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毕业设计(论文)外文资料翻译学 院： 机械电子工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 徐博 学 号： 060501516 外文出处： Seung-Nam Yu, Jae-Ho Jang,Chang-Soo Han (用外文写)Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul, Korea Accepted 8 May 2006.指导教师评语： 签名： 年 月 日 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 附件1：外文资料翻译译文 一种自动检测隧道内混凝土上的裂缝的可移动机器人摘要：为了评测混凝土建筑物的安全性，用肉眼观察裂缝的检查员会周期性地测量并且记录裂缝。不过这种手工检查的效率是很低的并且很容易产生主观的结论。因此，这项研究为混凝土的结构检查和测量裂缝提供了一个新的方案，它能够提供客观的裂缝数据，在评测安全性的过程中将会使用到这些数据。这个系统由一个移动机器人系统和一个裂缝视觉系统组成。移动机器人系统被一个图象处理设备（CCD）控制着与墙保持恒定的距离。裂缝视觉系统运用图象处理技术，可以由获得的图像中得到有关裂缝的信息。为了保证对裂缝辨认的准确性，此系统运用了图像处理程序来得到裂缝结构的几何学特性和模型。目前这个系统已经被实验室和有关这个领域的实验所证实。 2006 Elsevier B.V.版权所有。 关键字： 裂缝； 隧道； 检查； 图象处理； 移动的机器人1、简介： 大约70%的朝鲜地区都是多山区，在这些地区修建铁路和公路都需要很多的隧道。在保持交通通畅的情况下，有关混凝土建筑物如隧道的安全性的调查依然在进行着。为了确定这种结构的安全，利用非破坏性实验的定期检查正在进行。不过，非破坏性的实验的低效率和错综复杂的程序让人们打消了用这样的实验整个代替人的目测的念头。因此，非破坏性实验仅仅局限于精确的检查。1 视觉对混凝土建筑物的检查与检查员只使用他们的肉眼观察沿结构表面走的裂缝的措施有关。由此可知，目测的主要缺点是不能保证一次迅速和完整的调查。为了解决这些问题，已经研究出了各种各样的使用图象处理程序自动检查裂缝的方法，而且应用到了实际的设施中，包括道路、桥梁、下水道等等。2-6 这项研究的特殊目的是要把一个裂缝察觉模件和移动机器人的综合系统应用到隧道环境中。 类似的学科研究正在进行并且发展着。Komatsu 工程公司已经研究出并且使这个能通过一台激光扫描设备获得道路和隧道里层的图像的一个图像捕获系统商品化。日本的铁路技术研究院研究出了一个使用CCD照相机得到铁路隧道里层图象的系统。来自加拿大的一个道路设备集团股份有限公司，已经研究出一个由一台超声波传感器、一台陀螺传感器和一架CCD照相机组成，能够在80千米/小时速度下得到道路图象的系统，并且这种系统已经在市场上出售。7 这种系统对裂缝、渗漏、剥落和裂片图象数据的收集非常有用；不过，他们不提供自动的裂缝检查系统。如果要对裂缝数据作出迅速和客观的评估，裂缝检查和测量就必须是全自动化。 照相机和激光技术已经被广泛地应用在获得建筑物表面的检查图象上，但是激光扫描设备的费用很昂贵；另外，它还有一个影响系统维护的发热问题。这两个问题使得它在各个领域的工作效力都很差。照像机扫描设备比激光设备成本更低，但是它在黑暗环境里有照明问题。因为费用是在工程实施中考虑较多的一个因素，所以要更进一步地研究表面图像数据收集技术，这样才能保证在低成本照相机的方法下，依然能够保证混凝土结构的高水平的安全。综上所述，这项研究提议的在一个隧道里由一个移动机器人和一个裂缝察觉系统组成的自动化表面裂缝检查系统，将会比人工的检查更节省资源，效率更高。2、实验情况 在距观察的墙壁有一段固定位移的情况下，移动机器人系统在没有检查员帮助的情况下通过一台CCD照相机获得图像数据。通过表格1提及的两类照相机与表格2的比较描述了在这个研究系统中使用的CCD照相机的性能规格。为了获得更清晰的图像，机器人采用了一台高功率发光器、减震设备和一个以测量系统速度来控制CCD照相机的传感器。为了获得一个0.3毫米/象素的分辨率，系统可以以5千米/小时的速度运行。 裂缝检查系统由能测出裂缝的厚度、长度、方向的软件组成，这些对一个结构表面的检查来说都是非常重要的因素。为了测试这个系统，实验在如图1中所示在大楼和道路隧道内进行。图 13.检查机器人系统3.1.检查 考虑到安全的因素，混凝土的结构被分为裂缝，渗漏，裂片和其他属性检查； 不过，裂缝占有最重要的位置，因为它最影响混凝土的状况 8. 混凝土结构的裂缝起因于不完善的修葺、温度迅速降低引起的收缩、热胀冷缩引起的波动、和扩大的场地而带来的额外负荷。 裂缝可被分为垂直，水平，剪切和复合几类。 大约40%的裂缝是垂直的，11%是水平的，30%剪切，具体请参阅图2。 9. 图2 裂缝的方向3.2.系统配置 移动的机器人系统由视觉，机械，和数据存储设备组成。 这些设备储存着混凝土结构的表面图像，使裂缝和非裂缝地区的分布状态反差最大化和当系统自动移动到和结构平行时使噪音减到最小。 裂缝探测系统其实就是一个从图象数据中筛选并且计算出裂缝的数字化信息的软件。这个软件选出裂缝的长度，宽度和方向。假如需要精密地检查这个结构，裂缝探测系统可以提供帮助信息。移动机器人系统由一台CCD照像机，框架抓钩，控制仪器自动调节焦距设备，减震设备，发光器和测量元件的速度和位置编码器；如图3所示。为了计算结构与机器人的距离，运用速度和位置因素，可以使照像机在无人状态下可以自动调节焦距。3.3.移动机器人系统 机器人有两个被自动助推器独立操作的轮子。 车轮的独立运动运动学模型如图4。在图5中，M点是个基准点，它也是机器人的重心，也是坐标的原点。假设认为机器人的车轮能不断前进在一个没有边的表面上。通过做这个假定，以下的运动学公式可被获得。 说明：(1)是大多数一般化的两轮驱动机器人在运动学上的函数。不过，前两个公式有着不能完全结合的特征，所以很难控制机器人。那个控制点或者车轮连接机器人的点被距它们距离为d的M点分开。当控制点设在机器人的中心时，也就是当d=0，控制点不能被准确连接。不过，当d0时，那些控制点就可以连接到O点。因此，d不能为零，但是一定要足够允许那些控制点可以被设在M点的附近。 这项研究使用了02年出现的机载系统 GSMR (指导型服务移动机器人)的主要硬件和道路跟踪算法。更多的细节数学方法在Ref里有解释。10. 4.裂缝检查算法 4.1.理论算法 裂缝和非裂缝的地区通过他们对比各自的光反射率值来区分。从反射的图像得到的资料会被用于裂缝察觉和物理测量算法。图象处理的全部自动化目前还是很难实现，因为准确的结果很难在不确定的环境里获得。因此，在这项研究过程中，整个裂缝察觉的半自动化算法只能使用图6中的方法实现。虽然裂缝察觉系统的照明装置不是很稳定， 但是在裂缝和非裂缝的地区之间的一种亮度的差别可以用公式(2)的均衡作用达到。式中， sk 获得使正常的灰色素值n 像素个数 nj 含有j灰色素值的像素个数 k 输入的灰色素 通过调和量算子我们可以从图像中提出裂缝信息。如式(3)所示，算子已经获得了对裂口的定向。11. 式中， 从图7我们发现从第二个导数找零点比从第一个导数找最大点容易。图7 零交点的标记剖面图另外，调和量算子是一个不变量，因此被获得的裂口是一个封闭的曲线，这对得到一个包括裂缝裂口的区域是有利的。 作为第2步，因为调和量算子对噪音敏感，系统使用了刚性的高斯型曲线过滤器。 被发现的裂口形成了一个沟壑，这被定义为在两裂口之间的一个最低点，参阅图8。在8图(a)显示的一维外形被扫描产生朝裂口方向的二维图，如图8(b)。图8 裂口的定义.(a)谷的一维图.(b)谷的二维图.当下列条件满足时，从一个裂缝裂口到另一个裂口的扫描将被终止。 首先，当另一裂口被穿过时，最低点的位置被获得并且储存。然后裂缝的宽度就是从它的最低点到它的裂口。其次，如果当前的象素的灰色度水平比任何其他裂口的高，扫描会停止。最后，当扫描的长度比临界值长时，扫描被停止。临界值是在为一次非常有效率的计算作准备因为它能过滤噪音，但是当裂缝的宽度超过临界值，这个裂缝的信息将被略过。从图像中提取出的裂缝信息应该根据它们的连接的类型把它们归类。在图像里，一道裂缝就是一套象素。在这篇文章里，第一个搜索方法是归类法，并且要标记每个裂缝地区。12. 因为图像是不连续的，象素之间的连接可能是比较差的。尤其是给裂缝在相同的地区贴标签时会影响特征的计算。为了解决这个问题，把每部分的斜度计算结果与若干象素一起画出一条直线。如果在他们之间的倾斜度变化很微小，它们就会被合并。 4.2.裂缝的图像搜索法 利用所给的起点和终点，由图像可以得到一张图表，这幅图像的边界是通过最小二乘法估计得到。一幅图像的象素是由一个象素的节点和8个附近的节点连结，使用图6的方法可以找到最短的路径13. 图9描述了一个使用上述方法的例子。最小二乘法操作如下。 第一步：把所以从起点发散的节点输入到一个队列中，上述的节点指针被定义为nA。然后，计算发散节点的距离。 第二步：如果队列是空的，那么结果就是错误的。接着，找出最短的距离的那个节点nI并把它删除掉。假如ni=nb，保留上述的指针在每一个节点和结果中。第三步：假如对第二步的结果不满意，增大节点ni并输入所有的其它的节点到队列中。然后，那上述的节点指针定义为ni并且每个节点的距离，重复第二步。 这种算法总能找到最佳的数值.但是，许多节点的增大可能是因为函数。为了提高效率，在每一个元件的长度一直保持在一个固定值时，常常采用不增大节点这个办法。4.3.裂缝的测量 并非全部预期的裂缝实际上都是真正的裂缝。引起混淆的因素主要包括建筑层，人为标记，噪音或者一个污点。当他们小得足以被认为是噪音、不长和太窄、或者是太直时，潜在的错误区域会被移除，人们常常认为线性是建筑层的特征。 这篇文章把量子用于裂缝的长度，宽度和方向上。当某个区域由裂口组成时，组成这个区域的点的宽度将会被计算。界外值尺寸会由中间过滤器的5段长度平均值得到。这是一个整数中间值。每个区域的宽度都可以用公式(4)计算。裂缝的长度是根据图像像素的数量来决定的。在计算后得每条对角线的长度为1.414，竖直和水平线都为1，真正的长度会被照像机校准测量(图10)。图10 裂缝的测量5.实验 5.1.实验安装 在室内的一个墙壁结构上我们做了一个试验。 车轮上安装有一台编码器的一个移动机器人系统利用照相机获得墙表面的图像。机器人能和墙一直保持着一段恒定的距离。 如果移动的机器人不能和墙保持着一段恒定的距离， 图像将仍能够保持对准焦点，因为我们使用了一台能自动调节的激光距离传感器。为了防止振动从地板传到照相机上，装载照相机的这块平板被钢丝绳拴的很稳定。图11就是机器人室内的使用安装情况。图12 描述了图象处理软件。裂缝信息显示在软件的右边。图13显示了照相机校准的菜单，把输入的每个象素之间的距离转变成毫米，然后这个数据就被系统获得。照相机的校验是在一个表面上有黑色的小圆点的盘子上进行的；他们被间隔5mm地分开。图14显示的是一张覆盖在一幅获得的图像和一些被选出的补偿点上的图片。图11 建筑物里的设备安装图12 裂缝检查的软件系统图13 绘图数据窗口图14 套图塑料膜5.2.实验结果 图15显示的是从室内的结构获得的这幅图像，发现的裂缝则会显示在图16中。在图15的右边显示的两条垂直的线是嵌入在结构里的槽沟。因此，这些直线在它们被分辨出后将会被除去。显示在图15的右边的直线会被排除，因为那些线不是真正的裂缝。图17和18显示的是被处理后的图像数据和被选出的裂缝。因为铁棒的终点线正好足够长，但是改成某些形状后，他们就不会被认为是裂缝了。 为了通过人眼的辨别率，系统通过图画来显示结果。裂缝则使垂直，水平，和斜的校正方向，以及它们的长度，宽度，起点和终点来表达。这篇文章里我们推荐这个裂缝检查系统，虽然它比较依赖操作环境的状况，有一个75-85%的总出错率。但是它认出的裂缝的测量误差是10%或更少。 图19 描述一堵地铁内侧隧道墙的图像。使用我们的系统，这幅图像将会经过图20的判别环节后被选出。这个结果说明被提议的系统能够识别裂缝甚至当它们不是足够长，在形状上很明显需要更多的试验，包括裂片等等。 6.结论 这篇文章提出使用图象处理程序来避免人的检查失误的一个结构裂缝检查系统，这些检查失误包括裂缝的错误判别，效率低，主观性大和数据管理效率低。系统在室内的实验设置已经被证实，包括一个室内的建筑物，一条道路隧道和一条地铁隧道。即使用先进的察觉方法，裂缝和非裂缝的错误的识别仍然存在。因此，考虑到要把错误的点去掉，半自动化系统用图像搜索的方法才能确保如此，这种方法要求用户输入每个裂缝的起点和终点。为了得到一个实用的系统，我们一定要加强对裂缝特性的深度和完全自动化的算法的研究。希望这篇文章能鼓励这样的研究继续下去。附件2：外文原文（复印件） 13 as in To of by a be to a is of to in 26of of by to 1of of by of As of is a be a an of at a an a 7of do An 2006 0% of of A of he of is to an of a to an is to a of in a to a u, of is in to to be +82 31 400 5247; +82 31 406 0926 - 2006 by a of a a(2007) 255of of is it a it 0% 2. 9. of of of of to 12512 20002000 5000of 0/10 m 5/10 m 2/10 Yu et (2007) 255261in a of is it be to a a of In to to an a of a be at a a CD to of of CD in a a to CD To of of of a To of as of of of of 8 mm/in to of 096 3 be as 0% of 11% 1. 2. of 5 M is at 5. of Yu et (2007) 255261if of a of a an to of is of to be an 3. of A of of is 4. of O of It of on a to By (1) is of be to or to is by a of d. is of d=0, d0,is . d be to to be (6. of 7. 1D of 9. Yu et (2007) 255261002. 10by of a is to in a of a of be by q. (2) 0; 1; 2; N L1 2of of j he 8. of (a) 1D of (b) 2D of q. (3) 11./ f 312to to as 10. of Yu et (2007) 255261is so a a a is to a as 8. 8(a) by in of 8(b)to of to a a 11. in a it be be of In an a is a of 12. of 12. be of by To of of a if a a of of an as of a in 139 an as of 13. is 14. Yu et (2007) 255261 is a if is ni in If to ni as ni an a of a if a an or a to be or of of 15. of as a of 16. of of as q. (4)1; N ;of of of a in of by 10)in an an on of a If to of an by To to a 11 12 is on of 1317. of by to a 18. of on 14 is 15 16. to 15 in of on 15 6 J. A. R. of in 465, 1999.7 8 of |), 1998.9 of in 1996.10 of a 2002, 23612366.11 of 1989.12 (1972).13 s 7 (2001)N. Yu et (2007) 25526117 8 of as as as in on of an 585%. of 0% or 19 of a in a an a of 19. of of of by of to a of a be It is . of char爬壁机器人 设计 学 院： 专业 班级 指导教师： 组 员 ： 履带吸盘式爬壁机器人设计 1、概述 随着科技的进步，工业机器人在各个领域得到了广泛地运用。其中，爬壁机器人以其在核工业、建筑、消防等行业的突出优点越来越受到人们的关注。本文在详述国内外爬壁机器人研究现状的基础上，对各种现有爬壁机器人结构原理进行了分析、对比与评价，对履带吸盘式爬壁机器人的结构原理进行了深入地研究与开发，并对一些关键部分进行了设计计算。本课题研 究的履带吸盘式爬壁机器人采用履带式移动方式，双履带和车体构成机器人的基本框架；真空吸盘式吸附方式加以完善的配气系统，可为机器人提供足够的吸附力。在地面操作人员的遥控下，爬壁机器人能够在玻璃等特定壁面上完成清洁壁面、传递救援物资等任务。 履带吸盘式结构是现有爬壁机器人结构样式的优化组合，它克服了现有爬壁机器人结构上的缺点与不足，提高了爬壁机器人的实用性能。 2、结构原理及组成 2、 1 爬壁机器人结构原理研究 较为高端的爬壁机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品，因此爬壁 机器人技术的研究是伴随着各项科技的发展而发展的。自 80年代以来，爬壁机器人技术在国内外取得了迅速的发展，有的已开始进入实用试验阶段。到 1992 年底，国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功，其中以日本发展最快。国内较早发展该项技术的是哈尔滨工业大学，他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人，采用真空吸附方式，通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走。另外，上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行机器人。上海交通大学亦于 1995 年研制了磁吸附爬壁机器人用于油罐】【检测 1 。 爬壁机器人必须具有两个基本功能：吸附功能和移动功能，而为了实现爬壁机器人的特定功能只需在机器人本体上耦合或车载相应的功能执行部件即可，因此国内外爬壁机器人技术的研究与探讨大致是围绕如何实现它的两个基本功能展开的。 根据较为公认的爬壁机器人技术划分方法壁面吸附功能的实现有三种方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附较为常用的是吸盘吸附法，利用大气压力使机器人吸附在壁面上，这种方法多用于爬行于玻璃壁面的机器人，真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式。当壁面比较粗糙时， 真空吸附方式的机器人容易产生漏气的现象，因此多改为使用磁吸附的方式，磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，但磁吸附式机器人仅适用于导磁材料壁面。推力吸附的方式即利用机器人自身产生的推力使其吸附于壁面上，这种方式结构较为复杂且工作可靠性较低。 爬壁机器人移动功能的实现方式主要是足式、车轮式和履带式。足式机器人能跨越较小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难，车轮的直径会使机器人相对于壁面的扭矩增大，使机器人运行的稳定型和安全性相应降低；履带式对壁 面适应性强，着地面积大，机器人运行平稳，但其不易转弯。这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱。 2 2 几种爬壁机器人结构原理分析与对比 现在爬壁机器人技术仍处于研究与试验阶段，国内外一些知名的研究所和高校的科研人员都提出了自己的爬壁机器人的结构方案，这些结构方案在原理和结构布局上有着较大的不同。下面列出三种较为典型同时也是与履带吸盘式爬壁机器人的研究相关的结构原理科研实例，通过分析这些设计实例的优缺点可以引出在爬壁机器人结构原理设计时需要注意与注重的问题。 日本应用技术研究所 研制出的车轮式磁吸附爬壁机器 人 ，结构原理如右图所示。机器人 靠磁性车轮对壁面产生吸附力吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。 主要特征是：行走稳定 、 速度快 车轮式磁吸附爬壁机器人 最大速度可达 9m/用各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。 但是该机器人有自己的缺点：磁吸附使它仅适用于导磁材料壁面，即这种原理有其使用局限 性；车轮式的行走方式使维持一定的吸附力较困难，车轮的直径会使机器人相对于壁面的扭矩增大，使机器人运行的稳定型和安全性相应降低；车轮的行走轨迹是连续的，这不利于机器人跨越壁面的凹凸不平处，使机器人对壁面的平整质量要求提高。 港城市大学智能设计、制造及控制中心(和内地大学合作设计的 能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行，主要由行走及转向 机构、吸附机构、吸盘组导向和提升装置以及控制系统组成。行走机构模仿坦克履带结构，采用单履带模式。吸附机构 多吸盘单链爬壁机器人 安装在链条上的 13组吸盘及真空发生器等组成。该机器人的特点是采用单链和多吸盘相配合的结构可以可靠解决转向的问题；采用弹性机构，使该机器人具有跨越一定障碍的能力；旋转接头供气方式够给每一个吸盘供气而避免通气管缠绕。该爬壁机器人的缺点为结构复杂，其可靠性相应降低；单履带的模式使机器人工作时受到吸附力不均匀，吸盘受到较大扭曲力，从而降低了爬壁机器人的工作寿命 。 带式磁吸附爬壁机器人 国家教委博士点基金资助项目履带式磁吸附爬壁机器 人 是将永磁体片离散的装在爬壁机器人的履带上，采用双履带方式，主动轮安装在一端，前后双轮。电动机带动主动轮转动进而带动爬壁机在壁面上行进。 该机器人的特点是：在机器人设计中采取加长履带、浮动支撑、载荷分散机构、柔性履带等措施，以提高爬壁机器人的壁面适应能力， 实现其在壁面的安全爬行。 履带式磁吸附爬壁机器人 其缺点是，履带是用铰链联接的，不能将垂直于履带方向的载荷分布到各个永磁体上，也就是说履带在垂直于拉力方向上没有刚性，这对于爬壁机器人工作的安全性极其有害；主动轮偏置，使履带受力不均匀对履带损害较大。 本文所研究与开发的履带吸盘式爬壁机器人的结构原理是将吸盘的真空吸附方式和履带式移动方式相结合，真空吸盘固定在柔性的履带上，采用双履带对称结构。固定式配气盘结构作为 16组吸盘和真空泵抽进气系统相连接的媒介。主动轮置中，两侧各有 一从动轮，主、从动轮和履带衔接均是模拟齿轮齿条啮合。壁面清洁组件、传递救援物资组件通过功能组件耦合处与机器人机体相连以完成相应能。 履带吸盘式爬壁机的外形简图如图所示，上面为俯视图，下面为左视图 3、履带吸盘式爬壁机器人结构方案 本课题研究的爬壁机器人主要应用于 高层建筑壁面清洁和救援物质传递，由其工作性质决定爬壁机工作必须稳定可靠，工作效率高。 本课题对机器人的设计要求如下： 根据玻璃壁面特点和清洗机器人爬行、清洗作业要求，机器人需要达到如下性能 指标 ： 壁面移动速度： 1115 m/ 越障高度： 50 本体重量： 30 负载能力： 15 作业高度： 0 100 m； 作业功能：可进行 8 上厚度的玻璃幕墙的清洗作业； 吸附方式：真空吸附方式； 控制方式：用 成顺序控制，地面遥控操作。 研制满足以上技术要求的机器人存在的主要技术难点如下 : 吸附和密封技术：要求吸附机构能产生一定的吸附力，确保机器人工作过程中能安全可靠地吸附在工作壁 面上。 爬行技术：爬行机构要简单、高效、小型。使机器人能够实现直线移动，能够实现自动转向。保证机器人能够按照地面操作人员的遥控进行工作。 配气技术：吸盘和履带轮均是旋转的，为防止配气管相互缠绕，应有效解决配气问题。 控制技术：使机器人可以在地面操作人员的控制下准确工作，机器人自身各部分密切配合；有简洁、方便的人机界面，便于操作人员控制 爬壁机器人通常采用的移动方式有 足式 、履带式和车轮式。 足 式能较好的跨越障碍，但结构复杂且移动速度慢，控制 系统 也比较复杂；履带式着地面积大 ，可提供足够的吸附力，壁面适应性 好， 但 其结构 不容易转弯；车轮式移动速度快、转弯灵活，但是很难保证提供足够大的吸附力 ，车轮式重心距壁面较远，对吸盘的扭矩较大，影响吸盘的工作寿命。 本课题研究的爬壁机器人在 高层建筑的 垂直壁面上行走并完成 清洁及传递救援物质 工作，为了防止机器人从垂直壁面上滑落，机器人必须与壁面 间 保持足够的吸附力，并具有一定的抗倾覆能力。 履带吸盘式的机构能够提供较大的吸附力，吸盘距壁面近可防止倾覆；吸盘在履带上离散布置使机器人对壁面凹凸不平适应性强。具有结构简单，控制方便，运动速度快等优点。综合考虑 各方面因素，本课题中爬壁机器人的移动机构选用履带吸盘式结构。 带的结构形式 如下图所示为三种 常见的履带 形状 。图 a）中驱动轮及导向轮兼作支撑轮，因此增大了支撑面积，改善了稳定性。图 b）所示为不作支撑轮的驱动轮与导向轮位置高于地面，链条引入时的角度达 50 度，其好处是适合于穿越障碍。 图 c）中驱动轮（主动轮）置中，导向轮（从动轮）对称分布，驱动轮及导向轮兼做支撑轮，可增大接触面积且使履带上受力集中处远离履带弯曲处，减少了对履带的损害。 由于 爬壁机器人的工作壁面一般比较平整 ，可能的障碍 仅有玻璃的连接处 窄沟凸起等 ，壁面 凹凸 起伏不大， 履带吸盘式的结构具有逾越较小障碍的功能；同时 ， 考虑到机器人运行的平稳性和履带的使用寿命， 因此采用图 c）所示的结构形式。 a） 双履带轮平行履带 b） 多履带轮梯形履带 c）三履带轮平行履带 三 种常见的履带形状 带与履带轮的联结 履带与履带轮（包括主动轮和从动轮）的联结模拟了齿轮与齿条的啮合，两者齿的模数等参数是相同的。为 了保证在运动时履带与履带轮不会咬死，把履带上的齿的厚度做的相对薄一点，保证有足够的啮合空间。为了防止吸盘的尾部与履带轮发生碰撞干涉，履带轮中间部位有深 45带上的孔用于装配吸盘组件和导气管通过，履带上的凸起部分与配气盘相联结用以为吸盘供气。 图 a）为履带与履带轮啮合的原理图，二者啮合可以看作齿轮与齿条联结的变形，这种联结运行可靠平稳，传递力矩均匀。图 b）为研究课题开发的机器人三维造型图的履带与履带轮啮合部分。 a）履带与履带轮啮合原理图 b）履带与履带轮 啮合三维造型图 履带与履 带轮的 啮合 带吸盘式爬壁机器人壁面适应能力分析 机器人主要由真空吸附、履带行走、支撑车体、背仓及清洁机构组成。真空吸附机构包括气动回路、真空泵和吸盘系统。吸盘系统由 16组吸盘及配气盘装置组成。当真空泵运行，处于工作状态的 4组吸盘平整贴近壁面时，在配气盘装置作用下，吸盘内产生真空负压，机器人吸附于壁面，在保证机器人自身能够牢固吸附于壁面的同时还足以维持清洗刷高速旋转时对壁面的抽打力。在机器人自下往上移动清洗过程中，因吸盘与壁面间有相对滑动，所以吸附力并不是越大越好，因为吸附力过大，机器人就不能顺 利上下滑移动；但吸附力过小，在吸盘遭遇壁面凹缝气体过量泄漏时，机器人就不能可靠吸附于壁面，壁面适应能力变差。此外，在作业过程中，清洁头在壁面上的清洗力靠吸盘的吸附力维持，若作用在壁面的清洗压力过小，清洗质量就得不到保证；但清洗压力过大，壁面对机器人反作用力也大，吸附力就需要增加，否则机器人容易脱离壁面。 图所示是机器人工作时的静力学 分析 ，因而有： G (3 式中：是 作用点到点 O 的距离。为保证机器人能在驱动力的作用下在壁面稳定移动，由式 (3、 (3得到 临界条件为： 410 ( i = 1， ， 4) (3假设作用在支撑轮上的力不加考虑，认为墙壁对机器人的反 作用力只作用在与墙壁接触的吸盘上，由此静态下，机器人在 x 、 y 方向受力分别满足： 0)(41 (3041 (3所受的平衡力矩为 (以 O 点为参照点 ) ： 141(3并假定各个吸盘的真空度是均衡的，则作用在吸盘上的吸力为： V = (3式中： s 每组吸盘总的吸附面积； v 工作吸盘内的真空度。 为了方便计算设几个约定条件，设作用于吸盘上的支撑力i = 1， 5) 形成一对 】【注释力偶 1 ，并且从 1N 到5上假设可用下式表示为： 21i = 1， 2) (3联立解式 (3 (3， (3，得到i = 1， 4) 表示式： i 10103(3理论上，由式 (2可知，只要满足 1N 0 ,则条件 (2) 满足条件，求得： (3根据式 (3和 (3，机器人牢靠吸附在工作面上 (不从玻璃壁面上滑落或倾翻下来 ) 的条件应该满足 : G (3理论上： 15 V (3f 在进行爬壁机开发和设计时，可以根据具体的尺寸 p， 据计算式 (10)来计算设计是否满足爬壁机不滑落不倾翻的条件。（在计算时基于安全考虑，玻璃与吸盘间的典型摩擦因数按最小计 = 0. 11 。） 根据计算分析出最可能发生危险的情形是（ 1）或（ 2）。在保证次危险安全的情况下，保证最危险的情况不会发生，由此才能保证爬壁机器人安全地工作。考虑到机器人在越障时第一组吸盘可能发生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，应当另外增加 安全系数，在设计时 ,考虑只有下面 4 组吸盘组工作时机器人仍能够安全吸附。因此，保证机器人的安全，要确保： 5(3或表示为： (3式中： G 机器人和负载总的质量； 总V 作用在机器人吸盘上吸力的总和，总V= 4V ； = 1/ ； n 安全系数。 履带吸盘式爬壁机器人的行走机构主要由：吸盘组件、履带、履带轮、动力源、传动系统、控制系统等构成。履带采用橡胶履带，橡胶履带是由橡胶主体、芯金、帘线骨架材料，通过模压硫化而制成。橡胶履带具有接地比压小、牵引力大、振动小、噪音低、湿田通过性能好、不损伤路面、速度快的优点。履带轮采用的材料为聚碳酸酯注塑而成。履带和履带轮联结模拟齿轮齿条啮合，相啮合齿的模数为 2。 表格 3格 3能 。 表 3然橡胶和顺丁橡胶的主要性能 品种 抗拉强度 （ 伸长率 （ %） 使用温度 （ （ C ） 天然橡胶 2535 650900 120 顺丁橡胶 1825 450800 120 表 3碳酸酯的主要性能 塑料名称 密度 ( )/ 3透明性 抗拉强度 （ 抗拉弹性模量 （ )10 3 熔点 （ C ） 聚碳酸酯 （ 6670 5 220230 由表格 3带基质天然橡胶和顺丁橡胶的抗拉强度 比履带轮材料聚碳酸酯低。但是履带是由橡胶主体、芯金、帘线骨架材料组成，碳素弹簧钢丝（如直径为 拉强度为 20592452此履带轮出现危险的可能性大，下面对履带轮进行校核。图为主动轮的三维造型图。 主动轮的三维造型图 履带轮驱动履带转动时，根据功率的关系 可得 ： (3式中各符号的意义为： P 驱动轮传递给履带的功率，单位为 W； 主动轮驱动履带的扭矩，单位为 ； 为主动轮转动的角速度，单位 s； k 安全系数，是为了保证有一定的功率裕量和功率损耗，一般取 23； m 机器人的总质量，单位为 g 重力加速度，单位为 2/ v 机器人在壁面 上运行的速度，单位 。 设在主动轮工作中一个齿上的剪力为有： (3式中， A 主动轮齿底部的截面积，单位为 2m ； 主动轮轮齿底部受到的切应力，单位为 b 主动轮轮齿底部截面的长度，单位为 m ； l 主动轮轮齿底部截面的宽度，单位为 m 。 对主动轮中心取矩 ，由平衡方程 00 M，可得： 22 (3式中， 主动轮工作中一个齿上的剪力为 d 主动轮的直径，单位为 i 同时处于工作状态的齿轮数； 对于主动轮的转动有： (3式中， r 主动轮的半径，单位 m； 联立式 3333动轮轮齿底部受到的切应力： (3式中，安全系数 器人的总重量 5力加速度 ，机器人工作时同时处于工作状态的轮齿数取 动轮轮齿底部宽 0动轮轮齿底部长度 以上数据代入式（ 3可以得到： M P 33 (3对于主动轮的聚碳酸酯材料可以由其抗拉强度参考其抗切应力的强度，故有： M a (3由式 3壁机器人的主动轮强度满足要求，综合以上讨论证明可知爬壁机器人的行走机构满足强度要求，能够保证机器人安全可靠地完成工作任务。 爬墙机器人的车体是支撑爬壁机器人所有部件的基础 ，因此机器人车体的设计应尽量简洁工作可靠。机器人的动力源、传动系统、背仓等都是装在车体内部的，因此车体应当做成上下车体组装的形式；为了扩大零部件安装的空间车体设计成上下分层的结构。 上下车体之间是用螺栓进行连接的，在机器人工作的过程中车体连接螺栓受到很大的剪切力，因此为保证机器人正常工作应当对螺栓的强度进行校核。 爬壁机器人车体长为 900为 400质合金铸件壁厚 8提高车体强度，上下车体的内侧均有加强肋板。上下车体连接螺栓使用 12个螺栓，均布在上下车体连接凸出面上。上车体上面凸 出室分为两个空间分别放置控制系统和供气系统，上车体前端预留有两个孔一个用于为汽油机加油，一个用于启动汽油机。下车体
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