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dq022
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【DQ022】基于PLC的机器人本体设计,dq022,基于,plc,机器人,本体,设计
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工业控制计算机2004年17卷第1期 9 多传感器空瓶检测机器人的控制系统设计 刘焕军 王耀南 段峰湖南大学电气与信息工程学院(410082) of a sy n C is in of LC is in of he of C S485 SS n of LC in r。要 本文根据多传感器检测机器人的要求，提出了一种由工控机进行上层监控和通讯， 中介绍了系统的基本结构，阐述了工控机按照后论述了使用 关键词：空瓶检测机，频器，自动控制 在现代化生产线上的多传感器空瓶检测机器人，负责对进 行灌装前的空瓶质量进行检测。由于是在线检测，对检测速度有 很高的要求，需要控制多个不同的传感器，所以对控制系统性能 提出了很高的要求。根据以上分析，本文提出了一种由工控机进 行上层监控和通讯，器检测机器人的控制任务。 1 控制系统的基本结构 系统的基本结构如图1。 图1控制系统的基本结构 检测机器人的运行状态分为调试状态和正常工作状态。检 测机器人处于正常工作状态时，控制系统的工作流程为光电传感器和编码器获取检测对象的精确位置，当检测对象 到达检测位时，通知图像采集系统启动摄。将拍摄的图像数据传输给专门的信息处理系统去处理。得 出空瓶质量是否合格的结果后通知合格产品到达击出位置时将其击出。在调试运行状态时，系统 能在主控计算机的监督下，按要求分别对各个光电传感器，图像 采集子系统，击出器等进行静态的调试，以使各个设备能处于系 统需要的正常状态。至于检测机器人的传送系统则由变频器控 制，具体启动，停止等控制以及速度的设定由工控机管理。 2传动系统的控制 多传感器检测机器人的传动系统由交流电机驱动，使用变 频器来控制。由于在一般情况下检测机器人的传动系统是以恒 定速度运行，而且因为使用了光电传感器和编码器来检测对象 位置，与传动系统的运行速度无关，所以无需复杂的控制策略， 主要是由工控机按要求启动和停止变频器，并相应调整变频器 频率，从而控制传动系统运行速度即可。 变频器可以选用西门子20，该系列变 频器运行可靠、功能完善，易于安装和调试，既可适用于简单的 电动机控制也可用于更高级的电动机控制系统。而且该系列变 频器具有串行接口，可以通过485总线与因为工控机上的串行接口是232模式的，所以工控机为了 和变频器通讯，需要使用一个232转485的转接器。在通讯时， 两者间采用的是半双工模式。 20变频器的通讯协议是 议中的报文结构如下： 其中内容为02表一条信息的开始；个字节，内容表示信息的长度；示变频器 的地址；用异或方式，长度为一个字节。 报文中的数据区分为两个部分，即数识别值区)和程数据区)。理，本文没有涉及到这方面的操作，所以不再详细讨论。下面 主要介绍为主站到变频器和变频器应答 主站两种。其中主站到变频器的任务报文第一个字是变频器控 制字二个字是主设定值中字各位的含 义如表1所示。 表1 普资讯 ，用来设定变频器主频率。根据参 数以采用两种不同的方式。当时， 数值用16进制方式发送，并规格化为实 际输出频率=(6384。而当1时数值是以绝对十进制数的形式发送。 从变频器到主站的应答报文也是两个字，分别为变频器的 状态字变频器接收到主站 的任务报文后，会将变频器的状态经由应答报文告知主站。 在实际进行通讯前，需要先设定好变频器的几个参数。设定 参数或3，以便访问第二级或第三级参数；设定参数 变频器的波特率与主机波特率相同；设定参数 定变频器的通讯地址；设定参数 主站能够通过在工控机上可以使用写串口通讯程序。使用起来确并 不复杂。中比较 常用的有如下几个：置并返回通信端口号； Se字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、 数据位、停止位；置并返回通信端 可以打开和关闭端回并删除接收缓冲区的数据 流；传输缓冲区写一个数据串；：用于反映通讯中出现的事件或错误的类型。同时件还有一个事件通讯中出现事件或错误时会触 发该事件。利用以上的属性和事件，可以很方便地编写出根据 而控制变频器运行的程序来。 3 系统中通过l器，编码器，击出器，图像采集子系统等相连，通过图像采集子 系统控制 时收工控机传来的控制信 息和系统参数等。 在检测机器人运行过程中，系统启动拍处于拍摄位置的空瓶。为了达到 这一目的，需要使用光电传感器来检测空瓶的位置。在系统中使 用了反射式光电传感器，这种光电传感器在没有接收到从反光 板反射回来的光束时，就会输出触发信号。将光电传感器安装到 装高度为瓶颈高度，把输出接到 输人没有空瓶经过时，光电传感器可以接 收到反射光束，没有输出信号，而当有空瓶经过时，瓶颈挡住了 光束，光电传感器无法接收到返回的光束，于是输出触发信号。 可判定空瓶已到达拍摄位 置，从l像机及时进 行拍摄，获取被检空瓶的图像。 在专门的信息处理模块对获取的图像信息进行分析处理后， 得出空瓶质量是否合格的结论。如果不合格，主控的工控机就会 通过485总线发出控制命令，要求要标定不合格空瓶，并追踪其位置， 当不合格空瓶到达击出器所在位置时控制击器动作，击出空瓶。 在空瓶检测机器人中使用一个编码器与驱动传送带的电机 相连，当电机转动时，编码器相应发出脉冲。计算脉冲的数目，即 可知道传送带运动的距离。这样一来，如果能测出不合格空瓶要 运动多长距离才到达击出位置就能准确击出空瓶。可以在事先 把编码器的脉冲输出与输入后在传送带 上放一空瓶，让其依次经过检测位置和击出位置，器记下此过程中脉冲的数目，这一数值击出位置之间的距离。 中使用多个计数器 是考虑到：在不合格空瓶从检测位置移动到击出位置这段时间 中，有可能又检测出其他不合格空瓶。计数器的数量应为从检测 位置到击出位置间最多可能存在的空瓶数。其中距离计数器的计 数值数d。而窗口计数器的计数值K则为移动整个瓶身时编码器 输出的脉冲数。这样做是因为空瓶在传送带运动过程中，可能在 传送带上发生一些相对位移，导致实际移动的距离和传送带移动 的距离并不相同。当在窗口计数器计数过程中，有空瓶经过击出 器旁的光电传感器，光电传感器发出触发信号时，不合格空瓶已达到击出位置，发出击出器动作命令。 圈2 结束语 实践证明，多传感器空瓶检测机器人采用文中所述的分级 控制的方法进行控制，满足检测机器人对控制系统的要求，而且 有系统结构较为简单，易于管理，运行可靠的等优点。 参考文献 1 12ovw范逸之京：中国青年出 版社2001 3 r 420使用大全，ad收稿日期：219 泓格北京技术服务中心迁址 I1 拓展，泓格科技北京技术服务中心于2003年12月18 北京市海淀区上地六街编：100084 电话：010普资讯 1994 1994 1994 1994 第 36 卷 第 10 期2002 年 10 月上 海 交 通 大 学 学 报 F J V V o l. 36 N o. 10O 2002收稿日期 : 2001212227基金项目 : 上海市科学发展基金资助项目 (941111035)作者简介 : 徐泽亮 (19742) , 男 , 四川宜宾人 , 博士生 , 主要从事机器人方面的研究 100622467 (2002) 1021488204爬壁机器人履带吸盘的多体渐变磁化系统设计徐泽亮 , 马培荪 , 高雪官(上海交通大学 机械与动力工程学院 , 上海 200030)摘要 : 介绍了基于多体渐变磁化系统理论研究设计的有别于传统普通吸盘结构的爬壁机器人履带吸盘结构 . 根据稀土永磁履带吸盘结构和性能特点 , 建立了履带吸盘的简化模型和吸盘与金属壁面间隙工作空间的镜像模型 . 基于以上模型和稀土永磁体内部磁化强度均匀分布的特征 , 推导出间隙工作空间在 y 方向的磁场强度的多次谐波方程表达式 , 证明该结构的吸盘比传统普通吸盘有更良好的磁场性能 . 通过对比实验验证 , 该履带吸盘的吸力比普通吸盘大很多 , 完全能满足爬壁机器人爬行性能的要求 爬壁机器人 ; 多体渐变磁化系统 ; 镜像模型中图分类号 : 144 文献标识码 : AD e s of a b ts d S rB a se d a ra l A ys Z M A P X l ow , n , 00030, Ch bs c t: A re of w b ts w as on m u on of s re m m a m r m w as ob t w o rk w su on of m of m m m u on ic fo rm u la of in y w as w h re a no rm al It is p fo of is m of no rm al it fu en w b t m on w su y w o w b t; m u m m r m 机器人已经大量应用于社会生产的各个行业 . 爬壁机器人作为高空作业的一种自动装置 , 在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等行业都有着广阔的应用前景 1 3 . 例如对油罐的定期安全检查 , 需要清空罐内的油品 , 清理和通风凉干罐体 , 再由人携带检测仪器对罐体进行检查 . 这种方法具有很大的危险性 , 而且将花费很多时间 , 造成很大的资源浪费 . 因此研究能适应油罐金属壁面的爬壁机器人 , 使其能携带仪器在罐壁沿着规定路径爬行 , 并借助其携带的相应检测设备对油罐进行安全检查有着极其重要的工程应用背景和非常广泛的应用前景 爬行机构一般采用履带式结构 , 其特点是爬行速度快 , 控制方便 ;吸附方式采用永磁吸附 , 永磁吸附具有吸引力大 , 结构简单 , 无需外部供电的特点 . 因此爬壁机器人永磁吸盘的设计是保证爬壁机器人爬行的安全性、稳定性、提高爬壁机器人对凹凸不平壁面的适应性的关键 其结构完全有别与传统吸盘结构 , 在该吸盘与金属壁面的工作间隙空间中形成一多次谐波磁场 , 其产生的吸附力远大于传统结构的吸盘产生的吸附力 带吸盘结构的理论分析1. 1爬壁机器人履带吸盘结构本文提出的基于多体渐变磁化系统的履带吸盘结构如图 1 所示 . 其中永磁材料设计采用高性能的稀土永磁材料 (N 牌号 N T S 210). 该稀土永磁材料的各向异性场很强 , 内禀矫顽力极大 , 一旦被磁化 , 其磁场强度将保持不变的特点 4, 5 . 衔铁材料选用纯铁或 Q 235 钢 爬壁机器人履带吸盘结构及其简易磁路F 1 of 2履带吸盘结构的简化模型在以上吸盘结构中 , 稀土永磁体将对软磁体产生强烈的磁化作用 , 其静态磁路分析如图 1 所示 . 磁力线由稀土永磁体 N 极发出 , 经相邻的两块软磁体 , 回到永磁体的 S 极 . 从整体磁化效果看 , 即在磁场强度为 M 1 的稀土永磁体的磁化下 , 导磁铁片被磁化磁场强度为 M 2 的磁体的磁化方向如图 1 所示 . 稀土永磁体的磁化强度 M 1 和纯铁导磁铁片的饱和磁化强度 M 2 有如下关系 : M 1 - M 2 M 120% 5 . 因此在只作定性分析的基础上 , 为简化以后的理论推导 , 本文在此假设 M 2 均匀分布 , 且不受其内磁场强度 H 的变化的影响 , 稀土永磁体的磁化强度 M 1 的数值和软磁体磁化强度 M 2 的数值为平均磁化强度 M 3履带吸盘工作空间磁场镜像模型爬壁机器人爬行于金属油罐壁面 , 与金属壁面形成的工作磁场 , 相当于吸盘吸附于无限大金属平面形成的磁场 . 根据镜像法的基本理论 6, 7 , 可以建立基于镜像法的吸盘与金属平面工作间隙空间磁场镜像模型 , 即用与吸盘相似的模拟吸盘结构代替在实际金属平面上的感应磁场 , 以便计算吸盘与金属平面在其间隙空间内共同产生的合成磁场 . 其原理如图 2 所示 , 即用图 2 (b) 中镜像模拟吸盘与实际的履带吸盘之间的工作空间磁场代替图 2 (a) 中履带吸盘与实际金属平面间隙的工作空间的磁场 . 图 2(b) 中所示的履带吸盘工作间隙空间镜像模型 , 磁体在上下方向的磁化方向是经过一块横向方向磁化的磁块过渡 , 即是一种简易多体渐变磁化系统 履带吸盘的镜像模型F 2 T he m r of 4建立吸盘工作空间磁场方程一个均匀磁化的方块磁体 , 如图 3 所示 方块永磁体F 3 T he m 根据泊松方程和格林 (定理 , 并令原点的磁标量 0, 0, 0) = 0, 这并不失普遍性 , 可得出场点 P 0 (x 0, y 0, z 0)点的标量磁位差F (x 0, y 0, z 0) = x 0, y 0, z 0) - 0, 0, 0) =14x , y , z )R 1)式中 : 磁标量势 ; 自由空间导磁率 , 4P 10- 7 (H m ) ; W b m 3) ;R = (x 0 - x ) i + (y 0 - y ) j + (z 0 - z ) (x , y , z )至场点 P 0 (x 0, y 0, z 0)的距离矢量 ,其幅值R = (x 0 - x ) 2 + (y 0 - y ) 2 + (z 0 - z ) 2 1 29841第 10 期 徐泽亮 , 等 : 爬壁机器人履带吸盘的多体渐变磁化系统设计为源点 P 至场点 P 0 的距离 ; V 为整个源区体积 ; dx dy 即 M = 0, 于是 , 磁体内的体磁荷密度 0, 则式 (1)可推导为F = 142)该积分遍及封闭的磁体表面 S. 由式 (2) 可得如图 3所示的空间任意场点 P 0 (x 0, y 0, z 0)上的磁标量势 :x 0, y 0, z 0) =- 14x , y , z )R 14 (x , y , z )R 3)式中 , # 为源区 V 的界面 , 在笛卡儿坐标中可将式(3)写成 :x 0, y 0, z 0) = 14x 55x 1R +M y 55y 1R + M z 55z 1R dx dy 4)如图 3 所示的方块磁体内部磁化强度处处相等 , 其方向均沿 y 轴 (均匀磁化 ) , 即其他分量为M z = M x = 0及 M y = M = M = 常数 . 式 (4) 便可表示为x 0, y 0, z 0) = b- ba- adx dy b- ba- aB 5)B = 1(x 0 - x ) 2 + (y 0 - y ) 2 + (z 0 - z ) 2图 4 所示为简易多体渐变磁化系统的工作间隙空间的磁场分布 简易多体渐变磁化系统F 4 T he le m m 在做进一步理论推导时 , 将不考虑 z 方向和 x 方向的“末端效应” , 即认为该系统在 z 方向充分延伸 , 在 x 方向认为是一无限阵列 , 则履带吸盘简化模型可按无限阵列的二维磁场计算 . 根据以上假设 , 可得间隙空间任一点 (x 0, y 0)的标量磁势为x , y ) = 14Pl= - K 2+ 2- 4+ 4- K 4+ K 4- dx 6)式中 :f 1 =- 55y1(x 0 - x ) 2 + (y 0 - y ) 2 + z 2 -1(x 0 - x ) 2 + (y + y 0) 2 + z 2 =- 55x1(x 0 - x ) 2 + (y 0 - y ) 2 + z 2 -1(x 0 - x ) 2 + (y 0 + y ) 2 + z 2 取值范围为 - 的整数 , 其表示以 y 轴为基准的第 l 块磁块 ; 块磁体的长度 ; f 1 和 f 2 分别为上半部分与下半部分阵列系统沿 y 方向或 z 向积分的贡献 . 又因 z 方向为无限长 , 磁位分布将不随 z 而改变 , 所以可以取z 0= 对履带吸盘产生吸力影响最大的主要磁场的 y 方向分布 , 由于篇幅所限 , 省略详细推导 , 因此以下只直接给出 y 方向的磁场强度 H y 的表达式 :H y (x 0, y 0) = 8j = 01m e- m 1 - em v (- m ) co s (m ) (7)式中 : M 为磁体的平均磁化强度 ; m = 8j + 1; v =2P K. 式 (7)表明了 H y 沿 x、 y 方向成典型的各次谐波振荡分布 , 谐波振幅随谐波阶数的增高而减小 . 这种具有简易渐变结构的履带吸盘的在 y 方向的磁场强度比普通结构的履带吸盘提高很多 , 且漏磁场可显著减少 5 . 其场形如图 5 所示 , 粗线箭头表示磁体的均匀磁化方向 , 细线箭头为磁感应线 履带吸盘镜像模型间隙空间场形图F 5 T he m in of m of 上海交通大学学报 第 36 卷1. 5对比实验本文采用简易多体渐变磁化系统的吸盘与具有相同结构尺寸的传统普通吸盘图 6 (a) 进行对比实验 (相同的稀土永磁用量 , 相同的接触面积 ). 实验结果如图 6 (b) 所示 . 由图可以看出 , 本文讨论的履带吸盘比普通吸盘在同样间隙 L 的情况下 , 其产生的图 6履带吸盘对比实验F 6 T he 要大得多 . 该爬壁机器人履带吸盘具有体积小、吸力大、稳定性好的特点 , 能保证爬壁机器人安全稳定地在钢壁面爬行 , 达到满意的效果 论(1) 本文根据履带吸盘的工作磁路 , 提出了履带吸盘和金属油罐壁面的简化镜像模型 , 并建立了基于简易多体渐变磁化系统的履带吸盘与壁面间隙空间 y 方向磁场强度 H y 的各次谐波方程 .(2) 比较试验证明 , 本文设计提出的履带吸盘比普通吸盘产生的吸力大得多 , 该吸盘实际应用于笔者研制的爬壁机器人 , 完全满足爬壁机器人爬行时对吸附可靠性的要求 1 马培荪 , 陈佳品 , 俞翔 . 油罐容积检测用爬壁机器人的研制 J . 上海交通大学学报 , 1996, 30 (11): N J W t fo r m o il s vo eJ . i J n 1996, 30 (11): 159- 164. 2 . N ep t A . n C . 1994. 2014- 2022.3 沛霖 , 韩秀琴 , 赵言正 , 等 . 日本磁吸附爬壁机器人的研究现状 J . 机器人 , 1994, 16 (6): 379- L et he of m w t J . 1994, 16 (6): 379- 382.4 牧野升 日 . 磁钢设计及应用 M . 宋辉译 . 北京 : 机械工业出版社 , 1982. 5 易敬曾 . 磁场计算与磁路设计 M . 成都 : 成都电子科技大学出版社 , 1987. 6 王以真 . 实用磁路设计 M . 天津 : 天津科学技术出版社 , 1992.7 孙雨施 , 王素菊 , 曲民兴 , 等 . 直流磁系统的计算与分析M . 北京 : 国防工业出版社 , 金咸定 , 汪庠宝(上海交通大学 船舶与海洋工程学院 , 上海 200030)摘要 : 在利用 M A 卫星结构进行有限元计算时 , 必须对蜂窝夹层板进行预先的等效处理 , 等效处理的合理与否将直接影响到计算结果的可信度 . 为此 , 研究了 3 种不同的等效方法 , 即三明治夹心板理论、蜂窝板理论以及等效板理论 , 其中三明治夹心板理论方法只对蜂窝夹芯进行等效 , 而蜂窝板理论和等效板理论方法则是对整个蜂窝夹层板进行等效 . 分别采用这 3 种等效方法 , 对某铝蜂窝夹层板的 2 种工况进行了模态分析 , 并将计算结果进行了比较 . 结果表明 , 运用等效方法的计算结果非常接近于解析解 , 证实了等效处理方法的合理性和正确性 10 期 徐泽亮 , 等 : 爬壁机器人履带吸盘的多体渐变磁化系统设计1引言 控制系统是清洗爬壁机器人的核心部分，主要有 、 大部分，主要任务是通过成爬壁机器人在壁面上的吸附使其不能发生滑落或倾覆、移动和清洗作业控制，机器人的爬行状态可以在上位机显示器上实时显示，并通过上位机操作控制。其总体结构如图 控制系统要求： 1） 控制系统结构小型、轻量化 2） 移动功能 由方向键配合加、减速键控制机器人的全方位移动 3） 作业功能 由功能按键分别对风机、刷子、喷嘴动装置，实现机器人在壁面上的相应作业 4） 显示功能 操作的功能 /状态可由上位机实时显示 5） 遥控功能 1、 抗干扰能力强，可靠性高 专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。在 设计和制造过程中，采取了多层次抗干扰以及精选元件等措施，使 平均无故障时间在 2 万小时以上。而本机器人是为基本放置户外的壁面清洗爬行而设计的，环境较差，因此需要抗干扰能力强，可靠性高，所以 2、 易于操作和维护 控制程序可通过其专用的编程器输入到 拥护程序存储器中。编程器不仅能对工作进行监控，使 操作以及维护都很方便。此外， 具有很强大的自我诊断能力，能随时检查自 身的故障，并显示给操作远，使得能够迅速检查、判断故障原因，这些特点使机器人对检修作业非常有利。即便除了问题，也能快速找到原因，尽快恢复正常工作。 3、 以在现场的输入信号作用下，按照预先输入的程序，控制现场的执行机构按照一定的规律进行操作，它有多种功能如：逻辑运算、定时器功能、移位、加减运算、条件判别、分支、跳转、暂存、译码、编码、 4、 根据 I/出点数表明 际上也就是 输入、输出端子数。一般来说，点数多的 I/65点以下的称为小型机，一般只有逻辑运算、定时、计数、位移等功能，适用于开关量的控制，可用它实现条件控制、定时 /计数控制、顺序控制等。 I/O 点数在 265 点至 1024 点的称为中型机，它除了具备逻辑运算功能，还增加了模拟量处理、算术运算、数据传送、数据通讯等功能，可以完成既有开关量、又有模拟量的复杂控制。 I/O 点数在 1024 点以上的称为中型机，其功能更为完善，具有数据处理、模拟量调节、联网通讯、监视、记录、打印等功能，可以进行中 断控制、智能控制、远程控制等，可用于大规模的过程控制，构成分布式系统控制或整个工厂的集散系统。 根据结构、形状分类 从结构和形状上看， 分为整体式模块式两种。一般的小型机多为整体结构。这种结构的 电源、 I/的甚至都装在一块印刷电路板上，结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，比较适合生产设备的单机控制，整体式 缺点是主机的 I/O 点数固定，使用不够灵活，维修也不方便。 模块式结构的 电源模块、 入模块、输出模块、以及其他模块等。这种 常由机架底伴联结各模块，底板上有若干插座，使用时，各种模块直接插如机架底板即可。这种 置灵活、装配方便、易于扩展、可根据控制要求灵活配置各种模块、构成功能不同的各种控制系统，一般大型机 采用这种结构。模块式 种插件比较多，价格也比较高。 根据生产厂家分类 生产厂家很多，每家厂家的 点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，指令以及外设上都兼容，因此在选择 若选择同一系列的产品，则可以使系统构成 容易、使用方便。比较有代表性的 本立石（ 司的 菱（ 司的 芝（ 司的 列、富士（ 司的 国哥德（ 司的 列、美国通用电气（ 司的 列、德国西门子（ 司的 通讯： 引言 息交换的方式为字符串方式运用 易配置一个与计算机进行通信的系统。将所有软元件的数据和状态由可编程控制器送 入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测。用计算机改变可编程控制器设备的初始值和设定值，从而实现计算机对可编程控制器的直接控制，一旦确定了可编程控制器的控制指令格式，就能方便地与具有 文中所研究的移动机器人是通过采用一台个人 以充分利用 应性好、接口功能强、体积小以及组态灵活等优点。 l 移动机器人控制功能要求 控制系统总体框图如图 1所示，其结构采用了上下两级计算机系统完成对机器人的控制。机器人控制器采用了模块化的体系结构。整个硬件系统以工业 过 位 用主从应答方式。图 1 控制系统总体框图 上位 示被控对象各部分的工作状态，通过 A 据需要向 命令，读数据时上位机通过通信口向 命令， 位机再次读通信 I： 1即可读到所需数据。写数据时，上位机通过通信 I： 1向 机通过向 以灵活地对其位或字软设备以及特殊功能模块的缓冲区进行读写。 1 2 的上位机链接通信的命令，通过执行读写命令， 辟数据缓冲区，实时存储被控对象运行状态，供上位机查询。 2 议 85端口与个人计算机进行上位机链接通信。上位机链接通信是通过在上位机和 一次交换中传输的命令或应答数据称之为一帧，一个帧最多可包含 131个数据字符。 上位机程序流程框图如图 2所示。 2 1 上位机发送命令格式 号置于每个命令的开头，节点号设置在 别码和正文取决于传输的上位机链接命令。识别码设置 2字符的命令代码，正文设置命令参数，终止符设置“ ”和回车(13)两字符。表示命令结束。命令帧 可以有最多 个等于或大于 132字符的命令必须分成若干帧。 为了保证通信的安全性，必须对传送的数据进行校验，采取的主要措施是：增加一个结构检查序列 (符。 个 位数据，这 8位数据为从帧开始到帧正文结束 (即 所有数据执行“异或”操作的结果。每次接收到一帧，计算 帧中所包含的 而检查帧中间的数据错误。如果两者不相等，则认为传输数据出错。将检验到的出错数据放弃，并立即给上位机发送反馈信号要求重新发送数据。 2 2 来自 答格式 号必须置于每个应答帧的开头，节点号设置在 别码返回 2字符的命令代码，结束码表示命令完成的状态，即是否有错误发生，正文返回命令结果， 字符帧检查顺序码，终止符设置“ ”和回车 (13)两字符，表示应答结束。 3 移动机器人运动控制的实现 移动机器人运动系统由运动电机（前进，后退）、方向电机（左转，右转）、清洗控制电机（刷毛向上，刷毛向下）组成，采用位控模块 过位控模块的参数设置，可设定电机的运行方向、速度、运动距离以及起停 加速度。机器人的电机动作命令字存储在 的格式如图 3所示。 =1 8)分别对应上述 8个电机的运行标志位，通过 位机连续两次给 000， 0001，使对应的 动对应的电机。要停止电机的运动，只需再给相应电机 外，增加设 置 要求几个电机联动。 3 1 用 0编程实现 上位 0编程。在标准串口通信方面， 0提供了具有强大功 能的通信控件 控件屏蔽了通信过程中的底层操作，程序员只需设置和监视 可以轻而易举地实现串行异步通讯。该控件可设置串行通信的数据发送和接收，对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置。表 1列出 第一章 主要是概况 发展情况 第二章 机器人本体设计（机器人都有什么） 机器人控制系统 用什么控制 大概说明 第三章 机器人 吸附性的分析 清洗机构介绍 完成工作 动作 第四章 双闭环直流调速系统控制 仿真分析 第五章 绍 讯 控制 编程 第六章 机器人 仿真运行 I.知您 , 您的在 仁荷 大学研究生院入 入学 的 申请 被批准了从我们的毕业生办公室。 学国际事务办公室将发布您一份正式证明为入场迟早。 期望的未来日程表关于您的入场是如下。 请给对在下面划线的项目的特别留意。 (1) 国际事务办公室将发布您入场正式证明 (?( 6月 ) (2) 您应该得到韩国签证 (6 月或上旬 7月 ) (3) 您应该给通知 , 您是肯定的上我们的研究生院。 您应该证实您的入口对我们的研究生院由送它到毕业生办公室 (4) 您应该移居外国对韩国至少一个星期在学期开始之前。 参见下学期 的附加的学术日历。 (5) 您应该接受考试为韩国语言能力测试。 根据结果 , 您应该上两三门韩国语言课在您的研究期间。 测试将被给在学期的第一星期。 如果您的韩国语言技能比极小值是较少 , 您 t 必须采取检查和直接地需要基本的路线。 参见附加的文件对于更多信息。 (6) 一个申请人从中国 , 谁不被介入在韩国领事当局的签证发行的范围将得到一份证明为签证发行的认识在申请签证之前。 如此您能申请一个签证以原始的入场和证明为签证发行的认识 如果您有任何问题 , 请不要犹豫与毕业生办公室联系。 此致敬意 , 学术日历 1. 起始日期为学期和类 : 8月。 第 28, 2006 年 2. 注册在 内是随时变化 ) 各名学生应该填好类登记表和递交给毕业生办公室。 : 从 8月 对 8月 将移居外国对韩国的学生也许登记类在类变动的以下期间。 3. 期间为更改您的课程表 各名学生应该递交选定的形式为更改现有的日程表。 : 从 9月 9月 . 注册 各名学生将接受票据从毕业生办公室。 它将包括注册费并且医疗保险费 , 并且学生会适当。 : 从 对 . 外国人 身份证卡片的问题 各名学生应该参观移民局和亲自申请身份证卡片。 :直到 9月。 29 5. s 身份证卡片的问题 各名学生应该申请 s 身份证卡片在毕业生办公室。 :直到 9月。 29 6. 宿舍应用 : 从 6月 1 日对 始的外国学生应该申请宿舍通过您的部门官员 , 因为他她不是一名普通学生在他的之前她的注册对研究生院。 因为房间的数 量是有限的 , 您 且考虑到可能的拒绝。 7. 期间为进入宿舍 : 从 8月。 24 到 8月。 25. 记得 , 您能送进宿舍只在这个期间。 因而 , 如果您有有您的移民的任何问题 , 并且不能进入宿舍在那个期间 , 您应该与您监督的教授谈论。 然后 , 教授应该与宿舍办公室联系。 与您的顾问教授或部门官员协商关于一切上述。 双闭环直流调速系统的 介绍 直流调速系统是由转速的给定、检测、反馈，平波电抗器，可控整流器，放大器，直流电动机等环节组成。这些环节都是根据用户要求首先被选择而确定下来，从而构成了系统的固有部分。一般来说，仅有这些固有部分所组成的系统是很难满足机械的全面要求的，特别是对系统动态性能的要求，有时甚至是不稳定的。为了设计建立一个静态、动态都是适用的调速系统，尤其是达到动态性能的要求，还必须对系统进行校正，也就是在上述固有部分所组成的调速系统中另外加入一个校正环节，使系统的动态性能也能达到指标要求。确定系统校正环节的 过程就是系统的动态设计。校正环节又称为调节器，系统的动态设计就是调节器设计。作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾，简化问题的基本思路是：把调节器的设计过程分为两步：第一步，先选择调节器的结构， 确保系统稳定，同时满足所需的静态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。在选择调节嚣结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到。具体选择参数时，只须按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了，这样使设计方法规范化，大大减少了设计的工作量。在工程设计中，通常将二阶系 统与三阶系统作为动态校正的预期系统，分别称它们为典系统与典系统。作为典 开环传递函数为： / ( 1 ) S T=+ 它的闭环结构图与它的开环对数频率特性如图 1所示。选择它作为典型系统不仅因为其结构筒单，而且对数幅额特性的中频带以一 20要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的余量。作为典系统，其开环传递函数为： ( 1 ) / ( 1 ) S + + 它的闭环结构图与它的开环对数额率特性如图 2所示。其中频段也是 越零分贝线，保证系统的稳定， t 比 稳定裕量越大。 双闭环直流调速系统的工程设计与典型系统 多闭环控制已是现代电力控制系统结构的普遍形式，以转速，电流双闭环结构应用最为广泛。对于双闭环调速系统，先以电流环开始，首先确定电流调节器的类型及参数，然后将校正后的电流环当作速度环内的一个等效环节，与其它环节一起作为速度环的被控对象再来确定速度调 节嚣的类型及参数。电流环的一项重要作用就是保持电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加给定电压时不希望有超调，或者超调越小越好。从这个观点出发，把电流环校正成典 载扰动是转速环的主要扰动。由于要求转速对负载扰动无静差，在速度调节器中必合有积分环节，一般为 此转速环按典系统设计。设计举饲：由晶闸管变流嚣供电的双闭环调速系统原理框图如图 3所示，动态结构图如图 4所示。 移动系统的控制结构 为了使系统具有较宽的调速范围和良好的快速性也抗扰性，同时能够较灵活地保证两轮按照移动规划所要求的转速、转 向进行工作，该机器人的行走控制系统采用模拟电流环、速度环的混合控制系统，从而避免了全数字式伺服控制系统由于软件延时与反馈信号采样延时等因素影响系统快速性，同时还可以较灵活的对双轮进行协调控制 。 机器人的行走系统由两套服系统独立驱动，通过两轮间速度的配合，以实现机器人在壁面上自由行走，并可以实时调节机器人行走的速度和运动方向，简单、灵活、可靠。模拟电流环、速度环、数字位置环的混合式控制系统框图 如图 所示。 要求速度环具有足够高的增益和通频带。因此，合理地设计速度控制系统是保证控制系统精确的重要工作。电流是内 环，电流反馈信号取自电枢回路的取样电阻，转速环是外环，是决定直流电机调速系统组要性质的基本控制环，由测速机的反馈信号构成速度闭环。 控制系统结构图 直流 服系统的驱动控制 针对本系统驱动电机功率较小、调节范围较宽的特点，我们选用快速性 好、附加功率小、伺服精确较高的直流 服驱动系统。 率越高，特性越好，同时电枢电流连续性越好，但是受功率管开关损耗和开关时间的限制，还受工作周期内最大负载以及换向延时的限制 ，开关频率不能过高，选择标准是保证最小负载电流状态下，电枢电流连续即可，同时防止系统固有振荡。经计算选择 1020系统的性能和各项电气指标都能满足要求。 双闭环调速系统的工程设计与分析 在模拟电路的转速、电流双闭环调速系统设计中电动机、 置可以按照负载的工业要求来选择和设计，转速和电流反馈系数可以通过稳态精度的前提下，按照动态校正的方法确定。为了获得较好的静、动态性能，速度调节器采用 节，电流调节器采用 节，并且输出都带限幅。 三洋 机性能参数表 额定功率 110W 反电势常数 kr/m 额定转矩 电枢电阻 额定电压 75V 电枢电感 I 额定电流 2A 机电时间常数 N 额定转速 3000 r/m 1T 电磁时间常数 T 堵转转矩 4.3 速度电压反馈系数 7 V/kr/m 堵转电流 测速机电电枢阻抗 26 W 最大转速 5000r/m 测速机电枢电感 4.1 流电机的参数 见表 ， 1） 过载倍数为 :2 2） 统放大数为 15 3） 滞后时间常数为 ） 电流反馈系数 = 5） 速度反馈系数 =r 6） 电流滤 波 时间常数 根据工程设计方法 ：s o T + T = 0 ni 2 T + T = 0 . 6 4 m 电流调节器采用常规按典 流调节器为比例积分调节器传递函数 ， 其传递函数为： 1 1 1( ) ( 1 ) /A C K s 式中 1 1 0 T m = ，11 / 2 0 . 6 3 5 . 1 / 2 1 5 1 . 2 5 0 . 1 7 0 . 5 R K = 创创 ? 电流环作为转速调节系统中的一个内环，把速度环的给定与反馈滤波环节移到环内，其等效闭环传递函数 近似为一阶惯性环节后得到： ( ) / ( 1 ) T 并联校正参数的精确计算很复杂，经过工程上的近似处理后，可按典型型系统校正，根据工程设计方法设计常规的 度调节器（中频宽度 h=5），其传递函 数为： ( ) ( 1 ) /A S R n n K s 式中： 5 0 . 6 4 3 . 2nn h T m = = ? ，( 1 ) / 2 ( 5 1 ) 1 . 2 5 2 1 . 8 4 . 5 / ( 0 . 1 6 7 5 . 1 0 . 6 4 ) 1 3 . 5nn e mK h C T h R = + = + 创创 ? 微分反馈时间常数： 2 / ( 1 ) 2 3 . 2 / ( 5 1 ) 1 . 1on h m + = ? = 所以调速系统的开环传递函数为： 2 )( ) ( 1 ) / ( 1nn n K s T = + + 其中 转速系统的 增益22 5 2( 1 ) / 2 3 1 0h h T =+ 淮 双闭环直流调速系统的动态结构图 大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 1 第一章 绪论 言 随着现代科学技术的飞速发展，机器人已越来越多地进入我们的生活领域，以机器人代替人类从事各种单调、重复、繁重、危险以及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。现代机器人一般分为两大类：一类是工业机器人，主要指装配、搬运、焊接、喷漆等机器人。另一类是极限工作机器人，主要指在人难以到达的恶劣环境下代替人工作业的机器人。如：海底资源的勘测开发、空间人造卫星的收发、战场上的侦察和排险、核放射场所的维护、高层建筑的壁面清洗、灭火救助等。作为极限作业机器人重要开发项目之一的壁面爬行机器人近些年来得 到了蓬勃的发展，受到了人们越来越多的重视，目前，国内外已经有了相当数量的爬壁机器人投入现场作业。主要应用如下： (1)核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等； (2)石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐； (3)建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等； (4)消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作； (5)造船业：用于喷涂船体的内外壁等。 动机器人的研究发展概况 从移动方式上看 ,移动机器人可分为轮式、履带式、腿式 (单腿式、双腿式和多腿式 )和水下推进式。本文重点放在轮式、履带式机器人 ,对水下机器人和两足人形机器人不做详细讨论。 外几种典型应用移动机器人 大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 2 1998年，美国卡耐基梅陇大学的 1。 美国国家科学委员会曾预言 :“ 20 世纪的核心武器是坦克 ,21 世纪的核心武器是无人作战系统 ,其中 2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续装 备部队 ,并走向战场”。为此 ,从 80 年代开始 ,美国国防高级研究计划局 (专门立项 ,制定了地面天人作战平台的战略计划。从此 ,在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕 ,如 “战略计算机”计划中的自主地面车辆 (计划 (1983 1990) ,能源部制订的为期 10 年的机器人和智能系统计划 (1986 1995) ,以及后来的空间机器人计划 ;日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划 ;进入 90 年代 ,随着技术的进步 ,移动机器人开始 在更现实的基础上 ,开拓各个应用领域 ,向实用化进军。由美国 助研制的“丹蒂 足行走机器人 ,是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。它与其他机器人 ,如不同之处是它于 1994 年在斯珀火山的火山口中进行了成功的演示 ,虽然在返回时 ,在一陡峭的、泥泞的路上 ,失去了稳定性 ,倒向了一边 ,但作为指定的探险任务早己完成。它机器人在整个运动过程中 ,都需要人参与或支持。丹蒂计划的主要目标是为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方案。美国 制的火星探测机器人索杰那于 1997年登上火星 ,这一事件向全世界进行了报道。为了在火星上进行长距离探险 ,又开始了新一代样机的研制 ,命名为 并在 的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。 法国，欧洲的重要工业化国家，其机器人工业近几年发展很快，加上原有工业基础较好，机器人的制造以及机器人在汽车工业中的应用都出现了根本性的进步在个别项目上，甚至超过了日本，例如在汽车装配中，法国人已完成了用机器人装配主表盘和前后玻璃等较难动作，但是从机器人工业的整体看，较日本还相差甚远，还有很长的 路要走：法国在机器人研究中有一套较具规模的研究系统，主要是由政府研究机构和高校组成，企业 (特别是大企业 )投入较少。法国人的研究侧重于基础理论的研究，并取得了一定成绩，例如法国自主开发的机器人编辑语言 被推广到英、德等国。但是研究工作存在着与实际脱节的问题，类似于美国大学中的研究法国近几年研究水平的提高，很大程度上受益于法国国家发展机器人及自动化的 是这一大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 3 计划对推动机器人工业的作用并不大。法国机器人保有量 接机器人和搬运机器人最多，塑料铸模清机器人列第三， 机械加工机器人和装配机器人列第四和第五位。 里卡计划中公共安全用高级机器人计划 (在法国机器人工业的发展过程中，除了法国国家发展机器人及自动化的划； (1983 1987 年 )之外，还有另一个计划对法国机器人工业的发展产生了重要影响这就是尤里卡计划中公共安全用高级机器人计划（ 大利和西班牙的合作开发计划，希望通过该计划的实施推动欧洲第三代机器人的发展。 计划主要开发用于有害、不安全、人无法进人或对人不舒适环境中进行有关公共安全的监视及救灾用机器 人 预定中的应用目标有：反恐怖活动，有害区域的监视，工业灾害的监视，火灾的预防及救援，自然灾害和交通事故的预防和救援。这一计划拟四年（ 1987 1991年 )内完成。计划分三个阶段进行：第一阶段是概念设计 务分析、系统功能确定、系统的概念设计及确定子系统，制定有关领域的预研计划；第二阶段是设计阶段系统的详细设计，定研究计划，仿真及模型制作；第三阶段是制造、组装、测试、试用。在目前选定的方案中， 统由二台机器人 一野外快速巡逻机器人，活 动范围是 30要任务是运送 监测 其上安装视觉和许多非视觉传感器，高速平行计算机，机械手及各种工具。采用自治式控制。 四对可摆动的双轮 长距离移动时由 载。为了能在高温气流下工作，带有冷却子系统。 欧洲尤里卡中的机器人计划等。初期的研究 ,主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理 ,并建立实验系统进行验证。虽然由于 80 年代对机器人的智能行为期望过高 ,导致室外机器人的研究未达到预期的效果 ,但却带动了相关技术的发展 ,为探讨人类研制智能 机器人的途径积累了经验 ,同时 ,也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。 壁 机器人的研究发展概况 大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 4 爬壁机器人必须具有两个基本功能：在壁面上的吸附功能和移动功能。传统爬壁机器人 ： 吸附功能 分类 ： 真空吸附和磁吸附两种形式：真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容 易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。 爬壁机器人按移动功能分主要是吸盘式、车轮式和履带式。吸盘式能跨越很小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转 弯。而这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱驱动方式有两种：真空式由气缸驱动，磁吸附式由电动机驱动。气缸和电机不仅质量大，增加机器人本体的重量，而且效率很低，能耗非常大。供电能源：目前机器人的电能供给均采用有缆接电方式或者是较大的蓄电池 有缆方式使机器人的移动不方便，工作受到一定的影响，而且电缆在壁面上产生摩擦，具有一定的危险性；而蓄电池质量大，增加机器人的自身重量，并且供电的时间有限。 移动方式 分类 ： 移动机器人可分为轮式、履带式、腿式 (单腿式、双腿式和多腿式 )和水下推进式。本文重点放在轮式、履 带式机器人 ,对水下机器人和两足人形机器人不做详细讨论。 日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器入，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达 9m 用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。 1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 5 吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触 的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。我国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。单吸盘轮式壁面移动机器人，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。真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机 构产生足够的摩擦力以实现移动功能。由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。调节弹簧的作用有两个：一是为密封圈提供密封所必需的正压力，二是提高气垫对壁面的适应能力，还可起到减震的作用。负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，为调整压力提供依据。设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度，可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。磁吸附履带式爬壁机器 人采用的是双履带永磁吸附结构， （ 如图 所示，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。机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。 内外爬壁机器人的现状 日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器 人（如图 3，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面， 代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达 9m 用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。 大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 6 图 轮式磁吸附爬堵机器人 1989年 日本 东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。 我国 哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘 真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。单吸盘轮式壁面移动机器人，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。真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器 人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。调节弹簧的作用有两个：一是为密封圈提供密封所必需的正压力，二是提高气垫对壁面的适应能力，还可起到减震的作用。负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，为调整压力提供依据。设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度，可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。 大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 7 2谐波减速器 3链轮 4单元吸附块 5框架 6链条 图 吸附爬壁机器人本体结构示意图 磁吸附履带式爬壁机器人采用的 是双履带永磁吸附结构（如图 示，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。机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。 壁机器人的发展趋势 由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处 (如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等 )，因此未来爬壁机器人的结构应该向着 实用化的方向发展。 附装置 最近几年，美、英、俄等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范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现，壁虎脚趾上约有 650万根次纳米级的细毛，每根细毛直径约为 200至 500纳米，约是人类毛发的直径的十分之一。这些细毛的长度是人类毛发直径的 2倍，毛发前端有 100 1000大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 8 个类似树状的微细分枝，每分枝前端有细小的肉趾，这种精细结构使得细毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。虽然 每根细毛产生的力量微不足道，但累积起来就很可观。根据计算，一根细毛能够提起一只蚂蚁的重量，而一百万根细毛虽然占地不到一个小硬币的面积，但可以提起二十公斤力的重量。如果壁虎脚上 650万根细毛全部附着在物体表面上时，可吸附住质量为 133千克的物体，这相当于两个成人的质量。科学家说，壁虎实际上只使用一个脚，就能够支持整个身体。从壁虎脚的附着力得到的启示可用于研制爬壁机器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，运用类比，模拟和模型方法，通过高分子材料化学，工程材料科学，力学和机械学的交叉研究，探索出 一种与壁虎脚趾表面结构相近的，经物理改进的极性高分子材料(人造壁虎仿生脚干性粘合剂 )，并应用精密微机械加工的手段，设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置将适应于各种材质 (如玻璃，粉墙和金属等 )和任意形状的表面 (如平面，柱面，弧面和拐角等 )。这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。 动方式 在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍 (如沟、坎等 )，并且机器人的足 所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。 动设备 传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用化的要求，为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 9 度的新型电机。微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件，研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的，而且要求微特电机技术的发展，满足机器人智能化、可靠、灵活、长寿命的需要。因此爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为朝高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机 电一体化、超微化方向发展。超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料 (压电陶瓷 )的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特的运行机理，超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点： (1)靠摩擦力驱动，因而断电后具有自锁功能，不需制动装置； (2)转矩密度大，低开放系统的核心技术是软件技术，开放系统软件体系是 装置以及通信网络的选择和配置。系统功能的大部分要通过整个系统集成的核心内涵。 人机界面 (系表现出来。 课题主要研究内容 的 ： 在经济高速发展的今天，服务行业越来越被人们所重视。随之以来的服务行机器人也诞生了。爬行机器人可以仿人移动，代替人们在危险的领域工作。如在 15 50 层的高层建筑清洗玻璃时，由于上部气流强，玻璃表面光滑容易出现事故，清洗效率低等问题。但使用爬行清洗机器人就可以避免以上情况很好的代替人类去完成危险的工作。 求 ： 本课题研究的最终目 标是为了城市楼宇清洁业提供一种可以代替人工进行高层建筑外壁面自动清洗的专用爬壁机器人系统。首要的目标是机器人系统爬行的可靠和灵活、清洗作业装置的高效率，在此基础上，尽可能使系统小型大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 10 化、轻量化、操作合理方便，并且具有较高的爬升和壁面适应能力。 务： 对爬壁机器人的作业情况和要求，对 整个机器人的系统进行总体分析 ，包括移动机构的选取、吸附功能的实现、驱动方式的选择、以及控制系统的选用。 总体分析、设计。 机器人要进行高层墙壁的清洗工作，应具有在墙壁上转向和 前后移动的功能。另一方面，由于玻璃表面比较光滑，所以要求机器人必须要有较强的壁面适应能力，并能跨越一定的障碍。 制系统要适应壁面清洗机器人的作业要求，必须保证操作可靠方便、功能齐全。采用主从式的控制结构，以上位机性能的 作者通过上位机进行操作。 过分析要得出机器人在墙壁吸附的可能性，可靠性。为机器人控制提供理论基础。 论依据，以验证论文的正确性和有效性。 大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 11 第二章 壁面爬行机器人的系统组成 统概况和关键结构 机器人能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行 ,主要由行走及转向机构、保险装置、吸附机构、吸盘组导向和提升装置以及控制系统组成。 图 面清洗机器人的系统结构框图 走机构 行走机构模仿坦克履带结构。坦克采用双履带行走和转向 ,对于爬 壁机器人 , 爬行中底部的履带要通过吸盘吸附在工作面上 ,如果采用双履带 ,机器人转向理论上不易实现 , 因此决定采用单履带模式。在一封 闭链 条上安装吸盘形成一条行走履带 ,通过前后两个直径为 122 链轮 , 来支撑驱动履带 , 并大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 12 象坦克一样 ,在链轮上方设置支撑张紧轮。前轮用来控制爬行的方向 ,一个直流伺服电机来控制前轮转向 , 后轮用于驱动爬行 ,由一 直流 伺服电机来驱动 ,电机 A， 定转速 200r/积小 ,单位体积功率大。电机驱动后轮驱使机器人向前运动 ,当 电机 驱动前轮偏转一定角度 , 前部链条会随 之转动一定的角度 ,因而 , 机器人会改变其前进方向 , 所以 ,链条具有一定的柔性对系统的转向很重要 , 链条的每一关节可偏转 2. 4 。转向的实现问题在下面进一步探讨。 附机构 吸附机构由安装在链条上的 13组吸盘及真空发生器等组成 ,如（ 图 所示 ,一系列链条连接板依次等间距安装在链条上 ,吸盘安装在吸盘支撑板上 , 吸盘支撑板和链条连接板之间通过连杆和弹簧相连 , 由于连杆和链条连接板间可以滑动 ,因此 ,吸盘组在有比较小的障碍的墙面上 , 可以象蠕虫一样产生避让动作 ,使机器人可以越过障碍 ,每组吸盘由 4 个 0 ( i = 1 , ,5) (假设作用在支撑轮上的力不加考虑 ,认为墙壁对机器人的反作用力只作用在与墙壁接触的吸盘上 , 由此静态下 , 机器人在 x 、 y 方向受力分别满足 : 大连轻工业学院 2006 届本科生毕业设计 16 51( ) 0= (51G - 0 (所受的平衡力矩为 (以 O 点为参照点 ) : 51( ) ( i - 1 ) p = G (并假定各个吸盘的真空度是均衡的 ,则作用在吸盘上的吸力为 : V = (式中 : s 每组吸盘总的吸附面积 ; v 工作吸盘内的
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