1312-機器人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

1312-機器人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,機器人,集裝箱,波紋,焊接,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(jīng)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(jīng)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(xiàn)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○1 ○2 ○3 ○4直流電機 履帶輪 風扇 燃料箱○5 ○6 ○7 ○8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(shù)，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?yún)^(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(shù)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(shù) 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(shù)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，η m為引擎和風扇之間的機械效率，T E為驅動力矩，T F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(xiàn)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(xiàn)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