爬壁机械人运动和粘附的研究课程毕业设计外文文献翻译@中英文翻译@外文翻译

外文资料翻译 翻译资料名称 (外文 ) A 翻译资料名称 (中文 ) 爬壁机器人运动和粘附的研究 院 （ 系）： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 潘晨 学 号： 04111237 指导教师： 陈敏华 完成日期： 爬壁机械人运动和粘附的研究 作者： 关键词： 机器人，爬壁，运动，粘附，工程应用 摘要 ： 爬壁机器人是机器人系统在 2D 或复杂的 3D 环境中移动，如墙壁，天花板，屋顶，几何结构以及适应 各种类型的环境。他们不仅将取代在危险环境中人工进行的危险任务，同时也提高运营效率，省去了昂贵的安装脚手架和人员成本。爬壁机器人在自我维持 他们的身体的同时，有不同的特点来适应 二维和三维表面类型，左右移动，并配有适当的工具和传感器来完成工作。因此，设计一个爬壁机器人最重要的标准是有适当的运动的设计和适应特定环境要求的粘附机理。在这篇文章中，将会介绍爬壁机器人的简要概述以及和具有综合运动和黏附的分析的适当的爬壁机械人的例子。同时，从适用范围进行考虑提出了爬壁机械人可运用 在从建造工业行业的清洁任务到 生物医学服务行业 。 1、 介绍 作为一种特殊的移动机器人，爬壁机器人是指能在二维或三维复杂环境中 移动的机器人系统 如墙壁，天花板，屋顶，几何结构以及适应各种类型的环境。爬壁机器人是一个非常 有吸引力的研究课题，由 于工作位置的困难环境不便于人们触及和工作的不安全隐患，大量的问题是人类操作员不能直接执行的。因此，爬壁机器人可以是一个很好的替代方案，可以提高经营效率，保护工作者的人身安全，并且在从以下危险任务中可以保障工作者的安全 ：高层建筑的清洗和检查工作， 核电厂储罐及 石化设备的诊断工作，船体的焊接和维修工作，等等。 相比其他的移动机器人，通过 轮子或者腿在地面上移动，爬壁机器人具有通过 维持身体从而抵抗重力而在 3D 环境中移动的独特的特点。由此，在设计爬壁机械人的过程中以下几个问题需要考虑。 、增加的自主性和有效载荷辅助设备的基础上保证在重量轻，其次是低能量 消费的要求。 、可以使得爬壁机器人在 各种不同的几何形状和材料的环境中移动的高流动性，如砖，玻璃，水泥，钢，等等。 、一个能适用于各种环境条件的爬行机构。 如此看来，机器人设计师不仅要考虑类似所有的移动机器人系统的动力机构，同时还要考虑附着力方面的问题，这是 在爬壁机器人设计过程中的的两个主要问题。在过去的 几十年来，大量的研究一直致力于攀登 机器人，并且各种类型的实验原型和产品 已经提出了。根据行走机构， 爬壁机器人可以分为六类：腿型，轮驱动式，履带式，转换类型，可运动类型，组合类型。另一方面，从 粘合 点来看，爬壁机器人可以分为 五类：吸入式，磁式，夹式， 导轨 式，和仿生型。此外，不同的粘附机构和行走机构可以组合成不同类型的爬壁机器人。 本文的结构组织如下：第 2节主要论述了 各种各样的爬壁机器人移动机构。第 3节 将爬壁机器人以粘附机制进行重新分类 机制。第 4节给出了一个完整的针对不同应用领域的爬壁机器人列表，应用范围从工业建设清洁任务到生物医学服务行业。最后，在第 5节结束概括论述。 2、 爬壁机器人的移动机构 足式移动机构 在二维或三维表面运动的许多不同种类的机械结构已经过去了 几十年。 采用腿足式的移动机构是一种实现运动具有代表性的方法。爬壁机器人使用的腿采用 从两个到八条腿都配备有运动 真空吸盘、抓爪、或磁性器件 在腿的底端。这些用于连接的设备保证了和表面稳定强力的粘附。由于他们通常有很多度的自由，所以他们可以在粗糙的表面和裂纹出运行，并具有良好的避障功能。然而，由于谐波步态的使用控制，他们需要复杂控制系统，并且由于不连续运动，因而有运动速度低的缺点 。 图 爬壁机器人的腿数量的增多，导致的 支撑 环境中的力更大，从而有效载荷得到增加并且安全性也得到提高。然而，在增加 腿的数目的同时也增加了控制系统的复杂性和机器人的重量和外形的大小。因此，爬壁机器人系统需要一个紧凑的尺寸和高能量的效率，因而 采用双足结构。 点、五链接、并在腿的两端有吸附机构（图 1）。它采用欠驱动结构 有助于减轻重量和节省空间的耦合， 在髋关节和踝关节允许三个电机的旋转驱动四个关节。因此，原型大小约 45 335g。 当需要增加安全性或更大的有效载荷能力时，将 采用四足爬壁机器人。图 2显示了四足爬壁机器人 是东京技术开发研究所为了外观检查的目的和高层建筑和桥梁维修的意义所开发的 。他们是由以下几个部分组成： 1）能够在表面上产生移动的驱动力的三维并联机构； 2）驱动 平行四边形机构调整关节的姿势的管道线； 3）在吸吮力不平坦的表面时可以调节多个吸盘的 阀。然 而，当轴沿垂直方向的推力为 1400N 时候，它有一个大小 500量 45 最大速度。 (a) (b) 有更大的尺寸和重量时，六或八条腿的攀登机器人已经发展到可以增加的其稳定性和有效载荷。 爬壁机器人，它有六个爬行动物类型的腿，每个腿有 3自由度，最初提出用于执行 检查、清洁、和船舶焊接任务。腿运动学是 。在腿的底端配有电磁抓取器用于固定 机器人在墙上的铁磁材料（图 3）。因此，重量也将 增加至 250公斤并且将为机器人带来高复杂度用于控制管理从处理器的主 在实际中实现 8自由度的控制。对于增加系统的稳定性和 有效载荷的增加以及增加系统的尺寸，复杂性，和重量之间要进行 取舍。 （ a） (b)电磁夹具 图 爬壁机器人焊接船体 式移动机构 轮驱动的爬壁机器人通过结合轮的平移、旋转和真空 表面附着的泵或磁铁从而爬上垂直的平面和天花板。因此，他们可以不断移动，随后，他们的速度可以提高的 相当大。通过用吸附力附着到表面上， 一些车轮驱动爬壁机器在基面和要行驶的表面之间存在着空气间隙。虽然这样的系统需要 在通常是一个粗糙的 金属表面或混凝土墙等的目标表面上移动，该吸附装置不能 完全坚持以高度的摩擦；因此，一种特别的在墙和机器人之间的密封是必不可少的。密封必须保证负的内部压力，并且应该保证 让机器人通过小的障碍。这样的机器人不能 处理大的障碍，其有效载荷能力小。 (a) (b) 图 和 的原型 和 2的目标是检查无孔的垂直墙壁， 如在地面以上的石油化工储罐。为了保证表面材料的独立系统的工作， 他们 使用的是两个驱动轮、吸盘、和真空发生器（图 4）。他们被设计可以完成在正常速度时可以通过小的障碍（约 1在一个较低的速度时可以通过更大的障碍。由于这样的 吸盘有不可避免的真空泄漏，将使用有非常高的空气流量和用大直径密封的 器的空气吸出器 。 的 直径为 30载 10重量 4 （ a）在垂直表面的机械人 （ b） 型 图 同时，一个多功能的轻量级机器人已经被 设计为一三轮同步驱动车（图 5）。它可以完成在船舶的船体中的移动从而完成如检查焊缝的任务。同步传动机构允许在没有任何转向变化的情况下而完成在任何方向上的运动。 和 2通过用吸附力粘附在表面上，用于 该机器人保持吸附在船体上的吸附力是十分必要的，该吸附力是由 三永久磁铁放置在其机器人的底部产生的 。利用多光束和一个具有适当的过滤器的相机的视觉系统用来检测槽是由 焊接而成的 。 图 窗户上的工作 69 对于一个使用两个独立驱动车轮和一个吸盘的爬壁机器人 用了基于真空的湿附着力系统（图 6）。由于具有连续改变其行驶速度的能力，该机器人可以用安装在它身体内部的清洁设备清除玻璃窗上所有的污垢。特别是它采用的密封和润滑类似于 液体表面上的粘附和滑动。 带式移动机构 履带式爬壁机器人与轮驱动 爬壁机器人在通过用旋转机构移动方面具有相似之处。 然而，使用链传动机械结构的爬壁机械人能够更好地避开障碍物和附着在行驶 表面。 . 图 7. I 的链轨道上安装有 52个吸杯，几乎可以实现连续运动（图 7）。真空吸盘由电磁阀控制从而可以提供使机器人保持在玻璃 表面的粘合力。机器人可以通过扭曲柔性链完成在一个有限的范围内转动并且可以攀爬一个小于 6障碍。最大速度为 10m/量和有效载荷分别为 22公斤和 25公斤。 小型爬壁机器人的尺寸为 96且命名为 用一个三角形形状的磁性毛毛虫在（图 8）。粘合力是由提供 固定在机器人的框架的毛毛虫磁铁中的一个组合的小磁铁。虽然它的两个三角形的轨道 只有两自由度运动， 以在任何倾斜的重力的铁磁表面进行巡航。 （ a） （ b）攀爬过程 图 地板到天花板的运动 最近，由德国公司 4开发的一个商业化的爬壁机器人 利用两 平面轨道移动机构和一系列的用于吸附到玻璃墙上的吸盘结构，如图 9所示。它可以清洁 玻璃表面和框架，并且保证不留水渍，同时已经可以完成 高达 4厘米厚度达二百四平方米 /小时的清洗速率帧 。 （ a） （ b）平面跟踪 图 于转化的运动 最简单的运动的方法是使用一个具有附件装置机构的转化结构。转化爬壁机器人的控制方式与流程操作并不 复杂，这是因为其简单的运动尽管是一些保持运动。当然这种爬壁机械人也有一些缺点，比如他们的尺寸过大， 在一个狭小的空间中很难进行很好的应用。 同时，运动也是不连续、并且运行的速度低。 天空清洁者 1、 2、和 3是转化攀登机 械人的代表。这些清洗玻璃墙的机器人 是通过气缸驱动他们进行转化的；他们通过真空夹持器 玻璃墙上的（图 10）。 特别是，天空清洁者 3是为上海科学 科技博物馆设计的 用于清洁玻璃表面的一个商业产品。它通过两个 交叉连接的 升或降低真空吸 盘并保持体缸 吸附在墙上。远程操作机器人完成清洗任务，这样的系统包括一个驻扎在地面的支持工具 和提供电力，空气，和清洁的 液体。 （ a）天空清洁者 1 （ b）天空清洁者 2 （ c）天空清洁者 3 （ d）天空清洁者 1、 2和 3的转换机构 图 、 2、 3以及转换机构 最近，爬壁机器人已被建议用于执行在船厂的 磨粒爆破作业。机器人采用用永磁体连接的双 滑动平台（图 11）。该系统是基于可相对移动的两个模块，并且能在任何的码头上移动喷砂的方向。它还可以在进行砂砾的 爆破任务时旋转以补偿船体的曲率并且避开障碍物 。 图 缆驱动的运动 移动机构的另一个方法是使用 电缆或绳索。配备 在建筑物或其他结构的屋顶的电缆系统可以保证在垂直方向和 水平方向上的运动，并且同时还能维持机器人本体的平衡。 缆索支撑攀爬机器人的设计和 实现是以清洗玻璃幕墙为目的。这种 机器人没有自己的驱动机制，但可以依靠在屋顶上的小车起重机 继续保持在 光滑的玻璃表面重力和升力，在吸附的表面采用的是 双真空吸盘（图 12）。例如像水平的障碍 窗框可以由四组可以交叉的光电检测 传感器完成清洗的。 图 事实上，在日本已经有很多商业爬壁机器人采用电缆驱动移动机构。图 13已经 显示了爬壁机器人用于 检