爬楼机器人

摘要
摆臂式爬楼机器人是一种能够在多种特殊地形上进行作业的移动式机器人。

它属于作业机器人的一种，可以将人从危险的工作中解脱出来，是当前机器人领域研究的热点之一。

本文通过对国内外各种类型爬楼机器人现状进行了系统的分析与比较，论述了爬楼机器人的运动方式、控制系统等。

首先介绍了国内外爬楼机器人研究现状，阐明本课题研究的目的、意义。

然后进一步介绍了本爬楼机器人总体结构。

本文在此基础上，设计了抓扶手支架机械手，着重阐述了爬楼机器人夹持机械手主要问题及其解决方法，并对关键部件进行设计和分析。

关键词: 爬楼机器人履带机械手
Abstract
The wall climbing robot of hook claw is a climbing robot can worked at height on the vertical wall of mobile service robots. It belongs to a robot of limit, Will work from the dangerous freed, currently, it is one of the hotspots where the field of robotics research. Based on the current situation at home and abroad to conduct various types of wall-climbing robot system for analysis and comparison, discusses the wall climbing robot of hook claw’s mode, adsorption and control systems. Firstly, it is introduce that Research to the climbing robot at home and abroad, clarify the purpose of the research, significance. And then further describes the overall structure of the wall-climbing robot, meanwhile it is also asked to design reasonable and efficient of crawling device, and in this basis, it is focused on the main problems and solutions for climbing robot control system, the robot's control system must be simple, safe, reliable, efficient, and convenient.
Keywords: wall-climbing robot; hook claw; rough wall; Development
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
目录 ....................................................................................................................... I II 第1章绪论 (1)
1.1 本文研究的目的及意义 (1)
1.2 国内外爬壁机器人的发展现状和趋势 (2)
1.3 爬楼机器人的相关技术 (3)
1.4 研究内容及研究方法 (4)
1.4.1 研究内容 (4)
1.4.2 研究方法 (4)
第2章摆臂式爬楼机器人系统方案构成与设计 (5)
2.1 机器人系统方案 (5)
2.1.1 机器人移动载体机构设计 (5)
2.1.2 行走模块 (5)
2.2 机器人履带的选择 (6)
2.2.1 车体模块选择 (7)
2.2.2 动力装置的设计 (8)
2.3 爬楼机器人的控制系统 (8)
2.3.1 系统控制 (9)
2.3.2 系统控制总体结构 (9)
2.4 本章小结 (10)
第3章机器人履带和气动机械手设计 (11)
3.1 履带式机械行驶原理 (11)
3.1.1 行驶原理 (11)
3.1.2 履带的基本结构和参数 (12)
3.2 机械手手部的设计计算 (13)
3.2.1 手部设计基本要求 (18)
3.2.2 选择手抓的类型及夹紧装置................................ 错误!未定义书签。

3.2.3 手部的设计............................................................ 错误!未定义书签。

3.2.4 缸筒壁厚的设计.................................................... 错误!未定义书签。

3.2.5 手抓夹持范围计算................................................ 错误!未定义书签。

3.3 手腕结构设计.................................................................. 错误!未定义书签。

3.3.1 腕部设计................................................................ 错误!未定义书签。

3.3.2 腕部的驱动力矩计算............................................ 错误!未定义书签。

3.3.3 回转汽缸的驱动力矩计算.................................... 错误!未定义书签。

3.4 臂部设计的基本要求...................................................... 错误!未定义书签。

3.4.1 手臂直线运动的驱动力计算................................ 错误!未定义书签。

3.4.2 手臂摩擦力的分析与计算.................................... 错误!未定义书签。

3.4.3 手臂惯性力的计算................................................ 错误!未定义书签。

3.4.4 手臂伸缩汽缸的选择............................................ 错误!未定义书签。

3.4.5 手臂伸缩汽缸尺寸的校核.................................... 错误!未定义书签。

3.4.6手臂回转汽缸的尺寸设计与校核......................... 错误!未定义书签。

3.5 本章小结.......................................................................... 错误!未定义书签。

4 ADAMS模型的建立与仿真 .............................................. 错误!未定义书签。

4.1 虚拟样机技术........................................................... 错误!未定义书签。

4.2 ADAMS软件 ............................................................ 错误!未定义书签。

4.3手部模型的建立........................................................ 错误!未定义书签。

4.4 本章小结................................................................... 错误!未定义书签。

结论 ........................................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 .. (4)
致谢 ........................................................................................... 错误!未定义书签。

第1章绪论
1.1 本文研究的目的及意义
机器人技术的研究属于多学科相互交叉，相互渗透的前沿课题，对它的研究具有很大的理论价值和广阔的应用前景。

继70年代工业机器人发展高潮之后，80年代后又掀起了自主机器人研究的热潮。

从机器人技术的发展过程中可以看到，它不仅推动了自身技术的迅速发展，而且促进了一大批相关技术的突飞猛进。

随着科学技术的飞速发展，让机器人代替人做一些繁重、危险的工作是人们的一大希望。

机器人已经能够使用工具，能看、能听、能说，并且开始能进行一些决策和思考等智能行为，其应用也从传统的加工制造业逐渐扩展到海军、海洋检测、宇宙探索等领域，并开始进入家庭和服务行业。

作为一种先进的机电一体化产品，机器人的技术发展与自动控制技术的发展息息相关。

人们期望机器人在许多人类所不能及的区域代替人类劳动完成更复杂的任务。

例如在军事侦察、扫雷排险、防止核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景。

机器人所面临的是未知的、不可预测的、非人为构造的环境，机器人所完成的任务也越来越复杂。

摆臂式爬楼机器人是移动机器人的一种，也是爬楼机器人在移动机器人领域的一个重要部分，它把地面移动机器人技术与控制技术有机结合起来，可在各种特殊地形上通过摆臂的灵活运动，灵活的在楼梯面爬行。

但是基于爬楼时机器人的稳定性较差，本文从新设计了爬楼机器人的履带，并在车体结构上设计了抓楼梯扶手支架的机械手，以此来增强其稳定性。

1.2 国内外爬楼机器人的发展现状和趋势
机器人的研究始于60年代末期。

斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilsseo和Charles Rosen等人，在1996年至1972年中研发出了取名Shakey的自主移动机器人。

目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。

与此同时，
最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。

其中最著名的是General Electric Quadruped 步行机器人。

70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。

特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。

一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些机器人主要作为大学实验室及研究机构的机器人实验平台，从而促进了机器人学多种研究方向的出现。

90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的机器人控制技术，真实环境下规划技术为标志，开展了机器人更高层次的研究。

可以看出，随着电子技术的飞速发展，计算机的计算能力得到了显著提高，机器人用传感器正逐步走向成熟，机器人的关键技术的到深而广泛的研究。

由美国NASA资助研制的“丹蒂Ⅱ”八足行走机器人，于1994年在斯泊火山口中成功的完成了指定的探险任务，在整个运动过程中，不需要人的参与，或支持。

丹蒂计划的主要目标是为了实现在月球或其他星球的表面提供一种机器人的解决方案。

为了在火星上进行长距离探险，灭国NASA在研制探测机器人成功登上火星后，又开始了命名为“Rocky 7”新一代样机的研制，并在Lacie湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。

德国成功研制了一种轮椅机器人，该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中，进行了超过36个小时的考验，表现出了无以伦比的优越性。

此外还有很多典型成功例子，例如：美国的单轮机器人Gyrover，关节履带机器人Packbot；
日本的TITAN—VIII行走机器人；德国FFG车辆制造公司研制的Minebreaker 2000机器人等等。

在国内，移动机器人技术的研究起步较晚，现北京、上海等地的相关大学在进行本项目的研究开发，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要研究工作有：清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。

涉及到5个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术研究；基于传感器信息的局部路径规划技术研究；路径规划的仿真技术研究；传感技术、信息融合技术研究；智能移动机器人的设计和实现。

香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。

中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。

哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等。

1.3 爬楼机器人的相关技术
机器人大都在非结构化环境中工作，现将研究机器人的过程中主要涉及的关键技术大致归纳如下：
(1)硬件结构
硬件结构主要是指机器人的运动载体结构、传动结构、驱动设备选型及安装连接等。

这方面的研究主要集中在各种运动载体结构的性能和实现方式上。

现在的机器人的载体形式主要有轮式、腿式、履带式、混合式和蛇形等几种。

利用轮子行走可说是最简单的处理方式，一般而言，轮式机器人操纵容易，其稳定性较好，移动距离所需的能量也较小，但此型机器人像汽车一样，仅适用于一般路面行走，受地形和地质限制较大。

要它在松软的砂地或在崎岖不平的地表上运动就非常困难，而履带机器人具有强大的地形适应性，能够适应恶劣的路面条件。

腿式机器人的机构较轻巧，富挠性。

但是由于机构复杂，移动面又时有变化，故结构设计十分复杂。

并且为达到动态稳定的要求，控制上也需要更为精细，所以此型机器人的移动速度不会很快。

(2)运动控制
运动控制就是控制机器人按规划的轨迹运动，控制的好坏对机器人的性能有着直接的影响，因此这部分在机器人的研究中至关重要。

针对不同的载体结构（如轮式、履带式、关节式或者腿式等）和驱动设备，运动控制的研究会进一步的细化。

(3)传感器信息融合技术
近年来，各种新型传感器的出现，在极大的扩展了机器人的感知空间和提高了感知精度的同时，也带来了多传感器的容错、效率和协调等一系列问题，为了解决上述问题，并为了充分高效的利用这些传感器信息，一个新的技术应运而生，那就是传感器的集成和融合技术。

多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据，以产生更可靠、更准确或更全面的信息。

经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性，消除信息的不确定性，提高信息的可靠性。

(4)智能控制
随着机器人技术的发展，对于无法精确解析建模的物理对象以及信息不足的病态过程，传统控制理论暴露出缺点，近年来许多学者提出了各种不同的机器人智能控制系统。

机器人的智能控制方法有模糊控制、神经网络控制、智能控制技术的融合（模糊控制和变结构控制的融合：神经网络和变结构控制的融合：模糊控制和神经网络控制的融合：智能融合技术还包括基于遗传算法的模糊控制方法）等。

但是对于智能控制的研究还远没有达
到人类期望的目标。

1.4 研究内容及研究方法
1.4.1 研究内容
（1）根据机械设计制造技术要求，本课题围绕爬楼机器人载体设计为中心，对其性能进行研究，移动载体结构的履带式行走机构的结构设计以及小型工程用履带结构设计和车体结构设计。

（2）着重设计摆臂式爬楼机器人的机械手。

1.4.2 研究方法
（1）深入调查研究，了解目前摆臂式爬楼机器人的结构形式，理解其工作原理；
（2）通过查阅相关资料和深入学习，制定摆臂式爬楼机器人结构设计方案；
（3）实施摆臂式爬楼机器人的设计：主要设计爬楼机器人的机械手。

第2章摆臂式爬楼机器人系统方案构成与设计
本课题的研究对象为爬楼机器人，重点集中在其移动载体的设计上。

根据机器人功能需求和实际应用的不同，移动载体的设计有其自身的特点。

2.1机器人系统方案
该机器人的系统主要由移动载体，车载控制系统，车载设备系统安全与辅助系统，地面控制台，通讯系统组成。

移动载体主要包括行走模块、车体模块、传动模块三部分，是机器人的基本部分。

车载控制系统主要完成移动载体的驱动控制，是实现机器人行走的关键，直接影响到路径跟踪、操作指令的实现和机器人工作时的安全等问题，加上凹凸不平的路面状况造成得冲击载荷等外因，使合理、稳定的驱动控制系统成为机器人的关键技术之一。

移动载体上装配有气动机械手设备，用于对工件搬运。

2.1.1 机器人移动载体机构设计
为了满足该机器人的应用要求，对其移动载体有一些基本的要求，这些要求是后面设计的依据和准则，具体内容如下：
１、结构形式：采用履带式移动载体；
２、驱动方式：首选蓄电池为动力，直流电机驱动；
３、结构：底盘最小离地间隙大于30mm
４、自重：60Kg（包括车载系统）；
５、基本性能：最高行驶速度1.8km/h；
６、具有一定的爬坡、爬梯和越沟能力；
７、操作方式：遥控；
８、机器人安装有机械手。

移动载体的构成主要包括行走模块、传动模块、车体模块、动力装置。

下面就移动载体的设计选择及特点进行分别阐述。

2.1.2 行走模块
机器人的移动行走机构有很多种，按其结构主要可以分为轮式、履带式脚式。

表2-1例举了几种典型行走结构的优缺点。

表2-1移动行走机构性能对比
轮式一同步驱动结构
特点：所有的轮子都是驱动轮；所有的轮子都可以
操纵。

优点：通过旋转轮子来转向，四个或更多的轮子可
以更好适应粗糙路面。

缺点：机械结构复杂，每一个轮子都可以操纵并提
供动力，控制复杂（很多马达需要控制），成本高。

轮式一汽车结构
特点：一个马达作为动力，通过后面的差速器驱
动，～个马达转动前面的两个轮子来改变方向。

优点：在不平的路面上性能较好，驾驶和速度不在
一起控制，只需要两个马达，容易控制。

缺点：不能在原地转动，机械结构有点复杂，需要
后面有差速器来避免打滑，需要等量操纵两个前轮。

履带式
特点：单独驱动两个履带
优点：可以在原地转动，在不平的路面上性能非常
好，稳定，很难到达高的地方，牵引很好，一个或两个
马达。

缺点：只能慢慢转动，速度和方向不能单独控制，
能量损耗大，需保持履带拉紧。

腿式
特点：多只脚协调动作。

优点：在粗糙路面性能较好，运动稳定，较好的牵
引力。

缺机械复杂，每一只脚均需要提起和前／后移动，
且一只脚可能需要多点：不能原地转动，速度慢，控制
复杂，移动困难，操纵性差．机械复杂，每一只脚均需
要提起和前／后移动，且一只脚可能需要多个马达。

通过上述移动行走结构比较，可知履带式移动行走机构相对于轮式机构具有支撑面积
大，接地比压小，越野机动性能好，爬坡、越障、跨沟能力强等优点：且履带的牵引附着性能好，不易打滑，有利于发挥较大的牵引力。

履带式行走机构相对于脚式行走机构技术成熟，控制简单，且成本低。

结合国内外机器人的性能特点及实际应用的要求．综合考虑多方面因素：选用履带式移动机构。

驱动方式选用后轮驱动。

驱动轮的主要作用是机器人基本功能方案前或向后卷绕履带，同时承担着机器人的部分重量。

驱动轮的前置和后置有利有弊，由图2-1可以看到，驱动装置后置呈现出行驶技术上的优势，而前置时大部分履带在行驶时承受大牵引力，容易使履带伸长，在前行时导致前下部履带处形成所谓的“履带腹部”，驱动轮后置时牵引力高区段短，不会出现上述问题。

驱动轮后置履带张力分布图驱动轮前置履带张力分布图
图2-1 驱动轮履带
2.2 履带的选择
1)要求履带的各种材料要具有良好的物理机械性能，耐动态疲劳和耐气候老化等性能。

在爬梯中，采用输送滚子链和三角胶带块相结合，应该有良好的效果。

这种方案具有如下优点：
◆无需开模具，成本低；
◆拼接组装方便，易于更换维护，刚性好；
◆履带长度可以按需确定；
2）合适的履带链节距Ｐ是选择的另一个关键。

节距Ｐ的大小与传动的平稳性、承受能力都有一定的关系。

在一定条件下，链节距越大，承载能力越高，但传动的多边形效应也要增大，震动、冲击、噪声也越重。

在综合考虑电机的功率、链轮转速及工作环境，决定采用节距为12.7mm的输送滚子链，即三角胶带间距25.4mm。

为了提高机体越障能力，在传统履带式移动载体上安装前摆臂，即采用关节式摆臂结
构。

静力平衡状态下，当机体重量、台阶高度及摩擦系数相同时，移动栽体的车轮直径较大的比较容易爬上台阶。

但是由于尺寸以及电机输出功率的限制，不可能无限加大车轮直径。

本文中机器人采用前摆臂的结构。

虚线圆部分为车轮的有效直径Ｄ，ｄ表示实际车轮直径。

可见通过加大车轮的有效直径，可以有效的减小机器人的体积，提高了越障能力，由b图可知，摆臂体的关节角度越小，有效半径越大，但同时也降低了越障高度。

在主驱动履带之间设计了数个支撑轮，主要作用是越障时起支重作用，是履带保持原有轮廓，另外在跨沟、越障等行驶过程中起支重作用，两个支持轮为一组，支撑轮的结构具有一定的柔性和抗冲击性。

图2-2 车轮的有效直径
2.2.1车体模块的选择
车体模块包括底盘、壳体和控制器、蓄电池安装架等，是机器人的躯体。

底盘是车体承载平台，底盘的结构设计需考虑与驱动轮、支撑轮、引导轮和摆臂的联接，内部电器、云台和壳体的安装。

要求与移动行走机构具有可靠联接，并具有足够强度刚度，同时底盘的结构尺寸影响着机体的转向性能。

履带式机械的转向能力，不仅取决于地面条件和履带结构，而且与履带的支撑面长度Ｌ和轨距Ｂ（两侧履带中点的距离）的比值有关。

履带式移动装置原地转弯阻力计算公式如下：
P k=G sμk (2-1)
其中，k′可根据L/B和b/B查到，b为履带宽度；
G s总重量（N）；
履带与地面之间的附着系数。

由式2-1可知，L增大使转向阻力矩增大，对转向不利。

轨距B增大使转向力矩减小，对转向有力，但使最小转向半径增大。

综上所述，履带结构参数L／B不能取得太小，通常L ／B＝1.32~1.54。

一方面，原地转弯总要受到履带与地面间的附着条件的限制，原地转弯
性能只能在特定的地面条件下才能实现：
另一方面，当L／B＝时1.32~1.54半径大于B／2的转弯运动，移动载体基本不受地面条件的限制。

根据实际应用需要，机体应具有良好的转弯性能，尤其是在爬梯过程中易于调整前进方向。

机器人在爬梯过程中摆臂放至水平，此时L／B＝1.325，满足上述条件。

2.2.2 动力装置的设计
行走机械的动力源主要有内燃机和蓄电池两种。

内燃机结构复杂、耗油且增加机体重量，而蓄电池相对于内燃机有很大的优越性，它具有效率高、环境污染低、可使用多种能源、噪音低等优点，是未来动力源发展的趋势所在。

鉴于蓄电池的优越性，采用蓄电池作为原动力。

目前车载动力蓄电池主要有铅酸蓄电池、各种二次电池（如镍氢、镍镉、锂电池等）、燃料蓄电池、飞轮蓄电池等，后两种处于研发阶段，产品较少。

目前国内外蓄电池的研究应用主要集中二次电池方面，它维护少，环境污染小，但容量有限，连续使用时间短。

2.3 爬楼机器人的控制系统
2.3.1系统控制
机器人是一种自动化程度很高的机器，具有感知、规划、动作和协同等智能，是一个复杂的综合系统。

而控制系统是机器人的核心部分，控制系统的设计直接关系到机器人的性能要求，更是机器人智能的主要表现之一。

目前，机器人控制系统主要有三种结构方式：集中控制方式、主从控制方式和分布式控制方式。

集中控制方式是指用一台功能比较强大的计算机实现其全部控制功能，在早期的机器人控制系统中较多的采用此种控制方式。

随着计算机技术的飞速发展和机器人控制要求的不断提高，逐渐出现了主从控制方式和分布式控制方式。

在主从式控制结构中，有上下两级计算机，其中上位机利用它的运算能力和庞大的系统资源，如：内存容量，磁盘容量等等，完成坐标变换，轨迹插补运算等功能；下位机可以由多个微控制器组成，每个微控制器控制一个电机的运动，它们并行地完成控制任务，从而提高了工作速度和处理能力。

分布式控制系统属于开放型的控制系统，可以根据需要增加微处理器的个数，以满足
控制系统提高控制性能的需要。

机器人是用于危险环境作业的移动机器人，本课题中机器人系统的控制目标：使机器人按照操作员指定的平均速度和方向前进。

2.3.2控制系统的总体结构
该爬楼机器人是移动系统中的一部分，考虑到机器人在总体系统中功能和实际应用，决定采用主从式结构的控制器。

控制模块结构框图如下，机器人的控制系统可以分为传感器信号处理、ＧＰＳ全球定位系统、遥控装置、车载设备运动控制和行走驱动控制等主要部分组成。

传感器信号包括车载传感器信息、ＣＣＤ图像信息等，主要用于获取周围环境信息，这些信息将帮助操作人员做出进一步的决策。

ＧＰＳ全球定位系统可以实时确定机器人的绝对位置，高精度的ＧＰＳ系统可以作为机器人路径跟踪中的位置检测信号。

行走驱动控制是机器人实现行走的底层控制系统和遥控方式实现的基础。

图2-3 控制模块结构框图
2.4 本章小结
本章介绍了爬楼机器人的基本性能，对机体的行走模块、车体模块和动力装置等进行了方案选择和设计，提出了一种安装维护方便且成本低的履带结构。

同时根据实际应用需要介绍了控制系统的功能组成。

第3章机器人履带和气动机械手设计摆臂式爬楼机器人从功能上讲隶属于移动机器人，具有较大的自主性和灵活性。

移动机器人的载体必须满足移动和负重承载两大功能，在履带设计完成后，对机器人载体上的机械手着重设计，主要设计了手部、腕部和臂部等。

爬楼机器人的机械手的主要作用是夹持扶梯支架，进行夹取，通过查阅资料，车载机械手决定选用气动机械手。

3.1 履带式机械行驶原理
本文中的机器人采用的是关节式履带移动机构，所以在这里以履带式移动机构为基础进行分析。

3.1.1行驶原理
履带式行走机构电机的功率 P e以高转速（角速度ωe）和低转矩（M e）的形式经传动系传到驱动轮，变成了低转速（角速度ωp）和大扭矩（M q）。

M q为驱动力矩。

M q=iηc M e
在驱动力矩的作用下，驱动轮齿与履带的节销啮合并带动履带作绕驱动轮的传动，使履带不断铺设轨道，引导轮、支撑轮沿所铺设的轨道不断向前滚动而行使作业。

因此，可以认为履带式行走机构实质是一种“自携轨道”的轮式行走机构。

在驱动力矩Ｍ。

的作用下，通过驱动轮轮齿和履带节销的啮合，使履带产生张力（未考虑履带与驱动轮的啮合损失）。

张力沿着履带驱动段传到支撑段，向后拉动履带，使支撑段的土壤变形，同时土壤对履带支撑区域向前的水平反力F q（即推力）：
F q=M q
r q ⁄
式中：r q驱动轮的动力半径或称为驱动半径；
其行驶原理如图3-1所示。

切入土壤的每个履齿给土壤一个向后的作用力，并卷绕到。