对攀登机器人结构点性能计算和实验的研究.docx

中国石油大学（华东）毕业设计外文翻译对攀登机器人结构点性能计算和实验的研究roque saltaren 美国电子和电气工程师协会会员 rafael aracil 美国电子和的电气工程师协会会员 oscar reinoso 美国电子和电气工程师协会会员 with maria antonieta scarano摘 要本文介绍了并联攀爬机器人性能的运动学和动力学研究，从而避免结构框架上的节点。为了避免结构节点，攀爬并联机器人可以取得某种确定的动作。一系列的动作组合起来，可以方便沿着结构节点的攀登运动。必须对并联攀爬机器人的姿态予以研究，因为在其独特的配置下，姿势能够驱动机器人。此外，需要对执行机构为了避免机构节点而产生的力进行评估。因此本文的目的要表明，stewartgough 并行平台能够作为攀爬机器人，与其他机器人相反，并行攀爬机器人能后轻易而优雅地避免结构节点。为了支持第一部分中描述的模拟结果，实验测试平台已经发展到围绕结构节点对并联攀爬机器人地动力性能进行研究。获得的结果非常有趣，显示了潜在的在工业中使用平行s-g机器人作为攀岩机器人的存在。关键词： 爬壁机器人 、动力学、并联机器人、奇点一 简 介当需要在一些危险或者难以到达的地方执行任务时，具有在不同结构上攀爬和滑行能力的机器人是非常重要的，比如在检查和维修金属桥梁、通信天线以及深入核工业结构内部过程中使用的机器人。通常，这些类型的金属结构是由聚合在一起的杆构成，是一种联合机械，每一个都可以描述为棱柱元素变截面和尺寸的扩展。所有这些元素组合产生晶格不同的几何结构，其中结构性因素在不同点的结合称为结构节点。这类结构的尺寸和形状取决于它应用的设计。在这一类型设置中不同任务的机器人化已经被广泛地记载在文献中。在许多情况下，有人提出使用连接机构和多腿机器人来实现位移的随即移动。另外，许多这些机器人是被设计用来在墙壁或管道攀爬和工作。一些建议的解决方案在机械上是非常复杂的，需要在运动控制方面有高水平的发展和阐述。一种用来给双层底部板件焊接的机器人正在研制当中。该型机器人是由一种有选择顺应性装配机器手臂配置的四足机器组成。该机器人通过抓住加强筋移动，但由于其几何结构不能移动通过结构节点。balaguer提出了一种能够在复杂的三维金属基结构的爬壁机器人。该机器人采用“毛毛虫“的概念来取代这些结构，并实时生成控制设计从而确保稳定的自我支持。longo建议一个城市侦察双足机器人。这种机器人能够在表面上实现交替移动，并且小到足以穿越密闭空间。minor and rossman 提出了一种有腿的机器人，能够通过移动其身体从而产生推力。这些机器人的结构让它们沿着管道和梁结构，并通过内爬管道，但机器人不能够避免节点。在本篇论文中提出的机器人能够围绕结构节点移动。对于位移和攀爬金属结构的最优解问题在理论上是基于一种原理，动力执行机构是机器人结构的一部分，直接连接到并联机器人地末端，并用一种几何技巧克服了用于微小运动时的障碍。此外，机器人要轻便，机械结构简单，具有大的载荷和高速运转能力。这些条件基本都是由并联机器人实现。基于这个原因，用一种改进的的并联机器人作为攀爬机器人完全是有可能的。基本上，并联机器人用于攀登必须用适当的夹具系统改变两个环中的一个，并取代另一个环，并通过预先设定的位移方向实现几何构型的动作。对并联机器人而言，这个过程简单且自然。最近，并联机器人已经被建议在非常规条件中使用。在这种情况下， stewartgough (s-g)平台已被提出作为移动机器人用于攀爬管状结构的内部或外部和杆状结构。同时这个平台也可以用来攀爬桥梁和穹顶建筑物的金属结构。本文的目的是要表明科学界认为将并联机器人作为攀爬机器人的应用前景是广阔的。几个（理论和实践）与攀爬并联机器人相关的，用于避免结构节点的运动学和动力学行为的研究结果将被提出。本文的其余结构如下。在第二部分,提出了设计的一种cpr相应的建议。同样这部分给出了球形万向节改进为在机器人底部之间能够允许90的构型。第三部分对机器人能够避免结构节点的几何构型给出了算例。在接下来的部分里分析了机器人的工作空间姿势的分析。第五部分详细介绍了三种类型cpr机器人的动态模拟结果，对cpr机器人尺寸和重量所决定的线性执行机构的力进行了分析。同时，这些动力学仿真能够分析给定线性执行机构的力对攀爬速度的影响。第六章和第七章给出了一个真实原型的实验结果。这些结果验证了数值分析是可以实现的，表明了实现给出的姿势是可以的，尽管它与机器人地独特构型非常接近。最后得出了一些结论。二 攀爬并联机器人的设计s-g平台能够为框架结构任务的发展所需的移动机器人提供一种解决方案，例如在建筑业中使用的机器人。将s-g平台作为攀爬并联机器人使用是一种新的解决方法，能够解决一些典型的问题，比如有关攀爬复杂结构框架机器人的运动学和动力学姿势的问题。这些问题如下：1） 机器人必须能够承载自身重力和运动过程中的有效载荷。因此，机器人的重量应该尽可能的轻。 2）为了通过结构节点，机器人必须采用一些临界设置。这些设置取决于逼近结构节点的途径和克服结构节点后机器人需要运动的方向。3）当攀爬机器人在结构框架上工作的时候，它必须能够用较少的动作实现工作姿势间的变化。4）理想情况下，攀爬机器人能够利用其动力执行器并行执行任务和结构上的姿势动作。这样，动力执行器能够更省电，作为结果其重量也会变得更轻。a.攀爬并联机器人地概念设计并联攀爬机器人形态的提出是基于六自由度的并联平台。机器人地主要结构与经典的基于s-g平台的并联机器人结构相似。该平台由两个平行的环组成，环则由六根线性执行器连接，执行器是一种ups运动链。（其中，u自由度是万向节，p自由度是移动副，s自由度是球面副）（如图1）。 图1.攀爬并联机器人地概念设计在cpr的发展过程中，为了促进机器人在结构框架上的运动，有必要在这个平台上做一些改进。用于攀爬金属结构的机器人概念设计如图（1）所示。机器人由两个圆筒形基本部分组成，上环（环-1）和下环（环-2）。这些环由六个线性执行器组成，执行器能够在两个环之间发生位移变化。在机器人的每个环的外侧额外地加上了一个外部旋转环，能够允许90旋转。通过这种方法，机器人能够在金属结构架上调整它的腿更容易地支撑起身体。这种机器人地原型先前已经被开发出来用于完成管道和管状结构上的任务。然而，由于该机器人在结构框架中工作的固有特性的要求，在机器人原型的基础上已经做了一些改进。与爬壁机器人需要安装室内夹持装置来攀爬管道和杆相反，在结构框架上工作的机器人至少应该在两个预订的位置折叠和伸长。一种夹紧腿折叠或伸展的可能性减少了环的运动与周围环境之间的冲突。此外，在一系列连续的位移变化中，必须调整每一个圆环的腿适应预定的位置（+90，0，-90），因为外环夹紧装置的旋转能够降低环和轴的旋转要求。这样，就能够避免并联机器人地的奇异配置出现。由于同样的原因，当线性执行器超出了两个环中任一个的位移时之间所产生的冲突能够得到避免。b.球面副和万向铰链的调整为了完成在结构框架上移动的任务，这类机器人需要在90范围内调整环的位置。为了实现允许环之间90的姿势，万向铰链和球面副需要用新的设计进行改进（图2）。正如我们在图2（b）中所看到的一样，万向铰链的改进包括对传统万向铰链中两部分的悬臂交界的重新设计。在线性执行器与万向铰链的连接处加入一个旋转副可以实现球面副的改进。图（3）详细说明了改进的节点加入到机器人中的情况。有了这些新关节,这个机器人能实现所有必要的姿势来执行所需的位移，在接下来的部分将得到详细阐述。图像表明，有了新改进后的关节，机器人能够实现环之间90的设置要求。图2.为了实现两个环之间90的姿势，有必要改进万向铰链和球面副关节。（a）a详细说明了为了实现环之间方向的变化公开万向铰链和球面副的必要性，（b）为改进后的关节。图3.改进后的关节，上环与下环实现了相互垂直的位置。c.cpr机器人的攀爬姿势分析这类平行平台的运动学分先前曾经被一些学者进行了深入研究。运动学逆解可以取得每一个线性执行器的位移。在以圆环作为机器人主要结构的基础上，位移是由效应器最终的位置和方向所推导出来的。基于位移的方向，圆环中的一个被认为是最终效应器。这个方案可以在广义坐标的矢量描述中获得，在14中得到了广泛的描述。考虑到运动学逆解，为机器人位移顺序的动态分析的路径规划已经得以实现。如图（4）所示，加上适当的夹持系统，机器人可以通过环1和环2之间的移位完成运动。这个移位由四步组成。1）cpr机器人用两个环上的腿抓紧梁。2）机器人由环1上的腿支撑，环2的腿放松折叠。线性执行器被控制，使环2获得所需要的位置。3）位置移动的环2由夹持装置支撑。4）在环2上的腿抓紧梁的同时，环1上的腿放松。环1获得新的位置。一旦环1获得了新的位置，机器人就会准备下一个循环。图4.机器人沿着直线轨道的一系列移位如图（4）所示，为了能够使机器人通过正确的路径，机器人能够完成的动作必须简单而且容易实现。然而，当需要机器人完成一些动作，诸如爬行通过金属结构或者通过结构节点时，需要一些不同的姿势。此外，这些姿势需要分析。我们用三根梁的结构节点做成一个角落。在这样的结构接点处，机器人在通过的时候能够改变它的运动方向，或者保持方向不变。a.避免结构接点的顺序图（5）说明了cpr机器人能够通过结构节点的姿势。这些姿势的完成取决于通过结构节点后机器人遵循路径的方向。图6展示了一系列姿势的例子。它的表明了cpr机器人通过结构节点需要最少的姿势。在接下来的部分里，将会讨论多种机器人能够通过结构节点的多种结构的模拟动态分析。在分析过程中，为了获得关于cpr机器人在结构框架上工作时更充足的的特征与尺寸更有效的结论，我们会考虑机器人的不同位移和尺寸大小。在对cpr机器人做动态分析之前，有必要研究一下机器人避免结构节点可能的结构。一些结构是接近奇异结构的。因此，工作空间的雅克比行列式需要改进。图5.用以避免结构节点的爬行动作分析。（a）初试姿势pos-1（b）最后姿势pos-1a，（c）最后姿势pos-1b，（d）最后姿势pos-1c，（e）最后姿势pos-1d，（f）初始姿势2，（g）最终姿势pos-2a，（h）最终姿势pos-2b。图6.避免结构节点的一系列姿势。d.攀登工作空间姿势的分析在本节第一部分中，图（5）给出了cpr机器人每一个姿势下的运动动作。计算机器人每个姿势的雅克比行列式。在雅克比分析的基础上，机器人每个姿势中，上环的角度限制都能够计算出。这是最重要的一个方面，必须进行研究，以说明将并联机器人作为攀爬机器人地可行性。1cpr机器人的允许工作空间和奇异性分析在图（5）中当上环到达图中所示的位置后，该机器人上环的运动能力已经得到了研究。而且，上环可能的奇点已经得到分析，确保终端执行器的运动是能够允许的。一个机械手的工作空间就是其终端执行器能够所能够到达的位置。并联机器人地工作空间可以分为位置工作空间（终端执行器能够到达一个特定方向的点的集合）和方向工作空间（终端执行器能够到达特定位置的点的集合）。一些论文已经获得stewart 平台的工作空间的位置与方向的研究成果.。同样，一些论文致力于并联机器人地奇点研究。b. cpr机器人雅克比行列式的建模与分析并联机器人的奇异性是由雅克比行列式决定的，因此，图5分析计算雅克比行列式组成的奇异点，这些行列式代表着不同姿势的cpr机器人的运动行为。stewart平台的雅克比行列式专门被用于往复螺旋理论和用来作为图（7）的描述。雅克比行列式是以位于上环上的一个参考系为基础的。对于前面章节提出的cpr机器人，我们提出了这种模型参数变化的运用。在我们的方案中，将下平台作为构型的基础部分。在图（7）中，cpr机器人是由六个ups运动链组成。每一个运动链是由线性执行机构和它们的上下环之间由万向铰链、移动副和球面副所构成的机械连接所组成。图7.从图（7）中，我们可以得到如下：a由下环中部到万向铰链中部的阵列。b由上环中部到球面副中部的阵列。p从下环中部到上环中部的阵列。d每个执行器的万向铰链中部到球面副中部的阵列。s通过每个环节的单位螺旋运动。如果所有的螺旋运动将下环的中部作为参考，那么各个环节的统一的螺旋运动都能够衍生出来： 其中，s是n环节中螺杆连接的运动链i的通用阵列。因此，每个线性执行器运动链的螺旋运动是：其中t(p)是点与点之间的矩阵转换，j，i螺旋运动 $ji的角速度阵列。另一方面，螺杆的往复螺旋运动是： 在往复螺旋杆和终端效应器的螺旋之间采用klein产品，我们可以推出六个方程，从而确定出终端效应器的速度和执行器速度之间的关系。或者，使用矩阵符号方程可以写为：jrec 是雅克比行列式，用来表示以下环中部作为参考系，每个运动链上的往复螺旋运动。表1.机器人的模拟物 表2.雅克比分析中每个姿势允许的旋转范围c.对d250型cpr机器人雅克比行列式进行分析的结果。基于雅克比行列式（7），并考虑d250型机器人的尺寸表（1）和终端效应器的位移坐标表（3），在图8中，我们可以推导出姿势pos-1a, pos-1b, pos-1c, and pos-1d.的螺旋雅克比行列式。表（2）列出了所研究的姿势中最令人关注的角度范围。在图（8）中我们可以得到如下内容：1）第一排的四个构型可以使cpr机器人避免垂直路径中的结构节点。每种情况下，参考系统都标了出来。2）第二排给出了机器人工作空间。这个空间已经考虑了旋转的雅克比，在每个姿势中，只需要改变每个环到达位置的方向（x轴，y轴，z轴）。有很多点已经被标了出来，它们被分为奇异点和非奇异点。3）由于第二排说明了工作空间图像的形状，当移动环绕y轴转角为0时，图8第三排给出了这个特定区域里的工作空间。我们在这些图当中可以看到一条灰色曲线，而暗灰色区域里则是机器人无法到达的区域。在图上，线条表示奇异点。基于图（8）中雅克比分析，我们在表1中得出了d250型cpr机器人的尺寸，表（2）中列出了姿势pos-1a, pos-1b, pos-1c, and pos-1d的允许旋转角度范围。例如，姿势1pos-1a中当环的中心坐标是x-270，y=270，z=500,时，在结构上围绕x允许的旋转角度范围是22到30（右手法则）。表（2）给出了d250型机器人的最重要的四个姿势的旋转角度范围。根据终端效应器的x、y和z轴坐标，在其旋转范围内工作空间是可变的，如表（2）和表（3）中数据所示。因此，为了计算爬壁机器人的路径，计算雅克比行列式必须验证每个姿势的位移和定位。要求避免结构节点时，工作空间对于控制机器人地运动非常重要，必要时可以帮助用户近似接近结构节点，并用作方便的姿势规避结构节点。图.8 评价工作空间姿态pos -1a，pos -1b，pos -1c和pos -1d（第一行）（第二行）。第三排展示了一个特定的部分的工作空间，表.3 环-1/2路径规划的位移参数以及euler角 结 论本文的主要目的是研究一个并联机器人能后适应攀爬结构框架。根据以往的研究结果，作者提出了一种新的并联机器人地应用，表明了使用这些机器的力量，制造一个机器人能够攀爬和操作重量远超过其他任何类似条件下的机器人是可能的。同样，基于降低结构节点数目，这些cpr机器人示范了如何能够克服障碍和逃避结构节点。首先对cpr机器人动作的结构节点进行了研究和评价。机器人能够实现不同的动作从而避免结构节点。在一些动作中，cpr机器人能够结构结构奇异构型。为了研究极限环的旋转，建立了一种雅克比行列式用以研究工作空间。考虑到结构，可以用环的一些姿势的微量曲线来说明一些可以实现的位姿。这些结果表明，尽管机器人会接近奇异位姿，但机器人有可能的研究方向。另一重要方面是cpr机器人能够避免结构节点的动态动作。真正的实现和模拟结果已经显示了最大线性制动器的所需的力。因此，由于机器人的结构轻重量，用有良好电源的线性执行器，开发轻型动力并联机器人攀爬结构并避免结构节点是可能的。与原型取得的实际结果表明了在可实现的姿势中模拟结果的有效性。最后，本文试图展现了并联攀爬机器人的巨大潜力。参考文献1 m. abderrahim，c. balaguer,，a. gimenez, j.pastor, and v. padron， “roma: a climbing robot for inspection operations,” in proc. ieee int. conf. robot. autom., detroit, mi, may ,1999, pp. 23032308.2 a. kochan, “robots for automating construction an abundance of research,”ind. robot, vol. 27, no. 2, pp. 111113, 2000.3 m. kaneko, t. shriai, and t. tsuji, “hugging walk,” in proc. ieee int.conf. robot. autom., 2000, pp. 26112616.4 p. g. de santos, m. jimenez, and m. a. armada, “improving the motion of walking machines 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