真空吸附式壁面清洗機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機(jī)器人的開發(fā)和應(yīng)用，拓展了人類的生產(chǎn)能力，解放了危險(xiǎn)環(huán)境下的工作人員，極大地推動(dòng)了人類科技革命和社會(huì)進(jìn)步，多足式爬壁機(jī)器人屬于極限作業(yè)機(jī)器人的一種，廣泛應(yīng)用于清洗，消防，檢測等多個(gè)行業(yè)。</p><p>　　本文在國內(nèi)外現(xiàn)有壁面移動(dòng)機(jī)器人研究成果的基礎(chǔ)上。結(jié)合壁面作業(yè)的特點(diǎn)對(duì)壁面機(jī)器人的吸附技術(shù)，行走

2、技術(shù)進(jìn)行了研究分析，并創(chuàng)造性的提出了壁面越障技術(shù)，本文主要的研究工作如下：</p><p>　　首先，追溯國內(nèi)外壁面機(jī)器人研究的歷史背景、總體類別與特點(diǎn)，及其發(fā)展態(tài)勢，總結(jié)出壁面攀爬機(jī)器人的研究特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)所在。</p><p>　　其次，本文根據(jù)機(jī)器人實(shí)際工作的要求，主要對(duì)高空清潔衛(wèi)士機(jī)器人越障系統(tǒng)中的腿部機(jī)構(gòu)、吸附結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)。</p><p>　　

3、最后，本文在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)考慮輕量化和安全可靠性要求，對(duì)機(jī)器人的吸附、越障機(jī)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　： </b></p><p>　　壁面越障；腿式結(jié)構(gòu)；真空吸盤；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；周期性步態(tài)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>

4、　　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 revo

5、lution 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.</p><p>　　Based on the

6、 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,

7、 and creatively put forward the wall climbing technique, the main research work of this article are as follows:</p><p>　　Firstly, the historical background, the overall classification and characteristics of

8、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.</p><p>　　Secondly, in the

9、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,

10、 and simulation results under the Simulation simulation platform.</p><p>　　Again, this paper clearly on the wall robot based on the constraint conditions and the basic function, carries on the analysis and t

11、he design of wall climbing robot gait, elaborate periodic gait and its realization ways, fully demonstrated the periodic gait and the principle of robot.</p><p>　　Finally, based on the design process of stru

12、ctural parts, considering the requirements of lightweight and safe reliability, adsorption, obstacle crossing mechanism of the robot is carried on strength and optimization design.</p><p><b>　　Xxxx；xxx

13、；</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論…………………………………………………×</p><p>　　1.1 課題研究背景、目的、及其意義………………………×</p><p>　　1.2 國內(nèi)外壁面機(jī)器人研究現(xiàn)狀……………………………&#

14、215;</p><p>　　1.2.1國外研究現(xiàn)狀………………………………………×</p><p>　　1.2.1國外研究現(xiàn)狀………………………………………×</p><p>　　1.3 現(xiàn)有爬壁機(jī)器人類型比較分析…………………………×</p><p>　　第二章 新型越障式-高空清潔衛(wèi)士總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………&

15、#215;</p><p>　　2.1新型越障式-高空清潔衛(wèi)士的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與要求…………×</p><p>　　2.2新型越障式-高空清潔衛(wèi)士行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)………………× </p><p>　　2.3新型越障式-高空清潔衛(wèi)士越障系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………×</p><p>　　2.3.1新型越障式-高空清潔衛(wèi)士腿

16、部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)……×</p><p>　　2.3.2新型越障式-高空清潔衛(wèi)士吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)……×</p><p>　　2.3.3新型越障式-高空清潔衛(wèi)士硬件驅(qū)動(dòng)的選擇……×</p><p>　　2.4新型越障式-高空清潔衛(wèi)士總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　第三章 基于Unigraphics NX的三維建模技術(shù)…

17、…………×</p><p>　　3.1 引言………………………………………………………×</p><p>　　3.2 Unigraphics NX簡介……………………………………×</p><p>　　3.3 Unigraphics NX建模方法……………………………×</p><p>　　3.3.1自

18、底而上……………………………………………×</p><p>　　3.3.2自頂而下……………………………………………×</p><p>　　3.3.3兩種建模方式的比較………………………………×</p><p>　　3.4 新型越障式-高空清潔衛(wèi)士建模實(shí)例………………×</p><p>　　3.4.1腿

19、部機(jī)構(gòu)的建?！?#215;</p><p>　　3.4.2主要部件的裝配……………………………………×</p><p>　　第四章 機(jī)器人關(guān)鍵部分校核與有限元分析……………×</p><p>　　4.1 新型越障式-高空清潔衛(wèi)士附著技術(shù)選擇………………×</p><p>　　4.2 真

20、空吸附機(jī)構(gòu)受力與安全性分析………………………×</p><p>　　4.2.1抗滑落條件…………………………………………×</p><p>　　4.2.2抗傾覆條件…………………………………………×</p><p>　　4.3 腿部連桿的校核及有限元分析…………………………×</p><p>　　4.3

21、.1腿部連桿的強(qiáng)度校核………………………………×</p><p>　　4.3.2腿部連桿有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化…………………×結(jié)論…………………………………………………………………×</p><p>　　致謝……………………………………………………………×</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………&

22、#215;</p><p>　　附錄……………………………………………………………×</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1課題研究背景、目的及其意義</p><p>　　機(jī)器人是近代電子技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是集計(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

23、術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、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，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生根本性的變化，而且將對(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。</p><p>　　對(duì)于機(jī)器人的分類，目前國際上沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)^我國的機(jī)器人專家按照機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)C(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人兩大類。其中，壁面攀爬機(jī)器人是一種能夠在垂直陡壁或者高空極限位置進(jìn)行作業(yè)從而服務(wù)

24、于人類的特種機(jī)器人。目前，壁面機(jī)器人已經(jīng)在建筑業(yè)、核工業(yè)、消防部門、石化行 業(yè)以及造船業(yè)等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域得到研制和應(yīng)用。</p><p>　　隨著社會(huì)的高速發(fā)展，高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)景，并大都采用玻璃幕墻。而許多開放性城市都規(guī)定，每年應(yīng)對(duì)高樓進(jìn)行定期清洗。長期以來，對(duì)高層建筑的清洗工作主要是由人工完成的。這種“一桶水、一根繩、一塊板”的人工作業(yè)方式效率很低，清洗一幢大樓有時(shí)

25、要耗時(shí)數(shù)天乃至數(shù)十天，耗資巨大，而且稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)事故，造成傷亡，“蜘蛛人”高空作業(yè)，清潔危險(xiǎn)，效率低，成本高。近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種狀況巳經(jīng)有所改善。目前在國內(nèi)己經(jīng)采用升降平臺(tái)或吊籃搭載清潔工對(duì)大樓進(jìn)行清洗，或者在設(shè)計(jì)建筑的時(shí)候考慮清洗系統(tǒng)。但是這種改善的方式對(duì)建筑本身有一定的要求，起到的作用非常有限，因此，人們迫切希望能設(shè)計(jì)制造出一種可以完全代替人工完成高層建筑清洗任務(wù)的裝置。</p><p>

26、　　壁面清洗機(jī)器人是以清洗高層建筑為目的的壁面移動(dòng)機(jī)器人，它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大 地推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，在其他一些工業(yè)領(lǐng)域，壁面消防機(jī)器人、壁面檢測機(jī)器人、壁面噴 涂機(jī)器人、壁面清污機(jī)器人等也起到代替人類在髙溫、高壓、有毒、濃煙、放射 性等艱險(xiǎn)惡劣的環(huán)境中完成復(fù)雜作業(yè)的作用。因此，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項(xiàng)研究工作。</p>

27、<p>　　我國從1987年實(shí)施國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃以來，把智能機(jī)器人確立為自動(dòng)化領(lǐng)域的主體之一，在特種機(jī)器人、機(jī)器人應(yīng)用工程、機(jī)器人基礎(chǔ)學(xué) 科等方面取得了很大成績，壁面攀爬機(jī)器人由于其特殊的作用己越來越受到人們的重視。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外壁面機(jī)器人研究現(xiàn)狀</p><p>　　第一個(gè)爬壁機(jī)器人于1966年由日本的西亮教授研制出，之后便在日本得到快速地

28、發(fā)展。美國、俄羅斯、西班牙、英國、德國、韓國等國相繼研制出一些各具特色的壁面移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。20世紀(jì)80年代以來，我國在國家自然基金和863計(jì)劃的大力支持下，從上世紀(jì)90年代中期也相繼開發(fā)出一些壁面移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)，并在爬壁機(jī)器人領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展。</p><p>　　1.2.1國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　壁面移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠在垂直壁面進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)的極限作業(yè)機(jī)器人，世界機(jī)器

29、人大國日本在極限作業(yè)機(jī)器人研究方面尤為積極。早在1966年，在大阪府立大學(xué)工學(xué)部任講師的西亮利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓空氣產(chǎn)生的負(fù)壓作為吸附力制作了一臺(tái)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)。1975年，已經(jīng)身為宮崎大學(xué)工學(xué)院部教授的西亮又制作了以實(shí)用化為目標(biāo)的二號(hào)樣機(jī)，這是個(gè)單吸盤結(jié)構(gòu)、靠輪子行走的壁面移動(dòng)機(jī)器人。從此以后各國著名的大學(xué)、研究所、公司紛紛投入力量廣泛開展用于極限作業(yè)的壁面移動(dòng)式機(jī)器人的研究。</p><p>&

30、lt;b>　　(1)日本</b></p><p>　　圖1-1 “Walker”機(jī)器人 圖1-2履帶式壁面移動(dòng)機(jī)器人</p><p>　　1978年，化工機(jī)械技術(shù)服務(wù)株式會(huì)社制作了一種叫Walker的壁面移動(dòng)機(jī)器人。如 圖1-1所示，該機(jī)器人采用了單吸盤結(jié)構(gòu)。用真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，行走機(jī)構(gòu)采用上下兩個(gè)行走滾子和左右兩條行走皮帶的驅(qū)動(dòng)。滾子和皮帶自然組成一個(gè)真空

31、腔體。轉(zhuǎn)向通過左右滾輪和皮帶的速度差來實(shí)現(xiàn)。Walker既有吸附功能又有行走功能。但它有一個(gè) 嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即：壁面上有裂縫時(shí)，真空難以維持。圖1-2所示為關(guān)西電力株式會(huì)社研制的真空吸附履帶式結(jié)構(gòu)壁面移動(dòng)機(jī)器人。利用均布于履帶和車體底部的吸盤，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力差。</p><p>　　圖1-3日本的尺蠖機(jī)器人 圖1-4氣體馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)器&

32、lt;/p><p>　　圖1-3為日本宮崎大學(xué)設(shè)計(jì)的采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、真空吸附5自由 度壁面移動(dòng)機(jī)器人，吸盤直徑為16.5cm，腿長70cm，重12kg。2個(gè)踝關(guān)節(jié)各有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，中間的膝關(guān)節(jié)為1自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)副，機(jī)器人可繞其中一條腿轉(zhuǎn)向，能在水平面，垂直面及天花板之間移動(dòng)。但其尺寸及重量大，機(jī)器人只能以有限的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，限制了機(jī)器人的靈活性。圖1-4為日本宮崎 大學(xué)提出的另一型采用空氣馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、真空吸附的5自由

33、度尺蠖式機(jī)器人，各關(guān)節(jié)布置與前一型機(jī)器人相似，設(shè)計(jì)著眼點(diǎn)在于真空吸盤需要使吸盤內(nèi)產(chǎn) 生負(fù)壓的抽氣機(jī)，而所抽出的氣體可提供給他們自行設(shè)計(jì)的低壓氣動(dòng)馬達(dá)，從而產(chǎn)生行走所需的驅(qū)動(dòng)力，利于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的無纜化。但由于低壓氣體馬 達(dá)的頻響較慢，系統(tǒng)的動(dòng)特性不好，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)的限制不易小型化。</p><p><b>　　美國</b></p><p>　　圖1-5 ROBIN ro

34、bot 圖 1-6 ROSTAM-IVrobot </p><p>　　如圖1-5所示為美國Wichita大學(xué)研制用于空間飛行器檢修的爬行機(jī)器 人第四代樣機(jī)ROSTAM-IV。該機(jī)器人采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，真空吸盤為吸附機(jī)構(gòu)，具有4自由度，踝關(guān)節(jié)類似于ROBIN，但膝關(guān)節(jié)為移動(dòng)副，能實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的三維運(yùn)動(dòng)，但其運(yùn)動(dòng)空間較膝關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)副的機(jī)器人要小，不具備凸過渡能

35、力。吸盤直徑為11.35cm,展開時(shí)長1.2m,質(zhì)量4Kg</p><p>　　a) FLIPPER 機(jī)器人 b) CRAWLER 機(jī)器人</p><p>　　圖1-7尺蠖式機(jī)器人</p><p>　　圖1-7為美國密執(zhí)根州立大學(xué)研制的微小型尺蠖式機(jī)器人樣機(jī)。圖a)所示的第一代機(jī)器人FLIPER為由3個(gè)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)關(guān)節(jié)的

36、欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)與具有兩自由度的踝關(guān)節(jié)中的1個(gè)自由度耦合。雙足末端真空吸盤能有效吸附地板、墻壁及天花板，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)形式可以減輕機(jī)器人的重量，減少能耗，但控制復(fù)雜而且減少了機(jī)器人的自由度，因而降低了機(jī)器人的靈活性，只能以空翻的方式運(yùn)動(dòng)。第二代機(jī)器人CRAWLER[92]的膝關(guān)節(jié)采用了移動(dòng)副，機(jī)器人以仿尺蠖蠕動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人248mm，寬45mm，重335g，裝備小型攝像機(jī)、溫度及紅外傳感器、麥克風(fēng)，能在人不

37、能到達(dá)或不宜到達(dá)的地方搜集有用信息。</p><p><b>　　英國</b></p><p>　　圖 1-8 NERO 機(jī)器人 圖 1-9 SADIE 機(jī)器人</p><p>　　圖1-8所示為英國的Portsmouth大學(xué)研制研制的平面運(yùn)動(dòng)型用于核電 站反應(yīng)堆壓力罐外表面作業(yè)的壁面移動(dòng)機(jī)器人NERO，該機(jī)器人

38、采用框架式結(jié)構(gòu)，在每個(gè)框體上設(shè)有一組真空吸盤，吸盤的伸縮及框架之間的直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)由氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。圖1-9為針對(duì)核反應(yīng)堆冷卻管焊接檢查研制的機(jī)器人SADIE，該機(jī)器人在借鑒NERO機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，尺寸為 640mmx400mmx 180mm。</p><p>　　圖 1-8 NERO 機(jī)器人 圖 1-9 SADIE 機(jī)器人</p><p>

39、;　　英國 Portsmouth 大學(xué)研制了用于核電站檢測及維護(hù)的仿螃蟹及蜘蛛的8足壁面移動(dòng)系列機(jī)器人，采用真空吸附方式，足末端安裝真空吸盤。如圖1-8所示為ROBUIII機(jī)器人，該機(jī)器人長0.8m，寬0.6m，高0.6m，腿長1m，負(fù)載25Kg，行走速度6m/min，拖纜（包括電源線、氣管、通訊線及視頻信號(hào)線），半自主控 制，每條腿為3桿機(jī)構(gòu)，具有4個(gè)自由度，由氣缸驅(qū)動(dòng)，具有壁面過渡功能。如圖1-9所示為ROBUG IV機(jī)器人，該機(jī)器

40、人采用了與ROBUIII相同的機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)形式，并進(jìn)行了小型化，采用CAN總線進(jìn)行分布式控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自主全方位運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人長0.3m，寬0.45m ，高0.3m,腿長0.7m， 重40Kg，負(fù)載5Kg。</p><p><b>　　韓國</b></p><p>　　圖 1-10 ROBUGII 機(jī)器人 圖 1-11MRWALLSPE

41、CTIII 機(jī)器人</p><p>　　圖1-10為英國的Portsmouth大學(xué)研制的ROBUGII壁面移動(dòng)機(jī)器人，采用了4足結(jié)構(gòu)，每條腿具有3個(gè)自由度，軀干具有1個(gè)自由度，由氣缸驅(qū)動(dòng)，重12Kg，負(fù)載12Kg，具有壁面過渡能，采用分布式控制方法。仿蜘蛛腿結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人具有很好的靈活性和越障能力。但是，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)速度僅有 0.6m/min。</p><p>　　圖1-11為韓國研

42、制的MRWALLSPECT-III的多關(guān)節(jié)四足壁面移動(dòng)機(jī)器人，具有壁面過渡功能，每條腿具有3個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)自由度及1個(gè)被動(dòng)踝關(guān)節(jié)自由度，末端為對(duì)稱布置的3個(gè)真空吸盤，由4個(gè)并聯(lián)的真空泵發(fā)生真空，采用嵌入式控制器，無線局域網(wǎng)通訊，拖纜提供電源。</p><p>　　1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國的機(jī)器人事業(yè)起步較晚，主要起步于在20世紀(jì)80年代術(shù)90年代初，但通過多年的

43、努力，但也取得了不少的成績”近些年來，多足步行機(jī)器人技術(shù)也有了較大的發(fā)展。中國科學(xué)院長奮光學(xué)精密機(jī)械研宄所、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研宄所、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位和院校都先后開展了多足步行機(jī)器人技術(shù)的研宄。</p><p>　　1991年，上海交通大學(xué)電力學(xué)院潘俊民教授研制的四足機(jī)器人通過鑒定，這是我國第一臺(tái)具有多功能的四足步行機(jī)器人，如圖1.12所示。此外比較有代表性的有上海交通大學(xué)研制的小型

44、六足仿生機(jī)器人。此外還研制了仿哺乳動(dòng)物關(guān)節(jié)的 的四足步行機(jī)器人，它能以對(duì)角線步態(tài)行走，通過上位機(jī)利用模糊神經(jīng)反饋信息 進(jìn)行處理，調(diào)整步行參數(shù)，提高了步行的穩(wěn)定性。</p><p>　　圖1-12我國第一臺(tái)具有多功能的四足步行機(jī)器人 </p><p>　　90年代中期清華大學(xué)相繼開發(fā)了所示雙三足步行機(jī)器人DTWM，如圖1.13所示，進(jìn)行了全方位雙三足步行機(jī)步行理論及其運(yùn)動(dòng)學(xué)研宄，還提出了主動(dòng)

45、跟蹤 被動(dòng)基準(zhǔn)方法及調(diào)制擺概念。此外還研制了五足步行機(jī)WZ-2，如圖1.14所示。</p><p>　　圖1.13 DTWM雙三足步行機(jī)器 圖1.14 WZ-2五足步行機(jī)</p><p>　　2005年11月15日，哈爾濱工程大學(xué)研制成功一種模塊化多足機(jī)器人，如圖 1.15。該機(jī)器人采用仿生學(xué)原理，模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有二十四個(gè)自由度，可類似人體關(guān)節(jié)曲

46、伸，通過遙控方式可實(shí)現(xiàn)爬行功能。該機(jī)器人目前有八只腳，還可利用模塊拼接的方法增加腳的數(shù)量。并可廣泛應(yīng)用于探險(xiǎn)、搜救、 火山監(jiān)測等領(lǐng)域。</p><p>　　圖1-15哈爾濱工程大學(xué)多足機(jī)器人</p><p>　　北京航空航天大學(xué)自1996年以來，在國家“863”計(jì)劃的大力資助下，先 后研制成功了 WASHMAN、CLEANBOTI、SKYCLEAN、“靈巧型擦窗機(jī)器人”、“吊籃式擦窗機(jī)器人

47、”、“藍(lán)天潔寶”等系列幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)（圖1-16),工作效率高，具有很高的實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　(a)WASHMAN (b)SKYCLEAN (c)藍(lán)天潔寶</p><p>　　圖1-16北京航空航天大學(xué)研制的部分壁面清洗機(jī)器人</p><p>　　1.3現(xiàn)有爬壁機(jī)器人類型比較分析&l

48、t;/p><p>　　根據(jù)對(duì)國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研宄狀況分析，爬壁機(jī)器人能在壁面或復(fù)雜接觸面上進(jìn)行作業(yè)，大多依賴一下三種吸附方式作為保障：真空吸附、磁力吸附和推力吸附。其中，真空吸附方式不受被吸附材料的限制，適用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。壁面機(jī)器人因移動(dòng)方式的不同，又包括：輪式多足式爬壁機(jī)器人、履帶式多足式爬壁機(jī)器人、腳步行走式多足式爬壁機(jī)器人等。輪式多足式爬壁機(jī)器人移動(dòng)速度快，容易控制，轉(zhuǎn)向靈活，但是與壁面接觸面積小，容易導(dǎo)

49、致吸附不可靠；履帶式多足式爬壁機(jī)器人接觸面積大，壁面適應(yīng)強(qiáng)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，不易轉(zhuǎn)彎，不易跨越障礙；腳步行走式爬壁機(jī)器人，有較大的負(fù)載能力，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，容易實(shí)現(xiàn)跨越障礙，但是行走速度較慢。這些不同的吸附方式和不同的移動(dòng)方式構(gòu)成多種風(fēng)格的多足式爬壁機(jī)器人。</p><p>　　綜上所述，國內(nèi)外現(xiàn)有機(jī)器人較多采用真空吸附方式和腳步行走方式分別進(jìn)行行走和越障，但是由于運(yùn)動(dòng)緩慢，越障范圍小，從而限制了壁面機(jī)器人的應(yīng)用

50、。因而，根據(jù)要求，設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)高效率、可靠行走，大范圍越障的壁面清潔機(jī)器人具有重要的意義。</p><p>　　第二章 新型越障式-高空清潔衛(wèi)士總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1新型越障式-高空清潔衛(wèi)士的要求與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則</p><p><b>　?。?）要求 </b></p><p>　　壁面攀爬越障機(jī)器人的總

51、體機(jī)構(gòu)即運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，主要包括行走機(jī)構(gòu)、越障機(jī)構(gòu)、吸附方式和驅(qū)動(dòng)方式等四大結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的行走方式取決于對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境、移動(dòng)速度、移動(dòng)連續(xù)性、行走控制難易程度的要求；越障方式取決于避障能力以及承載能力；吸附方式取決于有吸附力、結(jié)構(gòu)重量、壁面適應(yīng)性、密封性要求、尺寸要求以及避障要求；而影響驅(qū)動(dòng)方式的因素主要有控制距離、信號(hào)轉(zhuǎn)換、技術(shù)成熟性、構(gòu)造難度、可靠性及可控性等。</p><p><b>　　（2）設(shè)計(jì)準(zhǔn)

52、則</b></p><p>　　機(jī)器人的構(gòu)型取決于機(jī)器人的作業(yè)目的和工作環(huán)境，壁面清洗機(jī)器人的構(gòu)型根據(jù)器人的模型構(gòu)建、功能指標(biāo)及約束條件進(jìn)行選擇。新型越障式-高空清潔衛(wèi)士從功能、用途講屬于服務(wù)機(jī)器人的范疇，其工作部必須符合服務(wù)所規(guī)定的要求，但其作業(yè)環(huán)境是垂直或近似垂直的壁面，對(duì)機(jī)器人工作的可靠性與安全性要求更高。</p><p>　　為此，提出了如下的機(jī)構(gòu)選型原則：</p

53、><p>　　（a）考慮工作空間的要求根據(jù)要求選擇機(jī)器人必需的自由度數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行合理的配置。</p><p>　　(b) 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍要盡可能大這樣可大大增加機(jī)器人的工作空間，增強(qiáng)其適應(yīng)能力。</p><p>　?。╟）機(jī)構(gòu)形式要合理這涉及到運(yùn)動(dòng)副形式的合理選擇和配置，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最佳傳遞方式和路線，驅(qū)動(dòng)裝置的最佳速比和空間配置等。如果機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉

54、或驅(qū)動(dòng)裝置無法設(shè)置，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)等問題。</p><p>　　(d) 機(jī)器人要求具有相對(duì)較小的體積和重量，一方面提高機(jī)器人的負(fù)載能力；另一方面，機(jī)器人損耗低，能源利用率高，續(xù)航能力強(qiáng)。</p><p>　?。╡）具有較高的安全性，因?yàn)闄C(jī)器人以壁面爬行和越障為主，必須嚴(yán)格保證機(jī)器人的工作穩(wěn)定性和安全性，否則將對(duì)機(jī)器人造成嚴(yán)重?fù)p壞。</p><p>　　2.2新型越障式

55、-高空清潔衛(wèi)士行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　?。ㄒ唬┏Ｒ姳诿鏅C(jī)器人行走機(jī)構(gòu)</p><p>　　目前最常見的壁面攀爬機(jī)器人采用的移動(dòng)方式有以下幾種：</p><p>　　車輪式壁面攀爬機(jī)器人</p><p>　　車輪式壁面攀爬機(jī)器人以一個(gè)或多個(gè)輪子在電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)機(jī)器人行走，該類機(jī)器人移動(dòng)速度較快，行走控制簡單，著地面積小，維

56、持吸附力較困難。</p><p>　?。?）履帶式壁面攀爬機(jī)器人</p><p>　　履帶式壁面攀爬機(jī)器人由電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)或多個(gè)無軌道履帶推動(dòng)機(jī)器人行走，該類機(jī)器人接觸面積大，對(duì)于壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，但體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且運(yùn)動(dòng)時(shí)不易轉(zhuǎn)彎。</p><p>　?。?）框架式壁面攀爬機(jī)器人</p><p>　　框架式壁面攀爬機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，兩組吸盤

57、用具有若干相對(duì)自由度的機(jī)構(gòu)連接。當(dāng)一組吸盤吸附工作時(shí)，另一組吸盤可以移動(dòng)行走或轉(zhuǎn)動(dòng)方向。這種機(jī)構(gòu)具有較好的越障能力和承載能力，但行走速度較慢。</p><p>　?。?）足腳式壁面攀爬機(jī)器人</p><p>　　足腳式壁面攀爬機(jī)器人通過多個(gè)腳按照一定的次序?qū)Ρ诿孢M(jìn)行吸附與脫離，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng).該類機(jī)器人機(jī)動(dòng)性較好，可以適應(yīng)不同形狀的壁面，有較強(qiáng)的越障能力等。但具有冗余自由度的多足運(yùn)動(dòng)

58、協(xié)調(diào)控制有定難度，而且行走速度較慢。</p><p>　　新型越障式-高空清潔衛(wèi)士行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　鑒于壁面越障清洗機(jī)器人工作環(huán)境較差，對(duì)壁面的適應(yīng)性要強(qiáng)。并且具有一定的越障能力，考慮到越障系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)方式，新型越障式-高空清潔衛(wèi)士采用履帶式行走結(jié)構(gòu)，與壁面的基礎(chǔ)面積大，能提供較大的驅(qū)動(dòng)力，工作可靠、穩(wěn)定。利用布進(jìn)電機(jī)分別控制，轉(zhuǎn)向和移動(dòng)靈活性增強(qiáng)。</p>

59、<p>　　2.3新型越障式-高空清潔衛(wèi)士越障系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.3.1新型越障式-高空清潔衛(wèi)士腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p><p>　　(1)腿部機(jī)構(gòu)的基本要求</p><p>　　壁面越障清洗機(jī)器人的越障機(jī)構(gòu)即:腿部機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的一個(gè)重要的組成部分，也是本課題主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)之一。</p><p>　　機(jī)器人腿部

60、機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，一般不能簡單使用步行動(dòng)物的腿機(jī)構(gòu)。壁虎機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)分為開鏈機(jī)構(gòu)和閉鏈機(jī)構(gòu)兩大類。開鏈機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是工作空間大，結(jié)構(gòu)簡單，但承載能力小。閉鏈機(jī)構(gòu)一般剛性好，承載能力大，功耗小，但工作空間有局限性。</p><p>　　根據(jù)課題的具體要求，腿部結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障功能，且機(jī)器人越障過程中必須始終有可靠的吸附力維持工作連續(xù)性。一方面，我們考慮使用鏈接方式鏈接吸盤，相比于固定連接的吸盤結(jié)構(gòu)，鉸接具有適應(yīng)

61、能力較好，并能補(bǔ)償制造和安裝誤差，對(duì)復(fù)雜壁面的適應(yīng)性增強(qiáng)；另一方面，腿部桿件之間也通過鏈接方式連接，只需控制桿件的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度即可精確控制機(jī)器人越障的高度和寬度。</p><p>　　從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求看，腿部機(jī)構(gòu)還不能過于復(fù)雜，桿件太多的腿部機(jī)構(gòu)會(huì)存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)的困難。綜上所述，對(duì)壁虎機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)的基本要求可以歸納為：</p><p><b>　　實(shí)現(xiàn)越障的要求;</

62、b></p><p><b>　　承載能力的要求;</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和方便控制的要求。</p><p><b>　　腿的結(jié)構(gòu)及其配置</b></p><p><b>　　(A)腿的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　根據(jù)課題的要求

63、，吸盤與腿桿，腿桿與腿桿之間通過鉸鏈連接。新型越障式-高空清潔衛(wèi)士腿部結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)如圖：</p><p>　　（a）大腿結(jié)構(gòu) （b）小腿結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.1高空清潔衛(wèi)士腿部結(jié)構(gòu)</p><p>　　機(jī)器人工作的穩(wěn)定性，一方面，根據(jù)真空系統(tǒng)中的壓力傳感器，確保工作機(jī)器人可靠地吸附在要求壁面上；另一方面，腿部末

64、端吸盤的布置形式對(duì)吸盤組的性能也有很大的影響,吸盤的幾種布置形式主要有：環(huán)形布置、矩形布置、三角布置和直線布置等（如圖2.2）。其中,環(huán)形吸盤組各個(gè)方向的特性近似相等；矩形吸盤組兩個(gè)正交方向的抗傾覆性能相差較大；三角吸盤組兩個(gè)相反方向的抗傾覆能力相差很大,適合于一邊受壓一邊受拉的場合;本文根據(jù)清洗機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)情況，腿部結(jié)構(gòu)選擇的是三角布置形式.三維結(jié)構(gòu)(如圖2.3)。</p><p>　?。╝）直線布置

65、 （b）環(huán)形布置 （c）矩形布置 （d）三角形布置</p><p>　　圖2.2吸盤組的布置形式</p><p>　　圖2.3吸盤組的布置三維結(jié)構(gòu)</p><p>　　（B）腿的數(shù)量及其配置</p><p>　　現(xiàn)有的越障機(jī)器人的足數(shù)分別為一足、二足、三足、四足、六足、八足甚至更多（如圖2.4）。其中偶數(shù)足占絕大多數(shù)，

66、因?yàn)檫M(jìn)行壁面越障并承載的機(jī)器人，偶數(shù)足能產(chǎn)生有效的步態(tài)，運(yùn)動(dòng)更為靈活；而且機(jī)器人受載均衡，一定程度上增加了其負(fù)載能力。</p><p>　　根據(jù)新型越障式-高空清潔衛(wèi)士輕量化和承載能力的要求，機(jī)器人采用四足對(duì)稱布置形式（如圖2.5）：</p><p>　　圖2.4越障機(jī)器人足布置形式</p><p>　　(C)連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p><p&g

67、t;　　根據(jù)前面論述，高空清潔衛(wèi)士采用簡單的四足連桿作為越障系統(tǒng)機(jī)構(gòu)之一，因平行四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械機(jī)構(gòu)中具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用廣泛。我們可采用雙平行四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)越障，平行四桿的工作原理如圖2.5所示。在此機(jī)構(gòu)中，AD為機(jī)架，AB/CD兩構(gòu)件與機(jī)架相連稱為連桿架，BC為連桿.</p><p>　　圖2.5平行四桿機(jī)構(gòu)</p><p>　　平行四桿機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)有：（1）兩曲柄以相同的速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)；

68、（2）連桿作平動(dòng)。當(dāng)主動(dòng)曲柄AB以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)曲柄CD也以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿BC作平動(dòng)，始終與機(jī)架AD保持平行狀態(tài)。由此可知，高空清潔衛(wèi)士的雙平行四桿機(jī)構(gòu)（圖2.6），在AD上建立機(jī)器人工作平臺(tái)，機(jī)器人工作運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，而且運(yùn)動(dòng)的范圍較大。從而，大大提高了機(jī)器人的越障性能。</p><p>　　圖2.6機(jī)器人雙平行四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖</p><p>　　2.3.2新型越障式-高

69、空清潔衛(wèi)士吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　吸附方式的選擇</b></p><p>　　目前壁面機(jī)器人應(yīng)用較多的附著方式有真空吸附、負(fù)壓吸附、旋翼吸附、磁力吸附、機(jī)械力抓持。近年來也有人利用納米技術(shù)研制出基于范德華力的仿生壁虎腳掌，但處于起步階段。由于建筑壁面通常采用非金屬的致密結(jié)構(gòu)材料，適用于壁面清洗機(jī)器人的附著方式主要有真空吸附、負(fù)壓吸附、磁力吸附、旋翼

70、吸附和機(jī)械力抓持5種。</p><p><b>　　a)真空吸附</b></p><p>　　真空吸附技術(shù)是利用壓縮空氣，通過特殊的氣動(dòng)裝置產(chǎn)生真空進(jìn)行吸附的一種技術(shù)。通常吸盤可以承受軸向力（包括拉力和壓力)、切向力以及兩者的組合力。軸向拉力將大幅削弱吸盤的切向承載能力，軸向壓力則可以提高吸盤切向承載能力。所以，應(yīng)避免拉一切組合，盡量采取壓一切組合。另外，吸盤承受傾覆

71、力矩的能力很差；因而，在吸盤設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免吸盤受傾覆力矩，通過合理布置吸盤的位置和選擇適當(dāng)?shù)奈P組件可以大大減少甚至消除吸盤所受的傾覆力矩。</p><p><b>　　b)負(fù)壓吸附</b></p><p>　　負(fù)壓吸附技術(shù)也是利用真空原理進(jìn)行吸附的，由于采用離心式或涵道式風(fēng)機(jī)作為真空發(fā)生源，所能達(dá)到的真空度較低，通常在2kpa?15kpa之間，因此稱為負(fù)壓吸附。

72、 目前負(fù)壓吸附技術(shù)還處于初始階段，根據(jù)所使用的風(fēng)機(jī)種類不同，負(fù)壓吸附又分為低流負(fù)壓吸附和高流負(fù)壓吸附，前者的負(fù)壓發(fā)生器采用離心風(fēng)機(jī)，負(fù)壓最高可達(dá)15kpa 以上，但風(fēng)機(jī)的流量較低，對(duì)吸附腔的密封條件要求較高，泄漏對(duì)負(fù)壓的影響較大。</p><p><b>　　c)旋翼吸附</b></p><p>　　根據(jù)蜜蜂飛行懸停原理研制了螺旋槳推進(jìn)輪式載體結(jié)構(gòu)壁面移動(dòng)機(jī)器人，它首

73、次利用了空氣推進(jìn)的原理產(chǎn)生壁面附著力，該機(jī)器人的推進(jìn)螺旋槳軸線與壁面成45°角，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的垂直于壁面的壓力和沿壁面的推進(jìn)力，使機(jī)器人可以在壁面上運(yùn)動(dòng)。采用螺旋槳旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的推動(dòng)力將機(jī)器人緊貼在壁面表面上的思路新穎，此方式可以適合任何介質(zhì)的墻面，降低了機(jī)器人對(duì)作業(yè)表面屬性的依賴程度。旋翼吸附具有吸附力一般較小，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)；但旋翼會(huì)產(chǎn)生反向扭矩，需平衡；但由于振動(dòng)、噪音大，技術(shù)的安全性及可靠性仍有待提高。&l

74、t;/p><p><b>　　d)磁力吸附</b></p><p>　　磁力吸附壁面攀爬機(jī)器人利用磁體產(chǎn)生吸附力，使機(jī)器人吸附在壁面上。該類機(jī)器人雖然結(jié)構(gòu)簡單，且不受壁面凹凸或裂縫的限制；但是只適用于導(dǎo)磁性壁面，一定程度上受到應(yīng)用環(huán)境的限制。當(dāng)然，對(duì)于導(dǎo)磁性壁面，優(yōu)先選用磁力吸附式機(jī)器人。</p><p><b>　　e)機(jī)械力抓持<

75、;/b></p><p>　　通過對(duì)人類攀巖過程的爬壁機(jī)理研究可知，即使足端無特殊的吸附裝置，合理的 利用環(huán)境特征也可實(shí)現(xiàn)壁面人體附著保持功能。對(duì)于高層建筑物壁面清冼作業(yè)而言，一般壁面結(jié)構(gòu)均有窗框、導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)，壁面上或壁面之間交錯(cuò)的障礙，構(gòu)成了對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的約束。</p><p>　　綜上所述幾種壁面吸附方式，采用真空吸附可達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。其中，以真空泵作為真空發(fā)生器的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)

76、小型、輕量化，無需附加供氣裝置。但要求壁面有一定的潤滑度;而采用噴射器作為真空發(fā)生器的機(jī)器人能效低、噪音大而且需要附加供氣裝置，但是可以達(dá)到高真空度，對(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)。因而新型越障式-高空清潔衛(wèi)士采用噴射器作為真空發(fā)生器的真空吸附方式。</p><p>　?。?）小吸盤吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求 </p><p>　　新型越障式-高空清潔衛(wèi)士采用真空吸盤的吸附方式，在設(shè)計(jì)吸盤布置結(jié)構(gòu)時(shí)，主要

77、考慮了如下幾個(gè)方面的問題。第一就是要考慮吸附的安全性。設(shè)計(jì)需要吸盤在工作中穩(wěn)定吸附在工作表面上，有足夠的強(qiáng)度和剛度。第二要考慮吸附結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，機(jī)器人在壁面行走和越障過程中，吸盤要能適應(yīng)一定變化的墻壁結(jié)構(gòu)（凹凸、裂縫）。第三要求吸附機(jī)構(gòu)有一定的承載能力，保證吸附的穩(wěn)定性。第四是要考慮總體設(shè)計(jì)的輕量化，在設(shè)計(jì)吸盤的過程中，不僅要保證吸附的有效性，還要減少整體的重量。結(jié)合以上四點(diǎn)，我們采用內(nèi)半鉸接的方式，每個(gè)吸盤單獨(dú)連接FESTO角度補(bǔ)償器

78、ESWA系列（結(jié)構(gòu)和安裝參數(shù)如表2.1），具有±15°的擺動(dòng)角度，可以更好的適應(yīng)壁面。</p><p>　　表2.1FESTO角度補(bǔ)償器ESWA系列結(jié)構(gòu)和安裝參數(shù)</p><p>　　對(duì)于壁面有凹凸、裂縫的結(jié)構(gòu)我們采用多唇邊式真空吸盤。多唇邊式真空吸盤的特點(diǎn)有：第一，由于多唇邊的存在,各唇邊之間可形成獨(dú)立的密封范圍，其中，某一個(gè)密封范圍發(fā)生泄漏并不影響其余范圍的吸附效果

79、。另外，柔軟的橡膠材料使唇邊可根據(jù)工件 表面缺陷而變化，使其形狀與工件表面完成良好的貼合，達(dá)到了較好的密封效果；第二，吸盤體和唇形密封體采用兩分式結(jié)構(gòu)，吸盤體采用普通的工業(yè)橡膠,唇邊體采用具有耐磨性好、抗撕裂性能高的聚氨酯橡膠，在提高了吸盤壽命的同時(shí)也降 低了生產(chǎn)成本；第三、由于多唇邊的存在，增大了吸附面積,從而提高了吸盤的吸附力。</p><p>　　圖2.7多唇邊式真空吸盤</p><p&

80、gt;　　2.3.4新型越障式-高空清潔衛(wèi)士硬件驅(qū)動(dòng)的選擇</p><p>　　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常包括驅(qū)動(dòng)器、減速及傳遞機(jī)構(gòu)。常用于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器有液壓、氣壓和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器等3種。其中各種驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)如下：</p><p>　　綜上比較，新型越障式-高空清潔衛(wèi)士硬件驅(qū)動(dòng)方式選擇電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有適合小型機(jī)器人控制的主要電機(jī)包括：步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。其中，步進(jìn)電機(jī)沒有編碼器回饋，但每個(gè)信號(hào)都有

81、運(yùn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。設(shè)計(jì)程序的時(shí)候要算好每個(gè)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的脈沖數(shù)，而且可靠性差，如果大負(fù)載驅(qū)動(dòng)丟步，但系統(tǒng)便宜。伺服電機(jī)有編碼器，對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度有回饋，較為精準(zhǔn)。設(shè)計(jì)程序時(shí)以編碼器回饋為最高優(yōu)先級(jí)，不會(huì)對(duì)位置出錯(cuò)，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，需要專門的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。因?yàn)楸诿鏅C(jī)器人對(duì)可靠性、精準(zhǔn)性要求較高，我們選用伺服電機(jī)。</p><p>　　2.3.3新型越障式-高空清潔衛(wèi)士總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　

82、(1)新型越障式-高空清潔衛(wèi)士設(shè)計(jì)技術(shù)要求</p><p>　　本課題的研宄目標(biāo)是為城市玻璃外墻等建筑的清洗提供可以代替人工進(jìn)行連續(xù)作業(yè)的專用越障式-爬壁機(jī)器人，首要目標(biāo)是機(jī)器人爬行可靠、移動(dòng)靈活、控制簡單，同時(shí)在玻璃接縫處能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)越障的功能；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使系統(tǒng)輕量、小型化，操作方便，并且具有較高的爬壁-越障能力。根據(jù)爬壁-越障機(jī)器人作業(yè)情況，設(shè)計(jì)的機(jī)器人需滿足以下技術(shù)要求：</p><

83、;p>　　新型越障式-高空清潔衛(wèi)士總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　（a）行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)：履帶式行走機(jī)構(gòu)+張緊機(jī)構(gòu)(如圖2.8)</p><p>　　特點(diǎn)：履帶式行走機(jī)構(gòu)承載設(shè)備的大部分載荷；履帶采用張緊裝置，實(shí)現(xiàn)行走過程中對(duì)摩擦力的要求，防止清潔過程中打滑。</p><p>

84、;<b>　　（b）越障系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)：雙平行四桿機(jī)構(gòu)+滾珠絲桿結(jié)構(gòu)+足節(jié)式升降機(jī)構(gòu)+多唇邊式真空吸盤（如圖2.9）</p><p>　　特點(diǎn)：機(jī)器人壁面適應(yīng)性強(qiáng)，越障越障高度和寬度大。</p><p>　　第三章 基于Unigraphics NX的三維建模技術(shù)</p><p><b&

85、gt;　　3.1 引言</b></p><p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，制造業(yè)信息化已成為全球制造業(yè)發(fā)展的大趨勢，信息技術(shù)的發(fā)展不僅打造了新興的電子信息產(chǎn)品制造業(yè)，而且通過滲透和輻射，已經(jīng)使機(jī)械等傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)生了深刻的變化。CAD/CAM/CAE技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、組織模式，對(duì)推動(dòng)現(xiàn)有企業(yè)的技術(shù)改造，帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革，發(fā)展新興技術(shù)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長都具有十分

86、重要的意義。</p><p>　　自從UG 出現(xiàn)以后，在航空航天、汽車、通用機(jī)械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械以及其它高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)和模具加工自動(dòng)化的市場上得到了廣泛的應(yīng)用。多年來，UGS 一直在支持美國通用汽車公司實(shí)施目前全球最大的虛擬產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目，同時(shí)Unigraphics 也是日本著名汽車零部件制造商DENSO 公司的計(jì)算機(jī)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并在全球汽車行業(yè)得到了很大的應(yīng)用，如 Navistar 、底特律柴油機(jī)廠、

87、Winnebago 和Robert Bosch AG等。 </p><p>　　另外，UG 軟件在航空領(lǐng)域也有很好的的表現(xiàn)：在美國的航空業(yè)，安裝了超過10,000 套UG 軟件；在俄羅斯航空業(yè)，UG 軟件具有90% 以上的市場；在北美汽輪機(jī)市場，UG軟件占80%。UGS 在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)也占有領(lǐng)先地位，擁有如Pratt & Whitney 和GE噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)公司這樣的知名客戶。航空業(yè)的其它客戶還有：B/E

88、航空公司、波音公司、以色列飛機(jī)公司、英國航空公司、Northrop、Grumman 、伊爾飛機(jī)和Antonov 。 </p><p>　　同時(shí)，UGS公司的產(chǎn)品同時(shí)還遍布通用機(jī)械、醫(yī)療器械、電子、高技術(shù)以及日用消費(fèi)品等行業(yè)，如：3M、Will-Pemco 、Biomet 、Zimmer 、飛利浦公司、吉列公司、Timex、Eureka和Arctic Cat 等。 </p><p>　　UG

89、進(jìn)入中國以后，其在中國的業(yè)務(wù)有了很大的發(fā)展，中國已成為其遠(yuǎn)東區(qū)業(yè)務(wù)增長最快的國家。</p><p>　　3.2 Unigraphics NX產(chǎn)品介紹</p><p>　?。?）應(yīng)用場合 </p><p>　　Unigraphics Solutions 公司(簡稱UGS)是全球著名的MCAD 供應(yīng)商,主要為汽車與交通、航空航天、日用消費(fèi)品、通用機(jī)械以及電子工業(yè)等領(lǐng)

90、域通過其虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD)的理念提供多級(jí)化的、集成的、企業(yè)級(jí)的包括軟件產(chǎn)品與服務(wù)在內(nèi)的完整的MCAD 解決方案。其主要的CAD 產(chǎn)品是UG 。 </p><p>　　Unigraphics（簡稱UG ）是集CAD/CAE/CAM 一體的三維參數(shù)化軟件，是當(dāng)今世界最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船、通用機(jī)械和電子等工業(yè)領(lǐng)域。</p><p>　　Un

91、igraphics主要模塊功能介紹</p><p>　　(a)UG實(shí)體建模(UG/Solid Modeling)</p><p>　　UG實(shí)體建模提供了草圖設(shè)計(jì)、各種曲線生成、編輯、布爾運(yùn)算、掃掠實(shí)體、旋轉(zhuǎn)實(shí)體、沿導(dǎo)軌掃掠、尺寸驅(qū)動(dòng)、定義、編輯變量及其表達(dá)式、非參數(shù)化模型后參數(shù)化等工具。</p><p>　　(b)UG/Features Modeling(UG特征建

92、模)</p><p>　　UG特征建模模塊提供了各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)特征的生成和編輯、各種孔、鍵槽、凹腔--方形、圓形、異形、方形凸臺(tái)、圓形凸臺(tái)、異形凸臺(tái)、圓柱、方塊、圓錐、球體、管道、桿、倒圓、倒角、模型抽空產(chǎn)生薄壁實(shí)體、模型簡化(Simplify)，用于壓鑄模設(shè)計(jì)等、實(shí)體線、面提取，用于砂型設(shè)計(jì)等、拔錐、特征編輯：刪除、壓縮、復(fù)制、粘貼等、特征引用，陣列、特征順序調(diào)整、特征樹等工具。 </p><

93、p>　　(c) UG/FreeFormModeling(UG自由曲面建模)</p><p>　　UG具有豐富的曲面建模工具。包括直紋面、掃描面、通過一組曲線的自由曲面、通過兩組類正交曲線的自由曲面、曲線廣義掃掠、標(biāo)準(zhǔn)二次曲線方法放樣、等半徑和變半徑倒圓、廣義二次曲線倒圓、兩張及多張曲面間的光順橋接、動(dòng)態(tài)拉動(dòng)調(diào)整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁減、編輯、點(diǎn)云生成、曲面編輯。 </p><p&

94、gt;　　(d)UG/User DefinedFeature(UG用戶自定義特征)</p><p>　　UG/User Defined Feature用戶自定義特征模塊提供交互式方法來定義和存儲(chǔ)基于用戶自定義特征（UDF）概念的，便于調(diào)用和編輯的零件族，形成用戶專用的UDF 庫，提高用戶設(shè)計(jì)建模效率。 該模塊包括從已生成的UG參數(shù)化實(shí)體模型中提取參數(shù)、定義特征變量、建立參數(shù)間相關(guān)關(guān)系、設(shè)置變量缺省值、定義代表該U

95、DF的圖標(biāo)菜單的全部工具。在UDF生成之后，UDF即變成可通過圖標(biāo)菜單被所有用戶調(diào)用的用戶專有特征，當(dāng)把該特征添加到設(shè)計(jì)模型中時(shí)，其所有預(yù)設(shè)變量參數(shù)均可編輯并將按UDF建立時(shí)的設(shè)計(jì)意圖而變化。 </p><p>　　(e)UG/Drafting(UG工程繪圖)</p><p>　　UG工程繪圖模塊提供了自動(dòng)視圖布置、剖視圖、各向視圖、局部放大圖、局部剖視圖、自動(dòng)、手工尺寸標(biāo)注、形位公差、粗

96、糙度符合標(biāo)注、支持GB、標(biāo)準(zhǔn)漢字輸入、視圖手工編輯、裝配圖剖視、爆炸圖、明細(xì)表自動(dòng)生成等工具。 </p><p>　　(f)UG/AssemblyModeling(UG裝配建模)</p><p>　　UG裝配建模具有如下特點(diǎn)：提供并行的自頂而下和自下而上的產(chǎn)品開發(fā)方法；裝配模型中零件數(shù)據(jù)是對(duì)零件本身的鏈接映象，保證裝配模型和零件設(shè)計(jì)完全雙向相關(guān)，并改進(jìn)了軟件操作性能，減少了存儲(chǔ)空間的需求，

97、零件設(shè)計(jì)修改后裝配模型中的零件會(huì)自動(dòng)更新，同時(shí)可在裝配環(huán)境下直接修改零件設(shè)計(jì)；坐標(biāo)系定位；邏輯對(duì)齊、貼合、偏移等靈活的定位方式和約束關(guān)系；在裝配中安放零件或子裝配件，并可定義不同零件或組件間的參數(shù)關(guān)系；參數(shù)化的裝配建模提供描述組件間配合關(guān)系的附加功能，也可用于說明通用緊固件組和其它重復(fù)部件；裝配導(dǎo)航；零件搜索；零件裝機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)；調(diào)用目錄；參考集；裝配部分著色顯示；標(biāo)準(zhǔn)件庫調(diào)用；重量控制；在裝配層次中快速切換，直接訪問任何零件或子裝配件；

98、生成支持漢字的裝配明細(xì)表，當(dāng)裝配結(jié)構(gòu)變化時(shí)裝配明細(xì)表可自動(dòng)更新；并行計(jì)算能力，支持多CPU硬件平臺(tái)。 </p><p>　　3.3 Unigraphics NX建模方法</p><p>　　Unigraphics NX提供了強(qiáng)大的三維建模功能,其設(shè)計(jì)方法可分為自底向上的設(shè)計(jì)和自頂向下的設(shè)計(jì)，</p><p>　　3.3.1自底向上(Bottom Up)的設(shè)計(jì)<

99、/p><p>　　所謂自底向上的設(shè)計(jì)方法，就是在產(chǎn)品建模時(shí)先通過CAD軟件建立各零件的 三維模型，然后裝配得到產(chǎn)品或部件的裝配模型，最后由這些模型關(guān)聯(lián)生成產(chǎn)品 的二維工程圖。具體而言就是先繪制草圖，然后通過特征工具生成基體特征，在 基體特征上生成其它派生特征，其中需要利用尺寸、幾何關(guān)系、方程式等方法在各特征之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終形成零件模型。當(dāng)產(chǎn)品中與某個(gè)部件相關(guān)的零件 全部生成后，進(jìn)行裝配生成部件的裝配模型，直至生

100、成整個(gè)產(chǎn)品的裝配體模型。</p><p>　　3.3.2自頂向下(Top Down)的設(shè)計(jì)</p><p>　　與自底向上的設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的是自頂向下的設(shè)計(jì)方法，其主要思想是：在裝配 體環(huán)境下進(jìn)行全部零件的建模，后設(shè)計(jì)的零件可以參考先設(shè)計(jì)零件的位置、輪廓 以及特征甚至草圖進(jìn)行建模，系統(tǒng)自動(dòng)建立新的外部參考。當(dāng)參考發(fā)生變化時(shí)， 所建立的零件或特征也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，不僅做到尺寸參數(shù)全相關(guān)，而且實(shí)

101、現(xiàn)幾何形狀、零部件之間全自動(dòng)完全相關(guān)，并且為設(shè)計(jì)者提供完全一致的界面和命令進(jìn)行全自動(dòng)的相關(guān)設(shè)計(jì)環(huán)境。用戶可以在裝配布局圖做好的情況下，進(jìn)行設(shè)計(jì)其它零部件，并保證布局圖、零部件之間全自動(dòng)完全相關(guān)，一旦修改其中一部分， 其它與之相關(guān)的模型、尺寸等自動(dòng)更新，不需要人工參與。</p><p>　　3.3.3兩種建模方法的比較及本系統(tǒng)所采用的建模方法</p><p>　　自底向上的建模實(shí)現(xiàn)起來比較簡

102、單，是目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用得比較普遍的一 種建模方法，但這種建模方法與人們傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法思路相反。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 是先由設(shè)計(jì)要求得出產(chǎn)品的大致形狀，進(jìn)而細(xì)化得出各零件。自底向上的建模則 是先有零件，后有裝配體，由于零件建模時(shí)彼此孤立，因此容易發(fā)生干涉，要逐 步地調(diào)整零件結(jié)構(gòu)使其適合裝配要求。</p><p>　　自頂向下建模方法的優(yōu)點(diǎn)是符合人正常的設(shè)計(jì)思維，而且在裝配體環(huán)境下關(guān)聯(lián)建立零部件模型，CAD系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地添

103、加一些必要的約束關(guān)系，省去了設(shè)計(jì)者的諸多麻煩。但這種建模方式要求設(shè)計(jì)者必須對(duì)建模對(duì)象充分地熟悉，有深厚的Unigraphics NX應(yīng)用技術(shù)與很高的空間思維能力及駕馭各種復(fù)雜關(guān)系的能力。本系統(tǒng)根據(jù)機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇以主要自底向上的建模為主，自頂向下的建模為輔的復(fù)合建模方法。對(duì)于主要零部件均采用自底向上的方式建模，而對(duì)于總裝 配以后的修正則采用自頂向下的建模方法。</p><p>　　3.4 新型越障式-高

104、空清潔衛(wèi)士建模實(shí)例</p><p>　　新型越障式-高空清潔衛(wèi)士吸盤安裝架是用于安裝吸盤和連桿機(jī)構(gòu)的部件，設(shè)計(jì)和建模過程相對(duì)較復(fù)雜，因而這里我們選取吸盤安裝架（如圖3.1）為例，簡述UG中建模的一般過程和思路。</p><p><b>　　圖3.1吸盤安裝架</b></p><p>　　3.4.1吸盤安裝架的建模</p><

105、p>　　繪制吸盤架底部草圖（如圖3.2）退出草圖，拉伸距離為8mm。</p><p>　　選擇【特征操作】/【孔特征】/【成型】/【沉頭孔】,并指定位置，參數(shù)設(shè)置（如圖3.3）。</p><p>　　選擇right平面為草繪平面，繪制草圖（如圖3.4），完成并退出草繪，對(duì)稱拉伸距離為3mm。</p><p>　　選擇吸盤架底部上端面為草繪平面，中心畫圓，半徑3

106、.5mm，拉伸距離為20，選擇【求交】，選擇步驟3、4拉伸實(shí)體（如圖3.5）。</p><p>　　同理，選擇【拉伸】/【求差】，完成吸盤安裝架的建模（如圖3.2）。</p><p>　　圖3.2吸盤架底部草繪平面 3.2孔參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖3.4 草繪平面 圖3.5 拉伸實(shí)體求交&

107、lt;/p><p>　　3.4.2主要部件的裝配</p><p>　　UG裝配模型中零件數(shù)據(jù)是對(duì)零件本身的鏈接映象，保證裝配模型和零件設(shè)計(jì)完全雙向相關(guān)，并改進(jìn)了軟件操作性能，減少了存儲(chǔ)空間的需求，零件設(shè)計(jì)修改后裝配模型中的零件會(huì)自動(dòng)更新，同時(shí)可在裝配環(huán)境下直接修改零件設(shè)計(jì)、坐標(biāo)系定位、邏輯對(duì)齊、貼合、偏移等靈活的定位方式和約束關(guān)系。</p><p>　　選擇【文件】/【

108、新建】，建立一個(gè)新模型文件，以文件名“裝配體”命名該文件，在開始菜單中選擇【裝配】，打開應(yīng)用模塊開始裝配。</p><p>　　選擇【插入】/【組件】/【添加組件】，插入吸盤架和小吸盤模型；選擇，進(jìn)行面對(duì)齊裝配（如圖3.6）；選擇進(jìn)行孔的中心對(duì)齊（如圖3.7），單擊【確定】，完成一個(gè)吸盤的裝配。</p><p>　?。?）同理，按照步驟1，繼續(xù)添加吸盤2、3（如圖3.8）。</p&g