爬杆机器人论文综述

中文摘要

姓名：曲新波学号：101014109 指导老师：谭月胜

爬杆机器人家族很庞大,从动力源进行划分,主要分为机械式和气动式两大类。从有无控制系统的层面进行划分,主要分为普通型和智能型两大类。普通型就是只有动力源、执行机构,智能型相比普通型还有(反馈)控制机构。智能型在实现运动的难度上比普通型要低。论文中,笔者所研究制造的蠕行式仿生爬杆机器人为非智能型机械式爬行器。

论文在比较几类爬行机构的优劣的基础上,确定了机器人本体的大致结构。在此基础上详细阐述了仿生爬行的原理和机器人模块化设计的理念。根据路灯杆的尺寸数据,设计并制造出机器人样机。机器人建模的过程(功能的实现与机械结构的尺寸优化)包括以下几个关键点:爬杆机器人设计中的功能机构的协调配合、攀爬手臂夹持重合度的选择、攀爬力的变化与结构参数之间的关系、攀爬力零点的渡过等难点的设计方法和设计准则,为此类爬行机器人的设计提供参考、论文中,对机器人展开运动学和动力学仿真分析。运用ADAMS对用Solldworks所建机器人模型展开运动模拟仿真分析,测试运动部件的各项运动参数和受力情况并优化所建模型的尺寸参数。机器人中关键部件如机械手连接臂,对机器人的稳定爬行很重要,运用有限元分析软件ANSYS对此进行承载受力分析,查看各机械臂的变形挠度。

关键词:爬杆机器人,变直径杆,攀爬,仿生学

1.1论文研究的目的和意义

目前全国日益加快的现代化建设步伐,除了2008年8月在北京举办的奥运会、2010年将要在上海举办的世博会之外,随着我国国民经济的飞速增长、人民生活水平日益提高,城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑,各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等(图1-1),它们通常5-30米,有的甚至高达百米,壁面多采用油漆、电镀、玻璃钢结构等,由于常年裸露在大气之中,风沙长年累月的积累会形成灰尘层,该污染影响城市的美观,同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏,加快它们的生锈,并缩短它们的使用寿命,需要定期进行壁面维护工作。

图1-1变直径杆城市建筑图

为保持清洁,许多国际性城市如厦门、深圳、香港等地规定,每年至少清洗数次。目前传统的清洗技术主要分为人工清洗(化学药剂清洗)和高压水枪清洗等方法。其中人工清洗是由清洁工人搭乘吊篮进行高空作业来完成,工人的工作环境恶劣,具有很大程度上的危险性,工作效率也很低,耗资巨大。化学药剂中所用的去污剂具有很强的毒副作用会对人造成潜在的危害,并易造成环境的二次污染;高压水枪清洗耗能比较大、成本高,且对周边环境有很大的影响。在利用高压水

枪进行清洗时,它的周边不能有车辆!行人通过,且不能有过近的建筑物"其它高空作业诸如:各种杆状城市建筑的油漆、喷涂料、检查、维护,电力系统架设电缆!瓷瓶清洁等工作主要由人工和大型设备来完成,但它们都集中表现出效率低、劳动强度大!耗能高、二次污染严重等问题。

随着机器人技术的出现和发展以及人们自我安全保护意识的增强,迫切希夕望能用机器人代替人工进行这些高空危险作业,从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。开发能在施工现场实际运用的立柱爬杆清洗机器人,将是很有意义的,必具有良好的经济效益和社会效益。

爬杆清洗机器人的使用将大大降低高层杆状建筑的清洗成本,改善工人的劳动环境,提高劳动生产率,或将带来清洗业的一次革命。这种机器人的研制必将具有很大的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。该课题旨在研发一种新型的、结构简单、经济适用、价格便宜、操作简便的适用于路灯杆等杆状城市设施可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人,用以解决当前城镇中存在的影响市容的公共设施的清洗、维护问题【1】【2】。该机构要能保证良好的运行效果,低耗能高效率,绿色环保,节省人力物力。

1.2国内外研究现状及存在的主要问题

机器人是人类新世纪的伟大发明之一,是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物,是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物,它是一种仿人操作、高速运行、

重复操作和精度较高的自动化设备,机器人技术的出现和发展,不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化,而且将对人类的社会生活产生深远的影响【3】。机器人产业己成为当代应用最广泛、发展迅速的高科技产业之一。机器人作为高技术领域的一个重要分支,将成为21世纪各国争夺的经济技术的制高点【4】。

1.2.1机器人的分类

机器人的种类多种多样"

从应用环境出发,将机器人分为两大类:工业机器人、特种机器人。或者分为两类:制造环境下的工业机器人、非制造环境下的服务与仿生机器人。仿生机器人是未来机器人领域的一个发展方向,按仿生学角度来分可分为:蝗螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、尺镬式爬行机器人等。按驱动方式来分可分为:气动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等。按行走方式可分为:轮式【5】、履带式、蠕动式、多足式等。

按工作空间来分可分为:管道爬行机器人、壁面爬行机器人【6】、球面爬行机器人、陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机!空间机器人等。按功能用途来分可分为:焊弧爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人【7】、提升爬行机器人、医疗机器人、军用机器人、助残机器人、巡线爬行机器人、玩具爬行机器人等。

根据不同的驱动方式和功能等可以设计多种不同结构和用途的爬行机器人,如气动管内检测爬行机器人,电磁吸附多足式爬行机器人、电驱动壁面焊弧爬行机器人等,每一种形式的爬行机器人都有各自的

应用特点。

1.2.2研究现状

爬行机器人【8】【9】【10】是机器人大家族中的一员,爬升机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动,完成特定条件下的作业,区别于平面移动机器人,故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支,从运动方式上来表征的一种机器人,形式是多种多样的。爬行机器人并不少见,但是通常来说,这类机器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。更主要的是,平常的机器人,因为体积或行动方式的影响,不能到一些特殊的地方进行工作,比如说管道,壁面等等特种用途的领域。

爬升机器人与一般地面移动机构的最明显不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动,完成特定条件下的作业。

最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人【11】【12】,适于高层建筑、水力发电大坝等垂直壁面【13】【14】和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面【15】,已有车轮移动形!姿态可变形、尺镬形和多关节形机器人,用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断,且牵引力较小。

国内外的学者很早就对爬行机器人进行研究工作,获得了丰硕的成果。

目前,国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人【16】【17】【18】【19】等。