氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)含proe三維及4張CAD圖帶開(kāi)題,氣缸,驅(qū)動(dòng),機(jī)器人,設(shè)計(jì),proe,三維,cad,開(kāi)題 附件1：外文資料翻譯譯文 基于Rubbertuator結(jié)構(gòu)攀巖檢查機(jī)器人 1.摘要 闡述了我們對(duì)羅賓機(jī)器人研究的進(jìn)展。羅賓是一個(gè)在人造環(huán)境下工作的爬升機(jī)器人。它可以攜帶照相機(jī)或傳感器到橋梁、房屋、航天器或船上來(lái)檢查。這個(gè)機(jī)器人有兩個(gè)真空管吸盤(pán)夾具由一個(gè)四自由度的機(jī)械裝置連接在一起可以在表面上行走而且容許在相鄰表面上的過(guò)渡行走。羅賓在幾個(gè)領(lǐng)域有所創(chuàng)新。它是唯一的使用McKibben型氣動(dòng)人工肌肉來(lái)實(shí)現(xiàn)爬升的機(jī)器人。它在利用包含數(shù)控系統(tǒng)的爬升機(jī)器人上也有所創(chuàng)新。羅賓也是少數(shù)幾個(gè)能夠在曲面間過(guò)渡或從水平面到垂直面過(guò)渡的爬升機(jī)器人之一。 圖1：羅賓 2.介紹 羅賓,如圖1所示,是一種多用途結(jié)構(gòu)檢測(cè)工具,特別針對(duì)于人造環(huán)境的檢驗(yàn)。最終目的是成為一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)成分。由于許多國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施年齡、檢查和大型人造的建筑的維修將會(huì)變得越來(lái)越重要。這個(gè)機(jī)器人和其他許多攀爬機(jī)器人將會(huì)成為安全的有效的衰老基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)工具,如建筑、橋梁、飛機(jī)和船只。當(dāng)它可以攜帶傳感器進(jìn)入危險(xiǎn)地區(qū)或無(wú)法到達(dá)的地方，從而使人類(lèi)督察任務(wù)更加安全。當(dāng)它執(zhí)行那些對(duì)于人類(lèi)的檢查員來(lái)說(shuō)或是太困難或者乏味的工作時(shí)也是很令人滿(mǎn)意的『1』。如果一個(gè)結(jié)構(gòu)攀巖機(jī)器人是被用來(lái)攀登諸如橋梁或者飛機(jī)的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，則其在相鄰表面之間的轉(zhuǎn)變過(guò)渡的能力是至關(guān)緊要的。此外，重要的是登山機(jī)器人能否處理好各種帶或不帶支撐點(diǎn)的表面類(lèi)型。這使得機(jī)器人是一個(gè)多用途檢驗(yàn)媒介。我們目前正在開(kāi)發(fā)羅賓，以便它成為一種低成本的人工環(huán)境檢查工具。 2.1以前的攀登的機(jī)器人 最初的墻壁爬上是平面的機(jī)器人，有第三的運(yùn)動(dòng)的最小限度的范圍。這些機(jī)器人將只限于在一個(gè)設(shè)計(jì)好的平面上運(yùn)動(dòng)，并且大部分機(jī)器人只限于進(jìn)入一個(gè)完全平坦的平面。這嚴(yán)格地限制條件限制了這些機(jī)器人只能在最簡(jiǎn)單的環(huán)境中使用，各面的轉(zhuǎn)換是不需要的并且表面上必須沒(méi)有任何障。天空清洗機(jī)[2]是商業(yè)開(kāi)發(fā)為清洗摩天大樓窗戶(hù)的系統(tǒng)。IROW [3]的開(kāi)發(fā)是為了檢查圓柱殼形狀的墻壁和含有放射性液體罐底部。如同許多其他的設(shè)計(jì)，它通過(guò)臍狀的繩索連接到電源和控制系統(tǒng)。墻地面車(chē)[4]與天空清洗機(jī)[2]在基礎(chǔ)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上非常相似。它有兩個(gè)自由度，并可以采用真空吸頭或磁裝置吸附在表面。如果天空清洗機(jī)是笛卡爾的機(jī)制，這個(gè)機(jī)器人有一個(gè)極機(jī)制。有包含強(qiáng)大的永久磁體的被動(dòng)式腳座和一個(gè)電磁鐵用來(lái)取消永久磁場(chǎng)以舉起腳座。即使是電力供應(yīng)不足這種有磁性的腳依然能保持依附在一個(gè)平面上。連續(xù)動(dòng)作的攀登機(jī)器人與天空清洗機(jī)有許多相似之處。然而，它還擁有一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)能夠使機(jī)器人用不到滾輪或吸盤(pán)卻不停的進(jìn)行轉(zhuǎn)化動(dòng)作[5]。這種機(jī)器人更傾向用在焊接船殼和那些需要持續(xù)動(dòng)作的其他特殊任務(wù)。 一些攀爬機(jī)器人應(yīng)具有在毗連平坦的表面之間做出轉(zhuǎn)換的重要能力。對(duì)用來(lái)檢測(cè)諸如大樓這樣復(fù)雜環(huán)境的任何機(jī)器人都應(yīng)具有從地面移動(dòng)到墻面，從墻面到天花板的能力?！昂斯S檢查員”機(jī)器人是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)來(lái)檢查一套在核反應(yīng)堆的建筑物的房間[6].這種機(jī)器人的行為與尺蠖的行為相似。NINJA-1[7]是有史以來(lái)開(kāi)發(fā)的一個(gè)最復(fù)雜的攀巖壁機(jī)器人。它有四條腿，每條腿都帶有四自由度，并且在腿的下面都有一個(gè)吸盤(pán)。這種機(jī)制的機(jī)器人能容易地處理不平坦的表面上的障礙。它能在表面之間轉(zhuǎn)變并且使用不同的姿態(tài)和走的步態(tài)來(lái)過(guò)渡。塔涂裝機(jī)器人[8]是第一個(gè)以Rubbertuators即橡膠，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人。其設(shè)計(jì)使用了Rubbertuators使其在兩端行成一個(gè)有夾具的平行機(jī)制。塔涂裝機(jī)器人的尺蠖類(lèi)蠕動(dòng)，與核電廠檢查非常相似。不幸的是，這種設(shè)計(jì)沒(méi)有被實(shí)施。斯塔姆-四[9]是最相似的羅賓設(shè)計(jì)。三個(gè)主要差異是缺乏鉸連接膝關(guān)節(jié)，簡(jiǎn)單的真空裝置用來(lái)連接機(jī)器人的表面和作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)來(lái)使用。斯塔姆第四可以步行穿過(guò)平坦的表面，轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)換。但是，膝關(guān)節(jié)的缺乏無(wú)法執(zhí)行外部的轉(zhuǎn)換或跨越表面上的障礙。此外，此設(shè)計(jì)中在兩端使用一個(gè)真空杯裝置以支持機(jī)器人。雖然是在支持機(jī)器人，它是很敏感的在表面或其他表面性質(zhì)形成裂縫。 圖2：行走中羅賓 3.機(jī)器人檢查員 羅賓機(jī)器人的基本的結(jié)構(gòu)是在每一末端的帶有兩只腳的鉸接腿。圖2顯示了在行動(dòng)中的羅賓機(jī)制。該機(jī)器人有四個(gè)自由度，其機(jī)制的設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人可以步行前進(jìn)，后退以及轉(zhuǎn)機(jī)。另外，羅賓可以從一個(gè)水平表面轉(zhuǎn)移到的垂直表面并返回。過(guò)渡能力在檢查人造結(jié)構(gòu)時(shí)是很重要的。羅賓機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以并能在平面行走中跨過(guò)障礙在內(nèi)部（地上到墻上）和外部（屋頂?shù)酵鈮Γ?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，羅賓打算在其背部裝上照相機(jī)和其他的接觸傳感器，像腳上的電渦流探頭[1]，但目前的發(fā)展重點(diǎn)是提高本身的攀登手段。 3.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)?！? 羅賓是一種“步行腿”式機(jī)器人, 通過(guò)對(duì)一只腳固定和加強(qiáng)對(duì)另一只自由腳的控制正如圖2序列描繪的一樣。如圖3，機(jī)器人也可以從水平到垂直的表面轉(zhuǎn)移，雖然控制軟件還沒(méi)有寫(xiě)入這中情形。 圖3：水平面到垂直面的轉(zhuǎn)移 圖4：Rubbertuator的構(gòu)造 3.2氣動(dòng)肌肉 Rubbertuators是靈活的氣動(dòng)執(zhí)行器，是羅賓的肌肉。這些驅(qū)動(dòng)器重量輕，并且是強(qiáng)有力，這是我們能夠開(kāi)發(fā)羅賓的技術(shù)之一。羅賓的rubbertuators控制是由一個(gè)非常簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)閥系統(tǒng)。關(guān)節(jié)位置由光學(xué)編碼器反饋到剛度控制系統(tǒng)，壓力傳感器反饋的rubbertuator執(zhí)行器的壓力。如圖4所示Rubbertuator是由一個(gè)纖維鞘包圍的橡膠管與兩端配件組成。由于軟管膨脹，直徑增加，纖維鞘保持幾乎恒定的容量繼而迫使Rubbertuator在長(zhǎng)度上縮短。羅賓上的Rubbertuators每個(gè)重約300克，但幾乎施加了3OOKgf的全壓下才會(huì)縮短。 3.3真空腳座 機(jī)器人的真空裝置或腳，是負(fù)責(zé)提供有力的支撐點(diǎn)用來(lái)走過(guò)任何角度或方向上的橫斷表面。多吸盤(pán)被用來(lái)降低真空裝置對(duì)表面裂紋的敏感度。五個(gè)杯子放置的形狀如骰子上的點(diǎn)。這些杯子分別被安排以實(shí)現(xiàn)最小的占位面積而留下足夠的空間接觸界杯之間的傳播，當(dāng)杯子緊緊的與地面接觸時(shí)那種情況才會(huì)發(fā)生。圖5顯示了機(jī)器人在墻上支撐自量。 圖5：羅賓在墻面的支撐 4.控制系統(tǒng) 微控制器的網(wǎng)絡(luò)用于羅賓的低級(jí)控制。每一個(gè)聯(lián)合機(jī)制，每個(gè)夾具都是由圖8所示的物理層控制器板集所控制。微控制器板是一種通用的設(shè)計(jì)，允許同一電路板可用于真空系統(tǒng)的控制和氣動(dòng)聯(lián)合控制。這種微控制器的網(wǎng)絡(luò)可以連接到PC主機(jī)上并運(yùn)行包容結(jié)構(gòu)控制器。低層次的步驟像壓力和強(qiáng)度調(diào)整可以在微控制器上的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。 4.1壓力控制 傳統(tǒng)上，Rubbertuators [羅]已非常龐大，笨重，昂貴的伺服閥控制。這就對(duì)移動(dòng)、爬行機(jī)器人中應(yīng)用Rubbertuators提出一個(gè)重大問(wèn)題，其中體重往往是首要關(guān)注的問(wèn)題。這些閥的使用將使Rubbertuators的優(yōu)點(diǎn)不再明顯。開(kāi)-關(guān)類(lèi)型電磁閥重量輕、價(jià)位低，是傳統(tǒng)電磁閥的替代品，但是其帶來(lái)更加復(fù)雜的控制問(wèn)題。利用電磁鐵閥門(mén)對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的成本和重量小于40％，是市面上最輕的發(fā)現(xiàn)伺服閥。一 圖6：Rubbertuator氣動(dòng)回路 個(gè)單獨(dú)的Rubbertuator氣動(dòng)回路圖示在圖6中所展示。機(jī)器人中有8個(gè)這樣的回路用以控制四個(gè)關(guān)節(jié)。吸入閥v給Rubbertuator充氣造成它收縮，當(dāng)出口閥向大氣排除尾氣時(shí)引起Rubbertuator松馳。Rubbertuator的壓力從一個(gè)壓力傳感器反饋到控制計(jì)算機(jī)。由于希望使用脈沖或Bang - Bang控制體系，在入口和出口閥門(mén)被選定響應(yīng)時(shí)間非常短，少于10毫秒。 有三種可能的控制措施：增加壓力（進(jìn)氣閥打開(kāi)）后，保持壓力（兩個(gè)閥關(guān)閉），減少壓力（出口閥門(mén)的）。壓力的變化率對(duì)進(jìn)口，出口和內(nèi)部的壓力和閥流量參數(shù)的相對(duì)值呈非線性函數(shù)。另外，氣動(dòng)系統(tǒng)中還有微小泄漏，工作時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這個(gè)簡(jiǎn)單的閥門(mén)系統(tǒng)，只有bang-bang壓力控制是成功的。如果壓力低于目標(biāo)的壓力區(qū)進(jìn)氣閥門(mén)會(huì)打開(kāi)，如果壓力高于目標(biāo)的壓力區(qū)，出口閥則打開(kāi)。兩個(gè)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)有一個(gè)小滯后區(qū)設(shè)定點(diǎn)附近爆炸控制器以防止爆炸的過(guò)度振蕩壓力。閥門(mén)選擇了非常小的流量，而且是對(duì)系統(tǒng)性能的主要限制。 4.2關(guān)節(jié)剛度控制 剛度控制器是建立在壓力控制器的頂部，并維持很小剛度來(lái)滿(mǎn)足一定的約束，也就是使連接rubbertuators到關(guān)節(jié)的鏈條不至于從鏈輪滑落。當(dāng)膨脹時(shí)Rubbertuator的動(dòng)作就像是一個(gè)非線性空氣彈簧，彈簧伸長(zhǎng)和收縮率伴隨管的壓力的變化而變化。Rubbertuator收縮長(zhǎng)度是(1 -€) Lo，Lo是最大長(zhǎng)度。制造商列出一個(gè)等式，描述了Rubbertuator收縮力[10]：FTUb(PE,) = P [ a ( l - E) 2 - b] DZ （1）其中p是壓力，t是收縮率，a，b是rubbertuator類(lèi)型的參數(shù)，Do是Rubbertuator原直徑。一些特性可以從這個(gè)模型觀測(cè)，力F與壓力P呈線性變化，與收縮率€ 呈非線性。 圖7：關(guān)節(jié)處連接 模型驅(qū)動(dòng)器遲滯，其中部分來(lái)自于覆蓋面和覆蓋之間的纖維繩線管，還有就是纖維層和輪管繩子的摩擦。一個(gè)rubbertuators對(duì)用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接作出如圖7所示。他們的工作很像動(dòng)物的肌為對(duì)肌肉的屈伸。這是兩rubbertuators的拉動(dòng)力量共同來(lái)自這一舉動(dòng)的僵硬關(guān)節(jié)。每個(gè)rubbertuator只有施加收縮方向的力量。因此，這剛度對(duì)與每個(gè)關(guān)節(jié)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向是獨(dú)立的。 對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的氣壓校準(zhǔn)相等的等量以實(shí)現(xiàn)剛度控制器。一個(gè)文件包含一個(gè)位置和每rubbertuator的伴生的壓力是由抽樣程序生成的。這些數(shù)據(jù)是用于計(jì)算每個(gè)rubbertuator最佳擬合多項(xiàng)式曲線，它被用來(lái)生成編碼的立場(chǎng)和壓力值正?；?。此表從主機(jī)下載到每個(gè)關(guān)節(jié)的相關(guān)微控制器。剛度控制器然后設(shè)置每個(gè)編碼器的位置所需的最低壓力值，從而使每個(gè)聯(lián)合的一面達(dá)到最低鏈張緊剛度。剛度控制被作為添加到目前最低值的一個(gè)額外的壓力值，對(duì)rubbertuator的一個(gè)張緊壓力。通過(guò)增加關(guān)節(jié)的一邊的剛度，其移動(dòng)到一個(gè)位置，此處向邊的rubbertuator和環(huán)境的力是平衡的關(guān)節(jié)移動(dòng)式，命令產(chǎn)生一個(gè)附加力，因此新的鏈張緊力不斷的加載。新鏈張緊壓力由于從命令中增加的剛度通過(guò)其范圍不斷地重新加載作為聯(lián)合行動(dòng)。由于沒(méi)有實(shí)際的剛度反饋，所以剛度是開(kāi)環(huán)控制。 圖8：基于行動(dòng)控制系統(tǒng) 5.行為系統(tǒng) 羅賓利用基于行為受弧打擊，使用的 ecture 對(duì)于仲裁的 subsumption[ll]。不象大多數(shù)行為系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)帶寬被保存所作建造行為，以便他們要求最少信息。圖 8 詳細(xì)說(shuō)明基于行為控制系統(tǒng)。 5.1 級(jí)別1 第一級(jí)包含了腳步動(dòng)作，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用以維持表面的吸力和運(yùn)動(dòng)。腳的行為通過(guò)啟用該腳真空泵表面紅外傳感器探測(cè)來(lái)回應(yīng)。這種低層次的行為可能被納入上級(jí)的行為以便于行走。 5.2 級(jí)別2 第二級(jí)包括那些通過(guò)羅賓發(fā)送必要的剛度指令到指定的控制器關(guān)節(jié)的行進(jìn)行為。這些行為包含了協(xié)同和擴(kuò)展行為。擴(kuò)展行為由順序動(dòng)作引發(fā)，以運(yùn)行或重置其狀態(tài)。它將指定的剛度壓力發(fā)送至腳踝和膝蓋關(guān)節(jié)控制器，以便完成抬腳、伸膝、放腳動(dòng)作。協(xié)同行為，也由順序動(dòng)作引起。它將指定的剛度壓力發(fā)送至腳踝和膝蓋關(guān)節(jié)控制器，以便抬腳、屈膝、放腳。目標(biāo)位置根據(jù)規(guī)則為基礎(chǔ)的位置控制算法得到，先后預(yù)估必要的剛度值，以達(dá)到期望的位置。計(jì)算編碼器的位置決定何時(shí)增加或減少我們的接近值。如果當(dāng)前的位置高于目標(biāo)的位置，我們向關(guān)節(jié)傳遞與預(yù)期方向相反的命令，減少我們的近似剛度。如果當(dāng)前的位置低于目標(biāo)窗口，我們發(fā)送一個(gè)期望的旋轉(zhuǎn)方向剛度的聯(lián)合控制，提高近似剛度。當(dāng)我們的目標(biāo)窗口內(nèi)，我們輸出近似剛度值。這種連續(xù)的近似方法，最終使其穩(wěn)定在目標(biāo)窗口內(nèi)。 5.3 級(jí)別3 3級(jí)是所有行為的最高優(yōu)權(quán)順序。此行為監(jiān)控真空和膝蓋的位置，以確定羅賓目前在哪種狀態(tài)。然后發(fā)出信號(hào)做出適當(dāng)?shù)男袨?。由于硬件的局限性，此行為顯得尤為重要。羅賓還沒(méi)有為了表面抽吸檢測(cè)的真空傳感器。因此，我們使用超時(shí)產(chǎn)生這種行為。 圖9：關(guān)節(jié)的步進(jìn)順序 6 .評(píng)價(jià) 圖9顯示在一個(gè)水平面上直線行走機(jī)器人的動(dòng)作指令的順序和關(guān)節(jié)位置反饋。該圖通過(guò)兩個(gè)步驟和它所期望的位置相比介紹了每個(gè)關(guān)節(jié)。實(shí)線虛線表明理論與實(shí)際的關(guān)節(jié)角度。需要注意的是，這些目標(biāo)的角度是只有在對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作執(zhí)行時(shí)才有效。該步驟在兩秒開(kāi)始以15度角實(shí)現(xiàn)其擴(kuò)展目標(biāo)。這是在18秒時(shí)被實(shí)現(xiàn)并會(huì)導(dǎo)致打開(kāi)膝蓋擴(kuò)到理想角度80度。達(dá)到這個(gè)目標(biāo)導(dǎo)致擴(kuò)大然后降下對(duì)表面通過(guò)改變期望聯(lián)接一目標(biāo)到45度的一套開(kāi)放，延長(zhǎng)的自由裝置。這個(gè)目標(biāo)導(dǎo)致查出表面和使能真空的腳傳感器，反過(guò)來(lái)，發(fā)信號(hào)序列行為對(duì)功能失效擴(kuò)大并且使能收縮。開(kāi)始移動(dòng)聯(lián)接三和四分別朝他們的37和-46度的期望位置直接收縮。在38秒結(jié)束做到這一點(diǎn)導(dǎo)致收縮關(guān)閉膝蓋。聯(lián)接的期望位置三和四是在這個(gè)膝蓋收縮了之后他們不移動(dòng)了。完成這個(gè)過(guò)程在44秒，重新設(shè)置每一個(gè)下一步的行為狀態(tài)。 7. 未來(lái)研究方向 該機(jī)器人目前傾向行走于平坦的表面或距垂直階層最多不超過(guò)30度的傾斜表面。我們也在想方設(shè)法給機(jī)器人開(kāi)發(fā)更多在水平面到垂直面甚至背面的操作。將會(huì)有跟多高級(jí)的行為把正常的擴(kuò)展和收縮行為用于直線行走。硬件優(yōu)化列如大閥門(mén)端口將將允許更多的易感應(yīng)的控制。我們也決定在腳上增加真空傳感器已證實(shí)在下次行動(dòng)之前達(dá)到吸入值。擁有這些增加的功能羅賓便在它將成為一個(gè)有用的機(jī)器人檢查工具的道路上行進(jìn)。