鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)11.緒論1.1 本課題的提出和研究意義機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動(dòng)化設(shè)備。它是機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制理論等學(xué)科發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題之一。在各領(lǐng)域機(jī)器人設(shè)計(jì)活動(dòng)也已經(jīng)很廣泛的開展起來，這種氛圍對(duì)我國機(jī)器人的研制開發(fā)以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極的意義。國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀長期以來，人們就想往能在垂直陡壁上攀行，進(jìn)行各種作業(yè)。近年來出現(xiàn)的攀行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了這種理想。由于在垂直陡壁上作業(yè)是非常困難和危險(xiǎn)的，超越了人的能力極限，所以在國外稱此類機(jī)器人為極限作業(yè)機(jī)器人。壁面攀行機(jī)器人可用來代替人工進(jìn)行的一些危險(xiǎn)操作，進(jìn)行各種儲(chǔ)存有毒有害介質(zhì)的儲(chǔ)存罐以及高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面的檢測(cè)工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲(chǔ)液罐的視覺檢查、超聲側(cè)厚和焊縫探傷等作業(yè)。它可以代替人類做一些危險(xiǎn)的工作，并取得了很大的應(yīng)用價(jià)值。因此，該項(xiàng)目成為國內(nèi)外科研人員研制開發(fā)的熱點(diǎn)。這種鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人己在部分工程項(xiàng)目中得到了有效的應(yīng)用，具有潛在的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的小型化、微型化成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。開發(fā)一種小型、便攜的攀行機(jī)器人在軍事和民用方面都具有重要意義。在軍事方面，它可以被投放在敵后，攀行于建筑物的表面或玻璃壁面上，對(duì)室內(nèi)的情況進(jìn)行偵察；或者充當(dāng)可移動(dòng)的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設(shè)施和人員。民用方面可用于高層建筑的表面檢測(cè)或進(jìn)行清洗。但是傳統(tǒng)的攀行機(jī)器人或是采用磁吸附方式，依靠磁力吸附于金屬壁面，不適合工作在鋼結(jié)構(gòu)建筑物的表面；或是采用由真空泵或真空發(fā)生器抽吸空氣產(chǎn)生吸附力的主動(dòng)吸附方式，需要外接氣源，連接大量的支持設(shè)備，能量耗費(fèi)大，而且一般伴有較大的噪音，機(jī)器人的體積和活動(dòng)范圍都受到限制，不宜在小型攀行機(jī)器人上使用。在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物的表面檢測(cè)工作中，預(yù)防性定期檢測(cè)和被迫性事后檢測(cè)維修工作都存在著較大的缺陷，人工檢測(cè)已經(jīng)無法滿足。隨鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)2著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人代替人工進(jìn)行高層建筑的危險(xiǎn)檢測(cè)工作成為了一種新的趨勢(shì)，攀行檢測(cè)機(jī)器人將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，國內(nèi)外都非常重視鋼結(jié)構(gòu)攀行檢測(cè)機(jī)器人的研制，主要是因?yàn)樗兄鴱V泛的用途，特別是它可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境以及高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面上進(jìn)行攀行檢測(cè)作業(yè)。攀行檢測(cè)機(jī)器人是一種新型特種機(jī)器人，能在危險(xiǎn)工作狀態(tài)下代替人工作業(yè)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。由于傳統(tǒng)攀行機(jī)器人具有很多的不足之處（如對(duì)壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等） ，因此未來爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí)用化的方向發(fā)展。該機(jī)器人機(jī)構(gòu)合理，性能完善，并且可以代替人工進(jìn)行高空環(huán)境作業(yè)，降低了人類高空作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)；也大大提高了作業(yè)效率。這將意味著為高空鋼結(jié)構(gòu)表面的檢測(cè)工作，開辟了應(yīng)用機(jī)器人代替人力作業(yè)的新領(lǐng)域。1.2 國內(nèi)外機(jī)器人的研究和發(fā)展?fàn)顩r圖 1.1 履帶式機(jī)器人 圖 1.2 履帶式機(jī)器人鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)3攀行檢測(cè)機(jī)器人有著很大應(yīng)用前景，它一經(jīng)問世就受到了各方面的重視。1966 年日本的西亮教授首次研制成功壁面移動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人樣機(jī)，并在大阪府立大學(xué)表演成功。這是一種依靠負(fù)壓吸附的攀行機(jī)器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的攀行機(jī)器人，到 80 年代末期已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。日本在開發(fā)爬壁機(jī)器人方面發(fā)展最為迅速,主要應(yīng)用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。日本清水建設(shè)公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機(jī)器人，他們研制的負(fù)壓吸附清洗玻璃面的爬壁機(jī)器人，曾為加拿大使館進(jìn)行過清洗。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)了無線遙控磁吸附爬壁機(jī)器人。在日本通產(chǎn)省“極限作業(yè)機(jī)器人”國家研究計(jì)劃支持下，日暉株式會(huì)社開發(fā)了用于核電站大罐的負(fù)壓吸附壁面檢測(cè)機(jī)器人。它有兩個(gè)獨(dú)立的負(fù)壓吸盤，可以在遙控下由地面自動(dòng)爬行到大罐的弧形壁面,作視覺檢查與測(cè)厚，并可以跨越障礙。日本關(guān)西電力株式會(huì)社開發(fā)了核電站壁面點(diǎn)檢的爬壁機(jī)器人，移動(dòng)速度為每分 5 米，負(fù)重 50 公斤。日立制造所研制了履帶式磁吸附檢查機(jī)器人，帶有超聲檢測(cè)裝置，如圖 1-1 所示，該機(jī)器人可以垂直攀行于鋼結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行檢測(cè)工作。由于機(jī)器人采用了負(fù)荷分散機(jī)構(gòu)，它能夠適應(yīng)各種凹凸不平的曲面和棚頂。英國在攀行機(jī)器人領(lǐng)域也取得許多成果。90 年代初RTD 公司推出了輪式磁吸附爬壁機(jī)器人(取名 Beetle)，已作為商品銷售。最高爬行速度達(dá)每分種 12 米，可以自動(dòng)記錄每隔一定距離的壁厚，最高爬行高度為 25 米。英國南岸大學(xué)于 1994 年研制成功多足多吸盤氣動(dòng)型攀行檢測(cè)機(jī)器人，可以攜帶一個(gè)小工業(yè)機(jī)器人(例如 PUMA260),進(jìn)行超聲檢測(cè)。它自重 22 公斤,負(fù)重 20 公斤。最近來自英國的報(bào)道，一種取名為羅布格三號(hào)的攀行機(jī)器人在貝德福市作演示。它有 8 條腿,類似巨型蜘蛛，能負(fù)重 100 公斤，可越障，能將磚放入準(zhǔn)確位置并進(jìn)行檢測(cè)，研制者計(jì)劃將其應(yīng)用于建筑行業(yè)。 俄羅期彼得堡國立技術(shù)大學(xué)也研制成功負(fù)壓吸附攀行機(jī)器人。我國自 90 年代以來，有許多單位根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，研制成功各種類型與功能的攀行機(jī)器人。上海交通大學(xué)研制成功測(cè)量大罐容積的磁吸附攀行檢測(cè)機(jī)器人。哈爾濱理工大學(xué)研制成功測(cè)量大罐漆膜厚度的履帶復(fù)合式攀行機(jī)器人。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究所在“863 計(jì)劃”支持下，于 1994 年研制成功核工業(yè)用的壁面攀行遙控檢查機(jī)器人，最近又與大慶采油一廠合作，研制成功采油行業(yè)中大量使用的儲(chǔ)罐防腐用噴吵、噴漆履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得成功，如圖 1-2 所示。當(dāng)前,國內(nèi)外都非常重視爬壁機(jī)器人的研制,主要是因?yàn)樗兄鴱V泛的用途,特鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)4別是它可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。主要的用途有: (1)對(duì)石化企業(yè)中大量圓柱形大罐或球罐內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查、探傷或噴砂除銹、噴漆防腐； (2)清洗高層建筑物的瓷磚壁面或玻璃墻面； (3)在建筑行業(yè)用于巨型墻面噴漆、砌磚、貼瓷磚和點(diǎn)檢； (4)在核工業(yè)中對(duì)大罐進(jìn)行視覺檢查、測(cè)厚和焊縫探傷； (5)在消防部門用以遞送急救布帶,運(yùn)送水帶和水槍； (6)在造船行業(yè)用于噴砂除銹或噴涂船體及其內(nèi)壁等,特別是對(duì)修船行業(yè),可以快速地將船體進(jìn)行防腐處理。可見機(jī)器人作為新一代的生產(chǎn)工具，能夠代替人完成人力所不及或人所不適宜的工作。隨著機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)機(jī)器人的綜合性能提出了更高的要求，專業(yè)化更強(qiáng)，實(shí)用性更高，經(jīng)濟(jì)性要求也已經(jīng)擺到了人們的面前，因此，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、能滿足功能要求又具有一定的可靠性的微型機(jī)器人或者說功能專一的機(jī)器人需求量越來越大。1.3 機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)及其分類機(jī)器人作為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其控制方式經(jīng)歷了三代發(fā)展:第一代是示教再現(xiàn)式可編程機(jī)器人，具有記憶、存儲(chǔ)功能，能按照作者在示教階段給出的軌跡重復(fù)進(jìn)行特定的作業(yè)過程，但對(duì)周圍環(huán)境基本上沒有感知和環(huán)境信息反饋控制的能力。隨著傳感器技術(shù)包括視覺傳感器、非視覺傳感器(力覺、觸覺、接近覺等)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人則具有感覺功能的自適應(yīng)機(jī)器人，在獲取作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的部分有關(guān)信息的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)行一定的適時(shí)處理、按照固定的邏輯發(fā)出動(dòng)作命令。第三代是智能機(jī)器人，該種機(jī)器人不僅具有第二代機(jī)器人更完善的環(huán)境感知功能，而且具有邏輯思維、學(xué)習(xí)、判斷和決策功能，可根據(jù)作業(yè)要求和環(huán)境信息自主的進(jìn)行工作，該機(jī)器人目前正處于研制和開發(fā)過程中，預(yù)計(jì)到 21 世紀(jì)初期將進(jìn)入普及階段。盡管機(jī)器人的外觀、形狀和功能各異，但它們的主要構(gòu)成基本上是一致的，從控制觀點(diǎn)上講，機(jī)器人系統(tǒng)可分為四部分:人機(jī)接口、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 本論文所研究的鋼結(jié)構(gòu)攀行用檢測(cè)機(jī)器人采用伸縮前進(jìn)的方式進(jìn)行攀行，主要分為：前進(jìn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和腳部。采用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)，通過機(jī)器人編程來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)51.4 本論文主要研究內(nèi)容鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人屬特種作業(yè)機(jī)器人,在核工業(yè)、石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用,自二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)以來,一直受到世界各國的關(guān)注,具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文研究的是一種集移動(dòng)、轉(zhuǎn)向和升降功能于一體的全方位移動(dòng)的攀行檢測(cè)機(jī)器人,并對(duì)攀行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、路徑規(guī)劃以及控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。 論文首先介紹了攀行檢測(cè)機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況,通過閱讀大量文獻(xiàn)和借鑒已有的類似成果,理論聯(lián)系實(shí)際,提出了機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案和運(yùn)動(dòng)方案。分析表明該機(jī)器人能夠攀行于鋼結(jié)構(gòu)的表面上，具有穩(wěn)定性能高、越障能力強(qiáng)、負(fù)載大、能任意方向直行或在原地旋轉(zhuǎn)任意角度,是對(duì)高層壁面進(jìn)行監(jiān)控、維護(hù)和檢測(cè)的良好載體,具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本論文主要研究以下幾個(gè)方面的問題:（1） 鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)械人總體方案的確定機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化裝置，必須采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，立足全局，對(duì)機(jī)器人各功能模塊進(jìn)行合理劃分。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求從理論上分析工作狀況，然后提出設(shè)計(jì)思路，包括傳動(dòng)方式、控制方式等，在綜合分析的基礎(chǔ)上，整體規(guī)劃攀行檢測(cè)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)，從而選定最優(yōu)方案。（2） 鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人前進(jìn)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)怎樣把步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)，是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)方面，本文結(jié)合作業(yè)中的實(shí)際要求，采用直線導(dǎo)軌作為傳動(dòng)元件通過齒條和齒輪的嚙合來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。（3） 鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)在攀行過程中行進(jìn)方向的轉(zhuǎn)換，考慮機(jī)器人料的形狀和質(zhì)量，采用在機(jī)器人機(jī)身中間安裝三角電磁吸盤吸附，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)身的整體回轉(zhuǎn)，從而改變機(jī)器人的行進(jìn)方向。（4） 鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人電磁腳方案的設(shè)計(jì)為了使機(jī)器人能夠在鋼結(jié)構(gòu)上自由行走，在機(jī)器人的腳部安裝七個(gè)微盤組鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)6合是電磁吸盤，在機(jī)器人的前后各安裝兩個(gè)電磁腳，機(jī)身中間安裝一個(gè)三角式電磁腳，這樣可以保證機(jī)器人的行進(jìn)穩(wěn)定，并可在有溝槽或不平整的鋼結(jié)構(gòu)壁面上吸附并行走。（5） 機(jī)器人的檢測(cè)方案設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)可以理解成由多個(gè)環(huán)節(jié)組成的能實(shí)現(xiàn)對(duì)某一物理量進(jìn)行測(cè)量的完整系統(tǒng)?，F(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)明顯特點(diǎn)是傳感器采用電參量、電能量或數(shù)字傳感器以及微型傳感器，信號(hào)處理采用集成電路和微處理器。所以本設(shè)計(jì)采用的是在機(jī)器人的頭部安裝一個(gè)微型攝像頭，從而可以完成對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面的檢測(cè)工作。檢測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量過程中，首先由傳感器將被測(cè)物理量從研究對(duì)象中檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)換成電量，然后輸出。檢測(cè)系統(tǒng)及其組成見圖 1-3。圖 1.3 檢測(cè)系統(tǒng)2. 鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，合理分配機(jī)械、電子、硬件、軟件各部分所承擔(dān)的任務(wù)和功能，對(duì)提高系統(tǒng)的整體性能、結(jié)構(gòu)簡化、成本降低起著舉足輕重的作用。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)進(jìn)行整體功能分析，可以實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、靈活性和高可靠穩(wěn)定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵步驟。2.1 機(jī)器人的任務(wù)要求和機(jī)械系統(tǒng)隨著社會(huì)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑物也越來越多，為了檢測(cè)建筑物的表面工作是否存在安全隱患，人類必須要進(jìn)行高空作業(yè)，但是高空作業(yè)難度系數(shù)及其高，危險(xiǎn)性也很大，為了保障高空作業(yè)的安全性，人們不鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)7斷研究能夠進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用的攀行機(jī)器人來代替人類進(jìn)行高空作業(yè)，這樣便加快高空作業(yè)機(jī)器人的誕生速度。要求機(jī)器人能夠沿著鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行攀行，在攀行過程中，完成對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面的檢測(cè)工作，設(shè)計(jì)的機(jī)器人通過機(jī)身中間的一只三足電磁腳先吸附在建筑物表面上，然后依靠步進(jìn)電機(jī)將機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)整體前移，再將安裝在前進(jìn)裝置上的兩對(duì)電磁腳降下來吸附在建筑物表面上，再將機(jī)身中間的三足電磁腳提升通過步進(jìn)電機(jī)將機(jī)身前移，這樣便完成了機(jī)器人的攀行動(dòng)作。機(jī)器人是通過電磁腳的交替運(yùn)作來實(shí)現(xiàn)整體伸縮前進(jìn)的。這樣設(shè)計(jì)出一種可以在高空危險(xiǎn)環(huán)境下運(yùn)動(dòng),并具有穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)模式的小型鋼結(jié)構(gòu)攀行機(jī)器人。該機(jī)器人采用腿式交替伸縮的運(yùn)動(dòng)模式，可以提高其環(huán)境適應(yīng)能力和越障能力，并且比履帶式運(yùn)動(dòng)模式和三足旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)模式具有良好的穩(wěn)定性。研究開發(fā)的機(jī)器人采用了 ARM+DSP 結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)以及遙控/半自主的工作方式,具有高機(jī)動(dòng)性、小型化、輕量化、可復(fù)位以及低功耗、高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人最終的機(jī)構(gòu)載體，是機(jī)器人賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局、類型、傳動(dòng)方式以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系著機(jī)器人的工作性能。機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：1）機(jī)械子系統(tǒng)，由剛體和彈性體組成；2）傳感系統(tǒng)；3）執(zhí)行系統(tǒng)；4）控制器；5）信息處理系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間的通信是通過接口進(jìn)行的，接口的基本功能是把從一個(gè)部分傳到另一個(gè)部分的信息解碼。如圖 2-1 所示，是經(jīng)典機(jī)械系統(tǒng)的方塊圖，系統(tǒng)的輸入是事先確定的任務(wù)，它是由實(shí)時(shí)或離線給定的。前者在本質(zhì)上看成是智能的，后者是可編程序的機(jī)械。因此，人工智能（artificial intelligent）技術(shù)的軟件系統(tǒng)描述智能機(jī)械的任務(wù)。這種系統(tǒng)可以代替人進(jìn)行再?zèng)Q策?？删幊虣C(jī)器人要求人通過程序向低水平控制或控制系統(tǒng)給定任務(wù)。程序的低水平的意思是：機(jī)械的動(dòng)作被指定為關(guān)于關(guān)節(jié)動(dòng)作或與正在執(zhí)行任務(wù)的特定體的基點(diǎn)相聯(lián)系起來的笛卡爾坐標(biāo)的序列。機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)輸出是通過傳感器監(jiān)測(cè)的實(shí)際任務(wù)（actual task） 。傳感器以反饋信號(hào)的形式傳遞作業(yè)信息并與事先設(shè)定的動(dòng)作相比較，事先設(shè)定的任務(wù)與執(zhí)行動(dòng)作間的誤差反饋給控制器，然后合成必要的較正信號(hào)。這些信號(hào)反饋給執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)完成所要求的動(dòng)作，形成閉環(huán)。鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)8在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，通過人來構(gòu)成閉環(huán)控制的稱為遙控機(jī)器人（telemanipulators） 。遙控機(jī)器人是人借助于復(fù)雜負(fù)載的傳感器和顯示裝置進(jìn)行控制的機(jī)械系統(tǒng)。在方案設(shè)計(jì)階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。同類機(jī)械成功的先例應(yīng)當(dāng)借鑒，原先薄弱環(huán)節(jié)及不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分應(yīng)當(dāng)加以改進(jìn)或者根本改變。圖 2.1 控制系統(tǒng)2.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)本論文多足檢測(cè)攀行機(jī)器人，即攀行機(jī)器人的腿要多于兩條腿。對(duì)于攀行機(jī)器人來說穩(wěn)定性是主要問題，需要考慮它的靜穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性。靜態(tài)穩(wěn)定性只考慮在支撐位形下重力的作用，而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性需要考慮重力和慣性力的共同作用。直觀上講，靜態(tài)穩(wěn)定性需要更多的接觸點(diǎn)，也就是比動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性需要更多的腿。跳躍機(jī)器人和兩腿步行機(jī)器人是步行機(jī)器人中依靠動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的例子。為了穩(wěn)定時(shí)平衡，行走機(jī)器人需要具有運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以提供平衡機(jī)器人重力的地面反作用力。兩腿機(jī)器人沒有靜態(tài)平衡能力，因?yàn)橐粭l腿在轉(zhuǎn)移相時(shí)，身體只剩下一個(gè)接觸點(diǎn)，不能提供保持平衡所須的力。所以在運(yùn)動(dòng)時(shí)，最少要求鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)9用三條腿來保持穩(wěn)定。所以在機(jī)器人的機(jī)身中間設(shè)計(jì)了一個(gè)三足吸盤，這樣就能提供與地面反作用平衡的里同樣，維持靜平衡一般四條腿，所以在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在機(jī)器人的前后兩端各安裝了四只電磁腳，用來保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)框架采用鋁板制作，即采用一塊長 540mm×寬 275mm×高 170mm 的一塊鋁合金板作為機(jī)器人的機(jī)身，并制作成一個(gè)框架。電機(jī)安裝在機(jī)器人的機(jī)身中間如圖 2-2 所示。圖 2.2 機(jī)身尺寸如上圖，機(jī)器人框架上端面三個(gè) Φ8 的孔是用來安裝三個(gè)齒輪軸的，一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)10Φ70 的孔是用來安裝機(jī)器人的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，一個(gè) Φ50 的孔是用來安裝步進(jìn)電機(jī)的，在安裝的時(shí)候要保證各齒輪之間是相互嚙合的?？蚣艿闹虚g是空的，這樣急節(jié)省了材料又減輕了機(jī)器人本身的重量。可以在機(jī)身框架中安裝兩根導(dǎo)軌，用來保證安裝在機(jī)身中間的機(jī)器人前進(jìn)機(jī)構(gòu)可以自由伸縮，并能達(dá)到機(jī)器人的前進(jìn)的行程要求。圖 2.3 機(jī)身尺寸設(shè)計(jì)如圖 2-3 是機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)簡圖。前進(jìn)機(jī)構(gòu)前后兩個(gè) Φ70 的圓孔用來安裝機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)，并在升降機(jī)構(gòu)的下邊分別安裝兩個(gè)電磁腳，這樣便保鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)11證了機(jī)器人的穩(wěn)定性。前進(jìn)機(jī)構(gòu)總長 800mm，寬 175mm，中間是空的，在中間的兩個(gè)薄板的內(nèi)壁上分別安裝兩個(gè)齒條，用來和傳動(dòng)齒輪嚙合，這樣就可以使前進(jìn)裝置相對(duì)于機(jī)器人的機(jī)身運(yùn)動(dòng)了。采用這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是將機(jī)器人分成兩個(gè)部分，一個(gè)是機(jī)器人的機(jī)身，一個(gè)是機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)，可以節(jié)約材料，減少機(jī)器人的自身重量，最主要的是能夠保證機(jī)器人的傳動(dòng)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)的靈活性，精簡了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。它的整體布局結(jié)構(gòu)合理，如圖 2-4 所示。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩個(gè)自由度，將運(yùn)動(dòng)分解為兩部分：移動(dòng)部分和回轉(zhuǎn)部分。移動(dòng)部分占一個(gè)自由度，即使機(jī)器人前后的移動(dòng)機(jī)構(gòu)；回轉(zhuǎn)部分占一個(gè)自由度，即控制機(jī)器人方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這兩個(gè)自由度之間沒有耦合，相互不干擾。鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)12圖 2.4 總體布局圖2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置的作用主要是將驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人相應(yīng)的執(zhí)行部件，以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。目前常用的傳動(dòng)方式有: 齒輪傳動(dòng)、皮帶輪傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、諧波減速傳動(dòng)以及螺旋傳動(dòng)等。諧波減速傳動(dòng)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能獲得大的傳動(dòng)比等優(yōu)點(diǎn)，但存在扭轉(zhuǎn)剛度較低且傳動(dòng)比不能太小的缺點(diǎn)；皮帶輪傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可是存在彈性滑動(dòng)，和鏈傳動(dòng)一樣使用一段時(shí)間后易松弛，傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中還產(chǎn)生動(dòng)載荷；鏈傳動(dòng)雖然成本低，但鏈傳動(dòng)的制造與安裝精度要求低，不適合用在要求傳遞精度高的機(jī)構(gòu)當(dāng)中，鏈傳動(dòng)在兩根平行軸間職能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的傳動(dòng)比，磨損后易發(fā)生跳齒，工作時(shí)候噪音大，不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動(dòng)中應(yīng)用。因此，它們常用于傳動(dòng)精度要求不高的場(chǎng)合。（1）機(jī)器人回轉(zhuǎn)部分傳動(dòng)本設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)來作為回轉(zhuǎn)傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)有：1）效率高 在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，以齒輪傳動(dòng)效率為最高。如一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的效率可達(dá) 99%。這對(duì)功率的傳遞十分重要，因?yàn)榧词剐手惶岣?%，也有很大的經(jīng)濟(jì)意義。2）結(jié)構(gòu)緊湊 在同樣的使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小。3）工作可靠、壽命長 設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，工作十分可靠，壽命可長達(dá)一、二十年，這也是其他機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。這對(duì)機(jī)械傳動(dòng)來說有著很大的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。4）傳動(dòng)比穩(wěn)定 傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于具有這一特點(diǎn)。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，切不宜用于傳動(dòng)距離大的場(chǎng)合。故選用齒輪傳動(dòng)作為機(jī)器人回轉(zhuǎn)裝置的基本傳動(dòng)裝置，這樣便可以保證了機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖 2-5 所示，是機(jī)器人的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)13圖 2.5 機(jī)器人回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（2）機(jī)器人前進(jìn)部分傳動(dòng)而能夠使機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主要是依靠齒輪齒條進(jìn)行動(dòng)力的傳遞。選用齒輪齒條傳遞，主要是考慮機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求，將齒條安裝固定在前進(jìn)裝置的內(nèi)表面上，如圖 2-6 所示，這樣便可以與齒輪嚙合上，并能傳遞齒輪鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)14所傳遞的驅(qū)動(dòng)力，從而使得機(jī)器人前進(jìn)。圖 2.6 機(jī)器人前進(jìn)機(jī)構(gòu)（3）機(jī)器人升降部分傳動(dòng)機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)采用的是蝸桿傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意值，通常用的為90o。這種傳動(dòng)由于具有下述特點(diǎn)，故應(yīng)用頗為廣泛。1）當(dāng)使用單頭蝸桿（相當(dāng)于單線螺紋）時(shí)，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，渦輪只轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，因而能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比。在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般傳動(dòng)比 i=5—8；在分度機(jī)構(gòu)或者手動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，傳動(dòng)比可達(dá) 300；若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá) 1000。由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。2）在蝸桿傳動(dòng)中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和渦輪齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒對(duì)有較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)穩(wěn)定，噪音低。3）當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小雨嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)便具有自鎖性。鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)154）蝸桿傳動(dòng)與螺旋齒輪傳動(dòng)相似，在嚙合處有相對(duì)滑動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)速度很大，工作條件不夠良好的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失較大，效率低，當(dāng)傳動(dòng)具有自鎖性時(shí)，效率僅為 0.4 左右。同時(shí)由于摩擦與磨損嚴(yán)重，常需耗用有色金屬制造渦輪（或蝸圈） ，以便與鋼制渦輪配對(duì)組 成減摩性良好的滑動(dòng)摩擦副。本設(shè)計(jì)采用的是環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，如圖 2-7 所示。環(huán)面蝸桿的傳動(dòng)特征是，蝸桿體在軸外的外形是以凹圓弧為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面，所以把這種蝸桿傳動(dòng)叫做環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。在這種傳動(dòng)的嚙合帶內(nèi)，渦輪的節(jié)圓位于蝸桿的節(jié)弧面上，亦即蝸桿的節(jié)弧沿渦輪的節(jié)圓包著渦輪。在中間平面內(nèi)，蝸桿和渦輪都是直線齒廓。由于同時(shí)相嚙合的齒對(duì)多，而且齒輪的接觸線與蝸桿齒運(yùn)動(dòng)的方向近似于垂直，這就大大改善了輪齒受力情況和潤滑油膜形成的條件，因而承載能力約為阿基米德蝸桿傳動(dòng)的 2—4 倍，效率一般高達(dá) 0.85—0.9；但它需要較高的制造和安裝精度。整體升降機(jī)構(gòu)如圖 2-8 所示。圖 2.7 環(huán)面蝸桿傳動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)16圖 2.8 機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能分析與方案設(shè)計(jì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時(shí)還要考慮價(jià)格因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。目前機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)三種形式。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動(dòng)壓力和功率，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可達(dá)到較高的定位精度和剛度，但油路系統(tǒng)復(fù)雜，工作性能受環(huán)境影響較大，移動(dòng)性能差，且易造成泄漏現(xiàn)象，常用于要求提供較大驅(qū)動(dòng)力矩、對(duì)移動(dòng)性能要求差的特大功率機(jī)器人系統(tǒng)中。氣動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作迅速，可在惡劣的環(huán)境中工作，但氣動(dòng)裝置也存在噪聲問題，只適用于精度要求不高的點(diǎn)位系統(tǒng)中。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有精度高、控制準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮各種驅(qū)動(dòng)式的優(yōu)缺點(diǎn)，選用電氣驅(qū)動(dòng)方式。電氣驅(qū)動(dòng)方式包括普通電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)以及力矩電機(jī)等驅(qū)動(dòng)方式。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量小、動(dòng)態(tài)特性好，由伺服電動(dòng)機(jī)所構(gòu)成的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有運(yùn)行精度高、調(diào)速范圍廣、速度運(yùn)行平滑、具有高可靠性并易于控制等優(yōu)點(diǎn)，交直流伺服電動(dòng)機(jī)己成為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，直流伺服電動(dòng)機(jī)的電刷易磨損形成電火花，限制了其應(yīng)用范圍。近年來隨著交流調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是交流伺服電機(jī)必須采用閉環(huán)控制方式，這種復(fù)雜的控制系統(tǒng)造成控制成本大大提高。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)的價(jià)格在大幅度降低，可靠性也得到了提高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件，具有控制簡單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)。它能夠直接接受數(shù)字信號(hào)，無需中間轉(zhuǎn)換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對(duì)應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)字控制。步進(jìn)電機(jī)以開環(huán)方式工作，可省去伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中位置檢測(cè)與反饋部分以及 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使控制成本大大降低。另外，步進(jìn)電機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)、無累計(jì)定位誤差，可重復(fù)反轉(zhuǎn)而不損壞，并且步進(jìn)電機(jī)的位置和速度控制簡單，具有一定精度，使用與維護(hù)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)17都很方便。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)的控制性能差、難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的空間軌跡控制，因而步進(jìn)電機(jī)很少用于機(jī)器人的軌跡控制。考慮到步進(jìn)電機(jī)的輸出不是連續(xù)量，為了達(dá)到某些系統(tǒng)較高的定位精度要求，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分控制，也可以采用閉環(huán)控制方式獲得更高的驅(qū)動(dòng)性能。由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，隨著電機(jī)制造技術(shù)的提高，尤其是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的革命性變化，步進(jìn)電機(jī)也己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)以及機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的驅(qū)動(dòng)上。平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人多采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，不但可以節(jié)省機(jī)械傳動(dòng)裝置，而且可以有效的消除機(jī)械減速所帶來的誤差和效率的降低，提高運(yùn)行的速度和定位精度。開環(huán)控制由于不存在噪聲干擾問題，工作安全可靠，系統(tǒng)簡單，價(jià)格低廉，特別是電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和提高，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制精度幾乎能達(dá)到閉環(huán)控制的控制精度?？紤]到控制的方便性、可靠性以及系統(tǒng)整體上的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)和控制手爪轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)均采用步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)驅(qū)動(dòng)控制方式。開環(huán)控制可以大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，并且可以降低成本和提高可靠性?？刂剖肿ラ_合的電機(jī)則選用一般的交流電機(jī)即可。在步進(jìn)電機(jī)的選型上，考慮到步進(jìn)電機(jī)品種規(guī)格較多，仔細(xì)分析它們的特點(diǎn)，來恰到好處的選擇。步進(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為反應(yīng)式、永磁式以及混合式等幾種。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī):又稱可變磁阻型(VR-Variable Resistance)，多為單極性勵(lì)磁，結(jié)構(gòu)簡單，精度容易保證，步距角小，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，但勵(lì)磁電流較大，電機(jī)內(nèi)部阻尼小，低頻時(shí)容易產(chǎn)生振蕩，斷電后無定位轉(zhuǎn)矩。永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM--Permanent Magnet Type):步距角大，啟動(dòng)頻率較低，但控制功率較小，效率高，造價(jià)便宜，內(nèi)部阻尼大，不易振蕩，斷電后有定位轉(zhuǎn)矩。與 VR 相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣性也較大?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)(HT--Hybrid Type):是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式。兼有磁阻式步距角小、響應(yīng)頻率高和永磁式勵(lì)磁功率小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要正反脈沖供電，成本較高。如圖 2-9 所示的電機(jī)模擬圖，可以清楚的看到電機(jī)的內(nèi)部。鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)18圖 2.9 電機(jī)模擬圖根據(jù)幾種常用電機(jī)的性能、特點(diǎn)分析，對(duì)該機(jī)器人的控制移動(dòng)部分回轉(zhuǎn)和機(jī)器人升降裝置的驅(qū)動(dòng)由于其要求既具有較高的控制性能，又具有定位轉(zhuǎn)矩，所以均選用混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)選型時(shí)還需要考慮實(shí)際工作需要，在初期確定減速比(電機(jī)轉(zhuǎn)速/負(fù)載轉(zhuǎn)速)之后，通常考慮以下幾方面的問題:1、 選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角 b，要求 b I min ，???其中 min 為負(fù)載軸要求的脈沖當(dāng)量?2、 選擇步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩初步選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可按下式選擇步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 Τ mT L為折算到電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括負(fù)載的阻尼轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩。K 一系數(shù) ，一般取 2 一 3. 53、 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率 f 為 ：f= =60bn?Li鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)19式中：n 一所要求的電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速；nL一負(fù)載軸的轉(zhuǎn)速；b一步距角?4、 步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性一般步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨運(yùn)行頻率升高而迅速下降，經(jīng)過改進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)保持轉(zhuǎn)矩在一個(gè)很小的幅度內(nèi)變化。但是必須保證在實(shí)際運(yùn)行工況下，選用的電機(jī)可以給出足夠轉(zhuǎn)矩。2.5 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)核心部分，結(jié)構(gòu)和功能的劃分以及設(shè)計(jì)的合理性直接影響著整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的可靠性、較高的運(yùn)行速度以及較好的性能價(jià)格比，在滿足工作性能要求基礎(chǔ)上體現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)性要求。（1）硬件平臺(tái)選擇在主控計(jì)算機(jī)的選用上存在兩種解決方案，即采用單片機(jī)并自行設(shè)計(jì)開發(fā)各種功能模塊構(gòu)成主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(如 PC 總線工控機(jī)或 STD 總線工控機(jī)等)并開發(fā)必要的專用功能模塊接口板(或者利用現(xiàn)成的專用功能模塊接口板)。機(jī)器人控制部分的主控計(jì)算機(jī)選用 PC 工控機(jī)與采用單片機(jī)構(gòu)成的廉價(jià)控制系統(tǒng)方案相比較，性能差別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1、一般情況下，機(jī)器人關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)存在級(jí)間耦聯(lián)現(xiàn)象，在關(guān)節(jié)位置和速度的控制上必須滿足適時(shí)性控制要求，因此存在大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理過程，在編程上，體現(xiàn)為大量的浮點(diǎn)運(yùn)算和程序上占用大量的內(nèi)存空間。單片機(jī)由于可尋址的存儲(chǔ)容量范圍有限，可能存在不能達(dá)到性能要求和編程復(fù)雜、開發(fā)工作量大等缺點(diǎn)，而 PC 機(jī)在數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，且開發(fā)工作量較小。2、機(jī)器人控制系統(tǒng)不僅要求具有高可靠性的硬件支持，而且要求在軟件上能實(shí)現(xiàn)各種控制功能。單片機(jī)可直接利用的現(xiàn)成軟件資源較少，而 PC 系列計(jì)算機(jī)目前具有豐富的支持軟件，使程序設(shè)計(jì)更加方便靈活而且軟件的移植靈活性好，因此基于 PC 系列計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序開發(fā)可以避免重復(fù)性工作，并且具有完備的編程語言和開發(fā)環(huán)境。鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)203、采用單片機(jī)進(jìn)行一個(gè)完整的控制系統(tǒng)開發(fā)，雖然目標(biāo)系統(tǒng)成本較低，但試制階段的費(fèi)用并不低廉，更為重要的是在開發(fā)硬件系統(tǒng)時(shí)工作量大、開發(fā)周期長，而且硬件的可靠性和抗干擾性能難以達(dá)到較高要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PC 系列工控機(jī)具有較高的可靠性和可維護(hù)性能，同時(shí)價(jià)格在大幅度降低，采用 PC 工控機(jī)進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制和開發(fā)，可以有效地縮短開發(fā)周期并能降低成本，對(duì)經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)選的硬件解決方案。在機(jī)器人控制方式上，目前主要有集中式控制、主從式控制和分級(jí)控制三種方式。對(duì)于多關(guān)節(jié)機(jī)器人，每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)處理器，將機(jī)器人控制中計(jì)算量最大的動(dòng)力學(xué)方程按關(guān)節(jié)進(jìn)行分解，作為各個(gè)子算法分布在各關(guān)節(jié)處理器上同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，然后輸出到主控制器中，這種采用模塊化結(jié)構(gòu)、主從方式組成分布式多處理系統(tǒng)，是多關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展的方向，目前應(yīng)用最為廣泛的是兩級(jí)或兩級(jí)以上計(jì)算機(jī)構(gòu)成的分布式控制方式。集中式系統(tǒng)是最典型、結(jié)構(gòu)最簡單的控制系統(tǒng)，它將所有的信息輸入、處理、控制均集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，因而對(duì)該計(jì)算機(jī)的性能要求較高，而分布式系統(tǒng)則降低了對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求，且系統(tǒng)可擴(kuò)充性能好，易于維護(hù)，但故障率比集中式控制方式高得多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和存儲(chǔ)技術(shù)的日新月異，許多微型機(jī)在速度和性能上己經(jīng)接近甚至超過小型機(jī)，并且在價(jià)格上大幅度降低，可靠性增強(qiáng)，使用和維護(hù)更加方便。同時(shí)，隨著各種技術(shù)支持軟件的豐富，使編程方便易行、軟件的可移植性高，因而采用高性能價(jià)格比的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人的集中式控制己成為可能。在微型機(jī)領(lǐng)域，IBM-PC 機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能、價(jià)格特別是軟件技術(shù)支持方面都有很多優(yōu)點(diǎn)，使它在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。因此，該機(jī)械手控制系統(tǒng)采用集中控制方式，利用工 BM-PC586 作為控制計(jì)算機(jī)，另外加一塊 PCL-839 接口卡作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)控制用接口卡，這樣既增加了硬件的可靠性，又縮短了開發(fā)周期。（2）軟件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)是控制功能賴以實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)各部件完成控制功能的神經(jīng)中樞。軟件功能的劃分與結(jié)構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中具有極其重要的作用。軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是依據(jù)需要完成整體功能以最優(yōu)的方式把軟件各部分內(nèi)容有機(jī)組織起來，使整個(gè)系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行效率、可靠鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)21性、靈活性和操作實(shí)用性。該機(jī)械手軟件系統(tǒng)主要承擔(dān)的功能包括:運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算、路徑規(guī)劃、參數(shù)輸入、人機(jī)接口控制以及故障報(bào)警和處理系統(tǒng)，在功能的實(shí)現(xiàn)上應(yīng)使系統(tǒng)具有較好的人機(jī)界面和靈活的操作控制功能。3.機(jī)器人參數(shù)的計(jì)算 3.1 機(jī)器人的機(jī)身重量如圖 2-2、2-3 所示，為機(jī)器人機(jī)身的結(jié)構(gòu)尺寸，先計(jì)算出機(jī)器人的機(jī)身體積如下：圖 2-3 所示的機(jī)架體積為： 371 10.25780mV????2 446故 367721 1095. m?????圖 2-2 所示的架體體積為： 373 105.705V????4 m故 367743 1095.425.2. ?????所以機(jī)器人的機(jī)身體積為： 3766.109.1095.7mV????根據(jù)公式 M=ρV, 取鋁合金的密度 ρ= ,則機(jī)器人的機(jī)身重/Kg量為： M=ρV= =34.2Kg3/.2mKg?3724.3.2 選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)一、機(jī)身電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式選擇類型：選用 BF 系列 55BF005 型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)；結(jié)構(gòu)：臥式型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；二、電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)、主要外形及安裝尺寸表 3-1 電機(jī)型號(hào)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)22相數(shù) 額定電壓/V靜態(tài)電流/A步距角/o保持轉(zhuǎn)矩/N·m空載起動(dòng)頻率/P·1?s外形總長3 30 3 3.75/7.5 0.343 16000 70mm3.3 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 如圖 3.1 齒輪1．高速級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)（1）選擇材料，精度及參數(shù)：大齒輪：45 鋼，調(diào)質(zhì)， ，取25~17?HB2401?HB小齒輪：45 鋼，正火， ，取62 9齒數(shù)： 18?Z 386.21??iZ傳動(dòng)比： .8/3/2u精度等級(jí) 8 級(jí)（2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：由公式 321t1t ][TK 2.d????????HEdZiu??Ⅰ.確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值1）試選載荷系數(shù) Kt=1.3鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)232）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩mNnPT ??????? 45151 1038.790./0.93）由表查取齒寬系數(shù) =1；d?4）由表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) ；MPaZE.5） 由圖 10-21 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為； MPa506Hlim1??大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；0a5Hlim2??6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 9h01 17.38197jLN???n12 ./.i?7）由圖 10-19 查得接觸疲勞壽命系數(shù)9.0KHN1 98.0KHN2?8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1 則??MPaSHNH58609.1lim1 ????K39.2li2Ⅱ.計(jì)算1）計(jì)算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值1td??H?321tt ][T 2.d????????HEdZiu?=48.546mm3245398.16.07.8 . ????????2)計(jì)算圓周速度 Vsm/87.1064.81.06nd1t ?????鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)243）計(jì)算齒寬 bmdt 546.8.61?????4）計(jì)算齒寬及齒高之比 b/h模數(shù)： 297./Zm1tt齒高： 16.52.5h.4648/.b/?5）計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù) V=2.96m/s,精度等級(jí) 8 級(jí),由圖 10-8 查得 ,直齒輪,1.0KV?假設(shè) ,由表 10-3 查得 ,由表 10-2 查得10N/m/FKtA?2.kH?F?使用系數(shù) ,由表 10-4 查得 8 級(jí)精度,小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置?時(shí): bd32H 10.)6.(8.5. ?????將數(shù)據(jù)代入則 456.13801.)6(0152H ????由 =9.78, 查圖 10-13 得 ,故載荷系數(shù)b/h4.K?KF??9.5.2VA???6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑( ).~2tmdtt 4.03.1/9.56.8/3317) 計(jì)算模數(shù) mZ47.2/.0/1??(3) 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由公式得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式: ??321???????FSdYZKT???Ⅰ.確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值:1) 由圖 10-20c 查得小齒輪的彎曲疲勞極限 MPa390FE1?齒輪的彎曲疲勞極限 Pa340FE2??2) 查圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ,86.1NK2.N3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力,取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4,則?? aSKFENF 57.2394.18611 ????鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)25?? MPaSKFENF 43.2.10922 ????4) 計(jì)算載荷系數(shù) K 7.1??FVA5) 查取齒形系數(shù)由表 10-5 查得 72.1??FY26.??F6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表 10-5 查得 571SY4.1??S7) 計(jì)算大小齒輪的 并加以比較??FS???01783.5.23971??FSY? ??0176.43.262??FS??由此可見小齒輪的數(shù)值大Ⅱ.設(shè)計(jì)計(jì)算: ????mYZKTFSd 16.20783.21384.7.m3321 ??????????????可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) 2.116mm，并就圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 2.5mm 按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 ，算出小齒輪齒數(shù): .61d8.95.2401?mdZ大齒輪齒數(shù): .420.1?Zi這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。(4) 幾何尺寸1) 計(jì)算分度圓直徑: mZd50.21???1422) 計(jì)算中心距: ????802/50/21 ???damm鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)263) 計(jì)算齒輪寬度:齒寬取mdb501????mB502?4) 齒根高: Chaff 1.3)(2??齒全高: 6.1(5) 驗(yàn)算mNbFKdTtAt /10/95.346271278.4???故合適。3.4 軸的設(shè)計(jì) 圖 3.2 軸3.4.1.軸的設(shè)計(jì)（1）求輸出軸上的功率 P,轉(zhuǎn)速 n 和轉(zhuǎn)矩 TKwP845.6?mi/0197rnNT?.（2）初步確定軸的最小直徑選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表 15-3 查取 ，于是得103?A鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)27mnPAd8.5019.746330min ???（3）軸的尺寸如圖 3-2 所示，左軸承與齒輪左端面之間用端蓋定位,因軸承主要承受徑向載荷的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù) ，由軸承產(chǎn)品，md8.5in?目錄中初步選取 0 基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)選用深溝球軸承 626，其尺寸為 。選用深溝球軸承 628，其尺寸為mBDd619???則取824； ； 812L1d123?L6523?d834?; 。L73445045至此，軸的各段尺寸已初步確定。3.4.2.軸的校核1).軸上零件的周向定位:齒輪與軸的周向定位用平鍵聯(lián)接，各平鍵的尺寸為 94??hb2).倒角尺寸: 軸端倒角為 ?452?3).軸的校核①齒輪與軸的周向定位用平鍵連接。按 查得平鍵截面尺寸md123?，鍵槽用鍵槽銑刀加工。為保證齒輪與軸有良好的對(duì)中性，故94??hb選輪轂與軸的配合為 。倒角為 ，其余見視圖。 6/7nh?45?②倒角為 ,其余見視圖。?524).軸上的載荷1) 水平面內(nèi)的受力見軸的設(shè)計(jì)簡圖，選用的是 628 型深溝球軸承。a=26.5mm=11.5mm263)5.26.3()(1 ??????BlaTl mll 75.4)(7.4)(2 ?laTl .230).65.3(2)(3 ??????鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)28=11.5mm263)5.26.3()(4 ??????BlaTlmlL8.76215432NT??90 NdTFtr 8.1602tan40165.87922an3?????齒 輪各個(gè)力對(duì) A 點(diǎn)取矩,則 求得,)()(321211 ????llTlNlFr,豎直方向合力 求得N6492? ,0?r 781B 點(diǎn)的彎矩 mMBH/98.4562784???2) 總彎矩圖和扭拒圖NBVHB /10.)10.( 42422??mNT/1065.87933?由總彎矩圖和扭拒圖可知,截面 B 受力最大,故截面 B 處為危險(xiǎn)截面。如下圖所示。鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)294) 作為簡支梁的軸的支承跨距,畫出軸的彎矩圖和扭矩圖。鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)30(4) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度校核軸上的承受最大彎矩和扭拒的截面 B 的強(qiáng)度，取 α=0.6，則軸的計(jì)算應(yīng)力 MPawTMca 6.2601.)8795()4.2()( 32532 ????????而軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，則 ,故 安全。??Pa?????,1???ca3.4.3 軸承的壽命計(jì)算圓錐滾子軸承 32911 的額定動(dòng)載荷為 66.8KN,圓錐滾子軸承 32912的額定動(dòng)載荷為 73.0KN，則hPCnLh 251605.786901601331 ????????????????h 408.363212故軸承滿足使用的要求。3.5 鍵的校核 1.軸上鍵的校核:鍵 203195/4??TGBmLhb4??，則 ，根據(jù)材料查得l MPakldTP57.13??，所以 故合適。??MaP10???,?2.步進(jìn)電機(jī)軸上鍵的校核:鍵 GB/T1095-2003346?