機(jī)械手-集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手-集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)械手,集裝箱,波紋,焊接,機(jī)器人,機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析,車體,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 爬壁機(jī)器人的發(fā)展 摘要——很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，人們希望能夠利用爬壁機(jī)器人來(lái)營(yíng)救墻壁檢測(cè)和滅火，在我們的實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)研制了四種非常不同的機(jī)器人，第一種機(jī)器人有一個(gè)大的吸附器其利用了與氣墊船相反的原理；第二種有兩足行走，并且每足上有一小吸附器；第三種通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的擠力在不規(guī)則的垂直墻壁上移動(dòng)，這是一種墻體驅(qū)動(dòng)機(jī)器人；第四種可在必要的時(shí)候短距離躍入空中，這里將討論這些機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。 1、 介紹 很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)，人們期望機(jī)器人能夠在垂直的墻壁上移動(dòng)，它可用在高樓大廈里來(lái)營(yíng)救墻壁檢測(cè)和滅火，在過(guò)去的二十年里，我們實(shí)驗(yàn)室研制了四種完全不一樣的爬壁機(jī)器。第一類有大的吸附器和爬行器作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種被稱為大吸附器機(jī)器人。最近，在日本，已發(fā)展出很多種類的這一類型機(jī)器人用于檢測(cè)墻壁。這里將討論與在吸氣和風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)間相適用的機(jī)構(gòu)和空氣動(dòng)力學(xué)。 第二種類型是雙足行走機(jī)器人，每足上有一小吸附器而被稱為雙足機(jī)器人，這里也將討論其機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，并給出一模擬研究，由于這里模型適用于幾乎所有的不規(guī)則墻面，它比第一種應(yīng)用范圍更廣。 通常而言，行走運(yùn)動(dòng)不是很快，因此行走機(jī)器人爬行到墻的高處將耗費(fèi)很多時(shí)間，然而，又需要這樣一種機(jī)器人，它能在短時(shí)間爬到建筑物的高處，為了緊急的目的，例如攜帶救援工具或者給建筑里滅火。第三種機(jī)器人旨在達(dá)到這些目的，它有驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器的垂直墻面的擠力減小微弱，這樣能夠利用輪與墻間的摩檫力并支撐機(jī)器人自身。這是一種墻體驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。有時(shí)候意外的強(qiáng)風(fēng)會(huì)發(fā)生在高層建筑物的墻體上，在這種情況下，用來(lái)彌補(bǔ)風(fēng)的力量的控制系統(tǒng)，對(duì)于避免讓機(jī)器人從墻上掉下很重要，這種情況已經(jīng)在[6，7]里簡(jiǎn)單的討論過(guò)。 通常在建筑物的低處有很多障礙，比如樹(shù)，屋檐，入口等等。在這些情況下，如果機(jī)器人能夠飛躍這些障礙并到達(dá)上面的墻面將很管用，另外如果機(jī)器人意外地從高處的墻面上掉落，制作一軟著陸來(lái)避免危害自身或周圍環(huán)境很有必要。這些目標(biāo)可通過(guò)用能使其飛的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)來(lái)完成。由于墻壁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人有足夠的擠力來(lái)支撐其自身，它可改造成一種能夠飛或著陸的新的機(jī)器人。這是第四種模型，其機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)將被討論，并提出其操縱能力的模擬研究。 2、 大吸附器機(jī)器人 2．1 大吸附器模型的機(jī)構(gòu) 很久以來(lái)，人們期望研制出能夠在高層建筑的垂直或懸空的墻面，或者巨輪的側(cè)面等上面移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。然后，這種機(jī)器人能用來(lái)代替人搬運(yùn)營(yíng)救工具或做其它工作。為了實(shí)現(xiàn)這種機(jī)器人，需要用來(lái)支撐機(jī)器人或使其在墻上向上移動(dòng)的摩擦力。磁力或真空壓力可產(chǎn)生指向墻面的固定力，輪子或履帶都可用作在平且寬的垂直墻面上的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。1966年研制出了一臺(tái)大吸附器機(jī)器人（如圖1所示），當(dāng)用機(jī)器人在墻上移動(dòng)時(shí)從吸附器的外圍空隙中吸取了少量的空氣。利在吸附器的外圍安裝一刷子和（或）彈性圍罩來(lái)減弱空氣流和保證吸附器內(nèi)部足夠的負(fù)壓，它能在不規(guī)則的小墻面上移動(dòng)。這個(gè)模型的機(jī)構(gòu)和尺寸如圖2所示：離心風(fēng)扇由小引擎驅(qū)動(dòng)，履帶由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 圖1 大吸附器機(jī)器人 2．2安全條件 在墻上的固定力是負(fù)壓和吸附器面積乘積； F=PA (1) 引擎 皮帶輪 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 刷子和圍罩 直流電機(jī) 履帶輪 風(fēng)扇 燃料箱 圖 2 大吸附器模型的結(jié)構(gòu)示意圖 圖 3 大吸附器機(jī)器人的滑動(dòng)及脫落的安全區(qū)域 下面是避免滑動(dòng)和掉下的條件： μF/W>1 (2) F/W>h/R (3) 這里W是機(jī)器人的凈重，μ是摩擦系數(shù)，h為墻面到重心的距離，R為吸附器中心到最低支撐點(diǎn)的距離。 如果機(jī)器人在條件 h/R<1/μ (4) 下設(shè)計(jì)，掉下可以避免。這些關(guān)系如圖3所示，每個(gè)曲線的上半?yún)^(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。 2．3 固定力與風(fēng)扇性能的匹配 由于用來(lái)支撐機(jī)器人在垂直墻壁上的固定力與風(fēng)扇性能直接相關(guān)，因此，它們之間的匹配非常重要，風(fēng)扇性能（粗實(shí)線）和在有效誤差δe下的匹配線（點(diǎn)杠線）如圖4所示：橫坐標(biāo)代表空氣流質(zhì)量Q，縱坐標(biāo)是負(fù)壓P和固定力F，并且每條曲線的參數(shù)是臨界速度n,常量引擎節(jié)流的工作曲線由通過(guò)點(diǎn)Z,Y,X的曲線表示，在粗糙水泥墻面上得到所需最小負(fù)壓測(cè)量為P=35mm水柱。 由于模型的凈重W=44kgf，摩擦系數(shù)μ=1.05確定，點(diǎn)W，V,U是各誤差δe的所需最小必須壓力。例如，如果風(fēng)扇在點(diǎn)X以大誤差δe=5.3mm工作，最小壓力大約為15mm水柱，來(lái)自點(diǎn)X與U之間的中點(diǎn)，因此，這種模型在更小摩擦系數(shù)的墻面上移動(dòng)是危險(xiǎn)的。 圖 3 大吸附器機(jī)器人的風(fēng)扇性能圖 誤差的突變?nèi)Q于由墻面的不規(guī)則所導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量流和之后負(fù)壓的變化。風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度一直變化至引擎和風(fēng)扇間的達(dá)到力矩平衡。這種關(guān)系如下： IΩ=ηmTE-TF 這里I是引擎和風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)部分的慣性矩，Ω為風(fēng)扇的角速度，ηm為引擎和風(fēng)扇之間的機(jī)械效率，TE為驅(qū)動(dòng)力矩，TF為風(fēng)扇所需的 矩。如果誤差從δe=5.3突變至1.8mm，風(fēng)扇工作曲線通過(guò)X-Z′-Z。另一方面，如果誤差增加，通過(guò)Z-Y′-X′-X。因此，間隙的突然增加過(guò)程中，負(fù)壓比終點(diǎn)X處要大，故在變化過(guò)程中可獲得足夠的力。 2．4 總體安全條件 總體安全條件歸納如下： （a）脫落是致命的，因此應(yīng)避免使用公式（4）的條件。 （b）在吸附器的外部減少空氣泄漏 有用的。 （c） 由于間隙的突然增加，負(fù)壓變化有一定的時(shí)間滯后，因此引擎應(yīng)該短時(shí)間打開(kāi)以使補(bǔ)償吸附器里的足夠壓力。 3、兩足行走機(jī)器人 3、1 行走機(jī)構(gòu) 圖 5 雙足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在地面上行走機(jī)器人有很多種類型的行走機(jī)構(gòu)，例如兩足定位，四足的，六足的等等。類似的，現(xiàn)在爬墻機(jī)器人也有很多種機(jī)構(gòu)。 垂直軌道 斜軌道 圖 6 行走運(yùn)動(dòng)