自動攀爬機器人結構設計@機械@-資料下載頁

【導讀】動了人類社會的技術進步。它是計算機科學、控制論、機械學、電子技術等多學?？凭C合性的高科技產物，是典型的機電一體化產品。以部分取代人完成各種惡劣環境下的工作，而且將對人類社會產生深遠的影響。其目的是代替人類，在各工業、石化企業、建筑行業、消防部門、造船等領。域中的危險狀態下作業。它的研究和開發有著廣闊的前景和良好的社會效益，受。世界上很多國家開展了這方面的研究工作，國內外已有不同類型。的自攀爬機器人研制成功?？刂啤⒁曈X、環境識別、現代設計方法等諸多知識，是多學科交叉綜合的結果。此外，還涉及構成各類機器人自身服務功能的各項專有技術。通過對國內外研究現狀進行總結和分析，針對自攀爬機。通過氣缸桿的伸縮和電動缸的相對移動，通過步進電機驅動蝸桿和蝸輪，使上。在理論和實際開發應用中存在的問題，制作了自攀爬機器人樣機。載大、能任意方向旋轉等特點。

　　

【正文】 要求。而多吸盤吸附穩定可靠，抗傾覆承載能力和越障能力較高，吸盤組在功能上可以彌補單個吸盤的不足和缺陷，并提高吸附系統的性能，因而多吸盤方式受到了更多的關注。由此，自攀爬機器人吸附機構根據玻璃、瓷磚幕墻具有表面光滑、表面缺陷少、非導磁性等特點，選用真空多吸盤吸附方式。多吸盤吸附有多個支撐點，通過各吸盤的交替吸附與脫離，實現自攀爬機器人的移動行走和跨越 障礙。 吸附機構設計 吸附機構基本組成原理圖如圖 所示，吸附機構由安裝在吸盤安裝板上的真空吸盤組、真空安全閥、壓力開關、真空發生器等真空 元 件組成。系統工作時， 28 真空發生器產生負壓，通過真空吸盤組吸附在壁面上，同時當一個吸盤由 于 壁面不平而失去真空時，真空安全閥能確保該吸 盤 不會影響其它的真空吸盤，仍維持系統的真空度不變，從而使機器人具有較好的吸附可靠性。真空系統中的壓力傳感器，能檢測吸 盤 內部是否達到了預定的真空度，從而判斷自攀爬機器人是否進行下一步動作，以確保吸盤組能牢固的吸附 于 壁面上，不致滑落或者傾覆。同時吸盤的布置形式對吸盤組的吸附性能也有較大影響，吸 盤 的幾種布置形式如圖 所示 :環形布置、矩形布置、 三 角布置和直線布置等幾種形式。環形吸盤組各個 方向的特性近似相等，矩形吸盤組兩個正交方向的抗傾覆性能相差較大，三角吸盤組兩個相反方向的抗傾覆能力相差很大，適合 于 一邊受壓一邊受拉的場合，自攀爬機器人根據自身的三角結構設計和實際作業的情況，選擇的是三角布置形式。 真空吸附機構安全性分析 當自攀爬機器人進行作業時，如果負載過重或者受力不平衡，就可能從壁面上滑落或者 發生傾翻，以致發生安全事故。因此必須對自攀爬機器人吸盤吸附力進行可靠性分析，保證機器人能安全可靠的吸附在壁面上。對機器人受力分析如圖 所示，當機器人進行作業時， 6 組吸盤組 18 個吸 盤 全部吸附在壁面上，此時吸附力最強，即此時吸附最可靠。對自攀爬機器人進行分析可知，當機器人垂直向上運動時，下框架吸附，上框架脫離吸附，且下框架吸盤組一個在上邊，兩個在下邊時吸附力可靠性最差。因此，只需對此時機器人的吸附可靠性情況進行分析。我們把每組吸盤組 3 個吸盤作為一個整體進行分析。 29 N—— 工作表面對 三 個洗盤組的法向 力 。 Ni—— 工作表面對第 i 個吸 盤 組的法向力 。 F—— 三個吸 盤 組的真空吸附力 。 Fi—— 第 i 個吸 盤 組的真空吸附力 。 f—— 三個吸盤組所受到的滑動摩擦力 。 fi—— 第 i 個吸盤組所受到的摩擦力 。 G—— 壁面清洗機器人及負載的重力 。 L1—— 上面一個吸盤組的幾何中心距下面兩個吸 盤 組幾何中心連線的垂直距離 。 L2—— 自攀爬機器人及負載的重心距工作壁面的距離 。 根據摩擦力的特性，最大靜摩擦力一般要大 于 滑動摩擦力，為了避免機器人從工作壁面上滑落，所以只要重力小 于 滑動摩擦力，即只須滿足 : Gf=??31μi Ni () 式中 181。為吸盤在工作壁面的滑動摩擦系數， f 為外框架所有吸盤組的總的滑動摩擦力。 然后分析垂直壁面方向、平行壁面方向的受力，列出力的平衡方程 ??31 Ni)(Fii=0 () ?? ?31i GFi=0 () 30 (F1N1)L1=GL2 () 根據實際情況不妨假定各個吸盤組的真空度是相等的，則作用在所有吸盤組上的吸附力相等，假定為 Fa，則 Fa=F/3，同時壁面作用在吸盤組 2 和 3 上的力N2=N3 解（ ）得 ： N1=Fa 12LGL () 把（ ）代入（ ）可以求得 ： N2=N3=Fa+ 122LGL () 吸盤組要在傾覆力矩的作用下保持不傾翻必須滿足 : Ni0 () 綜合以上式子可以得兩個約束條件 : Fa 12LGL () Faμ3G () 從自攀爬機器人的這兩個安全約束條件看，當摩擦系數一定的情況下，吸盤的最小吸附力同時滿足這兩個安全約束條件，則自攀爬機器人的吸盤吸附力設計即是安全的。 氣動邏輯控制分析與設計 前面已經講過，自攀爬機器人在墻面上可靠吸附，不但要吸盤有足夠大的吸附力， 而且要保證吸 盤 提供的吸附力能使自攀爬機器人可靠的吸附在壁面上。這就需要檢測裝置去判斷吸盤是否已經牢固的吸附在壁面上，從而判斷機器人是否能進行下一步動作。 我們設計的吸 盤 為 三 個一組，上下框架各 三 組，共 于 八個吸盤。如果要為每個真空吸盤提供一個真空發生器，就大大的增加了氣動控制系統的復雜程度，而且增加了機器人自身的重量。鑒 于 此，我們設計一個吸盤組三個吸盤共用一個真空發生器，這就要解決判斷 三 個吸盤真空是否建立的問題。以前的經驗做法就是在每個吸盤上安裝一個真空安全閥，真空安全閥的作用就是當一個吸盤沒有建立真空時，不會 影響到其他吸盤真空的建立。一個吸盤組 三 個吸盤都安裝真空安全閥，去保證每個吸盤真空的建立是獨立 于 其他吸盤。我們設計的自攀爬機器人本體和負載重量共為 350N，選用的真空吸盤最低安全系數是當上框架或者下框架 31 吸附時， 三 個吸盤組中每個吸 盤 組至少有一個可靠吸附在壁面上，我們才認為吸附是安全的，自攀爬機器人才能進行下一步動作。如果按經驗設計，壓力開關裝在真空發生器的上端，如圖 所示。如果壓力開關檢測到吸盤組建立真空，即判斷吸盤組吸附是可靠的，發出信號使自攀爬機器人進行下一步動作，將會出現安全問題。從圖 可以看出， 當吸盤組 三 個吸 盤 都不能建立真空時，由 于 有真空安全閥的存在，每個真空安全閥上端即壓力傳感器檢測部位仍然能建立真空，這時壓力傳感器動作，將會使自攀爬機器人跌落。 如何解決既能保證每個吸盤能獨立建立真空，又能準確判斷吸盤組是否可靠的吸附 于 壁面上，這就涉及到了氣動邏輯回路方面的問題。用氣動邏輯 元 件組合判斷真空吸盤是否建立真空。如圖 所示，用兩個氣動邏輯 元 件“與門”組合判斷吸盤組中至少有一個建立真空，機器人才會進行下一步動作?！芭c”回路只有當所有輸入信號都存在時才能輸出，兩個輸入信號的“與”回路如圖 所示，其輸出函數為 S=XY。我們把圖 的 三 個吸盤從左到右依次編號為 a, b, c，兩個“與門”氣動邏輯 元 件從上到下依次編號為 A 和 B，建立真空信號為 0，沒有建立真空為 1，分析如何判斷吸盤組的吸附可靠性。如果當所有的吸盤都建立了真空， a, b,c 均為 0，則 A 為 0，則 B 為 0，則說明吸掀組的吸附是可靠的，從而壓力開關 5 向抓考制系統發出信號，進行下一步動作。如果吸盤 a 沒有建立真空為 0，吸盤 b,c 建立了真空為 1，則 A 為 0，則 B 為 0，則說明吸掀組的吸附是可 32 靠的。如果 a,b 都沒有建立真空為 1，只有 c 建立了真空，則 A 為 1, B 為 0，也說明吸掀組的吸附是可靠的。如果 三 個吸掀都沒有建立真空，則 a, b, c 都為 1，則 A 為 1, B 為 1，則說明吸盤組 三 個吸盤都沒有可靠的吸附 于 壁面上，這樣壓力開關就不會發出信號使機器人進行下一步動作。其它八個吸盤組都是同樣設計，從而保證了自攀爬機器人的安全。 33 氣動控制系統設計 根據自攀爬機器人總體設計，設計了氣動原理圖，如圖 所示。氣源是放在樓頂的隨動小車上的空壓機提供的，氣源處理組件也在隨動小車上，壓縮空氣通過 PUN6x1BL 塑料氣管輸送到氣缸和真空吸盤中。電 磁閥 3 是 FESTO 公司生產的 CPE14M1BH5LQS6 型兩位五通電磁閥，該電磁閥具有寬度小、功耗低、流量大等特點，而且結構簡單緊湊，響應速度快，容易控制。用該型號電磁閥控制自攀爬機器人腿部兩組六個個氣缸。六個氣缸 三 個一組，分別用電磁閥控制。一種中的 三 個氣缸同時動作。電磁閥 6 是 FESTO 公司生產的 CPE 14M1BH3 GL1 /8 型兩位 三 通電磁閥，用該型號電磁閥控制自攀爬機器人的 6 組真空吸盤。三 組真空吸盤為一個部分，用一個該型號的電磁閥控制。真空發生器 7 是使真空吸盤產生真空，前面已經詳細敘述 。真空安全閥 8 是保證每個真空吸盤是獨立的，不會應為一個吸盤的真空釋放而影響到其他真空吸盤，這就有效的減少了因為墻面凸凹不平，使真空吸盤真空不能建立的情況?！芭c門” 10 是判斷一組真空吸盤中是否建立真空。用來判斷機器人是否安全的的吸附在壁面上。 34 真空吸盤的選取 吸盤的選取要滿足吸附力的要求，使自攀爬機器人不致傾翻和滑落。我們設計的自攀爬機器人的自身重量為 20kg,設計負載 15kg，總重為 35kg。我們取g=10N/kg，則 G=350N。因此選用的真空吸盤必須滿足吸附力要求，并切和壁面有 較大的摩擦力，不會使吸盤順著壁面滑落。 根據總體設計方案和對吸盤的要求分析，我們選取 FC75P 吸盤在真空度為60KPa 時，單個吸盤與壁面的最小摩擦力為 225N，則每個吸盤組與墻面的最小摩擦力為 675N， 三 個吸盤組與墻面的最小摩擦力為 2125N,取安全系數為 4，則吸盤組的摩擦力遠大 于 機器人及負載的重量。故取 FC75P 吸盤能保證自攀爬機器人不會滑落。 我們設計的自攀爬機器人重心距墻面的距離 L2 為 410mm，上框架上面一個吸盤組據下面兩個吸盤連線的垂直距離 Ll = 523mm 為 523mm。一組吸盤的摩 擦力為 2125N,而吸盤的吸附力大 于 摩擦力，故吸盤的摩擦力大于 12LGL ，那么吸盤的吸附力一定大于 12LGL ，滿足式 (38)。故我們選的 FC75P 吸盤能保證自攀爬機器人不會傾翻。 本章小結 本章對自攀爬機器人的氣動原理進行了詳細的說明，并設計了氣動控制回路。對吸盤的吸附特性和吸附原理進行了詳細的說明，同時對 機器人吸盤吸附的安全性進行了分析，并根據設計選擇的真空吸盤。根據回路設計，選擇了適合系統的氣動 元 器件。 35 本章小結 本章首先對有限 元 分析軟件 ANSYS 進行了詳細的介紹，介紹了 ANSYS 有限 元 分析軟件的基本特點和分析的基本過程和基本步驟。利用 ANSYS 有限 元 分析軟件對設計的各個零部件進行了結構校核和應力應變分析，分析結果顯示設計零部件符合設計要求。然后根據設計和分析結果，繪制出了工程加工圖紙，并制造加工了各個自制件，進行了樣機的安裝。 36 第 6 章 結論與展望 主要結論 自攀 爬機器人設計研究目標是設計出一種主要用 于 垂直壁面、球面等攀爬行走，可搭載相應的設備的載物平臺，實現壁面的清洗、探傷、管道敷設、油漆等多種功能，能作為一種通用的用 于 垂直壁面、球面等的行走機器人。它綜合了機器人學、自動控制、運動學、機械、軟件編程和硬件設計等多學科領域的知識，它的研制成功，有助 于 推動壁面的清洗、探傷、管道敷設、油漆等極限作業的自動化，減少人力勞動，提高工作效率，降低勞動成本，有較高的推廣應用價值。本論文提出了一種新型自攀爬機器人模型，確定了自攀爬機器人的本體結構，各部件的設計、氣動 元 件的選型和計 算。并根據設計加工出了原理樣機一臺。該自攀爬機器人行程為 200mm，最高能攀爬高為 26mm 臺階，能跨越高為 80mm，寬為 50mm的障礙物。能根據攀爬的環境，進行自主判斷障礙并能自主避障。自對中連接件的角度補償為 40，上框架最前端的自對中連接件距上框架最后端的自對中連接件為 758mm。 主要工作和結論 : ①提出了一種全新的 三 角框架式、真空吸附的自攀爬機器人搭載平臺，建立了機器人的 三 維模型，進行了動畫仿真，通過仿真可以看出機器人不僅結構簡單，而且行動靈活、控制方便、能夠跨越一定高度的障礙。 ②根據機器人的 工作環境，考慮了各種影響因素，推導出了可靠吸附條件，根據該條件確定采用多吸盤結構，并確定了具體的吸盤直徑、個數及吸盤的總體布局。 ③在自制件的設計中充分考慮了強度和減輕重量的要求，對設計中的自制件進行了受力分析，并用有限 元 分析軟件 ANSYS 進行了應力分析和形變，分析結果顯示所有自制件均能滿足要求。 ④對氣動控制系統