畢業(yè)設(shè)計(jì) 爬壁式機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題題目目爬壁式機(jī)器人設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)專業(yè)班級(jí)光機(jī)電一體化工程（08 級(jí)）姓姓名名指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師所屬助學(xué)單位所屬助學(xué)單位20112011 年年1212 月月2 2 日日第 1 頁目錄目錄前言前言. 2第一章第一章.3總體結(jié)構(gòu). 31.1 機(jī)械結(jié)構(gòu). 31.2 控制系統(tǒng)硬件. 41.3 傳感導(dǎo)引系統(tǒng). 9第二章第二章.142.1 爬壁機(jī)器人磁吸附原理.142.2 磁吸附技術(shù)簡(jiǎn)介. 142.3.電磁鐵吸力及選材.14第三章第三章.163.1 一種新型磁輪單元.163.2 磁輪分析. 16第四章第四章爬壁機(jī)器人的力學(xué)分析. 184.1 爬壁機(jī)器人靜力學(xué)分析.184.2 爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分

2、析.19結(jié)論結(jié)論. 21參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).21致謝致謝. 21第 2 頁摘要摘要爬壁機(jī)器人,是極限作業(yè)機(jī)器人的一個(gè)分支,它的突出特點(diǎn)是可以在垂直墻壁表面或者天花板上移動(dòng)作業(yè)爬壁機(jī)器人能吸附于壁面而不下滑,實(shí)現(xiàn)的方法主要有兩種:負(fù)壓吸附與磁吸附介紹一種新型爬壁機(jī)器人，它以超聲串列法自動(dòng)掃查和檢測(cè)在役化工容器筒壁對(duì)接環(huán)焊的危害性缺陷。 本文將著重介紹了它的機(jī)械結(jié)構(gòu)及位置調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制算法。 這種機(jī)器人采用磁輪吸附和小車式行走，利用磁帶導(dǎo)航，光纖傳感器檢測(cè)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、導(dǎo)航性能好、位置調(diào)整方法可行和定位精度高等特點(diǎn)。 本文將介紹的爬壁機(jī)器人為超聲串列自動(dòng)掃查機(jī)器人是以某煉油廠加氫反應(yīng)器為具體的應(yīng)用對(duì)

3、象，用來以超聲串列法自動(dòng)掃查和檢測(cè)筒壁對(duì)接環(huán)焊縫的危害缺陷而研制的，并按 JB4730-94壓力容器無損檢測(cè)的要求，用超聲串列法檢測(cè)。 超聲串列法要求一發(fā)、一收探頭中心聲束保持在一個(gè)與焊縫中心線相垂直的平面內(nèi)，收發(fā)探頭相對(duì)于串列基準(zhǔn)線須保持等距、反相、勻速移動(dòng)。 由于采用手動(dòng)檢測(cè)，操作難度大，重復(fù)性差，可比性差而難以實(shí)施。 對(duì)于這種用在圓形筒壁上在役檢測(cè)的機(jī)器人， 丹麥的 force 公司研制了多用途模塊磁輪掃描儀 AMS-9、AMS-10 等系列磁輪爬壁機(jī)器人，日本的 Osaka Gas Co。 Ltd 公司研制了磁輪爬壁檢測(cè)機(jī)器人，但是售價(jià)昂貴。 從文獻(xiàn)及報(bào)道方面看，國內(nèi)對(duì)于這種在役磁輪式

4、爬壁機(jī)器人還少有實(shí)用化的樣例，也缺乏這方面的機(jī)械結(jié)構(gòu)及自動(dòng)控制裝置的研究，因此，對(duì)大厚度焊縫的超聲波探傷自動(dòng)掃查爬壁機(jī)器人的研究是十分必要的。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：機(jī)器人技術(shù) 爬壁機(jī)器人 磁吸附前言前言機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種模仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動(dòng)化設(shè)備。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生革命性的變化，而且將對(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的小型化、微型化成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。開發(fā)一種小型、便攜的爬壁機(jī)器人在

5、軍事和民用方面都具有重要意義。在軍事方面，它可以被投放在敵后，爬行于建筑物的外墻或玻璃壁面上，對(duì)室內(nèi)的情況進(jìn)行偵察；或者充當(dāng)可移動(dòng)的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設(shè)施和人員。爬壁機(jī)器人作為工業(yè)用機(jī)器人的一種，指的是能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置，可以代替人工在高空、毒氣毒液、輻射、水下第 3 頁等高危環(huán)境下進(jìn)行特種作業(yè)，在熱電廠、造船業(yè)、核工業(yè)、石化天然氣業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，隨著技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用范圍的拓展，越來越受到各國科研部門的重視第一章第一章總體結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)本樣機(jī)由機(jī)械部分、控制部分、導(dǎo)航傳感檢測(cè)部分組成。1.1 機(jī)械機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)本樣機(jī)的機(jī)械部分

6、由導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)體、左右磁輪運(yùn)動(dòng)體組成。 樣機(jī)及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1。設(shè) o 1 x1 y 1 為機(jī)器人的坐標(biāo)系，其中原點(diǎn) o 1 在機(jī)器人 4 個(gè)輪子布局的對(duì)稱中心點(diǎn)上，x 1 為機(jī)器人左右磁輪的對(duì)稱中心線，y 1 平行于串列掃查探頭的導(dǎo)軌。 圖中所示 oxy 坐標(biāo)的 x 軸，相當(dāng)于是固定在筒壁上的，與串列掃查基準(zhǔn)線重合，y 軸是與其垂直的坐標(biāo)，o 與 o 1 重合。 在這里所謂的串列基準(zhǔn)線是串列掃查時(shí)，作為一發(fā)一收兩探頭等間隔移動(dòng)的所定相對(duì)對(duì)稱基準(zhǔn)線，一般設(shè)定為在離探傷面距離為 0。5 跨距的位置。本文中左指的是 y 1 方向,反之為右方向。 各部分的工作原理如下：(1)左右磁輪運(yùn)動(dòng)體整個(gè)掃查機(jī)

7、器人靠 4 個(gè)磁輪的吸力吸附在圓筒壁上,由磁輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)、 后退，以及調(diào)整機(jī)器人的位置和方位，在這里我們選用磁輪而沒有用履帶，這有利于達(dá)到串列掃第 4 頁查對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的要求。 機(jī)器人左右各有兩個(gè)磁輪，各由交流伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速、同步齒形帶傳動(dòng),帶動(dòng)磁輪沿壁面運(yùn)動(dòng),兩個(gè)磁輪通過齒形帶均可運(yùn)動(dòng),所以都是主動(dòng)輪， 這樣左右磁輪的運(yùn)動(dòng)形成機(jī)器人的兩個(gè)自由度。 當(dāng)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)輪同向等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),機(jī)器人向前后移動(dòng)，當(dāng)左邊的 2 個(gè)磁輪的速度大于右邊的兩個(gè)磁輪的速度時(shí)，機(jī)器人向右偏轉(zhuǎn); 反之，向左偏轉(zhuǎn)。 (2)導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)體采用交流伺服電機(jī)經(jīng)齒輪減速器和同步齒形帶帶動(dòng)兩滑塊在導(dǎo)軌上

8、運(yùn)動(dòng)， 形成機(jī)器人的第三個(gè)自由度。 由于兩滑塊分別固聯(lián)在嚙入齒形輪的一邊和離開齒形輪的另一邊的齒形帶上，所以兩滑塊隨著齒形帶的運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)軌上同向或反向直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)固定在滑塊上的探頭相對(duì)機(jī)器人中心線同向或反向運(yùn)動(dòng)。調(diào)整爬壁機(jī)器人的中心線與串列基準(zhǔn)線相平行，就可確保收、發(fā)探頭相對(duì)串列基準(zhǔn)線等距離運(yùn)動(dòng),符合串列掃查的運(yùn)動(dòng)要求。同時(shí)電機(jī)與光電碼盤連接,通過計(jì)數(shù)脈沖算出收發(fā)探頭入射點(diǎn)間距離,通過與壁面壓緊的滾輪和與之相聯(lián)的光電編碼器檢測(cè)機(jī)器人方向前進(jìn)、 后退距離。3 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)用工控機(jī)伺服控制,通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。1.2 控制系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)硬件該微型爬壁機(jī)器人采用 12 個(gè)微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，4 個(gè)接

9、觸傳感器，4 個(gè)壓力傳感器，以后還要增加用于壁障的紅外傳感器和用于采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的微型攝像頭，所以對(duì)主控制器的要求較高。設(shè)計(jì)中，最終選定 Philips 公司最新開發(fā)的基于 32 位 ARM7TDMI-S 內(nèi)核的低軾耗 ARM 處理器LPC2104 作為控制系統(tǒng)主控制器。LPC2104 具有以下特性：*128KB 片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器，帶 ISP 和 IAP 功能；*16KB 靜態(tài) RAM；*向量中斷控制器；*仿真跟蹤模塊支持實(shí)時(shí)跟蹤；*標(biāo)準(zhǔn) ARM 測(cè)試/調(diào)試接口，兼容現(xiàn)有工具；*雙 UART，其中一帶有調(diào)制解調(diào)器接口；*高速 I2C 串行接口，400kb/s；*SPI 串行接口；*2

10、 個(gè)定時(shí)器分別具有 4 路捕獲/比較通道；*多達(dá) 6 路輸出的 PWM 單元；第 5 頁*實(shí)時(shí)時(shí)鐘；*看門狗定時(shí)器；*通用 I/O 口；*CPU 操作頻率可達(dá) 60MHz；*兩個(gè)低功耗模式，空閑和掉電；*通過外部中斷，將處理器從掉電模式中喚醒；*外設(shè)功能可單獨(dú)使能/禁止實(shí)現(xiàn)功耗最優(yōu)化；*片內(nèi)晶振的操作頻率范圍 1025MHz；*處內(nèi) PLL 允許 CPU 可以在超過整個(gè)晶振操作頻率范圍的情況下使用。微型爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 2 所示，選用 LPC2104 作為嵌入式控制器。為提高系統(tǒng)效率和降低功耗，功放驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極性 H-橋型脈寬調(diào)整方式 PWM 的集成電路L293D。L2

11、93D 采用 16 引腳 DIP 封裝，其內(nèi)部集成了雙極型 H-橋電路，所有的開量都做成 n 型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤(rùn)滑”作用，消除正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。L293D 通過內(nèi)部邏輯生成使能信號(hào)。H-橋電路的輸入量可以用來設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L293D 將 2 個(gè) H-橋電路集成到 1 片芯片上，這就意味著用 1 片芯片可以同時(shí)控制 2 個(gè)電機(jī)。每 1 個(gè)電機(jī)需要 3 個(gè)控制信號(hào) EN12、IN1、IN2，其中 EN12 是使能信號(hào)，IN1、IN2 為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向

12、控制信號(hào)，IN1、IN2 分別為 1，0 時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路 PWM 連接 EN12 引腳，通過調(diào)整 PWM 的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。選擇一路 I/O 口，經(jīng)反向器 74HC14 分別接 IN1 和 IN2 引腳，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。為了節(jié)省 LPC2104 的 I/O 口資源，選用2 片 74LS138 和 IN2 引腳， 控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 為了節(jié)省 LPC2104 的 I/O 資源， 選用 2 片 74LS138譯碼器對(duì) I/O 口進(jìn)行擴(kuò)展，每片分別選用 3 路 I/O 作為輸入信號(hào)和 1 路 I/O 作為片選信號(hào)，這樣就可以將 8 路 I/O 口擴(kuò)展或 16 路

13、I/O 口。如前所述，因?yàn)橹弊㈦姍C(jī)采用 PWM 調(diào)速，這樣每 1個(gè)電機(jī)至少需要 1 路 PWM，12 個(gè)電機(jī)需要 12 路 PWM，而 LPC2104 只有 6 路 PWM 輸出，所以選用2 片電平鎖存器 74LS373 使 12 個(gè)電機(jī)分成 2 組共用 6 路 PWM 信號(hào)。第 6 頁接觸傳感器由外層管和內(nèi)部超彈性線構(gòu)成， 內(nèi)外兩層通過硅管隔開。 當(dāng)內(nèi)線和外層接觸時(shí)，開關(guān)關(guān)閉。通過這種方法，接觸傳感器向 LPC2104 發(fā)送信號(hào)，借此來控制吸盤的方向。從壓力傳感器來模擬信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，LPC2104 通過壓力傳感器來的信號(hào)來判斷吸盤是否安全的吸附在墻壁上。LPC2104

14、 還可以通過串口 RS232 和上位機(jī)進(jìn)行通信?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)微型爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件選用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)C/OS-II。 它是一個(gè)源代碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用 ANSIC寫的，移植方便，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。目前，它已經(jīng)在幾十種從 8 位到 64 位的微處理器、微控制器上實(shí)現(xiàn)了成功的移植。下面首先介紹C/OS-II 在 LPC2104 上的移植過程，然后介紹微型爬壁機(jī)器人控制軟件的設(shè)計(jì)。C/OS-II 在 LPC2104 上的移植移植C/OS-II，主要包括：設(shè)置堆棧的增長(zhǎng)方面，聲明 3 個(gè)宏（開中斷、關(guān)中斷和任務(wù)切換），聲明 10

15、 個(gè)與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型；用 C 語言編寫 6 個(gè)與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)（任務(wù)堆棧初始化函數(shù)和 5 個(gè)鉤子函數(shù)）；用匯編語言編寫 4 個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)。用匯編語言編寫的 4 個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)如下：OSStartHighRdy()用于在調(diào)度中使最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)處于就緒態(tài)并開始執(zhí)行；OSCtxSw()完成任務(wù)級(jí)的上下文切換；OSIntCtxSw()完成中斷級(jí)任務(wù)切換，其過程與 OSCtxSw()類似，只是在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序后可能使更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)處于就緒態(tài)；OSTickISR()是系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)子程序。1OS_CUP.H 的移植C/OS-II 不使用 C 語言中的 short、int、

16、long 等數(shù)據(jù)類型的定義，因?yàn)樗鼈兣c處理器類型有關(guān)，隱含著不可移值性，所以代之以移值性強(qiáng)的整數(shù)數(shù)據(jù)類型，這樣，既直觀又可移值。第 7 頁在C/OS-II 中，使用 OS_ENTER_CRITICAL()和 OS_EXIT_CRITICAL()開中斷和關(guān)中斷來保護(hù)臨界段代碼。ARM 處理器核的用戶模式和執(zhí)行 Thumb 代碼時(shí)，不能改變處理器的開中斷位 I。為了兼容各種模式，使用軟中斷指令 SWI 使處理器進(jìn)入管理模式和 ARM 指令狀態(tài)，即使用SWI0 x02 關(guān)中斷，使用 SWI0 x03 開中斷。C/OS-II 使用結(jié)構(gòu)常量 OS_STK_GROWTH 指定堆棧的增長(zhǎng)方式， 0 表示堆棧

17、從低地址往高地址增長(zhǎng)，1 表示堆棧從高地址往低地址增長(zhǎng)。雖然 ARM 處理器核對(duì)于兩種方式支持，但 ADS 的 C語言編譯器僅支持一種方式，即從高地址往低地址增長(zhǎng)，并且必須是滿遞減堆棧，所以O(shè)S_STK_GROWTH 的值為 1。以上內(nèi)容在文件 OS_CPU.h 中做如下定義。TypedefunsignedcharBOOLEAN;/*布爾變量*/TypedefunsignedcharINT8U;/*無符號(hào) 8 位整型變量*/TypedefsignedcharINT8S;/*有符號(hào) 8 位整型變量*/TypedefunsignedshortINT16U;/*無符號(hào) 16 位整型變量*/Typed

18、efsignedshortINT16S;/*有符號(hào) 16 位整型變量*/TypedefunsignedintINT32U;/*無符號(hào) 32 位整型變量*/TypedefsignedintINT32S;/*有符號(hào) 32 位整型變量*/TypedeffloatFP32;/*單精度浮點(diǎn)數(shù)（32 位長(zhǎng)度）*/TypedefdoubleFP64;/*雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64 位長(zhǎng)度）*/TypedefINT32UOS_STK;/*堆棧是 32 位寬度*/_swi(0 x02)voidOS_ENTER_CRITICAL(void);/*關(guān)中斷*/_swi(0 x03)voidOS_EXIT_CRITICAL(v

19、oid);/*開中斷*/#defineOS_STK_GROWTH1/*堆棧由高地址向低地址增長(zhǎng)*/2OS_CPU_A.ASM 文件的移值第 8 頁OS_CPU_A.ASM 文件要實(shí)現(xiàn)在多任務(wù)啟動(dòng)函數(shù)中調(diào)用 OSSTartHightRdy()，任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()，中斷任務(wù)切換函數(shù) OSIntCtxSw()和時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù) OSTickISR（）這 4 個(gè)匯編函數(shù)的改寫。上層任務(wù)調(diào)度部分不需要任何改動(dòng)。3.23.2 系統(tǒng)任務(wù)劃分及調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)劃分及調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)劃分嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的任務(wù)不同于前后臺(tái)系統(tǒng)中的子程序模塊，任務(wù)是處理機(jī)按程序處理數(shù)據(jù)的過程，是個(gè)動(dòng)態(tài)的概念。一般，一個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)

20、于一段獨(dú)立的主程序。它可以調(diào)用各種子程序，并使用各種系統(tǒng)資源如中斷、外設(shè)等，以完成某種預(yù)定的功能，且允許多個(gè)任務(wù)并行運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)任務(wù)劃分，是將系統(tǒng)中所有要處理的事情劃分為一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊，所有待處理的任務(wù)模塊按順序建立一個(gè)個(gè)的任務(wù)，并分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。在主程序中，所需要做的工作只是建立這些模塊的任務(wù)，然后每次執(zhí)行就緒任務(wù)隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。根據(jù)微型爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求，對(duì)可系統(tǒng)進(jìn)行如下的任務(wù)劃分：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、串行通信、數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。任務(wù)調(diào)整C/OS-II 的任務(wù)調(diào)度是按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行的，根據(jù)各任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求及重要程度，分別置它們的優(yōu)先

21、級(jí)為 10、9、5、6、12、11，其中 0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO2、OS_LOWEST_PRIO1、OS_LOWEST_PRIO0 這幾個(gè)優(yōu)先級(jí)保留以被系統(tǒng)使用。優(yōu)先級(jí)號(hào)越低，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高。為了在后臺(tái)實(shí)時(shí)檢測(cè)同步信號(hào)的變化，及時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的事件，可直接利用嵌入式微控制器所提供的各種中斷，通過對(duì)中斷服務(wù)處理程序傳遞信號(hào)量，來喚醒等待同步信號(hào)的任務(wù)，使這個(gè)任務(wù)從掛起狀態(tài)到就緒狀態(tài)，送到 CPU 執(zhí)行，從而達(dá)到實(shí)時(shí)處理的目的。在多任務(wù)系統(tǒng)中，消息、信號(hào)是系統(tǒng)能夠在各個(gè)任務(wù)之間通信最常用的手段，其中，使用信號(hào)量是協(xié)

22、調(diào)多任務(wù)最簡(jiǎn)單有效的手段。在C/OS-II 中，一個(gè)任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序，通過事件控制塊來向另外的任務(wù)發(fā)信號(hào)。當(dāng)微型爬壁機(jī)器人啟動(dòng)之后，首先通過接觸傳感器和壓力傳感器檢測(cè) 4 只吸盤是否很好的與壁面吸合； 同時(shí)， 通過紅外傳感器檢測(cè)前面是否有障礙物。如果一切正常就發(fā)送信號(hào)量給直線前進(jìn)任務(wù)，直線前進(jìn)任務(wù)接受到信號(hào)量開始運(yùn)行，通過協(xié)調(diào)控制 12 個(gè)電機(jī)并配合相應(yīng)傳感器使爬壁機(jī)器人沿直線運(yùn)行。 當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到前面有障礙物時(shí)，會(huì)進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中發(fā)送信號(hào)給停止任務(wù)，停止任務(wù)接收以信號(hào)量后運(yùn)行。首先使機(jī)器人停下來調(diào)整好姿勢(shì)確保機(jī)器人四足吸在壁面上，然后發(fā)送信號(hào)量喚醒左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)任務(wù)，控制機(jī)

23、器人繞過障礙物。以后還可以給微型爬壁機(jī)器人配備微型攝像頭，對(duì)目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。總之，在微型爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，信號(hào)、消息不斷傳遞，使得各個(gè)任務(wù)不斷切換運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)得以正確運(yùn)轉(zhuǎn)工作。第 9 頁1.3 傳感導(dǎo)引系統(tǒng)傳感導(dǎo)引系統(tǒng)傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。 外部傳感器為：(1)傳感器檢測(cè)導(dǎo)引方案采用在筒壁上沿平行焊縫方向貼導(dǎo)向帶， 通過安裝在車體上的 4 個(gè)對(duì)顏色敏感的光纖傳感器(傳感器固定在傳感器盒上)來檢測(cè)機(jī)器人本體的位置偏移和方位偏移。(2)由另一緊壓壁面的自由輪帶動(dòng)的光電碼盤檢測(cè) x 方向的移動(dòng)距離。內(nèi)部傳感器為： x 向 y 向的運(yùn)動(dòng)控制用內(nèi)部傳感器,即是伺服電機(jī)軸上的

24、 3 個(gè)位移光電碼盤。以平行于焊縫的參考線為定位參考基準(zhǔn),布置好導(dǎo)向帶,導(dǎo)向帶采用表面光滑且無凹陷的磁條作為底層， 在磁條上鋪設(shè)固定寬度的白色色帶用于導(dǎo)航。 傳感器的平面布置如圖 2 所示。圖中.1 x 1 y 1 為傳感器盒坐標(biāo)系，相當(dāng)于是固定在機(jī)器人本體上的。 x 1 傳感器對(duì)稱中心線上與 x 1 軸平行，y 1 軸通過 1、2 傳感器，. 1 為傳感器坐標(biāo)原點(diǎn)。. x y 為導(dǎo)引帶坐標(biāo)系，x 軸為與 x 軸平行且與導(dǎo)引帶中心線重合,相當(dāng)于是固定在筒壁上的坐標(biāo)軸，. 為沒有位置誤差、方位誤差時(shí)在 x 1 上與. 1 重合的點(diǎn),y 垂直于 x f1(2)f4f2(3)兩側(cè)的吸附力變化方向相反

25、，通過仿真計(jì)算得總吸附力變化不大：f3+f4f1+f2(4)同理，圖 2d 中 f5 小于 f1，f6 大于 f2，吸附力得變化相互抵消，得：f5+f6f1+f2(5)圖 2d 中，M2 是機(jī)器人其他零件對(duì)磁輪單元的作用力矩。(a)(b)(c)（d）圖 2 磁輪和壁面的不同接觸狀態(tài)第 18 頁第四章第四章 爬壁爬壁機(jī)器人的力學(xué)分析機(jī)器人的力學(xué)分析4.1 爬壁爬壁機(jī)器人靜力學(xué)分析機(jī)器人靜力學(xué)分析機(jī)器人參數(shù)如圖 3 所示。下文變量說明：W：左輪、右輪軸線距離 (m)；L：輔助萬向輪到左輪、右輪軸線距離 (m)；S：機(jī)器人重心 C 到左右輪軸線的距離(m)；H：機(jī)器人重心到壁面距離(m)。圖 3 機(jī)

26、器人參數(shù)示意圖爬壁機(jī)器人在靜止且不作業(yè)時(shí)受到以下力：G：爬壁機(jī)器人的重力 (N)；FmD：作用在左右輪軸線上的等效吸附力 (N)；FmS：作用在輔助萬向輪上的等效吸附力 (N)；NL、NR 和 NAS：左輪、右輪和輔助萬向輪與壁面的正壓力 (N)；fL、fR 和 fAS：左輪、右輪和輔助萬向輪與壁面間的摩擦力 (N)。在進(jìn)行清理、補(bǔ)焊和磨削等作業(yè)時(shí)，機(jī)器人會(huì)受到作業(yè)產(chǎn)生的反力。實(shí)驗(yàn)證實(shí)磨削時(shí)的產(chǎn)生的反力在切向和法向都是最大，因此機(jī)器人在進(jìn)行磨削作業(yè)時(shí)如果能保持穩(wěn)定，不發(fā)生滑移和脫落，則在進(jìn)行其他作業(yè)時(shí)也能保持穩(wěn)定。第 19 頁4.2 爬壁爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

27、分為直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。理論和實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)爬壁機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向時(shí)，要求單個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置輸出的驅(qū)動(dòng)力矩和功率最大，是最易發(fā)生打滑及堵轉(zhuǎn)失穩(wěn)的工況。爬壁機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)過程中的平面受力狀況如圖 4 所示，圖中 FL、FR 分別為作用在左右輪上的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力(N)， FfL、 FfR 分別為作用在左右輪上的側(cè)向摩擦力(N)，F(xiàn)fAS為作用在滾動(dòng)萬向輪上的滾動(dòng)阻力(N)。在坐標(biāo)系XRYRZR中，爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程中的動(dòng)力學(xué)方程為：其中 m ：為爬壁機(jī)器人質(zhì)量 (kg)；Iz：以左、右輪軸線中點(diǎn)為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgm2)；Vx、Vy：機(jī)器人在 XR、YR 方向上的線速度 (m/s)；VxVy：機(jī)器人在 XR、

28、YR 方向上的加速度(m/s2)； ：機(jī)器人角速度 (rad/s)；圖 4 爬壁機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向平面受力圖第 20 頁式中 ML、MR 分別為作用在左右輪上的驅(qū)動(dòng)力矩(N.m)， FfrL、FfrR 分別為左右輪的滾動(dòng)阻力(N)， D r 為驅(qū)動(dòng)輪半徑(m)。根據(jù)靜力平衡關(guān)系得：根據(jù)爬壁機(jī)器人在壁面運(yùn)行的實(shí)際情況，提出下列假設(shè)：爬壁機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中不出現(xiàn)滑移和側(cè)滑，以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，即認(rèn)為 x V、Vy及為零；同時(shí)，由于機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（01.67 rad/s）及線速度 Vx、Vy（02 m/min）小，離心力遠(yuǎn)小于機(jī)器人自重，故忽略離心加速度項(xiàng)的影響。根據(jù)上述假設(shè)，上式可簡(jiǎn)化為：第 21 頁由上式

29、分析可得，為防止驅(qū)動(dòng)輪打滑，F(xiàn)mD 需至少大于一個(gè)臨界值FmDRSK。結(jié)論結(jié)論本文主要討論了磁吸附機(jī)器人及其磁吸附機(jī)構(gòu)。本文還介紹了一種永磁體集中布置的曲面自適應(yīng)磁輪單元。該磁輪單元能提供比普通同等質(zhì)量的磁輪更大的吸附力，且在曲面上能保持吸附力基本不變。研究了磁吸附爬壁機(jī)器人的力學(xué)模型，通過對(duì)以上爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能的分析，可以預(yù)見當(dāng)微機(jī)械電子技術(shù)、微驅(qū)動(dòng)器技術(shù)、高分子材料技術(shù)和能源供給方面等高科技領(lǐng)域發(fā)展到一定程度時(shí)，這種新型爬壁機(jī)器人的實(shí)用化才能變成現(xiàn)實(shí)。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)王麗慧. 水下船體表面清刷機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)研究D. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2002田蘭圖. 油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人技術(shù)

30、及系統(tǒng)研究D. 北京: 清華大學(xué), 2004桂仲成, 陳強(qiáng), 孫振國, 等. 水輪機(jī)葉片修復(fù)機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)J. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006劉淑霞, 王炎, 徐殿國, 等爬壁機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用J機(jī)器人, 1999, 21(2): 14致謝致謝在即將完成本科學(xué)習(xí)之際，首先我衷心感謝徐漢斌老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予的無私的關(guān)心、幫助和指導(dǎo)。徐老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的科研精神和對(duì)學(xué)術(shù)的執(zhí)著追求將使我終身受益。同時(shí)在此期間，徐老師給予了我全面鍛煉的機(jī)會(huì)，導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求使我的論文得以順利進(jìn)行。在此成文之際，謹(jǐn)向徐老師致以我最深切的敬意和最衷心的感謝。感謝在本科學(xué)習(xí)期間，給予我鼓勵(lì)和幫助的所有同學(xué)及朋友。特別是養(yǎng)育我多年的父母。感謝對(duì)論文進(jìn)行評(píng)審、提出寶貴意見的各位老師。第 1 頁