壁面移動爬壁機器人的設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,移動,挪動,機器人,設(shè)計,cad,圖紙,說明書,仿單 摘 要 　　壁面移動機器人屬特種作業(yè)機器人，在核工業(yè)、石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，自二十世紀六十年代出現(xiàn)以來，一直受到世界各國的關(guān)注。 　　本文在闡述了國內(nèi)外壁面爬行機器人發(fā)展的狀況后。根據(jù)工作的環(huán)境與特點選擇了雙鏈條、真空吸附方式的總體結(jié)構(gòu)。并對機器人在表面靜止、運動和抗傾機構(gòu)進行力學(xué)分析。 　　本文對于爬壁機器人的清刷機構(gòu)做出了兩種設(shè)計，最后選用其中的一種進行裝配，另一種作為備選方案。 關(guān)鍵詞：壁面移動機器人；模糊控制；姿態(tài)控制 Abstract Wall-climbing robot has been used in many areas, such as nuclear industry, petrifaction enterprise, building industry, fire fighting and ship building etc. It has been provoking high attention world widely ever since it was born in 1960’s. In the paper ,we clarify the developing situation of the wall-climbing robot,out and in the country . According to work situation ,we select single crawler movement and vacuum adsorption for the robot.The paper sets up mechanics model of the robot when it is immobile or mobile or it is effected by acclivitous – resistant devices ,makes kinemotics analyses. 　　 In this paper, wall-climbing robot-brush made of the two institutions design, the final selection of one of the assembly. As another option. Key Words：Wall-climbing robot；Fuzzy control；Posture control. 目 錄 摘 要 I Abstract II 　　第1章　緒論 1 1.1 課題的來源、目的和意義 1 1.2 傳統(tǒng)爬壁機器人的結(jié)構(gòu)及特性 1 1.3國內(nèi)外爬壁機器人的現(xiàn)狀 2 1.4 模糊控制策略在機器人中的應(yīng)用 5 1.5 本文的研究內(nèi)容及主要工作 7 第2章　清刷機器人的總體結(jié)構(gòu) 8 2.1 引言 8 2.2 清刷機器人系統(tǒng)性能指標和總體構(gòu)成 8 2.2.1清刷系統(tǒng)性能指標 8 2.2.2 清刷機器人的總體構(gòu)成 8 2.3 清刷機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 2.3.1 行走機構(gòu) 10 2.3.2 吸附機構(gòu) 10 2.3.3 驅(qū)動機構(gòu) 12 2.3.4 傳動機構(gòu) 13 2.3.5 鏈條的張緊裝置 14 2.4 軸的計算 16 2.5 鏈條驅(qū)動方式的選擇 16 2.6 清刷機構(gòu) 17 2.6.1 運動方式 17 2.6.2 清洗方式 19 2.6.3 清洗作業(yè)系統(tǒng)的滾刷系統(tǒng)及噴淋系統(tǒng) 19 2.6.4影響機器人清洗的因素 20 2.7 清刷機構(gòu)的第二方案 20 2.8 本章小結(jié) 21 第3章 清刷機器人力學(xué)分析 22 3.1 引言 22 3.2 力學(xué)分析及數(shù)學(xué)模型的建立 22 3.3 本章小結(jié) 25 第4章 清刷機器人控制系統(tǒng)的研制 26 4.1 引言 26 4.2 清刷機器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計 26 4.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 27 4.3.1伺服電機驅(qū)動與控制電路設(shè)計 27 4.3.2 串行通訊電路的設(shè)計 29 4.4 傾角傳感器的原理及其數(shù)據(jù)采集 30 4.4.1 傾角傳感器的原理 30 4.4.2 傾角傳感器的數(shù)據(jù)采集 30 4.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 31 4.5.1 下位單片機控制軟件設(shè)計 31 4.5.2 上位PC機控制軟件設(shè)計 32 4.6 本章小結(jié) 32 結(jié) 論 33 參考文獻 34 致 謝 36 　　第1章　緒論 1.1 課題的來源、目的和意義 隨著城市的現(xiàn)代化高速發(fā)展，一座座高樓拔地而起。為了美觀，也為了得到更好的采光效果，很多寫字樓和賓館都采用了玻璃幕墻，但時間一長，就要對玻璃壁面進行清洗。以美化市容市貌。很多開放性城市還規(guī)定，每年對高樓清洗若干次。目前對高層建筑的清洗工作主要是由人工完成的。清洗工人搭乘吊藍或腰系繩索進行高空擦洗,稍有不慎就會出現(xiàn)事故,造成傷亡。不但如此,人工作業(yè)的效率也很低,清洗一幢大樓有時要耗時數(shù)天乃至數(shù)十天,耗資巨大。因此人們迫切的希望能夠設(shè)計制造出一種可以代替人工完成高層建筑清洗任務(wù)的裝置。 　　近年來出現(xiàn)的爬壁機器人,實現(xiàn)了這種理想。由于在垂直陡壁上作業(yè)是非常困難和危險的,超越了人的能力極限,所以在國外稱此類機器人為極限作業(yè)機器人。極限作業(yè)機器人的研制成功，解決了人類在特殊環(huán)境下從事危險、繁重體力勞動的難題，為改善勞動環(huán)境、保護人身安全及美化城市等方面，開辟了一個新的領(lǐng)域。目前為止，國內(nèi)外的許多家研究機構(gòu)都在積極開展此項研究工作。 1.2 傳統(tǒng)爬壁機器人的結(jié)構(gòu)及特性 　　爬壁機器人必須具有兩個基本功能在壁面上的吸附功能和移動功能。傳統(tǒng)爬壁機器人按吸附功能可分為真空吸附和磁吸附兩種形式:真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低磁吸附法可分為電磁體和水磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。水磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強，且吸附力遠大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，因此嚴重地限制了爬壁機器人的應(yīng)用環(huán)境。爬壁機器人按移動功能分主要是吸盤式、車輪式和鏈條式。吸盤式能跨越很小的障礙，但移動速度慢。車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難;鏈條式對壁面適應(yīng)性強，著地面積大，但不易轉(zhuǎn)彎。而這三種移動方式的跨越障礙能力都很弱。驅(qū)動方式有兩種真空式由氣缸驅(qū)動，磁吸附式由電動機驅(qū)動。氣缸和電機不僅質(zhì)量大，增加機器人本體的重量，而且效率很低，能耗非常大。 目前機器人的電能供給均采用有纜接電方式或者是較大的蓄電池。有纜方式使機器人的移動不方便，工作受到一定的影響，而且電纜在壁面上產(chǎn)生摩擦，具有一定的危險性而蓄電池質(zhì)量大，增加機器人的自身重量，并且供電的時間有限。 1.3國內(nèi)外爬壁機器人的現(xiàn)狀 1966年,日本的西亮教授首次研制成功壁面移動機器人樣機,并在大阪府立大學(xué)表演成功。這是一種依靠負壓吸附的爬壁機器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的爬壁機器人,到80年代末期已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。當前,國內(nèi)外都非常重視爬壁機器人的研制,主要是因為它有著廣泛的用途,特別是它可以在一些危險環(huán)境下進行作業(yè)。主要的用途有: (1)清洗高層建筑物的瓷磚壁面或玻璃墻面; (2)在建筑行業(yè)用于巨型墻面噴漆、砌磚、貼瓷磚和點檢。 日本在開發(fā)爬壁機器人方面發(fā)展最為迅速,主要應(yīng)用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。日本清水建設(shè)公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機器人,他們研制的負壓吸附清洗玻璃面的爬壁機器人,曾為加拿大使館清洗。由日本Hokaido tech college 研發(fā)的爬墻機器人,可以說是先進處于領(lǐng)先地位。如圖1.1所示。 俄羅期彼得堡國立技術(shù)大學(xué)也研制成功負壓吸附爬壁機器人。英國在爬壁機器人領(lǐng)域取得許多成果。90年代初RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機器人(取名Beetle),已作為商品銷售。最高爬行速度達每分12米,可以自動記錄每隔一定距離的壁厚,最高爬行高度為25米。 日本化工機械技術(shù)服務(wù)公司研制出了用于清除核電站爐內(nèi)壁面上附著污染物的機器人(5 ,11 ,13) ,它采用的是單吸盤結(jié)構(gòu),靠真空泵產(chǎn)生負壓吸附于壁面上,這種機器人無獨立的移動功能,行走是靠與其連在一起的絞車拉動的,但是這種機器人工作時要求吸附面與壁面間有滑動,若壁面是凸凹不平的混凝土面,則滑動就很困難。為了解決吸附與移動之間的矛盾,之后公司又開發(fā)出VACS 壁面移動機器人(12 ,13) 。它采用鏈條式行走方式,在鏈條上裝有許多獨立的吸盤室,當與壁面接觸時,吸盤室與真空室相通,與壁面分離時與大氣相通。這樣吸盤與壁面在吸附時沒有相對移動。 圖1.1：由日本Hokaido tech college 研發(fā)的爬墻機器人（僅供參考） 我國在清洗機器人領(lǐng)域已進入世界領(lǐng)先水平。本項目系國家"863"高技術(shù)計劃支持的項目，經(jīng)過國內(nèi)各個機器人公司不斷研究和完善，現(xiàn)已成功地研制出新一代的實用型機器人。我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所已經(jīng)成功研制出單吸盤真空吸附車輪行走式爬壁機器人和永磁鐵吸附鏈條行走式爬壁機器人。如圖1.2所示。這種屬國家“863”計劃高科技項目的ＣＬＲ－2型壁面清洗爬壁機器人，于2000年6月8日在北京著名的國貿(mào)大廈開始正式“上班”。它每小時可清洗墻壁面積120～150平方米。上海大學(xué)也于2004.02.19 申請了一種靈活性強、精度高的磁輪吸附式爬壁機器人。 北京航天航空大學(xué)機器人研究所與鐵道部北京鐵路局科研所于1996 年合作開發(fā)出Cleanbot —Ⅰ型壁面清洗機器人 ,它是多吸盤吸附,采用”十”字框架式結(jié)構(gòu),即由兩個成“十”字交叉狀的無桿氣缸組成驅(qū)動裝置,用以實現(xiàn)機器人在X、Y方向上的移動。 ｀ 1. 鏈條;2. 永磁體塊;3. 主動軸;4. 萬向輪;5. 減速器;6. 交流 伺服電機;7. 聯(lián)軸器;8. 主動鏈輪;9. 外側(cè)板; 10. 張緊螺釘; 11. 從動鏈輪;12. 支撐架;13. 抗傾杠桿;14. 從動軸 圖1.2　壁面爬行機器人本體結(jié)構(gòu)簡圖 1.提升滑軌2.提升圓片3.壓縮輪4.驅(qū)動輪5.基板 6.驅(qū)動電機7.吸盤8.同步帶9.連軸器 圖1.3 爬壁平臺整體結(jié)構(gòu)圖 　 目前還流行一種無源真空爬壁機器人。如圖1.3所示。無源真空吸附是指利用機構(gòu)將吸盤內(nèi)的一部分氣體排出使吸盤腔內(nèi)具有一定的真空度，從而達到吸盤吸附到壁面的目的。最簡單的無源真空吸附的例子是普通的吸盤掛鉤。 1.4 模糊控制策略在機器人中的應(yīng)用 我們通?？梢杂谩澳：嬎恪被\統(tǒng)地代表諸如模糊推理（FIS，F(xiàn)uzzy Inference System）、模糊邏輯（Fuzzy Logic）、模糊系統(tǒng)等模糊應(yīng)用領(lǐng)域中所用到的計算方法及理論。在這些系統(tǒng)中，廣泛地應(yīng)用了模糊集理論，并揉和了人工智能的其他手段，因此模糊計算也常常與人工智能相聯(lián)系。由于模糊計算方法可以表現(xiàn)事物本身性質(zhì)的內(nèi)在不確定性，因此它可以模擬人腦認識客觀世界的非精確、非線性的信息處理能力。 模糊計算在應(yīng)用上可是一點都不含糊，其應(yīng)用范圍非常廣泛，它在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用已被人們所接受，例如，模糊洗衣機、模糊冰箱、模糊相機等。另外，在專家系統(tǒng)、智能控制等許多系統(tǒng)中，模糊計算也都大顯身手。究其原因，就在于它的工作方式與人類的認知過程是極為相似的。在這里，筆者結(jié)合自己的研究實踐，以一個建筑結(jié)構(gòu)選型的專家系統(tǒng)為例，說明模糊推理系統(tǒng)是如何模仿領(lǐng)域?qū)＜业乃季S進行工作的，其中所用到的步驟、計算過程在其他模糊系統(tǒng)中也具有典型的代表性。 圖1.4　FIS的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理 模糊推理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由四個重要部件組成：知識庫、推理機制、模糊化輸入接口與去模糊化輸出接口。知識庫又包含模糊if-then規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫。規(guī)則庫（rule base）中的模糊規(guī)則定義和體現(xiàn)了與領(lǐng)域問題有關(guān)的專家經(jīng)驗或知識，而數(shù)據(jù)庫則定義模糊規(guī)則中用到的隸屬函數(shù)。模糊規(guī)則的形式一般為if A is a then B is b，其中A與B都是語言變量（linguistic variable）而a和b則是由隸屬函數(shù)映射到的語言值 （linguistic values）。例如“if H 很適應(yīng) then 結(jié)構(gòu) 很合理”這樣一條模糊規(guī)則中，建筑高度“H”與“結(jié)構(gòu)”都是語言變量，而“很適應(yīng)”與“很合理”分別是它們的語言值，在數(shù)據(jù)庫中都有相應(yīng)的隸屬函數(shù)加以定義。推理機制（decision-making unit）按照這些規(guī)則和所給的事實（例如針對某一擬定方案）執(zhí)行推理過程，求得合理的輸出或結(jié)論（例如方案的評價值）。模糊輸入接口（fuzzification interface）將明確的輸入轉(zhuǎn)換為對應(yīng)隸屬函數(shù)的模糊語言值，而去模糊輸出接口則將模糊的計算結(jié)果換為明確的輸出。 由（圖1.4）我們可以看到，F(xiàn)IS的建立分為三個步驟：一是挑選能夠反映系統(tǒng)工作機制的控制輸入輸出變量 ；二是挑選這些變量的模糊子集；三是用模糊規(guī)則建立輸出集與輸入集的關(guān)系。而模糊系統(tǒng)F用三個步驟將輸入x映射到輸出F(x)。第一步是將輸入x并聯(lián)地匹配到所有“如果部分”的模糊集合，這一步依據(jù)輸入x屬于每一個“如果部分”集合A的程度來“激活”或“啟動”模糊規(guī)則。第二步是疊加所有按比例收縮的“則部分”集合，生成最終的輸出集合。第三步是去模糊化，系統(tǒng)計算出最終輸出集的形心或重心作為輸出F（x），常用的去模糊化方法有：面積中心法、面積等分法、極值法等。 圖1.5　FIS的推理機制 我們以對建筑設(shè)計高度是否適應(yīng)所選的結(jié)構(gòu)形式這一單因素評價為例看看系統(tǒng)的推理過程（見圖1.5）。對上述的“if H 很適應(yīng) then 結(jié)構(gòu) 很合理”規(guī)則而言，我們可以把H看作模糊單點，與“很適應(yīng)”求交運算，得到H的“很適應(yīng)”程度，亦即該規(guī)則前件的支持程度，再與“很合理”求交運算得到的模糊集便衡量了該關(guān)系得以成立的權(quán)重。通俗而言，即“H 很適應(yīng)”得到多大程度的支持，則結(jié)構(gòu)亦在多大程度上“很合理”，整個模糊推理過程。例如語言變量x經(jīng)過A1所代表的語言值程度隸屬函數(shù)，得到x對 A1的隸屬度，再與y對B1的隸屬度進行求交或求并運算，即可以得到第一個規(guī)則前件得以支撐的程度，然后再與后件語言值C1求交，得到該規(guī)則成立的權(quán)重，同樣也可以得到其他規(guī)則的權(quán)重。經(jīng)過面積中心法去模糊后就可以得到推論的結(jié)果。 模糊計算方法以模糊集理論為基礎(chǔ)，它有諸如模糊信息檢索、模糊識別、模糊聚類等許多廣泛的應(yīng)用，而且由于其采用的方法也是人類大腦所采用的認知方法，因而在社會學(xué)方面也大有用武之地。人腦也正是采用模糊的手段，極大地壓縮了信息的輸入量、處理量、存儲量，才得以滿意地處理所面臨的各種問題。 1.5 本文的研究內(nèi)容及主要工作 本論文“玻璃表面清刷機器人控制系統(tǒng)的研究”的研究目的是研制一種在玻璃表面清刷的機器人，重點是完成本體及控制系統(tǒng)的設(shè)計和研究，結(jié)合清刷機器人的吸附功能、移動功能和清刷作業(yè)功能，完成以下主要工作： 1. 清刷機器人總體結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計 根據(jù)玻璃清刷機器人的使用環(huán)境、技術(shù)指標的要求和系統(tǒng)組成，研究和設(shè)計了清刷機器人的吸附機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、抗傾覆機構(gòu)和清刷機構(gòu)，建立了完整的真空吸附、單鏈條移動的機器人本體結(jié)構(gòu)； 2. 清刷機器人力學(xué)及運動學(xué)分析 建立了機器人在結(jié)構(gòu)表面靜止和運動構(gòu)情況下的力學(xué)模型，進行了力學(xué)分析，為確定單個吸盤所需的吸附力和選取驅(qū)動機構(gòu)參數(shù)提供了依據(jù)；同時還對機器人進行安全性分析，建立運動學(xué)方程，為進行姿態(tài)閉環(huán)控制提供了依據(jù)。 3. 清刷機器人控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計 機器人的控制系統(tǒng)采用分布式控制方式。分布式控制是采用上、下位機的二級結(jié)構(gòu)，上位機負責(zé)整個系統(tǒng)的管理以及運動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多個CPU組成，每個CPU控制一個關(guān)節(jié)或一固定任務(wù)，這些CPU和主CPU之間采用總線形式連接。分布式控制結(jié)構(gòu)工作速度和控制性能比較高。機器人的控制系統(tǒng)分為三部分：電機控制模塊、綜合控制模塊和用戶控制模塊。 第2章　清刷機器人的總體結(jié)構(gòu) 2.1 引言 本課題研究的主要任務(wù)是完成設(shè)計能夠獨立完成光滑壁面清洗的爬壁機器人，首先應(yīng)該具有良好的吸附機能和行走機能，能夠可靠地吸附在玻璃表面上，以及能夠在結(jié)構(gòu)表面上遙控自由地上下移動，速度為2~8米/分；其次，考慮到作業(yè)環(huán)境和作業(yè)性質(zhì)的特殊性，需要提高爬壁機器人具有一定的負載能力；最后，爬壁機器人裝上清洗刷后，能夠克服氣候及重力影響完成清洗作業(yè)。 2.2 清刷機器人系統(tǒng)性能指標和總體構(gòu)成 2.2.1清刷系統(tǒng)性能指標 根據(jù)清刷機器人在玻璃表面完成清刷作業(yè)任務(wù)的要求，爬壁機器人的整體性能應(yīng)達到如下主要技術(shù)指標： （1） 吸附方式 真空吸附； （2） 移動機構(gòu) 鏈條式； （3） 移動速度 >2米／分； （4） 負重能力 >30公斤； （5） 控制方式 無線遙控； （6） 作業(yè)能力 安裝上清洗刷后能完成清刷作業(yè)任務(wù)。 2.2.2 清刷機器人的總體構(gòu)成 綜合以上性能指標,考慮到系統(tǒng)的通用性和操作的簡便性，玻璃表面清刷作業(yè)機器人的系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2.1所示。 機器人的控制系統(tǒng)采用分布式控制方式。分布式控制是采用上、下位機的二級結(jié)構(gòu)，上位機負責(zé)整個系統(tǒng)的管理以及運動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多個CPU組成，每個CPU控制一個關(guān)節(jié)或一固定任務(wù)，這些CPU和主CPU之間采用總線形式連接。分布式控制結(jié)構(gòu)工作速度和控制性能比較高。機器人的控制系統(tǒng)（如圖2.1所示）分為三部分：電機控制模塊、綜合控制模塊和用戶控制模塊。 ??? 用戶控制模塊包括操作盒和監(jiān)視器及與它們相連的無線收發(fā)設(shè)備。綜合控制模塊包括無線通訊和電源管理模塊。電機控制模塊包括兩個驅(qū)動電機及其驅(qū)動器。操作者可以控制操作手柄，將指令通過無線數(shù)傳模塊發(fā)給機器人上的綜合控制模塊。綜合控制模塊接受指令后，將其解釋，分別執(zhí)行。如果指令是給其他模塊的，綜合模塊將會重新編碼 通過I2C總線發(fā)送給其他模塊。同時其他模塊將要傳送給操作者的數(shù)據(jù)先通過I2C發(fā)送給綜合控制模塊，再由綜合控制模塊通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給操作者。 　　　　　　　　　 圖2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 玻璃表面清刷機器人有如下幾部分構(gòu)成： （1） 機器人本體 由真空吸附方式、雙鏈條結(jié)構(gòu)構(gòu)成玻璃表面清刷作業(yè)機器人的載體，是工作附件的運載工具； （2） 上位機負責(zé)整個系統(tǒng)的管理以及運動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。； （3） 下位機由多個CPU組成，每個CPU控制一個關(guān)節(jié)或一固定任務(wù)； （4） 清刷機構(gòu) 完成壁面的清刷作業(yè)任務(wù)。 2.3 清刷機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 綜合考慮了清刷機器人的作業(yè)環(huán)境，作業(yè)要求，保證機器人的可靠性和安全性，選擇了單鏈條真空吸附式的壁面移動機器人，原因是： 1. 為了能在玻璃表面上行走，我們采用了真空吸附方式。要在玻璃表面上行走，機器人大多采用真空吸附方式。因為比較安全可靠，即使突然斷電，機器人也不會發(fā)生墜落現(xiàn)象，但采用真空吸附方式，需要龐大的、復(fù)雜的真空系統(tǒng)，設(shè)計起來需要多方面考慮。 2. 選用雙鏈條的移動方式，與輪式相比，雖然結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，但其接觸面大、穩(wěn)定、可增加負重且便于攜帶作業(yè)工具。將吸盤鑲在鏈條上形成吸盤鏈條，通過合理的設(shè)計鏈條結(jié)構(gòu)，可以使鏈條負重的大小與其上所鑲嵌的吸盤數(shù)量近似成正比，這樣可保證在增加吸附力的同時，又可靈活地適應(yīng)玻璃表面； 3. 清刷機器人由鏈條完成移動功能，鏈條是鉸鏈聯(lián)接，具有一定的柔性，能夠適應(yīng)建筑表面的曲率變化，且可越過縫隙等存在于玻璃表面的障礙。 2.3.1 行走機構(gòu) 行走機構(gòu)模仿坦克鏈條結(jié)構(gòu)，坦克采用雙鏈條行走和轉(zhuǎn)向，對于爬壁機器人，爬行中底部的鏈條要通過吸盤吸附在工作面上。如果采用雙鏈條機器人轉(zhuǎn)向理論上不易實現(xiàn)，因此決定采用單鏈條模式在一封閉鏈條上交裝吸盤形成一條行走鏈條。通過前后兩個直徑為100mm的鏈輪，來支撐驅(qū)動鏈條，并在鏈條的下方設(shè)置導(dǎo)軌。前輪用來控制爬行的方向，一個雙作用汽缸用來控制前輪轉(zhuǎn)向。前后輪都用一交流伺服電機通過減速機構(gòu)來驅(qū)動。減速機構(gòu)選用德國NEUGART公司生產(chǎn)的PLE80精密行星齒輪箱作為減速器，電機選日本安川公司生產(chǎn)的?-L系列交流伺服電機（SGML-02AF14），體積小、單位體積功率大。電機驅(qū)動前后輪驅(qū)使機器人向前運動，當轉(zhuǎn)向汽缸驅(qū)動前輪偏轉(zhuǎn)一定角度，前部鏈條會隨之轉(zhuǎn)動一定的角度，因而，機器人會改變其前進方向，所以，鏈條具有一定的柔性對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向很重要，鏈條的每一關(guān)節(jié)可偏轉(zhuǎn)2. 4度，轉(zhuǎn)向的實現(xiàn)問題在下面進一步探討。本機器人本體機構(gòu)如圖2.2所示。 圖2.2 清刷機器人的本體結(jié)構(gòu) 2.3.2 吸附機構(gòu) 　 吸附機構(gòu)由安裝在鏈條上的吸盤及真空發(fā)生器等組成，吸附機構(gòu)由安裝在鏈條上的12組吸盤及真空發(fā)生器等組成,如圖2.3 所示,一系列鏈條連接板依次等間距安裝在鏈條 上,吸盤安裝在吸盤支撐板上, 吸盤支撐板和鏈條連接板之間通過連桿和彈簧相連, 由于連桿和鏈條連接板間可以滑動,因此,吸盤組在有比較小的障礙的墻面上, 可以象蠕蟲一樣產(chǎn)生避讓動作,使機器人可以越過障礙,每組吸盤由2個40 mm的吸盤組成,由單獨的機械閥控制其動作。隨著機器人的運動,當一組吸盤完全接觸工作表面到達吸附狀態(tài)時,對應(yīng)的機械閥打開,與之相連的真空發(fā)生器工作產(chǎn)生真空, 吸盤吸附在玻璃上,反之,隨著機器人前進, 當一組吸盤即將要離開平面時, 對應(yīng)的機械閥關(guān)閉,則吸盤的吸附力逐漸降到零, 而可以脫離工作表面,在設(shè)計中,任何時刻都至少保證有12組吸盤同時吸附在工作表面上,以產(chǎn)生足夠的吸附力, 防止機器人從墻壁上滑下或傾翻。因為每一個機械閥和真空發(fā)生器都要與氣源連接,要確保它們隨著鏈條的轉(zhuǎn)動而不纏繞,用一旋轉(zhuǎn)接頭實現(xiàn)氣的供給并能防止纏繞。 1. 吸盤　2. 吸盤提升裝置　3. 撐板彈簧　4. 導(dǎo)向支　5. 導(dǎo)輪　6. 鏈 條連接板　7. 連桿　8. 吸盤支撐板 圖2.3 　吸盤組導(dǎo)向和提升裝置 　　證吸盤組在垂直于工作面進入吸附狀態(tài),并能夠維持垂直(近似) 姿態(tài)直到吸盤組脫離, 因此設(shè)計了吸盤組導(dǎo)向裝置 ,在框架兩側(cè)安裝了縱向的導(dǎo)向支撐板(導(dǎo)軌) ,鏈條連接板的兩端安裝有三導(dǎo)輪,吸盤組的導(dǎo)輪進入導(dǎo)向支撐板后,在導(dǎo)向支撐板、鏈條及直線軸承的作用下,保證吸附狀態(tài)的吸盤連桿在機器人爬行時能保持相互姿態(tài)。為了避免吸盤在前輪下方切入時卷褶漏氣,設(shè)計了相應(yīng)的吸盤提升裝置 。在一吸盤組進入吸附狀態(tài)前,吸盤支撐板上的滾輪作用在提升軌道上,提升軌道將吸盤支撐板連同吸盤相對于鏈條連接板提升一段距離, 到達吸附位置時, 在彈簧作用下將吸盤彈回,吸盤組進入吸附狀態(tài)。 2.3.3 驅(qū)動機構(gòu) 機器人常用的驅(qū)動方式有：液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和機械式驅(qū)動四種基本方式。電動驅(qū)動主要有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機?？紤]機器人的特殊作業(yè)環(huán)境，驅(qū)動機構(gòu)選用日本安川電器公司生產(chǎn)的?-L系列交流伺服系統(tǒng)中型號為SGML-02AF14的伺服馬達。該馬達具有全封閉結(jié)構(gòu)，且具有可靠性高、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小、系統(tǒng)的快速性好、同功率下重量和體積均較小等優(yōu)點，其主要性能指標見表2.2。 表2.2 SGML-02AF14型交流伺服馬達的性能指標 額定 功率 (W) 額定 轉(zhuǎn)矩 (N.m) 瞬時最大扭矩 (N.m) 額定 轉(zhuǎn)速 (r/min) 額定 電流 (A) 額定 電壓 (V) 轉(zhuǎn)動 慣量 (kg.m2) 重 量 (kg) 200 0.637 1.91 3000 2.0 200 0.123′10-4 1.1 表2.3 SGDL-02AS型伺服單元的性能指標 最大輸出電流 (A) 輸入電源 (V) 控制方式 反饋 重量 (kg) 6.0 單相AC200~230 50/60HZ 單相全波整流 正弦波驅(qū)動 增量型編碼器1024P/R 0.9 每個伺服馬達都有一個與之相匹配的伺服單元，沒有伺服單元的驅(qū)動，伺服馬達將不能運動。和SGML-02AF14伺服馬達相匹配的伺服單元的型號為SGDL-02AS。該伺服單元的主要特性見表2.3。 馬達是高轉(zhuǎn)速、低扭矩的驅(qū)動部件，馬達的輸出軸要經(jīng)過減速器進行減速，才能達到所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求。我們選用了德國NEUGART公司生產(chǎn)的PLE80精密行星齒輪箱作為減速器，其性能指標見表2.4。 表2.4 PLE80精密行星齒輪箱性能指標 額定輸出扭矩(N.m) 最大輸入速度 (r/min) 轉(zhuǎn)動 慣量 (kg.m2) 最大徑向載荷 (N) 減 速 比 傳動級數(shù) 滿負載效率 重 量 (kg) 120 8000 0.39′10-4 950 160 3 90% 3.1 2.3.4 傳動機構(gòu) 2.3.4.1 鏈傳動的特點和應(yīng)用 根據(jù)本體結(jié)構(gòu)需要，綜合考慮傳動性能、成本等方面原因，這里選用鏈傳動。它由鏈條和主、從動鏈輪組成，鏈輪上制有特殊齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節(jié)嚙合來傳遞運動和動力。鏈傳動與帶傳動相比，無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而保持準確的平均傳動比，傳動效率較高。與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造和安裝精度要求較低，成本低廉。鏈傳動的主要缺點是運轉(zhuǎn)的瞬時速度不均勻，高速時不如帶傳動平穩(wěn)，鏈條磨損后易發(fā)生跳齒現(xiàn)象。鏈傳動主要應(yīng)用于要求工作可靠，且兩軸相距較遠，以及其它不宜采用齒輪傳動的場合和極為惡劣的工作環(huán)境。這里采用的傳動鏈為兩側(cè)帶翼板的滾子鏈，以便在改形后的外側(cè)翼板上安裝吸盤。 2.3.4.2 鏈傳動主要參數(shù)的確定 1. 鏈輪齒數(shù)z1、z2和傳動比i 鏈條節(jié)距p的大小，與傳動的平穩(wěn)性、承載能力等均有一定的關(guān)系。在一定條件下，鏈條的節(jié)距越大，承載能力越高，但傳動的多邊形效應(yīng)也要增大，振動、沖擊、噪聲也越嚴重。為使傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、延長鏈條的使用壽命，盡量選用較小節(jié)距的單排鏈。考慮鏈的傳動功率小于100kW，鏈速小于15m/s，選用了普通短節(jié)距傳動滾子鏈，其型號為：10A-1×80 GB1243.1-83，該滾子鏈的節(jié)距mm。 2. 鏈傳動的中心距a和鏈節(jié)數(shù)Lp 若中心距a過小，當鏈速不變時，單位時間內(nèi)鏈條繞轉(zhuǎn)次數(shù)增多，則鏈條曲伸次數(shù)和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，可加劇鏈的磨損和疲勞，且鏈條在主動鏈輪上的包角變小，將導(dǎo)致輪齒所受的載荷增大，易出現(xiàn)跳齒和脫鏈現(xiàn)象。中心距太大，會引起從動邊垂度過大， 傳動時造成松邊顫動。一般初定中心距，從減小機器人的體積考慮，取。 鏈節(jié)數(shù) 　　 (2-1) 考慮使磁塊均勻分布在鏈條上，并且每5個鏈節(jié)安裝一個磁塊，所以取Lp = 80節(jié)。 鏈傳動的理論中心距 (mm) 　　(2-2) 實際中心距 (mm) 　(2-3) 3. 鏈輪的主要尺寸 分度圓直徑 (mm) 　(2-4) 齒頂圓直徑 (mm) 　 (2-5) 式中：—滾子鏈的滾子外徑，mm。 齒根圓直徑 　　　　　　(mm) 　　 (2-6) 分度圓弦齒高 (mm) 　　 (2-7) 齒側(cè)凸緣直徑 (mm) 　　　　 (2-8) 式中：—滾子鏈內(nèi)鏈板高度，mm。 齒寬 (mm) 　　　　　　 (2-9) 式中：—內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬，mm。 2.3.5 鏈條的張緊裝置 　　鏈條包在鏈輪上太松和太緊都不好，其松緊程度用松邊垂度來表示。合適的松邊垂度為。鏈條垂度過大時，會產(chǎn)生與鏈輪嚙合不良和鏈條的振動等現(xiàn)象，會導(dǎo)致磁性吸附塊與船體表面接觸不良，影響機器人的移動功能。并且鏈條在使用過程中也會因磨損而逐漸伸長，也需適時地調(diào)整鏈條的松緊程度。這里由于前后兩軸都與框架相連，所以通過調(diào)節(jié)連接兩個框架的螺栓來調(diào)節(jié)前后兩軸的距離，達到張緊的目的。其結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。當鏈條太松時，通過調(diào)整張緊螺栓，使前后兩框架的距離加大，從而加大了兩鏈輪的中心距，起到了調(diào)整鏈條松緊的作用。 圖2.5 張緊機構(gòu)示意圖 2.3.6 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 轉(zhuǎn)向?qū)τ谂佬袡C器人非常重要，對于單一鏈條的爬壁機器人尤為重要，本機器人轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵在于軸固定在框架上，而框架的一端裝有轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)的兩端有兩個轉(zhuǎn)動副。另一端裝有轉(zhuǎn)向汽缸，汽缸的頂端裝有一個轉(zhuǎn)動副，當轉(zhuǎn)向汽缸作用時，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)隨著轉(zhuǎn)向汽缸的伸縮而左右轉(zhuǎn)動，使框架的的前端發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且前輪的接觸中心點也發(fā)生很小偏移，前輪帶動前輪上纏繞的鏈條，這部分鏈條上的吸盤可以偏轉(zhuǎn)一定的角度，隨著機器人的連續(xù)移動，機器人就可以逐漸改變其運動方向，但是，該機器人的轉(zhuǎn)彎半徑較大。 　　本機器人的轉(zhuǎn)向主要是根據(jù)兩個馬達的轉(zhuǎn)速控制完成的。當兩個馬達的轉(zhuǎn)速不同是，的兩邊鏈條的轉(zhuǎn)動也就不響動，產(chǎn)生了一定的速度差。產(chǎn)生機器人轉(zhuǎn)向的效果。 2.4 軸的計算 由于后鏈輪軸主要傳遞扭矩，故按扭轉(zhuǎn)條件計算軸的最小直徑，計算如下： A0:軸的材料參數(shù)，軸的材料為40Cr,A0=97 P:軸的傳遞功率，單位為，P=0.4kw n:軸的轉(zhuǎn)速，n=18.75r/min 求得： d≥26.90mm 根據(jù)軸承取d=30mm 2.5 鏈條驅(qū)動方式的選擇 鏈條行走裝置由于驅(qū)動位置的不同，鏈條內(nèi)張力的分布也不同。前驅(qū)動和后驅(qū)動方式的鏈條內(nèi)張力分布如圖2.7所示。其中(a)為前驅(qū)動方式，(b)為后驅(qū)動方式。圖中T0為鏈條的總預(yù)張力，F(xiàn)z'為主動輪上的牽引力，F(xiàn)zk為鏈條的內(nèi)部牽引力。鏈條預(yù)加張力是盡量減小鏈條的振動、噪音和磨損等因素對鏈條在行駛過程中的影響，鏈條總預(yù)張力T0包括預(yù)加動張力和預(yù)加靜張力兩部分。主動輪上的牽引力Fz'是用來克服鏈條行動裝置的內(nèi)部阻力和外部阻力的。而鏈條的內(nèi)部牽引力Fzk包括了所有作用于鏈條上的牽引力，即：。 前驅(qū)動方式的主動輪較后驅(qū)動的磨損較少，因為鏈條在從壁面到主動輪的過程中，鏈條上攜帶的雜物已經(jīng)被較好地沖刷了。但從圖2.5(a)可以看出，驅(qū)動裝置前置時，大部分鏈條在行駛過程中承受較大的牽引力。隨著鏈條的使用，鏈條將劇烈地伸長，導(dǎo)致在行駛時下部鏈條處形成所謂的“鏈條腹部”，機器人在轉(zhuǎn)向行駛過程中，鏈條更會有脫落的危險。 圖2.5 采用不同驅(qū)動方式時鏈條的內(nèi)張力分布 而采用如圖2.5(b)所示的后驅(qū)動方式，由于會減輕鏈條拉伸的效果,的鏈條的使用壽命。所以我采用后雙驅(qū)動的模式，使前后兩牽引力相互抵消，進而增加了鏈條的使用壽命和安全性。 2.6 清刷機構(gòu) 壁面自動清洗機器人的作業(yè)多鄉(xiāng)主要是高樓大廈的墻窗面．常見的大廈外墻多以平面組成．清洗作業(yè)系統(tǒng)是機器人進行壁面清洗作業(yè)的具體執(zhí)行機構(gòu),它要適應(yīng)玻璃幕墻的特點?？紤]到玻璃幕墻的灰塵黏結(jié)強度大、除水難和有水摩擦系數(shù)小等特點。我們可以采用沖洗、刷洗、刮洗、聯(lián)合作用的清晰作業(yè)方式。整個清洗作業(yè)系統(tǒng)包括滾刷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、接水刮水系統(tǒng)、恒壓系統(tǒng)。參見圖2.8。 2.6.1 運動方式 　　驅(qū)動電機12通過同步齒形帶3驅(qū)動滾刷6做旋轉(zhuǎn)運動。滾刷6的結(jié)構(gòu)如圖2.9所示。 1、排水管 2、接水板 3、同步帶 4、移動噴嘴 5、齒梳板 6、滾刷 7、刮水板 8、密封圍裙 9、固定噴嘴10、管路系統(tǒng)11、傳動絲杠12、驅(qū)動電機13、密封室框架 圖2.8 清洗機構(gòu)示意圖 圖2.9 滾刷結(jié)構(gòu) 2.6.2 清洗方式 首先以高壓水沖洗壁面，除去壁面上附著力較小的污垢并浸潤壁面；隨后右滾筒刷刷洗壁面，出去附著力較大的污垢；然后，有刮水板刮干凈殘留的液滴，有接水板承接和收集污水。 2.6.3 清洗作業(yè)系統(tǒng)的滾刷系統(tǒng)及噴淋系統(tǒng) 滾刷6的結(jié)果后如土2.9所示。內(nèi)層筒壁為尼龍，在尼龍筒壁上穿制豬鬃。尼龍筒壁兩端裝有軸頭，分別安裝軸承和同步齒形帶帶輪。滾刷的長度我們選定為；L=800mm。豬鬃通過粘膠固定在尼龍筒壁的穿制孔中。根據(jù)穿制工藝要求，孔深不能小于10mm，由此我們選擇尼龍層的厚度為15mm，選擇穿制空的直徑d1為4mm。 滾刷以來鬃毛的變形來跨越障礙，故鬃毛的長度h不能太小,h越小，越容易變形，且變形阻力小，容易跨越窗礦框等障礙；但h過大，導(dǎo)致機構(gòu)尺寸過大。綜合以上因素，選取鬃毛的長度為60mm。 為保證滾刷能連續(xù)清洗壁面（保證不漏洗壁面），滾刷周圍的鬃毛應(yīng)該保持稠密、均勻分布，而且周緣鬃毛應(yīng)該比較齊整，這是由穿制孔的螺距來保證的。鬃毛根部扎緊，頭部由于自然膨脹效應(yīng)呈倒圓錐發(fā)散，如圖2.10所示。 圖2.10鬃毛自然膨脹 噴淋系統(tǒng)主要包括移動噴嘴4、固定噴嘴9、管路系統(tǒng)10、傳動絲杠11。移動噴嘴固定在與傳動絲杠配合的絲杠螺母上。電機12的動力通過同步赤形帶傳遞到傳動絲杠11，從面帶動移動噴嘴相對壁面左右移動，完成沖洗壁面的目的。管路系統(tǒng)10的安裝在 密封室框架13上。固定噴嘴9安裝在管路系統(tǒng)10上，完成噴淋滾刷的目的，起到淋濕和清潔滾刷的目的。 2.6.4影響機器人清洗的因素 （１） 有無刮水工序　　 　　大量的被用在清晰作業(yè)上的清洗液，一般情況下都含有不溶解顆粒。即使清洗液可以經(jīng)過脫礦或離子化處理，控制其中的不溶微粒的含量小于允許值，但由于壁面本身粘附有許多礦質(zhì)污點，當清晰液噴淋上時，這些物質(zhì)迅速溶解到清洗液中，也導(dǎo)致液滴中不溶解的礦物質(zhì)微粒的含量大大超過允許值。礦物微粒在壁面上的析出形成一片暈圈，影響清洗清晰度。從理論上講，滴液不可能完全刮盡，但如果刮水后的玻璃壁面清晰度在肉眼認可的范疇之內(nèi)，認為刮水有效。 （２） 垂直壁面壓力因素　 　　垂直壁面壓力對清洗質(zhì)量已經(jīng)清洗是否順利有直接影響作用。壓力小，清洗執(zhí)行部件和壁面未接觸或者少量接觸，出現(xiàn)滾刷脫落開玻璃壁面或漏水等現(xiàn)象。壓力過大時，清洗執(zhí)行部件過度積壓壁面，摩擦阻力徒增，致使清洗作業(yè)無法正常進行。 （３） 噴淋壓力及噴射流量 　　噴淋壓力及噴射流量，影響對滾刷的清潔和對壁面的沖洗。噴淋壓力過小，噴射流量小，沖擊力小，不利于清潔滾刷和沖洗壁面；噴淋壓力過大，噴射流量增加，增加了清洗液的消耗，對排污水帶來很大壓力。 （４） 噴嘴與壁面之間的距離和噴嘴噴流傾角　 　　噴嘴與壁面之間的距離直接影響。噴流對壁面的沖擊力射流傾角影響清洗液對壁面的浸潤效果。 2.7 清刷機構(gòu)的第二方案 　 由于上述清刷機構(gòu)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，考慮到制作成本維修難度等原因，可行性比較小。所以本文采用另一種清刷機構(gòu)。 　 　　本清刷機構(gòu)由擺動刷和刷體共同構(gòu)成。刷體由上下兩部分組成，由螺母連接成一個刷體，便于拆卸清洗。擺動刷和刷體組成一個清刷機構(gòu)，并且連接到爬壁機器人的前端。本文采用了兩組清刷機構(gòu)。清刷系統(tǒng)也具有刷洗、刮洗、聯(lián)合作用的清晰作業(yè)方式。從整體的作業(yè)要求上可以滿足設(shè)計需求，而且簡單易行。 2.8 本章小結(jié) 　　本章介紹了玻璃表面清刷機器人的總體構(gòu)成和系統(tǒng)的性能指標；研究和設(shè)計了清刷機器人的吸附機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、和清刷機構(gòu)，建立了完整的真空吸附、雙鏈條移動的機器人本體結(jié)構(gòu)；比較分析了鏈條采用前驅(qū)動方式，后驅(qū)動方式和雙驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，確立了采用雙驅(qū)動方式的鏈條結(jié)構(gòu)。 本文設(shè)計的真空吸附、單鏈條結(jié)構(gòu)的爬壁清刷機器人本體結(jié)構(gòu)，成功地做到了機器人在壁面上穩(wěn)定地行走，保證了機器人能完成清刷作業(yè)任務(wù)。 第3章 清刷機器人力學(xué)分析 3.1 引言 　　 爬壁機器人可以應(yīng)用在高層玻璃幕墻和瓷磚壁面的清洗工作中。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的用于玻璃幕墻清洗作業(yè)的新型爬壁機器人,它是利用一個真空吸盤附著在垂直壁面上,采用四輪或雙輪單獨驅(qū)動來實現(xiàn)在壁面上行走的 。輪子在滾動過程中,真空腔與壁面之間處于滑動摩擦狀態(tài),不可避免地造成密封氣體的泄漏。如果氣體泄漏量過大,不能保證足夠的真空壓力,機器人就會從壁面跌落。所以在機器人設(shè)計過程中應(yīng)盡量選取參數(shù)保證氣體的泄漏量小于某一個值。利用氣體動力學(xué)的有關(guān)知識,不難看出氣體泄漏量與密封氣囊的所受壓力有著極為密切的關(guān)系。另外機器人是否能夠安全穩(wěn)定地附著在垂直壁面上,取決于其在各向受力及力矩是否平衡(勻速或靜止狀態(tài)) 。爬壁機器人是否能夠在垂直壁面上安全地附著,取決于真空腔內(nèi)的氣體泄漏量,而氣體是否泄漏又取決于密封氣囊上所受的接觸壓力。所以能否精確地解出密封氣囊上的接觸壓力成為了問題的關(guān)鍵。本章利用積分方程的有關(guān)理論求解出了密封氣囊上的接觸壓力分布。進一步探討了爬壁機器人的吸附穩(wěn)定性。 3.2 力學(xué)分析及數(shù)學(xué)模型的建立 首先建立一個坐標系如圖3.1 所示。利用牛頓力學(xué)有關(guān)知識可以得到下列平衡方程: ΣMz = 0 圖3.1 　坐標系圖 式中: u1 ———密封氣墊與壁面之間的摩擦系數(shù); u2 ———驅(qū)動輪與壁面之間的摩擦系數(shù); h ———名義載荷與壁面之間的垂直距離; R ———爬壁機器人真空腔的半徑。 在上述方程組中,式(1) 是一個弗氏第一類積分方程, 根據(jù)弗氏積分方程理論[3] , 這個方程有無數(shù)解,即說明僅利用上述方程式無法解出密封氣墊上 的接觸壓力分布。一個標準的Fredholm 一類積分方程的形式如下: ∫Ωg ( x , y) f ( x) d x = q ( y) (4) 在上述方程中g(shù) ( x , y) 和q ( y) 是已知的函數(shù)。這種形式的方程是可解的。為了利用積分方程的理論求解密封氣墊上的壓力的分布。必須構(gòu)造一個這種標準形式的積分方程。如圖3 所示,利用z′軸為力矩簡化軸。而z′距z 軸的距離是y 。y 是一個變量,它的變化范圍可以取- R < y < R 。那么可以得到一個方程如下: ΣMz′= 0 將式(2) 與式(3) 合并可求得: F1 = F -｛（w - u1 ）／（u2 - u1）｝(6) 再將式(6) 帶入式(5) , 式(5) 就是一個標準的第一類Fredholm 積分方程。這樣的一個積分方程是很難找到解析解的。把式(5) 對y 進行離散。可以得出一多價線性方程組。然后可利用數(shù)值方法進行求解。詳見文獻[4 ] 。對當F = 100 kg , w = 10 kg , h =10 cm, u1 = 0. 07 , u2 = 0. 2 , R = 30 cm時的例子進行求解,得結(jié)果如表1 　表1 　　　 　 　　在表1 中q ( i) 中的i 表示節(jié)點號。從表1 的結(jié)果分析可以看出, 密封氣墊上的接觸壓力分布是線性分布的。這與定性分析得到的結(jié)果是一致的。爬壁機器人密封氣墊的接觸壓力直接影響密封氣墊的密封效果。如果密封效果不佳,爬壁機器人就有可能從壁面上跌落下來。從上表的計算結(jié)果來看,密封氣墊上的接觸壓力并不是均勻相等的。知道接觸壓力越大密封效果越好。那么上表中計算的例子中,密封的薄弱點發(fā)生在節(jié)點‘5’處。從密封氣墊的接觸壓力分布的數(shù)學(xué)模型上可以看出, 影響接觸壓力分布的參數(shù)主要有下列幾個: (1) w : 名義載荷;(2) h :名義載荷與壁面之間的垂直距離; (3) u1 , u2 :密封氣墊及驅(qū)動輪與壁面之間的摩擦系數(shù)。在爬壁機器人的設(shè)計過程中,確定這些參數(shù)非常重要。 為了便于說明問題,設(shè)| k | 為接觸壓力分布函數(shù)的斜率的絕對值。從計算實例上可以看出, | k |越大分布函數(shù)的狀態(tài)越不佳, 機器人的密封效果越不好。筆者對上例進一步計算得到下面有關(guān)曲線: 圖3.2　ABS( k) - h 曲線(無量綱- cm) 　　　 圖3.3　ABS( k) - W 曲線(無量綱- kg) 　　　 圖3.4　ABS( k) - u1/ u2 曲線(無量綱) 從曲線| k | - w 可以看出,負載越大,接觸壓力分布函數(shù)狀態(tài)越差。名義載荷越小,機器人的吸附穩(wěn)定性越好,這是非常顯然的。但是在機器人設(shè)計過程中可以根據(jù)上面的計算方法確定爬壁機器人的極限載荷(不考慮拖動下滑) 。曲線| k | - h 告訴機器人的名義載荷應(yīng)盡可能緊貼壁面。這給設(shè)計機器人的工作執(zhí)行部件時提出了一個要求———盡量輕而扁平。 3.3 本章小結(jié) 這一章里我們討論了，安全負載的條件和機器人正常工作下的最大負載，并建立了真空度與安全負載的曲線圖，對于爬壁機器人來說，吸附穩(wěn)定性是一個十分復(fù)雜的問題．這將是不可缺少的一個環(huán)節(jié) 第4章 清刷機器人控制系統(tǒng)的研制 4.1 引言 控制系統(tǒng)猶如清刷機器人的神經(jīng)系統(tǒng)，負責(zé)完成對清刷機器人的行走控制、清刷控制和姿態(tài)的檢測。玻璃表面清刷機器人要求控制系統(tǒng)滿足： 1． 控制機器人的移動速度為2~8m/min，調(diào)速方便； 2． 清刷機器人的工作性質(zhì)決定了需要對其進行遙控操作，本樣機試驗系統(tǒng)要求遙控距離>20米； 3． 靈活控制清洗刷，實現(xiàn)機器人在玻璃表面上的高效作業(yè)。 4．操作靈活、方便，便于使用。 4.2 清刷機器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計 清刷機器人采用二級計算機控制系統(tǒng)，以保證機器人即可實現(xiàn)自主作業(yè)，又可人工進行操縱，從而提高它的實用性和可靠性。上位PC工控機位于樓臺的運載小車上，能夠?qū)崿F(xiàn)人機界面交互，具有環(huán)境初始值輸入，作業(yè)任務(wù)指定，機器人狀態(tài)顯示，機器人及輔助系統(tǒng)的動作協(xié)調(diào)等項功能。 4.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 4.3.1伺服電機驅(qū)動與控制電路設(shè)計 要使清刷機器人能在表面上靈活自如的爬行，驅(qū)動裝置的設(shè)計極其重要，針對本系統(tǒng)所要求的調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快、抗干擾性強等特點，我們選用了日本安川交流伺服馬達SGML-02AF14和與之匹配的伺服驅(qū)動器SGDL-02AS。馬達還自帶有一個高精度增量式編碼器(1024P/R)。伺服驅(qū)動器可實現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的控制，控制方式為單相全波整流正弦波驅(qū)動，具有過電流、過負載、過電壓、過速度、CPU異常、編碼器異常等保護功能。本系統(tǒng)采用速度控制方式，伺服驅(qū)動器接受控制系統(tǒng)的模擬速度電壓信號來控制電機的轉(zhuǎn)速，并且通過模擬速度電壓的正負來確定電機的正反轉(zhuǎn)，從而確定爬壁機器人的運行速度和運動方向。 我們采用的速度伺服機構(gòu)是一個包含兩閉環(huán)的交流伺服系統(tǒng)，如圖4.2所示，系統(tǒng)由速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)組成。其中電流環(huán)的作用是改造內(nèi)環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)，提高系統(tǒng)的快速性，及時抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾，限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速度轉(zhuǎn)矩，并且保障系統(tǒng)安全運行。速度環(huán) 的作用是增強系統(tǒng)抗負載擾動能力，抑制速度的波動。 當交流伺服馬達采用PWM矢量控制變頻裝置時，可以通過坐標系統(tǒng)的靜止變換和旋轉(zhuǎn)變換，將具有強的耦合和嚴重非線性的交流伺服馬達模型等 效地變換為近似于直流電機的模型，等效模型見圖4.3 Id Im w1 減速機構(gòu) 速度 調(diào)節(jié)器 伺服 馬達 w wd + + 伺服 放大 電流 調(diào)節(jié)器 - - 編碼器 圖4.2交流伺服系統(tǒng)組成框圖 CT Tz Te Id ud0 w - + 圖4.3 交流伺服馬達等效模型 由圖4.3可得 (4-1) 式中：ud0—直流環(huán)節(jié)電源的理想空載電壓(V)； Id —直流環(huán)節(jié)電源的理想直流電流(A)； 　　 Td—電磁時間常數(shù)，Td = L / R； 　　 L—直流環(huán)節(jié)負載端等效電感(H)； R—直流環(huán)節(jié)負載端等效電阻(Ω)； 　　　Te—電磁轉(zhuǎn)矩(N.m)； 　　　Tz—負載轉(zhuǎn)矩(N.m)； 　　 J—轉(zhuǎn)動慣量(kg.m2)； 　　　P—電動機極對數(shù)； 　　　w—電動機輸出角速度(rad/s)； CT—電動機電磁轉(zhuǎn)矩與直流環(huán)節(jié)電流Id間的比例系數(shù)。 控制系統(tǒng)的模擬速度電壓信號是通過D/A轉(zhuǎn)換器將控制系統(tǒng)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的，控制電路如圖4.4所示。DAC0832芯片通過兩級運放擴展成雙極性輸出時，所對應(yīng)的電壓為： Vout = (4-2) 其中，Vout — DAC0832的輸出電壓(V); NB — 二進制碼; Vref — 基準電壓(V)。 圖4.4 電機模擬速度控制電路圖 增量式編碼器脈沖數(shù)為1024P/R，，如果要使6V模擬電壓信號對應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)為3000 轉(zhuǎn)/分，則需要設(shè)置驅(qū)動器的額定速度為3000/6=500，從而電壓與 速度的關(guān)系式為υ=500V，其中，υ — 電機旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)/分）；V — 輸入電壓（V）。 馬達是高轉(zhuǎn)速、低扭矩的驅(qū)動部件，馬達的輸出軸要經(jīng)過減速器進行減速，才能達到所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求。我們選用了德國NEUGART公司的PLE80精密行星齒輪箱作為減速器。驅(qū)動裝置能使機器人在建筑表面上的移動速度可在2~8m/min范圍內(nèi)根據(jù)作業(yè)要求實現(xiàn)無級調(diào)速，并通過兩輪速度的調(diào)節(jié)實現(xiàn)機器人在壁面上的全方位行走。 4.3.2 串行通訊電路的設(shè)計 本清刷作業(yè)機器人實驗系統(tǒng)要求通訊距離在10米以上，并且交流驅(qū)動器同伺服電機連接電纜的長度不允許超過20米。因此，在設(shè)計時考慮將控制系統(tǒng)安裝在爬壁機器人上來解決。這時就存在上位PC機同控制系統(tǒng)的通訊問題，為了節(jié)省傳輸線路，采用串行通訊方式。 鑒于AT89C51單片機串行口TXD，RXD均為TTL電平，而PC機配置的是RS-232C標準串行接口，RS-232C規(guī)定的邏輯電平與一般的微處理器、單片機的邏輯電平不一樣。所以在實際應(yīng)用時，必須進行電平轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換是由專門的電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)的。在標準的RS-232C串行通訊接口電路中常用的集成芯片有MAX201、MAX232等，本文采用的是MAX232芯片。MAX232是由MAXIM公司生產(chǎn)的、包含兩路接受器和驅(qū)動器的IC芯片，適用于各種EIA-232C的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成RS-232C的輸出電平所需要的10V電壓。所以，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需要單一的+5V電源就可以了。對于沒有12V電源的場合，其適應(yīng)性更強。加上此芯片的價格適中，硬件接口簡單，因此被廣泛的采用。接口總線變換電路如圖4.5所示。 圖 4.5 接口總線變換電路 4.4 傾角傳感器的原理及其數(shù)據(jù)采集 4.4.1 傾角傳感器的原理 傾角傳感器是一種測量姿態(tài)傾角的傳感器，按照其工作原理，可以分為“固體擺式”、“液體擺式”、“氣體擺式”三種傾角傳感器。這三種傾角傳感器各有所長。在重力場中，固體擺的敏感質(zhì)量是擺錘質(zhì)量，液體擺的敏感質(zhì)量是電解液，而氣體擺的敏感質(zhì)量是氣體。氣體是密封腔體內(nèi)的唯一運動體，它的質(zhì)量較小，在大沖擊或高過載時產(chǎn)生的慣性力也很小，所以具有較強的抗振動或沖擊能力。但氣體運動控制較為復(fù)雜，影響其運動的因素較多，難以達到很高的精度。固體擺傾角傳感器有明確的擺長和擺心，其機理基本上與加速度傳感器相同，在實用中產(chǎn)品類型較多如電磁擺式，其產(chǎn)品測量范圍、精度及抗過載能力較高，應(yīng)用也較為廣泛。 　我們選用的是液體擺式的傾角傳感器，其結(jié)構(gòu)原理是在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當裝置傾斜時氣泡運動使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角，再通過電子線路將其轉(zhuǎn)化為角度值輸出。 4.4.