钢结构检测用攀行机器人设计【5张CAD图纸+PDF图】
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钢结构检测用攀行机器人设计1.绪论1.1本课题的提出和研究意义机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，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。它是机构学、运动学、控制理论等学科发展水平的综合体现，是当前国内外研究的热点问题之一。在各领域机器人设计活动也已经很广泛的开展起来，这种氛围对我国机器人的研制开发以及专业方面人才的培养是具有积极的意义。国内外的发展现状长期以来，人们就想往能在垂直陡壁上攀行，进行各种作业。近年来出现的攀行机器人，实现了这种理想。由于在垂直陡壁上作业是非常困难和危险的，超越了人的能力极限，所以在国外称此类机器人为极限作业机器人。壁面攀行机器人可用来代替人工进行的一些危险操作，进行各种储存有毒有害介质的储存罐以及高层钢结构建筑物表面的检测工作。其中包括核工业和城市石化工业球形储液罐的视觉检查、超声侧厚和焊缝探伤等作业。它可以代替人类做一些危险的工作，并取得了很大的应用价值。因此，该项目成为国内外科研人员研制开发的热点。这种钢结构检测用攀行机器人己在部分工程项目中得到了有效的应用，具有潜在的市场应用价值，机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景随着机器人技术的不断发展，机器人的小型化、微型化成为机器人技术发展的重要方向之一。开发一种小型、便携的攀行机器人在军事和民用方面都具有重要意义。在军事方面，它可以被投放在敌后，攀行于建筑物的表面或玻璃壁面上，对室内的情况进行侦察；或者充当可移动的爆破物，近距离杀伤敌方的重要设施和人员。民用方面可用于高层建筑的表面检测或进行清洗。但是传统的攀行机器人或是采用磁吸附方式，依靠磁力吸附于金属壁面，不适合工作在钢结构建筑物的表面；或是采用由真空泵或真空发生器抽吸空气产生吸附力的主动吸附方式，需要外接气源，连接大量的支持设备，能量耗费大，而且一般伴有较大的噪音，机器人的体积和活动范围都受到限制，不宜在小型攀行机器人上使用。在高层钢结构建筑物的表面检测工作中，预防性定期检测和被迫性事后检测维修工作都存在着较大的缺陷，人工检测已经无法满足。随着科学技术的发展，机器人代替人工进行高层建筑的危险检测工作成为了一种新的趋势，攀行检测机器人将会得到更广泛的应用。当前，国内外都非常重视钢结构攀行检测机器人的研制，主要是因为它有着广泛的用途，特别是它可以在一些危险环境以及高层钢结构建筑物表面上进行攀行检测作业。攀行检测机器人是一种新型特种机器人，能在危险工作状态下代替人工作业，因此具有广阔的应用前景。由于传统攀行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。该机器人机构合理，性能完善，并且可以代替人工进行高空环境作业，降低了人类高空作业的危险系数；也大大提高了作业效率。这将意味着为高空钢结构表面的检测工作，开辟了应用机器人代替人力作业的新领域。 1.2国内外机器人的研究和发展状况 图1.1履带式机器人 图1.2履带式机器人攀行检测机器人有着很大应用前景，它一经问世就受到了各方面的重视。1966年日本的西亮教授首次研制成功壁面移动检测机器人样机，并在大阪府立大学表演成功。这是一种依靠负压吸附的攀行机器人。随后出现了各种类型的攀行机器人，到80年代末期已经开始在生产中应用。日本在开发爬壁机器人方面发展最为迅速,主要应用在建筑行业与核工业。日本清水建设公司开发了建筑行业用的外壁涂装与贴瓷砖的机器人，他们研制的负压吸附清洗玻璃面的爬壁机器人，曾为加拿大使馆进行过清洗。东京工业大学开发了无线遥控磁吸附爬壁机器人。在日本通产省“极限作业机器人”国家研究计划支持下，日晖株式会社开发了用于核电站大罐的负压吸附壁面检测机器人。它有两个独立的负压吸盘，可以在遥控下由地面自动爬行到大罐的弧形壁面,作视觉检查与测厚，并可以跨越障碍。日本关西电力株式会社开发了核电站壁面点检的爬壁机器人，移动速度为每分5米，负重50公斤。日立制造所研制了履带式磁吸附检查机器人，带有超声检测装置，如图1-1所示，该机器人可以垂直攀行于钢结构表面上进行检测工作。由于机器人采用了负荷分散机构，它能够适应各种凹凸不平的曲面和棚顶。英国在攀行机器人领域也取得许多成果。90年代初RTD公司推出了轮式磁吸附爬壁机器人(取名Beetle)，已作为商品销售。最高爬行速度达每分种12米，可以自动记录每隔一定距离的壁厚，最高爬行高度为25米。英国南岸大学于1994年研制成功多足多吸盘气动型攀行检测机器人，可以携带一个小工业机器人(例如PUMA260),进行超声检测。它自重22公斤,负重20公斤。最近来自英国的报道，一种取名为罗布格三号的攀行机器人在贝德福市作演示。它有8条腿,类似巨型蜘蛛，能负重100公斤，可越障，能将砖放入准确位置并进行检测，研制者计划将其应用于建筑行业。 俄罗期彼得堡国立技术大学也研制成功负压吸附攀行机器人。我国自90年代以来，有许多单位根据国家经济建设需要，研制成功各种类型与功能的攀行机器人。上海交通大学研制成功测量大罐容积的磁吸附攀行检测机器人。哈尔滨理工大学研制成功测量大罐漆膜厚度的履带复合式攀行机器人。哈尔滨工业大学研究所在“863计划”支持下，于1994年研制成功核工业用的壁面攀行遥控检查机器人，最近又与大庆采油一厂合作，研制成功采油行业中大量使用的储罐防腐用喷吵、喷漆履带式磁吸附爬壁机器人，在现场试验，取得成功，如图1-2所示。当前,国内外都非常重视爬壁机器人的研制,主要是因为它有着广泛的用途,特别是它可以在一些危险环境下进行作业。主要的用途有: (1)对石化企业中大量圆柱形大罐或球罐内外壁面进行检查、探伤或喷砂除锈、喷漆防腐； (2)清洗高层建筑物的瓷砖壁面或玻璃墙面； (3)在建筑行业用于巨型墙面喷漆、砌砖、贴瓷砖和点检； (4)在核工业中对大罐进行视觉检查、测厚和焊缝探伤； (5)在消防部门用以递送急救布带,运送水带和水枪； (6)在造船行业用于喷砂除锈或喷涂船体及其内壁等,特别是对修船行业,可以快速地将船体进行防腐处理。可见机器人作为新一代的生产工具，能够代替人完成人力所不及或人所不适宜的工作。随着机器人在各个领域的应用，对机器人的综合性能提出了更高的要求，专业化更强，实用性更高，经济性要求也已经摆到了人们的面前，因此，结构简单、操作方便、能满足功能要求又具有一定的可靠性的微型机器人或者说功能专一的机器人需求量越来越大。1.3机器人的基本结构及其分类机器人作为典型的机电一体化产品，其控制方式经历了三代发展:第一代是示教再现式可编程机器人，具有记忆、存储功能，能按照作者在示教阶段给出的轨迹重复进行特定的作业过程，但对周围环境基本上没有感知和环境信息反馈控制的能力。随着传感器技术包括视觉传感器、非视觉传感器(力觉、触觉、接近觉等)以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人则具有感觉功能的自适应机器人，在获取作业环境和作业对象的部分有关信息的基础上，能够进行一定的适时处理、按照固定的逻辑发出动作命令。第三代是智能机器人，该种机器人不仅具有第二代机器人更完善的环境感知功能，而且具有逻辑思维、学习、判断和决策功能，可根据作业要求和环境信息自主的进行工作，该机器人目前正处于研制和开发过程中，预计到21世纪初期将进入普及阶段。尽管机器人的外观、形状和功能各异，但它们的主要构成基本上是一致的，从控制观点上讲，机器人系统可分为四部分:人机接口、控制系统、驱动系统和执行机构。 本论文所研究的钢结构攀行用检测机器人采用伸缩前进的方式进行攀行，主要分为：前进机构、回转机构和脚部。采用步进电机来驱动机器人的行进，通过机器人编程来实现机器人的各种运动。1.4本论文主要研究内容钢结构检测用攀行机器人属特种作业机器人,在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域均有广泛的应用,自二十世纪六十年代出现以来,一直受到世界各国的关注,具有广阔的应用前景。本论文研究的是一种集移动、转向和升降功能于一体的全方位移动的攀行检测机器人,并对攀行机器人的机构设计、运动学与动力学、路径规划以及控制系统等关键技术展开了研究。 论文首先介绍了攀行检测机器人的国内外发展现状和应用情况,通过阅读大量文献和借鉴已有的类似成果,理论联系实际,提出了机器人本体结构方案和运动方案。分析表明该机器人能够攀行于钢结构的表面上，具有稳定性能高、越障能力强、负载大、能任意方向直行或在原地旋转任意角度,是对高层壁面进行监控、维护和检测的良好载体,具有一定的理论意义和实用价值。本论文主要研究以下几个方面的问题:（1） 钢结构检测用攀行机械人总体方案的确定机器人是典型的机电一体化装置，必须采用系统的观点，立足全局，对机器人各功能模块进行合理划分。首先根据设计要求从理论上分析工作状况，然后提出设计思路，包括传动方式、控制方式等，在综合分析的基础上，整体规划攀行检测机器人的整体结构形式、驱动装置、传动系统，从而选定最优方案。（2） 钢结构检测用攀行机器人前进机构方案的设计怎样把步进电机的动力传递给机器人的前进机构，是本设计的一个重点方面，本文结合作业中的实际要求，采用直线导轨作为传动元件通过齿条和齿轮的啮合来实现机器人的前进运动。（3） 钢结构检测用攀行机器人回转机构方案的设计机器人是典型的机电一体化产品，实现在攀行过程中行进方向的转换，考虑机器人料的形状和质量，采用在机器人机身中间安装三角电磁吸盘吸附，通过步进电机驱动实现机身的整体回转，从而改变机器人的行进方向。（4） 钢结构检测用攀行机器人电磁脚方案的设计为了使机器人能够在钢结构上自由行走，在机器人的脚部安装七个微盘组合是电磁吸盘，在机器人的前后各安装两个电磁脚，机身中间安装一个三角式电磁脚，这样可以保证机器人的行进稳定，并可在有沟槽或不平整的钢结构壁面上吸附并行走。（5） 机器人的检测方案设计检测系统可以理解成由多个环节组成的能实现对某一物理量进行测量的完整系统。现代检测技术的一个明显特点是传感器采用电参量、电能量或数字传感器以及微型传感器，信号处理采用集成电路和微处理器。所以本设计采用的是在机器人的头部安装一个微型摄像头，从而可以完成对钢结构表面的检测工作。检测系统在测量过程中，首先由传感器将被测物理量从研究对象中检测出来并转换成电量，然后输出。检测系统及其组成见图1-3。 图1.3检测系统2. 钢结构检测用攀行机器人总体方案设计机器人是典型的机电一体化产品，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用。因此，对钢结构检测用攀行机器人采用系统的观点进行整体功能分析，可以实现整体结构优化，是实现经济性、灵活性和高可靠稳定性系统设计的重要环节和关键步骤。2.1机器人的任务要求和机械系统随着社会城市化进程的不断发展，钢结构的高层建筑物也越来越多，为了检测建筑物的表面工作是否存在安全隐患，人类必须要进行高空作业，但是高空作业难度系数及其高，危险性也很大，为了保障高空作业的安全性，人们不断研究能够进行钢结构检测用的攀行机器人来代替人类进行高空作业，这样便加快高空作业机器人的诞生速度。要求机器人能够沿着钢结构表面进行攀行，在攀行过程中，完成对钢结构建筑物表面的检测工作，设计的机器人通过机身中间的一只三足电磁脚先吸附在建筑物表面上，然后依靠步进电机将机器人的前进机构整体前移，再将安装在前进装置上的两对电磁脚降下来吸附在建筑物表面上，再将机身中间的三足电磁脚提升通过步进电机将机身前移，这样便完成了机器人的攀行动作。机器人是通过电磁脚的交替运作来实现整体伸缩前进的。这样设计出一种可以在高空危险环境下运动,并具有稳定运动模式的小型钢结构攀行机器人。该机器人采用腿式交替伸缩的运动模式，可以提高其环境适应能力和越障能力，并且比履带式运动模式和三足旋转式运动模式具有良好的稳定性。研究开发的机器人采用了ARM+DSP结构的嵌入式控制系统以及遥控/半自主的工作方式,具有高机动性、小型化、轻量化、可复位以及低功耗、高实时性等特点。机械结构是钢结构检测用攀行机器人最终的机构载体，是机器人赖以实现各种运动的基础，机械结构的布局、类型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着机器人的工作性能。机器人的机械系统由以下几个子系统组成：1）机械子系统，由刚体和弹性体组成；2）传感系统；3）执行系统；4）控制器；5）信息处理系统。子系统之间的通信是通过接口进行的，接口的基本功能是把从一个部分传到另一个部分的信息解码。如图2-1所示，是经典机械系统的方块图，系统的输入是事先确定的任务，它是由实时或离线给定的。前者在本质上看成是智能的，后者是可编程序的机械。因此，人工智能（artificial intelligent）技术的软件系统描述智能机械的任务。这种系统可以代替人进行再决策。可编程机器人要求人通过程序向低水平控制或控制系统给定任务。程序的低水平的意思是：机械的动作被指定为关于关节动作或与正在执行任务的特定体的基点相联系起来的笛卡尔坐标的序列。机器人的机械系统输出是通过传感器监测的实际任务（actual task）。传感器以反馈信号的形式传递作业信息并与事先设定的动作相比较，事先设定的任务与执行动作间的误差反馈给控制器，然后合成必要的较正信号。这些信号反馈给执行元件，驱动机械系统完成所要求的动作，形成闭环。在机器人的控制系统中，通过人来构成闭环控制的称为遥控机器人（telemanipulators）。遥控机器人是人借助于复杂负载的传感器和显示装置进行控制的机械系统。在方案设计阶段，要正确地处理好借鉴与创新的关系。同类机械成功的先例应当借鉴，原先薄弱环节及不符合现有任务要求的部分应当加以改进或者根本改变。 图2.1控制系统2.2机器人结构的设计本论文多足检测攀行机器人，即攀行机器人的腿要多于两条腿。对于攀行机器人来说稳定性是主要问题，需要考虑它的静稳定性和动稳定性。静态稳定性只考虑在支撑位形下重力的作用，而动态稳定性需要考虑重力和惯性力的共同作用。直观上讲，静态稳定性需要更多的接触点，也就是比动态稳定性需要更多的腿。跳跃机器人和两腿步行机器人是步行机器人中依靠动态稳定性的例子。为了稳定时平衡，行走机器人需要具有运动结构，以提供平衡机器人重力的地面反作用力。两腿机器人没有静态平衡能力，因为一条腿在转移相时，身体只剩下一个接触点，不能提供保持平衡所须的力。所以在运动时，最少要求用三条腿来保持稳定。所以在机器人的机身中间设计了一个三足吸盘，这样就能提供与地面反作用平衡的里同样，维持静平衡一般四条腿，所以在机器人的结构设计时，在机器人的前后两端各安装了四只电磁脚，用来保证机器人的运动稳定。机器人的基本结构框架采用铝板制作，即采用一块长540mm宽275mm高170mm的一块铝合金板作为机器人的机身，并制作成一个框架。电机安装在机器人的机身中间如图2-2所示。 图2.2机身尺寸如上图，机器人框架上端面三个8的孔是用来安装三个齿轮轴的，一个70的孔是用来安装机器人的回转机构，一个50的孔是用来安装步进电机的，在安装的时候要保证各齿轮之间是相互啮合的。框架的中间是空的，这样急节省了材料又减轻了机器人本身的重量。可以在机身框架中安装两根导轨，用来保证安装在机身中间的机器人前进机构可以自由伸缩，并能达到机器人的前进的行程要求。 图2.3机身尺寸设计如图2-3是机器人的前进机构简图。前进机构前后两个70的圆孔用来安装机器人的升降机构，并在升降机构的下边分别安装两个电磁脚，这样便保证了机器人的稳定性。前进机构总长800mm，宽175mm，中间是空的，在中间的两个薄板的内壁上分别安装两个齿条，用来和传动齿轮啮合，这样就可以使前进装置相对于机器人的机身运动了。采用这样设计的优点是将机器人分成两个部分，一个是机器人的机身，一个是机器人的前进机构，可以节约材料，减少机器人的自身重量，最主要的是能够保证机器人的传动稳定，运动的灵活性，精简了机器人的结构。它的整体布局结构合理，如图2-4所示。整个机器人系统设计为两个自由度，将运动分解为两部分：移动部分和回转部分。移动部分占一个自由度，即使机器人前后的移动机构；回转部分占一个自由度，即控制机器人方向的旋转运动机构，这两个自由度之间没有耦合，相互不干扰。图2.4总体布局图2.3传动系统设计传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机器人相应的执行部件，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有: 齿轮传动、皮带轮传动、链条传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。谐波减速传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点；皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷；链传动虽然成本低，但链传动的制造与安装精度要求低，不适合用在要求传递精度高的机构当中，链传动在两根平行轴间职能用于同向回转的传动，运转时不能保持恒定的传动比，磨损后易发生跳齿，工作时候噪音大，不宜在载荷变化很大和急速反向的传动中应用。因此，它们常用于传动精度要求不高的场合。（1）机器人回转部分传动本设计采用齿轮传动来作为回转传动。齿轮传动的主要特点有：1） 效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动效率为最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达99%。这对功率的传递十分重要，因为即使效率只提高1%，也有很大的经济意义。2） 结构紧凑 在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。3） 工作可靠、寿命长 设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一、二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。这对机械传动来说有着很大的经济性和实用性。4） 传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特点。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，切不宜用于传动距离大的场合。故选用齿轮传动作为机器人回转装置的基本传动装置，这样便可以保证了机器人的回转运动。如图2-5所示，是机器人的回转机构。 图2.5机器人回转机构（2）机器人前进部分传动而能够使机器人的前进机构运动主要是依靠齿轮齿条进行动力的传递。选用齿轮齿条传递，主要是考虑机器人的内部结构的要求，将齿条安装固定在前进装置的内表面上，如图2-6所示，这样便可以与齿轮啮合上，并能传递齿轮所传递的驱动力，从而使得机器人前进。 图2.6机器人前进机构（3）机器人升降部分传动机器人的升降机构采用的是蜗杆传动，蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，通常用的为90。这种传动由于具有下述特点，故应用颇为广泛。1） 当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，涡轮只转过一个齿距，因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比i=58；在分度机构或者手动机构的传动中，传动比可达300；若只传递运动，传动比可达1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。2） 在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和涡轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对有较多，故冲击载荷小，传动稳定，噪音低。3） 当蜗杆的螺旋线升角小雨啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。4） 蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好的时候，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，效率低，当传动具有自锁性时，效率仅为0.4左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造涡轮（或蜗圈），以便与钢制涡轮配对组成减摩性良好的滑动摩擦副。本设计采用的是环面蜗杆传动，如图2-7所示。环面蜗杆的传动特征是，蜗杆体在轴外的外形是以凹圆弧为母线所形成的旋转曲面，所以把这种蜗杆传动叫做环面蜗杆传动。在这种传动的啮合带内，涡轮的节圆位于蜗杆的节弧面上，亦即蜗杆的节弧沿涡轮的节圆包着涡轮。在中间平面内，蜗杆和涡轮都是直线齿廓。由于同时相啮合的齿对多，而且齿轮的接触线与蜗杆齿运动的方向近似于垂直，这就大大改善了轮齿受力情况和润滑油膜形成的条件，因而承载能力约为阿基米德蜗杆传动的24倍，效率一般高达0.850.9；但它需要较高的制造和安装精度。整体升降机构如图2-8所示。 图2.7环面蜗杆传动 图2.8机器人升降机构2.4驱动系统性能分析与方案设计机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。目前机器人的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电气驱动三种形式。液压驱动系统能够提供较大的驱动压力和功率，具有结构简单、性能稳定等特点，液压伺服驱动系统响应速度快，可达到较高的定位精度和刚度，但油路系统复杂，工作性能受环境影响较大，移动性能差，且易造成泄漏现象，常用于要求提供较大驱动力矩、对移动性能要求差的特大功率机器人系统中。气动系统具有结构简单、动作迅速，可在恶劣的环境中工作，但气动装置也存在噪声问题，只适用于精度要求不高的点位系统中。电气驱动系统具有精度高、控制准确、响应迅速等优点。综合考虑各种驱动式的优缺点，选用电气驱动方式。 电气驱动方式包括普通电机、直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机以及力矩电机等驱动方式。伺服电机转子惯量小、动态特性好，由伺服电动机所构成的机器人驱动系统具有运行精度高、调速范围广、速度运行平滑、具有高可靠性并易于控制等优点，交直流伺服电动机己成为机器人驱动系统的主流，直流伺服电动机的电刷易磨损形成电火花，限制了其应用范围。近年来随着交流调速技术的迅速发展，交流电机的驱动系统得到了广泛的应用，但是交流伺服电机必须采用闭环控制方式，这种复杂的控制系统造成控制成本大大提高。随着集成电路技术的发展，伺服系统的价格在大幅度降低，可靠性也得到了提高。 步进电动机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，具有控制简单、响应速度快、工作可靠、无累计误差等优点。它能够直接接受数字信号，无需中间转换，直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应，能实现直接的数字控制。步进电机以开环方式工作，可省去伺服电机驱动装置中位置检测与反馈部分以及A/D, D/A转换，从而简化了系统结构，使控制成本大大降低。另外，步进电机的抗干扰能力强、无累计定位误差，可重复反转而不损坏，并且步进电机的位置和速度控制简单，具有一定精度，使用与维护都很方便。传统观念认为步进电机的控制性能差、难以实现机器人的空间轨迹控制，因而步进电机很少用于机器人的轨迹控制。考虑到步进电机的输出不是连续量，为了达到某些系统较高的定位精度要求，可以对步进电机驱动系统进行细分控制，也可以采用闭环控制方式获得更高的驱动性能。由于步进电机驱动具有较好的经济性，随着电机制造技术的提高，尤其是步进电机驱动技术的革命性变化，步进电机也己经被广泛应用于数控机床、复印机、打印机以及机器人关节臂的驱动上。平面关节型机器人多采用步进电机直接驱动方式，不但可以节省机械传动装置，而且可以有效的消除机械减速所带来的误差和效率的降低，提高运行的速度和定位精度。开环控制由于不存在噪声干扰问题，工作安全可靠，系统简单，价格低廉，特别是电子、计算机技术的迅速发展和提高，步进电机开环控制精度几乎能达到闭环控制的控制精度。考虑到控制的方便性、可靠性以及系统整体上的经济性，对移动系统和控制手爪转动的电机均采用步进电机构成的开环驱动控制方式。开环控制可以大大简化系统结构，减轻计算机的运算负担，并且可以降低成本和提高可靠性。控制手抓开合的电机则选用一般的交流电机即可。 在步进电机的选型上，考虑到步进电机品种规格较多，仔细分析它们的特点，来恰到好处的选择。 步进电机按结构和工作原理可分为反应式、永磁式以及混合式等几种。 反应式步进电机:又称可变磁阻型(VR-Variable Resistance)，多为单极性励磁，结构简单，精度容易保证，步距角小，启动和运行频率较高，但励磁电流较大，电机内部阻尼小，低频时容易产生振荡，断电后无定位转矩。 永磁式步进电机(PM-Permanent Magnet Type):步距角大，启动频率较低，但控制功率较小，效率高，造价便宜，内部阻尼大，不易振荡，断电后有定位转矩。与VR相比转矩大，但转子惯性也较大。混合式步进电机(HT-Hybrid Type):是永磁式和反应式相结合的一种形式。兼有磁阻式步距角小、响应频率高和永磁式励磁功率小、效率高的优点。但是结构复杂，需要正反脉冲供电，成本较高。如图2-9所示的电机模拟图，可以清楚的看到电机的内部。 图2.9电机模拟图根据几种常用电机的性能、特点分析，对该机器人的控制移动部分回转和机器人升降装置的驱动由于其要求既具有较高的控制性能，又具有定位转矩，所以均选用混合式步进电机。步进电机选型时还需要考虑实际工作需要，在初期确定减速比(电机转速/负载转速)之后，通常考虑以下几方面的问题:1、 选择步进电机的步距角b，要求bI min ，其中min 为负载轴要求的脉冲当量2、 选择步进电机的转矩初步选择步进电机时，可按下式选择步进电机的最大转矩 mT L为折算到电机轴上的总负载转矩，包括负载的阻尼转矩和加速转矩。 K一系数 ，一般取2一3. 53、 步进电机运行频率 f为 ：f=式中：n一所要求的电机轴的转速； nL一负载轴的转速； b一步距角4、 步进电机的矩频特性一般步进电机转矩随运行频率升高而迅速下降，经过改进的步进电机可以在一个很宽的范围内保持转矩在一个很小的幅度内变化。但是必须保证在实际运行工况下，选用的电机可以给出足够转矩。2.5控制系统方案设计计算机系统是整个机器人控制系统核心部分，结构和功能的划分以及设计的合理性直接影响着整个机器人系统功能的实现，计算机控制系统应具有较强的可靠性、较高的运行速度以及较好的性能价格比，在满足工作性能要求基础上体现出较好的经济性要求。（1）硬件平台选择在主控计算机的选用上存在两种解决方案，即采用单片机并自行设计开发各种功能模块构成主控计算机系统和基于工业控制计算机系统(如PC总线工控机或STD总线工控机等)并开发必要的专用功能模块接口板(或者利用现成的专用功能模块接口板)。机器人控制部分的主控计算机选用PC工控机与采用单片机构成的廉价控制系统方案相比较，性能差别主要体现在以下几个方面:1、一般情况下，机器人关节间的运动存在级间耦联现象，在关节位置和速度的控制上必须满足适时性控制要求，因此存在大量的数据运算和处理过程，在编程上，体现为大量的浮点运算和程序上占用大量的内存空间。单片机由于可寻址的存储容量范围有限，可能存在不能达到性能要求和编程复杂、开发工作量大等缺点，而PC机在数据运算和处理方面具有明显优势，且开发工作量较小。 2、机器人控制系统不仅要求具有高可靠性的硬件支持，而且要求在软件上能实现各种控制功能。单片机可直接利用的现成软件资源较少，而PC系列计算机目前具有丰富的支持软件，使程序设计更加方便灵活而且软件的移植灵活性好，因此基于PC系列计算机进行程序开发可以避免重复性工作，并且具有完备的编程语言和开发环境。3、采用单片机进行一个完整的控制系统开发，虽然目标系统成本较低，但试制阶段的费用并不低廉，更为重要的是在开发硬件系统时工作量大、开发周期长，而且硬件的可靠性和抗干扰性能难以达到较高要求。随着计算机技术的不断进步，PC系列工控机具有较高的可靠性和可维护性能，同时价格在大幅度降低，采用PC工控机进行机器人控制系统的研制和开发，可以有效地缩短开发周期并能降低成本，对经济型机器人控制系统是一个优选的硬件解决方案。在机器人控制方式上，目前主要有集中式控制、主从式控制和分级控制三种方式。对于多关节机器人，每个关节对应一个处理器，将机器人控制中计算量最大的动力学方程按关节进行分解，作为各个子算法分布在各关节处理器上同时进行计算，然后输出到主控制器中，这种采用模块化结构、主从方式组成分布式多处理系统，是多关节机器人控制系统发展的方向，目前应用最为广泛的是两级或两级以上计算机构成的分布式控制方式。集中式系统是最典型、结构最简单的控制系统，它将所有的信息输入、处理、控制均集中在一台计算机上，因而对该计算机的性能要求较高，而分布式系统则降低了对计算机性能的要求，且系统可扩充性能好，易于维护，但故障率比集中式控制方式高得多。随着计算机技术的迅速发展和存储技术的日新月异，许多微型机在速度和性能上己经接近甚至超过小型机，并且在价格上大幅度降低，可靠性增强，使用和维护更加方便。同时，随着各种技术支持软件的丰富，使编程方便易行、软件的可移植性高，因而采用高性能价格比的微型计算机进行经济型机器人的集中式控制己成为可能。在微型机领域，IBM-PC机在结构、性能、价格特别是软件技术支持方面都有很多优点，使它在工业控制系统中得到广泛的应用。因此，该机械手控制系统采用集中控制方式，利用工BM-PC586作为控制计算机，另外加一块PCL-839接口卡作为步进电机驱动器运动控制用接口卡，这样既增加了硬件的可靠性，又缩短了开发周期。（2）软件系统 硬件系统是控制功能赖以实现的物质基础，软件则是计算机系统协调各部件完成控制功能的神经中枢。软件功能的划分与结构上的实现在计算机控制系统中具有极其重要的作用。软件设计的目标是依据需要完成整体功能以最优的方式把软件各部分内容有机组织起来，使整个系统具有较高的运行效率、可靠性、灵活性和操作实用性。该机械手软件系统主要承担的功能包括:运动学运算、路径规划、参数输入、人机接口控制以及故障报警和处理系统，在功能的实现上应使系统具有较好的人机界面和灵活的操作控制功能。3.机器人参数的计算 3.1机器人的机身重量如图2-2、2-3所示，为机器人机身的结构尺寸，先计算出机器人的机身体积如下：图2-3所示的机架体积为：故 图2-2所示的架体体积为：故 所以机器人的机身体积为：根据公式M=V, 取铝合金的密度=,则机器人的机身重量为： M=V=34.2Kg3.2选择步进电机型号一、机身电动机类型和结构型式选择类型：选用BF系列55BF005型号的步进电机；结构：卧式型步进电动机；二、电机技术数据、主要外形及安装尺寸 表3-1电机型号相数额定电压/V静态电流/A步距角/保持转矩/Nm空载起动频率/P外形总长33033.75/7.50.3431600070mm3.3齿轮传动设计 如图3.1 齿轮1高速级齿轮传动设计（1）选择材料，精度及参数：大齿轮：45钢，调质，取 小齿轮：45钢，正火，取齿数： 传动比：精度等级8级（2）按齿面接触强度设计：由公式.确定公式内的各计算数值1） 试选载荷系数Kt=1.32） 计算小齿轮传递的转矩 3） 由表查取齿宽系数=1；4） 由表10-6查得材料的弹性影响系数；5） 由图10-21按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为； 大齿轮的接触疲劳强度极限；6)计算应力循环次数7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数 8）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S=1 则 .计算1）计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 =48.546mm2)计算圆周速度V 3）计算齿宽b 4）计算齿宽及齿高之比b/h 模数： 齿高： 5）计算载荷系数根据V=2.96m/s,精度等级8级,由图10-8查得,直齿轮,假设,由表10-3查得,由表10-2查得使用系数,由表10-4查得8级精度,小齿轮相对支承非对称布置时:将数据代入则由=9.78, 查图10-13得,故载荷系数6) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径() 7) 计算模数m (3) 按齿根弯曲强度设计 由公式得弯曲强度的设计公式: .确定公式内的各计算数值: 1) 由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳极限 齿轮的弯曲疲劳极限 2) 查图10-18查得弯曲疲劳寿命系数, 3) 计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数S=1.4,则 4) 计算载荷系数K 5) 查取齿形系数由表10-5查得 6) 查取应力校正系数 由表10-5查得 7) 计算大小齿轮的并加以比较 由此可见小齿轮的数值大 .设计计算:可取由弯曲强度算得的模数2.116mm，并就圆整为标准值2.5mm按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数: 大齿轮齿数:. 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。(4) 几何尺寸1) 计算分度圆直径: 2) 计算中心距:mm3) 计算齿轮宽度: 齿宽取4) 齿根高: 齿全高: (5) 验算 故合适。3.4轴的设计 图3.2 轴3.4.1.轴的设计（1）求输出轴上的功率P,转速n和转矩T（2）初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理，根据表15-3查取，于是得（3）轴的尺寸 如图3-2所示，左轴承与齿轮左端面之间用端盖定位,因轴承主要承受径向载荷的作用，故选用深沟球轴承。根据，由轴承产品，目录中初步选取0基本游隙组，标准精度级选用深沟球轴承626，其尺寸为。选用深沟球轴承628，其尺寸为则取 ； ； ; 。 至此，轴的各段尺寸已初步确定。3.4.2.轴的校核 1).轴上零件的周向定位: 齿轮与轴的周向定位用平键联接，各平键的尺寸为 2).倒角尺寸: 轴端倒角为 3).轴的校核 齿轮与轴的周向定位用平键连接。按查得平键截面尺寸，键槽用键槽铣刀加工。为保证齿轮与轴有良好的对中性，故选轮毂与轴的配合为。倒角为，其余见视图。 倒角为,其余见视图。4).轴上的载荷1) 水平面内的受力见轴的设计简图，选用的是628型深沟球轴承。a=26.5mm=11.5mm=11.5mm 各个力对A点取矩,则求得,竖直方向合力求得B点的弯矩2) 总弯矩图和扭拒图 由总弯矩图和扭拒图可知,截面B受力最大,故截面B处为危险截面。如下图所示。4) 作为简支梁的轴的支承跨距,画出轴的弯矩图和扭矩图。 (4) 按弯扭合成应力校核轴的强度 校核轴上的承受最大弯矩和扭拒的截面B的强度，取=0.6，则轴的计算应力 而轴的材料为45钢，调质处理，则,故安全。 3.4.3 轴承的寿命计算 圆锥滚子轴承32911的额定动载荷为66.8KN,圆锥滚子轴承32912的额定动载荷为73.0KN，则 故轴承满足使用的要求。3.5键的校核 1.轴上键的校核:键 ，则，根据材料查得，所以故合适。 2.步进电机轴上键的校核:键GB/T1095-2003， ，则，根据材料查得所以，故合适。3.6密封与润滑 1.齿轮的润滑采用油润滑，轴的润滑采用脂润滑。2.在各个轴承端盖定位盖处安装0型密封圈，进行密封。3.在输入和输出轴的轴承端盖处设置环形槽，用垫圈进行密封。3.7机身结构尺寸的设计 机身壁厚： 顶盖壁厚： 固定步进电机螺钉数目：n=4 端盖和电磁铁固定用螺栓直径： 回转升降机构落幕直径和数目： 4.电磁脚的设计分析 图4.1电磁脚 4.2电磁脚内部结构图机器人的电磁脚是由吸盘、主传动机构、转角机构、运动转换机构、控制系统以及电源几部分组成，其中主传动机构是其关键技术。电磁脚的基本尺寸为，脚的直径72mm，高度42mm，内部结构主要有，铁心、脚底、隔磁环、磁盘、卡环、线圈、轴承、挡圈和球形环节等部件组成。电磁脚由螺钉固定在升降结构的连杆上，这样就可以保证在步进电机带动齿轮齿条运转是，机器人的电磁脚便可以实现升降工作，并且最高可以抬升60mm，这样便能实现机器人的跨越障碍能力，保证了机器人攀行的顺利。如图4-1为电磁脚的外形图，4-2为电磁脚的内部结构图。5.机器人的检测方案 本设计题目为钢结构检测用攀行机器人设计，检测方案的设计也是本设计的一个重点，现代的检测技术已经十分发达了，并且种类也十分繁多，但是要想将这些技术用于机器人身上，这便需要在机器人身上安装传感器。为了方便设计并且也能达到钢结构表面的检测要求，最直接的方法就是在机器人的前端安装一个微型摄像头，并将钢结构表面的状况通过传感器反馈回来。但由于安装摄像头只能看到一些表面的现象，对表面的缺欠还不能作出具体的判断，这就需要安装一种传感器来完成，本设计选用电涡流式传感器。5.1电涡流式传感器 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流在导体内是闭合的，称为涡流。 涡流的大小与金属体的电阻率、磁导率、厚度t、线圈与金属体的距离X以及线圈的激励电流频率f等参数有关。固定其中若干参数，就能按涡流大小测量出另外一些参数。涡流传感器的特点是对位移、厚度、材料缺陷等实现非接触式连续测量，动态响应好，灵敏度高，工业应用广泛。涡流传感器在金属体内产生涡流，其渗透厚度与传感器线圈的激励电流的频率高低有关。所以涡流传感器分为高频反射式和低频透射式两类。5.2高频反射式电涡流式传感器 1）基本工作原理涡流传感器的工作原理如图5-1所示。高频信号加在电感线圈L上，L产生同频率的高频磁场作用于金属表面，由于趋肤效应，高频电磁场在金属板表面感应出涡流i，涡流产生的反磁场反作用于，使线圈的电感和电阻发生变化，从而使线圈阻抗变化。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为Z = F（，f，x）由于涡流效应，金属板电阻率、磁导率、线圈半径r、线圈激励频率f以及线圈与金属板距离x的变化均会引起线圈阻抗Z的变化。如果，f参数已定，Z成为线圈与金属板距离x的单值函数，由Z可知x。2）传感器的结构结构如图5-1所示。它由一个安装在框架上的扁平圆形线圈构成。线圈既可以粘贴在框架上，也可以绕在框架的槽内。线圈一般用高强度的漆包线，要求高的，可用银线或者银合金线。 图5.1涡流传感器工作原理和传感器结构6.控制分析机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。步进电动机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，具有控制简单、响应速度快、工作可靠、无累计误差等优点。它能够直接接受数字信号，无需中间转换，直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应，能实现直接的数字控制。另外，步进电机的抗干扰能力强、无累计定位误差，可重复反转而不损坏，并且步进电机的位置和速度控制简单，具有一定精度，使用与维护都很方便。 本次设计采用步进电机驱动执行部件完成攀行检测任务。驱动控制图如下：电机2前腿升降齿轮转动后腿升降电机1电机3机器人攀行前进检测机构执行任务结论本文在参考近几年机器人领域取得重大成果的基础上，结合“攀行机器人”和“检测机器人”这个课题，对钢结构检测用攀行机器人进行了机电一体化结构设计、同时，对传动方式和控制系统进行了研究和分析，本论文的研究主要取得了以下成果:1. 对钢结构检测用攀行机器人采用机械电子学思想进行了总体设计。立足于机电一体化的观点，对机器人的机械结构形式、驱动装置、传动方式等各组成部分进行
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