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译文-用于施工服务的最小自由度混合爬杆操纵机器人.doc
一种攀爬机器机械部分的设计-爬杆机器人-爬树【含三维SW】【全套16张CAD图纸+文档全套资料】
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用于施工服务的最小自由度混合爬杆操纵机器人1 绪论目的旨在描述设计样机的特点和爬杆/操纵机器人通过极点和弯曲部分的能力。设计/方法/方式机器人主要部分引入具有混合（并行/串行）四自由度（自由度）机制的还介绍了一种具有独特夹具设计。成果研制出一种具有爬坡能力和操纵杆具有弯曲和分支的能力，另外至少需要4个自由度的机器人，同时发现电气驱动对于爬杆机器人是一个很好的选择，它比气动和液压缸具有更好的优势研究限制/影响在未来的工作当中，机器人的半工业规模对工业机器人的设计和制造是一个很好的启发。实际影响随着对夹持模块和工具模块最后的修改，机器人将能够做一些服务工作，像管道测试，管/极清洁，公路灯泡更换等。独创性/价值为建设与服务工作设计和制造一个具有最小自由度的爬杆和操纵机器人。关键词：设计，并行编程，运动学，极点，机器人2 介绍爬壁机器人已获得很大的重视，近年来由于其潜在的应用在建筑和高大的建筑维修，农业收获，公路和桥梁维修，船厂的生产设施等等都有体现。如果需要提高串行多足机器人在复杂工作坏境中的使用，就需要在更大程度上提高其自由度。众所周知，串行配置需求量更大的扭矩在关节上，因此爬壁机器人的关键就是要求较大和较重的致动器从而在较小的有效载荷重量比。对比结果使用并行平台在减少的重量/功率比，从而使有效载荷早期在这一领域主要通过移动球面（窗口）机制集中在六自由度研究上（梅尔莱特，2000；到nshoff，1998）Salter et al建模和模拟了一种具有气动执行器和平行六自由度的并联机器人，该模型具有一个较大的有效载荷能力，这对于工业爬杆机器人来说是一个很重要的环节（Salataren et al., 1999）后来阿拉西利等人，制作了一个能够自主攀沿管状结构的并联机器人，该机器人采用高夫斯图尔特作为机器人平台，该平台的驱动器采用六气缸气动伺服控制，他们的机械结构使用了六气缸作为抓手（一个夹具使用三个气缸）总共使用了12个驱动器但不包括所需的机械臂驱动器（Aracil et al., 2003），该机械结构是相当复杂的，因此有能力通过任何方向的弯曲，并能够让他适合移动沿线的树木和复杂的结构，因此，我们需要设计的是一种不太复杂具有沿着人类设计的路线和不太复杂的结构移动的能力，同时该结构拥有最小自由度和最低数量的驱动器。此外，气压缸在机械装置的使用过程中还存在着压缩空气从压缩机到气缸的转移问题但最近几年来，机械工具在一些工业领域中的应用导致了更加注重不少于六自由度平行机制的研究，大多数最近几年的研究集中在三自由度机械机构上（Pierrot et al., 2001; Gosselin et al., 1992b; Tsai, 1996）在沿杆或具有弯曲和分支结构的管状结构上移动就必须具有四个自由度（沿垂直于管轴的翻转和旋转），同一自由度在爬杆的应用中对于大部分操作和维修工作中也是必不可少的。在Vossoughi中讨论了关于平面并联机构应用在并联结构机器人的详细建模机制和选择过程（2004）。就作者所知，对于这样的操作还没有四自由度的机械结构来提供二自由度的翻转和旋转，在本文中，该机构显示利用并行/串行机制来提供具有二自由度翻转和二自由度旋转的轴（这将在以下描述出来）。并行/串行机器人同时具有刚性全并联机构和串联机器人扩展工作区的优点（Romdhane，1999）.在Zakerzadeh中四自由度机制的完全意义上的运动学分析已经提出et al. (2004).该机构还利用新型夹具设计，使它适合安全爬杆操作3概念（方案）就像前面所提到的，沿着具有弯曲和分支的管状结构运动，至少需要四自由度。这些包括Tz：沿着极轴运动的平移自由度（图1），归零：沿着极轴左右旋转的旋转自由度（图2），接收：沿轴的径向方向旋转的旋转自由度（图3）图3-1攀沿杆图3-2绕极轴旋转图3-3弯曲段运动 结合以上三自由度和沿极轴径向翻转运动的翻转自由度，为在杆上达到目标点以后的必要操作提供必要的操作性能（即修理，维修或生产等操作比如焊接）4 机器人的设计和组成要设计的爬杆机器人主要由三部分组成（图5）：三自由度的平面并联机构，串行Z轴旋转机制，夹钳。结合三自由度平面并联机构和具有旋转机制的极轴提供的二自由度翻转和平移，这就需要在最后一章对设计目标做出解释。图4-1机器人进行焊接操作图4-2爬杆机器人模型除此之外，线性气缸要用于平行机械手来安装包围杆，因此需要减少夹具的动作时间。一个手爪连接到一个机械臂，另外一个连接旋转平台的底部，这样就可以达到，该夹钳有四个自由度与之想对应，同时可以满足在不同的截面和几何构型的轴和杆上运动。4.1 三自由度平面平行机械手通常意义上的三自由度平行三角平台由移动平台通过三个简单的运动链连接到一个固定的底座组成，每个运动链通过三个独立自由度关节组成，其中的一个是活动关节（Gosselin以及其他人），Hayes和一些人通过研究表明，有1653种不同平行三角平台能够转变成为三自由度机构，对于所推荐的机械结构，three-RPR机制可以被选定为机器人的平面平行部分。4.2 旋转机构旋转机构是由导轨，滑动单元，齿轮组和电机组成，图1显示的是导轨和滑动单元，该导轨是环绕着极轴的T形圆导轨，滑块单元由特定的轴承组成，它能够在所有可能的配置中承受在各种实践和维护机器人的稳定性的过程中产生的力和力矩，该滑块有一个下夹持器通过一个由简单传动装置连接的电机驱动，当保持其中一个夹钳固定通过旋转运动其他夹持器可以绕极轴旋转。4.3 夹持器该夹持器具有一个独特多指设计，它只需通过一个简单的电机来适应杆的不同截面和尺寸，每个夹具包括2v多指灵体，双转轴电机，左右各两个螺钉和双直线导轨，特殊的多手指布局的使用不仅增加了夹具的扭矩处理能力同时也提高在不同杆的截面和尺寸的适应性，滚珠丝杠的摩擦系数为0.1，两条直线导轨将承受机器人在爬升的过程中载重，选定的双轴电机相对于机器人的重量来说很小，图2展示了夹具的制作。图4-3-1旋转机构系列图4-3-2机器人装配夹具在典型的爬杆应用中各个组成部分的结合运动展示在图3-5，表1显示的原版本的规格和机器人工业版本的估计规格。5 机器人原型下面是建议的机械结构的运动学分析（Vossoughi et al., 2004; Zakerzadeh et al., 2004），为假设的内部灯泡更换操作而设计和建造的原型单位，这个机器人的重量为16kg，这个机器人的身体是由铝合金制造，这个机器人是由三个直流电机和三个电气缸体驱动，在缸体的控制上，电气驱动的使用比气动和液动更加简化，还能增加控制的精度，而且还不需要压缩机或泵，同时这也消除了液压管或气动管，而且这些对爬杆机器人的应用也是很不安全的、这些电动机的重量为每个1.1kg，每个电动机能够提供800N的力和0.6 m/min的速度。平面并联机构的旋转接头应该制作的具有相对较高的耐受性，不然的话，平面并联机构将会被约束或展现出多余的自由度，除此之外，对于机械结构的合理运动，装配的工艺精度也是非常重要的，为了使两个微型机械手更好的适应更换动作，一个机械手夹持新灯泡，一个机械手更换旧灯泡，这个夹持器为气动驱动，同时也是一个可以被利用的拥有300cc容量的小存储器，通过装在机械手上得圆顶遥控摄像机，当机器人在更换灯泡时，用操纵杆通过悬挂装置来实现远程控制，该相机拥有两个自由度，可以绕两条垂直的轴左右旋转，同时被一个圆顶所遮盖，图6展示制作的原型。图7显示的是在杆上得制作原型，图8是制作原型通过弯曲部分时图像，图9是制作原型更换灯泡是的图像6 机器人的控制就像前面所提到，制作原型是通过三个electrical cylinders和三个直流电机驱动，每个电机都有一个控制面板，它是直接连接到中央电脑图6-1机器人沿杆轴运动图6-2机器人绕杆转动图6-3通过弯曲部分时的机器人表一.机器人的工业版本和原型版本的估计数据线性驱动器的个数旋转驱动器的个数重量尺寸（cm）原型版本3316工业版本3330图6-4制作原型图6-5制造原型沿杆移动图6-6制作原型通过弯曲部分机械手的电动机采用电流反馈控制，当夹钳接触到电极，电流上升，当电流上升到一定的值时，机械手产生与电流成正比的力，由于机械手的电动机是没有后备电源的，当电动机断电后，由于大量齿轮的存在，夹具不会松懈还将保持原有的姿态，这样可以保证当其断电后的安全性。电缸包括一个直流电机，传动装置和螺杆，在直流电机的轴使用了频率为500hz的编码器，气缸的直线运动的精度为0.1mm，在直流电机的转动机构的轴上也使用了100Hz的编码器，串行机制的转动装置的精度为，一些列组装在夹钳上得触摸开关，不仅可以检测到杆的弯曲和
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