1312-機(jī)器人集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1312-機(jī)器人集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)器人,集裝箱,波紋,焊接,機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析,車體,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 爬壁機(jī)器人的發(fā)展摘要——很長(zhǎng)時(shí)間以來，人 們希望能夠利用爬壁機(jī)器人來 營(yíng)救墻壁檢測(cè)和滅火，在我 們的實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)研制了四種非常不同的機(jī)器人，第一種機(jī)器人有一個(gè)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(qū)動(dòng)器的擠力在不規(guī)則的垂直墻壁上移動(dòng)，這是一種墻體驅(qū)動(dòng)機(jī)器人；第四種可在必要的 時(shí)候短距離躍入空中，這里將討論這些機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和控制系 統(tǒng)。1、 介紹很長(zhǎng)時(shí)間來，人們期望機(jī)器人能 夠在垂直的墻壁上移動(dòng)，它可用在高樓大廈里來營(yíng)救墻壁檢測(cè)和滅火，在過去的二十年里，我們實(shí)驗(yàn)室研制了四種完全不一 樣的爬壁機(jī)器。第一類有大的吸附器和爬行器作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)， 這種被稱為大吸附器機(jī)器人。最近，在日本，已發(fā)展出很多種類的這一類型機(jī)器人用于檢測(cè)墻壁。 這里將討論 與在吸氣和風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)間相適用的機(jī)構(gòu)和空氣動(dòng)力學(xué)。第二種類型是雙足行走機(jī)器人，每足上有一小吸附器而被稱 為雙足機(jī)器人， 這里也將討論其機(jī)構(gòu)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(yīng)用范圍更廣。通常而言，行走運(yùn)動(dòng)不是很快，因此行走機(jī)器人爬行到 墻的高 處將耗費(fèi)很多時(shí)間，然而，又需要這樣一種機(jī)器人，它能在短 時(shí)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(jī)器人旨在達(dá)到 這些目的，它有驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)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(jī)器人自身。這是一種墻體驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。有時(shí)候意外的強(qiáng)風(fēng) 會(huì)發(fā)生在高層建筑物的墻體上，在這種情況下，用來彌補(bǔ)風(fēng)的力量的控制系統(tǒng)，對(duì)于避免讓 機(jī)器人從墻上掉下很重要， 這 種情況已經(jīng)在[6 ，7]里簡(jiǎn)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(jī)器人能夠飛躍這些障礙并到達(dá)上面的墻面將很管用，另外如果機(jī)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(biāo)可通過用能使其飛的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)來完成。由于墻壁 驅(qū)動(dòng)機(jī)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(jī)器人。這是第四種模型，其機(jī)構(gòu)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(jī)器人2．1 大吸附器模型的機(jī)構(gòu)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(cè)面等上面移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。然后， 這種機(jī)器人能用來代替人搬運(yùn)營(yíng)救工具或做其它工作。為了實(shí)現(xiàn)這種機(jī)器人，需要用來支撐機(jī)器人或使其在墻上向上移 動(dòng)的摩擦力。磁力或真空 壓力可產(chǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)。 1966 年研制出了一臺(tái)大吸附器機(jī)器人（如圖 1 所示），當(dāng)用機(jī)器人在 墻 上移動(dòng)時(shí)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(nèi)部足夠的負(fù)壓，它能在不規(guī)則 的小墻面上移動(dòng)。 這個(gè)模型的機(jī)構(gòu)和尺寸如 圖 2 所示：離心風(fēng)扇由小引擎驅(qū)動(dòng)，履帶由直流 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖 1 大吸附器機(jī)器人2．2 安全條件在墻上的固定力是負(fù)壓和吸附器面積乘積；F=PA (1)引擎 皮帶輪 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 刷子和圍罩○1 ○2 ○3 ○4直流電機(jī) 履帶輪 風(fēng)扇 燃料箱○5 ○6 ○7 ○8圖 2 大吸附器模型的結(jié)構(gòu)示意圖圖 3 大吸附器機(jī)器人的滑動(dòng)及脫落的安全區(qū)域下面是避免滑動(dòng)和掉下的條件：μF/W>1 (2)F/W>h/R (3)這里 W 是機(jī)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(diǎn)的距離。如果機(jī)器人在條件h/R<1/μ (4)下設(shè)計(jì)，掉下可以避免。這些關(guān)系如圖 3 所示，每個(gè)曲線的上半?yún)^(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。2．3 固定力與風(fēng)扇性能的匹配由于用來支撐機(jī)器人在垂直墻壁上的固定力與風(fēng)扇性能直接相關(guān)，因此，它們之間的匹配非常重要，風(fēng)扇性能（粗實(shí)線 ）和在有效誤差 δe 下的匹配線（點(diǎn)杠線）如圖 4 所示：橫坐標(biāo)代表空氣流質(zhì)量 Q，縱坐標(biāo)是負(fù)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(diǎn) Z,Y,X 的曲線表示，在粗糙水泥 墻面上得到所需最小負(fù)壓測(cè)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(diǎn) W，V,U 是各誤差 δe 的所需最小必須壓力。例如，如果 風(fēng)扇在點(diǎn) X 以大誤差 δe=5.3mm 工作，最小壓力大約為15mm 水柱，來自點(diǎn) X 與 U 之 間的中點(diǎn)，因此，這種模型在更小摩擦系數(shù)的墻面上移動(dòng)是危險(xiǎn)的。圖 3 大吸附器機(jī)器人的風(fēng)扇性能圖誤差的突變?nèi)Q于由墻面的不規(guī)則所導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量流和之后負(fù)壓的變化。風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度一直變化至引擎和風(fēng)扇間的達(dá)到力矩平衡。 這 種關(guān)系如下：IΩ=ηmTE-TF這里 I 是引擎和風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)部分的 慣性矩，Ω 為風(fēng)扇的角速度，η m為引擎和風(fēng)扇之間的機(jī)械效率，T E為驅(qū)動(dòng)力矩，T F為風(fēng)扇所需的 矩。如果誤差從 δe=5.3 突變至 1.8mm，風(fēng)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(fù)壓比終點(diǎn) 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(yīng)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(fù)壓變化有一定的時(shí)間滯后，因此引擎應(yīng)該短時(shí)間打開以使補(bǔ)償吸附器里的足夠壓力。 3、兩足行走機(jī)器人3、1 行走機(jī)構(gòu)圖 5 雙足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在地面上行走機(jī)器人有很多種類型的行走機(jī)構(gòu)，例如兩足定位，四足的，六足的等等。類似的，現(xiàn)在爬墻機(jī)器人也有很多種機(jī)構(gòu)。 垂直軌道 斜軌道圖 6 行走運(yùn)動(dòng)