基于PLC的机器人本体设计

优秀设计
第一章绪论
1.1 引言
随着现代科学技术的飞速发展，机器人已越来越多地进入我们的生活领域，以机器人代替人类从事各种单调、重复、繁重、危险以及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。

现代机器人一般分为两大类：一类是工业机器人，主要指装配、搬运、焊接、喷漆等机器人。

另一类是极限工作机器人，主要指在人难以到达的恶劣环境下代替人工作业的机器人。

如：海底资源的勘测开发、空间人造卫星的收发、战场上的侦察和排险、核放射场所的维护、高层建筑的壁面清洗、灭火救助等。

作为极限作业机器人重要开发项目之一的壁面爬行机器人近些年来得到了蓬勃的发展，受到了人们越来越多的重视，目前，国内外已经有了相当数量的爬壁机器人投入现场作业。

主要应用如下：
(1)核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；
(2)石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；
(3)建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；
(4)消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；
(5)造船业：用于喷涂船体的内外壁等。

1.2 移动机器人的研究发展概况
从移动方式上看,移动机器人可分为轮式、履带式、腿式(单腿式、双腿式和多腿式)和水下推进式。

本文重点放在轮式、履带式机器人,对水下机器人和两足人形机器人不做详细讨论。

1998年，美国卡耐基梅陇大学的Mel Siegel等人研制了一种利用于检测飞机身表面的爬行机器人[1]。

美国国家科学委员会曾预言:“20 世纪的核心武器是坦克,21 世纪的核心武器是无人作战系统,其中2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队,并走向战场”。

为此,从80 年代开始,美国国防高级研究计划局(DARPA) 专门立项,制定了地面天人作战平台的战略计划。

从此,在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕,如DARPA 的“战略计算机”计划中的自主地面车辆(ALV) 计划(1983 —1990) ,能源部制订的为期10 年的机器人和智能系统计划(RIPS) (1986 —1995) ,以及后来的空间机器人计划;日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划;进入90 年代,随着技术的进步,移动机器人开始在更现实的基础上,开拓各个应用领域,向实用化进军。

由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人,是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。

它与其他机器人,如NavLab ,不同之处是它于1994 年在斯珀火山的火山口中进行了成功的演示,虽然在返回时,在一陡峭的、泥泞的路上,失去了稳定性,倒向了一边,但作为指定的探险任务早己完成。

它机器人在整个运动过程中,都需要人参与或支持。

丹蒂计划的主要目标是为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方案。

美国NASA 研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星,这一事件向全世界进行了报道。

为了在火星上进行长距离探险,又开始了新一代样机的研制,命名为Rocky7 , 并在Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。

法国，欧洲的重要工业化国家，其机器人工业近几年发展很快，加上原有工业基础较好，机器人的制造以及机器人在汽车工业中的应用都出现了根本性的进步在个别项目上，甚至超过了日本，例如在汽车装配中，法国人已完成了用机器人装配主表盘和前后玻璃等较难动作，但是从机器人工业的整体看，较日本还相差甚远，还有很长的路要走：法国在机器人研究中．有一套较具规模的研究系统，主要是由政府研究机构和高校组成，企业(特别是大企业)投入较少。

法国人的研究侧重于基础理论的研究，并取得了一定成绩，例如法国自主开发的机器人编辑语言-LM语言，已被推广到英、德等国。

但是研究工作存在着与实际脱节的问题，类似于美国大学中的研究法国近几年研究水平的提高，
计划对推动机器人工业的作用并不大。

法国机器人保有量.法国拥有的机器人中，焊接机器人和搬运机器人最多，塑料铸模清机器人列第三，机械加工机器人和装配机器人列第四和第五位。

1.2.2 尤里卡计划中公共安全用高级机器人计划(ARM)
在法国机器人工业的发展过程中，除了法国国家发展机器人及自动化的ARA计划； (1983～1987年)之外，还有另一个计划对法国机器人工业的发展产生了重要影响．这就是尤里卡计划中公共安全用高级机器人计划（ARA)。

ARM 是法国、意大利和西班牙的合作开发计划，希望通过该计划的实施推动欧洲第三代机器人的发展。

ARM[2]计划主要开发用于有害、不安全、人无法进人或对人不舒适环境中进行有关公共安全的监视及救灾用机器人预定中的应用目标有：反恐怖活动，有害区域的监视，工业灾害的监视，火灾的预防及救援，自然灾害和交通事故的预防和救援。

这一计划拟四年（1987～1991年)内完成。

计划分三个阶段进行：第一阶段是概念设计-- 任务分析、系统功能确定、系统的概念设计及确定子系统，制定有关领域的预研计划；第二阶段是设计阶段--系统、子系统的详细设计，定研究计划，仿真及模型制作；第三阶段是制造、组装、测试、试用。

在目前选定的方案中，ARM 系统由二台机器人 ARM-1、ARM-2及移动监控站组成ARM-1为一野外快速巡逻机器人，活动范围是30km。

主要任务是运送ARM-2及监测其上安装视觉和许多非视觉传感器，高速平行计算机，机械手及各种工具。

采用自治式控制。

ARM-2是一种能在复杂堆积物地方爬行的机器人，有四对可摆动的双轮长距离移动时由ARM-1运载。

为了能在高温气流下工作，带有冷却子系统。

欧洲尤里卡中的机器人计划等。

初期的研究,主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理,并建立实验系统进行验证。

虽然由于80 年代对机器人的智能行为期望过高,导致室外机器人的研究未达到预期的效果,但却带动了相关技术的发展,为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验,同时,也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。

1.3 爬壁机器人的研究发展概况
爬壁机器人必须具有两个基本功能：在壁面上的吸附功能和移动功能。

传统爬壁机器人：
1.3.1 按吸附功能分类：
真空吸附和磁吸附两种形式：真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。

永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。

磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。

爬壁机器人按移动功能分主要是吸盘式、车轮式和履带式。

吸盘式能跨越很小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯。

而这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱驱动方式有两种：真空式由气缸驱动，磁吸附式由电动机驱动。

气缸和电机不仅质量大，增加机器人本体的重量，而且效率很低，能耗非常大。

供电能源：目前机器人的电能供给均采用有缆接电方式或者是较大的蓄电池有缆方式使机器人的移动不方便，工作受到一定的影响，而且电缆在壁面上产生摩擦，具有一定的危险性；而蓄电池质量大，增加机器人的自身重量，并且供电的时间有限。

1.3.2 按移动方式分类：
移动机器人可分为轮式、履带式、腿式(单腿式、双腿式和多腿式)和水下推进式。

本文重点放在轮式、履带式机器人,对水下机器人和两足人形机器人不做详细讨论。

日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器入，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。

这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特
不损坏壁面的油漆。

1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。

我国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。

单吸盘轮式壁面移动机器人，有吸附机构和移动机构两大部分，移动机构由电机、减速器、车轮构成，吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。

真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。

为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。

由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。

调节弹簧的作用有两个：一是为密封圈提供密封所必需的正压力，二是提高气垫对壁面的适应能力，还可起到减震的作用。

负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，为调整压力提供依据。

设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度，可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。

磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，（如图1.2）所示，在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过履带(由链条和永磁块组成)使机器人贴附在壁面上。

机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。

1.4 国内外爬壁机器人的现状
日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人（如图1.1）[3]，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。

这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要
且不损坏壁面的油漆。

图1.1 车轮式磁吸附爬堵机器人
1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。

我国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。

单吸盘轮式壁面移动机器人，有吸附机构和移动机构两大部分，移动机构由电机、减速器、车轮构成，吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。

真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。

为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。

由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。

调节弹簧的作用有两个：一是为密封圈提供密封所必需的正压力，二是提高气垫对壁面的适应能力，还可起到减震的作用。

负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，为调整压力提供依据。

设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度，可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。

l步进电机 2谐波减速器 3链轮 4单元吸附块 5框架 6链条
图1.2 磁吸附爬壁机器人本体结构示意图
磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构（如图1.2）所示，在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过履带(由链条和永磁块组成)使机器人贴附在壁面上。

机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。

1.5 爬壁机器人的发展趋势
由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处(如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等)，因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。

1.5.1 吸附装置
最近几年，美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力一范德华力。

范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。

科学家在显微镜下发现，壁虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛，每根细毛直径约为200至500纳米，约是人类毛发的直径的十分之一。

这些细毛的长度是人类毛发直径的2倍，毛发前端有100～1000
个类似树状的微细分枝，每分枝前端有细小的肉趾，这种精细结构使得细毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。

虽然每根细毛产生的力量微不足道，但累积起来就很可观。

根据计算，一根细毛能够提起一只蚂蚁的重量，而一百万根细毛虽然占地不到一个小硬币的面积，但可以提起二十公斤力的重量。

如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时，可吸附住质量为133千克的物体，这相当于两个成人的质量。

科学家说，壁虎实际上只使用一个脚，就能够支持整个身体。

从壁虎脚的附着力得到的启示可用于研制爬壁机器人。

在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，运用类比，模拟和模型方法，通过高分子材料化学，工程材料科学，力学和机械学的交叉研究，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的，经物理改进的极性高分子材料(人造壁虎仿生脚干性粘合剂)，并应用精密微机械加工的手段，设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置将适应于各种材质(如玻璃，粉墙和金属等)和任意形状的表面(如平面，柱面，弧面和拐角等)。

这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。

1.5.2 移动方式
在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。

足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍(如沟、坎等)，并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。

足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。

正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。

1.5.3 驱动设备
传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足
度的新型电机。

微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件，研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。

因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的，而且要求微特电机技术的发展，满足机器人智能化、可靠、灵活、长寿命的需要。

因此爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为朝高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。

超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料(压电陶瓷)的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。

由于其独特的运行机理，超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点：(1)靠摩擦力驱动，因而断电后具有自锁功能，不需制动装置；(2)转矩密度大，低开放系统的核心技术是软件技术，开放系统软件体系是装置以及通信网络的选择和配置。

系统功能的大部分要通过整个系统集成的核心内涵。

人机界面(HMI)体系表现出来。

1.6 本课题主要研究内容
1.6.1 目的：
在经济高速发展的今天，服务行业越来越被人们所重视。

随之以来的服务行机器人也诞生了。

爬行机器人可以仿人移动，代替人们在危险的领域工作。

如在15——50层的高层建筑清洗玻璃时，由于上部气流强，玻璃表面光滑容易出现事故，清洗效率低等问题。

但使用爬行清洗机器人就可以避免以上情况很好的代替人类去完成危险的工作。

1.6.2 要求：
本课题研究的最终目标是为了城市楼宇清洁业提供一种可以代替人工进行高层建筑外壁面自动清洗的专用爬壁机器人系统。

首要的目标是机器人系统
化、轻量化、操作合理方便，并且具有较高的爬升和壁面适应能力。

1.6.3 任务：
1.壁面清洗机器人的总体设计，针对爬壁机器人的作业情况和要求，对整个机器人的系统进行总体分析，包括移动机构的选取、吸附功能的实现、驱动方式的选择、以及控制系统的选用。

2.移动机构的总体分析、设计。

机器人要进行高层墙壁的清洗工作，应具有在墙壁上转向和前后移动的功能。

另一方面，由于玻璃表面比较光滑，所以要求机器人必须要有较强的壁面适应能力，并能跨越一定的障碍。

3.控制系统的总体分析和设计。

控制系统要适应壁面清洗机器人的作业要求，必须保证操作可靠方便、功能齐全。

采用主从式的控制结构，以上位机PC作为主控制部分，高性能的PLC做为从控部分，PLC安装在机器人本体上，操作者通过上位机进行操作。

4.对机器人进行力学分析。

通过分析要得出机器人在墙壁吸附的可能性，可靠性。

为机器人控制提供理论基础。

5.通过机器人系统仿真、理论依据，以验证论文的正确性和有效性。

第二章壁面爬行机器人的系统组成
2.1 系统概况和关键结构
机器人能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行,主要由行走及转向机构、保险装置、吸附机构、吸盘组导向和提升装置以及控制系统组成。

图2.1 壁面清洗机器人的系统结构框图
2.1.1 行走机构
行走机构模仿坦克履带结构。

坦克采用双履带行走和转向,对于爬壁机器人, 爬行中底部的履带要通过吸盘吸附在工作面上,如果采用双履带,机器人转向理论上不易实现, 因此决定采用单履带模式。

在一封闭链条上安装吸盘形成一条行走履带,通过前后两个直径为122 mm 的链轮, 来支撑驱动履带, 并
象坦克一样,在链轮上方设置支撑张紧轮。

前轮用来控制爬行的方向,一个直流伺服电机来控制前轮转向, 后轮用于驱动爬行,由一直流伺服电机来驱动,电机A，B选的是额定转速200r/min,体积小,单位体积功率大。

电机驱动后轮驱使机器人向前运动,当电机B转动时，驱动前轮偏转一定角度, 前部链条会随之转动一定的角度,因而, 机器人会改变其前进方向, 所以,链条具有一定的柔性对系统的转向很重要, 链条的每一关节可偏转2. 4°。

转向的实现问题在下面进一步探讨。

2.1.2 吸附机构
吸附机构由安装在链条上的13组吸盘及真空发生器等组成,如（图2.3）所示,一系列链条连接板依次等间距安装在链条上,吸盘安装在吸盘支撑板上, 吸盘支撑板和链条连接板之间通过连杆和弹簧相连, 由于连杆和链条连接板间可以滑动,因此,吸盘组在有比较小的障碍的墙面上, 可以象蠕虫一样产生避让动作,使机器人可以越过障碍,每组吸盘由4 个<55 mm的吸盘组成,由单独的机械阀控制其动作。

随着机器人的运动,当一组吸盘完全接触工作表面到达吸附状态时,对应的机械阀打开,与之相连的真空发生器工作产生真空, 吸盘吸附在玻璃上,反之,随着机器人前进, 当一组吸盘即将要离开平面时, 对应的机械阀关闭,则吸盘的吸附力逐渐降到零,而可以脱离工作表面,在设计中,任何时刻都至少保证有4组吸盘同时吸附在工作表面上,以产生足够的吸附力, 防止机器人从墙壁上滑下或倾翻。

因为每一个机械阀和真空发生器都要与气源连接,要确保它们随着链条的转动而不缠绕,用一旋转接头实现气的供给并能防止缠绕。

2.1.3 吸盘组导向和提升装置
机器人在墙上或一定坡度的坡面上爬行时,吸附在工作平面上的吸盘连杆相当于一柔性悬臂梁, 由于受重力(主要是机器人重力) 作用会向下倾斜,这样,当下一组吸盘组切入吸附状态时,此时吸盘连杆在工作面法线方向, 将不能保证这组吸盘组与已经吸附的吸盘组相互平行的姿态要求,这会造成几组作。