文獻(xiàn)翻譯--用于施工服務(wù)的最小自由度混合爬桿操縱機(jī)器人 中文版

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用于 施工 服務(wù) 的 最小自由度 混合爬桿 操縱機(jī)器人 1緒論 目的 —— 旨在描述設(shè)計 樣機(jī)的特點(diǎn)和爬桿 /操縱機(jī)器人 通過 極點(diǎn) 和 彎曲 部分的 能力。 設(shè)計 /方法 /方式 —— 機(jī)器人 主要部分 引入 具有 混合（并行 /串行）四自由度（自由度）機(jī)制的還介紹了一種 具有 獨(dú)特 夾具設(shè)計 。 成果 —— 研制出一種具有爬坡能力和操縱桿具有彎曲和分支的能力 ， 另外 至少需要 4 個自由度 的機(jī)器人 ，同時 發(fā)現(xiàn) 電氣驅(qū)動對于爬桿機(jī)器人是一個很好的選擇，它比氣動和液壓缸具有更好的優(yōu)勢 研究限制 /影響 —— 在 未來的工作 當(dāng)中， 機(jī)器人 的 半工業(yè)規(guī)模 對 工業(yè)機(jī)器人的 設(shè)計和制造是一個很好的 啟發(fā) 。 實(shí)際影響 —— 隨著對 夾持模塊和工具模塊 最后 的修改 ，機(jī)器人 將 能夠做一些服務(wù)工作，像管 道 測試，管 /極清潔， 公路 燈泡更換等。 獨(dú)創(chuàng)性 /價 值 –為 建設(shè)與服務(wù)工作 設(shè)計和制造一個 具有 最小自由度 的 爬桿和操縱機(jī)器人 。 關(guān)鍵詞： 設(shè)計，并行編程，運(yùn)動學(xué)，極點(diǎn)，機(jī)器人 2介紹 爬壁機(jī)器人已獲得很大的重視，近年來由于其潛在的應(yīng)用在建筑和高大的建筑維修，農(nóng)業(yè)收獲，公路和橋梁維修，船廠的生產(chǎn)設(shè)施等等 都有體現(xiàn) 。 如果需要提高串行多足機(jī)器人在復(fù)雜工作壞境中的 使用，就需要在更大程度上提高其自由度 。 眾所周知，串行配置需求量更大的扭矩在關(guān)節(jié) 上 ，因 此 爬壁機(jī)器人 的 關(guān)鍵 就是 要求較大和較重的致動器 從而在較小的有效載荷重量比 。對比結(jié)果使用并行平臺在減少的重量 /功率比，從而使有效載荷 早期在這一領(lǐng)域主要通過移動球面（窗口）機(jī)制集中 在 六自由度研究上（ 梅爾萊特， 2000；到 ¨ 1998） et 模和模擬 了一種具有氣動執(zhí)行器和平行六自由度的并聯(lián)機(jī)器人，該模型具有一個較大的有效載荷能力，這對于工業(yè)爬桿機(jī)器人來說是一個很重要的環(huán)節(jié)（ et 1999） 后來 阿拉西利 等人，制作了一個能夠 自主攀沿管狀結(jié)構(gòu) 的并聯(lián)機(jī)器人 ， 該機(jī)器人采用高夫 — 斯圖爾特作為機(jī)器人平臺 ， 該平臺的驅(qū)動器 采用 六氣缸氣動伺服控制 ， 他們的 機(jī)械結(jié)構(gòu) 使用了 六 氣 缸 作 為抓手（ 一個夾具使用三個氣缸 ） 總共 使用 了 12 個驅(qū)動器 但 不 包括 所需的機(jī)械臂驅(qū)動器 （ et 2003）， 該 機(jī)械結(jié)構(gòu) 是相當(dāng)復(fù)雜的 ， 因此 有能力通過任何方向 的 彎曲， 并能夠讓他適合移動 沿線的樹木 和復(fù)雜的結(jié)構(gòu) ，因此，我們需要設(shè)計的是一種不太復(fù)雜具有 沿著 人類設(shè)計的路線和不太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)移動的能力，同時該結(jié)構(gòu)擁有最小自由度和最低數(shù)量的驅(qū)動器。此外， 氣壓缸在機(jī)械裝置的使用過程中還存在著壓縮空氣從壓縮 機(jī)到氣缸的轉(zhuǎn)移問題 但最近幾年來，機(jī)械工具在一些工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用導(dǎo)致了更加注重不少于六自由度平行機(jī)制的研究， 大多數(shù)最近幾年的研究集中在三自由度機(jī)械機(jī)構(gòu)上（ et 2001; et 1992b; 1996） 在 沿桿 或具有彎曲和分支結(jié)構(gòu)的管狀結(jié)構(gòu)上移動就必須具有四個自由度（ 沿垂直于管軸的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)）， 同一自由度在爬桿的應(yīng)用中對于大部分操作和 維修工作中也是必不可少的。在 討論了關(guān)于平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用在并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)器人的詳細(xì)建模機(jī)制和選擇 過程（ 2004） 。 就作者所知， 對于這樣的操作還沒有四自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)來提供二自由度的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，在本文中，該機(jī)構(gòu)顯示 利用并行 /串行機(jī)制 來提供具有二自由度翻轉(zhuǎn)和二自由度旋轉(zhuǎn)的軸（這將在以下描述出來）。 并行 /串行機(jī)器人 同時具有 剛性全并聯(lián)機(jī)構(gòu) 和串聯(lián)機(jī)器人擴(kuò)展工作區(qū)的優(yōu)點(diǎn)（ 1999） et (2004). 該機(jī)構(gòu)還利用新型夾具設(shè)計，使它適合安全爬桿操作 3 概念 （方案） 就像前面所提到的， 沿著 具有 彎曲和分支 的 管狀結(jié)構(gòu) 運(yùn) 動 ，至少需要四自由度。這些包括 沿 著極軸運(yùn)動的平移自由度（圖 1），歸零 ： 沿 著極軸左右旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度（圖 2），接收： 沿 軸的徑向方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度（圖 3） 圖 3沿桿 圖 3極軸旋轉(zhuǎn) 圖 3曲段 運(yùn)動 結(jié)合以上三自由度和 沿 極軸徑向翻轉(zhuǎn)運(yùn)動的翻轉(zhuǎn)自由度，為在桿上達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)以后的必要操作提供必要的操作性能（ 即修理，維修或生產(chǎn)等操作 比如 焊接 ） 4機(jī)器人 的 設(shè)計 和組成 要 設(shè)計 的爬桿機(jī)器人主要由三部分組成 （圖 5）： 三自由度的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu) ，串行 Z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)制 ， 夾鉗 。 結(jié)合三自由度平面并聯(lián) 機(jī)構(gòu)和具 有旋轉(zhuǎn)機(jī)制的極軸提供的二自由度翻轉(zhuǎn)和平移，這就需要在最后一章對設(shè)計目標(biāo)做出解釋 圖 4器人進(jìn)行焊接操作 圖 4桿機(jī)器人模型 除此之外，線性氣缸要用于平行機(jī)械手來安裝包 圍桿 ，因此需要減少夾具的動作時間 一個手爪連接到一個機(jī)械臂，另外一個連接旋轉(zhuǎn)平臺的底部，這樣就可以達(dá)到，該夾鉗有四個自由度與之想對應(yīng) ，同時 可以 滿足在不同的截面和幾何構(gòu)型的軸和桿上運(yùn)動 自由度平面平行機(jī)械手 通常意義上的三自由度平行三角平臺由移動平臺通過三個簡單的運(yùn)動鏈連接到一個固定的底座組成，每個運(yùn)動鏈通過三個獨(dú)立自由度關(guān)節(jié)組成，其中的一個是活動關(guān)節(jié)（ 及其他人）， 一些人通過研究表明 ，有 1653種不同平行三角平臺能夠轉(zhuǎn)變成為三自由度機(jī)構(gòu)，對于所推薦的機(jī)械結(jié)構(gòu)，制可以被選定為機(jī)器人的 平面平行部分 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由導(dǎo)軌，滑動單元，齒輪組和電機(jī) 組成 ，圖 1 顯示的是導(dǎo)軌和滑動單元，該導(dǎo)軌是環(huán)繞著極軸的 T 形圓導(dǎo)軌 ，滑塊單元 由特定的軸承 組成，它能夠在所有可能的配置 中承受在各種實(shí)踐和維護(hù)機(jī)器人的穩(wěn)定性的過程中產(chǎn)生的力和力矩，該滑塊有一個下夾持器 通過一個由簡單傳動裝置連接的電機(jī)驅(qū)動，當(dāng)保持其中一個夾鉗固定通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動其他夾持器可以繞極軸旋轉(zhuǎn) 持器 該夾持器具有一個獨(dú)特多指設(shè)計，它只需通過一個簡單的電機(jī)來適應(yīng)桿的不同截面和尺寸，每個夾具包括 2v 多指靈體，雙轉(zhuǎn)軸電機(jī)，左右各兩個螺釘和雙直線導(dǎo)軌， 特殊的多手指布局的使用不僅增加了夾具的扭矩處理能力同時也提高在不同桿的截面和尺寸的適應(yīng)性， 滾珠絲杠 的 摩擦系數(shù)為 條直線導(dǎo)軌將承受機(jī)器人在爬升的過程中載重，選定的雙軸電 機(jī)相對于機(jī)器人的重量來說很小，圖 2 展示了夾具的制作。 圖 4轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系列 圖 4器人裝配夾具 在典型的爬桿應(yīng)用中各個組成部分的 結(jié)合運(yùn)動展示在圖 3 1 顯示的原版本的規(guī)格和機(jī)器人工業(yè)版本的估計規(guī)格 5機(jī)器人原型 下面是建議的機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析（ et 2004; et 2004） ，為假設(shè)的內(nèi)部燈泡更換操作而設(shè)計和建造的原型單位， 這個機(jī)器人的重量為 16個機(jī)器人的身體是由 鋁 合金 制造 ，這個機(jī)器人是由三個直流電機(jī)和三個 電氣缸體驅(qū)動， 在缸體的控制上， 電氣驅(qū)動 的使用 比氣動和液動更加簡化 ，還能增加控制的精度，而且還不需要壓縮機(jī)或 泵 ，同時這也消除了液壓管或氣動管，而且這些對爬桿機(jī)器人的應(yīng)用也是很不安全的、 這些電動機(jī)的重量為每個 個電動機(jī)能夠提供 800.6 m/ 平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)該制作的具有相對較高的耐受性，不然的話，平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)將會被約束或展現(xiàn)出多余的自由度，除此之外，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理運(yùn)動，裝配的工藝精度也是非常重要的 ，為了使兩個微型機(jī)械手更好的適應(yīng)更換動作，一個機(jī)械手 夾持新燈泡， 一個機(jī)械手更換舊燈泡，這個夾持器為氣動驅(qū)動，同時也是一個可以被利用的擁有 300量的小存儲器 ，通過裝在機(jī)械手上得圓頂遙控攝像機(jī)，當(dāng)機(jī)器人在更換燈泡時，用操縱桿通過懸掛裝置來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，該相機(jī)擁有兩個自由度，可以繞兩條垂直的軸左右旋轉(zhuǎn)，同時被一個圓頂所遮蓋，圖 6 展示制作的原型。 圖 7 顯示的是在桿上得制作原型，圖 8 是制作原型通過彎曲部分時圖像，圖9 是制作原型更換燈泡是的圖像 6機(jī)器人的控制 就像前面所提到，制作原型 是通過三個 三個直流電機(jī)驅(qū)動，每個電機(jī)都有一個控制 面板，它是直接連接到中央電腦 圖 6器人 沿桿軸 運(yùn)動 圖 6器人繞桿轉(zhuǎn)動 圖 6過彎曲部分時的機(jī)器人 表一 線性驅(qū)動器的個數(shù) 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的個數(shù) 重量 尺寸（ 原型版本 3 3 16 18 25 60?? 工業(yè)版本 3 3 30 50 50 100?? 圖 6作原型 圖 6造原型 沿 桿移動 圖 6作原型通過彎曲部分 機(jī)械手的電動機(jī)采用電流反饋控制，當(dāng) 夾鉗接觸到電極，電流上升，當(dāng)電流上升到一定的值時，機(jī)械手產(chǎn)生 與電流 成正比的力，由于機(jī)械手的電動機(jī)是沒有后備電源的，當(dāng)電動機(jī)斷電后，由于大量齒輪的存在，夾具不會松懈還將保持原有的姿態(tài)，這樣可以保證當(dāng)其斷電后的安全性。 電缸包括一個直流電機(jī) ，傳動裝置和螺桿，在直流電機(jī)的軸使用了頻率為500編碼器，氣缸的直線運(yùn)動的精度為 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的軸上也使用了 100編碼器 ，串行機(jī)制的轉(zhuǎn)動裝置的精度為 一些列組裝在夾鉗上得觸摸開關(guān)，不僅可以 檢 測到桿的彎曲和障礙物，還可以檢測出機(jī)械手與桿彎曲角度， 這將允許串行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動 。 圖 6作原型的更換燈泡操作 通過這種方式機(jī)器人可以以合適姿態(tài)通過彎曲部分，控制系統(tǒng)包括一個運(yùn)動學(xué)模塊和一個位置控制系統(tǒng)的 頭 7結(jié)論 在本文中 ，對自主機(jī)器人的爬桿問題提出解決辦法。提出了一個獨(dú)特了的多指夾具功能，它能夠適應(yīng)各種桿的截面和尺寸，同時他的機(jī)構(gòu)也是非常簡單，還探討了一些關(guān)于機(jī)器人的原型和控制的問題。