管道外爬行機器人的設(shè)計與仿真【三維UG模型】【含CAD圖紙】

喜歡就充值下載吧，，資源目錄下展示的全都有，，下載后全都有，dwg格式的為CAD圖紙，有疑問咨詢QQ：414951605 或1304139763 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 【摘要】 隨著社會的發(fā)展需要，機器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。機器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的影響。 本文介紹了國內(nèi)外爬行機器人的發(fā)展?fàn)顩r，本課題的研究意義，并對其進(jìn)行了功能原理分析，在總結(jié)國內(nèi)外爬行機器人現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對管道外爬行機器人進(jìn)行了機構(gòu)設(shè)計和理論分析。 在本次設(shè)計中，管道外爬行機器人采用曲柄滑塊機構(gòu)，實現(xiàn)爬行過程。選擇了步進(jìn)電機作為驅(qū)動電機;確定了曲柄、連桿構(gòu)件的尺寸，并以氣缸作為夾持器的動力源；根據(jù)曲柄滑塊的工作原理對爬樹機器人進(jìn)行運動分析;分析了爬行機器人的控制系統(tǒng)，并介紹了各個控制部分工作原理和特點。最后對該爬行機器人做了仿真。 關(guān)鍵詞： 機器人 曲柄滑塊機構(gòu) 管道外爬行機器人 仿真 ［ABSTRACT］: With the need of the developing society,robots have permeated into every aspect of our life,work and economics,and are playing an important role.The research and development of the robots have a lot of influence on our economic expansion. In this article, present situation and development of climbing tree robot are introduced, as well as the importance of the reserch of the climbing robot, at the same time its principle is analyzed. After summarizing the present situation of climbing robot at home and abroad, mechanism design and theoretical analysis Piping crawl along the robot are finished. In this design, Crawled robots along pineline using slider-crank mechanism, the realization process of reptile. Choose a stepper motor as a motor, Determine the crank connecting the size of components, and the power cylinder for clamping device, According to the working principle of crank slider to climb robot motion analysis,the control system of climbing robot control system, further, each principle of work and trait of control systerm is introduced, at the last, simulation is made. Key words :Robot；Crank-slider mechanism；Crawled robots along pineline ; Simulation  目錄 目錄.............................................................................................................................1 第一章 緒論..............................................................................................................3 1.1 機器人的定義....................................................................................... 3 1.2 國內(nèi)外機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展................................................................3 1.21 國外機器人的發(fā)展............................................................................3 1.22 國內(nèi)機器人的發(fā)展............................................................................5 1.23 國內(nèi)外相關(guān)機器人的工作原理分析................................................6 1.3 課題來源，目的及意義........................................................................9 1.4 課題需要完成的主要任務(wù)...................................................................10 第二章 管外爬行機器人的機構(gòu)方案設(shè)計............................................................11 2.1 總體機構(gòu)方案設(shè)計...............................................................................11 2.11 坐標(biāo)樣式...........................................................................................11 2.12 機構(gòu)方式...........................................................................................12 2.13 驅(qū)動方式的選擇...............................................................................12 2.14 驅(qū)動電機的選擇...............................................................................13 2.15 爬行機器人的主要特點...................................................................14 2.2 爬行機器人機構(gòu)設(shè)計...........................................................................16 2.21 機構(gòu)設(shè)計.........................................................................................16 2.22 機構(gòu)簡介.........................................................................................17 2.3 結(jié)構(gòu)原理分析.......................................................................................18 2.4 運動原理分析.......................................................................................19 2.5 管道外爬行機器人運動方案設(shè)計.......................................................19 2.51 機器人預(yù)期功能要求.....................................................................19 2.52 功能原理設(shè)計.................................................................................19 2.53 運動方案的確定.............................................................................19 2.54 執(zhí)行機構(gòu)材料的選擇.....................................................................20 2.55 位移和速度分析.............................................................................22 2.56 執(zhí)行機構(gòu)運動簡圖.........................................................................23 2.6 本章小結(jié)...............................................................................................23 第三章 管道外爬行機器人的實體建模 ............................................................24 3.1 畢業(yè)設(shè)計軟件-UG5的介紹.................................................................24 3.11 UG5的功能特點.............................................................................25 3.12 使用UG的優(yōu)點..............................................................................25 3.2 爬行機器人的實體建模.......................................................................26 3.21 滑塊（方形架）的建模.................................................................26 3.22 夾持器的建模 ...............................................................................27 3.23 連桿、曲柄的建模...........................................................................28 3.24 聯(lián)軸器的建模.................................................................................28 3.25 各種連接銷的建模.........................................................................29 3.26 各種標(biāo)準(zhǔn)件的使用.........................................................................30 3.27 鍵的建模.........................................................................................30 3.28 爬行機器人的裝配.........................................................................31 3.29 機器人的二維視圖.........................................................................33 3.3 本章小結(jié)...........................................................................................33 第四章 爬行機器人的運動仿真 4.1 爬行機器人的仿真......................................................................... .34 4.11 連桿的建立...................................................................................34 4.12 運動副的建立...............................................................................34 4.13 爬行機器人的仿真.......................................................................35 4.2 爬行機器人的控制...........................................................................36 4.21 傳感器的控制...............................................................................36 4.22 電機的控制...................................................................................36 4.3 本章小結(jié).........................................................................................40 總結(jié) ......................................................................................................................41 致謝........................................................................................................................42 參考文獻(xiàn)................................................................................................................43 第一章 緒論 1.1機器人的定義 早在1923年，捷克作家卡佩克發(fā)表了科幻劇本《洛桑萬能機器人》?？ㄅ蹇税呀菘苏Z“Robata“寫成Robot”，其意思是農(nóng)奴，預(yù)告了機器人的發(fā)展對人類社會科學(xué)與技術(shù)的悲劇性影響，因而極受關(guān)注，這被當(dāng)做了“機器人”（Robot）一詞的起源?！皺C器人”（robot）一詞常常認(rèn)為是人一樣的機器，其經(jīng)常出現(xiàn)在各種科幻電影和小說中。 與科幻作家所想象的超人機器人不同的是，更現(xiàn)實的機器人只是一類特殊的自動機器，它具有與人的四肢相比擬的運動機構(gòu)，可接受視覺、聽覺、觸覺等傳感信息，在計算機即電腦的指揮下完成各種機械操作功能，當(dāng)前主要是代替人進(jìn)行比較通用、靈巧、自主的重復(fù)操作。機器人不僅可以把人類從條件惡劣、繁重單調(diào)的作業(yè)中解放出來，而且在力量、精度和速度以及特殊環(huán)境下的生存和工作能力等方面有人類無法替代的優(yōu)點。機器人的應(yīng)用和研究對提高勞動上產(chǎn)率、推動科技發(fā)展具有重要意義，同時也成為衡量一個國家制造業(yè)水平和科技水平的一個重要標(biāo)志。機器人在工業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)中日益廣泛的應(yīng)用帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益、也有力的推動了有關(guān)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，從而使其成為一個活躍的、富有魅力的研究領(lǐng)域。 近幾十年來，機器人技術(shù)不斷得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，人們 期望機器人在許多人類不能到達(dá) 的區(qū)域能代替人類完成更復(fù)雜的任務(wù)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，例如在軍事偵察、掃雷排險、防止核污染等危險惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運上具有廣闊的應(yīng)用前景 ，所以機器人所面臨的環(huán)境往往是未知的、不可預(yù)測的、非人為構(gòu)造的環(huán)境，機器人所要完成的任務(wù)也越來越復(fù)雜 。 1.2 國內(nèi)外機器人的發(fā)展 1.2.1國外機器人的發(fā)展 美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，比起號稱"機器人王國"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。 由于美國政府從60年代到70年代中的十幾年期間，并沒有把工業(yè)機器人列入重點發(fā)展項目，只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府又無財政支持的情況下，寧愿錯過良機，固守在使用剛性自動化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險，去應(yīng)用或制造機器人。加上，當(dāng)時美國失業(yè)率高達(dá)6．65％，政府擔(dān)心發(fā)展機器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯誤。70年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術(shù)路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級機器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場上形成了較強的競爭力。 　 進(jìn)入80年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機器人，另一方面制訂計劃、提高投資，增加機器人的研究經(jīng)費，把機器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機器人迅速發(fā)展。 80年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機器人的技術(shù)日臻成熟，第一代機器人的技術(shù)性能越來越滿足不了實際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機器人，并很快占領(lǐng)了美國60％的機器人市場。 盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術(shù)在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強。具體表現(xiàn)在： （1）性能可靠，功能全面，精確度高； （2）機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首； （3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用； （4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。 在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機器人和AMF公司的沃莎特蘭機器人就已經(jīng)率先進(jìn)入英國市場。1967年英國的兩家大機械公司還特地為美國這兩家機器人公司在英國推銷機器人。接著，英國 Hall Automation公司研制出自己的機器人RAMP。70年代初期，由于英國政府科學(xué)研究委員會頒布了否定人工智能和機器人的Lighthall報告，對工業(yè)機器人實行了限制發(fā)展的嚴(yán)厲措施，因而機器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。 但是，國際上機器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到：機器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從70年代末開始，英國政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實施了一系列支持機器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性、在財政上給購買機器人企業(yè)以補貼、積極促進(jìn)機器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機器人開始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時期。 法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進(jìn)水平。這主要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術(shù)，特別是把重點放在開展機器人的應(yīng)用研究上。 法國機器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的研究計劃，建立起一個完整的科學(xué)技術(shù)體系。即由政府組織一些機器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項目，而由工業(yè)界支持開展應(yīng)用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及.　 　 德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進(jìn)機器人大約晚了五六年。其所以如此，是因為德國的機器人工業(yè)一起步，就遇到了國內(nèi)經(jīng)濟(jì)不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻是有利于機器人工業(yè)發(fā)展的。因為戰(zhàn)爭，導(dǎo)致勞動力短缺，以及國民技術(shù)水平高，都是實現(xiàn)使用機器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路；在"改善勞動條件計劃"中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展。日爾曼民族是一個重實際的民族，他們始終堅持技術(shù)應(yīng)用和社會需求相結(jié)合的原則。除了像大多數(shù)國家一樣，將機器人主要應(yīng)用在汽車工業(yè)之外，突出的一點是德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)改造原有企業(yè)，報廢了舊機器，購買了現(xiàn)代化自動設(shè)備、電子計算機和機器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對路。到1984年終于使這一被喻為"快完蛋的行業(yè)"重新振興起來。與此同時，德國看到了機器人等先進(jìn)自動化技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機器人轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。經(jīng)過近十年的努力，其智能機器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。 1.2.2國內(nèi)機器人的發(fā)展 我國機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)及“863”計劃的推動下，也取得了很大的進(jìn)展。目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有150多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，進(jìn)行一次性重新設(shè)計，導(dǎo)致產(chǎn)品規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本高，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、規(guī)模化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國從1987年實施國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃以來，把智能機器人確立為自動化領(lǐng)域的主體之一，在特種機器人、機器人應(yīng)用工程、機器人基礎(chǔ)學(xué)科等方面取得了很大成績。在移動機器人方面主要研究工作有:1994年通過鑒定的清華大學(xué)智能移動機器人，涉及到基于地圖的全局路徑規(guī)劃、基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃、路徑規(guī)劃的仿真、傳感數(shù)據(jù)信息融合等技術(shù);哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的輪式智能服務(wù)機器人能無纜行走、自動避障、識別語音并能與人對話、能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機器人、用于服務(wù)場合的導(dǎo)游導(dǎo)購等，6000米水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平。此外還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種;在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.2.3國內(nèi)外相關(guān)資料工作原理分析 爬行機器人要想走向?qū)嵱?，必須擁有能勝任的運動系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力，并具有既安全而又友好地與人一起工作的能力，移動機器人的指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。自主性是指機器人具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力，不但能夠測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并做出正確的判斷及操作和移動的能力;交互性是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括機器人與環(huán)境、機器人與人以及機器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。因此，在移動機器人研究中，關(guān)鍵在于以下幾個方面: 一、導(dǎo)航定位 在移動機器人的應(yīng)用中，精確的位置知識是一個基本問題。有關(guān)位置的測量，可分為兩大類:相對測量和絕對測量。使用的方法分為7種:里程計、慣性航、磁羅盤、主動燈塔、全球定位系統(tǒng)、路標(biāo)導(dǎo)航和地圖模型匹配。其中前兩種屬于相對位置測量，也稱為航跡推算。在導(dǎo)航與定位方面，有兩個重要的發(fā)展方向:一個是關(guān)于如何構(gòu)造完整性的導(dǎo)航系統(tǒng);另一個是關(guān)于主動環(huán)境問題，也稱之為機器人與環(huán)境交互或融合問題。機器人通過環(huán)境中存在的主動裝置的交互，完成導(dǎo)航和定位任務(wù)。 移動機器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號類型、導(dǎo)航地域等因素的不同，可以分為基于地圖導(dǎo)航，基于路標(biāo)導(dǎo)航，基于視覺導(dǎo)航，基于感知器導(dǎo)航等。 二、機器人的結(jié)構(gòu) 機器人機械結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計，是根據(jù)實際需要進(jìn)行的。在機器人機構(gòu)方面，結(jié)合機器人在各個領(lǐng)域以及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。輪式機器人由于控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。目前出現(xiàn)的輪式機器人主要有單輪，四輪，五輪，六輪和八輪這幾種機器人。移動機器人是一個機構(gòu)、電氣和軟件的綜合系統(tǒng)，它的任何一個部分都不是孤立的。結(jié)構(gòu)的問題影響到控制和算法。 近年來由于應(yīng)用背景的不斷擴(kuò)大和智能機器人的研究加快，國內(nèi)外對于輪式機器人的移動載體的研究也越來越多。按照機器人運動的約束方程可以將其分為兩類:完整性約束和非完整性約束的移動機器人。 對于一個非完整性的約束的輪子來說，它只能在與輪子軸垂直的方向前進(jìn)或后退，在不打滑的情況下不具有側(cè)向移動的能力。在移動機器人平臺中，如果它的約束方程中有非完整性的約束方程，或者說如果它的某個輪子不具有側(cè)向滑動的能力，那么它就是一個非完整約束的移動機器人。非完整約束在現(xiàn)實世界中是隨處可見的，像傳統(tǒng)的車輪都屬于非完整約束的輪子，但是對它的研究卻較晚。非完整約束的移動機器人，雖然在開闊的工作空間中經(jīng)過姿態(tài)的調(diào)整可以達(dá)到任意的方向和位置，但是由于不具有移動的能力，這樣在緊湊的工作空間中就不再適用。非完整約束的移動機器人的運動能力和限制使得這類系統(tǒng)和軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤等問題中以增加了一個約束條件而變得困難了。另外，在非完整約束條件下的移動機器人的運動學(xué)方程和動力學(xué)方程是非線性函數(shù)，用常規(guī)的線性控制理論進(jìn)行控制機器人是很困難的，而且也不能化成簡單的線性系統(tǒng)。可見，對于非完整約束的移動機器人的控制也存在一定的難度，但由于它的普通性，目前好多學(xué)者致力于非完整約束條件下移動機器人的運動控制的研究。由完整約束輪子構(gòu)成的移動機器人能夠在保持機體姿態(tài)不變的前提下沿任意方向移動，實現(xiàn)全方位移動的功能。這種能力使得移動機器人的路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等問題變得相對簡單，并且它可以在狹小的工作空間中很好的完成任務(wù)。為了讓移動機器人具有全方位移動的能力，不斷有人進(jìn)行完整性約束輪子的研究，于是出現(xiàn)了幾類有代表性的全方位移動輪。其中較具有影響力的是正交輪全方位移動機器人。由這種結(jié)構(gòu)組成的移動機器人相對于前邊的兩種結(jié)構(gòu)具有數(shù)學(xué)模型簡單、控制容易、全方位移動等優(yōu)點?，F(xiàn)在仍然有許多人在致力于全方位移動輪的研究，并且不斷有各種特色的新型裝置推出。在實際的系統(tǒng)中采用何種結(jié)構(gòu)的車輪以及輪子的數(shù)量取決于地面性質(zhì)、車輛的承載要求、移動機器人的任務(wù)等多種因素。 當(dāng)前，對其它非輪式移動機器人，例如足式步行機器人、履帶式和特種機器人的研究較多，但大多數(shù)仍處于實驗階段。 三、路徑規(guī)劃技術(shù) 爬行機器人的路徑規(guī)劃就是給定機器人及其工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，尋求有界輸入使系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)從起始點轉(zhuǎn)移到目標(biāo)點。其主要研究內(nèi)容按機器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境，按機器人獲取信息方式的不同可分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。機器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀(jì)70年代，目前對這一問題的研究仍十分活躍，許多學(xué)者都做了大量的工作。 運動規(guī)劃是移動機器人的一個重要問題，對于自由移動機器人即機器人的運動不受約束，運動規(guī)劃問題可以通過在自由位形空間內(nèi)計算一條路徑加以解決，這樣的一條路徑與工作空間內(nèi)的一條可行的自由路徑相對應(yīng)。但是移動機器人運動受到非完整性約束，并不是任意路徑都一定是可行的。在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中，還要考慮運動中的避障問題，因此，移動機器人的運動規(guī)劃是一個比較復(fù)雜的問題。尚有許多問題有待研究。 四、跟蹤控制 跟蹤控制是爬行機器人運動控制的一個重要問題，也是一個非常實際的問題。分為軌跡跟蹤控制和路徑跟蹤控制兩種。在軌跡跟蹤控制中，期望軌跡是由幾何參數(shù)來描述的。當(dāng)要求機器人以一個期望的速度跟蹤一條由幾何參數(shù)給出的路徑時，可以采用路徑跟蹤控制。已有的軌跡跟蹤方法在數(shù)學(xué)上很完美，并且得到許多有意義的結(jié)果，但對于設(shè)計實際的跟蹤控制器來說，還有許多實現(xiàn)上的問題。關(guān)于這方面的工作，主要集中在早期。近期的研究主要集中在考慮非完整約束力學(xué)的情況下，如何實現(xiàn)有效跟蹤。 五、反饋鎮(zhèn)定 運動控制是機器人控制的一個重要方面。爬行機器人的運動控制可分為兩種策略:開環(huán)策略和閉環(huán)策略。開環(huán)策略就是試圖尋找一個有界的控制輸入序列來操縱系統(tǒng)，使其從一個初始位形到任意的期望位形。這種策略往往和機器人的運動規(guī)劃聯(lián)系在一起。閉環(huán)策略，就是反饋鎮(zhèn)定?？紤]到非完整約束的移動機器人系統(tǒng)，是一個欠驅(qū)動的非完整系統(tǒng)，也是一個無漂移的零動力學(xué)系統(tǒng)，此類系統(tǒng)不滿足純狀態(tài)光滑鎮(zhèn)定的必要條件，也就是說，這類系統(tǒng)不能用連續(xù)可微的時不變的純狀態(tài)反饋律來予以鎮(zhèn)定。因此，非連續(xù)控制、時變控制律以及結(jié)合二者的混合控制律就是必然的選擇。故設(shè)計一個反饋鎮(zhèn)定律，是一個具有很大挑戰(zhàn)性的工作，也是目前一個非常活躍的研究領(lǐng)域。 六、多傳感器系統(tǒng)與信息融合 由于現(xiàn)有傳感器普遍存在著有效探測范圍小，數(shù)據(jù)可靠性低等缺點，在實際應(yīng)用中往往使用多傳感器共同工作，并采用多傳感器融合技術(shù)對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、綜合和平衡，利用數(shù)據(jù)的冗余和互補特性進(jìn)行容錯處理，以求得到所需要的環(huán)境特性。所謂多傳感器融合，是指將多個傳感器采集的信息進(jìn)行合成，形成對環(huán)境某一特征的綜合描述的一種方法。采用多個傳感器的優(yōu)點是很明顯的:(l)多個傳感器可提供同一環(huán)境信息的冗余信息;(2)可提供出現(xiàn)在環(huán)境中有關(guān)特征的互補信息;(3)多個傳感器可以并行快速地分析當(dāng)前的場景;(4)多個傳感器雖然成本較高，但具有高魯棒性，可改善完成特定工作的指標(biāo);(5)在某傳感器發(fā)生故障的情形下，很快可以重組，重新投入工作。多傳感器數(shù)據(jù)集成與融合是一項內(nèi)容廣泛的技術(shù)，涉及到傳感器、信號處理、機器人學(xué)、控制理論、系統(tǒng)分析、概率統(tǒng)計、計算機科學(xué)以及仿生學(xué)等很多方面的知識。 事實上，采用傳感器融合技術(shù)，如不做出一定的限制，將會大大增加機器人的計算工作量。為減小數(shù)據(jù)計算量，在具體問題中，往往不是對所有的傳感器信息進(jìn)行融合，而是采用傳感器分組方法，針對不同的行動激活不同的分組，或者對不同復(fù)雜程度的地形激活不同數(shù)量的傳感器來探測，這樣可以減少融合過程中的計算量。 七、分布式機器人系統(tǒng) 分布式機器人系統(tǒng)是由多個機器人、傳感器或者智能體組成，它們在物理上是分開的，必須通過一種媒質(zhì)，例如以太網(wǎng)，來進(jìn)行通訊。多個移動機器人交換信息，踢足球的機器人系統(tǒng)就是一個實例。在制造業(yè)中底座固定的機械手也常常作為分布式機器人系統(tǒng)，因為通常有一個監(jiān)控系統(tǒng)通過通訊總線來控制和監(jiān)視各個單個的機器人。 有關(guān)分布式機器人的研究，大部分是關(guān)于自主機器人和軟件智能體。這些系統(tǒng)被稱之為DARS(分布式自主機器人系統(tǒng))。大多數(shù)的應(yīng)用都是關(guān)于多個自主移動機器人的協(xié)作和控制以及機器人的分布式控制系統(tǒng)，也有一些是基于機械手的。因為在定義上這些系統(tǒng)是自主的，所以不用考慮與人的互操作。它們基本上是一個本地的分布式系統(tǒng)，時延和丟包率都不是大問題。 八、智能技術(shù) 機器人的智能行為包括知識理解、推測、感覺、認(rèn)識、推理、歸納、推斷、計劃、反應(yīng)、學(xué)習(xí)和問題求解等。涉及的領(lǐng)域包括圖像理解、語音和文字符號的處理與理解、知識的表達(dá)和獲取、學(xué)習(xí)、智能運動。對于移動機器人來說，關(guān)鍵的智能技術(shù)是自動規(guī)劃技術(shù)和基于傳感器的智能。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊技術(shù)被不斷地應(yīng)用到移動機器人的智能技術(shù)中來 1.3課題來源目的及意義 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入80年代以來，機器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國家均把機器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計劃，機器人的研究領(lǐng)域和開發(fā)類型也在逐漸增多。移動機器人作為機器人學(xué)的一個重要分枝，其研究工作始于20世紀(jì)60年代。移動機器人的最成功應(yīng)用是自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運，用于完成機床之間、機床與自動倉庫之間的工件工具傳送。移動機器人的運動靈活性能，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動化程度。 星際探索和海洋開發(fā)是促使移動機器人發(fā)展的重要因素:從20世紀(jì)60年代，美國Mrr開始研究火星探索移動機器人，以便在火星上進(jìn)行移動，收集探測數(shù)據(jù);海洋開發(fā)方面，移動機器人的作用是資源調(diào)查、石油礦藏開采、水下設(shè)施維護(hù)、沉船打澇、勘測。 現(xiàn)在，移動式機器人的研究開發(fā)除上述應(yīng)用外，還涉及許多其他應(yīng)用領(lǐng)域。如在建筑領(lǐng)域完成混凝土的鋪平、壁面的裝修、檢查和清洗;采礦業(yè)中進(jìn)行隧道的掘進(jìn)和礦藏的開采、農(nóng)林業(yè)中從事水果采摘、樹枝修剪、圓木搬運;軍事上用于探測偵察、爆炸物處理。福利方面進(jìn)行盲人引導(dǎo)，病員護(hù)理等。 由于機器人應(yīng)用從制造業(yè)向非制造業(yè)的擴(kuò)展，以及移動機器人在諸如野外作業(yè)、深海探測以及一些人類本身所不能進(jìn)入的有毒或高溫環(huán)境的作業(yè)中，有著極其廣泛的應(yīng)用前景，因此近年來機器人研究在多方面都已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，研究的成果必將成為各行各業(yè)提高生產(chǎn)力的強有力的工具。 本課題主要要求機器人在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中完成較復(fù)雜的任務(wù)，能夠沿著管道壁直線行走，在管道外以較快的速度行走，并且能在機器人本體上添加一些輔助的設(shè)備，完成對較復(fù)雜管道外環(huán)境的檢測。 該管道爬行機器人的研究具有延伸性和一定的通用性，可以應(yīng)用到其他的領(lǐng)域。如軍事掃雷、牌型機器人、資源勘探機器人。清潔環(huán)保機器人和農(nóng)林機器人等。因此本文的研究可以促進(jìn)爬行機器人向?qū)嵱没较虬l(fā)展。 管道外爬行機器人是在爬行機器人的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的加深，和其他智能機器人一樣，管道外爬行機器人的研究和實現(xiàn)對推動智能機器人的發(fā)展和智能控制技術(shù)起到了推動作用。 1.4要完成的主要任務(wù) 1、概括地介紹了爬行機器人的定義、分類、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)。; 2、查閱相關(guān)管外爬行機器人概況及結(jié)構(gòu)特點，制定總體設(shè)計方案。; 3、進(jìn)行爬行機器人的機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 4、熟悉三維設(shè)計軟件并對設(shè)計進(jìn)行三維建模造型。 5、對所設(shè)計的機構(gòu)進(jìn)行裝配與仿真。 第二章 管外爬行機器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 2.1總體機構(gòu)方案 作為一個系統(tǒng)機器人，一般由三部分、六個子系統(tǒng)組成，如圖2.1所示。這三部分是機械部分、傳感部分、控制部分；六個子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 人機交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 機械系統(tǒng) 機器人-環(huán)境交互系統(tǒng) 感 知 系 統(tǒng) 圖2.1 機器人的基本組成 在本小節(jié)，對機構(gòu)坐標(biāo)型式、機構(gòu)方式及驅(qū)動形式和爬行機器人的主要特點做了介紹并進(jìn)行了合理的選擇。 2.1.1坐標(biāo)型式 關(guān)節(jié)型機器人依結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度分為直角坐標(biāo)型機器人、圓柱坐標(biāo)型機器人、球坐標(biāo)型機器人和關(guān)節(jié)型機器人。 1、直角坐標(biāo)型機器人 直角坐標(biāo)型機器人是最簡單的關(guān)節(jié)型機器人，其通過互相垂直的軸線位移來改變手部的空間位置。手部在空間三個相互垂直的方向X、Y、Z上作直線運動，運動是獨立的，如圖2.2a)所示。它易于實現(xiàn)高定位精度，控制簡單，運動直觀性強，空間軌跡易于求解，但操作靈活性差，運動的速度較低，操作范圍較小。 2、圓柱坐標(biāo)型機器人 圓柱坐標(biāo)型機器人在水平轉(zhuǎn)臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱上下運動并可在水平方向伸縮，如圖2.2b)所示。其結(jié)構(gòu)簡單，便于幾何計算，工作范圍較大，運動速度較高，但隨著水平臂沿著水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。 3、球坐標(biāo)型機器人 球坐標(biāo)型機器人的工作臂不僅可繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，還可繞水平軸作俯仰運動，且能沿著手臂軸線作伸縮運動，如圖2.2c)所示。其操作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，并能擴(kuò)大機器人的工作空間，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個變量。 4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人主要有立柱、前臂和后臂組成。如圖2.2d)所示。其全部關(guān)節(jié)皆為轉(zhuǎn)動型關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活性最好，運動速度較高，操作范圍大，所占空間體積小，相對的工作空間最大，還能繞過基座周圍的一些障礙，是機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，但精度受手臂位姿的影響，實現(xiàn)高精度運動較困難。 圖2.2關(guān)節(jié)型機器人坐標(biāo)型式 a)直角坐標(biāo)型機器人 b)圓柱坐標(biāo)型機器人 c)球坐標(biāo)型機器人 d)關(guān)節(jié)型機器人 此爬行機器人要求結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，實現(xiàn)高定位精度，運動直觀性強，空間軌跡易于求解，且運動的速度較低，操作范圍較小，因而選用直角坐標(biāo)型機器人。 2.1.2機構(gòu)方式 此機器人的研制主要完成關(guān)節(jié)移動控制，以實現(xiàn)對機器人末端的軌跡控制。要實現(xiàn)這種功能可以有多種機構(gòu)方式，如下介紹: 1)雙關(guān)節(jié)式:具有較大的運動空間，運動靈活，結(jié)構(gòu)簡單。但由于兩關(guān)節(jié)相互禍合具有牽連坐標(biāo)關(guān)系，使得機構(gòu)具有不對稱性，導(dǎo)致機器人末端力F和速度v不均勻的分配到兩個手臂上，提高了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了控制的難度。其次是關(guān)于上臂關(guān)節(jié)驅(qū)動部件的安裝，若安裝在基座上，則增加了傳動鏈的長度，導(dǎo)致影響系統(tǒng)的精度;若安裝在下臂的末端，則要求整個系統(tǒng)具有較好的剛度。 2)極坐標(biāo)式:兩坐標(biāo)正交，互不影響，運動學(xué)分析簡單，控制容易。對于驅(qū)動傳動的電機可以安裝在基座上，對于驅(qū)動直線運動的電機也可以安裝在基座上，這樣總重量大部分就可以由基座來承擔(dān)，手臂重量輕，使得結(jié)構(gòu)緊湊，但運動空間小，不適合于工業(yè)生產(chǎn)中。 3)連桿式:此結(jié)構(gòu)屬于并聯(lián)機構(gòu)，具有很好的對稱性，末端的力和速度可以平均分配給每個桿，同時，驅(qū)動單元可以安裝在基座上，使整個系統(tǒng)有很好的剛度。但是并聯(lián)機構(gòu)的模型復(fù)雜，活動空間小，運動學(xué)分析相對較難，控制系統(tǒng)相對其它機構(gòu)來說較復(fù)雜。 鑒于以上的分析和本機器人的特點，本機構(gòu)采用第二種方式，即極坐標(biāo)式。 2.1.3驅(qū)動形式的選擇 驅(qū)動部分是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，機器人常用的驅(qū)動形式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動三種基本類型。 1、氣壓驅(qū)動 在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的。使用壓力通常在0.4一0.6Mpa，最高可達(dá)1Mpa。用氣壓伺服實現(xiàn)高精度是困難的，但在滿足精度的場合下，氣壓驅(qū)動在所有的機器人驅(qū)動形式中是質(zhì)量最輕、成本最低的。氣壓驅(qū)動主要優(yōu)點是氣源方便，驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。其缺點是:功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位時，位姿精度不高。 2、液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動是以高壓油作為介質(zhì)，體積較氣壓驅(qū)動小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍實現(xiàn)無級調(diào)速。但由于壓力高，總是存在漏油的危險，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境，所以需要良好的維護(hù)，以保證其可靠性。液壓驅(qū)動比電動機的優(yōu)越性就是它本身的安全性，由于電動機存在著電弧和引爆的可能性，要求在易爆區(qū)域中所帶電壓不超過9V，但液壓系統(tǒng)不存在電弧問題。 3、電氣驅(qū)動 電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動。電氣驅(qū)動是目前機器人是用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點是易于控制，運動精度高，響應(yīng)快，使用方便，驅(qū)動力較大，信號監(jiān)測、傳遞、處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境，可以采用多種靈活的控制方案。 由于本課題所研究的爬行機器人驅(qū)動負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動方式。 2.1.4驅(qū)動電機的選擇 電動機有直流伺服電動機、交流伺服電動機和步進(jìn)電動機三類。常用的交流電動機有三相異步電動機(或感應(yīng)電動機)和同步電動機。 步進(jìn)電機一般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，有事也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的一種D\A裝換裝置。按輸出位移的不同，步進(jìn)電機可分為回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機和直線式步進(jìn)電機。機器人中一般采用回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機。如果把步進(jìn)電機裝在機器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，則接受一個電脈沖，步進(jìn)電機就帶動機器人的關(guān)節(jié)周轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機連續(xù)不斷地接收脈沖，則關(guān)節(jié)軸連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過的角度與接收脈沖數(shù)成正比。 根據(jù)本系統(tǒng)的工作特點，我選用了步進(jìn)電機。其性能優(yōu)越性如下： （1）輸出角度精度高，無積累誤差，慣性小。 （2）輸入和輸出呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。步進(jìn)電機將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。 （3）容易實現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便。 （4）輸出信號為數(shù)字信號，可以與計算機直接接口。 （5）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可靠性好，壽命長。 由于該爬行機器人所選用的電機為步進(jìn)電機，基于步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，因而能帶動四個凸輪間歇地完成夾持器對管道的夾緊與放松;實現(xiàn)爬行機器人在爬行過程中互為機架直線上行的爬行過程。另外兩個直流電機直接作用在曲柄上，實現(xiàn)對曲柄的驅(qū)動。 表2.1 步進(jìn)電機的參數(shù) 額定功率 0.75KW 外形尺寸（mm）直徑25mm 額定電壓 380V 高 30mm 額定電流 1.81A 最大額定轉(zhuǎn)矩 2.2 重量（kg） 0.5 Y小型（IP44）三相異步電動機（H80～315mm） 該系列電動機是封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，是全國統(tǒng)一設(shè)計的更新?lián)Q代產(chǎn)品。該系列電動機具有高效、節(jié)能、啟動轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運動安全可靠等特點。 在電機的前端用齒輪減速器減速，由于電機的額定轉(zhuǎn)速為600r|min，所以選擇傳動比為1:4的齒輪。 2.15 氣缸的選擇 夾持器上選用氣缸作為動力源帶動其夾緊與松開。氣缸選用CG1型標(biāo)準(zhǔn)氣缸，選擇缸徑為40mm，行程為100mm的氣缸。 2.1.6爬行機器人的主要特點 一、爬行機器人的結(jié)構(gòu)特點 本爬行機器人本體是兩個形狀相似、材料和性能相同的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)緊湊、合理，各個關(guān)節(jié)處采用獨立電機直接驅(qū)動機構(gòu)，其中四個個氣缸帶動夾持器運動，完成夾緊與松弛動作，實現(xiàn)整個機構(gòu)由機架向滑塊的轉(zhuǎn)變，完成一個工作循環(huán);其余另外兩個電機驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)組成，利用單片機控制電機，推動整個機構(gòu)上移。 二、機器人的主要技術(shù)參數(shù) 機器人的技術(shù)指標(biāo)反映了機器人所能勝任的工作和具有的最高操作性能，是選擇和設(shè)計機器人都必須考慮的關(guān)鍵問題。機器人的技術(shù)指標(biāo)一般包括以下幾個方面。 (1)結(jié)構(gòu)形式 機器人的機構(gòu)形式是指機器人運動鏈的形式:如關(guān)節(jié)式、球坐標(biāo)式、直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式等。 (2)自由度 自由度是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)，是指機器人所具有的獨立運動關(guān)節(jié)的數(shù)目。通常情況下機器人的自由度在3～6個之間，而自由度的類型是指屬于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)還是直線關(guān)節(jié)。 (3)運動范圍 是指機器人關(guān)節(jié)的運動范圍。機器人一般由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制和控制系統(tǒng)電纜的走線，都對關(guān)節(jié)的運動范圍會產(chǎn)生影響，大多數(shù)機器人的關(guān)節(jié)不可能在同一個方向持續(xù)轉(zhuǎn)動。 (4)重復(fù)精度 機器人經(jīng)過多次循環(huán)運動后，到達(dá)空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍。 (5)控制方式 機器人運動控制的方式，如示教再現(xiàn)、點位控制或軌跡控制。 (6)驅(qū)動方式 機器人是采用液壓、氣動、交流電機或異步電機控制等。 (7)承載能力 承載能力是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上