（机械电子工程专业论文）吸附型壁面攀爬机器人研究.pdf

西北工业大学硕十论文摘要 摘要 壁面攀爬机器人因其在垂直陡壁或高空极限空间作业的特点，已被广泛地研 究并应用于清洗、消防、检测等多个行业。 本文主要针对壁面攀爬机器人完成以下研究工作： 首先通过追溯国内外壁面攀爬机器人研究的历史背景、总体类别与特点以及 分析以后的发展态势，总结出壁面攀爬机器人的研究特点和关键技术所在。 在吸附型壁面攀爬机器人机构设计方面，提出一种真空吸附式壁面攀爬机器 人的设计方案。该机器人采用足脚式移动机构，并采用一种由真空泵驱动的壁厚 变化的软吸盘机构。 在完成机构概念设计的基础上，文章介绍了s 0 1 i d w o r k s 建模功能和建模方 法。以腿部机构为例，详细介绍该机器人在s 0 1 i d w o r k s 平台下的零件和装配体设 计，并在c o s m o s m o t i o n 仿真平台下进行仿真和结果分析。 本文对常见步态形式进行了分析，随后设计并详细阐述了该机器人周期型 步态及其实现途径。 在控制系统设计上，文章首先分析了运动控制系统中腿部机构的驱动器的 控制原理与方法，并提出实际壁面攀爬机器人采用的控制方式。其次对足脚式 壁面攀爬机器人的真空吸附方式进行分析和比较，并采用气流断续的控制方式。 最后，基于h a n d yb o a r d 控制卡开发完成了壁面攀爬机器人控制系统软硬件。 关键词：壁面攀爬机器人，机构设计，步态规划，控制系统 西北工业大学硕十论文abs仃act a b s t r a c t w a l l _ c l i m b i n gr o b o t s ，w h i c hb e l o n gt 0t l ”s p c c i a l t y p er o b o 协，a 坞w i d e l yu s e di i l 丘e l d sl i k cw a l l - w 鹬i l i n g 丘r e f i g h t i n g 觚dm s u r e n l e m 矗”i 忸觑曲o fw o r k i n gi n v c n i c a lo r l l i g hs p 时l s f i r s t l y ， t l l ep a p c rs u m m a r i z 鼯m er e g u l t s0 ne x i s t i n gr 韶e a r c h 柚dd e v e l o i m l 饥to f w a l l 一c l 曲b i n gr o b o t ，舭d 锄a l y z 船t l l ed e v e l o p i n g 慨l do f w a l l c l i 皿b i n gr o b o 协 o 虹m e c h 翘i c a ld 黜i g no fs u c t i 彻w a h 吒l i l n b i n gm b o t ，av a c u 呦s i 比石o n 辩h 锄ei s 8 u g g c s t c d t h er d b o ti l lp l 孔p o s s 韶s f c e t _ t y p em o v 咖e m 雒da 虹n do fv a r i a b l e t h i c l 【n 鼯s f ta c e t a b u l 嬲w l l i c ha “v 吼b yv a c u 啪p u m p a f b e rt l l e c o n c 印td e s i g n ，t l l c1 1 1 e s i si n l r o d u c 髓m o d e l i n gf 岫c t i 柚dd e s i 驴 m e m o d so fs o l i d w b f k s 1 1 i ，t a l 【i n gm cl c g 髂a ne 】【锄p l e ，t l l e 卸t 1 1 0 rd 髂c r i b 豁坞 p a r c sm o d e l i n g ，勰s 锄b l i e sm o d e l i i l g 锄d柚a l y z i i l gm o d e l i n gi nd “lb y s o l i d w b r k s t h ep a p e r 釉a 】y z 璐s o m ec o m m o ng 莉招a n e rt 1 1 a ap e o d i cg a “锄di sw a yo f r 鼯l i z a t i o na r ed e r i b e di i ld e t a i l o nc 州扛d ls y s t 锄d c s i g n t h cp 印c r 伍钮i ya l l a l y z 嚣c o n 仃o lp r i i l c i p i e 卸dw a y so f l e g t l l a m d r 觚d 舯咖o t i 络锄印p l i c dc 叫咖lm e m o df b rw a l l c l i m b i n gr o b o t 叻 ac o m r o ls y s t 啪i sp 蝤c l ：吐c d a f t c r 锄a l y z i n g 勰d 啪p a r i l l gv u 啪s u c t i o n m e m o d s 锄o n gd i 脑哪舭c - t y p ew a l l c l i m b i n gr 0 t s t h ep 印c rf i l l a l l yd e v e l o p s a c 缸d ls y s t e m f o r 坞r o b o t b 勰c d o n h 锄d y b o 棚 1 ( e yw o r d s ：w a l l _ c l i m b i i l g 加b o t ，m e c 血a l l i c a ld e s i g n ，g a i t - p l a m l i i i g ，c o m m ls y s t 锄 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业厉结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 人学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：刁8 数 d 唯，月，日 指导教师签名：互蟛 疹1 年；月；，日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究上作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：邋查 d 唧年；月；日 西北t 业大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 机器人是近代电子技术与传统的机构学相结合的产物，是计算机科学、控 制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿 人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和 发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的 社会生活产生深远的影响。 对于机器人的分类，目前国际上没有统一的标准，我国的机器人专家按照 机器人的应用领域将机器人分为工业机器人和特种机器人两大类。其中，壁面 攀爬机器人是一种能够在垂直陡壁或者高空极限位置进行作业从而服务于人类 的特种机器人。目前，壁面机器人已经在建筑业、核工业、消防部门、石化行 业以及造船业等多个行业领域得到研制和应用。 随着社会的发展，在现代都市中，高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼 成为现代都市中一道亮丽的风景。许多开放性城市都规定，每年应对高楼进行定 期清洗。长期以来，对高层建筑的清洗工作主要是由人工完成的。清洗工人搭乘 吊蓝或腰系绳索进行高空擦洗，这种“一桶水、一根绳、一块板”的人工作业方 式效率很低，清洗一幢大楼有时要耗时数天乃至数十天，耗资巨大，而且稍有不 慎就会出现事故，造成伤亡。近几年来，随着科学技术的发展，这种状况已经有 所改善。目前在国内已经采用升降平台或吊篮搭载清洁工对大楼进行清洗，或者 在设计建筑的时候考虑清洗系统。但是这种改善的方式对建筑本身有一定的要 求，起到的作用非常有限，因此，人们迫切希望能设计制造出一种可以完全代替 人工完成高层建筑清洗任务的装置。 与此同时，越来越多的高层建筑也给人们带来了不少安全隐患。当前，层出 不穷的高层建筑火灾已经一次又一次地向人们敲响了警钟，但是由于高层建筑物 的内部火情现场情况难以观测，而且传统的消防手段和开始应用于地面的消防机 器人在高层建筑的消防救灾工作中受到了很大的限制，如云梯到达高度有一定限 制，地面高压水枪，灭火弹射程有限，不能精确定位等，因此，研制一种能够适 用于高层建筑的消防机器人也已经成为急时之需。 在核工业、石化行业以及造船业等领域的某些特殊作业环境中，存在着一系 列操作复杂、环境恶劣等严重限制人类作业的因素，因此人们也更多地寄希望于 1 西北丁业大学硕十论文第一章绪论 壁面攀爬机器人来对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤、圆柱形大罐或 球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐、喷涂船舰体的内、外壁等工 作，从而达到完成操作同时保护人类自身安全的双重目的。 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，提高生产效率，也必将极大 地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益；壁面消防急救机器人在 消防部门可以开展传递救援物资、进行救援的工作，有效降低高层建筑突发事件 中造成的生命财产损失；同时，在其他一些工业领域，壁面检测机器人、壁面喷 涂机器人、壁面清污机器人等也起到代替人类在高温、高压、有毒、浓烟、放射 性等艰险恶劣的环境中完成复杂作业的作用。因此，国内外多家研究机构都在积 极开展此项研究工作。 我国从1 9 8 7 年实施国家“8 6 3 ”高技术研究发展计划以来，把智能机器人确 立为自动化领域的主体之一，在特种机器人、机器人应用工程、机器人基础学 科等方面取得了很大成绩，壁面攀爬机器人由于其特殊的作用已越来越受到人们 的重视。 1 2 壁面攀爬机器人的分类及特点 壁面攀爬机器人必须具有三个基本功能：移动功能、吸附功能汹1 和载物功能。 按移动方式分，主要可分为车轮式壁面攀爬机器人“”、履带式壁面攀爬机器 人、框架式壁面攀爬机器人和足脚式壁面攀爬机器人、轨道行进式壁面攀爬机器 人、钢索行进式壁面攀爬机器人、偏心扭摆式壁面攀爬机器人、抓持式壁面攀爬 机器人等( 详见第二章2 2 节) 。 按吸附功能分，主要可分为真空吸附壁面攀爬机器人、磁吸附壁面攀爬机器 人、推力吸附型壁面攀爬机器人和夹持力吸附壁面攀爬机器人( 详见第二章2 3 节) 。 按应用领域分，主要可分为壁面清洗机器人、壁面检测机器人、壁面喷涂机 器人、高层建筑消防救援机器人等。 1 3 国内外壁面攀爬机器人的研究概况 1 3 1 国外壁面攀爬机器人研究概况 壁面移动机器人广泛应用于维护、检查、消防、救援、清洗、情报和国防等 2 西北工业大学硕士论文第一章绪论 领域，必将为人类带来巨大的经济效益和社会效益。因此，各工业发达国家都投 入大量人力物力，积极进行其理论和技术研究，如日本、美国、俄罗斯、西班牙、 英国、德国、奥地利等国相继研制出一些各具特色的壁面移动机器人实验样机。 日本是世界上率先开展了壁面移动机器人的研究工作的国家【1 卯，1 9 6 6 年大 阪府立大学工学部讲师西亮，设计了一种利用电风扇进气侧低压空气产生的负压 进行吸附的壁面移动机器人( 图1 1 ) 的理想原型机。在1 9 7 5 年，已身为宫崎大 学工学院部教授的西亮从实用角度考虑，又研制出一种用单吸盘结构吸附，以轮 子行走的二号壁面攀爬机器人。此后，日本许多著名的大学、制作所、公司等纷 纷投入大量的精力，广泛开展用于极限作业的壁面攀爬机器人的研究工作，开发 出了许多种类的壁面移动机器人。 1 9 8 4 年日立制作所得内藤绅司和佐藤主税等人研 制成八只脚磁吸附爬壁机器人，而后在1 9 8 5 年该制作 所在此基础上又开发了一种新型磁吸附爬壁机器人。 车轮式磁吸附爬壁机器人虽然速度较快，但有效 的磁体只是车轮的一小部分，步行式磁吸附爬壁机器 人虽然有较大吸附力，但是速度很慢。为了提高吸附 里和行走速度，1 9 9 0 年废濒茂男领导的研究小组在4 足步行机器人的基础上开发了n 町a 系列4 足壁面 图t 1 风扇推进式机器人 移动机器人f 2 l 】( 图1 - 2 ) 。其后，该研究小组于1 9 9 6 年 又开发了适应高速公路路基大角度护坡作业的移动机器人t i t a n v i i ( 图1 3 。 图l _ 2n 矾j a 系列壁面移动机器人图1 _ 3t 】1 系列壁面移动机器人 3 西北工业大学硕+ 论文 第一章绪论 日本清水建设株式会社和东京消防厅分别研制了用于玻璃清洗和高层建筑 消防的壁面移动机器人( 图1 - 4 、图1 5 ) ，成为最早的幕墙清洗机器人和高楼消 防机器人之一 图l _ 4 玻璃清洗机器人图1 。5 壁面攀爬消防机器入 图l _ 6 多用途壁面机器人图1 7 壁面喷涂机器人 图1 8 履带式壁面移动机器人图1 - 9 双体轮式壁面移动机器人 随后，日本技术开发研究所( 株) 、三菱重工、关西电力株式会社、日晖株 式会社等又相继研制多用途壁面机器人( 图1 6 ) 、壁面喷涂机器人( 图1 7 ) 、真 空吸附履带式结构壁面移动机器人( 图1 8 ) 、双车体负压吸盘吸附轮式壁面移动 机器人( 图1 9 ) 等。 美国也是开展壁面移动机器人研究较早的国家。自1 9 8 9 年起州立威奇托大 学( w i c h i t as t a t eu i l i v e 鹅时) 的b 吼h 锄b a l l r 领导的研究小组陆续研制了 4 西北t 业大学硕士论文 第一章绪论 r o s t a m 系列壁面移动机器人。1 9 9 0 年卡内基梅隆大学的w o l f e ，研制了一种 基于十字几何结构的直动式壁面移动机器人a n d i 。该机器人的最大成就是首次 将十字构型引入到机器人的构型中来。1 9 8 9 年西雅图的h r yr s m 猢在一 种履带式壁面移动机器人a u t o c r a w l 盯。 最近几年，美 国的研究小组真 正揭示了壁虎在 墙上爬行的秘密， 这个秘密就是分 子间的作用力一 一范德华力。美国 斯坦福大学教授 马克谆特科斯基 的研究小组开发 一种具有粘性脚足的壁虎状机器人晡1 1 ( 图1 1 0 ) 。“壁虎机器人”足底有数百万个 极其微小的毛发，微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德 瓦尔斯粘性达到最大化。借助这些毛发，它就能令足底粘上壁面。 a 以色列擦窗机器人b 德国灵巧型爬壁机器人c 澳大利亚擦窗机器人 d 西班牙r e s t 系列机器人e 新加坡擦窗机器人f 法国壁面攀爬机器人 图1 1 l 各国壁面攀爬机器人 5 西北工业大学硕十论文第一章绪论 除此之外，加拿大、德国、西班牙、以色列、新加坡，奥地利、俄罗斯、英 国、澳大利亚等国家都相继开展了壁面移动机器入( 图1 1 1 ) 研究。 1 3 2 国内壁面攀爬机器人研究概况 相对而言，我国的壁面攀爬机器人研究起步较晚，但发展很快。哈尔滨工业 大学、北京航空航天大学、上海交通大学在壁面移动机器人这一领域处于国内领 先地位，许多科研单位也相继推出了各自的壁面清洗机器人。 针对我国核工业发展的需要，哈尔滨工业大学机器人研究所自行设计并研制 我国的第一台用于检查核废液储罐壁厚及焊缝的壁面爬行式遥控检查机器人，填 补了国内的空白。 随后，哈尔滨工业大学又相继研制出单吸盘真空吸附车轮行走式壁面攀爬机 器人和永磁铁吸附履带行走式壁面攀爬机器人f l 卵。单吸盘轮式壁面移动机器人 ( 图1 1 2 ) ，有吸附机构和移动机构两大部分，移动机构由电机、减速器、车轮 构成，吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。 图1 1 2 单吸盘真空吸附车轮行走式 壁面攀爬机器人 图1 1 3 永磁铁吸附履带行走式 壁面攀爬机器人 磁吸附履带式爬壁机器人( 图1 1 3 ) 采用的是双履带永磁吸附结构，在履带 一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一 定的吸附力，通过履带( 由链条和永磁块组成) 使机器人贴附在壁面上并实现爬 行。 自1 9 8 8 年以来，上海大学开始研制了玻璃窗清洗机器人，该机器人采用多 层框架式机构，真空吸盘吸附，伺服电机驱动，但重量大，且没有装备清洗系统。 此外，他们开发了一种全方位越障机构，大幅提高了机器人的越障能力。 6 西北工业大学硕+ 论文 第一章绪论 图l - 1 4 球形壁面攀爬机器人 同时，上海大学教授谈士力等科研人员经 过3 年多的协作攻关，研制成功球形壁面爬行 机器人圈( 图l 1 4 ) 。该机器人采用腿足式移 动机构，足端为带有裙边的铰接式真空吸盘， 设计者从满足稳定性和控制复杂程度的综合， 考虑偶数足易产生有效步态，选用六足独立控 制。该机器人采用了缩放机构原理、气动驱动、 真空吸附的移动方案，具备在最小曲率半径为 2 5 m 的球形壁面上，完成任意方向的直线移 动和原地转向的能力，可采用多种步态行走， 并能跨越3 0 0 l i i m 高的条形障碍。 北京航空航天大学自1 9 9 6 年以来，在国家“8 6 3 ”计划的大力资助下，先 后研制成功了w r a s h m a n 、c l e a n b o t i 、s k y c l 彤咐、“灵巧型擦窗机器人”、 “吊篮式擦窗机器人”、“蓝天沽宝”等系列幕墙清洗机器人样机( 图1 1 5 ) ，工 作效率高，具有很高的实用价值。 a ，a s h m a nbs k y c l e a n l c 蓝天洁宝 图1 1 5 北京航空航天大学研制的部分壁面清洗机器人 2 0 0 5 年，北京航空航天大学机器人研究所有另辟蹊径，改变以往真空吸附装 置需要外置气源传统观念，设计研制了种被动吸附式小型壁面攀爬机器人【4 3 】 ( 图1 1 6 ) 。该机器人借用自身特殊的被动式吸盘机构以及抗“抬头”机构，在 行走过程中自动排除吸盘内的空气以形成真空状态，从而实现壁面有效吸附和平 稳的直线或大半径路线运动的目的，并具备一定的跨缝能力。但是该机器人暂不 适合小半径和大壁障状态下进行运动。 7 西北工业大学硕士论文第一章绪论 i 辫一精鞔盖挺拜瓣拧3 攮蛙转4 黧曲撞 ，辏蜕矗簟曲咆葶l ，嗫盘8 辩带帚 图l 一1 6 被动吸附式小型爬壁机器人图1 1 7 悬吊式高空壁面作业机器人模型及样机 2 0 0 6 年，西北工业大学和西安恒生科技有限公司自主开发研制了一种采用采 用悬吊支撑结构、面向多种任务、高自主性的高空危险环境作业机器人i 刈( 图 1 1 7 ) ，用于高层建筑的消防、清洗及其它灾害现场的探测及特种作业，使机器 人可由建筑物外墙迅速到达现场达到辅助和替代人工在此类高危环境作业的目 的。该机器人在地面动力系统的作用下，由载物箱携带一定数量的清洗、探测或 灭火救生设备，沿悬挂钢索攀爬至目标位置，伸缩臂绕旋转支座俯仰至水平状态， 吸附杆和吸盘先后吸附壁面进行定位，并在必要情况下由破障机构破碎壁障，伸 缩臂深入现场进行探测和信息的反馈。 1 4 本文主要研究内容 本文的研究内容得到西北工业大学研究生创业种子基金项目的资助，项目名 为“吸附型壁面攀爬机器人研究”，主要通过该项目研究目前国内外壁面攀爬机 器人的发展状况，并在借鉴前人基础上自行设计研制一个足脚式吸附型壁面攀爬 机器人样机，要求该样机具有在无严重壁障的大倾角斜面以及竖直立面上长时间 静态吸附和行走的功能，能够灵活实现前进、后退、转向等操作： 因此，本论文的主要研究工作如下： 第一章，绪论。首先通过追溯国内外“壁面移动机器人”的研究的历史背景、 总体类别与特点以及以后的发展态势，并从中总结出壁面攀爬机器人的研究特点 和关键技术所在。本论文的主要研究内容就是针对其中的吸附型壁面攀爬机器入 的关键技术而展开。 第二章，吸附型壁面攀爬机器人机构设计。首先通过对壁面攀爬机器人运动 机构模型尤其是腿部机构和驱动机构的研究和分析，并结合课题需要，提出一种 8 西北工业大学硕十论文第一章绪论 真空吸附式壁面攀爬机器人的设计方案，该机器人采用足脚式移动机构，并结合 实际吸附和需要，提出一种由真空泵驱动的壁厚变化的软吸盘机构。 第三章，基于s 0 1 i d w o r k s 的三维建模技术。在介绍s 0 1 i d w o r k s 建模功能并分 析自顶向下和自底向上建模方法的基础上，以腿部机构为例，详细介绍该机器人 在s o l j d w o r k s 平台下的零件和装配体设计。其次，对c o s s m o t i o n 仿真功能进行 介绍，并同样以腿部机构为例进行仿真和结果分析。 第四章，机器人控制系统设计。首先分析了运动控制系统中腿部机构的驱 动器的控制原理与方法，并提出实际壁面攀爬机器人采用的控制方式。其次对 足脚式壁面攀爬机器人的真空吸附方式进行分析和比较，并采用气流断续的控 制方式。最后介绍了机器人核心控制系统h a n d yb o a r d 控制卡的硬件和软 件。 第五章机器人运动机构与控制系统的实现。提出足脚式壁面攀爬机器人步 态分析的必要性，并对常见步态形式进行分析。设计并详细阐述了该机器人周 期型步态及其实现途径。 第六章总结与展望。总结壁面攀爬机器人的研究结论，提出本文的优缺点， 并对后期的研究提出一定的期望。 9 西北t 业大学硕十论文第二章吸附犁擘面攀爬机器人机构设计 2 1 引言 第二章吸附型壁面攀爬机器人机构设计 壁面攀爬机器人的总体机构即运动系统，包括行走机构、驱动方式和吸附方 式。 在整个机器人系统中，机器人的移动方式取决于对机器人工作环境、移动速 度、移动连续性、行走控制难易程度、避障能力以及承载能力的要求；驱动方式 取决于结构重量、控制距离、信号转换、技术成熟性、构造难度、可靠性及可控 性等要求；而影响吸附方式的因素主要有吸附力、壁面适应性、密封性要求、尺 寸要求以及避障要求等。 2 2 壁面攀爬机器人运动机构设计 2 - 2 1 壁面攀爬机器人移动方式 目前最常见的壁面攀爬机器人采用的移动方式有以下几种： 车轮式壁面攀爬机器人( 图2 一1 ) “”以一个或多个轮子在电机等驱动装置的 驱动下，带动机器人行走，该类机器人移动速度较快，行走控制简单，着地面积 左摹是 电撬鼍磅攀辘 舞窀簟 压力黼一 警射飘 气曩) 图2 一la 磁吸附车轮式壁面攀爬机器人b 真空吸附车轮式壁面攀爬机器人 小，维持吸附力较困难。 履带式壁面攀爬机器人( 图2 2 ) 由电机驱动两个或多个无轨道履带推动机 器人行走，该类机器人接触面积大，对于壁面的适应性强，但体积大，结构复杂， 1 0 西北工业大学硕十论文第二章吸附型肇面攀爬机器人机构设计 聱鬟麓孵 图2 - 2a 普通履带式壁面攀爬机器人b 曲面履带式壁面攀爬机器人 且运动时不易转弯。 框架式壁面攀爬机器人脚( 图2 3 ) 的移动机构中，两组吸盘用具有若干相 对自由度的机构连接。当一组吸盘吸附工作时，另一组吸盘可以移动行走或转 动方向。这种机构具有较好的越障能力和承载能力，但行走速度较慢。 毋燕 图2 - 3 框架式壁面攀爬机器人 足脚式壁面攀爬机器人( 图2 4 ) 通过多个脚按照一定的次序对壁面进行吸 附与脱离，从而实现机器人的移动。该类机器人机动性较好，可以适应不同形状 的壁面，有较强的越障能力等。但具有冗余自由度的多足运动协调控制有一定难 度，而且行走速度较慢。 轨道行进式壁面攀爬机器人的移动机构( 图2 5 ) 用车轮夹紧在壁面轨道两 图2 - 4 足脚式壁面攀爬机器人 驱 i 刷杰 糕 落 l 彬 图2 5 轨道行进式壁面攀爬机器人 的夹持移动机构 西北工业大学硕十论文第二章吸附犁肇面攀爬机器人机构设计 侧，当驱动轮旋转时，依靠车轮与轨道间的摩擦力实现上下移动。这种机构实现 容易、运行可靠，但对壁面有铺设导轨要求，而且移动方向受导轨的限制。 钢索行进式壁面攀爬机器人( 图2 6 ) 克服在壁面铺设导轨带来的不便，可 考虑用张紧钢索作为导轨让机器人本体沿钢索进行上下运动，之后用吸盘或其他 国2 _ 6a 单索固定的钢索行进式b 双索悬挂的钢索行进式 辅助工具对壁面进行吸附定位。 偏心扭摆式机器人( 图2 7 ) 陴1 可采用偏心扭摆双吸盘行走机构形式，当一 个吸盘吸附时，另一个吸盘通过偏心机构扭摆一定的角度实现移动，二个吸盘交 替工作达到行走目的。偏心扭摆式机构的主要缺点是惯量大、行走效率低、速度 慢。 抓持式壁面攀爬机器人( 图2 8 ) 嘲1 利用对人类攀岩过程的爬壁机理，即使 足端无特殊的吸附装置，合理的利用环境特征实现壁面机体附着保持功能。对于 高层建筑物幕墙作业而言，一般幕墙结构均有窗框、导轨等结构，幕墙上或幕墙 之间交错的障碍，构成了对机器人运动的约束。机械力抓持方案正是基于此观点， 利用建筑物特征，当作机器人运动的参考和媒介，通过机械装置与特征结构的相 互作用产生稳定吸附力。 图2 - 7 偏心扭摆式机器人图2 8 抓持式壁面攀爬机器人 上述各种壁面移动机构的主要性能定性评价见表2 1 。通过表2 1 我们可以 发现，足脚式在越障能力和壁面适应性有其他方式无法比拟的优势，出于开发能 1 2 西北工业大学硕七论文第二章吸附型肇面攀爬机器人机构设计 在壁面上全方位行走机构的考虑，我们将采用足脚式的移动结构方式。 表2 - l 各种擘面攀爬机器人移动机构性能比较 机械控制运动转向载重越障壁面壁面附 形式速度 实施实施平稳性性能自重比能力适应性加要求 车轮式 babbbccd 无 履带式 dcbbcbcc 无 框架式 bbbcaabb 无 足脚式c dd ba da a无 轨道式b a aa无 a dd有 无( 单索) 无( 单索) 钢索式aaaad有 a ( 双索)a ( 双素) 偏心式bacdcbbc无 抓持式 bddbadaa 有 注：a d ( 性能相对好性能相对差， 2 2 2 腿部机构的基本要求 足脚式壁面攀爬机器人的主要运动机构即腿部机构是机器人的一个重要的 组成部分，也是机器人机构设计的关键之一。根据课题的具体要求，我们设计的 壁面攀爬机器人腿部机构是模仿壁虎攀爬时腿部运动原理的同时又对其进行了 合理简化，建立了适用于在无较大壁障的斜面或立面上进行运动的机器人样机。 如图2 9 所示，壁虎爬行的整个运动系统可以抽象为一个多自由度运动机构， 图2 - 9 壁虎运动系统模型 其中包括四个胯部旋转运动副、四个肘部旋转运动副以及一个腰部旋转运动副， 共5 个自由度。 从运动学角度出发，该运动系统模型在步行过程中，有利于实现支撑的足端 1 3 西北工业大学硕+ 论文第二章吸附型壁面攀爬机器人机构设计 相对机器人主体走直线轨迹，从而不至于因机身重心上下波动而消耗不必要的能 量，同时有利于个支撑足驱动时的协调运动和机身姿态的控制。 从运动步态出发，一方面要求机器人的运动轨迹能形成直线运动，另一方面 要求能够转向。 机器人腿部机构的设计中，一般不能简单使用步行动物的腿机构。壁虎机器 人腿部机构分为开链机构和闭链机构两大类。开链机构的特点是工作空间大，结 构简单，但承载能力小。闭链机构一般刚性好，承载能力大，功耗小，但工作空 间有局限性。 从机构设计的要求看，腿部机构还不能过于复杂，杆件太多的腿部机构会存 在结构设计和传动的困难。综上所述，对壁虎机器人腿部机构的基本要求可以归 纳为： 1 实现运动的要求； 2 承载能力的要求； 3 结构实现和方便控制的要求。 2 2 3 腿的数量及其配置 现有的步行机器人( 包括跳跃机) 的足数分别为一足、二足、三足、四足、 六足、八足甚至更多。其中偶数足占绝大多数，因为就直线运动来说，偶数足能 产生有效的步态。足的数目多时适合于重载和满速运动，而二足或四足似乎更灵 活一些刚“”。 影响步行机器人足数选择的一些主要因素为： 1 、稳定性； 2 、节能性； 3 、冗余性( 当部分足受损时仍能行走) ； 4 、关节控制性能的要求； 5 、制造成本： 6 、重量； 7 、所需的传感器的复杂性； 在实际确定足的数目时会有所侧重，还要涉及实际的使用环境。 腿的配置指步行机器人的脚相对于机体的位置和方位的安排，这个问题对于 多于两个足时尤其重要。就二足步行机器人而言，腿的配置或者是一左一右，或 者是一前一后，后一种配置因容易引起腿间的干涉而实际上很少用到。 在假设腿配置为对称的前提下，四足或多于四足的配置可能有两种，一种是 正向对称分布( 图2 1 0 ) ，即腿的主平面与行走方向垂直；另一种为前后向对称 1 4 西北工业大学硕士论文第二章吸附型擘面攀爬机器人机构设计 分布( 图2 1 1 ) ，即腿平面和行走方向一致。 醪移 且凸压当 日昌且 2 2 4 机器人的硬件驱动方式 驱动机构通常包括驱动器、减速及传递机构。常用于机器人的驱动器有液压、 气压和电动驱动器m 。 用压缩空气驱动的机器人简称气动机器人。气压驱动器的优点是：成本低廉， 工作效率高，可靠性好，维修管理容易，无污染，不会失火，可在高温、粉尘等 恶劣环境中工作。缺点是：难于准确控制速度和位置，需依靠气缸端部的缓冲装 置及紧靠缸盖定位或者采用气动伺服驱动系统，方能达到高的位姿重复精度，出 力小，有噪声，易锈蚀等。一般用于控制要求不高、出力要求不大的轻负载机器 人或末端执行器。 1 5 西北工业大学硕士论文第二章吸附型壁面攀爬机器人机构设计 液压驱动器的优点是运动轨迹重复性高，具有很好的可靠性和稳定性，力矩 体积比值较高，刚度大，阻转能力强，驱动器机构简单且价格便宜。缺点是： 需液压动力源设备，内部漏油容易污染机器人及场地，油温影响驱动特性，液压 系统噪音大，管理、维修技术要求高，一次性投资较高等。目前液压执行机构主 要用于大型机器人的驱动。 电动驱动器即指电机，它的优点是：便于控制，能实现快速精确的位置和速 度控制，信号处理方便，配线容易，比较清洁。缺点是：力矩重量比值较低， 为得到低速大力矩，需使用减速器。一般用于小型普及型机器人。 还有一些特殊的驱动方式，如机械驱动；气囊驱动；记忆合金驱动器；压电 驱动器。表2 3 是各种驱动方式的性能比较。 表2 3 各种驱动机构的性能比较 类型气压驱动液压驱动电气驱动机械驱动 驱动力小一中中极大小一大小大 驱动力调整容易容易困难困难 驱动速度较快较慢快 慢 速度稳定性较差 良好 良好良好 响应性负载大时差较好好好 构造简单复杂复杂复杂 安装自由度很好大 由 小 维护简单 较简单 专门技术简单 过载保护容易较容易困难稍困难 控制距离中短短不限短 停电对策可 可 困难稍困难 信号转换容易稍困难很容易困难 环境要求适应性好不怕振动 要求高一般 价格便宜稍贵贵一般 防辱性很好良好特殊措施良好 温度影响小中大 小 湿度影响中小 大小 抗振性一般 一般 差一般 工作寿命长一般较短一般 2 3 壁面攀爬机器人吸附方式 1 6 西北工业大学硕七论文第二章吸附型肇面攀爬机器人机构设计 真空吸附壁面攀爬机器人分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，该类吸附方式 作为一种适用范围很广的壁面吸附方式。是通过在真空发生装置，使吸盘内产生 一定的负压，从而形成在内外气压差形成的吸附力作用下，机器人本体吸附在壁 面上。吸盘内的负压可以使用普通的真空泵直接抽气形成，也可以使用真空喷射 器，由喷射器经喷射嘴将压缩空气喷出，在其周围形成真空。真空吸附型壁面攀 爬机器人具有不受壁面材料限制的优点。但是当壁面有凹凸或者裂缝时，吸盘容 易漏气，因此产生的吸附力相对较小，承载能力降低。 以真空泵作为真空发生器的机器人可以实现小型、轻量化，无需附加供气装 置，但要求壁面有一定的润滑度；而采用喷射器作为真空发生器的机器人能效低、 噪音大而且需要附加供气装置，但是可以达到高真空度，对壁面的适应性强。 磁吸附壁面攀爬机器人利用磁体产生吸附力，使机器人吸附在壁面上。虽 然该类机器人只适用于导磁性壁面，一定程度上受到应用环境的限制，但结构 简单，能产生远大于真空产生的吸附力，不受壁面凹凸或裂缝的限制，不存在 真空吸附的漏气问题，因此导磁性强的壁面应优先选用该类机器人。磁吸附壁 面攀爬机器人又可以分为电磁体式和永磁体式，电磁体式壁面攀爬机器人维持 吸附力需要电力，但离合容易，磁力可变，控制比较方便。永磁体式壁面攀爬 机器人则不受断电的影响，不需要外部能量，使用中安全可靠，移动速度快， 但吸附力不足，不可调解，且离合困难。目前研究的磁吸附壁面攀爬机器人多 为永磁体式。 推力吸附型壁面攀爬机器人利用了空气推进的原理用机器人本体上的螺旋 桨产生壁面附着力，使机器人的推进螺旋桨轴线与壁面成4 5 。角，当螺旋桨旋 转时，产生的垂真于壁面的压力和沿壁面的推进力，使机器人可以在壁面上运 动。采用螺旋桨旋转所产生的推动力将机器人紧贴在幕墙表面上的思路新颖， 此方式可以适合任何介质的墙面，降低了机器人对作业表面属性的依赖程度。 推力吸附型壁面攀爬机器人的特点为：吸附力一般较小，对壁面适应性强，但 旋翼会产生反向扭矩，需平衡，而且由于振动、噪音大，技术的安全性及可靠 性仍有待提高 上述特点决定了该方式具有自身局限性，由于吸附力和驱动力均产自旋翼， 因此要增加吸附力、提高运动速度和机器人负载能力就必须增加旋翼电机功率， 这样振动噪音等的影响则更严重，因此推力吸附方式适于负载要求较小的轻便 型。表2 4 是各种吸附方式的性能比较。 1 7 西北工业大学硕士论文 第二章吸附犁壁面攀爬机器人机构设计 表2 4 各种吸附方式的性能比较 吸附方式优点缺点 机构简单、允许有一定程度的泄漏面积吸盘无冗余性，一旦断电本体将丧失吸 单吸盘 和壁面凹凸附能力 真空吸附 吸盘尺寸小，密封性好，断电时有一定壁面如有凹凸或裂缝，则将会有真空泄 多吸盘 的冗余度 漏 步行时磁体与壁面离合需很大的力，吸 永磁式 维持吸附力不需要电能，安全可靠 附表面必须为磁性材料 磁吸附 维持吸附力需要电能，电磁体本身重量 电磁式磁体与壁面离合容易，且吸附力可控制 大 无泄漏问题，对壁面形状适应性强，越控制复杂、噪声大、体积大、效率低、 推力吸附 障容易技术尚不成熟 2 4 壁面攀爬机器人总体设计 综合足式壁面攀爬机器人运动结构要求，从机构设计的角度考虑，腿部机构 不能过于复杂，如果腿部机构过多，则容易导致结构和驱动的实现发生困难，运 动误差及积累误差也大。而且，机构过于复杂，也增加控制的难度。从机器人承 重能力考虑，机器人的腿部机构必须具备一定的刚度和强度。 我们以最简单的机构来实现复杂任务为原则，所设计的壁面攀爬机器人( 图 2 一1 4 ) 的腿部机构采用平面四连杆机构进行运作，每套腿部机构配用一个驱动器， 既可以实现机器人在普通平面上实现运动，具备一定的承载能力，还能保证简单 稳定而又容易控制的四连杆闭链结构。同时，通过四个驱动器不同速度以及腰部 图2 1 4 机器人机构图 1 8 西北工业大学硕七论文第二章吸附型肇面攀爬机器人机构设计 铰接旋转副的合理配合，可以灵活实现机器人的原地转向和非原地转向。 本课题研究的机器人目标是适应于不同材料的壁面，具有转向功能，能够达 到全方位移动，要求有较高的控制性，机器人采用采用了一种力矩与重量比高的 舵机作为驱动源。因此易选用舵机驱动作为机器人的驱动方式。 对比以上各个吸附方式的特点，鉴于机器人作业表面的多样性，并且大部分 为非导磁性材料，考虑机器人系统的使用范围，选择真空吸附是一种比较合理、 可行的方式。由于机器人的移动机构选用足脚式，因此采用多吸盘机构比较合适。 由于机器人主要工作场所为平面，因此采用边缘平整的圆锥形吸盘。实现真 空吸附的关键不在于真空负压的产生，而主要在于负压得维持，因此吸盘必须具 备一定的密封功能。为了保证壁面攀爬机器人能够安全、平稳地进行作业，吸盘 又不能变形过大，以影响吸附。因此采用一种中间壁厚，外围壁薄的软吸盘是比 较合理的选择，这样既能确保吸盘不会因吸附力的过大而产生大变形，又能对壁 面有一定的自适应能力，具有良好的密封性能。 在机器人运动过程中，喷射器法不利于实现机器人的小型化和轻量化，所以 我们采用微型真空泵法。 2 5 本章小结 本章首先通过对壁面攀爬机器人运动机构模型尤其是腿部机构和驱动机构 的研究和分析，并结合课题需要，提出一种真空吸附式壁面攀爬机器人的设计方 案，该机器人采用足脚式移动机构，腿部结构采用闭链式平面四连杆机构，并用 舵机作为其驱动机构，实现在平面上的行走。 作为壁面攀爬机器人的重要部分，吸附机构关系到整个运动系统的平稳运 行，因此本章详细比较了各类不同的吸附机构的特点和优劣性，并结合实际吸附 和需要，提出一种由真空泵驱动的壁厚变化的软吸盘机构。 1 9 西北工业大学硕士论文 第三章基于s o l i d w o r k s 的三维建模技术 3 1 引言 第三章基于s o i id w o r k s 的三维建模技术 随着社会的发展和技术的进步，制造业信息化已成为全球制造业发展的大趋 势，信息技术的发展不仅打造了新兴的电子信息产品制造业，而且通过渗透和辐 射，已经使机械等传统制造业发生了深刻的变化。c a d c a m c a e 技术得到了广泛 的发展，从根本上改变了传统的设计、生产、组织模式，对推动现有企业的技术 改造、带动整个产业结构的变革、发展新兴技术、促进经济增长都具有十分重要 的意义。 s o l i d w o r k s 软件自1 9 9 5 年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新性极大 地提高了机械设计工程师的设计效率，在与同类软件的激烈竞争中已经确立了它 的市场地位。作为机械设计领域的主流设计软件，s 0 1 i d w o r k s 软件已经成为三维 机械设计软件的标准。本课题的机构建模工作是在s o l i d w o r k s2 0 0 6 软件平台上 进行开发的，因此有必要对此进行介绍。 3 2s o i d w o r k s 简介 三维c a d 软件目前其版本已经达到s 0 1 i d r k s2 0 0 7 。在功能上，整个 s o l i d w o r k s 系统主要分为计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助分子( c a e ) 、计算 机辅助制造( c a m ) 、产品数据管理( p d m ) 、产品交互动画( i p a ) 等部分。 1 计算机辅助设计( c a d ) 机械设计主要由三大模块构成，即零件设计模块、装配设计模块和工程图绘 制模块。 零件设计模块用于设计单个零件的三维模型。系统采用了特征造型技术和参 数化驱动技术。s o l i d w o r k s 首创的特征管理，能够将设计过程的每一步记录下来， 并形成特征管理树，显示在屏幕的左侧。设计师可以随时点取任意一个特征进行 修改，还可以随意调整特征树的顺序，以改变零件的形状。每个零件由拉伸、旋 转、扫描、倒角、抽壳等基本特征组合而成，直接体现了设计者的意图。任何一 个特征都是先绘制二维草图，然后执行实体特征造型命令而生成。通过改变尺寸 可以实时的改变三维实体的大小。由于s o l i d w o r k s 全面采用w i n d o w s 的技术，因 2 0 西北工业大学硕士论文第三章基于s o l i d w b r l ( s 的三维建模技术 此在零件设计时可以对零件特征进行“剪切、复制、粘贴”等操作。 装配设计模块用于设计含有多个零件的装配体，支持自底向上、自顶向下和 混合式的装配方式。在装配环境下组装零件就有如搭积木一样方便。 工程图绘制模块采用了三维一二维关联技术。用户选定已有的零件，通过视 图布局、调整尺寸位置、填写标题栏等就能完成零件工程图的绘制。 2 计算机辅助分析( c a e ) c o s m o s w o r k s 工程师设计分析工具为设计工程师在s 0 1 i d w o r k s 环境下，提供 比较完整的分析手段。 c o s m o s m o t i o n 用户界面是s 0 1 i d w o r k s 界面的无缝扩展，它使用s 0 1 i d w o r k s 数据存储库，不需要其数据的复制导出。通过c o s m o s m o t i o n 可以在s o l i d w o r k s 系统构建的原型机上查看其工作情况，从而检测设计结果。例如电机尺寸、连接 方式、压力过载、凸轮轮廓、齿轮传动率、运动零件干涉等设计中可能出现的问 题，进而修改设计，得到进一步优化了的结果。 3 计算机辅助制造( c a m ) c a 唧o r k s 实体数控加工使设计和加工完全在s 0 1 i d w o r k s 的环境中进行，设计 师可以直接从“知识库”中提取所需要的加工参数、工艺数据、刀具、轨迹等， 高效地完成高质量的零件加工任务，更及时地把产品投入市场。 4 产品数据管理( p 咖) s 眦r t e x p r e s s ( p 咖f o rs o l i d w o r k s ) 是专门为s 0 1 i d w o r k s 的用户提供的完全 集成的、使用方便的工程文档管理工具。s 帕r t e x p r e s s 同s m a r t t e 锄完全兼容， 因此企业很容易升档成为企业级的产品数据管理和企业协同工作解决方案。 s m a r t e x p r e s s 能实现如下功能：管理装配结构，管理零件、装配体和工程图， 查询功能，存储以前的设计结构、并行工程，提取和映射制造信息，方便地进行 生命周期管理。 5 产品交互动画( i p a ) 产品设计和工程项目的信息交换，传统的方式是静态的图纸或几何模型。产 品交互动画将s o l i d w o r k s 的三维设计实现动