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用于施工服務(wù)的最小自由度混合爬桿操縱機器人 1 緒論 目的——旨在描述設(shè)計樣機的特點和爬桿/操縱機器人通過極點和彎曲部分的能力。 設(shè)計/方法/方式——機器人主要部分引入具有混合（并行/串行）四自由度（自由度）機制的還介紹了一種具有獨特夾具設(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個自由度的機器人，同時發(fā)現(xiàn)電氣驅(qū)動對于爬桿機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——在未來的工作當中，機器人的半工業(yè)規(guī)模對工業(yè)機器人的設(shè)計和制造是一個很好的啟發(fā)。 實際影響——隨著對夾持模塊和工具模塊最后的修改，機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器人。 關(guān)鍵詞：設(shè)計，并行編程，運動學(xué)，極點，機器人 2 介紹 爬壁機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)機器人，該機器人采用高夫—斯圖爾特作為機器人平臺，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械臂驅(qū)動器（Aracil et al., 2003），該機械結(jié)構(gòu)是相當復(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，氣壓缸在機械裝置的使用過程中還存在著壓縮空氣從壓縮機到氣缸的轉(zhuǎn)移問題 但最近幾年來，機械工具在一些工業(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制的研究，大多數(shù)最近幾年的研究集中在三自由度機械機構(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)機構(gòu)應(yīng)用在并聯(lián)結(jié)構(gòu)機器人的詳細建模機制和選擇過程（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，該機構(gòu)顯示利用并行/串行機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/串行機器人同時具有剛性全并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)機器人擴展工作區(qū)的優(yōu)點（Romdhane，1999）.在Zakerzadeh中四自由度機制的完全意義上的運動學(xué)分析已經(jīng)提出et al. (2004). 該機構(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)運動，至少需要四自由度。這些包括Tz：沿著極軸運動的平移自由度（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彎曲段運動 結(jié)合以上三自由度和沿極軸徑向翻轉(zhuǎn)運動的翻轉(zhuǎn)自由度，為在桿上達到目標點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 機器人的設(shè)計和組成 要設(shè)計的爬桿機器人主要由三部分組成（圖5）：三自由度的平面并聯(lián)機構(gòu)，串行Z軸旋轉(zhuǎn)機制，夾鉗。 結(jié)合三自由度平面并聯(lián)機構(gòu)和具有旋轉(zhuǎn)機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)計目標做出解釋。 圖4-1機器人進行焊接操作 圖4-2爬桿機器人模型 除此之外，線性氣缸要用于平行機械手來安裝包圍桿，因此需要減少夾具的動作時間。 一個手爪連接到一個機械臂，另外一個連接旋轉(zhuǎn)平臺的底部，這樣就可以達到，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)型的軸和桿上運動。 4.1 三自由度平面平行機械手 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動鏈連接到一個固定的底座組成，每個運動鏈通過三個獨立自由度關(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)變成為三自由度機構(gòu)，對于所推薦的機械結(jié)構(gòu)，three-RPR機制可以被選定為機器人的平面平行部分。 4.2 旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是由導(dǎo)軌，滑動單元，齒輪組和電機組成，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踐和維護機器人的穩(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驅(qū)動，當保持其中一個夾鉗固定通過旋轉(zhuǎn)運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特多指設(shè)計，它只需通過一個簡單的電機來適應(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，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)軌將承受機器人在爬升的過程中載重，選定的雙軸電機相對于機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)機構(gòu)系列 圖4-3-2機器人裝配夾具 在典型的爬桿應(yīng)用中各個組成部分的結(jié)合運動展示在圖3-5，表1顯示的原版本的規(guī)格和機器人工業(yè)版本的估計規(guī)格。 5 機器人原型 下面是建議的機械結(jié)構(gòu)的運動學(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， 這個機器人的重量為16kg，這個機器人的身體是由鋁合金制造，這個機器人是由三個直流電機和三個電氣缸體驅(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或泵，同時這也消除了液壓管或氣動管，而且這些對爬桿機器人的應(yīng)用也是很不安全的、 這些電動機的重量為每個1.1kg，每個電動機能夠提供800N的力和0.6 m/min的速度。 平面并聯(lián)機構(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，對于機械結(jié)構(gòu)的合理運動，裝配的工藝精度也是非常重要的，為了使兩個微型機械手更好的適應(yīng)更換動作，一個機械手夾持新燈泡，一個機械手更換舊燈泡，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，通過裝在機械手上得圓頂遙控攝像機，當機器人在更換燈泡時，用操縱桿通過懸掛裝置來實現(xiàn)遠程控制，該相機擁有兩個自由度，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和三個直流電機驅(qū)動，每個電機都有一個控制面板，它是直接連接到中央電腦 圖6-1機器人沿桿軸運動 圖6-2機器人繞桿轉(zhuǎn)動 圖6-3通過彎曲部分時的機器人 表一.機器人的工業(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 機械手的電動機采用電流反饋控制，當夾鉗接觸到電極，電流上升，當電流上升到一定的值時，機械手產(chǎn)生與電流成正比的力，由于機械手的電動機是沒有后備電源的，當電動機斷電后，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)，這樣可以保證當其斷電后的安全性。 電缸包括一個直流電機，傳動裝置和螺桿，在直流電機的軸使用了頻率為500hz的編碼器，氣缸的直線運動的精度為0.1mm，在直流電機的轉(zhuǎn)動機構(gòu)的軸上也使用了100Hz的編碼器，串行機制的轉(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，還可以檢測出機械手與桿彎曲角度，這將允許串行機構(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，對自主機器人的爬桿問題提出解決辦法。提出了一個獨特了的多指夾具功能，它能夠適應(yīng)各種桿的截面和尺寸，同時他的機構(gòu)也是非常簡單，還探討了一些關(guān)于機器人的原型和控制的問題。