铁基罐体表面爬壁机器人的研制.doc

铁基罐体表面爬壁机器人的研制摘 要本文应用Solid works三维造型软件，实现了对铁基罐体表面爬行机器人机械结构设计。应用89S52单片机实现了其控制系统的设计，从而完成了铁基罐体表面爬行机器人系统。在该系统中，机器人控制主要有手持操作盒完成。在本系统中，用户可以输入机器人运行速度、运行距离等参数，控制机器人的运动并且可以通过LED数码管组成的屏幕观看机器人的运动状况。在论文中并对铁基罐体表面爬行机器人的表面适应能力、转向灵活性进行了分析。关键词：89S52；铁基罐体；机器人ABSTRACTThe robot was use Solid works three-dimensional model software, is it creep the mechanical structural design of the robot the body surface to iron base pot to realize. Use 89S52 one-chip computer realize design of control system their, finish iron base pot creep the robot system the body surface. In this system, the robot controls and holds and operates the box to finish mainly. Among system this, user can input robot operation speed, operate from, etc. the parameter, control sport of robot and can watch the sport state of the robot through LED number screen made up to in charge of. Is it creep surface adaptive capacity of robot, turn to iron base pot to flexibility analyses the body surface to combine among thesis.Key words: 89S52；Iron base pot; robot 目 录摘要-IABSTRACT-II1. 绪论-11.1机器人系统概论- -11.1.1 机器人发展状况-11.1.2 机器人的应用与发展趋势-21.2 课题任务-31.2.1 课题背景和研究意义-31.2.2 本论文的主要工作任务及目标-42. 总体结构-62.1 结构概述-62.2 结构组成-63. 机械结构设计-83.1 履带轮的设计-83.2 履带的设计-93.3 张紧机构的设计- -94.表面适应能力分析-124.1力学模型-124.2影响爬壁机器人壁面适应能力的因素-124.2.1履带与壁面的贴和系数-124.2.2载荷分散系数-134.3提高壁面爬行机器人壁面适应能力的措施-134.3.1适当加长履带和使用张紧轮-134.3.2采用后轮驱动的方式-144.3.3前面从动轮采用浮动支撑-154.3.4载荷分散机构-154.3.5平行四边形结构-165.转向灵活性分析-185.1爬壁机器人静力学分析-185.2爬壁机器人转弯运动分析-195.3爬壁机器人人转弯动力学分析-195.4爬壁机器人运动灵活性定义与分析-215.4.1转向灵活性的定义-215.4.2大半径转向灵活性的分析-216.控制系统设计-236.1爬壁机器人的工作环境-236.2单片机驱动部分-236.3显示部分-246.4传感器部分-267.结论- 29附件-30参考文献-35致谢-361 绪论1.1机器人系统概论1.1.1机器人发展状况机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，同时也加强了本国的经济的发展。在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本1998年安装台数的10%，销售额的36%）。当前机器人的现状主要有一下一个方面：（1） 机械结构 以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总数量的1/3。90年代初开发的适应与窄小空间、快节奏、360全工作范围的垂直关节型机器人大量应用于焊接和上、下料。 应3K和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。如焊接数10米长、十吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机构。 CAD、CAE等技术已普遍应用于设计、仿真和制造中。（2） 控制技术 大多采用32位CPU，控制轴数多大27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多功能体的协调控制。 采用基于PC的开放接口的控制系统已经成为一种潮流，其成本低，具有标准现场网络功能。（3） 驱动技术 80年代发展起来的AC伺服驱动已经成为主流驱动技术，用于工业机器人中。DD驱动技术则广泛的用于装配机器人中。 新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合得控制技术已经应用于工业机器人中；在远程控制中已采用分布式智能驱动新技术。（4）应用智能化的传感器装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留有多种传感器接口。（5）通用机器人编程语言在当前的机器人控制技术中，有多种操作系统应用于此，一些通用的编程语言也有了非常大的发展。（6）网络通讯方式当前有多种通讯方式，比如RS-232、RA-422、RS-485、CANBUS等通讯接口。（7）集成化与系统化当今机器人技术的一个特点是应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体（多智能体）。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化、的虚拟制造，为工业机器人的系统化发展推波助澜。1.1.2 机器人的应用与发展趋势国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。（7）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 1.2课题任务1.2.1课题背景和研究意义随着人类社会的不断进步和科学技术的日益发展, 人们对生活质量和工作环境的要求愈来愈高, 服务机器人应运而生。智能化的服务机器人可取代人在危险场合、恶劣环境的作业, 完成人难以进行的工作, 因而各国科学家对各种服务机器人技术的开发和应用越来越重视。可以预言, 它将成为未来机器人研究和发展的主流。在石油提炼工业中, 长期以来人们为提高油罐容积测量精度进行了不懈的努力。目前, 石油和其液态产品均采用光学参比法(GB/T 1323512- 91) 来检测油罐的容积, 该方法由人牵引测量仪器沿油罐外壁测量油罐外径, 进而推算油罐容积。在中国北方气候寒冷, 一些性能要求较高的石油产品, 储存时常需要在油罐外壁加保温层、在油罐底部加热, 这会使油罐产生一定的变形。油罐使用一段时间后, 必须对容积重新标定。这类外保温金属油罐只能通过检测油罐内壁求得容积。由于油罐内不允许设置供测量人员使用的走道, 因而至今还采用相当粗糙的方法测量油罐容积如图1.1所示。 图1.1 油罐容积标定示意图该方法由人用竹竿把测量标尺沿油罐内壁顶到相应的检测点，利用参比法测量仪(图中I) , 观察置于检测点标尺B 的刻度并作记录, 并沿油罐内壁内圈 每隔3m 选择一检测点。内圈 与内圈 相距1m 左右(可选择)。油罐的变形程度可通过记录的标尺B 刻度进行推算, 进而推知油罐的容积变化量。由于油罐高度h 通常在20米左右, 当检测点位置高度较高时, 测量标尺不易精确定位, 因而测量精度较难保证。目前已提出的几种测量方法均很难说完美。如何准确地定位标尺, 事关油罐测量的精度, 由于测量工作人员无法攀登至相应高度定位标尺, 油罐内壁又无相应的固定位置供标尺定位, 各种方法都不可避免地存在着较大的测量误差。如果能够借助携带检测标尺的爬壁机器人, 使其按检测油罐容积需求的运动轨迹移动,并在相应的检测点 停顿, 以便检测人员作相应的测量, 必将大大提高测量精度, 减少由于标尺定位不准所带来的巨大经济损失。为此本设计就是在这样的背景下所做的。基于铁基罐体表面的爬行机器人不仅能够用于油罐容积测量，而且可以广泛应用于危险、恶劣环境下的其他大型金属物体的表面防腐、喷涂、探伤等工作，有着非常重要的社会意义和经济意义。1.2.2本论文完成的主要工作本论文的主要工作有如下几项：1. 铁基罐体表面爬行机器人的总体机构设计，该部分主要包括：履带轮的设计、履带的设计、张紧机构设计；2. 铁基罐体表面爬行机器人的转向灵活性分析；3. 铁基罐体表面爬行机器人的壁面适应能力分析；4. 铁基罐体表面爬行机器人的控制系统设计，该部分主要包括：直流减速电机的运行控制、铁基罐体表面爬行机器人的转向控制； 2总体结构2.1结构概述机器人要在壁面上自由移动，必须具备吸附功能和移动功能。吸附方式有真空泵式、喷射器式、电磁铁式和永磁体式等几种，移动方式又有轮式、足式和履带式多种。针对油罐壁面为钢板（厚度512mm），表面有油膜等污物，存在高低不平的搭接焊接台阶，需要全方位灵活移动等环境和要求，选择了永磁体吸附、履带式移动的方案。它的吸附安全性好，无需外部供能，即使在控制器出现故障时也不会脱离壁面而坠落。这种具有相当多数量小型永磁吸盘的履带结构，着壁面积大，吸附力也大，对壁面的凹凸不平、弯曲及台阶等均有较强的自适应能力。在本课题中，考虑到经济成本和现场应用能力，采用电缆供电和RS-485总线方式进行信号传输。本课题中，该铁基罐体表面爬行机器人有电缆供电，采用24V直流电源供电。控制方式有两种方式可共选择：一种采用手持操作盒式方式，直接对其控制；第二种是采用计算机控制，由计算机发出指令控制铁基罐体表面爬行机器人运动。2.2结构组成铁基罐体表面爬行机器人的总体结构框图如图2.1所示：图2.1铁基罐体表面爬行机器人总体结构框图铁基罐体表面爬行机器人的结构见图如图2.2所示：图2.2 铁基罐体表面爬行机器人结构铁基罐体表面爬行机器人的吸附机构是履带，履带是有链条改装而成，两条链条组成一条履带，将具有强吸附能力的磁铁固定于链条组成的履带上，靠磁铁的吸附能力附着在金属罐体表面。同时，具有履带张紧机构，能使履带非常好的附着在金属罐体表面。铁基罐体表面爬行机器人的底盘与两侧履带之间通过铰接连接，以使铁基罐体表面爬行机器人能够适应罐体表面的凸起等障碍。3.机械机构设计3.1履带轮的设计基于金属表面的铁基罐体爬壁机器人，履带轮采用链轮组成，其结构形式如图3.1所示，采用双链轮结构，两个链轮为一组，共四组，组成爬壁机器的驱动轮和从动轮。图3.1 履带轮的样式由于链传动是属于有中间挠性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，练传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；又因为链条不需要像带那样张得很紧，所以作用与轴上的径向压力较小；在同样使用条件下，链传动结构较为紧凑。同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作。与齿轮传动向比，链传动的制造与安装精度要求较低，成本低廉；在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便的多。链传动的主要缺点是：在两根平行轴间只能用于同向回转的传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜在载荷变化很大和急速反向的传动中应用。链传动主要在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。例如：在摩托车上应用了链传动，结构上大为简化，而且使用方便可靠。链传动还可用于低速重型及极为恶劣的工作条件下，例如掘土机的运行机构，虽受到土块、泥浆及瞬时过载等影响，但仍能很好的工作。基于以上原因，链传动可以非常好的应用于爬壁机器人中，它完全满足爬壁机器人的工作环境，以及传动控制的要求。3.2履带的设计在铁基罐体表面爬行机器人中，履带的设计是非常重要的一个环节，其样式如图3.2所示。图3.2 铁基罐体爬壁机器人一节履带样式在铁基罐体爬壁机器人中，履带是由链条改造而来，按用途同,链条可以分为：传动链、输送链和起重链。输送链和起重链主要用在运输和起重机械中，而在一般机械传动中，常用的是传动链。传动链传递的功率一般在100kW一下，链速一般不超过15m/s，推荐使用的最大传动比。传动链有短节距精密滚子链（简称滚子链）、齿形链等类型。其中滚子链使用最广，齿形链使用较少。基于滚子链的一些优点及其标准化的特点，在爬壁机器人中采用滚子链。并对其进行适当的改造。由于本机器人采用双链轮组成驱动轮和从动轮，因此一条履带需要两条链条组成，将原有链条的销轴加长到两个链轮之间的距离，然后在连个链条之间加工一个能够将磁铁放置于其上的硬铝中，利用销轴将其固定。这样就组成了一节链条，利用其上的强磁铁吸附于金属表面，放置磁铁的硬铝即将磁铁固定于其中，又将磁路隔断，有利于强磁铁的磁力的集中，保证铁基罐体表面爬行机器人稳定的附着在其表面。3.3履带张紧机构的设计链传动张紧的目的，主要是为了避免在链条的垂度过大时产生啮合不良和链条的振动现象；同时也为了增加链条与链轮的啮合包角。而在爬壁机器人中张紧是为了使机器人能够很好的附着在罐体表面，增加其稳定性。由于爬壁机器人靠磁铁对铁罐吸引力附着在罐体表面，一些大的金属罐体长期置放于恶劣的环境中，表面有很多油污等污物，再加上罐体一般是有金属焊接而成，因此表面不一定很光滑，会有一些焊缝等凸起。因此如果链条过紧，链条将失去其能够曲折的柔性，在一些凸起的地方无法很好的附着在罐体表面，同时如果不加张紧装置随着链条的老化，链条将松动，不利于机器人运行的稳定。张紧机构有图3.3所示的机构组成，其整体结构如图3.4所示。张紧机构有4个图3.3所示的机构相互对称组成，上边两个之间与下边两个张紧轮之间通过弹簧连接，依靠弹簧的弹力分别对履带内表面的上下表面产生压力，依此使履带能够很好的附着在金属罐体表面，使机器人能稳定的在罐体表面爬行。图3.3 张紧机构的一部分图3.4 张紧机构 4表面适应能力分析4.1力学模型如图4.1 所示，机器人在匀速爬壁行驶过程中首先要克服爬行装置中的内部阻力才能为克服外阻力提供推进力(可传递的牵引力)。图4.1 履带式爬壁机器人行驶中的受力分析主动轮上的牵引力：41式中包括行走装置中的内摩擦，以及机器人自身重力因素的影响.。则行走装置的推进力，进而可以定义推进力的最大值为履带式磁吸附爬壁机器人的壁面附着力，即42式中：为名义吸附力，为履带吸附面上永磁体的数目， 为每一块永磁体对壁面的吸引力，为履带对壁面的附着系数 和 一经选定, 就为定值。 由两个因素决定: 一是壁面的情况; 二是机器人的履带行走装置对壁面的适应程度. 引进壁面系数 和适应程度系数 来表示这两个因素对的影响, 即43式中与壁面的粗糙度、壁面氧化层厚度以及壁面材料性质等壁面特性有关。而机器人的履带行走装置对 却是由机器人本身的设计决定的. 合理的设计能够得到较大的值, 从而增大，使爬壁机器人获得较大的，大大提高爬壁机器人壁面行驶的安全性. 这是爬壁机器人设计中追求的重要目标之一.4.2影响爬壁机器人壁面适应能力因素4.2.1履带与壁面的贴合系数爬壁机器人在壁面行驶过程中, 履带与壁面贴合得越好, 就意味着有更多的永磁体与壁面相接触或相接近, 使得履带与壁面之间的实际磁性吸引力就越大. 可以用履带实际接触壁面部分的面积 与履带总面积 的比值来表征贴合系数, 即444.2.2载荷分散系数由于履带是用铰链联接的, 不能将垂直于履带方向的载荷分布到各个永磁体上, 也就是说履带在垂直于拉力方向上没有刚性, 这对于爬壁机器人工作的安全性极其有害. 如图2 所示, 当机器人在天棚上爬行时, 载荷将集中在两端的永磁体上, 易使其从天棚上剥落下来. 若采用特殊的履带导向机构, 使得载荷均匀分布在所有吸附的永磁体上, 就会大大减轻两端永磁体承受的载荷, 有效降低机器人剥落的可能性. 载荷分布的均匀程度可以用吸附面上各永磁体所承受载荷的最大差值与总载荷 的比值描述. 于是定义爬壁机器人载荷分散系数为45当载荷均匀分布时, = 1; 当载荷集中在两端时, = 0. 5.图4.2 机器人爬天棚时的载荷受力情况综合以上履带式磁吸附爬壁机器人壁面适应能力的两个影响因素, 机器人的履带行走装置对壁面的适应程度系数 可以表示为46由上式可以看出, 在履带式磁吸附爬壁机器人设计中, 应从提高 和 两方面采取措施, 增大其 ,以增加它的壁面附着力。4.3提高爬壁机器人壁面适应能力措施4.3.1适当加长履带和使用张紧装置当机器人经过障碍物时, 若履带紧紧地绕在链轮上(见图4.3 (a) ) , 即长度, 此时履带大部分剥离了壁面, 履带与壁面吸附和接近的面积减小, 使得履带的 很小, 影响履带与壁面的吸附力. 适当加大履带长度, 使, 这样履带可以贴近壁面, 使更多的永磁体吸附在壁面上. 如图4.3(b) 所示, 假设障碍物高度为, 前轮至障碍物的距离为, 则应加长的履带为47当时48于是机器人在越过高度为 的障碍时, 履带应至少加长 , 才能保证履带与壁面很好地贴合. 但是履带的长度不能过长, 履带过长会导致链轮与履带销轴啮合过程中发生跳齿现象, 严重的还会导致履带脱落. 张紧装置使加长的履带始终保持张紧, 保证履带销轴与链轮正常啮合. 采用适当长度履带并在松边增加张紧装置, 是提高爬壁机器人壁面适应能力的必要措施. （a）未加长履带 （b）加长履带图4.3 机器人履带长度的选择比较4.3.2采用后轮驱动的方式履带行走装置由于驱动位置的不同, 履带内张力的分布也不同. 前驱动和后驱动方式的爬壁机器人履带内张力分布如图4.4 (a) 和(b) 所示. 图中 为履带中的初始张力， 为主动轮上的牵引力. 由图4.4 (a) 中可看出, 驱动装置前置时, 大部分履带在行驶时承受大牵引力, 这一方面影响了履带的寿命, 另一方面使履带剧烈地伸长, 导致在行驶时前下部履带处形成所谓的“履带腹部”, 使机器人在转向行驶时履带有脱落的危险. 而采用后驱动形式(见图4.4(b) ) , 由于履带内拉应力高区段短, 上述问题不会出现。（a）前驱动（b）后驱动图4.4 机器人采用不同驱动方式时的履带内张力采用后驱动形式更为重要的优点在于其提高了爬壁机器人的壁面适应性. 当履带经过障碍时, 前面的从动轮会多转过角, 使履带的加长部分通过从动轮移至与壁面接触段, 如图4.5示. 这样机器人与壁面贴合的磁性履带加长, 增加了其贴合系数, 使得履带能够更好地适应壁面的波动。图4.5 前面从动轮的运动特性4.3.3前面从动轮采用浮动支撑前面从动轮的支承形式对于提高履带式爬壁机器人的壁面适应性有重要意义。仅靠有张紧装置的加长履带来适应壁面上尺寸较大的障碍是不够的。前面从动轮轴承导槽与机架采用有弹性的支撑方式，遇到较大障碍时，轮因履带牵引而引起的退让使两轮中心距减小，带相应地加长。长部分通过前面从动轮与壁面贴合，为机器人提供更大的附着力。4.3.4载荷分散机构在履带式爬壁机器人的设计中，把载荷分散到整个与壁面接触的永磁体上，可以减小履带的剥离力，保证机器人能在壁面安全吸附。载荷分散机构有两种。一种是在履带上加一刚性导杆，使履带在吸附部分由铰链联接变成刚性联接，从而使载荷均匀分布到各个永磁体上。它适用于壁面是光滑平面的情况，还有一种适用于一般形状壁面的载荷分散机构，如图4.6它是由多级分段刚性导杆组成，可以很好地适应壁面的高低变化。 分段刚性导杆的长度越大，履带与壁面接触部分的刚性也就越好，但同时使得履带对不平壁面的贴合程度减小。分段刚性导杆数目的选择由壁面的不平程度决定。壁面相对平滑则分段刚性导杆的数目可以减少，每段长度可以加大；反之壁面情况复杂时则应增加刚性导杆的数目,减小每段长度。另外，导杆与机架也应采用弹性联接，使刚性导杆机构压紧履带，有利于发挥其分散载荷的功能。图4.6 载荷分散机构4.3.5平行四边行结构当履带式爬壁机器人两履带在不同高度的壁面行驶时(见图4.7) 若两履带间的联接为刚性的，则会使两履带与壁面成角，两者都不能牢固地吸附在壁面上。角的大小与两履带间的距离 、台阶的高度 以及机器人在台阶上的位置有关，它严重影响了履带对壁面的附着力，台阶越高影响越严重，甚至会使其从壁面掉下来。解决的方案是两履带的机架与中间机架采用销轴联接，如图4.9 这样，两履带的机架和中间的两机架形成一个平行四边形机构，使两履带能随两边壁面的高低自动调整适应。履带式磁吸附爬壁机器人本体设计中采用平行四边形机架结构，从整体上提高了爬壁机器人的壁面适应性能。图4.7 非平行四边形机架结构爬壁机器人设计图4.8 平行四边形机架结构爬壁机器人设计5转向灵活性分析5.1爬壁机器人静力学分析假设爬壁机器人附着在罐体表面，则机器人所受静力如图5.1所示。图5.1 爬壁机器人静力学分析爬壁机器人的履带由许多永磁吸盘连接而成，可将其视为柔性体，机器人的整个载荷只集中于前后轮和载荷分散机构处。由于弹簧的变形量在机器人运动过程中保持不变，因此可认为由载荷分散机构产生的拉力始终为，为保证爬壁机器人不会从壁面掉下，作用在其上的外力应满足以下静力学平衡方程组：515253式中：、 分别为作用于前后轮的支承力； 为由于履带吸盘的吸力而与壁面产生的摩擦力； 为爬壁机器人包括电缆及机载设备所受的重力， ；、 分别为拉力、支承力、和摩擦力对机器人重心 的力臂。由式(1) 可得：根据爬壁机器人结构特点，在前后轮与壁面接触处认为只有1 个履带吸盘吸附于壁面，而根据载荷分散机构的结构参数可知，在载荷分散机构与壁面接触处有3 个履带吸盘与壁面接触。因此，为保证爬壁机器人在倾斜壁面的静态平衡所需的单个履带吸盘最小吸力为： 54由机器人所受重力及其结构参数，并比较（4）有：其中，为安全系数。5.2爬壁机器人转弯运动分析由于爬壁机器人履带吸盘的吸力一般都比较大，故可以忽略机器人在爬行过程中的滑移和侧滑，即爬壁机器人运动速度只与外内侧驱动轮上的转动速度有关。图5.2 为机器人转向运动各参数相互关系示意图：图5.2 爬壁机器人转向运动示意图图5.2 中为两外内侧轮之间的中心距； 为机器人纵向长度；为机器人转向运动的转向中心。设机器人以的行驶速度沿半径为 的曲线运动, 根据相似三角形关系, 可得机器人在大半径转向过程中, 外内侧履带主动轮上出现的圆周速度为5.3爬壁机器人转弯动力学分析在机器人转向运动的过程中，运动阻力主要包括分别作用于外内侧轮上直线运动摩擦力和、为克服履带吸盘与壁面之间吸附力的剥离力和以及转向运动摩擦力。其中 和 是由主动轮提供的爬壁机器人向前运动的牵引力。在以下的分析中，将忽略其他行驶阻力以及机器人内部各传动系统之间的内部阻力。图5.3 为机器人在倾斜壁面上转向运动的受力分析。图中为固定于倾斜壁面的坐标系。为固结于机器人重心处的坐标系。图5.3 爬壁机器人爬行于倾斜金属表面：图5.3 机器人爬行于倾斜表面受力分析根据前面静力学分析，在保证机器人不从壁面翻落下来的前提下，机器人始终爬行于该倾斜壁面，由图5.3 可得机器人转向运动于倾角为的金属壁面的3 自由度动力学方程为：555657式中：为以机器人重心为中心的转动惯量；为机器人质量；， ，分别为机器在x，y方向上的线速度、转向角速度及其各自加速度；为第k 个履带吸盘在金属壁面上产生的摩擦力； 为作用力中心与机器人转动中心M 之间的距离；n 为机器人转动中心位置(其计算方法将在后面说明)； l 为机器人重心与转向中心M 之间在x方向的距离； 和 分别为重力在x、y 方向上的分量。 585.4爬壁机器人运动灵活性定义与分析5.4.1转向灵活性的定义根据爬壁机器人爬行的特点可知，爬行的稳定性与灵活性是一对矛盾，为增强爬行的稳定性需要增大履带吸盘的吸附力，而为增强爬行的灵活性就要减小履带吸盘的吸附力。因此，在选取决定履带吸盘吸附力等力时就应考虑两者之间的相互影响关系, 合理地选取安全系数，在地面履带车辆转向灵活性中是根据履带车不打滑的要求来定义的，而在爬壁机器人转向运动过程中，由于履带吸盘的吸附力大, 在运动过程中不会出现打滑现象，故不能采用地面履带车辆的分析方法来分析爬壁机器人转向运动的灵活性。在机器人动力学分析中可知，机器人转向运动过程中要克服比较大的转向阻力， 在相同运动速度下，转向运动所需功率比直线运动所需功率大。因此采用下式来定义机器人运动灵活性：其中： 为机器人转向运动灵活系数； 为在给定线速度和转向半径下的转向运动主动轮驱动总功率； 为在相同运动线速度下直线运动主动轮驱动总功率。5.4.2大半径转向灵活性分析由爬壁机器人转向运动的运动学和动力学分析可知，机器人在大半径转向运动中 外内侧驱动轮上的功率分别为：59 510因此，转向运动总功率：以相同的线速度直线运动的总功率为：其中，为直线运动下的驱动力，因此，有爬壁机器人大半径转向运动的灵活系数：511图5.3（a）给出机器人大半径转向运动的灵活系数 与转角H的关系，由图可见， 随H的增大而增大。图5.3 (b) 给出 与R 之间的变化关系(其中H= 45)， 由图可见， 随R 增大而增大。 图5 (c) 给出与 之间的变化关系。根据图中的曲线可以认为，既保证机器人爬行的安全性，又要兼顾机器人转向运动的灵活性，安全系数 取3 4 比较合适。足够大的电动机功率才能保证机器人爬行的灵活性，而电动机功率过大，也会导致资源的浪费和机器人质量的增加。因此可以由式(9)、(10) 选择合适的电动机额定功率：图5.3 爬行机器人的转向灵活系数的仿真结果6控制系统设计6.1爬壁机器人的工作环境罐体长期放置，四季变更会造成油罐壁面不同程度的变形，除机械机构设计中增加履带柔性功能以适应壁面变形外，控制系统设计尚需考虑以下情况，以保证爬壁机器人以垂直线行走，偏斜度和定位精度在自移动法规定的要求之内。钢板叠焊：油罐是由钢板叠焊而成，一般下部直径大，上部直径随着钢板叠接而减小，钢板厚度在5 12mm 之间，显然,机器人爬行轨迹大于罐体垂直高度。钢板凹凸不平：爬壁机器人在爬行时,左右履带轨迹与期望轨迹不同，造成定位不准。最为严重情况是左履带爬行在凹面，而右履带爬行在凸面, 如左、右履带轨迹长度不等，则垂直度显然不能保证。对于凹凸的壁面情况，机械设计中设计了相应的机构使机器人能自适应壁面的不规则变化，使履带顺应壁面的凹凸；同时， 在控制系统中，引入修正环节纠正壁面的不规则凹凸所造成的机器人爬行轨迹与期望轨迹的差异。6.2单片机驱动部分控制系统采用单片机控制减速电机的方式来实现，采用达林顿管TIP127作为功率放大元件原理图如图6.1所示：图6.1 减速电机控制原理图图6.1是控制减速电机的示意图，在此只是画出了一路输出的情况，有图可知：减速电机由三级管TIP127驱动。该控制系统有三个功能端组成：功能控制端（PWM输入）反转控制端（低电平有效）正转控制端组成（高电平有效）。当正转控制端为高电平，功能控制端有PWM信号输入时，减速电机就会在单片机的控制下正转，爬壁机器人向上爬行。反之爬壁机器人就向后爬行。这样我们通过单片机的控制就实现了爬升的动作。图6.1中的光隔TLP521实现控制和电压隔离作用，既能使单片机输出的低电压信号控制较高电压信号，又防止对减速电机提供能量的电压反馈到单片机管脚中，防止对单片机造成损害。TIP127的内部原理结构如图6.2所示。图6.2 TIP127内部结构TIP127是有两个三极管级连而成，使得TLP127的功率大大的增加，以此可以满足对减速电机的驱动。驱动电机采用微型直流减速电机，直流减速电机具有体积小、重量清、扭矩大、价格便宜、驱动方便等优点。在该系统中采用微型直流减速电机完全能够完成铁基罐体表面爬行机器人的各个技术要求。6.3显示部分本系统的显示部分全部由数码管实现，显示的内容包括：机器人爬升高度实时显示机器人爬升速率实时显示遥控器设定显示八段LED显示器由8个发光二极管组成。基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为011