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指導(dǎo)教師根據(jù)科研項(xiàng)目、工程設(shè)計(jì)任務(wù)或新產(chǎn)品的開發(fā)研制等，從中選出適合學(xué)生情況和教學(xué)要求的部分作為課題。 3)???? 來源于文獻(xiàn)和資料 通過查閱文獻(xiàn)資料，了解國際國內(nèi)相關(guān)學(xué)科、工程技術(shù)的理論與實(shí)踐的現(xiàn)狀、成果，以及存在問題和發(fā)展趨勢，找出需要研究和解決的問題作為課題。 二、???? （10分）課題的目的和意義 課題的意義是指課題的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會意義和對單位及自己的意義。課題的意義通?？梢员硎龀桑赫n題研究針對的主要問題是什么，本課題具有哪些學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值（比如說：給企業(yè)的生產(chǎn)帶來多大便利和經(jīng)濟(jì)效益，提高了多少生產(chǎn)效率等），是否具有研究的緊迫性和必要性。 三、???? （20分）研究內(nèi)容 研究內(nèi)容是指課題要研究、設(shè)計(jì)什么，說明研究設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在此可以對即將開展的畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容進(jìn)行說明，并突出畢業(yè)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。 四、???? （25分）擬采取的技術(shù)方案和可行性分析 擬采取的技術(shù)方法與方案是指如何開展課題的研究設(shè)計(jì)工作。通常研究方法有：理論分析、實(shí)際調(diào)研、測繪、試驗(yàn)、創(chuàng)新改進(jìn)等，學(xué)生可以根據(jù)課題的實(shí)際情況選用不同的研究方法并確立自己的技術(shù)路線，并說明自己研究方案的有效和可行性。 五、???? （25分）研究計(jì)劃及預(yù)期成果 研究計(jì)劃及預(yù)期成果是指研究的進(jìn)度和預(yù)期完成的成果（做到什么程度）。研究計(jì)劃是學(xué)生根據(jù)自己課題實(shí)際，制定研究的計(jì)劃進(jìn)度表，并明確在那段時(shí)間內(nèi)完成什么樣工作的內(nèi)容。預(yù)期完成的成果形式可以是多種多樣的，包括:論文、產(chǎn)品、軟件、課件、電子制作、設(shè)計(jì)圖紙以及工藝卡片等，學(xué)生根據(jù)課題實(shí)際，說明預(yù)期完成的成果形式。 六、???? （10分）特色或創(chuàng)新之處 特色或創(chuàng)新之處是指本課題的研究設(shè)計(jì)的特色與創(chuàng)新點(diǎn)所在，學(xué)生需要全方面了解自己的設(shè)計(jì)研究在同類課題的研究中所處的水平，清楚知道自己的設(shè)計(jì)研究與他人之間的不同之處，并給予客觀的評價(jià)。 七、???? （5分）已具備的條件和尚需解決的問題 通常已具備條件可以寫：學(xué)生對本課題已有深入的認(rèn)識，準(zhǔn)備充分，已具備開展畢業(yè)設(shè)計(jì)研究的條件。此處主要分析開展研究設(shè)計(jì)尚不具備的條件，并說明如何解決。比如：還存在圖書和相關(guān)技術(shù)資料不足的問題，希望通過圖書館借閱和網(wǎng)上查詢來補(bǔ)充資料等等。 八、???? （5分）參考文獻(xiàn) （要求博覽相關(guān)文獻(xiàn)資料至少5篇以上，應(yīng)有必要的外文文獻(xiàn)）。一、基本情況 學(xué)生姓名 顧文峰 學(xué)號 200623501510 班級 機(jī)061-5班 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 指導(dǎo)教師 于云霞 學(xué)歷 學(xué)士 職稱 副教授 所學(xué)專業(yè) 機(jī)械制造 題目名稱 管道外爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真 題目來源 □企業(yè)生產(chǎn) □科研 □社會 □文獻(xiàn)和資料 □其他： 題目類型 □理論研究 □應(yīng)用研發(fā) □開發(fā)研究 □工藝設(shè)計(jì) □工程設(shè)計(jì) □設(shè)備設(shè)計(jì) □軟件設(shè)計(jì) □實(shí)踐研究 □指定問題研究 注：在選中的項(xiàng)目上打√ 二、開題報(bào)告內(nèi)容 1、（10分）課題的目的和意義 （1）、目前國內(nèi)外研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述（或立題依據(jù)），研究的主要問題 早在1923年，捷克作家卡佩克發(fā)表了科幻劇本《洛桑萬能機(jī)器人》。卡佩克把捷克語“Robata“寫成Robot”，其意思是農(nóng)奴，預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對人類社會科學(xué)與技術(shù)的悲劇性影響，因而極受關(guān)注，這被當(dāng)做了“機(jī)器人”（Robot）一詞的起源?！皺C(jī)器人”（robot）一詞常常認(rèn)為是人一樣的機(jī)器，其經(jīng)常出現(xiàn)在各種科幻電影和小說中。 與科幻作家所想象的超人機(jī)器人不同的是，更現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人只是一類特殊的自動機(jī)器，它具有與人的四肢相比擬的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可接受視覺、聽覺、觸覺等傳感信息，在計(jì)算機(jī)即電腦的指揮下完成各種機(jī)械操作功能，當(dāng)前主要是代替人進(jìn)行比較通用、靈巧、自主的重復(fù)操作。機(jī)器人不僅可以把人類從條件惡劣、繁重單調(diào)的作業(yè)中解放出來，而且在力量、精度和速度以及特殊環(huán)境下的生存和工作能力等方面有人類無法替代的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人的應(yīng)用和研究對提高勞動上產(chǎn)率、推動科技發(fā)展具有重要意義，同時(shí)也成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平和科技水平的一個(gè)重要標(biāo)志。機(jī)器人在工業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)中日益廣泛的應(yīng)用帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益、也有力的推動了有關(guān)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，從而使其成為一個(gè)活躍的、富有魅力的研究領(lǐng)域。 近幾十年來，機(jī)器人技術(shù)不斷得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，人們 期望機(jī)器人在許多人類不能到達(dá) 的區(qū)域能代替人類完成更復(fù)雜的任務(wù)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，例如在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、防止核污染等危險(xiǎn)惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景 ，所以機(jī)器人所面臨的環(huán)境往往是未知的、不可預(yù)測的、非人為構(gòu)造的環(huán)境，機(jī)器人所要完成的任務(wù)也越來越復(fù)雜 一、國外的發(fā)展現(xiàn)狀 為了使機(jī)器人能更好的應(yīng)用于工業(yè)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和大工業(yè)企業(yè)對機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)投入了大量的人力財(cái)力。在美國和加拿大，各主要大學(xué)都設(shè)有機(jī)器人研究室，麻省理工學(xué)院側(cè)重于制造過程機(jī)器人系統(tǒng)的研究，卡耐基—梅隆機(jī)器人研究所側(cè)重于挖掘機(jī)器人系統(tǒng)的研究，而斯坦福大學(xué)則著重于系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)。德國正研究開發(fā)“MOVE AND PLAY”機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人操作就像人們操作錄像機(jī)、開汽車一樣。 除了這些研究單位，各大機(jī)器人企業(yè)也投入大量人力、財(cái)力開發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)。國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢：⒈ 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。⒉ 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)檢測系統(tǒng)三位一體化，由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)，國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問世。⒊ 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。⒋ 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。⒌ 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。⒍ 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入使用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名的實(shí)例。⒎ 機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 二、我國機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)及“863”計(jì)劃的推動下，也取得了很大的進(jìn)展。目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有150多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，進(jìn)行一次性重新設(shè)計(jì)，導(dǎo)致產(chǎn)品規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本高，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、規(guī)?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 爬行機(jī)器人的研究雖然取得了很大的進(jìn)展，但是對于復(fù)雜的應(yīng)用，仍不能令人滿意。隨著系統(tǒng)的日益復(fù)雜和運(yùn)算量的日益增加，對計(jì)算設(shè)備能力的需求也日益提高，而多數(shù)輕便靈活型的機(jī)器人難以攜帶大量的計(jì)算設(shè)備。因此，將計(jì)算機(jī)和機(jī)器人分開，機(jī)器人把觀察到的視覺信號和傳感器信號，按照制定的標(biāo)準(zhǔn)合成，然后傳到遠(yuǎn)方的計(jì)算機(jī)上，由功能強(qiáng)大的遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)進(jìn)行分解和處理，并發(fā)出控制信號給機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)以控制機(jī)器人行為，或者由機(jī)器人完成一些避障類的底層操作，而高層操作由遠(yuǎn)方高性能機(jī)器、或人工在虛擬環(huán)境中遙控完成。將VR技術(shù)應(yīng)用到移動機(jī)器人導(dǎo)航研究中將是一種可行的方法。 （2）、課題的學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入80年代以來，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，機(jī)器人的研究領(lǐng)域和開發(fā)類型也在逐漸增多。移動機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分枝，其研究工作始于20世紀(jì)60年代。移動機(jī)器人的最成功應(yīng)用是自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運(yùn)，用于完成機(jī)床之間、機(jī)床與自動倉庫之間的工件工具傳送。移動機(jī)器人的運(yùn)動靈活性能，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動化程度。星際探索和海洋開發(fā)是促使移動機(jī)器人發(fā)展的重要因素:從20世紀(jì)60年代，美國Mrr開始研究火星探索移動機(jī)器人，以便在火星上進(jìn)行移動，收集探測數(shù)據(jù);海洋開發(fā)方面，移動機(jī)器人的作用是資源調(diào)查、石油礦藏開采、水下設(shè)施維護(hù)、沉船打澇、勘測。 現(xiàn)在，移動式機(jī)器人的研究開發(fā)除上述應(yīng)用外，還涉及許多其他應(yīng)用領(lǐng)域。如在建筑領(lǐng)域完成混凝土的鋪平、壁面的裝修、檢查和清洗;采礦業(yè)中進(jìn)行隧道的掘進(jìn)和礦藏的開采、農(nóng)林業(yè)中從事水果采摘、樹枝修剪、圓木搬運(yùn);軍事上用于探測偵察、爆炸物處理。福利方面進(jìn)行盲人引導(dǎo)，病員護(hù)理等。 由于機(jī)器人應(yīng)用從制造業(yè)向非制造業(yè)的擴(kuò)展，以及移動機(jī)器人在諸如野外作業(yè)、深海探測以及一些人類本身所不能進(jìn)入的有毒或高溫環(huán)境的作業(yè)中，有著極其廣泛的應(yīng)用前景，因此近年來機(jī)器人研究在多方面都已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，研究的成果必將成為各行各業(yè)提高生產(chǎn)力的強(qiáng)有力的工具 2、（20分）研究內(nèi)容 （1）、研究的主要內(nèi)容 管道外爬行機(jī)器人的總體機(jī)構(gòu)即運(yùn)動系統(tǒng)，包括坐標(biāo)形式，機(jī)構(gòu)方式，驅(qū)動方式。在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人的移動方式取決于對機(jī)器人工作環(huán)境、移動速度、移動連續(xù)性、行走控制難易程度、避障能力以及承載能力的要求;驅(qū)動方式取決于結(jié)構(gòu)重量、控制距離、信號轉(zhuǎn)換、技術(shù)成熟性、構(gòu)造難度、可靠性及可控性等要求; 此爬樹機(jī)器人要求結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，實(shí)現(xiàn)高定位精度，運(yùn)動直觀性，空間軌跡易于求解，且運(yùn)動的速度較低，操作范圍較小，因而選用直角坐標(biāo)型機(jī)器人；機(jī)構(gòu)方式為極坐標(biāo)式；另外，爬樹機(jī)器人驅(qū)動負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動方式。 本次課題研究主要是對機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)，它是機(jī)器人的支撐基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該機(jī)器人模仿蟲蠕動的形式在樹干上爬行。其爬行運(yùn)用簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)與曲柄固接，驅(qū)動整個(gè)裝置運(yùn)動;曲柄與連桿鉸接，其另一端與滑塊相連;在機(jī)座的兩邊分別通過槽型凸輪帶動一對活動卡爪，通過槽型凸輪半徑尺寸的變化和活動卡爪上傳感器的控制實(shí)現(xiàn)對樹干的夾緊與放松，實(shí)現(xiàn)由機(jī)架與曲柄之間的相互轉(zhuǎn)變，它們是實(shí)現(xiàn)上爬的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)整個(gè)機(jī)構(gòu)有向下運(yùn)動的趨勢時(shí)，通過凸輪傳動，在曲柄、滑塊和連桿之間形成可靠的自鎖，阻止構(gòu)件向下運(yùn)動，使其運(yùn)動的方向始終向上。 （2）、擬解決的關(guān)鍵問題 本課題研究的機(jī)器人目標(biāo)是適應(yīng)在不同的管道上爬行，運(yùn)動方式比較單一。，要求有較高的控制性，機(jī)器人需采用了一種力矩與重量比高的驅(qū)動源。對比各個(gè)吸附方式的特點(diǎn)，鑒于機(jī)器人作業(yè)表面演繹性，并且大部分為非導(dǎo)磁性材料，考慮機(jī)器人系統(tǒng)的使用范圍，選擇夾持器夾持是一種比較合理、可行的方式。使機(jī)器人能夠在管道壁上夾緊，又能對壁面有一定的自適應(yīng)能力。而在越障方面機(jī)器人的很多動作要受到限制，不能隨心所欲。在 機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量注意到以下問題： （1）安全性原則盡量使機(jī)器人的重心靠近管道壁，以減小傾翻力矩。 （2）能量最省原則更少的能量消耗，意味著可以攜帶更輕的電池重量和工作更長的時(shí)間。在不同的管道上都能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。 （3）在機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量做到使其結(jié)構(gòu)合理化。 3、（25分）擬采取的技術(shù)方案和可行性分析 （1）、擬采取的技術(shù)方案及思路 總體設(shè)計(jì)為：管道外爬行機(jī)器人的爬行運(yùn)用簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)與曲柄固接，驅(qū)動整個(gè)裝置運(yùn)動;曲柄與連桿鉸接，其另一端與滑塊相連;在機(jī)座的兩邊分別通過氣缸驅(qū)動夾持器實(shí)現(xiàn)對管道的夾緊，實(shí)現(xiàn)由機(jī)架與曲柄之間的相互轉(zhuǎn)變，它們是實(shí)現(xiàn)上爬的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)整個(gè)機(jī)構(gòu)有向下運(yùn)動的趨勢時(shí)，通過氣缸傳動，在曲柄、滑塊和連桿之間形成可靠的自鎖，阻止構(gòu)件向下運(yùn)動，使其運(yùn)動的方向始終向上。 機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)反映了機(jī)器人所能勝任的工作和具有的最高操作性能，是選擇和設(shè)計(jì)機(jī)器人都必須考慮的關(guān)鍵問題。機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)一般包括以下幾個(gè)方面(1)結(jié)構(gòu)形式 機(jī)器人的機(jī)構(gòu)形式是指機(jī)器人運(yùn)動鏈的形式:如關(guān)節(jié)式、球坐標(biāo)式、直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式等。此爬樹機(jī)器人要求結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，實(shí)現(xiàn)高定位精度，運(yùn)動直觀性強(qiáng)，空間軌跡易于求解，且運(yùn)動的速度較低，操作范圍較小，因而選用直角坐標(biāo)型機(jī)器人。(2)自由度和類型 自由度是表示機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)，是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立運(yùn)動關(guān)節(jié)的數(shù)目，一般以沿軸線的移動和繞軸轉(zhuǎn)動的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)來表示，自由度越多越靈活，但同時(shí)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，控制也越復(fù)雜。通常情況下機(jī)器人的自由度在3-6個(gè)之間，而自由度的類型是指屬于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)還是直線關(guān)節(jié)。(3)運(yùn)動范圍 是指機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍。機(jī)器人一般由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制和控制系統(tǒng)電纜的走線，都對關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍會產(chǎn)生影響，大多數(shù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)不可能在同一個(gè)方向持續(xù)轉(zhuǎn)動。(4)重復(fù)精度 機(jī)器人經(jīng)過多次循環(huán)運(yùn)動后，到達(dá)空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍。(5)控制方式 機(jī)器人運(yùn)動控制的方式，如示教再現(xiàn)、點(diǎn)位控制或軌跡控制。(6)驅(qū)動方式 機(jī)器人是采用液壓、氣動、交流電機(jī)或異步電機(jī)控制等由于本課題所研究的爬樹機(jī)器人驅(qū)動負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動方式。 （2）、研究方案的有效和可行性分析（含研究過程中可能存在的困難或問題，及其解決措施） 基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動的啟示，在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個(gè)滑塊(即作為自鎖套)，使兩個(gè)滑塊分別作為機(jī)架交替上升，從而實(shí)現(xiàn)上爬動作。其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機(jī)構(gòu)具有向下運(yùn)動的趨勢時(shí)，下自鎖套因受到自鎖機(jī)構(gòu)的限制而固定不動，把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為反作用力，推動機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動。在聯(lián)接中，把電機(jī)與曲柄固接作為驅(qū)動裝置，連桿作為傳動件，兩滑塊作為自鎖裝置。自鎖套的自鎖是通過凸輪轉(zhuǎn)動方式實(shí)現(xiàn)。在氣動方面，由于沒有聯(lián)結(jié)用的傳動機(jī)構(gòu)，因而直接由氣動元件帶動兩自鎖套向上移動。在此方案中選用兩個(gè)汽缸作為主要的氣動元件，利用作用力與反作用力的原理，由其帶動上下兩個(gè)自鎖套分別自鎖，達(dá)到機(jī)器人上爬的最終目的。 以上設(shè)計(jì)的爬行過程都是在理想的情況下，很多實(shí)際因素都沒有考慮進(jìn)去:如摩擦力的大小(即夾持器與管道接觸面的摩擦系數(shù))，在曲柄通過上下兩滑塊極限位置時(shí)，自鎖套內(nèi)凸輪轉(zhuǎn)動內(nèi)部的運(yùn)動關(guān)系，自鎖套所要進(jìn)行的向下運(yùn)動的位移，以及上、下自鎖套、曲柄和連桿的質(zhì)量，還有電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動速度及連接方式等等。針對以上兩種方案，進(jìn)行機(jī)構(gòu)對比分析。就采用汽缸驅(qū)動而言，它形式簡單、結(jié)構(gòu)簡便，從機(jī)械設(shè)計(jì)角度出發(fā)，滿足設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的要求:它由驅(qū)動機(jī)構(gòu)直接帶動兩個(gè)自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機(jī)構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的連接。此外，該機(jī)構(gòu)具有環(huán)保等特點(diǎn)，它利用空氣作為動力源，無污染、運(yùn)動時(shí)無噪音，而且運(yùn)行速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)使機(jī)器人爬到管道的預(yù)定位置，它還能夠隨身攜帶氣包作為動力源，可以做到無線操作。就采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)而言，它屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)動副為低副，能承受較大載荷;但平衡困難，不易用于高速。由于設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是由電機(jī)經(jīng)減速直接驅(qū)動的，和利用氣動原理相比它多了一套傳動和連接機(jī)構(gòu)，但該機(jī)構(gòu)運(yùn)用的原理簡單，設(shè)計(jì)合理。通過以上分析，在本次設(shè)計(jì)中選取“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”作為該爬行機(jī)器人的最終運(yùn)動方案。 4、（25分）研究計(jì)劃及預(yù)期成果 （1）、研究進(jìn)度、具體安排，及其進(jìn)度檢查表 起止日期 主要工作內(nèi)容和要求 階段目標(biāo) 實(shí)際完成內(nèi)容 檢查日期 檢查人 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? 此欄由導(dǎo)師填寫，用于到期檢查 此欄為導(dǎo)師簽字用 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 20 年 月 日 —20 年 月 日 ? ? ? ? 注：1、畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯一般在16周以前結(jié)束。并按要求答辯前7天，學(xué)生應(yīng)提交全部畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）材料（包括設(shè)計(jì)圖紙和其它資料），由指導(dǎo)教師和兩名評閱人評閱，以進(jìn)行答辯資格審查。 2、進(jìn)度檢查由指導(dǎo)教師按計(jì)劃檢查填寫，并與答辯前完成。 （2）、預(yù)期成果 管道外爬行機(jī)器人所要達(dá)到的預(yù)期目的是沿管道爬行，為實(shí)現(xiàn)其功能要求，通過電機(jī)的驅(qū)動和減速，給予曲柄一個(gè)繞定軸旋轉(zhuǎn)的主動力，在該力的驅(qū)動下帶動連桿及相應(yīng)的自鎖裝置，由兩個(gè)自鎖套先后實(shí)現(xiàn)自鎖，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動機(jī)器人向上爬行。 5、（10分）特色或創(chuàng)新之處 本論文的主要研究內(nèi)容包括管道外爬行機(jī)器人機(jī)器人總體方案的提出、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的的機(jī)械設(shè)計(jì)。由于該機(jī)器人體積小，運(yùn)動靈活，在具體設(shè)計(jì)過程中根據(jù)工作環(huán)境的不同，能夠完成在高空的一系列動作，以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能: 1.在懸鎖橋及斜拉橋上的探傷。該機(jī)器人可以方便的爬行在鋼纜繩上，通過安裝探傷儀可以檢測到一切可能的事故的隱患，而且操作方便，不但節(jié)約資源而且能夠保證工作的可持續(xù)性。 2.帆船的船帆懸掛及檢查。 3.高層樓宇外觀清潔管道檢測維修、隧道掘進(jìn)、高層建筑頂制件安裝、墻面施工傳遞物資、檢查電纜有無故障等工作。 6、（5分）已具備的條件和尚需解決的問題 （1）、圖書資料、儀器設(shè)備情況 由于有關(guān)機(jī)器人的資料較少，所以只有圖書館的相關(guān)書籍以及網(wǎng)上找到的各種論文以及資料 （2）、其他各方面條件 ? 7、（5分）參考文獻(xiàn)資料 序號 參考文獻(xiàn)資料 備注 1 機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 科學(xué)出版社 【美】 Gordon McComb 著 龐明 王曉宇 任宗偉 李牧 蘇相國 譯 ? 2 ?自主移動機(jī)器人導(dǎo)論 西安交通大學(xué)出版社 【美】 R·西格霍特 I·R·諾巴克什 著 李人厚 譯 ? 3 ?王天然.機(jī)器人.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000 ? 4 ?柳洪義.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).冶金工業(yè)出版社,2002.165～166 ? 5 ?王炎，周大成.移動式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及我們的研究.電氣傳動，2004 ? 6 ?小型爬壁機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007 ? 7 ? ? 8 ? ? 三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題及開題報(bào)告評議表 指導(dǎo)教師對開題報(bào)告的綜合意見：（從選題的理論或?qū)嶋H價(jià)值出發(fā)，闡述學(xué)生利用的知識、原理、建立的模型正確與否？學(xué)生的論證充分否？通過學(xué)生的努力，能否完成課題，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)？課題及報(bào)告的難度、深度、綜合性、創(chuàng)造性等是否達(dá)到本科生應(yīng)該具有的要求。） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 學(xué)科組 評議結(jié)果 是否同意進(jìn)入設(shè)計(jì)（論文）階段？ ? ? ? ? ? ? ? 學(xué)科組長簽名： 年 月 日 說明：1.本報(bào)告必須由承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書”、正式開始做畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的第2周末之前獨(dú)立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。 2.每個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題撰寫本報(bào)告一份，作為指導(dǎo)教師、學(xué)科組組長審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)、以及檢查設(shè)計(jì)進(jìn)度的依據(jù)，并接受學(xué)院的抽查。 3.除“4、研究計(jì)劃及預(yù)期成果”中的“（1）、研究進(jìn)度、具體安排，及其進(jìn)度檢查表”中“實(shí)際完成內(nèi)容”和“檢查日期檢查人”欄需要導(dǎo)師用筆填寫外，其余各項(xiàng)均要求打印，打印字體和字號為“小四號宋體 分類號 編號 管道外爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真 DESIGN AND SIMULATION OF CRAWLED ROBOTS ALONG PIPELINE (申請煙臺大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文) 申請學(xué)位： 工 學(xué) 學(xué) 士 院 系： 機(jī)電汽車工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)生姓名： 顧文峰 學(xué) 號： 200623501510 指導(dǎo)老師: 于 云 霞（副教授） 2010年5月30日 煙臺大學(xué) 申請學(xué)士學(xué)位論文 管道外爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究 申請人: 顧文峰 導(dǎo) 師: 于云霞（副教授） 2009年5月30日 煙臺大學(xué) 煙臺大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 院（系）：機(jī)電汽車工程學(xué)院 姓名 顧文峰 學(xué)號 200623501510 畢業(yè)屆別 2010 專業(yè) 機(jī)061-5班 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 管外爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)與仿真 指導(dǎo)教師 于云霞 學(xué)歷 學(xué)士 職稱 副教授 所學(xué)專業(yè) 機(jī)械制造 具體要求： 1） 了解國內(nèi)外機(jī)器人研究概況及其相關(guān)知識。 2） 查閱相關(guān)管外爬行機(jī)器人概況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定總體設(shè)計(jì)方案。 3） 進(jìn)行爬樹機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 4） 熟悉三維設(shè)計(jì)軟件并對設(shè)計(jì)進(jìn)行三維建模造型。 5）對所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配與仿真。 6）按照規(guī)范要求，整理、撰寫論文，準(zhǔn)備答辯。 7）完成相關(guān)英文資料翻譯 指導(dǎo)教師簽字：于云霞 2010年 3 月 1日 院（系）意見： 教學(xué)院長（主任）簽字： 年 月 日 附注： 【摘要】 隨著社會的發(fā)展需要，機(jī)器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。機(jī)器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的影響。 本文介紹了國內(nèi)外爬行機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，本課題的研究意義，并對其進(jìn)行了功能原理分析，在總結(jié)國內(nèi)外爬行機(jī)器人現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對管道外爬行機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析。 在本次設(shè)計(jì)中，管道外爬行機(jī)器人采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)爬行過程。選擇了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī);確定了曲柄、連桿構(gòu)件的尺寸，并以氣缸作為夾持器的動力源；根據(jù)曲柄滑塊的工作原理對爬樹機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動分析;分析了爬行機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并介紹了各個(gè)控制部分工作原理和特點(diǎn)。最后對該爬行機(jī)器人做了仿真。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 管道外爬行機(jī)器人 仿真 ［ABSTRACT］: With the need of the developing society,robots have permeated into every aspect of our life,work and economics,and are playing an important role.The research and development of the robots have a lot of influence on our economic expansion. In this article, present situation and development of climbing tree robot are introduced, as well as the importance of the reserch of the climbing robot, at the same time its principle is analyzed. After summarizing the present situation of climbing robot at home and abroad, mechanism design and theoretical analysis Piping crawl along the robot are finished. In this design, Crawled robots along pineline using slider-crank mechanism, the realization process of reptile. Choose a stepper motor as a motor, Determine the crank connecting the size of components, and the power cylinder for clamping device, According to the working principle of crank slider to climb robot motion analysis,the control system of climbing robot control system, further, each principle of work and trait of control systerm is introduced, at the last, simulation is made. Key words :Robot；Crank-slider mechanism；Crawled robots along pineline ; Simulation 【摘要】 隨著社會的發(fā)展需要，機(jī)器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。機(jī)器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的影響。 本文介紹了國內(nèi)外爬行機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，本課題的研究意義，并對其進(jìn)行了功能原理分析，在總結(jié)國內(nèi)外爬行機(jī)器人現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對管道外爬行機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析。 在本次設(shè)計(jì)中，管道外爬行機(jī)器人采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)爬行過程。選擇了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī);確定了曲柄、連桿構(gòu)件的尺寸，并以氣缸作為夾持器的動力源；根據(jù)曲柄滑塊的工作原理對爬樹機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動分析;分析了爬行機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并介紹了各個(gè)控制部分工作原理和特點(diǎn)。最后對該爬行機(jī)器人做了仿真。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 管道外爬行機(jī)器人 仿真 ［ABSTRACT］ With the need of the developing society,robots have permeated into every aspect of our life,work and economics,and are playing an important role.The research and development of the robots have a lot of influence on our economic expansion. In this article, present situation and development of climbing tree robot are introduced, as well as the importance of the reserch of the climbing robot, at the same time its principle is analyzed. After summarizing the present situation of climbing robot at home and abroad, mechanism design and theoretical analysis Piping crawl along the robot are finished. In this design, Crawled robots along pineline using slider-crank mechanism, the realization process of reptile. Choose a stepper motor as a motor, Determine the crank connecting the size of components, and the power cylinder for clamping device, According to the working principle of crank slider to climb robot motion analysis,the control system of climbing robot control system, further, each principle of work and trait of control systerm is introduced, at the last, simulation is made. Key words :Robot；Crank-slider mechanism；Crawled robots along pineline ; Simulation  目錄 目錄.............................................................................................................................1 第一章 緒論..............................................................................................................3 1.1 機(jī)器人的定義....................................................................................... 3 1.2 國內(nèi)外機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展................................................................3 1.21 國外機(jī)器人的發(fā)展............................................................................3 1.22 國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展............................................................................5 1.23 國內(nèi)外相關(guān)機(jī)器人的工作原理分析................................................6 1.3 課題來源，目的及意義........................................................................9 1.4 課題需要完成的主要任務(wù)...................................................................10 第二章 管外爬行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)............................................................11 2.1 總體機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)...............................................................................11 2.11 坐標(biāo)樣式...........................................................................................11 2.12 機(jī)構(gòu)方式...........................................................................................12 2.13 驅(qū)動方式的選擇...............................................................................12 2.14 驅(qū)動電機(jī)的選擇...............................................................................13 2.15 爬行機(jī)器人的主要特點(diǎn)...................................................................14 2.2 爬行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)...........................................................................16 2.21 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).........................................................................................16 2.22 機(jī)構(gòu)簡介.........................................................................................17 2.3 結(jié)構(gòu)原理分析.......................................................................................18 2.4 運(yùn)動原理分析.......................................................................................19 2.5 管道外爬行機(jī)器人運(yùn)動方案設(shè)計(jì).......................................................19 2.51 機(jī)器人預(yù)期功能要求.....................................................................19 2.52 功能原理設(shè)計(jì).................................................................................19 2.53 運(yùn)動方案的確定.............................................................................19 2.54 執(zhí)行機(jī)構(gòu)材料的選擇.....................................................................20 2.55 位移和速度分析.............................................................................22 2.56 執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖.........................................................................23 2.6 本章小結(jié)...............................................................................................23 第三章 管道外爬行機(jī)器人的實(shí)體建模 ............................................................24 3.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)軟件-UG5的介紹.................................................................24 3.11 UG5的功能特點(diǎn).............................................................................25 3.12 使用UG的優(yōu)點(diǎn)..............................................................................25 3.2 爬行機(jī)器人的實(shí)體建模.......................................................................26 3.21 滑塊（方形架）的建模.................................................................26 3.22 夾持器的建模 ...............................................................................27 3.23 連桿、曲柄的建模...........................................................................28 3.24 聯(lián)軸器的建模.................................................................................28 3.25 各種連接銷的建模.........................................................................29 3.26 各種標(biāo)準(zhǔn)件的使用.........................................................................30 3.27 鍵的建模.........................................................................................30 3.28 爬行機(jī)器人的裝配.........................................................................31 3.29 機(jī)器人的二維視圖.........................................................................33 3.3 本章小結(jié)...........................................................................................33 第四章 爬行機(jī)器人的運(yùn)動仿真 4.1 爬行機(jī)器人的仿真......................................................................... .34 4.11 連桿的建立...................................................................................34 4.12 運(yùn)動副的建立...............................................................................34 4.13 爬行機(jī)器人的仿真.......................................................................35 4.2 爬行機(jī)器人的控制...........................................................................36 4.21 傳感器的控制...............................................................................36 4.22 電機(jī)的控制...................................................................................36 4.3 本章小結(jié).........................................................................................40 總結(jié) ......................................................................................................................41 致謝........................................................................................................................42 參考文獻(xiàn)................................................................................................................43 第一章 緒論 1.1機(jī)器人的定義 早在1923年，捷克作家卡佩克發(fā)表了科幻劇本《洛桑萬能機(jī)器人》?？ㄅ蹇税呀菘苏Z“Robata“寫成Robot”，其意思是農(nóng)奴，預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對人類社會科學(xué)與技術(shù)的悲劇性影響，因而極受關(guān)注，這被當(dāng)做了“機(jī)器人”（Robot）一詞的起源?！皺C(jī)器人”（robot）一詞常常認(rèn)為是人一樣的機(jī)器，其經(jīng)常出現(xiàn)在各種科幻電影和小說中。 與科幻作家所想象的超人機(jī)器人不同的是，更現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人只是一類特殊的自動機(jī)器，它具有與人的四肢相比擬的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可接受視覺、聽覺、觸覺等傳感信息，在計(jì)算機(jī)即電腦的指揮下完成各種機(jī)械操作功能，當(dāng)前主要是代替人進(jìn)行比較通用、靈巧、自主的重復(fù)操作。機(jī)器人不僅可以把人類從條件惡劣、繁重單調(diào)的作業(yè)中解放出來，而且在力量、精度和速度以及特殊環(huán)境下的生存和工作能力等方面有人類無法替代的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人的應(yīng)用和研究對提高勞動上產(chǎn)率、推動科技發(fā)展具有重要意義，同時(shí)也成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平和科技水平的一個(gè)重要標(biāo)志。機(jī)器人在工業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)中日益廣泛的應(yīng)用帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益、也有力的推動了有關(guān)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，從而使其成為一個(gè)活躍的、富有魅力的研究領(lǐng)域。 近幾十年來，機(jī)器人技術(shù)不斷得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，人們 期望機(jī)器人在許多人類不能到達(dá) 的區(qū)域能代替人類完成更復(fù)雜的任務(wù)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，例如在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、防止核污染等危險(xiǎn)惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景 ，所以機(jī)器人所面臨的環(huán)境往往是未知的、不可預(yù)測的、非人為構(gòu)造的環(huán)境，機(jī)器人所要完成的任務(wù)也越來越復(fù)雜 。 1.2 國內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展 1.2.1國外機(jī)器人的發(fā)展 美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，比起號稱"機(jī)器人王國"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。 由于美國政府從60年代到70年代中的十幾年期間，并沒有把工業(yè)機(jī)器人列入重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府又無財(cái)政支持的情況下，寧愿錯(cuò)過良機(jī)，固守在使用剛性自動化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險(xiǎn)，去應(yīng)用或制造機(jī)器人。加上，當(dāng)時(shí)美國失業(yè)率高達(dá)6．65％，政府擔(dān)心發(fā)展機(jī)器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機(jī)器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯(cuò)誤。70年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術(shù)路線上仍把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級機(jī)器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機(jī)器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機(jī)器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場上形成了較強(qiáng)的競爭力。 　 進(jìn)入80年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機(jī)器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機(jī)器人，另一方面制訂計(jì)劃、提高投資，增加機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi)，把機(jī)器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機(jī)器人迅速發(fā)展。 80年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟，第一代機(jī)器人的技術(shù)性能越來越滿足不了實(shí)際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機(jī)器人，并很快占領(lǐng)了美國60％的機(jī)器人市場。 盡管美國在機(jī)器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機(jī)器人技術(shù)在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。具體表現(xiàn)在： （1）性能可靠，功能全面，精確度高； （2）機(jī)器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首； （3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用； （4）高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。 在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機(jī)器人和AMF公司的沃莎特蘭機(jī)器人就已經(jīng)率先進(jìn)入英國市場。1967年英國的兩家大機(jī)械公司還特地為美國這兩家機(jī)器人公司在英國推銷機(jī)器人。接著，英國 Hall Automation公司研制出自己的機(jī)器人RAMP。70年代初期，由于英國政府科學(xué)研究委員會頒布了否定人工智能和機(jī)器人的Lighthall報(bào)告，對工業(yè)機(jī)器人實(shí)行了限制發(fā)展的嚴(yán)厲措施，因而機(jī)器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。 但是，國際上機(jī)器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到：機(jī)器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從70年代末開始，英國政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實(shí)施了一系列支持機(jī)器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機(jī)器人的重要性、在財(cái)政上給購買機(jī)器人企業(yè)以補(bǔ)貼、積極促進(jìn)機(jī)器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機(jī)器人開始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時(shí)期。 法國不僅在機(jī)器人擁有量上居于世界前列，而且在機(jī)器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進(jìn)水平。這主要?dú)w功于法國政府一開始就比較重視機(jī)器人技術(shù)，特別是把重點(diǎn)放在開展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。 法國機(jī)器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的研究計(jì)劃，建立起一個(gè)完整的科學(xué)技術(shù)體系。即由政府組織一些機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項(xiàng)目，而由工業(yè)界支持開展應(yīng)用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機(jī)器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及.　 　 德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進(jìn)機(jī)器人大約晚了五六年。其所以如此，是因?yàn)榈聡臋C(jī)器人工業(yè)一起步，就遇到了國內(nèi)經(jīng)濟(jì)不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻是有利于機(jī)器人工業(yè)發(fā)展的。因?yàn)閼?zhàn)爭，導(dǎo)致勞動力短缺，以及國民技術(shù)水平高，都是實(shí)現(xiàn)使用機(jī)器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機(jī)器人的推廣開辟道路；在"改善勞動條件計(jì)劃"中規(guī)定，對于一些有危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來代替普通人的勞動。這個(gè)計(jì)劃為機(jī)器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。日爾曼民族是一個(gè)重實(shí)際的民族，他們始終堅(jiān)持技術(shù)應(yīng)用和社會需求相結(jié)合的原則。除了像大多數(shù)國家一樣，將機(jī)器人主要應(yīng)用在汽車工業(yè)之外，突出的一點(diǎn)是德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)改造原有企業(yè)，報(bào)廢了舊機(jī)器，購買了現(xiàn)代化自動設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)和機(jī)器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對路。到1984年終于使這一被喻為"快完蛋的行業(yè)"重新振興起來。與此同時(shí)，德國看到了機(jī)器人等先進(jìn)自動化技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機(jī)器人轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。經(jīng)過近十年的努力，其智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。 1.2.2國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展 我國機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)及“863”計(jì)劃的推動下，也取得了很大的進(jìn)展。目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有150多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，進(jìn)行一次性重新設(shè)計(jì)，導(dǎo)致產(chǎn)品規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本高，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、規(guī)?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 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。在移動機(jī)器人方面主要研究工作有:1994年通過鑒定的清華大學(xué)智能移動機(jī)器人，涉及到基于地圖的全局路徑規(guī)劃、基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃、路徑規(guī)劃的仿真、傳感數(shù)據(jù)信息融合等技術(shù);哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的輪式智能服務(wù)機(jī)器人能無纜行走、自動避障、識別語音并能與人對話、能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人、用于服務(wù)場合的導(dǎo)游導(dǎo)購等，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平。此外還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種;在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.2.3國內(nèi)外相關(guān)資料工作原理分析 爬行機(jī)器人要想走向?qū)嵱茫仨殦碛心軇偃蔚倪\(yùn)動系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力，并具有既安全而又友好地與人一起工作的能力，移動機(jī)器人的指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。自主性是指機(jī)器人具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力，不但能夠測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并做出正確的判斷及操作和移動的能力;交互性是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人以及機(jī)器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。因此，在移動機(jī)器人研究中，關(guān)鍵在于以下幾個(gè)方面: 一、導(dǎo)航定位 在移動機(jī)器人的應(yīng)用中，精確的位置知識是一個(gè)基本問題。有關(guān)位置的測量，可分為兩大類:相對測量和絕對測量。使用的方法分為7種:里程計(jì)、慣性航、磁羅盤、主動燈塔、全球定位系統(tǒng)、路標(biāo)導(dǎo)航和地圖模型匹配。其中前兩種屬于相對位置測量，也稱為航跡推算。在導(dǎo)航與定位方面，有兩個(gè)重要的發(fā)展方向:一個(gè)是關(guān)于如何構(gòu)造完整性的導(dǎo)航系統(tǒng);另一個(gè)是關(guān)于主動環(huán)境問題，也稱之為機(jī)器人與環(huán)境交互或融合問題。機(jī)器人通過環(huán)境中存在的主動裝置的交互，完成導(dǎo)航和定位任務(wù)。 移動機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號類型、導(dǎo)航地域等因素的不同，可以分為基于地圖導(dǎo)航，基于路標(biāo)導(dǎo)航，基于視覺導(dǎo)航，基于感知器導(dǎo)航等。 二、機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域以及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。輪式機(jī)器人由于控制簡單、運(yùn)動穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。目前出現(xiàn)的輪式機(jī)器人主要有單輪，四輪，五輪，六輪和八輪這幾種機(jī)器人。移動機(jī)器人是一個(gè)機(jī)構(gòu)、電氣和軟件的綜合系統(tǒng)，它的任何一個(gè)部分都不是孤立的。結(jié)構(gòu)的問題影響到控制和算法。 近年來由于應(yīng)用背景的不斷擴(kuò)大和智能機(jī)器人的研究加快，國內(nèi)外對于輪式機(jī)器人的移動載體的研究也越來越多。按照機(jī)器人運(yùn)動的約束方程可以將其分為兩類:完整性約束和非完整性約束的移動機(jī)器人。 對于一個(gè)非完整性的約束的輪子來說，它只能在與輪子軸垂直的方向前進(jìn)或后退，在不打滑的情況下不具有側(cè)向移動的能力。在移動機(jī)器人平臺中，如果它的約束方程中有非完整性的約束方程，或者說如果它的某個(gè)輪子不具有側(cè)向滑動的能力，那么它就是一個(gè)非完整約束的移動機(jī)器人。非完整約束在現(xiàn)實(shí)世界中是隨處可見的，像傳統(tǒng)的車輪都屬于非完整約束的輪子，但是對它的研究卻較晚。非完整約束的移動機(jī)器人，雖然在開闊的工作空間中經(jīng)過姿態(tài)的調(diào)整可以達(dá)到任意的方向和位置，但是由于不具有移動的能力，這樣在緊湊的工作空間中就不再適用。非完整約束的移動機(jī)器人的運(yùn)動能力和限制使得這類系統(tǒng)和軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤等問題中以增加了一個(gè)約束條件而變得困難了。另外，在非完整約束條件下的移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程和動力學(xué)方程是非線性函數(shù)，用常規(guī)的線性控制理論進(jìn)行控制機(jī)器人是很困難的，而且也不能化成簡單的線性系統(tǒng)?？梢?，對于非完整約束的移動機(jī)器人的控制也存在一定的難度，但由于它的普通性，目前好多學(xué)者致力于非完整約束條件下移動機(jī)器人的運(yùn)動控制的研究。由完整約束輪子構(gòu)成的移動機(jī)器人能夠在保持機(jī)體姿態(tài)不變的前提下沿任意方向移動，實(shí)現(xiàn)全方位移動的功能。這種能力使得移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等問題變得相對簡單，并且它可以在狹小的工作空間中很好的完成任務(wù)。為了讓移動機(jī)器人具有全方位移動的能力，不斷有人進(jìn)行完整性約束輪子的研究，于是出現(xiàn)了幾類有代表性的全方位移動輪。其中較具有影響力的是正交輪全方位移動機(jī)器人。由這種結(jié)構(gòu)組成的移動機(jī)器人相對于前邊的兩種結(jié)構(gòu)具有數(shù)學(xué)模型簡單、控制容易、全方位移動等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在仍然有許多人在致力于全方位移動輪的研究，并且不斷有各種特色的新型裝置推出。在實(shí)際的系統(tǒng)中采用何種結(jié)構(gòu)的車輪以及輪子的數(shù)量取決于地面性質(zhì)、車輛的承載要求、移動機(jī)器人的任務(wù)等多種因素。 當(dāng)前，對其它非輪式移動機(jī)器人，例如足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人的研究較多，但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。 三、路徑規(guī)劃技術(shù) 爬行機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是給定機(jī)器人及其工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，尋求有界輸入使系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)從起始點(diǎn)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)點(diǎn)。其主要研究內(nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境，按機(jī)器人獲取信息方式的不同可分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀(jì)70年代，目前對這一問題的研究仍十分活躍，許多學(xué)者都做了大量的工作。 運(yùn)動規(guī)劃是移動機(jī)器人的一個(gè)重要問題，對于自由移動機(jī)器人即機(jī)器人的運(yùn)動不受約束，運(yùn)動規(guī)劃問題可以通過在自由位形空間內(nèi)計(jì)算一條路徑加以解決，這樣的一條路徑與工作空間內(nèi)的一條可行的自由路徑相對應(yīng)。但是移動機(jī)器人運(yùn)動受到非完整性約束，并不是任意路徑都一定是可行的。在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中，還要考慮運(yùn)動中的避障問題，因此，移動機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。尚有許多問題有待研究。 四、跟蹤控制 跟蹤控制是爬行機(jī)器人運(yùn)動控制的一個(gè)重要問題，也是一個(gè)非常實(shí)際的問題。分為軌跡跟蹤控制和路徑跟蹤控制兩種。在軌跡跟蹤控制中，期望軌跡是由幾何參數(shù)來描述的。當(dāng)要求機(jī)器人以一個(gè)期望的速度跟蹤一條由幾何參數(shù)給出的路徑時(shí)，可以采用路徑跟蹤控制。已有的軌跡跟蹤方法在數(shù)學(xué)上很完美，并且得到許多有意義的結(jié)果，但對于設(shè)計(jì)實(shí)際的跟蹤控制器來說，還有許多實(shí)現(xiàn)上的問題。關(guān)于這方面的工作，主要集中在早期。近期的研究主要集中在考慮非完整約束力學(xué)的情況下，如何實(shí)現(xiàn)有效跟蹤。 五、反饋鎮(zhèn)定 運(yùn)動控制是機(jī)器人控制的一個(gè)重要方面。爬行機(jī)器人的運(yùn)動控制可分為兩種策略:開環(huán)策略和閉環(huán)策略。開環(huán)策略就是試圖尋找一個(gè)有界的控制輸入序列來操縱系統(tǒng)，使其從一個(gè)初始位形到任意的期望位形。這種策略往往和機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃聯(lián)系在一起。閉環(huán)策略，就是反饋鎮(zhèn)定。考慮到非完整約束的移動機(jī)器人系統(tǒng)，是一個(gè)欠驅(qū)動的非完整系統(tǒng)，也是一個(gè)無漂移的零動力學(xué)系統(tǒng)，此類系統(tǒng)不滿足純狀態(tài)光滑鎮(zhèn)定的必要條件，也就是說，這類系統(tǒng)不能用連續(xù)可微的時(shí)不變的純狀態(tài)反饋律來予以鎮(zhèn)定。因此，非連續(xù)控制、時(shí)變控制律以及結(jié)合二者的混合控制律就是必然的選擇。故設(shè)計(jì)一個(gè)反饋鎮(zhèn)定律，是一個(gè)具有很大挑戰(zhàn)性的工作，也是目前一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域。 六、多傳感器系統(tǒng)與信息融合 由于現(xiàn)有傳感器普遍存在著有效探測范圍小，數(shù)據(jù)可靠性低等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中往往使用多傳感器共同工作，并采用多傳感器融合技術(shù)對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、綜合和平衡，利用數(shù)據(jù)的冗余和互補(bǔ)特性進(jìn)行容錯(cuò)處理，以求得到所需要的環(huán)境特性。所謂多傳感器融合，是指將多個(gè)傳感器采集的信息進(jìn)行合成，形成對環(huán)境某一特征的綜合描述的一種方法。采用多個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的:(l)多個(gè)傳感器可提供同一環(huán)境信息的冗余信息;(2)可提供出現(xiàn)在環(huán)境中有關(guān)特征的互補(bǔ)信息;(3)多個(gè)傳感器可以并行快速地分析當(dāng)前的場景;(4)多個(gè)傳感器雖然成本較高，但具有高魯棒性，可改善完成特定工作的指標(biāo);(5)在某傳感器發(fā)生故障的情形下，很快可以重組，重新投入工作。多傳感器數(shù)據(jù)集成與融合是一項(xiàng)內(nèi)容廣泛的技術(shù)，涉及到傳感器、信號處理、機(jī)器人學(xué)、控制理論、系統(tǒng)分析、概率統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及仿生學(xué)等很多方面的知識。 事實(shí)上，采用傳感器融合技術(shù)，如不做出一定的限制，將會大大增加機(jī)器人的計(jì)算工作量。為減小數(shù)據(jù)計(jì)算量，在具體問題中，往往不是對所有的傳感器信息進(jìn)行融合，而是采用傳感器分組方法，針對不同的行動激活不同的分組，或者對不同復(fù)雜程度的地形激活不同數(shù)量的傳感器來探測，這樣可以減少融合過程中的計(jì)算量。 七、分布式機(jī)器人系統(tǒng) 分布式機(jī)器人系統(tǒng)是由多個(gè)機(jī)器人、傳感器或者智能體組成，它們在物理上是分開的，必須通過一種媒質(zhì)，例如以太網(wǎng)，來進(jìn)行通訊。多個(gè)移動機(jī)器人交換信息，踢足球的機(jī)器人系統(tǒng)就是一個(gè)實(shí)例。在制造業(yè)中底座固定的機(jī)械手也常常作為分布式機(jī)器人系統(tǒng)，因?yàn)橥ǔＳ幸粋€(gè)監(jiān)控系統(tǒng)通過通訊總線來控制和監(jiān)視各個(gè)單個(gè)的機(jī)器人。 有關(guān)分布式機(jī)器人的研究，大部分是關(guān)于自主機(jī)器人和軟件智能體。這些系統(tǒng)被稱之為DARS(分布式自主機(jī)器人系統(tǒng))。大多數(shù)的應(yīng)用都是關(guān)于多個(gè)自主移動機(jī)器人的協(xié)作和控制以及機(jī)器人的分布式控制系統(tǒng)，也有一些是基于機(jī)械手的。因?yàn)樵诙x上這些系統(tǒng)是自主的，所以不用考慮與人的互操作。它們基本上是一個(gè)本地的分布式系統(tǒng)，時(shí)延和丟包率都不是大問題。 八、智能技術(shù) 機(jī)器人的智能行為包括知識理解、推測、感覺、認(rèn)識、推理、歸納、推斷、計(jì)劃、反應(yīng)、學(xué)習(xí)和問題求解等。涉及的領(lǐng)域包括圖像理解、語音和文字符號的處理與理解、知識的表達(dá)和獲取、學(xué)習(xí)、智能運(yùn)動。對于移動機(jī)器人來說，關(guān)鍵的智能技術(shù)是自動規(guī)劃技術(shù)和基于傳感器的智能。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊技術(shù)被不斷地應(yīng)用到移動機(jī)器人的智能技術(shù)中來 1.3課題來源目的及意義 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入80年代以來，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，機(jī)器人的研究領(lǐng)域和開發(fā)類型也在逐漸增多。移動機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分枝，其研究工作始于20世紀(jì)60年代。移動機(jī)器人的最成功應(yīng)用是自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運(yùn)，用于完成機(jī)床之間、機(jī)床與自動倉庫之間的工件工具傳送。移動機(jī)器人的運(yùn)動靈活性能，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動化程度。 星際探索和海洋開發(fā)是促使移動機(jī)器人發(fā)展的重要因素:從20世紀(jì)60年代，美國Mrr開始研究火星探索移動機(jī)器人，以便在火星上進(jìn)行移動，收集探測數(shù)據(jù);海洋開發(fā)方面，移動機(jī)器人的作用是資源調(diào)查、石油礦藏開采、水下設(shè)施維護(hù)、沉船打澇、勘測。 現(xiàn)在，移動式機(jī)器人的研究開發(fā)除上述應(yīng)用外，還涉及許多其他應(yīng)用領(lǐng)域。如在建筑領(lǐng)域完成混凝土的鋪平、壁面的裝修、檢查和清洗;采礦業(yè)中進(jìn)行隧道的掘進(jìn)和礦藏的開采、農(nóng)林業(yè)中從事水果采摘、樹枝修剪、圓木搬運(yùn);軍事上用于探測偵察、爆炸物處理。福利方面進(jìn)行盲人引導(dǎo)，病員護(hù)理等。 由于機(jī)器人應(yīng)用從制造業(yè)向非制造業(yè)的擴(kuò)展，以及移動機(jī)器人在諸如野外作業(yè)、深海探測以及一些人類本身所不能進(jìn)入的有毒或高溫環(huán)境的作業(yè)中，有著極其廣泛的應(yīng)用前景，因此近年來機(jī)器人研究在多方面都已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，研究的成果必將成為各行各業(yè)提高生產(chǎn)力的強(qiáng)有力的工具。 本課題主要要求機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中完成較復(fù)雜的任務(wù)，能夠沿著管道壁直線行走，在管道外以較快的速度行走，并且能在機(jī)器人本體上添加一些輔助的設(shè)備，完成對較復(fù)雜管道外環(huán)境的檢測。 該管道爬行機(jī)器人的研究具有延伸性和一定的通用性，可以應(yīng)用到其他的領(lǐng)域。如軍事掃雷、牌型機(jī)器人、資源勘探機(jī)器人。清潔環(huán)保機(jī)器人和農(nóng)林機(jī)器人等。因此本文的研究可以促進(jìn)爬行機(jī)器人向?qū)嵱没较虬l(fā)展。 管道外爬行機(jī)器人是在爬行機(jī)器人的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的加深，和其他智能機(jī)器人一樣，管道外爬行機(jī)器人的研究和實(shí)現(xiàn)對推動智能機(jī)器人的發(fā)展和智能控制技術(shù)起到了推動作用。 1.4要完成的主要任務(wù) 1、概括地介紹了爬行機(jī)器人的定義、分類、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)。; 2、查閱相關(guān)管外爬行機(jī)器人概況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定總體設(shè)計(jì)方案。; 3、進(jìn)行爬行機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 4、熟悉三維設(shè)計(jì)軟件并對設(shè)計(jì)進(jìn)行三維建模造型。 5、對所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配與仿真。 第二章 管外爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.1總體機(jī)構(gòu)方案 作為一個(gè)系統(tǒng)機(jī)器人，一般由三部分、六個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖2.1所示。這三部分是機(jī)械部分、傳感部分、控制部分；六個(gè)子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 人機(jī)交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng) 機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng) 感 知 系 統(tǒng) 圖2.1 機(jī)器人的基本組成 在本小節(jié)，對機(jī)構(gòu)坐標(biāo)型式、機(jī)構(gòu)方式及驅(qū)動形式和爬行機(jī)器人的主要特點(diǎn)做了介紹并進(jìn)行了合理的選擇。 2.1.1坐標(biāo)型式 關(guān)節(jié)型機(jī)器人依結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人和關(guān)節(jié)型機(jī)器人。 1、直角坐標(biāo)型機(jī)器人 直角坐標(biāo)型機(jī)器人是最簡單的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，其通過互相垂直的軸線位移來改變手部的空間位置。手部在空間三個(gè)相互垂直的方向X、Y、Z上作直線運(yùn)動，運(yùn)動是獨(dú)立的，如圖2.2a)所示。它易于實(shí)現(xiàn)高定位精度，控制簡單，運(yùn)動直觀性強(qiáng)，空間軌跡易于求解，但操作靈活性差，運(yùn)動的速度較低，操作范圍較小。 2、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人在水平轉(zhuǎn)臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱上下運(yùn)動并可在水平方向伸縮，如圖2.2b)所示。其結(jié)構(gòu)簡單，便于幾何計(jì)算，工作范圍較大，運(yùn)動速度較高，但隨著水平臂沿著水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。 3、球坐標(biāo)型機(jī)器人 球坐標(biāo)型機(jī)器人的工作臂不僅可繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，還可繞水平軸作俯仰運(yùn)動，且能沿著手臂軸線作伸縮運(yùn)動，如圖2.2c)所示。其操作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，并能擴(kuò)大機(jī)器人的工作空間，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個(gè)變量。 4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人主要有立柱、前臂和后臂組成。如圖2.2d)所示。其全部關(guān)節(jié)皆為轉(zhuǎn)動型關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活性最好，運(yùn)動速度較高，操作范圍大，所占空間體積小，相對的工作空間最大，還能繞過基座周圍的一些障礙，是機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，但精度受手臂位姿的影響，實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動較困難。 圖2.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人坐標(biāo)型式 a)直角坐標(biāo)型機(jī)器人 b)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人 c)球坐標(biāo)型機(jī)器人 d)關(guān)節(jié)型機(jī)器人 此爬行機(jī)器人要求結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，實(shí)現(xiàn)高定位精度，運(yùn)動直觀性強(qiáng)，空間軌跡易于求解，且運(yùn)動的速度較低，操作范圍較小，因而選用直角坐標(biāo)型機(jī)器人。 2.1.2機(jī)構(gòu)方式 此機(jī)器人的研制主要完成關(guān)節(jié)移動控制，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人末端的軌跡控制。要實(shí)現(xiàn)這種功能可以有多種機(jī)構(gòu)方式，如下介紹: 1)雙關(guān)節(jié)式:具有較大的運(yùn)動空間，運(yùn)動靈活，結(jié)構(gòu)簡單。但由于兩關(guān)節(jié)相互禍合具有牽連坐標(biāo)關(guān)系，使得機(jī)構(gòu)具有不對稱性，導(dǎo)致機(jī)器人末端力F和速度v不均勻的分配到兩個(gè)手臂上，提高了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了控制的難度。其次是關(guān)于上臂關(guān)節(jié)驅(qū)動部件的安裝，若安裝在基座上，則增加了傳動鏈的長度，導(dǎo)致影響系統(tǒng)的精度;若安裝在下臂的末端，則要求整個(gè)系統(tǒng)具有較好的剛度。 2)極坐標(biāo)式:兩坐標(biāo)正交，互不影響，運(yùn)動學(xué)分析簡單，控制容易。對于驅(qū)動傳動的電機(jī)可以安裝在基座上，對于驅(qū)動直線運(yùn)動的電機(jī)也可以安裝在基座上，這樣總重量大部分就可以由基座來承擔(dān)，手臂重量輕，使得結(jié)構(gòu)緊湊，但運(yùn)動空間小，不適合于工業(yè)生產(chǎn)中。 3)連桿式:此結(jié)構(gòu)屬于并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有很好的對稱性，末端的力和速度可以平均分配給每個(gè)桿，同時(shí)，驅(qū)動單元可以安裝在基座上，使整個(gè)系統(tǒng)有很好的剛度。但是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的模型復(fù)雜，活動空間小，運(yùn)動學(xué)分析相對較難，控制系統(tǒng)相對其它機(jī)構(gòu)來說較復(fù)雜。 鑒于以上的分析和本機(jī)器人的特點(diǎn)，本機(jī)構(gòu)采用第二種方式，即極坐標(biāo)式。 2.1.3驅(qū)動形式的選擇 驅(qū)動部分是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)器人常用的驅(qū)動形式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動三種基本類型。 1、氣壓驅(qū)動 在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的。使用壓力通常在0.4一0.6Mpa，最高可達(dá)1Mpa。用氣壓伺服實(shí)現(xiàn)高精度是困難的，但在滿足精度的場合下，氣壓驅(qū)動在所有的機(jī)器人驅(qū)動形式中是質(zhì)量最輕、成本最低的。氣壓驅(qū)動主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。其缺點(diǎn)是:功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位姿精度不高。 2、液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動是以高壓油作為介質(zhì)，體積較氣壓驅(qū)動小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時(shí)液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。但由于壓力高，總是存在漏油的危險(xiǎn)，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境，所以需要良好的維護(hù)，以保證其可靠性。液壓驅(qū)動比電動機(jī)的優(yōu)越性就是它本身的安全性，由于電動機(jī)存在著電弧和引爆的可能性，要求在易爆區(qū)域中所帶電壓不超過9V，但液壓系統(tǒng)不存在電弧問題。 3、電氣驅(qū)動 電氣驅(qū)動是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動。電氣驅(qū)動是目前機(jī)器人是用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點(diǎn)是易于控制，運(yùn)動精度高，響應(yīng)快，使用方便，驅(qū)動力較大，信號監(jiān)測、傳遞、處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境，可以采用多種靈活的控制方案。 由于本課題所研究的爬行機(jī)器人驅(qū)動負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動方式。 2.1.4驅(qū)動電機(jī)的選擇 電動機(jī)有直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)三類。常用的交流電動機(jī)有三相異步電動機(jī)(或感應(yīng)電動機(jī))和同步電動機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)一般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有事也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的一種D\A裝換裝置。按輸出位移的不同，步進(jìn)電機(jī)可分為回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)和直線式步進(jìn)電機(jī)。機(jī)器人中一般采用回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)。如果把步進(jìn)電機(jī)裝在機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，則接受一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)就帶動機(jī)器人的關(guān)節(jié)周轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機(jī)連續(xù)不斷地接收脈沖，則關(guān)節(jié)軸連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與接收脈沖數(shù)成正比。 根據(jù)本系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，我選用了步進(jìn)電機(jī)。其性能優(yōu)越性如下： （1）輸出角度精度高，無積累誤差，慣性小。 （2）輸入和輸出呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。 （3）容易實(shí)現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便。 （4）輸出信號為數(shù)字信號，可以與計(jì)算機(jī)直接接口。 （5）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可靠性好，壽命長。 由于該爬行機(jī)器人所選用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，基于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，因而能帶動四個(gè)凸輪間歇地完成夾持器對管道的夾緊與放松;實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)器人在爬行過程中互為機(jī)架直線上行的爬行過程。另外兩個(gè)直流電機(jī)直接作用在曲柄上，實(shí)現(xiàn)對曲柄的驅(qū)動。 表2.1 步進(jìn)電機(jī)的參數(shù) 額定功率 0.75KW 外形尺寸（mm）直徑25mm 額定電壓 380V 高 30mm 額定電流 1.81A 最大額定轉(zhuǎn)矩 2.2 重量（kg） 0.5 Y小型（IP44）三相異步電動機(jī)（H80～315mm） 該系列電動機(jī)是封閉自扇冷式籠型三相異步電動機(jī)，是全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。該系列電動機(jī)具有高效、節(jié)能、啟動轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運(yùn)動安全可靠等特點(diǎn)。 在電機(jī)的前端用齒輪減速器減速，由于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為600r|min，所以選擇傳動比為1:4的齒輪。 2.15 氣缸的選擇 夾持器上選用氣缸作為動力源帶動其夾緊與松開。氣缸選用CG1型標(biāo)準(zhǔn)氣缸，選擇缸徑為40mm，行程為100mm的氣缸。 2.1.6爬行機(jī)器人的主要特點(diǎn) 一、爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 本爬行機(jī)器人本體是兩個(gè)形狀相似、材料和性能相同的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)緊湊、合理，各個(gè)關(guān)節(jié)處采用獨(dú)立電機(jī)直接驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其中四個(gè)個(gè)氣缸帶動夾持器運(yùn)動，完成夾緊與松弛動作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)由機(jī)架向滑塊的轉(zhuǎn)變，完成一個(gè)工作循環(huán);其余另外兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成，利用單片機(jī)控制電機(jī)，推動整個(gè)機(jī)構(gòu)上移。 二、機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)反映了機(jī)器人所能勝任的工作和具有的最高操作性能，是選擇和設(shè)計(jì)機(jī)器人都必須考慮的關(guān)鍵問題。機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)一般包括以下幾個(gè)方面。 (1)結(jié)構(gòu)形式 機(jī)器人的機(jī)構(gòu)形式是指機(jī)器人運(yùn)動鏈的形式:如關(guān)節(jié)式、球坐標(biāo)式、直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式等。 (2)自由度 自由度是表示機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)，是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立運(yùn)動關(guān)節(jié)的數(shù)目。通常情況下機(jī)器人的自由度在3～6個(gè)之間，而自由度的類型是指屬于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)還是直線關(guān)節(jié)。 (3)運(yùn)動范圍 是指機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍。機(jī)器人一般由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制和控制系統(tǒng)電纜的走線，都對關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍會產(chǎn)生影響，大多數(shù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)不可能在同一個(gè)方向持續(xù)轉(zhuǎn)動。 (4)重復(fù)精度 機(jī)器人經(jīng)過多次循環(huán)運(yùn)動后，到達(dá)空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍。 (5)控制方式 機(jī)器人運(yùn)動控制的方式，如示教再現(xiàn)、點(diǎn)位控制或軌跡控制。 (6)驅(qū)動方式 機(jī)器人是采用液壓、氣動、交流電機(jī)或異步電機(jī)控制等。 (7)承載能力 承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。 承載能力不僅決定