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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯
系： 機械工程
專 業(yè)： 機械工程及自動化
姓 名：
學(xué) 號：
外文出處： ICRA 1997
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評語：
簽名：
2010年 3月 25日
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
附件1：外文資料翻譯譯文
基于Rubbertuator結(jié)構(gòu)攀巖檢查機器人
1.摘要
闡述了我們對羅賓機器人研究的進展。羅賓是一個在人造環(huán)境下工作的爬升機器人。它可以攜帶照相機或傳感器到橋梁、房屋、航天器或船上來檢查。這個機器人有兩個真空管吸盤夾具由一個四自由度的機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渡行走。羅賓在幾個領(lǐng)域有所創(chuàng)新。它是唯一的使用McKibben型氣動人工肌肉來實現(xiàn)爬升的機器人。它在利用包含數(shù)控系統(tǒng)的爬升機器人上也有所創(chuàng)新。羅賓也是少數(shù)幾個能夠在曲面間過渡或從水平面到垂直面過渡的爬升機器人之一。
圖1：羅賓
2.介紹
羅賓,如圖1所示,是一種多用途結(jié)構(gòu)檢測工具,特別針對于人造環(huán)境的檢驗。最終目的是成為一個更大的結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)基礎(chǔ)成分。由于許多國家的基礎(chǔ)設(shè)施年齡、檢查和大型人造的建筑的維修將會變得越來越重要。這個機器人和其他許多攀爬機器人將會成為安全的有效的衰老基礎(chǔ)設(shè)施檢測工具,如建筑、橋梁、飛機和船只。當(dāng)它可以攜帶傳感器進入危險地區(qū)或無法到達的地方，從而使人類督察任務(wù)更加安全。當(dāng)它執(zhí)行那些對于人類的檢查員來說或是太困難或者乏味的工作時也是很令人滿意的『1』。如果一個結(jié)構(gòu)攀巖機器人是被用來攀登諸如橋梁或者飛機的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，則其在相鄰表面之間的轉(zhuǎn)變過渡的能力是至關(guān)緊要的。此外，重要的是登山機器人能否處理好各種帶或不帶支撐點的表面類型。這使得機器人是一個多用途檢驗媒介。我們目前正在開發(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以前的攀登的機器人
最初的墻壁爬上是平面的機器人，有第三的運動的最小限度的范圍。這些機器人將只限于在一個設(shè)計好的平面上運動，并且大部分機器人只限于進入一個完全平坦的平面。這嚴格地限制條件限制了這些機器人只能在最簡單的環(huán)境中使用，各面的轉(zhuǎn)換是不需要的并且表面上必須沒有任何障。天空清洗機[2]是商業(yè)開發(fā)為清洗摩天大樓窗戶的系統(tǒng)。IROW [3]的開發(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，它通過臍狀的繩索連接到電源和控制系統(tǒng)。墻地面車[4]與天空清洗機[2]在基礎(chǔ)的機械結(jié)構(gòu)上非常相似。它有兩個自由度，并可以采用真空吸頭或磁裝置吸附在表面。如果天空清洗機是笛卡爾的機制，這個機器人有一個極機制。有包含強大的永久磁體的被動式腳座和一個電磁鐵用來取消永久磁場以舉起腳座。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平面上。連續(xù)動作的攀登機器人與天空清洗機有許多相似之處。然而，它還擁有一個特殊的結(jié)構(gòu)能夠使機器人用不到滾輪或吸盤卻不停的進行轉(zhuǎn)化動作[5]。這種機器人更傾向用在焊接船殼和那些需要持續(xù)動作的其他特殊任務(wù)。
一些攀爬機器人應(yīng)具有在毗連平坦的表面之間做出轉(zhuǎn)換的重要能力。對用來檢測諸如大樓這樣復(fù)雜環(huán)境的任何機器人都應(yīng)具有從地面移動到墻面，從墻面到天花板的能力。“核工廠檢查員”機器人是專門設(shè)計來檢查一套在核反應(yīng)堆的建筑物的房間[6].這種機器人的行為與尺蠖的行為相似。NINJA-1[7]是有史以來開發(fā)的一個最復(fù)雜的攀巖壁機器人。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吸盤。這種機制的機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)來過渡。塔涂裝機器人[8]是第一個以Rubbertuators即橡膠，氣動執(zhí)行機構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計的爬壁機器人。其設(shè)計使用了Rubbertuators使其在兩端行成一個有夾具的平行機制。塔涂裝機器人的尺蠖類蠕動，與核電廠檢查非常相似。不幸的是，這種設(shè)計沒有被實施。斯塔姆-四[9]是最相似的羅賓設(shè)計。三個主要差異是缺乏鉸連接膝關(guān)節(jié)，簡單的真空裝置用來連接機器人的表面和作為執(zhí)行機構(gòu)電動機來使用。斯塔姆第四可以步行穿過平坦的表面，轉(zhuǎn)動，并進行內(nèi)部轉(zhuǎn)換。但是，膝關(guān)節(jié)的缺乏無法執(zhí)行外部的轉(zhuǎn)換或跨越表面上的障礙。此外，此設(shè)計中在兩端使用一個真空杯裝置以支持機器人。雖然是在支持機器人，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.機器人檢查員
羅賓機器人的基本的結(jié)構(gòu)是在每一末端的帶有兩只腳的鉸接腿。圖2顯示了在行動中的羅賓機制。該機器人有四個自由度，其機制的設(shè)計，讓機器人可以步行前進，后退以及轉(zhuǎn)機。另外，羅賓可以從一個水平表面轉(zhuǎn)移到的垂直表面并返回。過渡能力在檢查人造結(jié)構(gòu)時是很重要的。羅賓機器人機構(gòu)可以并能在平面行走中跨過障礙在內(nèi)部（地上到墻上）和外部（屋頂?shù)酵鈮Γ崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換，羅賓打算在其背部裝上照相機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)展重點是提高本身的攀登手段。
3.1機器人的運動?！?
羅賓是一種“步行腿”式機器人, 通過對一只腳固定和加強對另一只自由腳的控制正如圖2序列描繪的一樣。如圖3，機器人也可以從水平到垂直的表面轉(zhuǎn)移，雖然控制軟件還沒有寫入這中情形。
圖3：水平面到垂直面的轉(zhuǎn)移 圖4：Rubbertuator的構(gòu)造
3.2氣動肌肉
Rubbertuators是靈活的氣動執(zhí)行器，是羅賓的肌肉。這些驅(qū)動器重量輕，并且是強有力，這是我們能夠開發(fā)羅賓的技術(shù)之一。羅賓的rubbertuators控制是由一個非常簡單的開關(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在長度上縮短。羅賓上的Rubbertuators每個重約300克，但幾乎施加了3OOKgf的全壓下才會縮短。
3.3真空腳座
機器人的真空裝置或腳，是負責(zé)提供有力的支撐點用來走過任何角度或方向上的橫斷表面。多吸盤被用來降低真空裝置對表面裂紋的敏感度。五個杯子放置的形狀如骰子上的點。這些杯子分別被安排以實現(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那種情況才會發(fā)生。圖5顯示了機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)用于羅賓的低級控制。每一個聯(lián)合機制，每個夾具都是由圖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，允許同一電路板可用于真空系統(tǒng)的控制和氣動聯(lián)合控制。這種微控制器的網(wǎng)絡(luò)可以連接到PC主機上并運行包容結(jié)構(gòu)控制器。低層次的步驟像壓力和強度調(diào)整可以在微控制器上的網(wǎng)絡(luò)上運行。
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。這就對移動、爬行機器人中應(yīng)用Rubbertuators提出一個重大問題，其中體重往往是首要關(guān)注的問題。這些閥的使用將使Rubbertuators的優(yōu)點不再明顯。開-關(guān)類型電磁閥重量輕、價位低，是傳統(tǒng)電磁閥的替代品，但是其帶來更加復(fù)雜的控制問題。利用電磁鐵閥門對氣動系統(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氣動回路
個單獨的Rubbertuator氣動回路圖示在圖6中所展示。機器人中有8個這樣的回路用以控制四個關(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引起Rubbertuator松馳。Rubbertuator的壓力從一個壓力傳感器反饋到控制計算機。由于希望使用脈沖或Bang - Bang控制體系，在入口和出口閥門被選定響應(yīng)時間非常短，少于10毫秒。
有三種可能的控制措施：增加壓力（進氣閥打開）后，保持壓力（兩個閥關(guān)閉），減少壓力（出口閥門的）。壓力的變化率對進口，出口和內(nèi)部的壓力和閥流量參數(shù)的相對值呈非線性函數(shù)。另外，氣動系統(tǒng)中還有微小泄漏，工作時會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這個簡單的閥門系統(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)進氣閥門會打開，如果壓力高于目標(biāo)的壓力區(qū)，出口閥則打開。兩個閥門關(guān)閉時有一個小滯后區(qū)設(shè)定點附近爆炸控制器以防止爆炸的過度振蕩壓力。閥門選擇了非常小的流量，而且是對系統(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，并維持很小剛度來滿足一定的約束，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Rubbertuator的動作就像是一個非線性空氣彈簧，彈簧伸長和收縮率伴隨管的壓力的變化而變化。Rubbertuator收縮長度是(1 -€) Lo，Lo是最大長度。制造商列出一個等式，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類型的參數(shù)，Do是Rubbertuator原直徑。一些特性可以從這個模型觀測，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)動器遲滯，其中部分來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rubbertuators對用于轉(zhuǎn)動連接作出如圖7所示。他們的工作很像動物的肌為對肌肉的屈伸。這是兩rubbertuators的拉動力量共同來自這一舉動的僵硬關(guān)節(jié)。每個rubbertuator只有施加收縮方向的力量。因此，這剛度對與每個關(guān)節(jié)每一個旋轉(zhuǎn)方向是獨立的。
對每個關(guān)節(jié)的氣壓校準(zhǔn)相等的等量以實現(xiàn)剛度控制器。一個文件包含一個位置和每rubbertuator的伴生的壓力是由抽樣程序生成的。這些數(shù)據(jù)是用于計算每個rubbertuator最佳擬合多項式曲線，它被用來生成編碼的立場和壓力值正?；怼４吮韽闹鳈C下載到每個關(guān)節(jié)的相關(guān)微控制器。剛度控制器然后設(shè)置每個編碼器的位置所需的最低壓力值，從而使每個聯(lián)合的一面達到最低鏈張緊剛度。剛度控制被作為添加到目前最低值的一個額外的壓力值，對rubbertuator的一個張緊壓力。通過增加關(guān)節(jié)的一邊的剛度，其移動到一個位置，此處向邊的rubbertuator和環(huán)境的力是平衡的關(guān)節(jié)移動式，命令產(chǎn)生一個附加力，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其范圍不斷地重新加載作為聯(lián)合行動。由于沒有實際的剛度反饋，所以剛度是開環(huán)控制。
圖8：基于行動控制系統(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 詳細說明基于行為控制系統(tǒng)。
5.1 級別1
第一級包含了腳步動作，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用以維持表面的吸力和運動。腳的行為通過啟用該腳真空泵表面紅外傳感器探測來回應(yīng)。這種低層次的行為可能被納入上級的行為以便于行走。
5.2 級別2
第二級包括那些通過羅賓發(fā)送必要的剛度指令到指定的控制器關(guān)節(jié)的行進行為。這些行為包含了協(xié)同和擴展行為。擴展行為由順序動作引發(fā)，以運行或重置其狀態(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、放腳動作。協(xié)同行為，也由順序動作引起。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，以達到期望的位置。計算編碼器的位置決定何時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 級別3
3級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)出信號做出適當(dāng)?shù)男袨椤Ｓ捎谟布木窒扌?，此行為顯得尤為重要。羅賓還沒有為了表面抽吸檢測的真空傳感器。因此，我們使用超時產(chǎn)生這種行為。
圖9：關(guān)節(jié)的步進順序
6 .評價
圖9顯示在一個水平面上直線行走機器人的動作指令的順序和關(guān)節(jié)位置反饋。該圖通過兩個步驟和它所期望的位置相比介紹了每個關(guān)節(jié)。實線虛線表明理論與實際的關(guān)節(jié)角度。需要注意的是，這些目標(biāo)的角度是只有在對應(yīng)的控制動作執(zhí)行時才有效。該步驟在兩秒開始以15度角實現(xiàn)其擴展目標(biāo)。這是在18秒時被實現(xiàn)并會導(dǎo)致打開膝蓋擴到理想角度80度。達到這個目標(biāo)導(dǎo)致擴大然后降下對表面通過改變期望聯(lián)接一目標(biāo)到45度的一套開放，延長的自由裝置。這個目標(biāo)導(dǎo)致查出表面和使能真空的腳傳感器，反過來，發(fā)信號序列行為對功能失效擴大并且使能收縮。開始移動聯(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膝蓋收縮了之后他們不移動了。完成這個過程在44秒，重新設(shè)置每一個下一步的行為狀態(tài)。
7. 未來研究方向
該機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30度的傾斜表面。我們也在想方設(shè)法給機器人開發(fā)更多在水平面到垂直面甚至背面的操作。將會有跟多高級的行為把正常的擴展和收縮行為用于直線行走。硬件優(yōu)化列如大閥門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在下次行動之前達到吸入值。擁有這些增加的功能羅賓便在它將成為一個有用的機器人檢查工具的道路上行進。
南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表
學(xué)生姓名
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
選題情況
課題名稱
氣缸驅(qū)動爬桿機器人的設(shè)計
難易程度
偏難
適中
√
偏易
工作量
較大
合理
√
較小
符合規(guī)范化的要求
任務(wù)書
有
√
無
開題報告
有
√
無
外文翻譯質(zhì)量
優(yōu)
良
√
中
差
學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況
好
√
一般
差
工作進度
快
按計劃進行
√
慢
中期工作匯報及解答問題情況
優(yōu)
良
√
中
差
中期成績評定：良
所在專業(yè)意見：
負責(zé)人：
年 月 日
南京理工大學(xué)紫金學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
學(xué) 院（系）：
機械工程系
專 業(yè)：
機械工程及自動化
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號：
設(shè)計(論文)題目：
氣缸驅(qū)動爬桿機器人的設(shè)計
起 迄 日 期:
2010年2月24日 ~ 2010年6月5日
設(shè)計(論文)地點:
南京理工大學(xué)紫金學(xué)院
指 導(dǎo) 教 師:
專業(yè)負責(zé)人:
發(fā)任務(wù)書日期: 2010年2月23日
任務(wù)書填寫要求
1．畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負責(zé)人審查、學(xué)院（系）領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計（論文）開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生；
2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；
3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及學(xué)院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫；
4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“學(xué)院（系）”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼；
5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻”的填寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714—2005《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2008年3月15日”或“2008-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達到的目的：
通過畢業(yè)設(shè)計及論文的撰寫, 掌握科學(xué)研究的一般方法及過程，培養(yǎng)學(xué)生文獻查閱和機械設(shè)計的能力，使學(xué)生了解目前機器人的發(fā)展動態(tài)，掌握有關(guān)機器人的基本知識，鍛煉學(xué)生運用所學(xué)知識進行綜合設(shè)計的能力，使學(xué)生在完成畢業(yè)設(shè)計的同時，具備從事科學(xué)研究的基本能力，達到對本科畢業(yè)生的要求。
2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
內(nèi)容：
1. 查閱國內(nèi)外的相關(guān)文獻，了解爬桿機器人的研究現(xiàn)狀，完成文獻綜述。
2. 對現(xiàn)有的爬桿機器人進行分析，提出爬桿機器人的總體結(jié)構(gòu)方案。
3. 爬桿機器人的結(jié)構(gòu)選型以及理論計算。
4. 設(shè)計總體結(jié)構(gòu)，進行結(jié)構(gòu)的三維造型和二維工程圖的設(shè)計。
5. 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。
要求：
1. 完成文獻綜述、開題報告和外文翻譯。
2. 完成爬桿機器人的結(jié)構(gòu)選型以及理論計算。
3. 完成結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計以及結(jié)構(gòu)的三維造型和二維工程圖設(shè)計。
4. 完成畢業(yè)論文的撰寫。
要求按照畢業(yè)設(shè)計工作進度計劃，在各個時間節(jié)點上按時按質(zhì)按量的完成任務(wù)。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實物樣品等〕：
1. 開題報告、文獻綜述、英文資料翻譯；
2. 提交結(jié)構(gòu)的二維工程圖。
3. 所有設(shè)計資料電子文檔；
4. 畢業(yè)設(shè)計論文
4．主要參考文獻：
1. 趙興飛, 周憶, 石崇輝. 氣驅(qū)爬壁機器人設(shè)計與計算[J]. 機床與液壓， 2003，(3)：61-62.
2. 徐生，張立彬，楊慶華，董曉偉，鮑官軍，沈建冰. 氣動蠕動爬桿機器人[J]. 機械工程師， 2004，(3)：36-68.
3．畢道欽，李蓓智，張家梁，毛志敏，宋立博. 氣動蠕動式管外爬行機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 機械制造，2005，43(487)：38-40.
4. 張家梁，呂恬生,姚香根. 氣動管外爬升機構(gòu)的研究[J] . 機械工程師， 1997，(7)：7-8.
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2010年
2 月16 日 ~ 2月22日
2 月23日 ~ 3月 15日
3 月16日 ~ 4月 10日
4 月11日 ~ 5月 24日
5 月25日 ~ 6月5日
6 月6日 ~ 6月15日
下達畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，翻譯英文資料，完成文獻的查詢。
完成外文翻譯、寫完開題報告和課題前期準(zhǔn)備。
完成結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算。
完成三維造型和二維工程圖設(shè)計。
完成論文初稿、修改論文。
準(zhǔn)備論文答辯。
所在專業(yè)審查意見：
負責(zé)人：
年 月 日
學(xué)院（系）意見：
院（系）領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(論文)前期工作材料
學(xué)生姓名:
學(xué) 號：
系：
機械工程系
專 業(yè):
機械工程及自動化
設(shè)計(論文)題目:
氣缸驅(qū)動爬桿機器人的設(shè)計
指導(dǎo)教師:
講師
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
材 料 目 錄
序號
名 稱
數(shù)量
備 注
1
畢業(yè)設(shè)計(論文)選題、審題表
1
2
畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書
1
3
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告〔含文獻綜述〕
1
4
畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯〔含原文〕
1
5
畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表
1
2010年 3月
注：畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查工作結(jié)束后，請將該封面與目錄中各材料合訂成冊，并統(tǒng)一存放在學(xué)生“畢業(yè)設(shè)計（論文）資料袋”中（打印件一律用A4紙型）。
南京理工大學(xué)紫金學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)
作 者:
學(xué) 號：
系：
機械工程系
專 業(yè):
機械工程及自動化
題 目:
氣缸驅(qū)動爬桿機器人的設(shè)計
講師
指導(dǎo)者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
副教授
評閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
2010年 5月
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要
隨著科技的進步，機器人已經(jīng)日趨廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。隨著經(jīng)濟的增長，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無數(shù)電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索等高層建筑。長期以來怎樣綠色環(huán)保、高效、低成本的解決這些集實用性與美觀性一體的桿狀城市建筑的清洗、維護問題，一直是環(huán)保工作者們研究的一個課題。
論文針對上述市政工程中需要大量爬桿作業(yè)的需求，研制出一種基于氣動元件的爬桿機器人，該機器人有一定的載重能力，可廣泛替代人工應(yīng)用到市政爬桿作業(yè)中。在比較幾類爬行機構(gòu)的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定了機器人本體的大致結(jié)構(gòu),采用氣動元件實現(xiàn)機器人的爬升運動，電機帶動雙向螺旋機構(gòu)運動進行機器人手臂的夾緊。隨后根據(jù)路燈桿的尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計估算出機器人的各零部件的尺寸與質(zhì)量，據(jù)此，確定氣缸和電機的型號。最后，對各個元件進行校核驗算，設(shè)計出爬桿機器人。
關(guān)鍵詞 爬桿機器人 氣缸 攀爬 仿生學(xué)
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要
Title Design of pole-climbing robot driven by cylinders
Abstract
With the development of the science and technology, robotics have become more widely used in industrial production and daily life. With the growth of the economic, there are a lot of high-rise buildings such as the poles，the road poles and cable-stayed bridges appeared in the numerous cities and towns. How to solve the cleaning and maintenance of these sets with green environmental, highly efficient and low-cost method integrating with the aesthetics and practicability, which is subject of study for environ-mental protection workers for a long time.
In this paper, a kind of pneumatic pole-climbing robot was designed for satisfying the great demands on pole-climbing tasks in city planning engineering. The robot has certain load capacity. It can be widely used in city planning pole-climbing tasks instead of manpower. Based on compared the merits and demerits of several kind of crawling mechanism， we determine the general structure of robot body， adopt pneumatic components of climbing robot, motor drive two-way spiral movement mechanism motion for the clamping robot arm. Then according to the size of reading data，design of robot estimate the size of components with quality，accordingly, determine the cylinder and motor model. Finally, the test of each element, climb bare-footed robot is designed.
Keywords pole-climbing robot cylinder speel bionics
南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號：
專 業(yè)：
機械工程及自動化
設(shè)計(論文)題目：
氣缸驅(qū)動爬桿機器人的設(shè)計
指 導(dǎo) 教 師:
2010年 3月 19日
開題報告填寫要求
1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；
2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．“文獻綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻綜述的參考文獻應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫
2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
引言
隨著社會的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細，尤其是在現(xiàn)代化的大產(chǎn)業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產(chǎn)品的同一個部位上的一個螺母，有的人整天就是接一個線頭，人們感到自己的工作比較枯燥，于是人們強烈希望用某種機器代替自己工作，因此人們研制出了機器人，用以代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹩握{(diào)、枯燥或是危險的工作。機器人是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物，是一種典型的機構(gòu)和電控制結(jié)合的產(chǎn)物，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
在市政工程中，有大量的安裝及維修等工作需要爬桿作業(yè)。對于較粗的桿件，人工攀爬和工程車作業(yè)都比較方便。但是對于一些直徑較細，強度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。應(yīng)用帶升降機的工程車進行作業(yè)，作業(yè)成本較高，而且對于狹窄的胡同，工程車難以進入，造成作業(yè)困難，因此爬桿機器人的研制一直是市政工程研究的熱點。爬桿機器人與一般在地面上移動的機構(gòu)有著很大的不同，因為它要克服重力來工作，并依靠圓柱桿的表面上升，進行自主移動，完成特定條件下的工作。本文主要是介紹一種適合于在圓柱桿狀物體表面爬行的氣壓驅(qū)動爬桿機器人。
1、機器人的分類
機器人的種類多種多樣，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類:工業(yè)機器人、特種機器人?；蛘叻譃閮深悾褐圃飙h(huán)境下的工業(yè)機器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機器人。
仿生機器人是未來機器人領(lǐng)域的一個發(fā)展方向，按仿生學(xué)角度來分可分為：蝗螂式爬行機器人、蜘蛛式爬行機器人、蛇形機器人、尺鑊式爬行機器人等。
按驅(qū)動方式來分可分為：氣動爬行機器人、電動爬行機器人和液壓驅(qū)動爬行機器人等。按行走方式可分為:輪式[1]、履帶式、蠕動式、多足式等。
按工作空間來分可分為：管道爬行機器人、壁面爬行機器人[2]、球面爬行機器人、陸地移動機器人、水下機器人、無人飛機、空間機器人等。
按功能用途來分可分為：焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人、提升爬行機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、助殘機器人、巡線爬行機器人、玩具爬行機器人等。
根據(jù)不同的驅(qū)動方式和功能等可以設(shè)計多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機器人，如氣動管內(nèi)檢測爬行機器人，電磁吸附多足式爬行機器人、電驅(qū)動壁面焊弧爬行機器人等，每一種形式的爬行機器人都有各自的應(yīng)用特點。
2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
爬行機器人[3][4][5]是機器人大家族中的一員，爬升機器人因為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動，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動機器人，故爬升機器人是機器人領(lǐng)域的一個重要研究分支，從運動方式上來表征的一種機器人，形式是多種多樣的。
最早開始研究且研究最多的是爬壁機器人[6][7]，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面[8][9]和大球形表面上的危險作業(yè)。對于管道外壁表面[8]，已有車輪移動形、姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(guān)節(jié)形機器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。
國內(nèi)外的學(xué)者很早就對爬行機器人進行研究工作，目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機構(gòu)主要有電動機械式爬桿機器人、電動液壓式爬桿機器人和氣動蠕行式爬桿機器人[9][10][11]等。
電動機械式爬行器是由電動機帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運動爬升機器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動時它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動機的正反轉(zhuǎn)該機構(gòu)便可實現(xiàn)上升和下降運動。電動機械式爬桿機器人和螺旋線運動爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動整個機器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運作，且機器人總體機構(gòu)較復(fù)雜。
氣動蠕行式爬桿機器人用氣缸驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)交替夾緊和移動，其向上爬行時氣缸動作一個周期的過程為下部氣缸夾緊，上部氣缸松開，提升氣缸活塞桿伸出，上部上升;上部氣缸夾緊，下部氣缸松開，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機器人，其上升和下降運動的實現(xiàn)由氣壓控制，需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。
國外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭障礙、平行桿[12]，并可繞T型桿和L型桿爬行。
國內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護用氣動蠕動式爬纜機器人[13]，可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測、清洗等工作，并具有一定的智能性。
清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計的爬桿機器人采用自重式鎖緊機構(gòu)，機器人靠自重壓迫鋼球使滑塊(機械手)鎖緊在桿壁上，可以爬行較小范圍的變直徑桿，但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行(從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行)。該機構(gòu)改進后可爬升和返回，但需要加上一套氣動控制設(shè)備。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。
電動機械式管外爬行機器人，國內(nèi)比較典型的有陜西科技大學(xué)[14]研制的管外爬桿機器人。
哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或繩索爬行的機器人[15]，采用曲柄連桿機構(gòu)作為傳動機構(gòu)，機器人是由兩個形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對活動V型卡爪、一對槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測儀、電機等零部件構(gòu)成。
3、目前主要存在的問題
由上面敘述可知目前國內(nèi)外所設(shè)計制造的各種電機機械式爬行器均有一個缺陷:它們大多采用凸輪機構(gòu)[16]夾緊，由于凸輪機構(gòu)的不可伸縮性，一個爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護費用較高。
目前國內(nèi)外尚沒有在此類爬行機構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的需要，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡單的機械結(jié)構(gòu)來替代繁瑣的氣動設(shè)備實現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時在爬行過程中可攜帶其它清潔能源實現(xiàn)對路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備。
參考文獻
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畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
爬桿機器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗檢查維修成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率。這種機器人的研制必將具有很大的社會效益、經(jīng)濟效益和廣闊的應(yīng)用前景。本課題旨在研發(fā)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟適用、價格便宜、操作簡便的適用于路燈桿等桿狀城市設(shè)施可搭載清洗、維護設(shè)備的爬桿機器人，用以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響市容的公共設(shè)施的清洗、維護問題。該機構(gòu)要能保證良好的運行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)保，節(jié)省人力物力。
從上述看來所設(shè)計的機構(gòu)應(yīng)該能夠完成在圓柱狀物體表面的爬升運動，該圓柱體狀物體的直徑在10—30cm之間。欲使機器人在圓柱狀物體上自由地上下移動，必須具備兩種功能：貼附功能與移動功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，移動方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動式四種。這些不同的方式可以進行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機器人。
要求所要設(shè)計的這種爬行機器人，它的工作對象為各種型號的城市桿狀建筑，要求有一定的承載能力、接觸面積小、速度適中。通過比較各種方案，本課題設(shè)計使用夾持式的蠕動爬行結(jié)構(gòu)形式，該方案能基本滿足我們設(shè)定的工作狀況，可實現(xiàn)在運動方向上任意長的距離提升重物，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行平穩(wěn)，控制簡便。爬升靠氣缸來完成，夾緊運動采用螺旋傳動完成。
設(shè)計內(nèi)容包括電機的選擇與計算，齒輪傳動部分的計算與校核，螺旋傳動部分的計算與校核，軸承副的選擇與計算，連接件的設(shè)計與強度計算，氣缸的選型計算。設(shè)計計算好各個結(jié)構(gòu)的尺寸大小及型號之后，使用Proe完成三維圖的設(shè)計繪制工作。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責(zé)人：
年 月 日