機械手-集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構設計,機械手,集裝箱,波紋,焊接,機器人,機構,運動學,分析,車體,結構設計 爬壁機器人的發(fā)展 摘要——很長時間以來，人們希望能夠利用爬壁機器人來營救墻壁檢測和滅火，在我們的實驗室里已經研制了四種非常不同的機器人，第一種機器人有一個大的吸附器其利用了與氣墊船相反的原理；第二種有兩足行走，并且每足上有一小吸附器；第三種通過驅動器的擠力在不規(guī)則的垂直墻壁上移動，這是一種墻體驅動機器人；第四種可在必要的時候短距離躍入空中，這里將討論這些機器人的機構和控制系統(tǒng)。 1、 介紹 很長時間來，人們期望機器人能夠在垂直的墻壁上移動，它可用在高樓大廈里來營救墻壁檢測和滅火，在過去的二十年里，我們實驗室研制了四種完全不一樣的爬壁機器。第一類有大的吸附器和爬行器作為移動機構，這種被稱為大吸附器機器人。最近，在日本，已發(fā)展出很多種類的這一類型機器人用于檢測墻壁。這里將討論與在吸氣和風扇轉動間相適用的機構和空氣動力學。 第二種類型是雙足行走機器人，每足上有一小吸附器而被稱為雙足機器人，這里也將討論其機構和控制系統(tǒng)，并給出一模擬研究，由于這里模型適用于幾乎所有的不規(guī)則墻面，它比第一種應用范圍更廣。 通常而言，行走運動不是很快，因此行走機器人爬行到墻的高處將耗費很多時間，然而，又需要這樣一種機器人，它能在短時間爬到建筑物的高處，為了緊急的目的，例如攜帶救援工具或者給建筑里滅火。第三種機器人旨在達到這些目的，它有驅動器，這些驅動器的垂直墻面的擠力減小微弱，這樣能夠利用輪與墻間的摩檫力并支撐機器人自身。這是一種墻體驅動機器人。有時候意外的強風會發(fā)生在高層建筑物的墻體上，在這種情況下，用來彌補風的力量的控制系統(tǒng)，對于避免讓機器人從墻上掉下很重要，這種情況已經在[6，7]里簡單的討論過。 通常在建筑物的低處有很多障礙，比如樹，屋檐，入口等等。在這些情況下，如果機器人能夠飛躍這些障礙并到達上面的墻面將很管用，另外如果機器人意外地從高處的墻面上掉落，制作一軟著陸來避免危害自身或周圍環(huán)境很有必要。這些目標可通過用能使其飛的機構和控制系統(tǒng)來完成。由于墻壁驅動機器人有足夠的擠力來支撐其自身，它可改造成一種能夠飛或著陸的新的機器人。這是第四種模型，其機構和控制系統(tǒng)將被討論，并提出其操縱能力的模擬研究。 2、 大吸附器機器人 2．1 大吸附器模型的機構 很久以來，人們期望研制出能夠在高層建筑的垂直或懸空的墻面，或者巨輪的側面等上面移動的移動機器人。然后，這種機器人能用來代替人搬運營救工具或做其它工作。為了實現這種機器人，需要用來支撐機器人或使其在墻上向上移動的摩擦力。磁力或真空壓力可產生指向墻面的固定力，輪子或履帶都可用作在平且寬的垂直墻面上的移動機構。1966年研制出了一臺大吸附器機器人（如圖1所示），當用機器人在墻上移動時從吸附器的外圍空隙中吸取了少量的空氣。利在吸附器的外圍安裝一刷子和（或）彈性圍罩來減弱空氣流和保證吸附器內部足夠的負壓，它能在不規(guī)則的小墻面上移動。這個模型的機構和尺寸如圖2所示：離心風扇由小引擎驅動，履帶由直流電動機驅動。 圖1 大吸附器機器人 2．2安全條件 在墻上的固定力是負壓和吸附器面積乘積； F=PA (1) 引擎 皮帶輪 驅動電機 刷子和圍罩 直流電機 履帶輪 風扇 燃料箱 圖 2 大吸附器模型的結構示意圖 圖 3 大吸附器機器人的滑動及脫落的安全區(qū)域 下面是避免滑動和掉下的條件： μF/W>1 (2) F/W>h/R (3) 這里W是機器人的凈重，μ是摩擦系數，h為墻面到重心的距離，R為吸附器中心到最低支撐點的距離。 如果機器人在條件 h/R<1/μ (4) 下設計，掉下可以避免。這些關系如圖3所示，每個曲線的上半區(qū)域為安全區(qū)域。 2．3 固定力與風扇性能的匹配 由于用來支撐機器人在垂直墻壁上的固定力與風扇性能直接相關，因此，它們之間的匹配非常重要，風扇性能（粗實線）和在有效誤差δe下的匹配線（點杠線）如圖4所示：橫坐標代表空氣流質量Q，縱坐標是負壓P和固定力F，并且每條曲線的參數是臨界速度n,常量引擎節(jié)流的工作曲線由通過點Z,Y,X的曲線表示，在粗糙水泥墻面上得到所需最小負壓測量為P=35mm水柱。 由于模型的凈重W=44kgf，摩擦系數μ=1.05確定，點W，V,U是各誤差δe的所需最小必須壓力。例如，如果風扇在點X以大誤差δe=5.3mm工作，最小壓力大約為15mm水柱，來自點X與U之間的中點，因此，這種模型在更小摩擦系數的墻面上移動是危險的。 圖 3 大吸附器機器人的風扇性能圖 誤差的突變取決于由墻面的不規(guī)則所導致對應的空氣質量流和之后負壓的變化。風扇的旋轉速度一直變化至引擎和風扇間的達到力矩平衡。這種關系如下： IΩ=ηmTE-TF 這里I是引擎和風扇旋轉部分的慣性矩，Ω為風扇的角速度，ηm為引擎和風扇之間的機械效率，TE為驅動力矩，TF為風扇所需的 矩。如果誤差從δe=5.3突變至1.8mm，風扇工作曲線通過X-Z′-Z。另一方面，如果誤差增加，通過Z-Y′-X′-X。因此，間隙的突然增加過程中，負壓比終點X處要大，故在變化過程中可獲得足夠的力。 2．4 總體安全條件 總體安全條件歸納如下： （a）脫落是致命的，因此應避免使用公式（4）的條件。 （b）在吸附器的外部減少空氣泄漏 有用的。 （c） 由于間隙的突然增加，負壓變化有一定的時間滯后，因此引擎應該短時間打開以使補償吸附器里的足夠壓力。 3、兩足行走機器人 3、1 行走機構 圖 5 雙足行走機器人的結構 現在地面上行走機器人有很多種類型的行走機構，例如兩足定位，四足的，六足的等等。類似的，現在爬墻機器人也有很多種機構。 垂直軌道 斜軌道 圖 6 行走運動