机器人外文翻译-爬壁机器人的发展

爬壁机器人的发展 摘要 很长时间以来，人们希望能够利用爬壁机器人来营救墙壁检测和灭火，在我们的实验室里已经研制了四种非常不同的机器人，第一种机器人有一个大的吸附器其利用了与气垫船相反的原理；第二种有两足行走，并且每足上有一小吸附器；第三种通过驱动器的挤力在不规则的垂直墙壁上移动，这是一种墙体驱动机器人；第四种可在必要的时候短距离跃入空中，这里将讨论这些机器人的机构和控制系统。 1、 介绍 很长时间来，人们期望机器人能够在垂直的墙壁上移动，它可用在高楼大厦里来营救墙壁检测和灭火，在过去的二十年里，我们实验室研制了 四种完全不一样的爬壁机器。第一类有大的吸附器和爬行器作为移动机构，这种被称为大吸附器机器人。最近，在日本，已发展出很多种类的这一类型机器人用于检测墙壁。这里将讨论与在吸气和风扇转动间相适用的机构和空气动力学。 第二种类型是双足行走机器人，每足上有一小吸附器而被称为双足机器人，这里也将讨论其机构和控制系统，并给出一模拟研究，由于这里模型适用于几乎所有的不规则墙面，它比第一种应用范围更广。 通常而言，行走运动不是很快，因此行走机器人爬行到墙的高处将耗费很多时间，然而，又需要这样一种机器人，它能在短时间爬到建筑物 的高处，为了紧急的目的，例如携带救援工具或者给建筑里灭火。第三种机器人旨在达到这些目的，它有驱动器，这些驱动器的垂直墙面的挤力减小微弱，这样能够利用轮与墙间的摩檫力并支撑机器人自身。这是一种墙体驱动机器人。有时候意外的强风会发生在高层建筑物的墙体上，在这种情况下，用来弥补风的力量的控制系统，对于避免让机器人从墙上掉下很重要，这种情况已经在 6， 7里简单的讨论过。 通常在建筑物的低处有很多障碍，比如树，屋檐，入口等等。在这些情况下，如果机器人能够飞跃这些障碍并到达上面的墙面将很管用，另外如果机器人意外地从高 处的墙面上掉落，制作一软着陆来避免危害自身或周围环境很有必要。这些目标可通过用能使其飞的机构和控制系统来完成。由于墙壁驱动机器人有足够的挤力来支撑其自身，它可改造成一种能够飞或着陆的新的机器人。这是第四种模型，其机构和控制系统将被讨论，并提出其操纵能力的模拟研究。 2、 大吸附器机器人 2 1 大吸附器模型的机构 很久以来，人们期望研制出能够在高层建筑的垂直或悬空的墙面，或者巨轮的侧面等上面移动的移动机器人。然后，这种机器人能用来代替人搬运营救工具或做其它工作。为了实现这种机器人，需要用来支撑机器人或使其在墙上向 上移动的摩擦力。磁力或真空压力可产生指向墙面的固定力，轮子或履带都可用作在平且宽的垂直墙面上的移动机构。 1966年研制出了一台大吸附器机器人（如图 1所示），当用机器人在墙上移动时从吸附器的外围空隙中吸取了少量的空气。利在吸附器的外围安装一刷子和（或）弹性围罩来减弱空气流和保证吸附器内部足够的负压，它能在不规则的小墙面上移动。这个模型的机构和尺寸如图 2所示：离心风扇由小引擎驱动，履带由直流电动机驱动。 图 1 大吸附器机器人 2 2 安全条件 在墙上的固定力是负压和吸附器面积乘积； F= (1) 1 引擎 2 皮带轮 3 驱动电机 4 刷子和围罩 5 直流电机 6 履带轮 7 风扇 8 燃料箱 图 2 大吸附器模型的结构示意图 图 3 大吸附器机器人的滑动及脱落的安全区域 下面是避免滑动和掉下的条件： F/W1 (2) F/Wh/R (3) 这里 W 是机器人的净重，是摩擦系数， h 为墙面到重心的距离， 如果机器人在条件 h/R1/ (4) 下设计，掉下可以避免。这些关系如图 3所示，每个曲线的上半区域为安全区域。 2 3 固定力与风扇性能的匹配 由于用来支撑机器人在垂直墙壁上的固定力与风扇性能直接相关，因此，它们之间的匹配非常重要，风扇性能（粗实线）和在有效误差 e 下的匹配线（点杠线）如图 4所示：横坐标代表空气流质量 Q，纵坐标是负压 ，并且每条曲线的参数是临界速度 n,常量引擎节流的工作曲线由通过点Z,Y,粗糙水泥墙面上得到所需最小负压测量为 P=35 由于模型的净重 W=44擦系数 = W，V,U 是各误差 e 的所需最小必须压力。例如，如果风扇在点 e=小压力大约为 15自点 之间的中点，因此，这种模型在更小摩擦系数的墙面上移动是危险的。 图 3 大吸附器机器人的风扇性能图 误差的突变取决于由墙面的不规则所导致对应的空气质量流和之后负压的变化。风扇的旋转速度一直变化至引擎和风扇间的达到力矩平衡。这种关系如下： 里 为风扇的角速度， m 为引擎和风扇之间的机械效率， 驱动力矩， 风扇所需的 矩。如果误差从 e=扇工作曲线通过 一方面，如果误差增加，通过 此，间隙的突然增加过程中，负压比终点 故 在变化过程中可获得足够的力。 2 4 总体安全条件 总体安全条件归纳如下： （ a）脱落是致命的，因此应避免使用公式（ 4）的条件。 （ b）在吸附器的外部减少空气泄漏 有用的。 （ c） 由于间隙的突然增加，负压变化有一定的时间滞后，因此引擎应该短时间打开以使补偿吸附器里的足够压力。 3、两足行走机器人 3、 1 行走机构 图 5 双足行走机器人的结构 现在地面上行走机器人有很多种类型的行走机构，例如两足定位，四足的，六足的等等。类似的，现在爬墙机器人也有很多种机构。 垂直轨道 斜轨道 图 6 行走运动 of i 330029） o in of we a An of -H in In to on a of an of a by of it is by of of by a of is to a an to of in of of is in ,of at is at in of an of of of a of of an of of o in of at a ; up ; of of of he of 2 As in ,is by a at of ) is at of of of a of as he of n to of a is of as in of on in 0 is 1,2,3 on on of by 1,2,3. We of a B A by 1T、 01011 0 00 1 0 00 0 10 0 0 1，1000010001000012112 100001000002231,L2 1,S2 1,2 in tt 11, tt 22, 2 of 1,2 is of c ， s By 3120103 ,we 1000100002211003 we of 0 3: 10p = 13p ,1000100010000221101333.(a) (x0,y0,(x3,y3,of p 0 3 he of we of a a a of on so In a to as an to of is As of in t ,of at of x3,y3,)=(0,r,0,1) x0,y0, 3 0 By a), we 100010001000022110100r .(b) to in we s (t . he of in We of as t0,of at t 0 x0=l0+0210 ;, b) to 1,S2,we of : )(s )(c o s)(21 w he of in of at to at s 0 21010 , ,3 w=0. is by we )(s , )(c o )(c o )(s 11 ,of )(s )(c o s)(21 of is to of is is is By 222,()(,)(1 , 11 . )(s s )(c o s)(c o s)(21 he of in to at