【www.dagaqi.com--农村创业】
本期视频主要内容： 来自河南洛阳的何建中发明了一台餐厅机器人，解决了人工托盘送餐辛苦劳累的问题，机器人不仅外观好看，送餐效率高，还具有语音互动、自动返回的功能，给餐饮服务行业带来了福音。这个机器人，是由何建中带领的研发团队，经过七八年的努力，研制而成的一个高科技产品，由于它每次露面，都能吸引到很多餐厅顾客，而且，顾客对于机器人能精准的送餐，也感到很惊奇、很满意。敬请收看本期视频。（《我爱发明》 20160103 餐厅机器人）
发明人：何建中（13825213117）
编导手记：临近中秋，摄制组来到了美丽的深圳，拍摄餐厅服务机器人，这个机器人，是由何建中带领的研发团队，经过七八年的努力，研制而成的一个高科技产品，由于它每次露面，都能吸引到很多餐厅顾客，而且，顾客对于机器人能精准的送餐，也感到很惊奇、很满意。而此时，恰巧8月15马上要到了，老何的一位好朋友开设的农家乐，需要举办一个新老顾客答谢活动，于是，我和发明人老何决定在8月15这天，用机器人把代表长寿的面条、代表平安的苹果以及中秋月饼送给前来的顾客。8月15终于到了，这天，农家乐人头攒动，热闹非凡，机器人也不负众望、表现突出，顾客都收到了来自机器人的礼物，对机器人以及老何都赞赏不已。
本期视频主要内容： 北京通州区马务村的“机器人老爹”吴玉禄又发明出了新的拉车机器人，这次的拉车机器人历经两代改进，利用一个电机，带动连轴机械结构，实现仿人行走，动作逼真，形象可爱。经过男女老少不同年龄段，不同体重人们的试用，总体令人满意。精彩内容，敬请收看。（《我爱发明》 20151023 机器人老爹）
发明人：吴玉禄（13552072280）
编导手记：机器人老爹吴玉禄这几年一直没闲着，又鼓捣出了很多新的发明。他的知名度和曝光率也是一直在飙升，就在我们摄制组在录制的时候，同时还有纪录片频道在跟踪拍摄。当我问他做到第几个机器人“儿子”的时候，他说自己都数不清了，太多了。不仅数量上有进步，质量上也有了提升，这次的拉车机器人就很逼真地模拟了人的行走方式，实现了娱乐和实用性的统一。
机器人科技知识竞赛
一、选择题：
1中国科技大学在哪一年组建了国内第一支RobotCup仿真足球队。(C )
A 1996 B 1991 C1998 D2000
2、中国在机器人足球国际赛场上金牌零的突破是在哪一年。（D）
A 1995 B 1996 C 1998 D 1999
3、我国首届机器人足球比赛是在那里举行的。（A）
A 哈尔滨 B 北京 C 上海 D 广州
4、我国最早的机器人是在什么时候？ （D）
A唐朝 B清朝后期 C解放后 D西周时期
5、RoboCup是什么意思？（B）
A 机器人足球表演赛 B机器人足球世界杯 C 机器人竞技 D 机器人
舞蹈比赛
6、1999年 日本索尼公司推出犬型机器人叫什么。（B）
A、 SIBO B、 AIBO C、 ASIBO D、 QRIO
7、机器人三原则是由谁提出的。（D）
A 森政弘 B 约瑟夫·英格伯格 C 托莫维奇 D 阿西莫夫
8、世界上第一台机器人Ｕｎｉｍａｔｅ诞生于那年？（C）
A 1955 B 1987 C 1962 D 1963
9、机器人语言是由（ A ）表示的"0"和"1"组成的字串机器码。
A二进制 B十进制 C八进制 D十六进制
10、机器人的英文单词是（C）
A、botre B、boret C、robot D、rebot
11、国际上最具影响的和两大世界杯机器人足球赛是什么。（B）
AFsker B RobotCup C FIFA D FLL
12、下面哪几部电影是与机器人有关的。（C）
A《终结者》 B《变形金刚》 C《功夫熊猫》 D《星球大战》
13、机器人能力的评价标准不包括：（C）
A智能 B机能 C动能 D物理能
14、下列那种机器人不是军用机器人。（C）
A “红隼”无人机 B 美国的“大狗”机器人C 索尼公司的AIBO机器狗
D “土拨鼠”
15、人们实现对机器人的控制不包括什么？（D）
A输入 B输出 C程序 D反应
16．FMC是（D ）的简称。
A．加工中心
B．计算机控制系统
C．永磁式伺服系统
D．柔性制造单元。
17．由数控机床和其它自动化工艺设备组成的（B ），可以按照任意顺序
加工一组不同工序与不同节拍的工件，并能适时地自由调度和管理。
A．刚性制造系统
B．柔性制造系统
C．弹性制造系统
D．挠性制造系统
18、工业机器人的额定负载是指在规定范围内（A ）所能承受的最大负载
允许值
A．手腕机械接口处
B．手臂
C．末端执行器
D．机座
19、工业机器人运动自由度数，一般（ C ）
A．小于2个 B．小于3个 C．小于6个 D．大于6个
解析：手腕一般有2～3个回转自由度
20、步行机器人的行走机构多为（C ）
A．滚轮 B．履带 C．连杆机构 D．齿轮机构
21、工业机器人的额定负载是指在规定范围内（ A ）所能承受的最大负
载允许值
A．手腕机械接口处
B．手臂
C．末端执行器
D．机座
22、工业机器人运动自由度数，一般（ C ）
A．小于2个
B．小于3个
C．小于6个
D．大于6个
解析：手腕一般有2～3个回转自由度
23、步行机器人的行走机构多为（ C ）
A．滚轮
B．履带
C．连杆机构
D．齿轮机构
25.、机器人是自动化时代的宠儿，综合了（AB ）等学科的成果而诞生。
A.机械学 B.微电子技术 C.计算机 D.自动控制技术
26、工业机器人由（BCD ）组成
A.伺服装置
B.控制装置
C.驱动装置
D.操作机
E．传感机
27、 （ A ）年，捷克剧作家Capek在他的《罗萨姆万能机器人公司》剧本
中，第一次用了机器人Robot这个词。
A． 1920 B． 1959 C．1930
28、真正使机器人成为现实是（ B ）世纪工业机器人出现以后。
A．19 B． 20 C．21
29、 机器人作为人类的新型生产工具，具有特定的功能，而在科幻影片、
书本中看到的机器人无所不能。(B)
A．错误 B．正确 C． 前半句正确，后半句错误
30、（A ）年，电子学家德沃尔获得了一项"可编程序机械手"的专利，在（2）
年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台真正实用的工业机器人。
A． （1）1954，（2）1958 B．（1）1958，（2）1954， C．（1）1954，（2）
1956
31、世界上第一家机器人制造工厂--尤尼梅逊公司，并将第一批机器人称为
"尤尼梅物"，意思是"万能自动"，（ C ）因此被称为"工业机器人之父"。
A． 德沃尔 B．英格伯格、德沃尔 C．英格伯格
32、70年代末，机器人技术才得到巨大发展。80年代，计算机技术和传感
器的发展推动了机器人的发展，它们都具有一定的（C ）能力，90年代，小型
轻型机器人开始出现，这类机器人能在特殊的环境中完成给定的任务。
A．一般 B．重复工作 C．识别判断
33、第三代具有智能的机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根
据感觉到的信息，进行（ B ），并作出判断和决策，不用人的参与就可以完
成一些复杂的工作。
A．一定感知 B．独立思维、识别、推理 C．自动重复
34、 机器人系统的结构由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息
处理部分组成。感知机器人自身或外部环境变化信息是依靠（ A ）完成。
A．传感器组 B．机构部分 C．控制部分
35、机器人语言是由（ B ）表示的"0"和"1"组成的字串机器码。而高级语
言较接近人类语言，易学，易懂，易写，易让人接受。电脑接收到信息后，会将
它译为"010001、0011001......"一样的机器码。
A．十进制数 B．二进制数 C．英文字母
36、工业机器人的手爪主要有钳爪式、磁吸式、气吸式三种。气吸式靠（C ）
把吸附头与物体压在一起，实现物体的抓取。
A．机械手指 B．电线圈产生的电磁力 C．大气压力
37、机器人的脚"五花八门"，有的像汽车一样依靠轮子滚动来前进；有的像
一辆坦克；有四条腿走路的，在狭窄空间工作的机器人，必须依靠（ A ），如
蚯蚓、蛇、毛毛虫等。
A．蠕动实现移动 B．依靠轮子滚动 C．两足步行
38、机器人主要分为内部传感器和外部传感器两大类，可测量物体的距离和
位置，识别物体的形状、颜色、温度、嗅觉、听觉、味觉等，该传感器称为（C ）。
A．内部传感器 B．组合传感器 C．外部传感器
39、机器人身上主要采用三类电动驱动器（电机）、流体（液体或气体）驱
动器。（ B ）机器人能完成高速运动，具有传动机构少，成本低等优点。
A．液体 B．电动 C．气体
40、传动机构用于把驱动器产生的动力传递到机器人的各个关节和动作部
位，实现机器人平稳运动。常见的传动机构有：齿轮传动、丝杠传动机构、皮带
传动和链传动机构、流体传动（分为液压和气压传动）、连杆传动。（C ）主要
用于改变力的大小、方向和速度。
A．皮带传动和链传动机构 B．电动 C．齿轮传动
41、有些工作环境气味难闻、挥发性强、易燃易爆，对人体有很大危害。（A ）
结构简单，无论何种情况下都能保证工作质量，而且机器人自带防爆系统，可保
证工作安全可靠。
A．喷涂机器人 B．焊接机器人 C．机器加工机器人
42、 （ A ）按照工序，依次装配产品零件，并可灵活变更装配内容。当
工序中出现错误时，机器人能自动检查，并作出反应。即使发生错误，都是在一
批产品的同一地方，很容易发现和纠正。
A．检查、测量机器人 B． 装配机器人 C．移动式搬运机器人飞行吸附机器人
43、喷涂、地面磨光、钢铁架加工作艰苦，迫切需要采用机器人来改善工人
的工作环境。（C ）可进行昼夜施工，缩短工期，保证工程质量。
A．医疗康复机器人 B．农、林、水产及矿业机器人 C．建设行业机器人
44、（ B ）人去探索宇宙的奥秘，为人类实现邀游太空、移居外星球的理想。
火星探测机器人，在月球登陆的阿波罗号机器人已较成功的完成了对火星和月球
的考察。
A．海洋机器人 B． 空间机器人 C．核工业机器人
45、人工智能是指利用（ C ）所具有的智能，人工智能的研究领域包括：
人类解决问题时的思维过程、学习过程或决策过程的建模等。机器人智能是人工
智能的一个研究的重点。
A．机器人智能 B．机器人动作 C．计算机实现人类
46、我们已经进入了信息时代，青少年朋友在学习各方面知识的同时，千万不要
忽略（ B ）知识的积累，否则当你为实现某种设想而苦于该方面知识的贫乏时，
就会后悔平日的粗心了。
A． 文学 B．机械 C．生物
47.“想像力比知识更重要”是谁说的？（B）
A.牛顿 B.爱因斯坦 C.马克思 D.高尔
基
48. 轿车时速达到80公里时，有（C ）的油耗是用来克服风阻的。如果让
气流大量进入车内，风阻会更大。为减少风阻，节省汽油，汽车高速行驶中应尽
量不要打开车窗。
A.20% B.40% C.60% D.80%
49. 一个物体离开地球，必须沿着地球引力相反的方向(即向上)对它加力，
使它作加速运动，当它达到一定速度时停止加力，它就能以惯性一直向前而脱离
地球。物体在地球表面上(即距离为地球的半径)飞行时，这个速度为( A )，叫
做脱离速度或逃逸速度。
A 11.2千米/秒 B 12.2千米/秒 C 21.2千米/秒
50. 2004年初,美国宇航局的两架火星探测车成功登陆,他们不包括下面哪
个?（ C ）
A勇气号 B机遇号 C水手号
51. 下面提供的几种识别矿泉水真假的方法哪一种是错误的？（ A ）
A. 在日光下无色透明 B. 折光率较自来水大 C. 矿化度
较自来水大
52. 在国际7个单位中，不包括下面哪个( C )
A.坎德拉 B.安培 C.伏特
53. 1831年,谁发现了电磁感应原理,奠定了发电机的理论基础 (A)
A. 法拉第 B. 爱迪生 C. 维.西门子
54. 发电机的有功功率和无功功率几何相加之和称为视在功率.有功功率和
视在功率之比称为发电机功率因数.发电机的额定功率因数一般为 .( C )
A 0.8 B 0.75 C 0.85
55. 我国是世界第几大能源生产和第几大能源消费国 ( B )
A,第二 第三 B,第三 第二 C,第三 第四
56. 21世纪的主要能源是什么 ( A )
A,太阳能 B,潮汐能 C,核能
57. 在下列回收废品中,如果没有回收,对环境造成危害最大的是(C).
A,废纸 B,废玻璃 C,废电池
58. 使用哪种仪器,可以获得三维图象:( A )
A.扫描电子显微镜 B.透射电子显微镜
C.荧光显微镜 D.光学显微镜
59. 据美联社报道，从今年4月26日起，“机遇号”火星探测器由于车轮陷入到
细沙中而被困在火星表面的一个沙丘上，一直动弹不得，这与沙丘能够承受的压
强较小有关。如果你是火星探测器的设计者，为了减小探测器对地面的压强，可
行的改进方法是（B ）
A．增大探测器的质量 B．增大车轮与地面的接触面积
C．减小车轮表面的粗糙程度 D．减少车轮的个数
爬壁机器人全方位移动新机构的研究及运动学分析
15
爬壁机器人全方位移动新机构的
X
研究及运动学分析
TheStudyonaNewOmniDirectionalMechanismandthe
KinematicsoftheWallClimbingRobot
t张海洪 谈士力 龚振邦
摘 要:结合清洗壁面作业对爬壁机器人提出的特殊要求,本文提出了一种可越障式全方位移动机构)))车轮组机构,并把它用作壁面清洗机器人的驱动机构。该机构不仅能够使机器人在保持机体方位不变的前提下沿壁面任意方向直线移动或在原地旋转任意角度,而且能够跨越存在于机器人运行路径中的不可避免的障碍,如壁面上的窗框等。本文详细地论述了车轮组机构的组成和爬壁机器人全方位移动功能的实现。
关键词:全方位移动机构 爬壁机器人 越障机构
Abstract:ConsideringtheSpecialRequirementsforWal-lclimbingCleaningRobot,anewtypeofomn-idirectionalmechanismwhichcancrossobstaclesisdeveloped.Thisomn-idirectionalmechanismcanmakethewal-lclimbingrobotnotonlyruntowardsalldirectioninlinewithoutchangingitsposeorrotatedefiniteangleatitsoriginalplacebutalsooversteptheobstaclessuchasthewindowframeinitsroutine.Inthispaper,themechanismstructureandthekinematicsoftherobotisdiscussedindetail.
Keywords:omn-idirectionalmechanism wal-lclimbingrobot crossobstaclemechanism
1 引言
轮式全方位移动机构不仅具有轮式移动机构运动的快速性、灵活性、可控性,而且能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向直线移动或在原地旋转任意角度。由于轮式全方位移动机构具有传统轮式机构无可比拟的优点,近年来得到了广泛的研究,各国研究者开发了多种形式的全方位移动车辆[1~3]。但这些轮式全方位移动车辆均没有很好地解决自身的越障问题,它们的越障能力很低,只能工作于平坦作业面上。针对壁面清洗作业机器人的作业特点,我们开发出了一种能够跨越窗框类障碍壁面作业机器人。该机器人采用真空负压吸附方式贴附在壁面上,采用特殊设计的轮式全方位移动机构)))车轮组机构作为其驱动机构。该驱动机构不仅使机器人在姿态保持不变的前提下沿任意方向直线行走,而且能够跨越存在于机器人路径中不可避免的具有一定高度的窗框(类障碍,从而实现了机器人的特定功能:在保持机器人姿态不变的条件下,机器人能快速运动
到壁面的任意位置,以利于清洗作业装置高效完成清洁任何一块壁面的任务。2 车轮组机构的组成
如图1所示,由自带减速头的电机输入的运动经过小齿轮1和大齿轮2的减速被传至中心轴4;中心齿轮6、转臂9和中心链轮12各自通过轴承空套在中心轴4上;驱动齿轮8通过螺栓与车轮10固连;驱动齿轮8、车轮10通过轴承空套在转臂9末端的伸出轴上,在整个圆周上均布着三套驱动齿轮8和车轮10组件;中心齿轮6与驱动齿轮8之间装有过渡齿轮7,过渡齿轮7通过轴承空套在转臂9的中部突出轴上;转向链轮14和小锥齿轮16固连,并且空套在框架3的突出轴上;大锥齿轮17与车身本体18固连,框架3通过轴承与车身本体18连接。
中心齿轮6、过渡齿轮7、驱动齿轮8(包括车
16
轮10)、转臂9组成一周转轮系。该周转轮系随着车轮10所受外力情况的改变而相应地演变成不同的轮系,或演变成定轴轮系或行星轮系。当该周转轮系演变成定轴轮系时,能实现机构在平
机电一体化 Mechatronics 2000年第4期
坦路面上快速行驶。当该周转轮系演变成行星轮系时,能实现机构的越障运动(越障机理的分析另有文章论述)。牙嵌离合器5的接合状态,决定运
动是否传递到该周转轮系。
图1 车轮机构原理示意图
1.小齿轮 2.大齿轮 3.框架 4.中心轴
5.牙嵌离合器 9.转臂 13.链条 17.大锥齿轮
6.中心齿轮10.车轮14.转向链轮18.车身本体
))):表示构件空套在轴上
))
7.过渡齿轮 11.摩擦离合器 15.制动器
8.驱动齿轮12.中心链轮16.小锥齿轮
@:表示构件与轴固定连接
小锥齿轮16(包括转向链轮14)、大锥齿轮17、框架3、车身本体18组成一行星轮系,摩擦离合器11、制动器15的接合状态的不同组合决定运动是否传递到该行星轮系,从而决定车轮组是否相对于车身本体18转过一个角度。由于车轮组能相对于车身本体旋转,因此,由多个车轮组机构组成驱动机构的壁面移动机器人具有全方位移动功能。在结构配置上,框架3的回转中心与车轮10的轮宽中心线之间有一偏移量,这样有利于降低所需的回转力矩。由于本机构只有一个电机,就不会产生传统的双电机驱动方式下的驱动电机和转向电机之间的相互干涉,同时在车轮外圆上安装充气轮胎或浇裹一层橡胶层,不仅可以增加车轮与壁面之间的摩擦力,而且可以吸收由于壁面不平引起的冲击、震动,从而进一步提高其对各种工作环境的适应能力。
3 爬壁机器人的全方位移动机理分析
爬壁机器人的移动机构由四套车轮组机构组成,分别安装在机器人本体的四个角上。每个车
的转向装置。当牙嵌离合器脱开、摩擦离合器接合、制动器脱开时,车轮组机构用作机器人的转向装置。当牙嵌离合器接合、摩擦离合器脱开、制动器接合时,车轮组机构用作机器人的驱动装置。图2为爬壁机器人的结构示意图。建立如图2所示的坐标系:
图2 结构示意图
爬壁机器人全方位移动新机构的研究及运动学分析
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在机器人运动的情况下,由图2可以得:机器人的速度(xÛ,yÛ,ÛH)和车轮速度(xÛÛHwi,ywi,Ûwi)之间的有如下关系:
xÛwi
dixyÛwi=Ay+0qÛi (i=1,2,,,4)(2)
ÛHwi1其中:
R di+Lisin(qi-Ai)A=
Licos(qi-Ai)0 1R=飞行吸附机器人
cos(H+qi) sin(H+qi)-sin(H+qi) cos(H+qi)
(4)(3)
O1=(O1,x1,y1)为固定坐标系;
O2=(O2,x2,y2)为固连于车辆本体中心的坐标系;
Osi=(Osi,xsi,ysi)为固连于各个车轮组回转中心的坐标系;
Owi=(Owi,xwi,ywi)为固连于各个车轮组上的坐标系;
(x,y,H)为机器人在O1坐标系的位置和方向角;
Li为机器人中心与各个车轮组的回转中心的距离;
Ai为x2与车辆中心和i车轮组的回转中心连线之间的夹角;
di为i车轮组回转中心和车轮轮宽中心线之间的距离;
qi为x2与xwi之间的夹角;Hwi为x1与xwi之间的夹角。其中i=1,2,,,4。
由转向装置转过的角度qi和车轮组装置的速度xÛÛ,Ûy,ÛH),称为运动学wi导出机器人的速度(x正问题,反之则称为运动学逆问题。3.1 运动学逆问题
当机器人静止时,四个车轮组机构都是转向装置,每个车轮组的qi可以取任意值,此时各个车轮组的运动速度xÛwi为:
xÛqi i=1,2,,,4wi=di#ÛX1X2
(1)
由于车轮与地面的约束限制,车轮不能沿ywi
方向侧向移动,因此yÛwi=0,结合方程式(2),可以得到如下方程式:
xÛsin(H+qi)-yÛcos(H+qi)-ÛHLicos(qi-Ai)
=0(5)
由(5)得:
qi=arctan(ºSi/?Ci)其中:
Si=xÛsinH-ÛycosH-ÛHLicosAiCi=xÛcosH+ÛysinH-ÛHLisinAi
由(2)得:
xÛwi=xÛcos(H+qi)+yÛsin(H+qi)+Û
(di+Lisin(qi-AHi))+diÛqi
所以各个车轮的转速为:
xd1
(7)(6)
cos(H+q1) sin(H+q1) d1+L1sin(q1-A1)
d2
y+q1 qÛÛ2 Ûq3 Ûqrd3
Xcos(H+q4) sin(H+q4) d4+L4sin(q4-Ad4)r为车轮的半径;Xi(i=1,2,,,4)为各个车轮的定的运动,从而完成全方位移动的功能。旋转角速度。
由于Ai是不相同的,所以等式(7)右边第一个矩阵的秩为3,无论我们希望机器人作什么样的运动,只要知道机器人的运动参数(xÛ,Ûy,ÛH)、qÛi和位置、结构参数(H,Li,r,di),就可以根据式(6)计算出各个车轮组需转过的角度qi(i=1,2,,,4),根据式(1)或(7)计算出各个车轮组的旋转角速度Xi(i=1,2,,,4),然后通过调节和设定qi,Xi=2,,4,3.2 运动学正问题把方程式(2)简写为:
PÛwi=APÛbase+JiÛqi由此可得:
-1PÛbase=A-1PÛJiqÛwi-Ai
+q2) sin(H+q2) d2+L2sin(q2-A2)cos(H
=
rcos(HX3+q3) sin(H+q3) d3+L3sin(q3-A3)
由于可以直接测量的量只有xÛqi,而ÛHwi和Ûwi是不可测量的,并且对每个车轮组而言,存在一个运动
学约束,即yÛwi=0,因此不能由单个车轮组的运动,Ûywi)
18
(xÛ,yÛ,ÛH)。在进行运动学正问题研究时,可以选择两个车轮组的运动参数来求解整个机器人的运动参数。对两个车轮组而言,存在四个相关方程,其中两个是与xÛwi有关的方程,另外是两个运动学约束方程yÛwi=0。由四个方程求解三个未知量(xÛ,yÛ,ÛH),可以从中选择一个约束方程和两个与xÛwi有关的方程来进行。
4 结论
本研究提出了一种集驱动、导向、越障功能于一体的车轮转臂式全方位移动机构。该机构具有机构简单、对工作面的适应性好、运动灵活、操控性好的特点,应用到壁面爬行机器人上,不仅使机器人能够在壁面上全方位移动,行走灵活自如,而且能跨越存在于机器人运行路径中不可避免的窗框类障碍。本文详细地论述了机构的组成并进行了机器人全方位移动的运动学分析,为运动控制
机电一体化 Mechatronics 2000年第4期
建立了理论基础。
参考文献
1 YoshikazuMORIetc.MechanismandRunningModesofNewOmn-i
DirectionalVehicleODV9.JSMEInternationalJournalSeriesC,1999,42(1):210~217
2 赵言正等.爬壁机器人全方位移动机构的研究.机器人,
1995,17(2):102~107
3 黄建军.多方位运动车辆及其车轮.发明专利申请公开说明
书,CN1073636A
t张海洪 上海大学机电工程与自动化学院精密机械工程系博士研究生。
谈士力 上海大学机电工程与自动化学院精密机械工程系博士,副教授。
龚振邦 上海大学机电工程与自动化学院精密机械工程系博导,教授。
瑞典工业自动化技术何以普及
工业自动化技术在瑞典相当普及,柔性制造系统的密度居全球之冠,数控机床的密度同日本相当,工业机器人的密度仅次于日本,计算机辅助设计的密度仅亚于美国。而且,尽管瑞典的经济规模不大,但自动化系统的所有重要部件都是国内提供的。工业自动化在瑞典何以普及?从技术系统演化过程来看有四方面原因:
首先,瑞典企业具有较坚实的自动化知识基础。虽然自动化技术20世纪60年代才兴起,而且自动化的学科基础来自德国,但瑞典有应用自动化知识的传统,从而在人工制品或工业技术中累积了丰富的内隐式知识。这是因为瑞典已有数百年历史的采矿业及金属制品业带动了机械工具制造业,电子机械工具制造本身也有了上百年历史。这些凝固在各种零部件当中的自动化知识,为自动化系统的形成提供了基础,也为使用自动化技术提供了基础。
第二,跨国公司的领先使用为瑞典自动化设备制造商提供了首动优势,自动化技术通常是复的数家著名跨国公司,出于对全球技术发展机会的敏感,率先使用自动化设备,创造出欧洲最早的自动化技术市场,并且提供风险资本,帮助供应商有时甚至自己也开发自动化技术。
第三,供求双方的紧密关系同强大的中介机构一起构成一个相当完善的技术网络。瑞典自动化设备供应商同使用者之间的关系就像解决问题的网络,使用者不但在资金和技术上支持供应商,而且也对设备标准提出更高要求从而引致新的需求。相当强大的中介机构,例如皇家工程科学院、生产工程研究所等,对推广自动化技术及沟通供需双方起了很大作用。正是完善的技术网络促成了自动化技术的普及。
最后,良好的技术选择机制保证了技术多样性。工厂自动化技术的选择机制主要是国际市场,因而瑞典约75%的自动化技术来自外国公司。政府的作用主要是培训人员、建立中介机构及支持技术网络形成等。这使瑞典企业有足够多的技术选择机会,保证了技术的多样性,从而保证
摘 要
机器人的开发和应用，拓展了人类的生产能力，解放了危险环境下的工作人员，极大地推动了人类科技革命和社会进步，多足式爬壁机器人属于极限作业机器人的一种，广泛应用于清洗，消防，检测等多个行业。
本文在国内外现有壁面移动机器人研究成果的基础上。结合壁面作业的特点对壁面机器人的吸附技术，行走技术进行了研究分析，并创造性的提出了壁面越障技术，本文主要的研究工作如下：
首先，追溯国内外壁面机器人研究的历史背景、总体类别与特点，及其发展态势，总结出壁面攀爬机器人的研究特点和关键技术所在。
其次，本文根据机器人实际工作的要求，主要对高空清洁卫士机器人越障系统中的腿部机构、吸附结构，驱动机构构型设计。
最后，本文在结构件的设计过程中，同时考虑轻量化和安全可靠性要求，对机器人的吸附、越障机构进行了强度校核和优化设计。
壁面越障；腿式结构；真空吸盘；机构设计；周期性步态
Abstract
The development and application of robots have expanded our production capacity of the human beings, as well as emancipated personnel works in
hazardous environments , greatly promoted scientific and technological
revolution and human social progress.A multi legged wall climbing robot which belongs to the limit of the robot, is widely used in cleaning, fire protection, detection and other industries.
Based on the existing domestic and foreign mobile robot wall surface on the research results of. According to the characteristics of the wall operation
adsorption technology to wall robot, walking technology is studied and analyzed, and creatively put forward the wall climbing technique, the main research work of this article are as follows:
Firstly, the historical background, the overall classification and characteristics of domestic research on outer surface of the developing situation and the robot traces, and later, summed up the research characteristic and the key technology of wall climbing robot.
Secondly, in the end of this paper the robot concept design, this paper introduces Unigraphics NX model and modeling method, and taking the leg mechanism as an example, introduces the Unigraphics platform of NX parts and assembly
design, and simulation results under the Simulation simulation platform.
Again, this paper clearly on the wall robot based on the constraint conditions and the basic function, carries on the analysis and the design of wall climbing robot gait, elaborate periodic gait and its realization ways, fully demonstrated the
periodic gait and the principle of robot.
Finally, based on the design process of structural parts, considering the
requirements of lightweight and safe reliability, adsorption, obstacle crossing
mechanism of the robot is carried on strength and optimization design.
Xxxx；xxx；
目 录
第一章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„×
1.1 课题研究背景、目的、及其意义„„„„„„„„„×
1.2 国内外壁面机器人研究现状„„„„„„„„„„„×
1.2.1国外研究现状„„„„„„„„„„„„„„„×
1.2.1国外研究现状„„„„„„„„„„„„„„„×
1.3 现有爬壁机器人类型比较分析„„„„„„„„„„×
第二章 新型越障式-高空清洁卫士总体结构设计„„„×
2.1新型越障式-高空清洁卫士的设计准则与要求„„„„×
2.2新型越障式-高空清洁卫士行走机构设计„„„„„„×
2.3新型越障式-高空清洁卫士越障系统设计„„„„„„×
2.3.1新型越障式-高空清洁卫士腿部结构的设计„„×
2.3.2新型越障式-高空清洁卫士吸附结构的设计„„×
2.3.3新型越障式-高空清洁卫士硬件驱动的选择„„×
2.4新型越障式-高空清洁卫士总体结构设计
第三章 基于Unigraphics NX的三维建模技术„„„„„×
3.1 引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„×
3.2 Unigraphics NX简介„„„„„„„„„„„„„„×
3.3 Unigraphics NX建模方法„„„„„„„„„„„×
3.3.1自底而上„„„„„„„„„„„„„„„„„×
3.3.2自顶而下„„„„„„„„„„„„„„„„„×
3.3.3两种建模方式的比较„„„„„„„„„„„„×
3.4 新型越障式-高空清洁卫士建模实例„„„„„„×
3.4.1腿部机构的建模„„„„„„„„„„„„„„×
3.4.2主要部件的装配„„„„„„„„„„„„„„× 第四章 机器人关键部分校核与有限元分析„„„„„×
4.1 新型越障式-高空清洁卫士附着技术选择„„„„„„×
4.2 真空吸附机构受力与安全性分析„„„„„„„„„×
4.2.1抗滑落条件„„„„„„„„„„„„„„„„×
4.2.2抗倾覆条件„„„„„„„„„„„„„„„„×
4.3 腿部连杆的校核及有限元分析„„„„„„„„„„×
4.3.1腿部连杆的强度校核„„„„„„„„„„„„×
4.3.2腿部连杆有限元分析和结构优化„„„„„„„×结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„× 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„× 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„× 附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„×
第一章 绪 论
1.1课题研究背景、目的及其意义
机器人是近代电子技术与传统的机构学相结合的产物，是集计算机科学、控 制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和 发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，
机器人科技知识竞赛题及参考答案
一、选择题：
1中国科技大学在哪一年组建了国内第一支RobotCup仿真足球队。(C )
A 1996 B 1991 C1998 D2000
2、中国在机器人足球国际赛场上金牌零的突破是在哪一年。（D）
A 1995 B 1996 C 1998 D 1999
3、我国首届机器人足球比赛是在那里举行的。（A）
A 哈尔滨 B 北京 C 上海 D 广州
4、我国最早的机器人是在什么时候？ （D）
A唐朝 B清朝后期 C解放后 D西周时期
5、RoboCup是什么意思？（B）
A 机器人足球表演赛 B机器人足球世界杯 C 机器人竞技 D 机器人舞蹈比赛
6、1999年 日本索尼公司推出犬型机器人叫什么。（B）飞行吸附机器人
A、 SIBO B、 AIBO C、 ASIBO D、 QRIO
7、机器人三原则是由谁提出的。（D）
A 森政弘 B 约瑟夫?英格伯格 C 托莫维奇 D 阿西莫夫
8、世界上第一台机器人Ｕｎｉｍａｔｅ诞生于那年？（C）
A 1955 B 1987 C 1962 D 1963
9、机器人语言是由（ A ）表示的'0'和'1'组成的字串机器码。
A二进制 B十进制 C八进制 D十六进制
10、机器人的英文单词是（C）
A、botre B、boret C、robot D、rebot
11、国际上最具影响的和两大世界杯机器人足球赛是什么。（B）
AFsker B RobotCup C FIFA D FLL
12、下面哪几部电影是与机器人有关的。（C）
A《终结者》 B《变形金刚》 C《功夫熊猫》 D《星球大战》
13、机器人能力的评价标准不包括：（C）
A智能 B机能 C动能 D物理能
14、下列那种机器人不是军用机器人。（C）飞行吸附机器人
A “红隼”无人机 B 美国的“大狗”机器人C 索尼公司的AIBO机器狗D “土拨鼠”
15、人们实现对机器人的控制不包括什么？（D）
A输入 B输出 C程序 D反应
16．FMC是（D ）的简称。
A．加工中心
B．计算机控制系统
C．永磁式伺服系统
D．柔性制造单元。
17．由数控机床和其它自动化工艺设备组成的（B ），可以按照任意顺序加工一组不同工序与不同节拍的工件，并能适时地自由调度和管理。
A．刚性制造系统
B．柔性制造系统
C．弹性制造系统
D．挠性制造系统
18、工业机器人的额定负载是指在规定范围内（A ）所能承受的最大负载允许值
A．手腕机械接口处
B．手臂
C．末端执行器
D．机座
19、工业机器人运动自由度数，一般（ C ）
A．小于2个 B．小于3个 C．小于6个 D．大于6个
解析：手腕一般有2～3个回转自由度
20、步行机器人的行走机构多为（C ）
A．滚轮 B．履带 C．连杆机构 D．齿轮机构
21、工业机器人的额定负载是指在规定范围内（ A ）所能承受的最大负载允许值
A．手腕机械接口处
B．手臂
C．末端执行器
D．机座
22、工业机器人运动自由度数，一般（ C ）
A．小于2个
B．小于3个
C．小于6个
D．大于6个
解析：手腕一般有2～3个回转自由度
23、步行机器人的行走机构多为（ C ）
A．滚轮
B．履带
C．连杆机构
D．齿轮机构
25.、机器人是自动化时代的宠儿，综合了（AB ）等学科的成果而诞生。
A.机械学 B.微电子技术 C.计算机 D.自动控制技术
26、工业机器人由（BCD ）组成
A.伺服装置
B.控制装置
C.驱动装置
D.操作机
E．传感机
27、 （ A ）年，捷克剧作家Capek在他的《罗萨姆万能机器人公司》剧本中，第一次用了机器人Robot这个词。
A． 1920 B． 1959 C．1930
28、真正使机器人成为现实是（ B ）世纪工业机器人出现以后。
A．19 B． 20 C．21
29、 机器人作为人类的新型生产工具，具有特定的功能，而在科幻影片、书本中看到的机器人无所不能。(B)
A．错误 B．正确 C． 前半句正确，后半句错误
30、（A ）年，电子学家德沃尔获得了一项'可编程序机械手'的专利，在（2）年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台真正实用的工业机器人。
A． （1）1954，（2）1958 B．（1）1958，（2）1954， C．（1）1954，（2）1956
31、世界上第一家机器人制造工厂--尤尼梅逊公司，并将第一批机器人称为'尤尼梅物'，意思是'万能自动'，（ C ）因此被称为'工业机器人之父'。
A． 德沃尔 B．英格伯格、德沃尔 C．英格伯格
32、70年代末，机器人技术才得到巨大发展。80年代，计算机技术和传感器的发展推动了机器人的发展，它们都具有一定的（C ）能力，90年代，小型轻型机器人开始出现，这类机器人能在特殊的环境中完成给定的任务。
A．一般 B．重复工作 C．识别判断
33、第三代具有智能的机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行（ B ），并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。
A．一定感知 B．独立思维、识别、推理 C．自动重复
34、 机器人系统的结构由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分组成。感知机器人自身或外部环境变化信息是依靠（ A ）完成。
A．传感器组 B．机构部分 C．控制部分
35、机器人语言是由（ B ）表示的'0'和'1'组成的字串机器码。而高级语言较接近人类语言，易学，易懂，易写，易让人接受。电脑接收到信息后，会将它译为'010001、0011001......'一样的机器码。
A．十进制数 B．二进制数 C．英文字母
36、工业机器人的手爪主要有钳爪式、磁吸式、气吸式三种。气吸式靠（C ）把吸附头与物体压在一起，实现物体的抓取。
A．机械手指 B．电线圈产生的电磁力 C．大气压力
37、机器人的脚'五花八门'，有的像汽车一样依靠轮子滚动来前进；有的像一辆坦克；有四条腿走路的，在狭窄空间工作的机器人，必须依靠（ A ），如蚯蚓、蛇、毛毛虫等。
A．蠕动实现移动 B．依靠轮子滚动 C．两足步行
38、机器人主要分为内部传感器和外部传感器两大类，可测量物体的距离和位置，识别物体的形状、颜色、温度、嗅觉、听觉、味觉等，该传感器称为（C ）。
A．内部传感器 B．组合传感器 C．外部传感器
39、机器人身上主要采用三类电动驱动器（电机）、流体（液体或气体）驱动器。（ B ）机器人能完成高速运动，具有传动机构少，成本低等优点。
A．液体 B．电动 C．气体
40、传动机构用于把驱动器产生的动力传递到机器人的各个关节和动作部位，实现机器
第25卷第4期2008年4月
机 械 设 计
JOURNALOFMACHINEDESIGNVol.25 No.4
Apr. 2008
爬壁机器人的研究进展
付宜利,李志海
＊
(哈尔滨工业大学机器人研究所,黑龙江哈尔滨 150001)
摘要:爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支,可在垂直壁面上灵活移动,代替人工在极限条件下完成多种作业任务,是当前机器人领域研究的热点之一。文中介绍了国内外爬壁机器人领域中具有代表性的一些研究成果,分析
了各自特点。在此基础上,对爬壁机器人理论上、技术上的难题进行了探讨,并提出了爬壁机器人未来的发展趋势。
关键词:爬壁机器人;吸附技术;移动技术;技术理论难题;发展趋势中图分类号:TP242 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)04-0001-05
爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支,它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来,可在垂直壁面上附着爬行,并能携带工具完成一定的作业任务,大大扩展了机器人的应用范围。目前,爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等,如对高楼外壁面进行清洗,对石化企业中的储料罐外壁进行检测和维护,对大面积钢板进行喷漆,以及在高楼事故中进行抢险救灾等。爬壁机器人的应用取得了良好的社会效益和经济效益。经过30多年的发展,爬壁机器人领域已经涌现出一大批丰硕的成果,特别是20世纪90年代以来,国内外在爬壁机器人领域中的发展尤为迅速
[1,2]
成真空腔而使得履带贴紧壁面行走[4]。
日本光荣公司研制了一种多吸盘爬壁机器人,该机器人装有两组真空吸盘,如图2所示。机器人本体上自带两个真空泵、电池、控制系统和无线通讯系统。机器人一次充电可以工作约30min,工作范围为距遥控天线10m以内,最大行走速度为30cm/min,用于高大建筑物墙壁的检测工作[5]。
。近年来,由于多种新技术的发展,爬壁机器人的许多技
术难题得到解决,极大地推动了爬壁机器人的发展,特别是小型爬壁机器人成为机器人领域的一个研究热点。
1 爬壁机器人系统的国内外研究现状
自1966年日本的西亮教授研制出第一个爬壁机器人以来,爬壁机器人在日本得到蓬勃发展。之后,英国、西班牙、美国、德国和俄罗斯等国也相继研制出多种爬壁机器人样机。20世纪80年代以来,国内许多院校和科研单位也在爬壁机器人领域取得了长足的发展,研制了多种型号的爬壁机器人。1.1 国外爬壁机器人研究现状
1966年日本大阪府立大学工学部的西亮教授成功研制出第一个垂直壁面移动机器人样机,该机器人利用电风扇进气侧的低压作用作为吸附力,使机器人贴附在垂直壁面上。1975年他又采用单吸盘结构制作出以实用化为目标的第二代爬壁机器人样机[2]。
1997年俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制出的用于大型壁面和窗户清洗作业的爬壁机器人也采用单吸盘结构。如图1所示,该机器人利用风机产生真空负压来提供吸附力,吸盘腹部装有4个驱动轮,机器人可在壁面全方位移动[3]。
美国西雅图的HenryRSeemann在波音公司的资助下研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人“AutoCrawler”。其两条履带上各装有数个小吸附室,随着履带的移动,吸附室连续地形
＊收稿日期:2007-07-18;修订日期:2007-11-12
图1 俄罗斯单吸盘 图2 多吸盘爬壁机器人
清洗爬壁机器人
20世纪90年代初,英国朴次茅斯工艺学校研制了一种多足行走式的爬壁机器人,如图3所示。采用模块化设计,机器人由两个相似的模块组成,每个模块包括两个机械腿和腿部控制器。可根据任务需要来安装不同数量的腿,可重构能力强。机械腿采用仿生学机构,模拟大型动物臂部肌肉的功能,为两节式,包括上、下两个杆和3个双作用气缸,具有3个自由度。稳定性好,承载能力大,利于机器人的轻量化,并能跨越较大的障碍物。除腿端部各有一真空吸盘外,机器人腹部设有吸盘,使机器人具有较大的负载质量比,可达2∶1[6]。
日本东京工业大学研制了一种爬壁机器人“NINJA”,如图4所示,可在不同表面(地面、墙壁、天花板)上爬行并具有较高静载荷能力。运动系统采用脚部安装有真空吸盘的腿,腿部为3自由度并联机构,为机器人在壁面上行走提供强大的驱动力;踝部采用一种新的机构———CP(Conduct-wire-drivenParallelo-gram)用来调整踝部的姿态;并采用VM(Valve-regulatedMulti-ple)阀调节多腔式真空吸盘,使机器人在遇到粗糙、有裂缝的墙壁时仍有较高吸附效率。机器人尺寸500mm×1800mm×400
[7]
mm,质量45kg。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60675051)
(-),,,教授,,、。
2
机 械 设 计第25卷第4期
吸附机理,根据分子间范德华力的作用,采用特殊工艺制作而成。可在大部分常见的光滑壁面材料上吸附。图9为履带式样机,图8为采用“腿轮”式结构的机器人样机,两个“腿轮”分
别由3个带有干粘性材料的脚掌组成,随着腿轮的转动,每个腿轮上的3个脚掌交替吸附实现机器人的爬行。这两款机器人样机的后部都有一个“尾巴”,用来提高机器人的抗倾覆性能[11]。
图3 朴茨茅斯多足爬壁机器人 图4 机器人NINJA
日本宫崎大学的Nishi教授研制出一种具有两个旋转叶片的“飞行机器人”,如图5所示,利用两个旋转叶片产生的指向壁面的推力,使机器人与壁面间产生足够的摩擦力,而使机器人能够附着在壁面上。机器人装有两个56cc的内燃机,速度为0.5m/s,质量为20kg,可用于火灾抢险等危险作业[2]。
图7 CSIC大学的6足机器人 图8 “腿轮”机器人
图10为美国CaseWesternReserveUniversity研制的采用4个“腿轮”的爬壁机器人样机。与前两种机器人相似,该机器人依靠4个“腿轮”上的仿生粘性材料来吸附,与图9所示样机不同的是这4个腿轮上脚掌的特殊分布更有利于机器人在壁面
[12]
上稳定爬行。该机器人质量仅有87g。
图5 日本宫崎大学“飞行机器人”
美国密歇根州立大学研制了两种双足结构的小型爬壁机
器人,均采用真空吸附方式,如图6所示。图6a所示机器人由一个移动关节和4个转动关节组成运动机构,共5个运动关节。采用模糊控制方式,机器人外形尺寸为高80mm、宽50mm,质量为450g。机器人的步态规划采用了一种有限状态机制来描述机器人的运动状态,并以此为基础建立了机器人的步态规划规则。图6b为具有4个转动关节的双足爬壁机器人。两个机器人样机均采用欠驱动机构,减小了机器人的质量和能耗。机器人可以在墙壁、天花板上爬行,以及在两个表面之间过渡爬行,也可爬越管道一类的障碍物[8,9]
。
图9 “履带”机器人 图10 Mini-Whegs机器人1.2 国内爬壁机器人研究现状
自1988年以来,在国家“863”高技术计划的支持下,哈尔滨工业大学机器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附两个系列的5种型号壁面爬行机器人。图11为研制成功的我国第一台壁面爬行遥控检测机器人,采用负压吸附,全方位移动轮,用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。1994年开发的用于高楼壁面清洗作业的爬壁机器人CLR-Ⅰ,采用全方位移动机构,机器人在原地就可以任意改变运动方向。之后开发的CLR-Ⅱ,采用两轮独立驱动方式———同轴双轮差速机构,通过对两轮速度的协调控制实现机器人的全方位移动,机器人本体和地面控制站之间采用电力线载波通讯方式[1]。上述3款爬壁机器人均采用单吸盘结构,弹簧气囊密封,保证了机器人具有较高爬行速度和可靠的附着能力。1995年研制成功的金属管防腐用磁吸附爬壁机器人,采用永磁吸附结构,靠两条履带的正反转移动来实现转弯[12]。该机器人可以为石化企业金属储料罐的外壁进行喷漆、喷砂,以及携带自动检测系统对罐壁涂层厚度进行检测。图12为1997年研制的水冷壁清洗、
图6 两足爬壁机器人
1990年以来,西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所研制出一种6足式爬壁机器人,如图7所示。该机器人为磁吸附式,具有较大的静载荷,目的是为了工业上的应用[10]。图8和图9为卡内基梅隆大学研制的采用人工合成干粘性
,该检测爬壁机器人,呈圆弧形永磁吸附块与罐壁圆弧相吻合,提高了吸附力,也提高了作业的效率[13]。
上海大学也较早开展高楼壁面清洗作业机器人的研究,先后研制出垂直壁面爬壁机器人和球形壁面爬壁机器人。如图13所示,该球形壁面爬壁机器人采用多吸盘、负压吸附、6足独腿方式,可用于不同率半径球形外壁
2008年4月面
[14,15]
付宜利,等:爬壁机器人的研究进展
3
。
机器人有许多相似之处,但由于其特殊的工作环境和任务要
求,在理论和技术等方面又有一些特殊性,主要有以下几个方面。
2.1 吸附方式
爬壁机器人主要在与地面成一定角度的壁面上进行工作,特别是垂直壁面。吸附机构的作用是产生一个向上的力来平衡机器人的重力,使其保持在壁面上。目前,吸附方式主要有
图11 单吸盘负压吸附爬壁机器人 图12
水冷壁检测机器人
真空负压吸附、磁吸附、螺旋桨推力及粘结剂等几种方式。由于这些吸附方式各自都有局限性,所研制的爬壁机器人往往针对性较强,只适用于某种特定任务,较难通用化。机器人的设计需要针对工作任务、环境,选取合适的吸附方式。近年来,人们通过研究壁虎等爬行动物脚掌的吸附机理,制作出高分子合成的粘性材料,这些材料利用分子与分子之间的范德华力,在很小的接触面积上就可获得巨大的吸附力,而且具有吸附力与表面材料特性无关的优点。但目前这些材料的使用寿命较短,使用一定次数之后就失去粘性,难以实用化,需要进一步进行
图13 球形壁面爬壁机器人
1996年以来,北京航空航天大学先后研制成功WASH-MAN,CLEANBOT1,SKYCLEAN,“吊篮式擦窗机器人”和“蓝天洁宝”等幕墙清洗机器人样机[14～16]。图14a为全气动擦窗机器人;图14b为吊篮式清洗机器人,机器人依靠楼顶上的安全吊索牵引移动,利用风机产生的负压使机器人贴附在壁面上;图14c为以国家大剧院椭球形顶棚清洗为应用背景研制的适用于复杂曲面的自攀爬式机器人样机,由攀爬机构、移动机构、清洗机构和俯仰调节机构组成[16～18]
。
研究。
2.2 移动机构及运动控制系统
爬壁机器人的移动机构主要有轮式、多足式、履带式等,其中,轮式和足式使用较为广泛,履带式多用于磁吸附方式。越障能力是爬壁机器人壁面适应性能的一个重要指标。当工作面上有凸起、沟槽时,机器人要通过这些障碍物,就必须有足够的越障能力。各种移动机构中,多足式机器人的越障能力较强,其每个腿部都置有小吸盘,当遇到障碍物时,可控制各个“腿”,使小吸盘逐个跨过障碍物。
壁面机器人的移动机构可以使机器人在可靠吸附的前提下能够在壁面上灵活移动。由于爬壁机器人工作于壁面的特殊性,移动机构常和吸附机构存在耦合,这给机器人的运动控制带来了一些困难。如多吸盘足式爬壁机器人,腿末端各有一个吸盘,每移动一个腿需要完成“消除吸力—抬腿—迈腿—落腿—产生吸附力”一系列动作。在此过程中,机器人移动机构的动作要和吸附机构相互协调,才能保证机器人在壁面上的灵活移动。此外,也有移动机构与吸附机构分离的,如单吸盘爬壁机器人,吸盘可持续吸附,驱动轮连续运动实现机器人的移
图14 3个壁面清洗机器人样机
近年来,上海交通大学也开展了爬壁机器人的研究。设计了一种自身无行走机构而依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机,如图15所示。机器人腹部的两个吸盘交替抬起和吸附可实现跨越水平窗框障碍运动[19]
。
动,运动控制较为简单。2.3 能源供应及驱动方式
能源供应方式有通过电线、管路为机器人提供电、气等能源的方式,也有自带电池、气瓶等方式。驱动方式主要有电机、气动等几种方式。爬壁机器人的设计尽量采用具有高功效质量比的驱动器和动力源,特别是采用无线控制情况下。采用电机驱动时,能源供应主要有聚合物锂电池、镍氢电池、电化学电池和燃料电池。此外,由于内燃机的能源———汽油、氢等燃料具有较高的能重比,先进的微型内燃机也可应用于爬壁机器人。
2.4 机器人安全措施
机器人的安全措施,即在受到外界干扰、环境变化情况下,
图15 壁面牵引式壁面清洗机器人样机
如何保证机器人安全附着于壁面而不至于坠落,或坠落后如何尽量减小机器人的损伤。过去所研制的高楼清洗爬壁机器人,大都采用由置于高楼顶上的运载小车、卷扬机构和系在机器人上的钢丝绳组成保险系统。而对于一些其他用途的机器人,比如侦查用的小型爬壁机器人,其目标并不确定,不能采用保险,。可以用降落
2 爬壁机器人的关键技术
,
4
机 械 设 计第25卷第4期
伞、小功率螺旋降落浆、快速撑起阻降板等,这些可能会成为未来爬壁机器人安全措施的发展方向。
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J].,,24(3):-64.
3 爬壁机器人的发展趋势
驱动、传感、控制等硬软件技术的发展极大地推动了爬壁机器人技术的发展,实际应用的需求也对爬壁机器人的发展提出了挑战,爬壁机器人的发展趋势归结起来主要有以下几方面。
(1)新型吸附技术的发展。吸附技术一直是爬壁机器人发展的一个瓶颈,它决定了机器人的应用范围。由于目前应用比较成熟的吸附技术都有很大的局限性,在很多情况下难以满足实际应用的要求。因此,开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向。模仿壁虎等动物脚掌的仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展的热点。
(2)爬壁机器人的任务由单一化向多功能化方向发展。过去所研制的爬壁机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业,作业任务往往只局限于单一的任务。而目前人们则希望爬壁机器人能够装备多种工具,在不同的场合进行工作。比如机器人能够在空间飞行器上进行安装及外部维护作业等。
(3)小型化、微型化是当前爬壁机器人发展的趋势。在满足功能要求的前提下,体积小、质量轻的机器人可较小能耗,具有较高灵活性,并且在某些特殊场合也需要机器人具有小的体积。各种微型驱动元件、控制元件及能源供应方式的发展,为小型化、微型化奠定了基础。
(4)由带缆作业向无缆化方向发展。由于爬壁机器人的作业空间一般都较大,带缆作业极大地限制了机器人的作业空间,所以,为了提高机器人的灵活性和扩大工作空间,无缆化成为现在和未来爬壁机器人的发展趋势。
(5)由简单远距离遥控向智能化方向发展。与人工智能相结合,使机器人在封闭环境中能够具有一定的自主决策能力,完成任务,并具有自我保护能力,是移动机器人发展的重要方向,也是爬壁移动机器人的重要发展方向。
(6)可重构是机器人适应能力的一项重要指标。为了使机器人能够应用于不同场合,根据任务需求,在不需要重新设计系统条件下,充分利用已有的机器人系统,应使机器人具有可重构性,即具有模块化结构。根据任务需求,把需要的模块直接连接起来组成新的机器人。
4 结束语
综上所述,经过多年的发展,爬壁机器人领域取得了丰硕的研究成果,并且在一些领域得到了实际应用,取得了良好的社会效益。仿生学、微机电一体化、新型驱动器、高分子材料等新技术、新理论的应用极大地推动了爬壁机器人的发展,使其功能越来越强大。爬壁机器人的研究正向着采用新型吸附方式、多功能化、小型化、无缆化、智能化、可重构化等方向发展。着眼未来,爬壁机器人必然会向更多的领域延伸发展,反恐排爆、侦察救灾及空间作业等将来或许会成为爬壁机器人大显身
第25卷第4期2008年4月
机 械 设 计
JOURNALOFMACHINEDESIGNVol.25 No.4
Apr. 2008
系列起重机产品快速设计方法研究
张立国,吴淑芳,秦慧斌,王宗彦
(中北大学机械工程与自动化学院,山西太原 030051)
＊
摘要:在知识工程(Knowledge-BasedEngineering,KBE)的基础上,借鉴参数化设计、产品族设计和自顶向下的装配设计思想,对三维软件SolidWorks进行二次开发,实现了系列桥式起重机产品的快速设计,进而实现自动生成符合企业标
准的工程图等功能。文中结合桥式起重机桥架设计系统的实例对这一技术进行了研究。
关键词:参数化设计;产品族设计;KBE;快速设计中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)04-0005-03
传统起重机产品利用二维CAD软件进行设计,设计同一系
列的不同型号产品需要重新计算参数,不但设计周期长,而且设计过程不够直观,很容易出现结构干涉、装配干涉等情况,不能为后续软件设计环境的有限元分析、模态分析等提供接口。目前,很多高校基于CAD软件进行二次开发研究已经初具规模。文献[1]中利用VB对AutoCAD进行二次开发,开发了一套可以自动生成图纸的起重机设计系统,但整个系统没有摆脱传统设计中二维CAD软件设计的局限性,工程设计人员设计工作量依然很大;文献[2]中提出了崭新的设计思想,基于三维设计软件SolidWorks进行桥架设计系统的二次开发,生成了一套简单的桥架设计系统,但依然存在很多实际应用不足的问题。融合以往研究中优秀的设计思想,文中从实用角度出发,进一步提升开发技术,使桥架设计系统最终应用于企业生产。
识和经验等。实现知识重用是知识工程KBE的核心所在[3]。
参数化设计是规格化、系列化产品设计的一种简单、高效、优质的设计方法。它一般是指零件或部件的形状比较固定,用一组参数约束该模型的结构尺寸与拓扑关系;参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系,当赋予不同的参数序列值时,就可驱动典型模型,生成满足设计要求的零件模型。
产品族设计是实现产品系列化和多样化的基本环节,它是一种利用有限的开发制造和服务,发展产品多样性的方法[4]。起重机零部件中槽钢、角钢、门、镶圈等零件结构具有多种可变的参数及性能指标,同时它们各自具有相似的结构,利用其结构相似性,建立产品族,生成产品的系列配置,并在KBE数据库中给出配置求解算法,即可实现桥式起重机桥架产品零部件的自动选型。
基于布局草图自顶向下的装配设计,充分利用装配草图与零件的装配关系,可以避免零件的局部修改或缺省零件对整个装配体生成所造成的影响,设计人员可以自由地对装配中的零件进行修改和替换,通过控制布局草图参数来驱动整个产品模型,从而生成三维实体模型。
在KBE设计环境中,综合利用上述设计思想开发桥式起重机桥架设计系统。桥式起重机桥架产品设计中融合了起重机设计方法和技术中心专家的经验数据。
1 设计思想
起重机桥架设计系统的开发,是基于SolidWorks设计平台,综合利用KBE设计思想、参数化设计思想及产品族设计思想,采用基于布局草图的自顶向下的装配设计方法。
KBE是对领域专家知识的继承、集成、创新和管理,着眼于帮助用户进行产品工程设计,如产品的造型、分析、检测、制造评价、工艺规划等,并且可以获取和重用与产品开发有关的知
[18] 唐伯雁,张慧慧,费仁元,等.自攀爬式幕墙清洗机器人设计
[J].制造业自动化,2004,26(2):46-48.
[19] 钱志源,刘仁强,赵言正,等.一种壁面牵引移动式玻璃幕墙清
洗机器人样机[J].上海交通大学学报,2006(11):1818-1826.
signmentunderlimitedconditionsandisoneofthecurrentlyre-searchinghotspotsinroboticfields.Afewresearchingachievementsthatpossessrepresentative-nessinthefieldsofwall-climbingrobotsathomeandabroadwereintroducedinthispaperandtheircharac-teristicswereanalyzed.Takingtheseasabaseinquiriesonthedif-ficultproblemsintheoryandintechniquesofwall-climbingrobotshavebeencarriedthroughandthefuturedevelopingtrendsofwall-climbingrobotswereputforward.
Keywords:wall-climbingrobot;absorptiontechnology;loco-motiontechniques;theoreticalandtechnicaldifficultproblems;de-velopingtrend
Fig15Tab0Ref19
“JixieSheji”7444
Researchingheadwayofwall-climbingrobotsFUYi-li,LIZhi-hai(ResearchInstituteofRobot,HarbinPolytechnicUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Wallclimbingrobotisanimportantbranchinthefieldofmobilerobots.Itcouldmovenimblyontheverticalwallsurfaceandreplacemanualworktoaccomplishmultipletaskas-
＊收稿日期:2007-07-18;修订日期:2007-10-18
基金项目:国家863计划资助项目(2005AA415240)
(-),男,,:。
工业机器人
一． 选择题(30分)
1.机器人要完成任意一个空间作业，一般需要（C）个自由度。
A．3个 B 4个C 6个 D 7个
2.机器人手臂应具有足够的承载能力和刚度，其支撑板通常选用的材料为
（C）
A圆刚管 B 方刚管
C 工子刚 D 异性刚管
3.常用的三自由度手腕不包括哪种形式（A）
A.BBB手腕 B BBR手腕 C RRR手腕 D RBR手腕
4.单自由度机器人手腕的翻转运动通常有（C）实现
A.B关节 B T关节 C R 关节 D.G关节
5.手爪开合常用的驱动方式是（B）
A．液压传动 B.气压传动 C.电气驱动 D.其它形式驱动
6.真空吸附式机器人手部不适用于搬运那种工件（D）
A．表面有孔工件 B.非铁磁材料工件 C.聚乙烯薄膜
D.体积小，质量大的工件
7.动坐标系{0/，u，v，w}与固定坐标系{0，X，Y，Z}初始位置重合，动坐标系作如下运动:绕X轴转动a，绕W轴a,绕有Y 轴转动a。求齐次变换矩阵T（B）
A．T=Rot(x,a) Rot(z,a) Rot(y,a) B. T=Rot(y,a) Rot(x,a) Rot(z,a)
C．T=Rot(y,a) Rot(z,a) Rot(x,a) D. T=Rot(z,a) Rot(x,a) Rot(y,a)
8.下列关于机器人逆运动学的特性说法不正确的是（A）
A． 一定有解 B.解可能不存在 C.可能具有多重解 D.求解方法的多样性
9.已知V为机器人末端在操作空间的广义速度，q
为机器人关节在关节空间中的关节速度，J为其速度雅可比矩阵，则下列 成立的等式为（A）
A．V=J q B.V=J−1q C.V=JTq D. q =JTV
10.手部端点力和广义关节力矩t之间的线性映射关系等式为（B）
A t=JF B t=JT F C t=J−1F D t=FJ
二． 判断题（10分）
1.机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能少于六个自由度，也可能多于六个自由度。（√）
2.工业机器人的自由度一般是4-6个。（√）
3.RR二自由度手腕实际只是构成单自由度功能（√）
三． 简答题（30分）
1. 一般来说，机器人应该具有哪三大特征？
答：拟人功能、可编程、通用性 详见书p2
2.简述机器人的组成部分及其作用。
答：机器人是由机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四部分组成。
其中，机械系统由机身、肩部、手腕、末端操作器和行走机构组成；工业机器人的机械系统的作用相当于认得身体。
驱动系统可分为电气、液压、气压驱动系统以及它们结合起来应用的综合系统组合；该部分的作用相当于人的肌肉。
控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能；该部分的作用相当于人的大脑。
感知系统由内部传感器和外部传感器组成。其中，内部传感器
用于检测各关节的位置、速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息；外部传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度、接触程度等，用于引导机器人，便于其识别物体并作出相应的处理。该部分的作用相当于人的五官。
3.简述D-H参数法建立Zi轴 Xi 和Yi 轴的方法，并指出包含哪些D-H参数，如何定义这些参数？
四．计算题（30分）
1.如图所示的2R平面机械手，关节变量及连杆参数如图所示，建立关节坐标系，列出各连杆参数，并写出机械手末端中心点p的运动学方程？
6. 齐次坐标。 P51
将一个 n 维空间的点用 n+1 维坐标表示，则该 n+1 维坐标即为 n 维坐标的齐次坐
标。
7. 欧拉角 P62
用来确定定点转动刚体位置的三个一组独立转动角参量，其中每次转动都是相对于动坐
标系进行的
8. 运动学逆解问题 P73
在机器人运动学分析中，已知末端执行器要达到的目标位姿，求解所需的关节变量值叫
做运动学逆解问题。
9. 速度雅克比矩阵 P81
速度雅克比矩阵是一个把关节速度矢量 变换为机器人手爪相对基坐标即固定坐标的广义速度矢量 v的变换矩阵。
10. 广义坐标
用来描述系统位形所需要的独立参数或者最少参数叫做广义坐标。
11. RPY 角 P60
RPY 角是描述船舶在大海中航行或者飞机在空中飞行时姿态的一种方法。将船的行驶方
向取为 z 轴，则 R 表示绕 z 轴的回转（а）；将船体的横向取为 y 轴，则 P 表示绕 y 轴俯仰（β）；将垂直于船体的方向取为 x 轴，则 Y 表示绕 x 轴的偏角（γ）。
12. 运动学的正解问题
在机器人的运动学分析中，已知各关节变量值，求末端执行器要达到的目标位姿
13. 力雅可比矩阵 P88
在机器静力计算中把手部端点力矢量 τ 的变换矩阵
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