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編號：
畢業(yè)設(shè)計(論文)外文翻譯
（譯文）
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱：
年 6 月 3 日
第 29 頁 共 25 頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙
繩爬壁機(jī)器人與監(jiān)視能力
摘 要
在過去不同的工程師和研究人員開發(fā)出能攀爬各種用途的機(jī)器人。在本文中，我們已經(jīng)開發(fā)了在水平和垂直方向能夠爬繩的機(jī)器人。此外，該機(jī)器人具有使用安裝在機(jī)器人的頂部的相機(jī)來執(zhí)行監(jiān)視的能力。從相機(jī)到計算機(jī)的傳輸?shù)囊曨l的質(zhì)量清晰和穩(wěn)定的。因此，開發(fā)機(jī)器人用于監(jiān)視用途不錯的選擇。此外，它可以被用于遍歷建筑物的樓層。它使用一個紅外線傳感器來感測安裝在各樓層的條。一旦條帶被感測，滴機(jī)構(gòu)被啟動，其中一個特定的對象被丟棄到針對性的地板或位置。機(jī)器人可以在自動模式或手動通過RF信號從RF發(fā)送器工作。最后，機(jī)器人相比，許多其他發(fā)達(dá)國家的機(jī)器人的爬繩成本效益。
關(guān)鍵詞 ：機(jī)器人；爬繩；監(jiān)測；微控制器；投遞箱
1.機(jī)器人現(xiàn)狀介紹
現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)正朝著多方面的變化，他們與權(quán)力的計算整合移動;這種機(jī)器人的元素成為解決其中許多人未能做到[1]實(shí)時問題的有效工具。機(jī)器人的形象與研究人員，工程師，和機(jī)器人制造商大相徑庭。然而，它已被廣泛接受，在工業(yè)中使用的今天的機(jī)器人起源編程物料搬運(yùn)設(shè)備的發(fā)明中。
機(jī)器人領(lǐng)域在各個領(lǐng)域，包括醫(yī)療，工程，檢測，自動化和軍事許多無限的應(yīng)用?；谟虻臋C(jī)器人有多種不同的任務(wù)和目標(biāo)來執(zhí)行。例如基于軍事機(jī)器人必須要打開或關(guān)閉戰(zhàn)場執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)。炸彈擴(kuò)散的責(zé)任就是這樣一個例子[2]。另一方面醫(yī)用機(jī)器人用于外科演習(xí)并根據(jù)操作任務(wù)。用于外科手術(shù)遠(yuǎn)程機(jī)器人是機(jī)器人等[3]的典范。這種機(jī)器人需要準(zhǔn)確度和精密度在執(zhí)行所需的任務(wù)。同樣有能夠執(zhí)行從簡單到非常復(fù)雜的任務(wù)范圍廣義或?qū)ｉT任務(wù)的許多基于域的機(jī)器人。監(jiān)控和救援都可以通過各種各樣的機(jī)器人，并在不同的領(lǐng)域進(jìn)行兩種復(fù)雜的任務(wù)。這兩個任務(wù)都可以在軍事，工程，安全等諸多機(jī)器人可以看出。監(jiān)督是極大的興趣已被許多研究人員和工程師有針對性的研究領(lǐng)域的一個領(lǐng)域。許多算法，技術(shù)，系統(tǒng)，部署和基礎(chǔ)設(shè)施已被開發(fā)，并在過去提出的[4,5]。新興領(lǐng)域，如圖像處理，計算機(jī)視覺，智能動脈和更多發(fā)揮在處理與安全監(jiān)控相關(guān)的問題具有重要作用[6,7]。
大多數(shù)監(jiān)視機(jī)器人具有視覺能力，以監(jiān)測狩獵周邊只是的特定區(qū)域的一般監(jiān)測所需的對象或。出于這個原因，當(dāng)我們談?wù)摫O(jiān)控機(jī)器人，這是與這種機(jī)器人相關(guān)的一個重要組成部分是一個攝像頭，它作為監(jiān)視跟蹤目標(biāo)對象的檢測和識別的主要手段。相機(jī)的定位，穩(wěn)定性，質(zhì)量和覆蓋距離都是需要由作家所指示的在監(jiān)視機(jī)器人安裝的攝像機(jī)前，認(rèn)為是非常重要的參數(shù)[8]。
類似相機(jī)要求是必要的用于基于救援機(jī)器人。安裝在機(jī)器人動員搜救工作帶有攝像頭的幫助下再次被各種研究人員和工程師探討另一個活躍的研究領(lǐng)域[9]。機(jī)器人的定位和結(jié)構(gòu)起到基于救援行動中起重要作用。機(jī)器人具有以這樣的方式來處理它們被部署在前期狀況和條件進(jìn)行設(shè)計。一般救援行動發(fā)生困難的環(huán)境和地形條件。朦朧，海拔高度，面等具有挑戰(zhàn)性的困難是救援行動的常見問題。機(jī)器人應(yīng)該能夠處理這樣的困難，并為這些機(jī)器人照相機(jī)的定位和質(zhì)量方面發(fā)揮用于實(shí)現(xiàn)期望的目標(biāo)的一個重要的角色。
值得一提的是，預(yù)先監(jiān)控或救援機(jī)器人結(jié)合的智能和決策能力一定量如目標(biāo)探測和識別。這種機(jī)器人的目的是不僅在周圍而是分析和可視化的場景，使決策在物體檢測，分類，場景分析的形式和對象跟蹤[10]的視頻和生活流傳輸。
所有功能特定的救援或監(jiān)視機(jī)器人可以有，這個類別的機(jī)器人應(yīng)表現(xiàn)出一個主要的和強(qiáng)制性的要求是穩(wěn)定和清晰的愿景穩(wěn)定的攝像機(jī)位置。照相機(jī)（即，視覺）的穩(wěn)定性取決于攝像機(jī)的位置安裝在機(jī)器人和機(jī)器人自身的運(yùn)動。例如，沒有運(yùn)動的靜態(tài)機(jī)器人周圍穩(wěn)定的現(xiàn)場查看。相比靜態(tài)機(jī)器人的移動機(jī)器人具有穩(wěn)定性較差。場景的穩(wěn)定性和質(zhì)量是非常加上量和機(jī)器人的動作的方式。它公知的是機(jī)器人可以具有不同的運(yùn)動，但主要是這些運(yùn)動可分為五大類：垂直/水平（即行），旋轉(zhuǎn)，曲線，振動和自由運(yùn)動。自由運(yùn)動是最復(fù)雜的，因?yàn)檫@里的運(yùn)動沒有具體的方向。另一方面，行運(yùn)動是最簡單的很多，但仍然照相機(jī)穩(wěn)定性是重要的，需要進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動過程中有效的控制。許多研究者線機(jī)器人和提出的技術(shù)工作與監(jiān)視相機(jī)[11]的穩(wěn)定性一起。
在本文中，我們設(shè)計并實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定視力的垂直和水平移動，并可以用于監(jiān)視和救援基于應(yīng)用程序的簡單和成本有效的機(jī)器人。具體地，本機(jī)器人具有繩的垂直和水平爬坡能力。此外，該機(jī)器人能夠發(fā)送活飼料的通過無線發(fā)射器到服務(wù)器以進(jìn)行進(jìn)一步處理或決策。請注意，本文不討論由機(jī)器人傳輸?shù)膱鼍疤幚矸矫妗?
在第2各種爬繩的機(jī)器人正在與我們提出了爬繩機(jī)器人系統(tǒng)一起討論：紙張的其余部分安排如下。硬件和軟件的描述在第3與互連和各個部件的功能呈現(xiàn)。結(jié)果與性能分析部分給出4.最后結(jié)論和未來的工作是在第5節(jié)給出。
2.介紹爬繩機(jī)器人設(shè)計
在過去的工程師們開發(fā)能夠爬繩，其可以被用于各種目的的各種機(jī)器人。在[12]爬繩任務(wù)由在水平和垂直的情況下實(shí)施為一個繩子遍歷一個步態(tài)和方法來實(shí)現(xiàn)。提出了不同數(shù)量的模塊和夾持在每種情況下繩索的不同方法。在另一篇文章中研究人員開發(fā)了一種自動爬壁機(jī)器人清洗玻璃幕墻，復(fù)雜的曲面和專門針對中國的國家大劇院。機(jī)器人自主可以爬上和清潔成形在半橢球[13]的外壁。一些時候，一個機(jī)器人被設(shè)計，一些條件不考慮上和功能，例如機(jī)器人成為在這些條件低效的。在[14]的研究人員線上提出了一種基于一個方法靜態(tài)平衡分析來控制特別是在復(fù)雜的條件下的多條腿爬繩機(jī)器人的運(yùn)動。
在所有的爬繩機(jī)器人兩個方面都很重要，繩子和平滑的運(yùn)動時的抓地力。這兩個特性是攜帶重量使用機(jī)械手，容易保持機(jī)器人的整體穩(wěn)定性是重要的。我們設(shè)計的機(jī)器人計劃垂直和水平爬繩索和可通過無線收發(fā)器通過手動控制而不管繩或特性的性質(zhì)，如繩索的大小，無論是繩垂直或水平定向，以及是否繩索具有一些像障礙在繩子某些點(diǎn)結(jié)或彎曲。機(jī)器人計劃有，盡可能和總成本被最小化以用于實(shí)際情況的機(jī)器人的設(shè)計是簡單的。
機(jī)器人可以用于救援行動，軍事行動，科學(xué)研究上對人類，并且可以通過所提出的機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)特定爬繩操作危險區(qū)域進(jìn)行操作。它還可以提供輕松的構(gòu)造函數(shù);使他們能夠在監(jiān)視固定位置的整個環(huán)境。與監(jiān)視能力繩子爬壁機(jī)器人基本上提供豪華的高在建樓房的建設(shè)者，并提供了其周圍的每一層樓到輸出設(shè)備的流媒體直播（視頻）。最好是適合每當(dāng)任務(wù)是有風(fēng)險的，枯燥，危險，臟，不易被人體更高效地完成這些領(lǐng)域。這個機(jī)器人，在另一方面總會讓他們清楚地知道整個環(huán)境的。
使用照相機(jī)，隨身攜帶重量，體重下降，暫停樓層之間的機(jī)制，通過遠(yuǎn)程控制和自動控制控制爬繩，監(jiān)視能力：我們提出的機(jī)器人的主要特點(diǎn)可以概括如下。此外，在構(gòu)成機(jī)器人使用的關(guān)鍵部件是微控制器，馬達(dá)，照相機(jī)，傳感器，RF發(fā)射器，繼電器和供電。
各種機(jī)器人卡扣都示于圖1，而示于圖的整體系統(tǒng)的設(shè)計和工作。 2和工作原理如下：機(jī)械機(jī)器人本身通過夾子固定在繩和含有各種機(jī)器人控制硬件組件，包括一個無線收發(fā)信機(jī)，用于從攝像機(jī)發(fā)送的視頻流安裝在機(jī)器人和用于手動控制的情況下，從用戶接收信號。因此，這種機(jī)器人有兩種工作模式，手動和自動。在自動模式下運(yùn)動預(yù)先校準(zhǔn)并預(yù)先計算。例如，在操作自動模式下，微控制器的編程中，一個恒定的預(yù)定義定時器被設(shè)置為機(jī)器人暫停這樣的方式完成的。這是為樓層自動監(jiān)控有效途徑。如果通過已知的樓層之間的機(jī)器人移動的距離，則有可能在機(jī)器人以這樣的方式進(jìn)行編程以在各樓層為特定持續(xù)時間自動暫停。這是自動地板監(jiān)視或檢查非常有用。如果機(jī)器人在自動模式下工作，要監(jiān)視那么只有一個在該地區(qū)或地板的視頻饋送的形式方式信號被發(fā)送到服務(wù)器站。此外，還有能夠在需要放棄一個項(xiàng)目的對象投遞箱。一個項(xiàng)目可能是一個特定樓層或人被困著火大樓樓層內(nèi)口罩工作的工人的工具。沒有與我們提出的機(jī)器人相關(guān)的下拉框的各種有用的應(yīng)用程序。再次這種下降框可以被控制并且使得自動對象降發(fā)生在這樣的方式編程。
與此相反的自動方法，手動方法使靈活性用戶手動控制機(jī)器人和下拉框。當(dāng)機(jī)器人的氣候動態(tài)結(jié)構(gòu)建筑物或地方，這非常有用。另外請注意，我們提出機(jī)器人不僅垂直，而且水平移動。那里有兩個車輪它們到繩索的對要爬上它平行于長袍移動。沒有，而運(yùn)動的機(jī)器人結(jié)構(gòu)misbalance的機(jī)會。還注意到，在水平運(yùn)動，只使用單個繩索和兩個輪被定位在這樣的方式整體機(jī)器人結(jié)構(gòu)處于懸掛位置?？紤]在一個深區(qū)域落下的物體之間以高的結(jié)構(gòu)如圖當(dāng)這種機(jī)制是有用的。 3.在我們的設(shè)計機(jī)器人可以向上移動到任何高度，但繩索的直徑是固定的。其結(jié)構(gòu)被設(shè)計以這樣的方式，在可攜帶大約半的載荷 - 1公斤在我們的期望的位置丟棄負(fù)載。此外，該電路以這樣的方式來提供最高的效率最快的反應(yīng)制成。
圖1：根據(jù)垂直和水平運(yùn)動的設(shè)計機(jī)器人
圖2：所提出的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖
圖3：機(jī)器人在深海領(lǐng)域的定位水平移動應(yīng)用
如在前面的段落所指出的，一個攝像機(jī)被安裝在機(jī)器人的頂端這使得它穿過樓層生活串流。視頻傳輸是連續(xù)的，無論是在自動或手動模式操作。從由機(jī)器人發(fā)送的流視頻的各種圖像示于圖4。由于這是顯而易見的，從那個流視頻是相當(dāng)清晰，穩(wěn)定的圖像。抖動的視頻是最小的，并且主要是由于之間的無線信道發(fā)射器和接收器。系統(tǒng)和狀態(tài)圖的總體流程圖顯示在圖5。使用硬件和軟件的詳細(xì)說明與它們的互連在下一節(jié)介紹。
圖4：從機(jī)器人由RF發(fā)射機(jī)傳送到他下垂直和水平運(yùn)動設(shè)計機(jī)器人PC終端穩(wěn)定的視頻流
圖5：（a）擬議系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖（b）建議系統(tǒng)的狀態(tài)圖
3.軟件和硬件組件說明和互連
基本上大多數(shù)所使用的部件是硬件部件。它們或者是機(jī)械或電氣部件。與機(jī)器人本身的主體開始時，機(jī)器人的形狀為長方形。在機(jī)器人兩個主要領(lǐng)域的前面可以看到。第一個是在包含操作的手動和自動模式的一些開關(guān)，如圖6的（a）底部的藍(lán)色條面板。這些開關(guān)被連接到機(jī)器人的實(shí)際電路和位于后面的透明區(qū)域。另外在頂部，兩個車輪可以看出這是用于垂直攀爬。這些車輪的詳細(xì)說明將在后面給出?，F(xiàn)在從側(cè)面看，所述內(nèi)組件可以被看作是顯示在圖圖6（b）。顯然，第三輪可以在其用于機(jī)器人的垂直運(yùn)動的機(jī)器人的中間看到。此外，請注意，中間輪實(shí)際上是兩個磁盤的復(fù)合物。這兩個磁盤互連用白色圓柱形材料。兩個磁盤附著到正面和背面板，它是窗玻璃材料制成。窗玻璃材料重量輕，有許多功能，特別是在構(gòu)造性用于攀爬目的機(jī)器人的身體有利。另外，在看的正面和背面板之間的間隙，該電子電路是顯而易見的。在底部，我們可以看到的每6伏兩個DC電池來提供電力的電路和馬達(dá)連接到車輪。還可以看出兩組鏈的，它們分別連接到每個車輪。
圖 6：機(jī)器人從正面，側(cè)面圖和背面與主要的部件被使用
現(xiàn)在要朝背面板如圖無線相機(jī)監(jiān)控可以看出。圖6（c）而且能夠保持對象一個巨大的下拉框直到1kg的重物可以看出這是由它下面的一個電機(jī)滑動下拉框的上下控制。在機(jī)器人的右下方，紅外傳感器用于感測帶。注意，在每一個樓層，在圖中所示的感測帶。圖7（a）是用來使得IR傳感器能夠感測它并根據(jù)刪除對象。這是在這里使用的紅外線傳感器的方法是在光澤識別其中檢測不受目標(biāo)顏色并且可以檢測透明的目標(biāo)。在此模式下，當(dāng)光束擊中一個目標(biāo)，光束根據(jù)目標(biāo)的光澤反映不同。傳感器檢測的基礎(chǔ)上，如圖光束如何反射光在光澤的差異。圖7（b）。在此值得一提的是，感測是通過一個紅外傳感器進(jìn)行只以檢測，當(dāng)使用操作自動模式在達(dá)到一個特定的樓層。雖然這樣的地板檢測可以通過攝像機(jī)本身通過計算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)，但由于我們的目的只是使能爬繩，其他方面如處理監(jiān)控圖像的樓層自動檢測機(jī)器人可以做的是不是我們的預(yù)定目標(biāo)。圖8和9示出了上述一些部件，包括在開關(guān)面板，無線相機(jī)，所述三個輪子（2水平，一個用于垂直移動），IR傳感器，電機(jī)負(fù)責(zé)控制的下拉框的特寫外表和下拉框本身。
圖7：（a）在由紅外線傳感器檢測出的各樓層所用的帶狀傳感器（b）由紅外傳感器中使用的操作的區(qū)別光澤模式
圖8：機(jī)器人，其包括（一）。IR傳感器的各種部件
（二）前切換控制面板（C）無線攝像機(jī)（D）為電機(jī)下拉框，開閉機(jī)構(gòu)
圖 9：機(jī)器人，其包括（a）由窗玻璃材料中間輪來控制機(jī)器人的上下移動（二）上的車輪，以控制機(jī)器人的水平運(yùn)動（三）下拉框的各種組件
我們在機(jī)器人的設(shè)計中使用的另一特征是在頂部，底部和整個使用限制傳感器。如在圖中所示的限制傳感器。 10用于感測地板的端部。當(dāng)?shù)竭_(dá)頂樓，極限傳感器接觸，我們需要有在地板上的最后一個平臺。在接觸地面的電動機(jī)的反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將被激活，并且機(jī)器人將在相反方向移動。同樣，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)底部，在底部的限位傳感器觸摸地球或一個平臺移動機(jī)構(gòu)停止。與限位傳感器碰撞之后沿相反方向運(yùn)動和運(yùn)動停止在底部示于圖。圖10（b-c）。以類似的方式水平極限傳感器以相同的方式工作。
圖10：（一）限位開關(guān)為水平和垂直移動終端（b）由該縱上限開關(guān)（c）該機(jī)器人停止的由垂直下限開關(guān)快照機(jī)器人停止的快照。
現(xiàn)在討論的車輪的運(yùn)動，重要的是澄清，有正在使用的兩種類型的繩索。如示于圖11，并在上面的段落表明我們是否正在談?wù)摰拇怪被蛩竭\(yùn)動，它負(fù)責(zé)繩索在車輪轉(zhuǎn)動的裝置是一個電機(jī)。這種電機(jī)被稱為保時捷汽車。保時捷馬達(dá)如圖所示。圖11（a）是兩節(jié)電池的上方。與此馬達(dá)有兩條鏈連接到它，一個用于水平移動，而另一個為垂直運(yùn)動。當(dāng)機(jī)器人在垂直方向上移動，如圖所示。圖11（b），在遠(yuǎn)端的兩個平行的繩索被簡單地用于支持和附著在上面的兩個輪子后面。主繩索是黑色的，并打算通過機(jī)器人的中間是負(fù)責(zé)向上拉動機(jī)器人或帶來將其向下。正在使用的繩索的前視圖，如圖所示。圖11（c）具有這反過來被連接到安裝在圖中所示的中間輪另一鉤的鉤型。 11（d）所示。附著點(diǎn)示于圖。 11（E）。繩索向上拉并在機(jī)器人上的支撐件的頂部上的金屬棒被休息如圖。 11（F）。另一方面為水平移動，就沒有必要為黑繩。僅一個繩索的使用量和機(jī)器人處于如圖掛在兩個輪子的頂部位置。 11（G，H）。
圖 11：各種組件和機(jī)器人包括：（a）附著在保時捷馬達(dá)水平和垂直輪控制（二）這兩個繩索和中間黑色繩兩種鏈的功能被用于垂直運(yùn)動（c）中使用的黑色繩用于與扣垂直運(yùn)動來自（d）關(guān)于中間輪（E）兩者帶扣（f）當(dāng)拉起黑色繩索在機(jī)器人的頂部（GF）上的金屬桿休息的連接的第二扣鎖在在懸掛位置，同時水平地移動所述機(jī)器人的兩個快照。
現(xiàn)在參照實(shí)際的電路的微控制器，用于控制和同步所有操作及電子元件被用來諸如繼電器，開關(guān)，RF模塊，馬達(dá)和傳感器。在我們的機(jī)器人，我們采用了Microchip的PIC16F87X這是一個功能強(qiáng)大且易于程序[15]。該芯片擁有256字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，自編程，一個ICD，2個比較器，8通道10位模數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換器，兩個捕獲/比較/ PWM功能，同步串口的可配置為三線串行外設(shè)接口（SPI?）或2線內(nèi)部集成電路（I2C?）總線和通用異步收發(fā)器（USART）。所有這些特性使其非常適用于汽車，工業(yè)，家電和消費(fèi)類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，A / D的應(yīng)用程序。
另外4個繼電器被用于控制垂直，水平運(yùn)動和下拉框機(jī)制。繼電器允許一個電路切換可以是彼此完全分開的第二電路。另外一個RF模塊用于在手動控制的情況下，從射頻發(fā)射機(jī)接收信號。我們已經(jīng)使用了433MHz的RF發(fā)射模塊。它具有3uV的靈敏度。該RWS-434接收機(jī)工作從4.5到5.5伏直流，并具有線性和數(shù)字輸出。
最后，在軟件來說，我們只用Visual Basic的操作的手動和自動模式的編程和下降的機(jī)制。我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的代碼附錄中給出。
在設(shè)計機(jī)器人IV.Performance分析機(jī)器人在各種場所和高度進(jìn)行測試。這款機(jī)器人是垂直和水平測試，截止到7樓，直到300英尺視頻傳輸是整個運(yùn)動相當(dāng)穩(wěn)定。除了運(yùn)動本身是光滑的，并以恒定的速度。由傳感器條的識別是完美的，所述機(jī)器人暫停約十五秒鐘每層以允許足夠的時間在下拉機(jī)制采取地點(diǎn)。當(dāng)然暫停時間可以在代碼被修改。因此，在運(yùn)動和前面討論的其他功能方面，機(jī)器人表現(xiàn)出很不錯的表現(xiàn)。我們在10個不同的地方所測試的機(jī)械手。
表1：機(jī)器人組件的成本
組件
成本以美元
微控制器
2
直流電機(jī)
10下降
直流電機(jī)（保時捷）
120
IR傳感器
4
射頻模塊
15
解碼器
2
繼電器
6
電子元件
10
遙控器
20
機(jī)械費(fèi)
30
電池
10
攝像頭
35
其他
20
總計
284
在成本方面，表1示出機(jī)器人的一個粗略估計。這種機(jī)器人的平均成本低于約300美元這是相對于其他爬繩機(jī)器人的合理費(fèi)用。
5. 結(jié)論
在我們的工作中，我們設(shè)計和開發(fā)能夠垂直和水平移動的爬繩的機(jī)器人。主要用它在諸如地板，建筑工地，深洞等。此外，該機(jī)器人可用于survillenc目的一個安裝照相機(jī)的不同位置，以刪除對象。在運(yùn)動由機(jī)器人發(fā)送視頻到電腦是穩(wěn)定的。此外傳感機(jī)制是為了刪除一個對象，該機(jī)器人具有暫停一段時間下探至發(fā)生相當(dāng)完美。這是通過感測條帶在每個樓層進(jìn)行。此外，機(jī)器人的設(shè)計是在所使用的組件和機(jī)器人的整體性能而言效率。作為比較不同的爬繩機(jī)器人也很劃算。最后為今后的工作中，智能顯著量可以在我們的機(jī)器人結(jié)合，如不使用傳感器，但使用的眼光在地板暫停。相機(jī)可以發(fā)送地面到服務(wù)器的圖像，并基于計算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)，該場景可以分析和識別。此外，我們可以在結(jié)合水平和垂直運(yùn)動同時在操作的手動和自動模式。有可能是在地面以上的公寓。因此初始和主運(yùn)動可以是垂直，而次級運(yùn)動可以是水平的。
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作者的相關(guān)信息
坎扎扎法爾獲得學(xué)士學(xué)位的計算機(jī)工程從賽義德先生工程技術(shù)大學(xué)（SSUET），卡拉奇，巴基斯坦。目前她正在為研究助理在計算機(jī)工程系。她的研究興趣包括機(jī)器人，通信系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)。
易卜拉欣M.·侯賽因獲得了計算機(jī)工程碩士學(xué)位從賽義德先生工程技術(shù)（SSUET）的大學(xué)，卡拉奇，巴基斯坦和B.E.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)化從N.E.D.計算機(jī)工程工程大學(xué)技術(shù)。目前，他正在為計算機(jī)工程，SSUET系的助理教授。他的研究領(lǐng)域包括無線通信和網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，信號和圖像處理。他在國際期刊和會議上發(fā)表的研究數(shù)量。
用于施工服務(wù)的最小自由度混合爬桿操縱機(jī)器人
1 緒論
目的——旨在描述設(shè)計樣機(jī)的特點(diǎn)和爬桿/操縱機(jī)器人通過極點(diǎn)和彎曲部分的能力。
設(shè)計/方法/方式——機(jī)器人主要部分引入具有混合（并行/串行）四自由度（自由度）機(jī)制的還介紹了一種具有獨(dú)特夾具設(shè)計。
成果——研制出一種具有爬坡能力和操縱桿具有彎曲和分支的能力，另外至少需要4個自由度的機(jī)器人，同時發(fā)現(xiàn)電氣驅(qū)動對于爬桿機(jī)器人是一個很好的選擇，它比氣動和液壓缸具有更好的優(yōu)勢
研究限制/影響——在未來的工作當(dāng)中，機(jī)器人的半工業(yè)規(guī)模對工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計和制造是一個很好的啟發(fā)。
實(shí)際影響——隨著對夾持模塊和工具模塊最后的修改，機(jī)器人將能夠做一些服務(wù)工作，像管道測試，管/極清潔，公路燈泡更換等。
獨(dú)創(chuàng)性/價值–為建設(shè)與服務(wù)工作設(shè)計和制造一個具有最小自由度的爬桿和操縱機(jī)器人。
關(guān)鍵詞：設(shè)計，并行編程，運(yùn)動學(xué)，極點(diǎn)，機(jī)器人
2 介紹
爬壁機(jī)器人已獲得很大的重視，近年來由于其潛在的應(yīng)用在建筑和高大的建筑維修，農(nóng)業(yè)收獲，公路和橋梁維修，船廠的生產(chǎn)設(shè)施等等都有體現(xiàn)。
如果需要提高串行多足機(jī)器人在復(fù)雜工作壞境中的使用，就需要在更大程度上提高其自由度。眾所周知，串行配置需求量更大的扭矩在關(guān)節(jié)上，因此爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵就是要求較大和較重的致動器從而在較小的有效載荷重量比。對比結(jié)果使用并行平臺在減少的重量/功率比，從而使有效載荷
早期在這一領(lǐng)域主要通過移動球面（窗口）機(jī)制集中在六自由度研究上（梅爾萊特，2000；到¨nshoff，1998）
Salter et al建模和模擬了一種具有氣動執(zhí)行器和平行六自由度的并聯(lián)機(jī)器人，該模型具有一個較大的有效載荷能力，這對于工業(yè)爬桿機(jī)器人來說是一個很重要的環(huán)節(jié)（Salataren et al., 1999）
后來阿拉西利等人，制作了一個能夠自主攀沿管狀結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)器人，該機(jī)器人采用高夫—斯圖爾特作為機(jī)器人平臺，該平臺的驅(qū)動器采用六氣缸氣動伺服控制，他們的機(jī)械結(jié)構(gòu)使用了六氣缸作為抓手（一個夾具使用三個氣缸）總共使用了12個驅(qū)動器但不包括所需的機(jī)械臂驅(qū)動器（Aracil et al., 2003），該機(jī)械結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，因此有能力通過任何方向的彎曲，并能夠讓他適合移動沿線的樹木和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此，我們需要設(shè)計的是一種不太復(fù)雜具有沿著人類設(shè)計的路線和不太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)移動的能力，同時該結(jié)構(gòu)擁有最小自由度和最低數(shù)量的驅(qū)動器。此外，氣壓缸在機(jī)械裝置的使用過程中還存在著壓縮空氣從壓縮機(jī)到氣缸的轉(zhuǎn)移問題
但最近幾年來，機(jī)械工具在一些工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用導(dǎo)致了更加注重不少于六自由度平行機(jī)制的研究，大多數(shù)最近幾年的研究集中在三自由度機(jī)械機(jī)構(gòu)上（Pierrot et al., 2001; Gosselin et al., 1992b; Tsai, 1996）
在沿桿或具有彎曲和分支結(jié)構(gòu)的管狀結(jié)構(gòu)上移動就必須具有四個自由度（沿垂直于管軸的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)），同一自由度在爬桿的應(yīng)用中對于大部分操作和維修工作中也是必不可少的。在Vossoughi中討論了關(guān)于平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用在并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)器人的詳細(xì)建模機(jī)制和選擇過程（2004）。
就作者所知，對于這樣的操作還沒有四自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)來提供二自由度的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，在本文中，該機(jī)構(gòu)顯示利用并行/串行機(jī)制來提供具有二自由度翻轉(zhuǎn)和二自由度旋轉(zhuǎn)的軸（這將在以下描述出來）。并行/串行機(jī)器人同時具有剛性全并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)器人擴(kuò)展工作區(qū)的優(yōu)點(diǎn)（Romdhane，1999）.在Zakerzadeh中四自由度機(jī)制的完全意義上的運(yùn)動學(xué)分析已經(jīng)提出et al. (2004).
該機(jī)構(gòu)還利用新型夾具設(shè)計，使它適合安全爬桿操作
3 概念（方案）
就像前面所提到的，沿著具有彎曲和分支的管狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動，至少需要四自由度。這些包括Tz：沿著極軸運(yùn)動的平移自由度（圖1），歸零：沿著極軸左右旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度（圖2），接收：沿軸的徑向方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度（圖3）
圖3-1攀沿桿
圖3-2繞極軸旋轉(zhuǎn)
圖3-3彎曲段運(yùn)動
結(jié)合以上三自由度和沿極軸徑向翻轉(zhuǎn)運(yùn)動的翻轉(zhuǎn)自由度，為在桿上達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)以后的必要操作提供必要的操作性能（即修理，維修或生產(chǎn)等操作比如焊接）
4 機(jī)器人的設(shè)計和組成
要設(shè)計的爬桿機(jī)器人主要由三部分組成（圖5）：三自由度的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，串行Z軸旋轉(zhuǎn)機(jī)制，夾鉗。
結(jié)合三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)和具有旋轉(zhuǎn)機(jī)制的極軸提供的二自由度翻轉(zhuǎn)和平移，這就需要在最后一章對設(shè)計目標(biāo)做出解釋。
圖4-1機(jī)器人進(jìn)行焊接操作
圖4-2爬桿機(jī)器人模型
除此之外，線性氣缸要用于平行機(jī)械手來安裝包圍桿，因此需要減少夾具的動作時間。
一個手爪連接到一個機(jī)械臂，另外一個連接旋轉(zhuǎn)平臺的底部，這樣就可以達(dá)到，該夾鉗有四個自由度與之想對應(yīng)，同時可以滿足在不同的截面和幾何構(gòu)型的軸和桿上運(yùn)動。
4.1 三自由度平面平行機(jī)械手
通常意義上的三自由度平行三角平臺由移動平臺通過三個簡單的運(yùn)動鏈連接到一個固定的底座組成，每個運(yùn)動鏈通過三個獨(dú)立自由度關(guān)節(jié)組成，其中的一個是活動關(guān)節(jié)（Gosselin以及其他人），Hayes和一些人通過研究表明，有1653種不同平行三角平臺能夠轉(zhuǎn)變成為三自由度機(jī)構(gòu)，對于所推薦的機(jī)械結(jié)構(gòu)，three-RPR機(jī)制可以被選定為機(jī)器人的平面平行部分。
4.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由導(dǎo)軌，滑動單元，齒輪組和電機(jī)組成，圖1顯示的是導(dǎo)軌和滑動單元，該導(dǎo)軌是環(huán)繞著極軸的T形圓導(dǎo)軌，滑塊單元由特定的軸承組成，它能夠在所有可能的配置中承受在各種實(shí)踐和維護(hù)機(jī)器人的穩(wěn)定性的過程中產(chǎn)生的力和力矩，該滑塊有一個下夾持器通過一個由簡單傳動裝置連接的電機(jī)驅(qū)動，當(dāng)保持其中一個夾鉗固定通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動其他夾持器可以繞極軸旋轉(zhuǎn)。
4.3 夾持器
該夾持器具有一個獨(dú)特多指設(shè)計，它只需通過一個簡單的電機(jī)來適應(yīng)桿的不同截面和尺寸，每個夾具包括2v多指靈體，雙轉(zhuǎn)軸電機(jī)，左右各兩個螺釘和雙直線導(dǎo)軌，特殊的多手指布局的使用不僅增加了夾具的扭矩處理能力同時也提高在不同桿的截面和尺寸的適應(yīng)性，滾珠絲杠的摩擦系數(shù)為0.1，兩條直線導(dǎo)軌將承受機(jī)器人在爬升的過程中載重，選定的雙軸電機(jī)相對于機(jī)器人的重量來說很小，圖2展示了夾具的制作。
圖4-3-1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系列
圖4-3-2機(jī)器人裝配夾具
在典型的爬桿應(yīng)用中各個組成部分的結(jié)合運(yùn)動展示在圖3-5，表1顯示的原版本的規(guī)格和機(jī)器人工業(yè)版本的估計規(guī)格。
5 機(jī)器人原型
下面是建議的機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析（Vossoughi et al., 2004; Zakerzadeh et al., 2004），為假設(shè)的內(nèi)部燈泡更換操作而設(shè)計和建造的原型單位，
這個機(jī)器人的重量為16kg，這個機(jī)器人的身體是由鋁合金制造，這個機(jī)器人是由三個直流電機(jī)和三個電氣缸體驅(qū)動，在缸體的控制上，電氣驅(qū)動的使用比氣動和液動更加簡化，還能增加控制的精度，而且還不需要壓縮機(jī)或泵，同時這也消除了液壓管或氣動管，而且這些對爬桿機(jī)器人的應(yīng)用也是很不安全的、
這些電動機(jī)的重量為每個1.1kg，每個電動機(jī)能夠提供800N的力和0.6 m/min的速度。
平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)該制作的具有相對較高的耐受性，不然的話，平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)將會被約束或展現(xiàn)出多余的自由度，除此之外，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理運(yùn)動，裝配的工藝精度也是非常重要的，為了使兩個微型機(jī)械手更好的適應(yīng)更換動作，一個機(jī)械手夾持新燈泡，一個機(jī)械手更換舊燈泡，這個夾持器為氣動驅(qū)動，同時也是一個可以被利用的擁有300cc容量的小存儲器，通過裝在機(jī)械手上得圓頂遙控攝像機(jī)，當(dāng)機(jī)器人在更換燈泡時，用操縱桿通過懸掛裝置來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，該相機(jī)擁有兩個自由度，可以繞兩條垂直的軸左右旋轉(zhuǎn)，同時被一個圓頂所遮蓋，圖6展示制作的原型。
圖7顯示的是在桿上得制作原型，圖8是制作原型通過彎曲部分時圖像，圖9是制作原型更換燈泡是的圖像
6 機(jī)器人的控制
就像前面所提到，制作原型是通過三個electrical cylinders和三個直流電機(jī)驅(qū)動，每個電機(jī)都有一個控制面板，它是直接連接到中央電腦
圖6-1機(jī)器人沿桿軸運(yùn)動
圖6-2機(jī)器人繞桿轉(zhuǎn)動
圖6-3通過彎曲部分時的機(jī)器人
表一.機(jī)器人的工業(yè)版本和原型版本的估計數(shù)據(jù)
線性驅(qū)動器的個數(shù)
旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的個數(shù)
重量
尺寸（cm）
原型版本
3
3
16
工業(yè)版本
3
3
30
圖6-4制作原型
圖6-5制造原型沿桿移動
圖6-6制作原型通過彎曲部分
機(jī)械手的電動機(jī)采用電流反饋控制，當(dāng)夾鉗接觸到電極，電流上升，當(dāng)電流上升到一定的值時，機(jī)械手產(chǎn)生與電流成正比的力，由于機(jī)械手的電動機(jī)是沒有后備電源的，當(dāng)電動機(jī)斷電后，由于大量齒輪的存在，夾具不會松懈還將保持原有的姿態(tài)，這樣可以保證當(dāng)其斷電后的安全性。
電缸包括一個直流電機(jī)，傳動裝置和螺桿，在直流電機(jī)的軸使用了頻率為500hz的編碼器，氣缸的直線運(yùn)動的精度為0.1mm，在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的軸上也使用了100Hz的編碼器，串行機(jī)制的轉(zhuǎn)動裝置的精度為，
一些列組裝在夾鉗上得觸摸開關(guān)，不僅可以檢測到桿的彎曲和障礙物，還可以檢測出機(jī)械手與桿彎曲角度，這將允許串行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動。
圖6-7制作原型的更換燈泡操作
通過這種方式機(jī)器人可以以合適姿態(tài)通過彎曲部分，控制系統(tǒng)包括一個運(yùn)動學(xué)模塊和一個位置控制系統(tǒng)的PID接頭
7 結(jié)論
在本文中，對自主機(jī)器人的爬桿問題提出解決辦法。提出了一個獨(dú)特了的多指夾具功能，它能夠適應(yīng)各種桿的截面和尺寸，同時他的機(jī)構(gòu)也是非常簡單，還探討了一些關(guān)于機(jī)器人的原型和控制的問題。