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1、畢業(yè)設(shè)計（論文）題題目目爬壁式機器人設(shè)計專業(yè)班級專業(yè)班級光機電一體化工程（08 級）姓姓名名指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師所屬助學(xué)單位所屬助學(xué)單位20112011 年年1212 月月2 2 日日第 1 頁目錄目錄前言前言. 2第一章第一章.3總體結(jié)構(gòu). 31.1 機械結(jié)構(gòu). 31.2 控制系統(tǒng)硬件. 41.3 傳感導(dǎo)引系統(tǒng). 9第二章第二章.142.1 爬壁機器人磁吸附原理.142.2 磁吸附技術(shù)簡介. 142.3.電磁鐵吸力及選材.14第三章第三章.163.1 一種新型磁輪單元.163.2 磁輪分析. 16第四章第四章爬壁機器人的力學(xué)分析. 184.1 爬壁機器人靜力學(xué)分析.184.2 爬壁機器人動力學(xué)分

2、析.19結(jié)論結(jié)論. 21參考文獻參考文獻.21致謝致謝. 21第 2 頁摘要摘要爬壁機器人,是極限作業(yè)機器人的一個分支,它的突出特點是可以在垂直墻壁表面或者天花板上移動作業(yè)爬壁機器人能吸附于壁面而不下滑,實現(xiàn)的方法主要有兩種:負壓吸附與磁吸附介紹一種新型爬壁機器人，它以超聲串列法自動掃查和檢測在役化工容器筒壁對接環(huán)焊的危害性缺陷。 本文將著重介紹了它的機械結(jié)構(gòu)及位置調(diào)整運動控制算法。 這種機器人采用磁輪吸附和小車式行走，利用磁帶導(dǎo)航，光纖傳感器檢測，具有結(jié)構(gòu)緊湊、導(dǎo)航性能好、位置調(diào)整方法可行和定位精度高等特點。 本文將介紹的爬壁機器人為超聲串列自動掃查機器人是以某煉油廠加氫反應(yīng)器為具體的應(yīng)用對

3、象，用來以超聲串列法自動掃查和檢測筒壁對接環(huán)焊縫的危害缺陷而研制的，并按 JB4730-94壓力容器無損檢測的要求，用超聲串列法檢測。 超聲串列法要求一發(fā)、一收探頭中心聲束保持在一個與焊縫中心線相垂直的平面內(nèi)，收發(fā)探頭相對于串列基準線須保持等距、反相、勻速移動。 由于采用手動檢測，操作難度大，重復(fù)性差，可比性差而難以實施。 對于這種用在圓形筒壁上在役檢測的機器人， 丹麥的 force 公司研制了多用途模塊磁輪掃描儀 AMS-9、AMS-10 等系列磁輪爬壁機器人，日本的 Osaka Gas Co。 Ltd 公司研制了磁輪爬壁檢測機器人，但是售價昂貴。 從文獻及報道方面看，國內(nèi)對于這種在役磁輪式

4、爬壁機器人還少有實用化的樣例，也缺乏這方面的機械結(jié)構(gòu)及自動控制裝置的研究，因此，對大厚度焊縫的超聲波探傷自動掃查爬壁機器人的研究是十分必要的。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：機器人技術(shù) 爬壁機器人 磁吸附前言前言機器人是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機科學(xué)、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種模仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度較高的自動化設(shè)備。機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生革命性的變化，而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠的影響。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人的小型化、微型化成為機器人技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。開發(fā)一種小型、便攜的爬壁機器人在

5、軍事和民用方面都具有重要意義。在軍事方面，它可以被投放在敵后，爬行于建筑物的外墻或玻璃壁面上，對室內(nèi)的情況進行偵察；或者充當(dāng)可移動的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設(shè)施和人員。爬壁機器人作為工業(yè)用機器人的一種，指的是能夠在垂直陡壁上進行作業(yè)的機器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動機械裝置，可以代替人工在高空、毒氣毒液、輻射、水下第 3 頁等高危環(huán)境下進行特種作業(yè)，在熱電廠、造船業(yè)、核工業(yè)、石化天然氣業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，隨著技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用范圍的拓展，越來越受到各國科研部門的重視第一章第一章總體結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)本樣機由機械部分、控制部分、導(dǎo)航傳感檢測部分組成。1.1 機械機械結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)本樣機的機械部分

6、由導(dǎo)軌滑塊運動體、左右磁輪運動體組成。 樣機及結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1。設(shè) o 1 x1 y 1 為機器人的坐標系，其中原點 o 1 在機器人 4 個輪子布局的對稱中心點上，x 1 為機器人左右磁輪的對稱中心線，y 1 平行于串列掃查探頭的導(dǎo)軌。 圖中所示 oxy 坐標的 x 軸，相當(dāng)于是固定在筒壁上的，與串列掃查基準線重合，y 軸是與其垂直的坐標，o 與 o 1 重合。 在這里所謂的串列基準線是串列掃查時，作為一發(fā)一收兩探頭等間隔移動的所定相對對稱基準線，一般設(shè)定為在離探傷面距離為 0。5 跨距的位置。本文中左指的是 y 1 方向,反之為右方向。 各部分的工作原理如下：(1)左右磁輪運動體整個掃查機

7、器人靠 4 個磁輪的吸力吸附在圓筒壁上,由磁輪的運動帶動機器人前進、 后退，以及調(diào)整機器人的位置和方位，在這里我們選用磁輪而沒有用履帶，這有利于達到串列掃第 4 頁查對運動精度的要求。 機器人左右各有兩個磁輪，各由交流伺服電機經(jīng)諧波減速器減速、同步齒形帶傳動,帶動磁輪沿壁面運動,兩個磁輪通過齒形帶均可運動,所以都是主動輪， 這樣左右磁輪的運動形成機器人的兩個自由度。 當(dāng)兩個電機同時驅(qū)動 4 個輪同向等速轉(zhuǎn)動時,機器人向前后移動，當(dāng)左邊的 2 個磁輪的速度大于右邊的兩個磁輪的速度時，機器人向右偏轉(zhuǎn); 反之，向左偏轉(zhuǎn)。 (2)導(dǎo)軌滑塊運動體采用交流伺服電機經(jīng)齒輪減速器和同步齒形帶帶動兩滑塊在導(dǎo)軌上

8、運動， 形成機器人的第三個自由度。 由于兩滑塊分別固聯(lián)在嚙入齒形輪的一邊和離開齒形輪的另一邊的齒形帶上，所以兩滑塊隨著齒形帶的運動而在導(dǎo)軌上同向或反向直線運動，帶動固定在滑塊上的探頭相對機器人中心線同向或反向運動。調(diào)整爬壁機器人的中心線與串列基準線相平行，就可確保收、發(fā)探頭相對串列基準線等距離運動,符合串列掃查的運動要求。同時電機與光電碼盤連接,通過計數(shù)脈沖算出收發(fā)探頭入射點間距離,通過與壁面壓緊的滾輪和與之相聯(lián)的光電編碼器檢測機器人方向前進、 后退距離。3 個自由度的運動用工控機伺服控制,通過軟件編程來實現(xiàn)。1.2 控制系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)硬件該微型爬壁機器人采用 12 個微型電機驅(qū)動，4 個接

9、觸傳感器，4 個壓力傳感器，以后還要增加用于壁障的紅外傳感器和用于采集現(xiàn)場信號的微型攝像頭，所以對主控制器的要求較高。設(shè)計中，最終選定 Philips 公司最新開發(fā)的基于 32 位 ARM7TDMI-S 內(nèi)核的低軾耗 ARM 處理器LPC2104 作為控制系統(tǒng)主控制器。LPC2104 具有以下特性：*128KB 片內(nèi) Flash 程序存儲器，帶 ISP 和 IAP 功能；*16KB 靜態(tài) RAM；*向量中斷控制器；*仿真跟蹤模塊支持實時跟蹤；*標準 ARM 測試/調(diào)試接口，兼容現(xiàn)有工具；*雙 UART，其中一帶有調(diào)制解調(diào)器接口；*高速 I2C 串行接口，400kb/s；*SPI 串行接口；*2

10、 個定時器分別具有 4 路捕獲/比較通道；*多達 6 路輸出的 PWM 單元；第 5 頁*實時時鐘；*看門狗定時器；*通用 I/O 口；*CPU 操作頻率可達 60MHz；*兩個低功耗模式，空閑和掉電；*通過外部中斷，將處理器從掉電模式中喚醒；*外設(shè)功能可單獨使能/禁止實現(xiàn)功耗最優(yōu)化；*片內(nèi)晶振的操作頻率范圍 1025MHz；*處內(nèi) PLL 允許 CPU 可以在超過整個晶振操作頻率范圍的情況下使用。微型爬壁機器人控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 2 所示，選用 LPC2104 作為嵌入式控制器。為提高系統(tǒng)效率和降低功耗，功放驅(qū)動電路采用基于雙極性 H-橋型脈寬調(diào)整方式 PWM 的集成電路L293D。L2

11、93D 采用 16 引腳 DIP 封裝，其內(nèi)部集成了雙極型 H-橋電路，所有的開量都做成 n 型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。L293D 通過內(nèi)部邏輯生成使能信號。H-橋電路的輸入量可以用來設(shè)置馬達轉(zhuǎn)動方向，使能信號可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L293D 將 2 個 H-橋電路集成到 1 片芯片上，這就意味著用 1 片芯片可以同時控制 2 個電機。每 1 個電機需要 3 個控制信號 EN12、IN1、IN2，其中 EN12 是使能信號，IN1、IN2 為電機轉(zhuǎn)動方向

12、控制信號，IN1、IN2 分別為 1，0 時，電機正轉(zhuǎn)，反之，電機反轉(zhuǎn)。選用一路 PWM 連接 EN12 引腳，通過調(diào)整 PWM 的占空比可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。選擇一路 I/O 口，經(jīng)反向器 74HC14 分別接 IN1 和 IN2 引腳，控制電機的正反轉(zhuǎn)。為了節(jié)省 LPC2104 的 I/O 口資源，選用2 片 74LS138 和 IN2 引腳， 控制電機的正反轉(zhuǎn)。 為了節(jié)省 LPC2104 的 I/O 資源， 選用 2 片 74LS138譯碼器對 I/O 口進行擴展，每片分別選用 3 路 I/O 作為輸入信號和 1 路 I/O 作為片選信號，這樣就可以將 8 路 I/O 口擴展或 16 路

13、I/O 口。如前所述，因為直注電機采用 PWM 調(diào)速，這樣每 1個電機至少需要 1 路 PWM，12 個電機需要 12 路 PWM，而 LPC2104 只有 6 路 PWM 輸出，所以選用2 片電平鎖存器 74LS373 使 12 個電機分成 2 組共用 6 路 PWM 信號。第 6 頁接觸傳感器由外層管和內(nèi)部超彈性線構(gòu)成， 內(nèi)外兩層通過硅管隔開。 當(dāng)內(nèi)線和外層接觸時，開關(guān)關(guān)閉。通過這種方法，接觸傳感器向 LPC2104 發(fā)送信號，借此來控制吸盤的方向。從壓力傳感器來模擬信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，LPC2104 通過壓力傳感器來的信號來判斷吸盤是否安全的吸附在墻壁上。LPC2104

14、 還可以通過串口 RS232 和上位機進行通信?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計微型爬壁機器人控制系統(tǒng)軟件選用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)C/OS-II。 它是一個源代碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用 ANSIC寫的，移植方便，且運行穩(wěn)定可靠。目前，它已經(jīng)在幾十種從 8 位到 64 位的微處理器、微控制器上實現(xiàn)了成功的移植。下面首先介紹C/OS-II 在 LPC2104 上的移植過程，然后介紹微型爬壁機器人控制軟件的設(shè)計。C/OS-II 在 LPC2104 上的移植移植C/OS-II，主要包括：設(shè)置堆棧的增長方面，聲明 3 個宏（開中斷、關(guān)中斷和任務(wù)切換），聲明 10

15、 個與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型；用 C 語言編寫 6 個與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)（任務(wù)堆棧初始化函數(shù)和 5 個鉤子函數(shù)）；用匯編語言編寫 4 個與處理器相關(guān)的函數(shù)。用匯編語言編寫的 4 個與處理器相關(guān)的函數(shù)如下：OSStartHighRdy()用于在調(diào)度中使最高優(yōu)先級的任務(wù)處于就緒態(tài)并開始執(zhí)行；OSCtxSw()完成任務(wù)級的上下文切換；OSIntCtxSw()完成中斷級任務(wù)切換，其過程與 OSCtxSw()類似，只是在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序后可能使更高優(yōu)先級的任務(wù)處于就緒態(tài)；OSTickISR()是系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)子程序。1OS_CUP.H 的移植C/OS-II 不使用 C 語言中的 short、int、

16、long 等數(shù)據(jù)類型的定義，因為它們與處理器類型有關(guān)，隱含著不可移值性，所以代之以移值性強的整數(shù)數(shù)據(jù)類型，這樣，既直觀又可移值。第 7 頁在C/OS-II 中，使用 OS_ENTER_CRITICAL()和 OS_EXIT_CRITICAL()開中斷和關(guān)中斷來保護臨界段代碼。ARM 處理器核的用戶模式和執(zhí)行 Thumb 代碼時，不能改變處理器的開中斷位 I。為了兼容各種模式，使用軟中斷指令 SWI 使處理器進入管理模式和 ARM 指令狀態(tài)，即使用SWI0 x02 關(guān)中斷，使用 SWI0 x03 開中斷。C/OS-II 使用結(jié)構(gòu)常量 OS_STK_GROWTH 指定堆棧的增長方式， 0 表示堆棧

17、從低地址往高地址增長，1 表示堆棧從高地址往低地址增長。雖然 ARM 處理器核對于兩種方式支持，但 ADS 的 C語言編譯器僅支持一種方式，即從高地址往低地址增長，并且必須是滿遞減堆棧，所以O(shè)S_STK_GROWTH 的值為 1。以上內(nèi)容在文件 OS_CPU.h 中做如下定義。TypedefunsignedcharBOOLEAN;/*布爾變量*/TypedefunsignedcharINT8U;/*無符號 8 位整型變量*/TypedefsignedcharINT8S;/*有符號 8 位整型變量*/TypedefunsignedshortINT16U;/*無符號 16 位整型變量*/Typed

18、efsignedshortINT16S;/*有符號 16 位整型變量*/TypedefunsignedintINT32U;/*無符號 32 位整型變量*/TypedefsignedintINT32S;/*有符號 32 位整型變量*/TypedeffloatFP32;/*單精度浮點數(shù)（32 位長度）*/TypedefdoubleFP64;/*雙精度浮點數(shù)（64 位長度）*/TypedefINT32UOS_STK;/*堆棧是 32 位寬度*/_swi(0 x02)voidOS_ENTER_CRITICAL(void);/*關(guān)中斷*/_swi(0 x03)voidOS_EXIT_CRITICAL(v

19、oid);/*開中斷*/#defineOS_STK_GROWTH1/*堆棧由高地址向低地址增長*/2OS_CPU_A.ASM 文件的移值第 8 頁OS_CPU_A.ASM 文件要實現(xiàn)在多任務(wù)啟動函數(shù)中調(diào)用 OSSTartHightRdy()，任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()，中斷任務(wù)切換函數(shù) OSIntCtxSw()和時鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù) OSTickISR（）這 4 個匯編函數(shù)的改寫。上層任務(wù)調(diào)度部分不需要任何改動。3.23.2 系統(tǒng)任務(wù)劃分及調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)劃分及調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)劃分嵌入式實時系統(tǒng)中的任務(wù)不同于前后臺系統(tǒng)中的子程序模塊，任務(wù)是處理機按程序處理數(shù)據(jù)的過程，是個動態(tài)的概念。一般，一個任務(wù)對應(yīng)

20、于一段獨立的主程序。它可以調(diào)用各種子程序，并使用各種系統(tǒng)資源如中斷、外設(shè)等，以完成某種預(yù)定的功能，且允許多個任務(wù)并行運行。嵌入式系統(tǒng)任務(wù)劃分，是將系統(tǒng)中所有要處理的事情劃分為一個個相對獨立的任務(wù)模塊，所有待處理的任務(wù)模塊按順序建立一個個的任務(wù)，并分配任務(wù)的優(yōu)先級。在主程序中，所需要做的工作只是建立這些模塊的任務(wù)，然后每次執(zhí)行就緒任務(wù)隊列中優(yōu)先級最高的任務(wù)。根據(jù)微型爬壁機器人控制系統(tǒng)的性能指標和技術(shù)要求，對可系統(tǒng)進行如下的任務(wù)劃分：前進、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、串行通信、數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。任務(wù)調(diào)整C/OS-II 的任務(wù)調(diào)度是按優(yōu)先級進行的，根據(jù)各任務(wù)的實時性要求及重要程度，分別置它們的優(yōu)先

21、級為 10、9、5、6、12、11，其中 0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO2、OS_LOWEST_PRIO1、OS_LOWEST_PRIO0 這幾個優(yōu)先級保留以被系統(tǒng)使用。優(yōu)先級號越低，任務(wù)的優(yōu)先級越高。為了在后臺實時檢測同步信號的變化，及時產(chǎn)生相應(yīng)的事件，可直接利用嵌入式微控制器所提供的各種中斷，通過對中斷服務(wù)處理程序傳遞信號量，來喚醒等待同步信號的任務(wù)，使這個任務(wù)從掛起狀態(tài)到就緒狀態(tài)，送到 CPU 執(zhí)行，從而達到實時處理的目的。在多任務(wù)系統(tǒng)中，消息、信號是系統(tǒng)能夠在各個任務(wù)之間通信最常用的手段，其中，使用信號量是協(xié)

22、調(diào)多任務(wù)最簡單有效的手段。在C/OS-II 中，一個任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序，通過事件控制塊來向另外的任務(wù)發(fā)信號。當(dāng)微型爬壁機器人啟動之后，首先通過接觸傳感器和壓力傳感器檢測 4 只吸盤是否很好的與壁面吸合； 同時， 通過紅外傳感器檢測前面是否有障礙物。如果一切正常就發(fā)送信號量給直線前進任務(wù)，直線前進任務(wù)接受到信號量開始運行，通過協(xié)調(diào)控制 12 個電機并配合相應(yīng)傳感器使爬壁機器人沿直線運行。 當(dāng)紅外傳感器檢測到前面有障礙物時，會進入中斷程序，在中斷程序中發(fā)送信號給停止任務(wù)，停止任務(wù)接收以信號量后運行。首先使機器人停下來調(diào)整好姿勢確保機器人四足吸在壁面上，然后發(fā)送信號量喚醒左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)任務(wù)，控制機

23、器人繞過障礙物。以后還可以給微型爬壁機器人配備微型攝像頭，對目標現(xiàn)場進行實時數(shù)據(jù)采集?？傊谖⑿团辣跈C器人的控制系統(tǒng)中，信號、消息不斷傳遞，使得各個任務(wù)不斷切換運行，整個系統(tǒng)得以正確運轉(zhuǎn)工作。第 9 頁1.3 傳感導(dǎo)引系統(tǒng)傳感導(dǎo)引系統(tǒng)傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。 外部傳感器為：(1)傳感器檢測導(dǎo)引方案采用在筒壁上沿平行焊縫方向貼導(dǎo)向帶， 通過安裝在車體上的 4 個對顏色敏感的光纖傳感器(傳感器固定在傳感器盒上)來檢測機器人本體的位置偏移和方位偏移。(2)由另一緊壓壁面的自由輪帶動的光電碼盤檢測 x 方向的移動距離。內(nèi)部傳感器為： x 向 y 向的運動控制用內(nèi)部傳感器,即是伺服電機軸上的

24、 3 個位移光電碼盤。以平行于焊縫的參考線為定位參考基準,布置好導(dǎo)向帶,導(dǎo)向帶采用表面光滑且無凹陷的磁條作為底層， 在磁條上鋪設(shè)固定寬度的白色色帶用于導(dǎo)航。 傳感器的平面布置如圖 2 所示。圖中.1 x 1 y 1 為傳感器盒坐標系，相當(dāng)于是固定在機器人本體上的。 x 1 傳感器對稱中心線上與 x 1 軸平行，y 1 軸通過 1、2 傳感器，. 1 為傳感器坐標原點。. x y 為導(dǎo)引帶坐標系，x 軸為與 x 軸平行且與導(dǎo)引帶中心線重合,相當(dāng)于是固定在筒壁上的坐標軸，. 為沒有位置誤差、方位誤差時在 x 1 上與. 1 重合的點,y 垂直于 x f1(2)f4f2(3)兩側(cè)的吸附力變化方向相反

25、，通過仿真計算得總吸附力變化不大：f3+f4f1+f2(4)同理，圖 2d 中 f5 小于 f1，f6 大于 f2，吸附力得變化相互抵消，得：f5+f6f1+f2(5)圖 2d 中，M2 是機器人其他零件對磁輪單元的作用力矩。(a)(b)(c)（d）圖 2 磁輪和壁面的不同接觸狀態(tài)第 18 頁第四章第四章 爬壁爬壁機器人的力學(xué)分析機器人的力學(xué)分析4.1 爬壁爬壁機器人靜力學(xué)分析機器人靜力學(xué)分析機器人參數(shù)如圖 3 所示。下文變量說明：W：左輪、右輪軸線距離 (m)；L：輔助萬向輪到左輪、右輪軸線距離 (m)；S：機器人重心 C 到左右輪軸線的距離(m)；H：機器人重心到壁面距離(m)。圖 3 機

26、器人參數(shù)示意圖爬壁機器人在靜止且不作業(yè)時受到以下力：G：爬壁機器人的重力 (N)；FmD：作用在左右輪軸線上的等效吸附力 (N)；FmS：作用在輔助萬向輪上的等效吸附力 (N)；NL、NR 和 NAS：左輪、右輪和輔助萬向輪與壁面的正壓力 (N)；fL、fR 和 fAS：左輪、右輪和輔助萬向輪與壁面間的摩擦力 (N)。在進行清理、補焊和磨削等作業(yè)時，機器人會受到作業(yè)產(chǎn)生的反力。實驗證實磨削時的產(chǎn)生的反力在切向和法向都是最大，因此機器人在進行磨削作業(yè)時如果能保持穩(wěn)定，不發(fā)生滑移和脫落，則在進行其他作業(yè)時也能保持穩(wěn)定。第 19 頁4.2 爬壁爬壁機器人動力學(xué)分析機器人動力學(xué)分析爬壁機器人的運動狀態(tài)

27、分為直線運動和轉(zhuǎn)向運動。理論和實驗表明當(dāng)爬壁機器人原地轉(zhuǎn)向時，要求單個驅(qū)動裝置輸出的驅(qū)動力矩和功率最大，是最易發(fā)生打滑及堵轉(zhuǎn)失穩(wěn)的工況。爬壁機器人原地轉(zhuǎn)向運動過程中的平面受力狀況如圖 4 所示，圖中 FL、FR 分別為作用在左右輪上的實際驅(qū)動力(N)， FfL、 FfR 分別為作用在左右輪上的側(cè)向摩擦力(N)，F(xiàn)fAS為作用在滾動萬向輪上的滾動阻力(N)。在坐標系XRYRZR中，爬壁機器人轉(zhuǎn)向過程中的動力學(xué)方程為：其中 m ：為爬壁機器人質(zhì)量 (kg)；Iz：以左、右輪軸線中點為中心的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)；Vx、Vy：機器人在 XR、YR 方向上的線速度 (m/s)；VxVy：機器人在 XR、

28、YR 方向上的加速度(m/s2)； ：機器人角速度 (rad/s)；圖 4 爬壁機器人原地轉(zhuǎn)向平面受力圖第 20 頁式中 ML、MR 分別為作用在左右輪上的驅(qū)動力矩(N.m)， FfrL、FfrR 分別為左右輪的滾動阻力(N)， D r 為驅(qū)動輪半徑(m)。根據(jù)靜力平衡關(guān)系得：根據(jù)爬壁機器人在壁面運行的實際情況，提出下列假設(shè)：爬壁機器人在運動過程中不出現(xiàn)滑移和側(cè)滑，以勻速轉(zhuǎn)動，即認為 x V、Vy及為零；同時，由于機器人轉(zhuǎn)動角速度（01.67 rad/s）及線速度 Vx、Vy（02 m/min）小，離心力遠小于機器人自重，故忽略離心加速度項的影響。根據(jù)上述假設(shè)，上式可簡化為：第 21 頁由上式

29、分析可得，為防止驅(qū)動輪打滑，F(xiàn)mD 需至少大于一個臨界值FmDRSK。結(jié)論結(jié)論本文主要討論了磁吸附機器人及其磁吸附機構(gòu)。本文還介紹了一種永磁體集中布置的曲面自適應(yīng)磁輪單元。該磁輪單元能提供比普通同等質(zhì)量的磁輪更大的吸附力，且在曲面上能保持吸附力基本不變。研究了磁吸附爬壁機器人的力學(xué)模型，通過對以上爬壁機器人結(jié)構(gòu)和功能的分析，可以預(yù)見當(dāng)微機械電子技術(shù)、微驅(qū)動器技術(shù)、高分子材料技術(shù)和能源供給方面等高科技領(lǐng)域發(fā)展到一定程度時，這種新型爬壁機器人的實用化才能變成現(xiàn)實。參考文獻參考文獻王麗慧. 水下船體表面清刷機器人及相關(guān)技術(shù)研究D. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2002田蘭圖. 油罐檢測爬壁機器人技術(shù)

30、及系統(tǒng)研究D. 北京: 清華大學(xué), 2004桂仲成, 陳強, 孫振國, 等. 水輪機葉片修復(fù)機器人的移動平臺J. 機械工程學(xué)報, 2006劉淑霞, 王炎, 徐殿國, 等爬壁機器人技術(shù)的應(yīng)用J機器人, 1999, 21(2): 14致謝致謝在即將完成本科學(xué)習(xí)之際，首先我衷心感謝徐漢斌老師在畢業(yè)設(shè)計期間給予的無私的關(guān)心、幫助和指導(dǎo)。徐老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的科研精神和對學(xué)術(shù)的執(zhí)著追求將使我終身受益。同時在此期間，徐老師給予了我全面鍛煉的機會，導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求使我的論文得以順利進行。在此成文之際，謹向徐老師致以我最深切的敬意和最衷心的感謝。感謝在本科學(xué)習(xí)期間，給予我鼓勵和幫助的所有同學(xué)及朋友。特別是養(yǎng)育我多年的父母。感謝對論文進行評審、提出寶貴意見的各位老師。第 1 頁