和未提供的和球队认为机械结基于螺钉和螺母会比其他的替代品，如胶如多强。为了做到这一点，一个小的特征，设计这允许紧固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸层的螺丝。这个过程的结果是在图 6 所示立体设计。 图 6 机械手 3D 模型 按照设计的结束，每个部分被印在满刻度的硬纸板，然后我们核实了所有尺寸和组件的接口。反过来，我们建立了机器人手臂的第一个原型。接着，上述机器人手臂的部件从使用圆锯和皮肤的工具的聚丙烯酸酯片材进行机械加工。的详细说明在各部分被做在一个专业工场因为机器人手臂的部分太小，这并不是一件容易的实现这种小而准确的切割。在组装机器人部件的电机，几个问题弹出。有报道说，没有抵抗所述紧固，并且，反过来，可能会破裂的临界点 ;因此，在这些点援军进行了审议。机器人手臂的最终结果示于图 7。 图 7 机械手总体装配图 6 3 机械手 逆运动 为了验证机械臂的定位准确，逆运动学计算进行。这样的计算来获得每个电机从通过使用直角坐标系， 图 8 坐标系 如图 8 所示的位置上的角度各电动机将具有特定功能：位于 A 结合的位置的马达，在 y 的最终元件轴，马达 B 和 C 的位置在 x 和 z 轴的最后一个元件。该问题已经通过使用 面简化，如图 9 在其下面的已知值被定义在 9 ：前臂长度。 臂长。 Z：在 z 轴上的位置。 X：在 x 轴的位置。 Y：在 y 轴的位置。利用三角关系，如图 9 所示， 2 和 1 可以得到，如在方程（ 9）可见，（ 10）的马达角度。 图 9 面 马达 B 将使用 1和马达 C 被打算用 2。的角度为马达 A 的计算公式为 11）。通过这些计算，伺服电机的角度得到，从而他们采取的行动，整个结构移动到特定位置。 4 最终选择效应 端部执行器可能是该系统的最重要和最复杂的部分之一。 明显 的，它是非常 7 容易和经济地使用商业人比构建它。端部执行器主要是根据应用和机器人臂完成的任务而变化 ;它可 以是气动，电动或液压。由于我们的机器人手臂是基于在电力系统中，我们可以选择末端效应器的电基础。此外，本系统的主要应用是处理，因此，我们的末端执行器的推荐类型是一个夹持器，如图 10。 图 10 夹持器与伺服 5 机械手的控制 该机器人手臂能自动或手动控制。在手动模式下，训练有素的操作人员（程序员）通常使用的便携式控制装置（示教）教一个机器人做手工任务。在机器人的速度这些编程会话是缓慢的。在目前的工作中，我们所包围的两种模式。一个微控制器，一个驱动器和一个台电脑化用户界面：三个层次的呈现机器人手臂的控制基 本上由。该系统具有独特的特点，允许灵活的编程和控制方法，它是利用逆实施运动学 ;此外它也可以在全手动模式下实现。控制的电子设计示于图 11。 图 11 控制器的电子方案 8 用微控制器是一个的 68 ，它有一个名为 “ ”发展规划板，如图 12 。 图 12 微控制器板 图 13 伺服控制器驱动器 编程语言非常类似于 C ，但包括几个库，帮助在 I / O 端口，定时器的控制和串行通信。该微控 制器被选中因为它具有低的价格，这是很容易重新编程，该编程语言是简单的，并且中断可用于这个特定的芯片。所使用的驱动程序是一个六通道微大师伺服控制器板。它支持三种控制方式： 接连接到一台计算机， 口与嵌入式系统，如 微控制器和内部脚本中使用自包含和主机无需控制器的应用。这个控制器，如图 13 所示，包括位置和内置的速度和加速度控器 秒分辨率 用户界面取决于所使用的控制方法，即，逆运动学或全手动模式。在下文中，每个接口描述： 运动学控制 在这种控制方法中，用户输入的坐标系 统中的位置，其中夹爪应。至于后果，接口与 过一个可视化的用户生成的，如图 14 图 14 用户界面 9 程序将自动执行逆运动学的计算，以得到每个电机应具有的角度，然后发送一个命令要么到微控制器，或直接将机器人移动到指定的位置的驱动器。通信是通过 32 协议进行。在下文中，您可能会看到 用户界面的输入和输出。 用户界面输入： X 轴位置。 y 轴的位置。 Z 轴位置。夹持器打开。叼纸牙攻角。串行端口。 用户界面输出是： 电机 A 角。 电机 度。 电机 度。 电机 角。 攻角。 姿势角度 这样的输出变量进行处理，并通过适当的方式发送的，这样的信息可以在一个正确的方式来解释。该输出是通过其连通于控制器串行端口发送。当按钮 “移动 ”被点击时，一个过程将发生，如图 15 图 15 程序流程 在图 15 中，随着这个动作，所述机器人臂将根据所输入的值改变其位置。此外，它有一个待机按钮，停止该通信控制器。 这种方法的主要优点是，它使用移动的有效方法，并提供进一步的功能，可以实现，比如位置和顺序学习。的缺 点，另一方面，是使 具有有效的角度逆运动学计算之后可能的位置是非常有限的，因为伺服电机有180一个约束。 动 这种类型的控制是我们的系统，在特定的位置有用多了一种选择。在强制的情况下持仓逆运动学模式不能计算其有效的角度，我们可以用手动控制来代替。 10 基本上，手动控制包括一系列模拟输入，诸如电位器，一种是与这将解释该值并发送一个命令到伺服驱动器的微控制器相连。为了实现这一点，一个控制板，如图 16 图 16 电位器板 应该被构建为一个接口与用户的工作。可能实现包括教学功能，使微控制器存储在 内存中，并通过键盘或系列交换机，我们可能还记得这些职位的职位 。 6 测试和验证 若干 测试 是 验证该机器人臂和它的组件。 测验 涉及的特定元件和整个系统的，如图 17 所示。 图 17 机械手测试 微控制器测试是由软件发送不同的命令给单片机，检查这是连接到开启或关闭取决于命令伺服电机的输出发生变化。伺服电动机分别通过发送不同的直接脉冲到每个伺服电动机和验证移动到合适的位置的响应之后进行测试。我们使用的 11 标记知道在哪里的初始位置是和最终电机的位置是通过与微控制器发送信号，并且，反过来，它是由伺服解释和比较，由编码器提供的信 号，从而在旋转到所需的位置来确定。在测试过程中，伺服电动机是因为不正确的极化的不一致性与机器人臂系统。 伺服电机驱动器中使用 件发送命令到发送的特定命令其中有一台电机连接根据称道改变位置的驱动微控制器也测试。要注意到，在这一点很重要开始一个项目的不同的伺服电机驱动器被选中，但与他们和微控制器之间的通信几个问题都存在。所以，我们选择一个驱动器，允许数据被直接从计算机发送到它与只有一个 ，所以，微控制器将仅在箱子的使用实现手动控制。其他测试，以验证整个系统的功能， 图 18 机器人手臂的动作 如显示在图 18 中通过引入在 面中的特定位置和测量，以验证一个参考点和最后点之间的距离发生了那些测试：该从逆正确变换到正运动学，指定的角度和马达的转动之间的关系。机器人手臂的测试和验证是需要细长时间，因为需要几次迭代的任务之一。在我们的测试中，很多问题出现的：错误的角度计算，电机的错误校正，问题与物理角度和位置测量，因为这是没有预料过载烧毁伺服电机之一 。 7 结果与讨论 服电机运动范围 伺服电机的极限得到规范，因为这种类型的电机都包含有小于 180 度的跨 12 度。实际范围为所有 电机被发现是在范围 125 - 142 度，如表 1 所示的这清楚地表明，机器人手臂的实际操作是从机架的情况下不同。 表 1 电机角的范围 电动机 角度范围 电机 A 130 电机 135 电机 140 电机 142 电机攻击角度 125 流消耗 消耗电流取决于负载和机器人臂的运动的类型。在目前的研究中，有 4 个级别的电流消耗为： 低（从 0 到 200 这种消费发生时，机器人处于静止状态（不运动的情况下）。 正常（从 200 到 500 这件事发生时，机器人手臂移动与能力去目标没有很大的扭矩需求。 高（ 500 900 毫安）。达到按账面负载的开头这个范围。通过克服的惯性载荷的初始瞬间，在正常范围内发生的地方。 过电流（超过 900 负荷太重，电机不能动弹。为在此条件下被用于多于一分钟，将马达烧毁，也就是说，它是不可能使用的任何多 大负载 这些结果是用不同的权重得到的 ;一袋玉米被用于与规模来决定包的体重。结果进行了使用机器人手臂拿起袋子，并将其移动到特定位置。表 2电流消耗袋玉米的不同权重。从表 2 中可以看出，该机器人可在负载没有问题的移动超过 50 克以下。在负载 60 克，机器人手臂开始有困难，并通过 80 克后发生严重的情况，其中愤怒可逆的损害可发生在马达。 终位置 结果表明，该机器人臂的精度移动至不同的重量（ 50 克），结果列于表 3 ，如图所示，在机器人手臂能够执行移动到指定的位置。然而，这种移动不平滑，有时马达没有足够的力，尤其是当负载很重。此外，一些问题可能会由于同步两个底部的电机。两个电机的步骤是不重合而引起的丙烯酸部位张力，这在箱子被过多会破坏的部分。 13 表 2 负载与电流消耗 空载 电流损耗 20 克 低 40 克 正常 50 克 正常 60 克 高 80 克 过流 100 克 过流 表 3 精度上的所有轴 轴 精度（ + / - ） 1 厘米 2 厘米 1 厘米 8 结论 本文介绍了机器人手臂，具有天赋太一， 单的任务，如光材料处理的设计，开发和实施。机器人手臂的设计和建造从那里伺服电机被用来进行武器之间的联系和执行的手臂动作亚克力材质。伺服电机编码器包括使没有控制器实施 ;然而，电机的转动范围小于 180范围，从而大大减小了臂和可能的位置到达该区域。机器人手臂的设计，因为这是有限的四个自由度设计允许大多数必要的运动和保持成本和机器人竞争的复杂性。末端执行器是不包括在设计，因为市售的夹持器使用，因为它是更容易和经济地使用商业 1 比生成它。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。根据螺钉和螺母的机械连接点被使用，并且，为了实现这一点，一个小的特征，设计这使与紧固螺母螺栓，而无需在薄亚克力层螺旋。到控制的机器人手臂，三种方法被执行：一个微控制器，一个驱动器，和一个基于计算机的用户界面。该系统具有独特的特点，允许在编程和控制方法的灵活性，它利用逆运动学实施 ;是 - 两侧也有可能是在全手动模式下实现 。这个机器人手臂是与他人的对比作为多比现有机器人手臂更便宜，还可以控制所有从一台计算机的动作，使用 接口。数进行测试，以验证上述机器人手臂其中睾丸不但涉及特定元素和整个系统 ;在不同的操作条件下的结果显示信任的机器人手臂呈现的。 14 参考文献 1 操作型工业机器人 - 词汇，国际标准化组织标准 8373 ， 1994 . 2 工业和服务机器人，机器人的 际联合会， 2010. 3 案例研究和投资的机器人，机器人协会统计部， 2008 年盈 利能力。 4 ， 人， “多重功能的智能机械臂， ” 志，韩国， 2009 年 8 月 20 ,1995。 5 ，米 人， “设计 8 自由度人型机器人手臂， ”国际智能与先进系统，吉隆坡， 2007 年 11 月 25 1069 6 丽酿， 罗伯茨， “介绍到航天飞行设计：太空机器人 ”太空机器人，马里兰大学巴尔的摩， 2002 年 3 月 26 日的研讨会。 7 职业安全与健康 管理局技术手册， 167 ，劳动， 1970 年美国国防部。 8 L. G “机器人，建模，规划与控制 ”，施普林格，伦敦， 2009 。 9 M. P. “工业机器人 ,可编程 的技术 应用 “西哥 1989 壁面清洗机器人设计 I 摘 要 壁面清洗机器人是一个实用性很强的装置。自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术受到人们的广泛关注，但是，大都是进行了一些试验性质的研究，其相关的理论分析尚不成熟。作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工作具有简单、重复的特点，比较适合机器人自主工作，壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益和经济效益。因此，壁面清洗机器人有着良好的应用前景。 本文首先对壁面清洗机器人 这个课题的来源、目的及意义进行了阐述，简单介绍了国内外壁面清洗机器人的发展情况，对壁面清洗机器人的几种不同的移动方式及吸附方式进行了比较，最后采用了多吸盘的框架式结构，具有结构简单、操作方便等优点。接着对壁面清洗机器人的总体方案进行了设计，设计了行走机构以及转向机构，通过平动气缸与腿部气缸来实现机器人的移动，并且通过对壁面吸附可靠性的分析选择了吸盘、吸盘支座及快拧接头等部件，还对其它的气动元件进行了选型，并且绘制了气压系统图。最后对壁面清洗机器人的控制系统进行了设计，采用了三菱的 列 可编程控制器 进行控制 ，并对 可编程控制器 的结构特点及工作原理进行了简单的介绍，然后分析了本设计中壁面清洗机器人的工作过程，对 可编程控制器 的输入输出端口进行了分配，并且编写了程序的梯形图。 关键词： 壁面清洗机器人，多吸盘的框架式结构，行走机构，转向机构，壁面吸附可靠性，可编程控制器 壁面清洗机器人设计 is a of of is as a is to is of be of of a is of in of on to to s by on of of a X to LC of a of of a of of on of 面清洗机器人设计 录 1 绪论 壁机器人 题的来源、目的与意义 内外壁面清洗机器人的研究现状 题主要内容及技术参数 2 章小结 3 2 壁面清洗机器人设计 4 面清洗机器人的组成 4 走机构的设计 5 向机构的设计 3 附装置的选取 7 面清洗机器人的框架以及吸盘安装板的设计 1 制阀及其它气动元件的选取 4 路的设计 7 章小结 8 3 壁面清洗机器人控制系统设计 9 言 9 编程序控制器的简单介绍 9 面清洗机器人控制系统的设计 4 章小结 2 4 结论 3 参考文献 4 致谢 5 壁面清洗机器人设计 1 1 绪论 壁机器人 捷克的剧作家卡雷尔凯培尔最先提出了机器人这个词语，体现出了人类想要创造出一种能够模仿人的行动的机器，从而能代替人类去进行不同的工作的一种长久的愿望。国际 织把机器人定义为一种自动的、位置可以控制的、具有编程功能的多功能机械手，然而我国的蒋新松院士则建议把机器人定义为一种拟人功能的机械电子装置。机器人是一种涉及到电子学、机械工程、控制理论、人工智能、仿生学、力学等多种学科相互交叉以及计算机技术、传感器技术、控制技术、电子技术、驱动技术等多种技术相互融合的复杂系统，也是一种边缘科学。机器人 技术水平的高低在某种意义上能够体现出一个国家工业生产能力与科技水平的综合能力，随着科学技术的迅速发展以及人类生产和生活需求的不断增长，机器人技术被广泛应用到人类生活中的方方面面，它已经成为了高技术领域内具有代表性的研究目标，并且为社会带来了巨大的经济效益。机器人技术的出现以及发展不但从根本上改变了传统的工业生产，对人类的社会生活也产生了深远的影响。 壁面爬行机器人是从极限作业机器人中产生出的一个分支，它主要在壁面或者高空中移动的同时进行作业，由于在现代社会中有许多作业场合对人的身体有比较大的伤害，甚至不适合 人类亲身投入其中，这种情况下壁面爬行机器人便可以代替人类去完成这些危险工作，因此爬壁机器人的重要性越来越得到人类的认可。目前国内外的许多现场作业中已经投入了相当数量的壁面爬行机器人，其主要集中在以下几个行业： （ 1）核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚以及焊缝探伤等 （ 2）石化工业：对圆形大罐或者球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐等 （ 3）建筑行业：用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并且对瓷砖和玻璃壁面进行清洗等 （ 4）消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作等 （ 5）造船行业：用于喷涂船体或轮船内壁等 （ 6）电力行业：用于对电站锅炉水冷壁管壁厚度进行测量等 本文所设计的壁面清洗机器人属于壁面爬行机器人在建筑行业中的运用，主要用于对建筑物玻璃以及光滑外壁的清洗。 壁面清洗机器人设计 2 题的来源、目的与意义 清洗工人搭乘吊篮、升降平台或者直接腰系绳索，进行高空擦洗。 虽然简便易行，但劳动强度大，工作效率低，稍有不慎还就会出现坠落事故，造成伤亡，人工作业的效率也很低。随着人类社会的不断进步，科学技术的日益发展，人们对生活质量和工作环境的要求越来越高，为了提高清洗效率并且把清洗工人从恶劣的工作环境中解脱出来，有待开发一种自动清 洗作业系统。 壁面清洗机器人是一种实用性很强的装置。自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术的研究受到了人们广泛的关注，但是大都只是进行了一些实验性质的研究，其相关的理论分析还不成熟，结构设计虽然百花齐放，但真正能用于实际工作的却很少。作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工具具有简单、重复的特点，比较适合机器人的自主工作，壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将会极大地降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，同时提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的经济效益和 社会效益。因此，壁面清洗机器人具有良好的应用前景。 内外壁面清洗机器人的研究现状 壁面清洗机器人是一种由两部分组成的清洗用机器人，两个组成部分分别是可以自由移动的本体以及本体上搭载的清洗系统，由于壁面清洗机器人的本体机构是设计的主体，因此壁面清洗机器人与壁面移动机器人的发展有着很大的关联。 外壁面清洗机器人的研究现状 壁面移动机器人是能够在垂直的壁面上进行移动的一种机器人，在机械上有显著成就的日本壁面移动机器人的研究方面尤其积极。 1966 年，大阪府立大学工学部的讲师西亮就已经用电风扇的进 气一侧的低压空气所产生的负压来产生吸附力，从而制造了壁面移动机器人的原理样机。 1975 年，升为宫崎大学工学部教授的西亮制作了二号样机，该样机为单吸盘结构，并且使用轮子作为行走方式的爬壁机器人。 1978 年，化工机械技术服务株式会社制造了名为 爬壁机器人，这个爬壁机器人使用单吸盘结构，用真空泵产生负压来产生吸附力，由两个滚子和两条用来行走的皮带组成行走机构，滚子和皮带能够形成真空的腔体。该爬壁机器人的转向是由两个滚子和皮带的速度之间的差来完成的。该机器人由一个严重的缺点，当壁面上出现裂缝时，它的真空 便很难维持。 壁面清洗机器人设计 3 图 1器人 关西电力株式会社制造的履带式壁面移动机器人利用均匀分布在履带上及本体底部的吸盘来完成直线和转向运动，但是越障能力较差。 图 1带式壁面移动机器人 日本日挥株式会社的佐藤多秀研发制造了一种利用负压吸盘来吸附的双吸盘结构轮式爬壁机器人，该机器人由前后两个吸盘以及中间的本体结构组成。吸盘与壁面由密封的气囊来接触，该密封气囊在机器人运动时能够维持吸盘内部的吸附压力。在机器人的前后两个吸盘上各自安装有四个轮子，吸盘通过安装在其内部的轮子来进行吸附。前后 两端的轮子分别由一个电机来控制，通过同一个吸盘上的两个电机的不同转速来改变机器人的运动方向。 壁面清洗机器人设计 4 图 1式壁面移动机器人 日本宫崎大学研制的推力吸附机器人借鉴了航空航天的技术，利用螺旋桨或者涵道风扇来产生推力，从而让机器人吸附在壁面上，并且吸附稳定可靠。由于螺旋桨或涵道风扇所产生的推力是指向壁面的，因此该机器人能够非常容易地跨越障碍。 图 1力吸附机器人概念模型 日本东京消防厅所属的消防科学研究所研究制造了一种用作急救的攀援机器人，该机器人是采用单吸盘的履带式结构的爬壁机器人，通过履带间的速 度差来实现转向功能。东京煤气公司与日立制作所研发了一种用来检查工作时的球形煤气罐的焊缝的壁面爬行机器人，该机器人采用步行式的行走机构，机器人的内外两个框架上各自装了八个带吸盘的脚，由装在脚上的气缸来控制脚的伸缩，两壁面清洗机器人设计 5 个框架的相对运动是由直流伺服阀通过传动机构来实现的，该结构具有带负载能力强的优点。日本国际机器人公司研发的名为空中勇士的壁面清洗机器人使用了脚步式的行走机构，该机器人由两个本体组成，各自安装有三只脚，三只脚可以进行伸缩运动，每只脚的端部都装有吸盘，通过两个本体上的脚的交互吸附来实现机器人的移动。 英国的朴茨茅斯大学研制了名为 爬壁机器人，该机器人的脚借鉴了蜘蛛脚的结构，每个脚上都装有吸盘，通过吸盘吸附壁面从而在壁面上进行移动。 爬壁机器人有八只脚，在每只脚上都安装了微处理器和吸盘。采用气缸对脚进行驱动。该机器人与其它机器人最大的不同是每条腿上都装有控制器，通过对机器人的远程遥控可以控制机器人往任何方向移动。另外朴茨茅斯大学还设计了 多种壁面爬行机器人，这些壁面爬行机器人都是根据使用要求 的不同而被设计出来的。 图 1器人 意大利卡塔尼亚大学研发制造的 列机器人是用来对壁面进行检测的爬壁机器人，其中 机器人由一个吸盘和两个轮子所组成，吸盘的作用是对壁面进行吸附，使用两个直流电机来控制两个轮子，从而能够使转向更加的灵活。该爬壁机器人最大的缺点就是越障能力较差，而 机器人 正是由于越障能力差这种缺点而被开发出来的，该型号机器人由三个 机器人 组成，两两间用一根杆来连接，要进行越障动作时其中两个机器人吸附另外一个机器人抬 起便能轻松地实现越障功能。 壁面清洗机器人设计 6 图 1器人 1986 年，美国国际机器人公司研发制造了名为 壁面爬行机器人，该机器人用来对摩天大楼进行清洗。它由两组 L 型的框架相对地进行滑动以及交替地吸附来实现移动功能，在每组框架上都装有三个脚掌，每个脚掌上还安装有两个真空吸盘，真空吸盘能够与壁面进行相对的直线运动，该机器人还可以实现横向的移动，并且具有一定的越障能力。 图 1器人 1990 年，美国的卡内基梅隆大学的 发制造了一种以十字几何结构为基础的 直动式壁面移动机器人 机器人采用了由龙骨和横梁构成的十字构型，在简化结构的同时提高了爬壁机器人的工作效率。机器人的横梁沿着龙骨滑动并且通过足部的吸盘对壁面交替进行吸附来实现梁式行走，在横梁上装有壁面清洗机器人设计 7 涡流探测器，能够起到检测的作用，在横梁沿着龙骨运动的同时能够使探测器对壁面进行扫描。这种机器人还装有四个摄像头，沿着龙骨排成一排，四个摄像头中紧邻探测器的摄像头为广角镜头并且处在最高的位置，能够在监控机器人的同时进行导航和避开障碍等动作。这种机器人第一次将十字构型用到机器人结构当中， 这种结构不仅能够实现爬壁 机器人的移动和越障功能，更能够简化控制的算法 ，从而提高爬壁机器人的工作效率和工作可靠性。 图 1壁机器人 德国的 究所研发制造的 面清洗机器人在工作时在机器人工作的建筑物的顶部有一个随动小车，这个小车除了起到安全的作用外，还能够对壁面清洗机器人的侧向移动进行控制，由于该壁面清洗机器人只有上下运动的功能，随动小车则用来控制机器人的左右运动。该机器人的移动机构是由两个线性模块组成的，在每个模块上都安装了真空吸盘，模块采用伺服电机进行控制。 图 1面清洗机器人 壁面清洗机器人设计 8 从 1990 年开始，西班牙的 学的工业自动化研究所研发制造了两种不同的磁吸附壁面爬行机器人。一种是推进式壁面爬行机器人，该机器人由两个运动链所组成，运动链的末端有两个电磁吸附元件。该机器人由三个关节组成，每个关节由一个直流电机和齿轮进行驱动，最大旋转角速度为 130 度 /秒，运动链的长度为 200毫米，机器人本体重 6千克。另一种是名为 壁面爬行机器人，该机器人有六条腿，每条腿由电机和齿轮进行驱动，机器人的控制器装在本体上。 图 1壁机器人 加拿大的 机器人 也采用了十字构型，其水平臂和垂直臂呈十字形分布，通过电机的驱动来实现两个方向的运动，水平臂和垂直臂上都安装有吸盘组，通过吸盘组交替进行吸附与两臂的相对运动机器人能够实现垂直方向和水平方向的移动，机器人有四个圆盘刷，两个一组分别安装于垂直臂的两端，机器人沿着垂直方向运动时对壁面或玻璃进行清洗。 该机器人的吸附方式 采用了用电动来驱动的真空吸附式，能够改善采用全气动的驱动方式的机器人的 气动位置的伺服精度以及驱动力不够的问题。 图 1器人 壁面清洗机器人设计 9 内壁面清洗机器人的研究现状 在我们国家从七十年代的初期开始研究以及开发机器人， 1975 年，川崎重工业公司在北京举办的日本科技展览会上展出了 此在我国便掀起了第一个机器人的研究浪潮，许多单位都开始了对机器人的研制。哈尔滨工业大学的机器人研究所研发设计了我国的第一台爬壁式遥控检查机器人，它主要用来对核废料储罐的安全情况进行检查， 该机器人 的特点为用了一种称为“全方位轮”的 新结构轮子作为行走的机构，这是瑞典的 司的全新的技术。哈尔滨工业大学从 1988年起研发制造了两种壁面爬行机器人，1996 年研发成功的多功能履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人是针对石油企业的储油和储水钢罐定期喷砂除锈、喷漆防腐及涂层厚度等进行检测工作而研发制作的；哈尔滨工业大学所研发制造的另外一种机器人是一种单吸盘的轮式爬壁机器人，该机器人为真空吸附式，并且采用了全方位的车轮结构，在机器人本体的方向位置不改变的状况下可以沿着任意的直线方向进行运动，这种机器人本体重量为 20 千克，能够负载 15 千克， 移动速度为 0 /分钟，控制系统采用了微机控制与遥控。 图 1功能履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人 图 1吸盘轮式驱动爬壁机器人 壁面清洗机器人设计 10 北京航空航天大学从 1996 年开始先后研发制造了 巧型擦窗机器人、吊篮式擦窗机器人以及蓝天洁宝等等一系列的清洗机器人，前三种壁面清洗机器人都是全气动式的自主步行移动清洗机器人，采用了十字框架结构，机器人上所有的部件都是由气缸来驱动的，十字框架结构由两个无杆气缸组成，这样的壁面清洗机器人有着结构紧凑的特点 。机器人在可以伸缩的腿部上装有真空吸盘，能够通过腿部交替的吸附以及气缸的运动在玻璃幕墙或壁面上进行横向或者纵向的运动以及实现越障功能。 两种清洗机器人 在两个主要气缸之间设置了腰关节，在机器人发生偏斜的时候能够通过纠偏运动让机器人回到正常运动的状态， 器人的腿部与吸盘采用了微动铰链连接，可以克服玻璃面上的二度折角变化。灵巧型擦窗机器人重量只有 20寸为 长高）。吊篮式擦窗机器人通过模拟人类的手擦窗的动作来进行清洗 作业，蓝天洁宝是一种被动式的清洗机器人，它具有结构简单、工作效率高等特点。 图 1器人 图 1器人 壁面清洗机器人设计 11 图 1器人 北京清华大学的机器人与自动化实验室研发制作出名为 系统 是以磁吸附式壁面爬行机器人作为载体的，在磁吸附式壁面爬行机器人的左右两边各自装了两个带轮，两个带轮以前后分布，分别与安装了永磁块的履带进行啮合，从而组成了机器人的移动机构。这种机器人采用了以两个后轮为主驱动轮的驱 动方式，由一台直流伺服电机通过谐波减速器来带动后轮。在磁吸附式壁面爬行机器人的面对壁面的一边安装了涡流检测组件，这种组件通过直流电机与同步带机构来带动涡流探头在垂直于机器人运动路线的方向上来回地进行移动，通过继电器及行程开关来实现机器人的转向。这种机器人能够自动纠正运动路线上的偏差并且识别出机器人当前所在的位置，是一种拥有一定智能的爬壁机器人。 上海大学的特种机器人技术应用研究室研发制造了多真空吸盘的多层框架式壁面爬行机器人，这种机器人拥有三层框架，上下两个框架都能够与中间框架进行相对的直线运动，中间框架则 可以带动上框架一起与下框架作相对的旋转运动，在上下两个框架上分别安装了四个真空吸盘，可以通过上下框架的吸盘的交替吸附实现机器人在壁面上的移动，该机器人的最大移动速度为 7m/器人本体重量为 50载能力为 55够越过高为 60高度，控制系统采用了无线射频的遥控操作。 浙江工业大学的机电学院正在自行研发一种以气动柔性驱动器为基础的小型多吸盘式壁面爬行机器人，这种壁面爬行机器人采用真空吸附，可以实现在平地或壁面上进行直线或弯曲的爬行。该机器人的结构主要由驱动装置、吸附装置以及提升装置构成。 吸附装置包括五个吸盘以及相同数量的真空发生器，运动时保持三个以上的吸盘同时进行吸附。 香港城市大学研制了一种十字架构的全气动式爬壁机器人，这种壁面爬行机器人由壁面爬行机器人本体、供应小车、空压机以及控制器组成，本体长度为1220为 1340度为 370器人本体重量为 30机器人的本体由两个垂直正交的气缸所组成，通过两个垂直正交的气缸的伸缩来实现机器壁面清洗机器人设计 12 人在各个方向上的移动，这种机器人还有一个由摆动气缸所组成的腰关节，用来校正方向上的误差。在机器人的水平和垂直气缸的端部安装有 4个垂直于壁 面的气缸作为机器人的腿部，通过机器人的 4条退的伸缩来完成机器人的越障动作。机器人的清洗装置安装在水平气缸的两侧，清洗装置能够通过水平气缸的伸缩运动来实现对左右方向的清洗工作。机器人的每条腿上都安装有 4个吸盘，机器人通过这些吸盘对壁面进行吸附，从而保证机器人不会滑落。机器人可以通过由一个 像机和两个激光二极管所组成的视觉系统来测量其本体与窗户的相对位置，视觉系统还具有识别工作表面的卫生情况以及确定要清洗的位置的功能。这种机器人由于采用了十字架构以及真空吸附，并且采用气压来进行驱动，因此结构简单，灵活性好 ，但是存在着清洗的盲区，以及整体的刚性比较差等缺点。 图 1字型架构的全气动式爬壁机器人 题主要内容及技术参数 课题主要内容： （ 1）完成壁面移动机构设计和相关计算，真空吸附、气压驱动的框架式结构的设计，清洗作业装置的设计； （ 2）气动系统的设计； （ 3） 壁面清洗机器人的技术参数列表： （ 1）爬行速度： 4 2）爬行高度： 0 3）清洗速率： 100h （ 4）越障高度： 50面清洗机器人设计 13 （ 5）控制方式： 制 （ 6）本体重量： 20 7）负载能力： 15 8）移动方式：脚步移动式 章小结 本章对课题的来源、目的与意义进行了介绍，对国内外壁面清洗机器人的研究现状进行了分析，并且列出了本课题的主要内容和技术参数。 壁面清洗机器人设计 14 2 壁面清洗机器人设计 面清洗机器人的组成 一个完整的壁面清洗机器人应该包含有本体以及控制两个部分，其中本体结构又包括移动部分、吸附部分和清洗装置。移动部分包括了壁面清洗机器人的行走与转向，通过气缸来控制机器人的行走，步进电机与蜗轮蜗杆则控制机器人的转向；吸 附部分由机器人腿部的吸盘组成，通过吸盘组来保证壁面清洗机器人在壁面上吸附的可靠性；清洗装置包括了三相电机与圆盘刷，通过电机带动圆盘刷转动来起到清洗的目的。控制部分则采用了可编程控制器，也就是 对整个机器人的动作进行控制，以便达到控制简单可靠的目的。 壁面爬行机器人的主要功能分为移动及吸附功能，由于存在多种不同的移动方式与吸附方式，因此要对这些移动和吸附方式进行分析比较，从而选择出最适合本课题的结构。 表 2面移动机器人的各种移动方式比较 移动方式 优点 缺点 车轮式 移动速度快，行走控制简单 着地面积小，维持吸附力较困难 履带式 对壁面适应能力强，着地面积大 体积大，结构复杂，转弯比较困难，重量较大 脚步式 对壁面适应能力、越障能力和带载能力均较强 移动速度慢，动作有间歇性，结构复杂，控制难度大 框架式 结构简单，刚性较好，控制方便，越障能力和带载能力均较强 移动速度慢，有间歇性 表 2面移动机器人的各种吸附方式比较 吸附方式 优点 缺点 单吸盘真空吸附式 容易实现小型化、轻量化且结构简单、容易控制 要求壁面有一定的平滑度，越障能力低，不适应复杂壁面环境，遇到裂缝或凹凸面负压难维 持 多吸盘真空吸附式 吸盘尺寸小，密封性较好，吸附稳定可靠，越障能力和带载能力较强 吸盘的增多会带来结构的复杂化，控制的难度也增加 壁面清洗机器人设计 15 续表 2附方式 优点 缺点 永磁体磁吸附式 能产生较大的吸附力，不受壁面凹凸或裂缝的限制，不消耗电能，不受断电的影响 只能在导磁壁面上爬行，步行时磁体与壁面脱离需要较大的力 电磁体磁吸附式 能产生较大的吸附力，不受壁面凹凸或裂缝的影响，控制比较方便 只能在导磁壁面上爬行，维持吸附力需要耗能，电磁体本身重量很大 推力吸附式 无泄漏问题，对壁面形状、材料适应能力强 负载小，难以控制，噪音很大，体积大效率低 参照上表中对壁面清洗机器人的几种移动方式与吸附方式的分析比较，这里采用了多吸盘框架式结构的壁面清洗机器人。框架式结构比起其它几种结构有着结构简单、刚性较好、控制方便、越障能力与带载能力较强等优点。由于磁吸附式对壁面的材料有特殊要求，而推力吸附式又有着负载小、难控制、体积大等缺点，又因为多吸盘有着尺寸小、密封性好、吸附稳定可靠、越障能力和带载能力较强等优点，因此这里采用了真空吸附式的多吸盘结构来实现吸附功能。 走机构的设计 机器人的行走机构主要由 1个平动气缸 与 6个腿部气缸来共同实现机器人的行走功能，机器人由两个外形相似的框架组成，每个框架上安装有三个提升气缸，每个提升气缸上则安装有一组吸盘组，两个框架中间还有一块中间旋转板，中间旋转板上装有一个平动气缸与两个导轨。当机器人要开始移动时，上框架的提升气缸的吸盘脱离吸附，提升气缸缩回，然后中间旋转板上的平动气缸伸出，带动上框架沿着导轨的方向移动，气缸完全伸出后，上框架的提升气缸伸出，气缸上的吸盘吸附住壁面，然后下框架的提升气缸上的吸盘脱离吸附，提升气缸缩回，中间旋转板上的平动气缸缩回，带动下框架移动，平动气缸完全缩 回，下框架的提升气缸伸出，气缸上的吸盘吸附住壁面，这样就完成了一次行走过程。 壁面清洗机器人设计 16 图 2面清洗机器人的平动示意图 动气缸的设计与校核 平动气缸主要用来实现壁面清洗机器人的前后移动，它安装在上下框架间的中间旋转板上，由于机器人水平运动时气缸的活塞杆会承受比较大的径向力，因此在平动气缸的两边分别安装有一个与气缸的活塞杆平行的导轨。 图 2动气缸与导轨的位置关系图 （ 1）平动气缸的受力分析 机器人运动时平动气缸有三种受力状态，分别是垂直向上爬行时，垂直向下爬行时与水平爬行时。 1）垂直 向上爬行时： 当机器人垂直向上爬行时，平动气缸有两种受力情况，一种是下框架吸附时气缸带动上框架向上伸出，这时平动气缸受到轴向的压力 F。 图 2直上爬下框架吸附时平动气缸受力图 壁面清洗机器人设计 17 图 2 为平动气缸受到的轴向压力。 ( 本 体 质 量 /2 负 载 质 量 ) 9 . 8 2 4 5 （ 2 垂直向上爬时的另外一种受力情况是上框架吸附时平动气缸带动下框架向上运动，这时气缸的活塞杆承受拉力 F。 图 2直上爬上框架吸附时平动气缸受力图 图 2 为平动气缸的活塞杆所承受的拉力。 ( 本 体 质 量 / 2 ) 9 . 8 9 8 （ 2 2）垂直向下爬行时： 壁面清洗机器人在垂直向下爬行时，平动气缸也有两种不同的受力情况。一种是下框架吸附时平动气缸带动上框架向下运动，这时平动气缸的活塞杆受到拉力 F。 图 2直下爬下框架吸附时平动气缸受力图 图 2 为平动气缸的活塞杆受到的拉力。 ( 本 体 质 量 /2 负 载 质 量 ) 9 . 8 2 4 5 垂直向下爬行时的另外一种受力情况是上框架吸附时平动气缸带动下框架向下运动，这时气缸的活塞杆受到压力 F。 壁面清洗机器人设计 18 图 2直 下爬上框架吸附时平动气缸受力图 图 2 为平动气缸的活塞杆受到的压力。 ( 本 体 质 量 / 2 ) 9 . 8 9 8 3）水平运动时： 壁面清洗机器人水平运动时，气缸也处于水平状态，这时气缸的伸缩只要克服径向的摩擦力，由于导轨和气缸的活塞杆都是光滑的，可以认为气缸的活塞杆不受拉力和压力，由径向力产生的弯矩由两边的导轨来承受，这样可以起到保护气缸的作用。 （ 2）平动气缸的选型 根据以上所作的受力分析来看，平动气缸承受的最大拉力与最大压力都为245N，因此选用双作用单活塞杆气缸，气缸需要满足以下式 子： 22 4 （ 2 式子中的 D 为活塞的直径， d 为活塞杆的直径， F 为气缸承受的最大压力，P 为工作压力，这里取为 6 经过选型这里选择德国 司的 气缸作为平动气缸，型号中的 40 表示活塞直
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