管道外爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真【三維UG模型】【含CAD圖紙】

喜歡就充值下載吧，，資源目錄下展示的全都有，，下載后全都有，dwg格式的為CAD圖紙，有疑問(wèn)咨詢QQ：414951605 或1304139763 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 【摘要】 隨著社會(huì)的發(fā)展需要，機(jī)器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。機(jī)器人的研究和發(fā)展對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的影響。 本文介紹了國(guó)內(nèi)外爬行機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，本課題的研究意義，并對(duì)其進(jìn)行了功能原理分析，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外爬行機(jī)器人現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)管道外爬行機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析。 在本次設(shè)計(jì)中，管道外爬行機(jī)器人采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)爬行過(guò)程。選擇了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī);確定了曲柄、連桿構(gòu)件的尺寸，并以氣缸作為夾持器的動(dòng)力源；根據(jù)曲柄滑塊的工作原理對(duì)爬樹(shù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析;分析了爬行機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并介紹了各個(gè)控制部分工作原理和特點(diǎn)。最后對(duì)該爬行機(jī)器人做了仿真。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 管道外爬行機(jī)器人 仿真 ［ABSTRACT］: With the need of the developing society,robots have permeated into every aspect of our life,work and economics,and are playing an important role.The research and development of the robots have a lot of influence on our economic expansion. In this article, present situation and development of climbing tree robot are introduced, as well as the importance of the reserch of the climbing robot, at the same time its principle is analyzed. After summarizing the present situation of climbing robot at home and abroad, mechanism design and theoretical analysis Piping crawl along the robot are finished. In this design, Crawled robots along pineline using slider-crank mechanism, the realization process of reptile. Choose a stepper motor as a motor, Determine the crank connecting the size of components, and the power cylinder for clamping device, According to the working principle of crank slider to climb robot motion analysis,the control system of climbing robot control system, further, each principle of work and trait of control systerm is introduced, at the last, simulation is made. Key words :Robot；Crank-slider mechanism；Crawled robots along pineline ; Simulation  目錄 目錄.............................................................................................................................1 第一章 緒論..............................................................................................................3 1.1 機(jī)器人的定義....................................................................................... 3 1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展................................................................3 1.21 國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展............................................................................3 1.22 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展............................................................................5 1.23 國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)器人的工作原理分析................................................6 1.3 課題來(lái)源，目的及意義........................................................................9 1.4 課題需要完成的主要任務(wù)...................................................................10 第二章 管外爬行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)............................................................11 2.1 總體機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)...............................................................................11 2.11 坐標(biāo)樣式...........................................................................................11 2.12 機(jī)構(gòu)方式...........................................................................................12 2.13 驅(qū)動(dòng)方式的選擇...............................................................................12 2.14 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇...............................................................................13 2.15 爬行機(jī)器人的主要特點(diǎn)...................................................................14 2.2 爬行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)...........................................................................16 2.21 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).........................................................................................16 2.22 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介.........................................................................................17 2.3 結(jié)構(gòu)原理分析.......................................................................................18 2.4 運(yùn)動(dòng)原理分析.......................................................................................19 2.5 管道外爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì).......................................................19 2.51 機(jī)器人預(yù)期功能要求.....................................................................19 2.52 功能原理設(shè)計(jì).................................................................................19 2.53 運(yùn)動(dòng)方案的確定.............................................................................19 2.54 執(zhí)行機(jī)構(gòu)材料的選擇.....................................................................20 2.55 位移和速度分析.............................................................................22 2.56 執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖.........................................................................23 2.6 本章小結(jié)...............................................................................................23 第三章 管道外爬行機(jī)器人的實(shí)體建模 ............................................................24 3.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)軟件-UG5的介紹.................................................................24 3.11 UG5的功能特點(diǎn).............................................................................25 3.12 使用UG的優(yōu)點(diǎn)..............................................................................25 3.2 爬行機(jī)器人的實(shí)體建模.......................................................................26 3.21 滑塊（方形架）的建模.................................................................26 3.22 夾持器的建模 ...............................................................................27 3.23 連桿、曲柄的建模...........................................................................28 3.24 聯(lián)軸器的建模.................................................................................28 3.25 各種連接銷(xiāo)的建模.........................................................................29 3.26 各種標(biāo)準(zhǔn)件的使用.........................................................................30 3.27 鍵的建模.........................................................................................30 3.28 爬行機(jī)器人的裝配.........................................................................31 3.29 機(jī)器人的二維視圖.........................................................................33 3.3 本章小結(jié)...........................................................................................33 第四章 爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真 4.1 爬行機(jī)器人的仿真......................................................................... .34 4.11 連桿的建立...................................................................................34 4.12 運(yùn)動(dòng)副的建立...............................................................................34 4.13 爬行機(jī)器人的仿真.......................................................................35 4.2 爬行機(jī)器人的控制...........................................................................36 4.21 傳感器的控制...............................................................................36 4.22 電機(jī)的控制...................................................................................36 4.3 本章小結(jié).........................................................................................40 總結(jié) ......................................................................................................................41 致謝........................................................................................................................42 參考文獻(xiàn)................................................................................................................43 第一章 緒論 1.1機(jī)器人的定義 早在1923年，捷克作家卡佩克發(fā)表了科幻劇本《洛桑萬(wàn)能機(jī)器人》?？ㄅ蹇税呀菘苏Z(yǔ)“Robata“寫(xiě)成Robot”，其意思是農(nóng)奴，預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)科學(xué)與技術(shù)的悲劇性影響，因而極受關(guān)注，這被當(dāng)做了“機(jī)器人”（Robot）一詞的起源?！皺C(jī)器人”（robot）一詞常常認(rèn)為是人一樣的機(jī)器，其經(jīng)常出現(xiàn)在各種科幻電影和小說(shuō)中。 與科幻作家所想象的超人機(jī)器人不同的是，更現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人只是一類特殊的自動(dòng)機(jī)器，它具有與人的四肢相比擬的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可接受視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等傳感信息，在計(jì)算機(jī)即電腦的指揮下完成各種機(jī)械操作功能，當(dāng)前主要是代替人進(jìn)行比較通用、靈巧、自主的重復(fù)操作。機(jī)器人不僅可以把人類從條件惡劣、繁重單調(diào)的作業(yè)中解放出來(lái)，而且在力量、精度和速度以及特殊環(huán)境下的生存和工作能力等方面有人類無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人的應(yīng)用和研究對(duì)提高勞動(dòng)上產(chǎn)率、推動(dòng)科技發(fā)展具有重要意義，同時(shí)也成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平和科技水平的一個(gè)重要標(biāo)志。機(jī)器人在工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)中日益廣泛的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益、也有力的推動(dòng)了有關(guān)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，從而使其成為一個(gè)活躍的、富有魅力的研究領(lǐng)域。 近幾十年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)不斷得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，人們 期望機(jī)器人在許多人類不能到達(dá) 的區(qū)域能代替人類完成更復(fù)雜的任務(wù)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，例如在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、防止核污染等危險(xiǎn)惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景 ，所以機(jī)器人所面臨的環(huán)境往往是未知的、不可預(yù)測(cè)的、非人為構(gòu)造的環(huán)境，機(jī)器人所要完成的任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜 。 1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展 1.2.1國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展 美國(guó)是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，比起號(hào)稱"機(jī)器人王國(guó)"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。 由于美國(guó)政府從60年代到70年代中的十幾年期間，并沒(méi)有把工業(yè)機(jī)器人列入重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開(kāi)展了一些研究工作。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，在只看到眼前利益，政府又無(wú)財(cái)政支持的情況下，寧愿錯(cuò)過(guò)良機(jī)，固守在使用剛性自動(dòng)化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險(xiǎn)，去應(yīng)用或制造機(jī)器人。加上，當(dāng)時(shí)美國(guó)失業(yè)率高達(dá)6．65％，政府擔(dān)心發(fā)展機(jī)器人會(huì)造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機(jī)器人，這不能不說(shuō)是美國(guó)政府的戰(zhàn)略決策錯(cuò)誤。70年代后期，美國(guó)政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術(shù)路線上仍把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級(jí)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)上，致使日本的工業(yè)機(jī)器人后來(lái)居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機(jī)器人制造業(yè)上很快超過(guò)了美國(guó)，產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上形成了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 　 進(jìn)入80年代之后，美國(guó)才感到形勢(shì)緊迫，政府和企業(yè)界才對(duì)機(jī)器人真正重視起來(lái)，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵(lì)工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機(jī)器人，另一方面制訂計(jì)劃、提高投資，增加機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi)，把機(jī)器人看成美國(guó)再次工業(yè)化的特征，使美國(guó)的機(jī)器人迅速發(fā)展。 80年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟，第一代機(jī)器人的技術(shù)性能越來(lái)越滿足不了實(shí)際需要，美國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)帶有視覺(jué)、力覺(jué)的第二代機(jī)器人，并很快占領(lǐng)了美國(guó)60％的機(jī)器人市場(chǎng)。 盡管美國(guó)在機(jī)器人發(fā)展史上走過(guò)一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究的曲折道路，但是美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。具體表現(xiàn)在： （1）性能可靠，功能全面，精確度高； （2）機(jī)器人語(yǔ)言研究發(fā)展較快，語(yǔ)言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首； （3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺(jué)、觸覺(jué)等人工智能技術(shù)已在航天、汽車(chē)工業(yè)中廣泛應(yīng)用； （4）高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測(cè)方面。 在1966年，美國(guó)Unimation公司的尤尼曼特機(jī)器人和AMF公司的沃莎特蘭機(jī)器人就已經(jīng)率先進(jìn)入英國(guó)市場(chǎng)。1967年英國(guó)的兩家大機(jī)械公司還特地為美國(guó)這兩家機(jī)器人公司在英國(guó)推銷(xiāo)機(jī)器人。接著，英國(guó) Hall Automation公司研制出自己的機(jī)器人RAMP。70年代初期，由于英國(guó)政府科學(xué)研究委員會(huì)頒布了否定人工智能和機(jī)器人的Lighthall報(bào)告，對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)行了限制發(fā)展的嚴(yán)厲措施，因而機(jī)器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。 但是，國(guó)際上機(jī)器人蓬勃發(fā)展的形勢(shì)很快使英政府意識(shí)到：機(jī)器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力大為下降。于是，從70年代末開(kāi)始，英國(guó)政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實(shí)施了一系列支持機(jī)器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機(jī)器人的重要性、在財(cái)政上給購(gòu)買(mǎi)機(jī)器人企業(yè)以補(bǔ)貼、積極促進(jìn)機(jī)器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國(guó)機(jī)器人開(kāi)始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時(shí)期。 法國(guó)不僅在機(jī)器人擁有量上居于世界前列，而且在機(jī)器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進(jìn)水平。這主要?dú)w功于法國(guó)政府一開(kāi)始就比較重視機(jī)器人技術(shù)，特別是把重點(diǎn)放在開(kāi)展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。 法國(guó)機(jī)器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過(guò)政府大力支持的研究計(jì)劃，建立起一個(gè)完整的科學(xué)技術(shù)體系。即由政府組織一些機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項(xiàng)目，而由工業(yè)界支持開(kāi)展應(yīng)用和開(kāi)發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機(jī)器人在法國(guó)企業(yè)界很快發(fā)展和普及.　 　 德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國(guó)。這里所說(shuō)的德國(guó)，主要指的是原聯(lián)邦德國(guó)。它比英國(guó)和瑞典引進(jìn)機(jī)器人大約晚了五六年。其所以如此，是因?yàn)榈聡?guó)的機(jī)器人工業(yè)一起步，就遇到了國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)不景氣。但是德國(guó)的社會(huì)環(huán)境卻是有利于機(jī)器人工業(yè)發(fā)展的。因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)，導(dǎo)致勞動(dòng)力短缺，以及國(guó)民技術(shù)水平高，都是實(shí)現(xiàn)使用機(jī)器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機(jī)器人的推廣開(kāi)辟道路；在"改善勞動(dòng)條件計(jì)劃"中規(guī)定，對(duì)于一些有危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來(lái)代替普通人的勞動(dòng)。這個(gè)計(jì)劃為機(jī)器人的應(yīng)用開(kāi)拓了廣泛的市場(chǎng)，并推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。日爾曼民族是一個(gè)重實(shí)際的民族，他們始終堅(jiān)持技術(shù)應(yīng)用和社會(huì)需求相結(jié)合的原則。除了像大多數(shù)國(guó)家一樣，將機(jī)器人主要應(yīng)用在汽車(chē)工業(yè)之外，突出的一點(diǎn)是德國(guó)在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)改造原有企業(yè)，報(bào)廢了舊機(jī)器，購(gòu)買(mǎi)了現(xiàn)代化自動(dòng)設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)和機(jī)器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷(xiāo)對(duì)路。到1984年終于使這一被喻為"快完蛋的行業(yè)"重新振興起來(lái)。與此同時(shí)，德國(guó)看到了機(jī)器人等先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級(jí)的、帶感覺(jué)的智能型機(jī)器人轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)近十年的努力，其智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。 1.2.2國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展 我國(guó)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)及“863”計(jì)劃的推動(dòng)下，也取得了很大的進(jìn)展。目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有150多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，進(jìn)行一次性重新設(shè)計(jì)，導(dǎo)致產(chǎn)品規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本高，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、規(guī)?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)從1987年實(shí)施國(guó)家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃以來(lái)，把智能機(jī)器人確立為自動(dòng)化領(lǐng)域的主體之一，在特種機(jī)器人、機(jī)器人應(yīng)用工程、機(jī)器人基礎(chǔ)學(xué)科等方面取得了很大成績(jī)。在移動(dòng)機(jī)器人方面主要研究工作有:1994年通過(guò)鑒定的清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人，涉及到基于地圖的全局路徑規(guī)劃、基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃、路徑規(guī)劃的仿真、傳感數(shù)據(jù)信息融合等技術(shù);哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的輪式智能服務(wù)機(jī)器人能無(wú)纜行走、自動(dòng)避障、識(shí)別語(yǔ)音并能與人對(duì)話、能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人、用于服務(wù)場(chǎng)合的導(dǎo)游導(dǎo)購(gòu)等，6000米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平。此外還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種;在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.2.3國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料工作原理分析 爬行機(jī)器人要想走向?qū)嵱?，必須擁有能勝任的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力，并具有既安全而又友好地與人一起工作的能力，移動(dòng)機(jī)器人的指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。自主性是指機(jī)器人具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力，不但能夠測(cè)量周?chē)奈矬w，還有理解周?chē)h(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并做出正確的判斷及操作和移動(dòng)的能力;交互性是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人以及機(jī)器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。因此，在移動(dòng)機(jī)器人研究中，關(guān)鍵在于以下幾個(gè)方面: 一、導(dǎo)航定位 在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中，精確的位置知識(shí)是一個(gè)基本問(wèn)題。有關(guān)位置的測(cè)量，可分為兩大類:相對(duì)測(cè)量和絕對(duì)測(cè)量。使用的方法分為7種:里程計(jì)、慣性航、磁羅盤(pán)、主動(dòng)燈塔、全球定位系統(tǒng)、路標(biāo)導(dǎo)航和地圖模型匹配。其中前兩種屬于相對(duì)位置測(cè)量，也稱為航跡推算。在導(dǎo)航與定位方面，有兩個(gè)重要的發(fā)展方向:一個(gè)是關(guān)于如何構(gòu)造完整性的導(dǎo)航系統(tǒng);另一個(gè)是關(guān)于主動(dòng)環(huán)境問(wèn)題，也稱之為機(jī)器人與環(huán)境交互或融合問(wèn)題。機(jī)器人通過(guò)環(huán)境中存在的主動(dòng)裝置的交互，完成導(dǎo)航和定位任務(wù)。 移動(dòng)機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號(hào)類型、導(dǎo)航地域等因素的不同，可以分為基于地圖導(dǎo)航，基于路標(biāo)導(dǎo)航，基于視覺(jué)導(dǎo)航，基于感知器導(dǎo)航等。 二、機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域以及各種場(chǎng)合的應(yīng)用，研究人員開(kāi)展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。輪式機(jī)器人由于控制簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。目前出現(xiàn)的輪式機(jī)器人主要有單輪，四輪，五輪，六輪和八輪這幾種機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)機(jī)構(gòu)、電氣和軟件的綜合系統(tǒng)，它的任何一個(gè)部分都不是孤立的。結(jié)構(gòu)的問(wèn)題影響到控制和算法。 近年來(lái)由于應(yīng)用背景的不斷擴(kuò)大和智能機(jī)器人的研究加快，國(guó)內(nèi)外對(duì)于輪式機(jī)器人的移動(dòng)載體的研究也越來(lái)越多。按照機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的約束方程可以將其分為兩類:完整性約束和非完整性約束的移動(dòng)機(jī)器人。 對(duì)于一個(gè)非完整性的約束的輪子來(lái)說(shuō)，它只能在與輪子軸垂直的方向前進(jìn)或后退，在不打滑的情況下不具有側(cè)向移動(dòng)的能力。在移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)中，如果它的約束方程中有非完整性的約束方程，或者說(shuō)如果它的某個(gè)輪子不具有側(cè)向滑動(dòng)的能力，那么它就是一個(gè)非完整約束的移動(dòng)機(jī)器人。非完整約束在現(xiàn)實(shí)世界中是隨處可見(jiàn)的，像傳統(tǒng)的車(chē)輪都屬于非完整約束的輪子，但是對(duì)它的研究卻較晚。非完整約束的移動(dòng)機(jī)器人，雖然在開(kāi)闊的工作空間中經(jīng)過(guò)姿態(tài)的調(diào)整可以達(dá)到任意的方向和位置，但是由于不具有移動(dòng)的能力，這樣在緊湊的工作空間中就不再適用。非完整約束的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和限制使得這類系統(tǒng)和軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤等問(wèn)題中以增加了一個(gè)約束條件而變得困難了。另外，在非完整約束條件下的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程是非線性函數(shù)，用常規(guī)的線性控制理論進(jìn)行控制機(jī)器人是很困難的，而且也不能化成簡(jiǎn)單的線性系統(tǒng)。可見(jiàn)，對(duì)于非完整約束的移動(dòng)機(jī)器人的控制也存在一定的難度，但由于它的普通性，目前好多學(xué)者致力于非完整約束條件下移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制的研究。由完整約束輪子構(gòu)成的移動(dòng)機(jī)器人能夠在保持機(jī)體姿態(tài)不變的前提下沿任意方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)的功能。這種能力使得移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等問(wèn)題變得相對(duì)簡(jiǎn)單，并且它可以在狹小的工作空間中很好的完成任務(wù)。為了讓移動(dòng)機(jī)器人具有全方位移動(dòng)的能力，不斷有人進(jìn)行完整性約束輪子的研究，于是出現(xiàn)了幾類有代表性的全方位移動(dòng)輪。其中較具有影響力的是正交輪全方位移動(dòng)機(jī)器人。由這種結(jié)構(gòu)組成的移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)于前邊的兩種結(jié)構(gòu)具有數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單、控制容易、全方位移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在仍然有許多人在致力于全方位移動(dòng)輪的研究，并且不斷有各種特色的新型裝置推出。在實(shí)際的系統(tǒng)中采用何種結(jié)構(gòu)的車(chē)輪以及輪子的數(shù)量取決于地面性質(zhì)、車(chē)輛的承載要求、移動(dòng)機(jī)器人的任務(wù)等多種因素。 當(dāng)前，對(duì)其它非輪式移動(dòng)機(jī)器人，例如足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人的研究較多，但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。 三、路徑規(guī)劃技術(shù) 爬行機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是給定機(jī)器人及其工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，尋求有界輸入使系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)從起始點(diǎn)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)點(diǎn)。其主要研究?jī)?nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)已知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境，按機(jī)器人獲取信息方式的不同可分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀(jì)70年代，目前對(duì)這一問(wèn)題的研究仍十分活躍，許多學(xué)者都做了大量的工作。 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要問(wèn)題，對(duì)于自由移動(dòng)機(jī)器人即機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)不受約束，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題可以通過(guò)在自由位形空間內(nèi)計(jì)算一條路徑加以解決，這樣的一條路徑與工作空間內(nèi)的一條可行的自由路徑相對(duì)應(yīng)。但是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)受到非完整性約束，并不是任意路徑都一定是可行的。在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中，還要考慮運(yùn)動(dòng)中的避障問(wèn)題，因此，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。尚有許多問(wèn)題有待研究。 四、跟蹤控制 跟蹤控制是爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的一個(gè)重要問(wèn)題，也是一個(gè)非常實(shí)際的問(wèn)題。分為軌跡跟蹤控制和路徑跟蹤控制兩種。在軌跡跟蹤控制中，期望軌跡是由幾何參數(shù)來(lái)描述的。當(dāng)要求機(jī)器人以一個(gè)期望的速度跟蹤一條由幾何參數(shù)給出的路徑時(shí)，可以采用路徑跟蹤控制。已有的軌跡跟蹤方法在數(shù)學(xué)上很完美，并且得到許多有意義的結(jié)果，但對(duì)于設(shè)計(jì)實(shí)際的跟蹤控制器來(lái)說(shuō)，還有許多實(shí)現(xiàn)上的問(wèn)題。關(guān)于這方面的工作，主要集中在早期。近期的研究主要集中在考慮非完整約束力學(xué)的情況下，如何實(shí)現(xiàn)有效跟蹤。 五、反饋鎮(zhèn)定 運(yùn)動(dòng)控制是機(jī)器人控制的一個(gè)重要方面。爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制可分為兩種策略:開(kāi)環(huán)策略和閉環(huán)策略。開(kāi)環(huán)策略就是試圖尋找一個(gè)有界的控制輸入序列來(lái)操縱系統(tǒng)，使其從一個(gè)初始位形到任意的期望位形。這種策略往往和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃聯(lián)系在一起。閉環(huán)策略，就是反饋鎮(zhèn)定?？紤]到非完整約束的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)的非完整系統(tǒng)，也是一個(gè)無(wú)漂移的零動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，此類系統(tǒng)不滿足純狀態(tài)光滑鎮(zhèn)定的必要條件，也就是說(shuō)，這類系統(tǒng)不能用連續(xù)可微的時(shí)不變的純狀態(tài)反饋律來(lái)予以鎮(zhèn)定。因此，非連續(xù)控制、時(shí)變控制律以及結(jié)合二者的混合控制律就是必然的選擇。故設(shè)計(jì)一個(gè)反饋鎮(zhèn)定律，是一個(gè)具有很大挑戰(zhàn)性的工作，也是目前一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。 六、多傳感器系統(tǒng)與信息融合 由于現(xiàn)有傳感器普遍存在著有效探測(cè)范圍小，數(shù)據(jù)可靠性低等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中往往使用多傳感器共同工作，并采用多傳感器融合技術(shù)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、綜合和平衡，利用數(shù)據(jù)的冗余和互補(bǔ)特性進(jìn)行容錯(cuò)處理，以求得到所需要的環(huán)境特性。所謂多傳感器融合，是指將多個(gè)傳感器采集的信息進(jìn)行合成，形成對(duì)環(huán)境某一特征的綜合描述的一種方法。采用多個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的:(l)多個(gè)傳感器可提供同一環(huán)境信息的冗余信息;(2)可提供出現(xiàn)在環(huán)境中有關(guān)特征的互補(bǔ)信息;(3)多個(gè)傳感器可以并行快速地分析當(dāng)前的場(chǎng)景;(4)多個(gè)傳感器雖然成本較高，但具有高魯棒性，可改善完成特定工作的指標(biāo);(5)在某傳感器發(fā)生故障的情形下，很快可以重組，重新投入工作。多傳感器數(shù)據(jù)集成與融合是一項(xiàng)內(nèi)容廣泛的技術(shù)，涉及到傳感器、信號(hào)處理、機(jī)器人學(xué)、控制理論、系統(tǒng)分析、概率統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及仿生學(xué)等很多方面的知識(shí)。 事實(shí)上，采用傳感器融合技術(shù)，如不做出一定的限制，將會(huì)大大增加機(jī)器人的計(jì)算工作量。為減小數(shù)據(jù)計(jì)算量，在具體問(wèn)題中，往往不是對(duì)所有的傳感器信息進(jìn)行融合，而是采用傳感器分組方法，針對(duì)不同的行動(dòng)激活不同的分組，或者對(duì)不同復(fù)雜程度的地形激活不同數(shù)量的傳感器來(lái)探測(cè)，這樣可以減少融合過(guò)程中的計(jì)算量。 七、分布式機(jī)器人系統(tǒng) 分布式機(jī)器人系統(tǒng)是由多個(gè)機(jī)器人、傳感器或者智能體組成，它們?cè)谖锢砩鲜欠珠_(kāi)的，必須通過(guò)一種媒質(zhì)，例如以太網(wǎng)，來(lái)進(jìn)行通訊。多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人交換信息，踢足球的機(jī)器人系統(tǒng)就是一個(gè)實(shí)例。在制造業(yè)中底座固定的機(jī)械手也常常作為分布式機(jī)器人系統(tǒng)，因?yàn)橥ǔＳ幸粋€(gè)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)通訊總線來(lái)控制和監(jiān)視各個(gè)單個(gè)的機(jī)器人。 有關(guān)分布式機(jī)器人的研究，大部分是關(guān)于自主機(jī)器人和軟件智能體。這些系統(tǒng)被稱之為DARS(分布式自主機(jī)器人系統(tǒng))。大多數(shù)的應(yīng)用都是關(guān)于多個(gè)自主移動(dòng)機(jī)器人的協(xié)作和控制以及機(jī)器人的分布式控制系統(tǒng)，也有一些是基于機(jī)械手的。因?yàn)樵诙x上這些系統(tǒng)是自主的，所以不用考慮與人的互操作。它們基本上是一個(gè)本地的分布式系統(tǒng)，時(shí)延和丟包率都不是大問(wèn)題。 八、智能技術(shù) 機(jī)器人的智能行為包括知識(shí)理解、推測(cè)、感覺(jué)、認(rèn)識(shí)、推理、歸納、推斷、計(jì)劃、反應(yīng)、學(xué)習(xí)和問(wèn)題求解等。涉及的領(lǐng)域包括圖像理解、語(yǔ)音和文字符號(hào)的處理與理解、知識(shí)的表達(dá)和獲取、學(xué)習(xí)、智能運(yùn)動(dòng)。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的智能技術(shù)是自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)和基于傳感器的智能。近年來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊技術(shù)被不斷地應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的智能技術(shù)中來(lái) 1.3課題來(lái)源目的及意義 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入80年代以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國(guó)專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國(guó)家均把機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，機(jī)器人的研究領(lǐng)域和開(kāi)發(fā)類型也在逐漸增多。移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分枝，其研究工作始于20世紀(jì)60年代。移動(dòng)機(jī)器人的最成功應(yīng)用是自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運(yùn)，用于完成機(jī)床之間、機(jī)床與自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)之間的工件工具傳送。移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性能，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動(dòng)化程度。 星際探索和海洋開(kāi)發(fā)是促使移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的重要因素:從20世紀(jì)60年代，美國(guó)Mrr開(kāi)始研究火星探索移動(dòng)機(jī)器人，以便在火星上進(jìn)行移動(dòng)，收集探測(cè)數(shù)據(jù);海洋開(kāi)發(fā)方面，移動(dòng)機(jī)器人的作用是資源調(diào)查、石油礦藏開(kāi)采、水下設(shè)施維護(hù)、沉船打澇、勘測(cè)。 現(xiàn)在，移動(dòng)式機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)除上述應(yīng)用外，還涉及許多其他應(yīng)用領(lǐng)域。如在建筑領(lǐng)域完成混凝土的鋪平、壁面的裝修、檢查和清洗;采礦業(yè)中進(jìn)行隧道的掘進(jìn)和礦藏的開(kāi)采、農(nóng)林業(yè)中從事水果采摘、樹(shù)枝修剪、圓木搬運(yùn);軍事上用于探測(cè)偵察、爆炸物處理。福利方面進(jìn)行盲人引導(dǎo)，病員護(hù)理等。 由于機(jī)器人應(yīng)用從制造業(yè)向非制造業(yè)的擴(kuò)展，以及移動(dòng)機(jī)器人在諸如野外作業(yè)、深海探測(cè)以及一些人類本身所不能進(jìn)入的有毒或高溫環(huán)境的作業(yè)中，有著極其廣泛的應(yīng)用前景，因此近年來(lái)機(jī)器人研究在多方面都已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，研究的成果必將成為各行各業(yè)提高生產(chǎn)力的強(qiáng)有力的工具。 本課題主要要求機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中完成較復(fù)雜的任務(wù)，能夠沿著管道壁直線行走，在管道外以較快的速度行走，并且能在機(jī)器人本體上添加一些輔助的設(shè)備，完成對(duì)較復(fù)雜管道外環(huán)境的檢測(cè)。 該管道爬行機(jī)器人的研究具有延伸性和一定的通用性，可以應(yīng)用到其他的領(lǐng)域。如軍事掃雷、牌型機(jī)器人、資源勘探機(jī)器人。清潔環(huán)保機(jī)器人和農(nóng)林機(jī)器人等。因此本文的研究可以促進(jìn)爬行機(jī)器人向?qū)嵱没较虬l(fā)展。 管道外爬行機(jī)器人是在爬行機(jī)器人的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的加深，和其他智能機(jī)器人一樣，管道外爬行機(jī)器人的研究和實(shí)現(xiàn)對(duì)推動(dòng)智能機(jī)器人的發(fā)展和智能控制技術(shù)起到了推動(dòng)作用。 1.4要完成的主要任務(wù) 1、概括地介紹了爬行機(jī)器人的定義、分類、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)。; 2、查閱相關(guān)管外爬行機(jī)器人概況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定總體設(shè)計(jì)方案。; 3、進(jìn)行爬行機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 4、熟悉三維設(shè)計(jì)軟件并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行三維建模造型。 5、對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配與仿真。 第二章 管外爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.1總體機(jī)構(gòu)方案 作為一個(gè)系統(tǒng)機(jī)器人，一般由三部分、六個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖2.1所示。這三部分是機(jī)械部分、傳感部分、控制部分；六個(gè)子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 人機(jī)交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng) 機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng) 感 知 系 統(tǒng) 圖2.1 機(jī)器人的基本組成 在本小節(jié)，對(duì)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)型式、機(jī)構(gòu)方式及驅(qū)動(dòng)形式和爬行機(jī)器人的主要特點(diǎn)做了介紹并進(jìn)行了合理的選擇。 2.1.1坐標(biāo)型式 關(guān)節(jié)型機(jī)器人依結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人和關(guān)節(jié)型機(jī)器人。 1、直角坐標(biāo)型機(jī)器人 直角坐標(biāo)型機(jī)器人是最簡(jiǎn)單的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，其通過(guò)互相垂直的軸線位移來(lái)改變手部的空間位置。手部在空間三個(gè)相互垂直的方向X、Y、Z上作直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，如圖2.2a)所示。它易于實(shí)現(xiàn)高定位精度，控制簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，空間軌跡易于求解，但操作靈活性差，運(yùn)動(dòng)的速度較低，操作范圍較小。 2、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上裝有立柱，水平臂可沿立柱上下運(yùn)動(dòng)并可在水平方向伸縮，如圖2.2b)所示。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于幾何計(jì)算，工作范圍較大，運(yùn)動(dòng)速度較高，但隨著水平臂沿著水平方向伸長(zhǎng)，其線位移分辨精度越來(lái)越低。 3、球坐標(biāo)型機(jī)器人 球坐標(biāo)型機(jī)器人的工作臂不僅可繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，還可繞水平軸作俯仰運(yùn)動(dòng)，且能沿著手臂軸線作伸縮運(yùn)動(dòng)，如圖2.2c)所示。其操作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，并能擴(kuò)大機(jī)器人的工作空間，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個(gè)變量。 4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人主要有立柱、前臂和后臂組成。如圖2.2d)所示。其全部關(guān)節(jié)皆為轉(zhuǎn)動(dòng)型關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活性最好，運(yùn)動(dòng)速度較高，操作范圍大，所占空間體積小，相對(duì)的工作空間最大，還能繞過(guò)基座周?chē)囊恍┱系K，是機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，但精度受手臂位姿的影響，實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)較困難。 圖2.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人坐標(biāo)型式 a)直角坐標(biāo)型機(jī)器人 b)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人 c)球坐標(biāo)型機(jī)器人 d)關(guān)節(jié)型機(jī)器人 此爬行機(jī)器人要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，實(shí)現(xiàn)高定位精度，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，空間軌跡易于求解，且運(yùn)動(dòng)的速度較低，操作范圍較小，因而選用直角坐標(biāo)型機(jī)器人。 2.1.2機(jī)構(gòu)方式 此機(jī)器人的研制主要完成關(guān)節(jié)移動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人末端的軌跡控制。要實(shí)現(xiàn)這種功能可以有多種機(jī)構(gòu)方式，如下介紹: 1)雙關(guān)節(jié)式:具有較大的運(yùn)動(dòng)空間，運(yùn)動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但由于兩關(guān)節(jié)相互禍合具有牽連坐標(biāo)關(guān)系，使得機(jī)構(gòu)具有不對(duì)稱性，導(dǎo)致機(jī)器人末端力F和速度v不均勻的分配到兩個(gè)手臂上，提高了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了控制的難度。其次是關(guān)于上臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件的安裝，若安裝在基座上，則增加了傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度，導(dǎo)致影響系統(tǒng)的精度;若安裝在下臂的末端，則要求整個(gè)系統(tǒng)具有較好的剛度。 2)極坐標(biāo)式:兩坐標(biāo)正交，互不影響，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析簡(jiǎn)單，控制容易。對(duì)于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)的電機(jī)可以安裝在基座上，對(duì)于驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)也可以安裝在基座上，這樣總重量大部分就可以由基座來(lái)承擔(dān)，手臂重量輕，使得結(jié)構(gòu)緊湊，但運(yùn)動(dòng)空間小，不適合于工業(yè)生產(chǎn)中。 3)連桿式:此結(jié)構(gòu)屬于并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有很好的對(duì)稱性，末端的力和速度可以平均分配給每個(gè)桿，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元可以安裝在基座上，使整個(gè)系統(tǒng)有很好的剛度。但是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的模型復(fù)雜，活動(dòng)空間小，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析相對(duì)較難，控制系統(tǒng)相對(duì)其它機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)較復(fù)雜。 鑒于以上的分析和本機(jī)器人的特點(diǎn)，本機(jī)構(gòu)采用第二種方式，即極坐標(biāo)式。 2.1.3驅(qū)動(dòng)形式的選擇 驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)形式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)三種基本類型。 1、氣壓驅(qū)動(dòng) 在所有的驅(qū)動(dòng)方式中，氣壓驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的。使用壓力通常在0.4一0.6Mpa，最高可達(dá)1Mpa。用氣壓伺服實(shí)現(xiàn)高精度是困難的，但在滿足精度的場(chǎng)合下，氣壓驅(qū)動(dòng)在所有的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)形式中是質(zhì)量最輕、成本最低的。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。其缺點(diǎn)是:功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位姿精度不高。 2、液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)是以高壓油作為介質(zhì)，體積較氣壓驅(qū)動(dòng)小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單，能在很大范圍實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但由于壓力高，總是存在漏油的危險(xiǎn)，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境，所以需要良好的維護(hù)，以保證其可靠性。液壓驅(qū)動(dòng)比電動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性就是它本身的安全性，由于電動(dòng)機(jī)存在著電弧和引爆的可能性，要求在易爆區(qū)域中所帶電壓不超過(guò)9V，但液壓系統(tǒng)不存在電弧問(wèn)題。 3、電氣驅(qū)動(dòng) 電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)是目前機(jī)器人是用得最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)監(jiān)測(cè)、傳遞、處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境，可以采用多種靈活的控制方案。 由于本課題所研究的爬行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動(dòng)方式。 2.1.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 電動(dòng)機(jī)有直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三類。常用的交流電動(dòng)機(jī)有三相異步電動(dòng)機(jī)(或感應(yīng)電動(dòng)機(jī))和同步電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)一般作為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有事也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的一種D\A裝換裝置。按輸出位移的不同，步進(jìn)電機(jī)可分為回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)和直線式步進(jìn)電機(jī)。機(jī)器人中一般采用回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)。如果把步進(jìn)電機(jī)裝在機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，則接受一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)就帶動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)周轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機(jī)連續(xù)不斷地接收脈沖，則關(guān)節(jié)軸連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度與接收脈沖數(shù)成正比。 根據(jù)本系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，我選用了步進(jìn)電機(jī)。其性能優(yōu)越性如下： （1）輸出角度精度高，無(wú)積累誤差，慣性小。 （2）輸入和輸出呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。 （3）容易實(shí)現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便。 （4）輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可以與計(jì)算機(jī)直接接口。 （5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可靠性好，壽命長(zhǎng)。 由于該爬行機(jī)器人所選用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，基于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，因而能帶動(dòng)四個(gè)凸輪間歇地完成夾持器對(duì)管道的夾緊與放松;實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)器人在爬行過(guò)程中互為機(jī)架直線上行的爬行過(guò)程。另外兩個(gè)直流電機(jī)直接作用在曲柄上，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲柄的驅(qū)動(dòng)。 表2.1 步進(jìn)電機(jī)的參數(shù) 額定功率 0.75KW 外形尺寸（mm）直徑25mm 額定電壓 380V 高 30mm 額定電流 1.81A 最大額定轉(zhuǎn)矩 2.2 重量（kg） 0.5 Y小型（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)（H80～315mm） 該系列電動(dòng)機(jī)是封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，是全國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。該系列電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)動(dòng)安全可靠等特點(diǎn)。 在電機(jī)的前端用齒輪減速器減速，由于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為600r|min，所以選擇傳動(dòng)比為1:4的齒輪。 2.15 氣缸的選擇 夾持器上選用氣缸作為動(dòng)力源帶動(dòng)其夾緊與松開(kāi)。氣缸選用CG1型標(biāo)準(zhǔn)氣缸，選擇缸徑為40mm，行程為100mm的氣缸。 2.1.6爬行機(jī)器人的主要特點(diǎn) 一、爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 本爬行機(jī)器人本體是兩個(gè)形狀相似、材料和性能相同的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)緊湊、合理，各個(gè)關(guān)節(jié)處采用獨(dú)立電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中四個(gè)個(gè)氣缸帶動(dòng)夾持器運(yùn)動(dòng)，完成夾緊與松弛動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)由機(jī)架向滑塊的轉(zhuǎn)變，完成一個(gè)工作循環(huán);其余另外兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成，利用單片機(jī)控制電機(jī)，推動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)上移。 二、機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)反映了機(jī)器人所能勝任的工作和具有的最高操作性能，是選擇和設(shè)計(jì)機(jī)器人都必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)一般包括以下幾個(gè)方面。 (1)結(jié)構(gòu)形式 機(jī)器人的機(jī)構(gòu)形式是指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)鏈的形式:如關(guān)節(jié)式、球坐標(biāo)式、直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式等。 (2)自由度 自由度是表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)，是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目。通常情況下機(jī)器人的自由度在3～6個(gè)之間，而自由度的類型是指屬于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)還是直線關(guān)節(jié)。 (3)運(yùn)動(dòng)范圍 是指機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍。機(jī)器人一般由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制和控制系統(tǒng)電纜的走線，都對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍會(huì)產(chǎn)生影響，大多數(shù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)不可能在同一個(gè)方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 (4)重復(fù)精度 機(jī)器人經(jīng)過(guò)多次循環(huán)運(yùn)動(dòng)后，到達(dá)空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍。 (5)控制方式 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的方式，如示教再現(xiàn)、點(diǎn)位控制或軌跡控制。 (6)驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)器人是采用液壓、氣動(dòng)、交流電機(jī)或異步電機(jī)控制等。 (7)承載能力 承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上