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高等教育自學考試 畢業(yè)設計（論文） 題 目 爬壁式機器人設計 專業(yè)班級 姓 名 指導教師 所屬 助學單位 2011 年 12 月 2 日 第 1 頁 目錄 前言 .......................................................................................................................................................................... 2 第一章 ..................................................................................................................................................................... 3 總體結構 ................................................................................................................................................................... 3 械結構 ............................................................................................................................................................. 3 制系統(tǒng)硬件 ..................................................................................................................................................... 4 感導引系統(tǒng) ..................................................................................................................................................... 9 第二章 ................................................................................................................................................................... 14 壁機器人磁吸附原理 ................................................................................................................................... 14 吸附技術簡介 ............................................................................................................................................... 14 吸力及選材 ........................................................................................................................................... 14 第三章 ................................................................................................................................................................... 16 種新型磁輪單元 ........................................................................................................................................... 16 輪分析 ........................................................................................................................................................... 16 第四章 爬壁 機器人的力學分析 .......................................................................................................................... 18 壁 機器人靜力學分析 ................................................................................................................................... 18 壁 機器人動力學分析 ................................................................................................................................... 19 結論 ........................................................................................................................................................................ 21 參考文獻 ............................................................................................................................................................... 21 致謝 ........................................................................................................................................................................ 21 第 2 頁 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構及位置調(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，利用磁帶導航，光纖傳感器檢測，具有結構緊湊、導航性能好、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器為具體的應用對象，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 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 司研制了多用途模塊磁輪掃描儀 本的 o。 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爬壁機器人還少有實用化的樣例，也缺乏 這方面的機械結構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。 關鍵詞 ：機器人技術 爬壁機器人 磁吸附 前言 機器人是傳統(tǒng)的機構學與近代電子技術相結合的產(chǎn)物，是計算機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多學科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種模仿人操作、高速運行、重復操作和精度較高的自動化設備。機器人技術的出現(xiàn)和發(fā)展，不但傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學研究發(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。 隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機器人的小型化、微型化成為機器人技術發(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；或者充當可移動的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設施和人員。 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)等領域有廣泛的應用，隨著技術的日趨成熟，應用范圍的拓展，越來越受到各國科 研部門的重視 第一章 總體結構 本樣機由機械部分、控制部分、導航傳感檢測部分組成。 械 結構 本樣機的機械部分由導軌滑塊運動體、左右磁輪運動體組成。 樣機及結構簡圖如圖 1。設 o 1 x 1 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軌。 圖中所示 標的 當于是固定在筒壁上的，與串列掃查基準線重合， 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。 當兩個電機同時驅動 4 個輪同向等速轉動時 ,機器人向前后移動，當左邊的 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 ; 反之，向左偏轉。 (2)導軌滑塊運動體 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軌上運動，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)。 制系統(tǒng)硬件 該微型爬壁機器人采用 12個微型電機驅動， 4 個接觸傳感器， 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。設計中，最終選定 司最新開發(fā)的基于 32 位 為控制系統(tǒng)主控制器。 *128 能； *16 *向量中斷控制器； *仿真跟蹤模塊支持實時跟蹤； *標準 調(diào)試接口，兼容現(xiàn)有工具； *雙 中一帶有 調(diào)制解調(diào)器接口； *高速 400kb/s； * *2個定時器分別具有 4 路捕獲 /比較通道； *多達 6路輸出的 元； 第 5 頁 *實時時鐘； *看門狗定時器； *通用 I/ *0 *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 10～ 25 *處內(nèi) 。 微型爬壁機器人控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 2所示，選用 提高系統(tǒng)效率和降低功耗，功放驅動電路采用基于雙極性 6 引腳 內(nèi)部集成了雙極型 有的開量都做成 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。 能 信號可以用于脈寬調(diào)整（ 另外， 2個 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 中 使能信號， 電機轉動方向控制信號， ， 0時，電機正轉，反之，電機反轉。選用一路 過調(diào)整 擇一路 I/反向器 74腳，控制電機的正反轉。為了節(jié)省 ，選用2 片 74制電機的正反轉。為了節(jié)省 ，選用 2片 74，每片分別選用 3路 I/路 I/樣就可以將 8路 I/6路 I/前所述，因為直注電機采用 速，這樣每 1個電機至少需要 1 路 12個電機需要 12 路 路 出，所以選用2 片電平鎖存器 742個電機分成 2組共用 6路 第 6 頁 接觸傳感器由外層管和內(nèi)部超彈性線構成，內(nèi)外兩層通過硅管隔開。當內(nèi)線和外 層接觸時，開關關閉。通過這種方法，接觸傳感器向 此來控制吸盤的方向。 從壓力傳感器來模擬信號經(jīng) A/ 控制系統(tǒng)軟件設計 微型爬壁機器人控制系統(tǒng)軟件選用嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)μ C/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操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用 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μ C/后介紹微型爬壁機器人控制軟件的設計。 μ C/移植μ C/要包括：設置堆棧的增長方面，聲明 3個宏（開中斷、關中斷和任務切換），聲明 10個與編譯器相關的數(shù)據(jù)類型；用 個與操作系統(tǒng)相關的函數(shù)（任務堆棧初始化函數(shù)和 5 個鉤子函數(shù)）；用匯編語言編寫 4個與處理器相關的函數(shù)。 用匯編語言編寫的 4個與處理器相關的函數(shù)如下： ① 用于在調(diào)度中使最高優(yōu)先級的任務處于就緒態(tài)并開始執(zhí)行； ② 完成任務級的上下文切換； ③ 完成中斷級任務切換，其過程與 類似，只是在執(zhí)行中斷服務子程序后可能使更高優(yōu)先級的任務處于就緒態(tài)； ④ 是系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務子程序。 μ C/語言中的 數(shù)據(jù)類型的定義，因為它們與處理器類型有關，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μ C/用 和 開中斷和關中斷來保護臨界段代碼。 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 使用中斷，使用 中斷。 Μ C/0表示堆棧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 理器核對于兩種方式支持，但 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，所以值為 1。以上內(nèi)容在文件 做如下定義。 *布爾變量 */ *無符號 8位整型變量 */ *有符號 8位整型變量 */ *無符號 16位整型變量 */ *有符號 16 位整型變量 */ *無符號 32 位整型變量 */ *有符號 32位整型變量 */ *單精度浮點數(shù)（ 32位長度） */ *雙精度浮點數(shù)（ 64位長度） */ *堆棧是 32位寬度 */ _*關中斷 */ _*開中斷 */ #堆棧由高地址向低地址增長 */ 件的移值 第 8 頁 ，任務切換函數(shù)，中斷任務切換函數(shù) 和時鐘節(jié)拍服務函數(shù) 這 4個匯編函數(shù)的改寫。上層任務調(diào)度部分不需要任何改動。 統(tǒng)任務劃分及調(diào)度 系統(tǒng)任務劃分 嵌入式實時系統(tǒng)中的任務不同于前后臺系統(tǒng)中的子程序模塊，任務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，一個任務對應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、外設等，以完成某種預定的功能，且允許多個任務并行運行。嵌入式系統(tǒng)任務劃分，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模塊，所有待處理的任務模塊按順序建立一個個的任務，并分配任務的優(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，然后每次執(zhí)行就緒任務隊列中優(yōu)先級最高的任務。根據(jù)微型爬壁機器人控制系統(tǒng)的性能指標和技術要求，對可系統(tǒng)進行如下的任務劃分：前進、后退、左轉彎、右轉彎、串行通信、數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)處理等任務。 任務調(diào)整 μ C/據(jù)各任務的實時性要求及重要程度，分別置它們的優(yōu)先級為 10、 9、 5、 6、 12、 11，其中 0、 1、 2、 3、 先級號越低，任務的優(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，通過對中斷服務處理程序傳遞信號量，來喚醒等待同步信號的任務，使這個任務從掛起狀態(tài)到就緒狀態(tài)，送到 而達到實時處理的目的。 在多任務系統(tǒng)中，消息、信號是系統(tǒng)能夠在各個任務之間通信最常用的手段，其中，使用信號量是協(xié)調(diào)多任務最簡單有效的手段。在μ C/，一個任務或者中斷服務子程序，通過事件控制塊來向另外的任務發(fā)信號。當 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，直線前進任務接受到信號量開始運行，通過協(xié)調(diào)控制 12個電機并配合相應傳感器使爬壁機器人沿直線運行。當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，停止任務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)送信號量喚醒左轉或者右轉任務，控制機器人繞過障礙物。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，使得各個任務不斷切換運行，整個系統(tǒng)得以正確運轉工作。 第 9 頁 感導引系統(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)傳感器檢測導引方案采用在筒壁上沿平行焊縫方向貼導向帶，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 內(nèi)部傳感器為： x 向 部傳感器 ,即是伺服電機軸上的 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 ,布置好導向帶 ,導向帶采用表面光滑且無凹陷的磁條作為底層，在磁條上鋪設固定寬度的白色色帶用于導航。 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。 .‘ (2) f4< (3) 兩側的吸附力變化方向相反，通過仿真計算得總吸附力變化不大： f3+ f1+ (4) 同理，圖 2d 中 于 于 附力得變化相互抵消，得： f5+ f1+ (5) 圖 2d 中， 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 爬壁 機器人的力學分析 壁 機器人靜力學分析 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 m)； H：機器人重心到壁面距離 (m)。 圖 3 機器人參數(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)； 用在左右輪軸線上的等效吸附力 (N)； 用在輔助萬向輪上的等效吸附力 (N)； 輪、右輪和輔助萬向輪與壁面的正壓力 (N)； 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 壁 機器人動力學分析 爬壁機器人的運動狀 態(tài)分為直線運動和轉向運動。理論和實驗表明當爬壁機器人原地轉向時，要求單個驅動裝置輸出的驅動力矩和功率最大，是最易發(fā)生打滑及堵轉失穩(wěn)的工況。爬壁機器人原地轉向運動過程中的平面受力狀況如圖 4所示，圖中 F L、 F N)， 別為作用在左右輪上的側向摩擦力 (N)， 作用在滾動萬向輪上的滾動阻力 (N)。 在坐標系 壁機器人轉向過程中的動力學方程為 ： 其中 m ：為爬壁機器人質(zhì)量 ( 左、右輪軸線中點為中心的轉動慣量 ( 器人在 (m/s)； R、 m/ ω ：機器人角速度 (s)； 圖 4 爬壁機器人原地轉向平面受力圖 第 20 頁 式中 別為作用在左右輪上的驅動力矩 ( 別為左右輪的滾動阻力 (N)， D r 為驅動輪半徑 (m)。 根據(jù)靜力平衡關系得： 根據(jù)爬壁機器人在壁面運行的實際情況，提出下列假設：爬壁機器人在運動過程中不出現(xiàn)滑移和側滑，以勻速轉動，即認為 x V （ 0～ s）及線速度 0～ 2 m/，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，上式可簡化為： 第 21 頁 由上式分析可得，為防止驅動輪打滑， 結論 本文主要討論了磁吸附機器人及其磁吸附機構。本文還介紹了一種永磁體集中布置的曲面自適應磁輪單元。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模 型，通過對以上爬壁機器人結構和功能的分析，可以預見當微機械電子技術、微驅動器技術、高分子材料技術和能源供給方面等高科技領域發(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 王麗慧 . 水下船體表面清刷機器人及相關技術研究 [D]. 哈爾濱 : 哈爾濱工程大學 , 2002 田蘭圖 . 油罐檢測爬壁機器人技術及系統(tǒng)研究 [D]. 北京 : 清華大學 , 2004 桂仲成 , 陳強 , 孫振國 , 等 . 水輪機葉片修復機器人的移動平臺 [J]. 機械工程學報 , 2006 劉淑霞 , 王炎 , 徐殿國 , 等．爬壁機器 人技術的應用 [J]．機器人 , 1999, 21(2): 14 致謝 在即將完成本科學習之際，首先我衷心感謝徐漢斌老師在畢業(yè)設計期間給予的無私的關心、幫助和指導。徐老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，一絲不茍的科研精神和對學術的執(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，導師的悉心指導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。 感謝在本科學習期間，給予我鼓勵和幫助的所有同學及朋友。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