气缸驱动爬杆机器人的设计【含有全套CAD图纸三维建模和论文】
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南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 系： 机械工程 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 朱海澄 学 号： 060104225 外文出处： 997 附 件： 指导教师评语： 签名： 2010年 3月 25日 注： 请将该封面与附件装订成册。 附件 1：外文资料翻译译文 基于 构攀岩检查机器人 阐述了我们对罗宾机器 人研究的进展 。罗宾 是一个在人造环境下工作的爬升机器人。它 可以 携带照相机或传感器到桥梁、房屋、航天器或船上来检查。这个机器人有两个真空管吸盘夹具由一个四自由度的机械装置连接在一起可以在表面上行走而且容许在相邻表面上的过渡行走。 罗宾 在几个领域有所创新。它是唯一的使用实现爬升的机器人。它在利用包含数控系统的爬升机器人上也有所创新。 罗宾 也是少数几个能够在曲面间过渡或从水平面到垂直面过渡的爬升机器人之一。 图 1： 罗宾 罗宾 ,如图 1 所示 ,是一种多用途 结构检测 工具 ,特别针对 于 人造环境 的检验 。最终目的 是成为 一个更大的结构检测系统 基础成分 。 由于 许多国家的基础设施年龄、检查和 大型人造的建筑的维修将会变得越来越重要。这个机器人和其他许多 攀爬 机器人将会成为安全 的 有效 的 衰老 基础设施检 测工具 ,如建筑、桥梁、飞机和船只。 当它 可以 携带 传感器 进入 危险地区 或 无法 到达的地方 ，从而使人类督察任务更加安全。 当 它执行 那些对于 人类的检查员来 说或 是太困难或者乏 味的工作时也是很令人满意的 1 。如果一个 结构攀岩 机器人是被用来攀登诸如桥梁或者飞机的复杂的结构， 则其在相邻 表面之间的转变过渡的能力是至关紧要的。此外，重 要的是登山机器人能 否 处理好各种带或不带 支撑点的表面类型 。这使得机器人是一个多用途检验 媒介 。我们目前正在开发罗宾， 以便 它 成为 一种低成本的人工环境检查 工具 。 前的攀登的机器人 最初 的墙壁爬上是平面的机器人，有第三的运动的最小限度的范围。这些机器人将只限于在一个设计好的平面上 运动， 并且大部分 机器人只 限于进入一个完全平坦的平面。这严格地限制条件限制了这些机器人只能在最简单的环境中使用， 各面的转换是不需要的并且表面上必须没有任何障。天空清洗机 2是商业开发为 清 洗摩天大楼 窗户的 系统。 3的开发是为 了检查圆柱壳 形状 的墙壁和含有放射性液体罐底部。如同许多其他的设计，它通过脐状的绳索连接到电源和控制系统。墙地面车 4与天空清洗机 2在基础的机械结构上非常相似。它有两个自由度，并可以采用真空吸头或磁装置 吸附在 表面。如果天空清洗机是笛卡尔的机制，这个机器人有一个极机制。有包含强大的永久磁体的被动式 脚座 和一个电磁铁用来取消永久磁场 以 举起脚 座 。即使是电力供应不足这种有磁性的脚依然能保持依附在一个平面上。连续动作的攀登机器人与天空清洗机有许多相似之处。然而，它还拥有一个特殊的结构能够使机器人用不到滚轮或吸盘却不 停的进行转化动作 5。这种机器人更倾向用在焊接船壳和那些需要持续动作的其他特殊 任务 。 一些攀爬机器人 应具有 在毗连平坦的表面之间做出转换的重要能力。 对用来检测诸如大楼这样复杂环境的任何机器人都应具有从地面移动到墙面，从墙面到天花板的能力。“ 核工厂检查员 ”机器人 是专门设计来检查一套在核反应堆的建筑物的房间 6是有史以来开发的一个最复杂的攀岩壁机器人。它有四条腿，每条腿都带有四自由度，并且在腿的下面都有一个吸盘。这种机制的机器人能容易地处理不平坦的表面上 的障碍。它能在表面之间转变并且使用不同的姿态和走的步态来过渡。塔涂装机器人 8是第一个以橡胶，气动执行机构为基础设计的爬壁机器人。 其 设计使用了其 在两端行成一个有夹具的平行机制。塔涂装机器人的尺蠖类蠕动，与核电厂检查非常相似。不幸的是，这种设计没有被实施。斯塔姆 9是最相似的罗宾设计。三个主要差异是缺乏 铰连接 膝关节，简单的真空装置用来连接机器人的表面和作为执行机构电动机来使用。斯塔姆第四可以步行穿过平坦的表面，转动，并进行内部转换。但是，膝关节的 缺乏无法执行外部的转换或跨越表面上的障碍。此外，此设计中 在两端使用一个真空杯装置 以支持机器人。虽然是在支持机器人，它是很敏感的在表面或其他表面性质形成裂缝。 图 2：行走中罗宾 罗宾机器人的基本的结构是在每一末端的带有两只脚的 铰接 腿。图 2显示了在行动中的罗宾机制。该机器人有四个自由度，其机制的设计，让机器人可以步行前进，后退以及转机。另外，罗宾可以从一个水平表面转移到的垂直表面并返回。过渡能力在检查人造结构时是很重要的。罗宾 机器人机构 可以 并能在平面行走中跨过障碍在内部（地上到墙上）和外部 （屋顶到外墙）实现转换， 罗宾打算在其背部装上照相机和其他的接触传感器，像脚上的电涡流探头 1，但目前的发展重点是提高本身的攀登手段。 器人的运动。 罗宾是一种“步行腿” 式机器人 , 通过对一只脚 固定 和加强对另一只 自由 脚的控制正如图 2 序列描绘的一样。如图 3， 机器人也可以从水平到垂直的表面转移 ，虽然控制软件还没有写入 这中情形。 图 3：水平面到垂直面的转移 图 4： 动肌肉 灵活的气动执行器，是罗宾的肌肉。这些驱动器重 量轻，并且是强有力，这是我们能够开发罗宾的技术之一。罗宾的 制是由一个非常简单的开关阀系统。 关节位置由 光学编码器 反馈 到刚度控制系统 ， 压力传感器反馈的 行器的 压力。如图 4所示 于软管膨胀，直径增加，纤维鞘保持几乎恒定的容量继而迫使 长度上缩短。罗宾上的 个重约300克，但几乎施加了 3 空脚 座 机器人的真空装置或 脚，是负责提供有力的支撑点用来走过任何角度或方向上的横断表面。多吸盘被用来 降低真空装置对表面裂纹的敏感度 。五个杯子放置的 形状如骰子上的 点。这些杯子分别被安排以实现最小的占位面积而留下足够的空间接触界杯之间的传播，当杯子紧紧的与地面接触时那种情况才会发生。图 5显示了机器人在墙上支撑自量。 图 5：罗宾在墙面的支撑 微控制器的网络用于罗宾的低级控制。每一个联合机制，每 个夹具都是由图 8所示的物理层控制器板集所控制。微控制器板是一种通用的设计，允许同一电路板可用于真空系统的控制和气动联合控制。这种微控制器的网络可以连接到 机上并运行包容结构控制器。低层次的步骤像压力和强度调整可以在微控制器上的网络上运行。 力控制 传统上， 罗 已非常庞大，笨重，昂贵的伺服阀控制。这就 对移动、爬行机器人中 应用 个重大问题，其中体重往往是首要关注的问题。 这些阀的使用将使 优点不再明显 。开 量轻、价位低，是传统电磁阀的替代品 ，但是 其带来更加 复杂的控制问题。利用电磁铁阀门对气动系统的成本和重量小于 40，是市面上 最轻的发现伺服阀。一 图 6： 动回路 个单 独的 动回路图示在图 6 中所展示。 机器人中有 8 个这样的回路用以控制四个关节 。吸入阀 v 给 气造 成它收缩，当出口阀向大气排除尾气时引起 驰 。 压力从一个压力传感器反馈到控制计算机。由于希望使 用脉冲或 入口和出口阀门被选定响应时间非常短 ， 少于 10毫秒。 有三种可能的控制措施：增加压力（进气阀 打开 ）后，保持压力（ 两个 阀关闭），减少压力（出口阀门的）。压力的变化率对进口，出口和内部的压力和阀流量参数的相对值 呈 非线性函数。另外， 气动系统中还有微小泄漏 ， 工作时会对系统产生干扰 。这个简单的阀门系统，只有 果压力低于目标的压力区进气阀门会打开，如果压力高于目标的压力区，出口阀则打开。两个阀门关闭时有一个小滞后区设定点附近爆炸控制器以防止爆炸 的过度振荡压力。阀门选择了非常小的流量，而且是对系统性能的主要限制。 节 刚度控制 刚度控制器是建立在压力控制器的顶部，并维持 很小 刚度来满足 一定的 约束 ，也就是使连接 关节的链条不至于从链轮滑落 。当膨胀时像是一个非线性空气弹簧， 弹簧伸长和收缩率伴随管的压力的变化而变化 。 缩 长度是 (1 - ) 最大长度。制造商列出一个等式，描述了 10： E,) = P a ( l - E) - b （ 1）其中 p 是压力， t 是收缩率， a， b 是 型的参数， 直径。一些 特性 可以从这个模型观测 ， 力 F 与压力 P 呈线性变化，与收缩率 呈非线性。 图 7：关节处连接 模型驱动器迟滞，其中部分来自于覆盖面和覆盖之间的纤维 绳线 管， 还有就是纤维层和轮管 绳子的摩擦。一个 用于转动 连接 作出如图 7所示。他们的工作很像动物的肌为对肌肉的屈伸。这是两 个 有施加收缩方向的力量。因此，这刚度对与每个关节每一个旋转方向是独立的。 对每个关节的气压校准相等的等量以实现刚度控制器 。一个文件包含一个位置和每 伴生的压力是由抽样程序 生成 的。这些数据是用于计算每个被用来生成编码的立场和压力值正常化表。此表 从 主机 下载到 每个关节的相关微控制器。刚度控制器然后设置每个编码器的位置 所需的最低压力值，从而使每个联合的一面达到最低链张紧刚度。刚度控制被作为添加到目前最低 值 的一个额外的压力值 ，对 一个张紧压力。通过增加关节的一边的刚度，其移动到一个位置 ，此处向边的 环境的力是平衡的关节移动式，命令产生一个附加力，因此新的链张紧力不断的加载 。新链张紧压力由于从命令中增加的刚度通过其范围不断地重新加载作为联合行动。由于没有实际的 刚度反馈 ，所以刚度 是开环控制 。 图 8：基于行动控制系统 罗宾利用基于行为受弧打击，使用的 于仲裁的 不象大多数行为系统，传感器数据带宽被保存所作建造行为，以便他 们要求最少信息。图 8 详细说明 基于行为控制 系统。 别 1 第一级包含了 脚步动作 ， 是整个系统的基础，用 以维持表面的吸力和运动。脚的行为通过启用该脚真空泵表面红外传感器探测来回应。这种低层次的行为可能被纳入上级的行为以便 于行走 。 别 2 第二级包括那些通过罗宾发送必要的刚度指令到指定的控制器关节的行进行为。这些行为包含了 协 同和扩展行为。扩展行为 由顺序动作引发，以运行或重置其状态。它将指定的刚度压力发送至 脚踝和膝盖关节控制器，以便 完成抬脚、伸膝、放脚动作。协同 行为，也 由顺序动作引起。它将指定的刚 度压力发送至 脚踝和膝盖关节控制器，以便 抬脚、屈膝、放脚。目标位置根据 规则为基础的位置控制算法 得到 ，先后预估必要的刚度值，以达到期望的位置。 计算 编码 器的位置决定何时增加或减少我们的接近 值。如果当前的位置 高于目标的位置 ，我们 向关节 传递 与 预期方向 相反的命令 ， 减少我们的近似刚度。如果当前的位置低于目标窗口，我们发送一个期望 的旋转方向刚度的联合控制，提高近似刚度。当我们的目标窗口内，我们输出近似刚度值。这种连续的近似方法，最终 使其稳定在目标窗口内 。 别 3 3 级是所有行为的最高优 权顺序 。此行为监控真空和膝盖的 位置，以确定罗宾目前在哪种状态。然后发出信号做出适当的行为。 由于硬件的局限性，此行为显得尤为重要。 罗宾还没有为了表面抽吸检测的 真空 传感器。因此，我们使用超时产生这种行 为 。 图 9：关节的步进 顺序 6 图 9显示在一个水平面上 直线行走机器人的动作指令的顺序和关节位置反馈。该图 通过两个步骤和它所期望的位置相比介绍了每个关节。实线虚线表明 理论 与实际的关节角度。 需要 注意 的是 ，这些目标的角度是 只有在对应的控制动作执行时才有效 。该步骤在两秒开始以 15度角实现其扩展目标。这是在 18秒时被实现并会导致打开膝盖扩到理 想角度 80 度。达到这个目标导致扩大然后降下对表面通过改变期望联接一目标到 45 度的一套开放，延长的自由装置。这个目标导致查出表面和使能真空的脚传感器，反过来，发信号序列行为对功能失效扩大并且使能收缩。开始移动联接三和四分别朝他们的 37 和 的期望位置直接收缩。在 38 秒结束做到这一点导致收缩关闭膝
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