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繩爬壁機(jī)器人與監(jiān)視能力
摘 要
在過去不同的工程師和研究人員開發(fā)出能攀爬各種用途的機(jī)器人。在本文中，我們已經(jīng)開發(fā)了在水平和垂直方向能夠爬繩的機(jī)器人。此外，該機(jī)器人具有使用安裝在機(jī)器人的頂部的相機(jī)來執(zhí)行監(jiān)視的能力。從相機(jī)到計算機(jī)的傳輸?shù)囊曨l的質(zhì)量清晰和穩(wěn)定的。因此，開發(fā)機(jī)器人用于監(jiān)視用途不錯的選擇。此外，它可以被用于遍歷建筑物的樓層。它使用一個紅外線傳感器來感測安裝在各樓層的條。一旦條帶被感測，滴機(jī)構(gòu)被啟動，其中一個特定的對象被丟棄到針對性的地板或位置。機(jī)器人可以在自動模式或手動通過RF信號從RF發(fā)送器工作。最后，機(jī)器人相比，許多其他發(fā)達(dá)國家的機(jī)器人的爬繩成本效益。
關(guān)鍵詞 ：機(jī)器人；爬繩；監(jiān)測；微控制器；投遞箱
1.機(jī)器人現(xiàn)狀介紹
現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)正朝著多方面的變化，他們與權(quán)力的計算整合移動;這種機(jī)器人的元素成為解決其中許多人未能做到[1]實時問題的有效工具。機(jī)器人的形象與研究人員，工程師，和機(jī)器人制造商大相徑庭。然而，它已被廣泛接受，在工業(yè)中使用的今天的機(jī)器人起源編程物料搬運(yùn)設(shè)備的發(fā)明中。
機(jī)器人領(lǐng)域在各個領(lǐng)域，包括醫(yī)療，工程，檢測，自動化和軍事許多無限的應(yīng)用?；谟虻臋C(jī)器人有多種不同的任務(wù)和目標(biāo)來執(zhí)行。例如基于軍事機(jī)器人必須要打開或關(guān)閉戰(zhàn)場執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)。炸彈擴(kuò)散的責(zé)任就是這樣一個例子[2]。另一方面醫(yī)用機(jī)器人用于外科演習(xí)并根據(jù)操作任務(wù)。用于外科手術(shù)遠(yuǎn)程機(jī)器人是機(jī)器人等[3]的典范。這種機(jī)器人需要準(zhǔn)確度和精密度在執(zhí)行所需的任務(wù)。同樣有能夠執(zhí)行從簡單到非常復(fù)雜的任務(wù)范圍廣義或?qū)ｉT任務(wù)的許多基于域的機(jī)器人。監(jiān)控和救援都可以通過各種各樣的機(jī)器人，并在不同的領(lǐng)域進(jìn)行兩種復(fù)雜的任務(wù)。這兩個任務(wù)都可以在軍事，工程，安全等諸多機(jī)器人可以看出。監(jiān)督是極大的興趣已被許多研究人員和工程師有針對性的研究領(lǐng)域的一個領(lǐng)域。許多算法，技術(shù)，系統(tǒng)，部署和基礎(chǔ)設(shè)施已被開發(fā)，并在過去提出的[4,5]。新興領(lǐng)域，如圖像處理，計算機(jī)視覺，智能動脈和更多發(fā)揮在處理與安全監(jiān)控相關(guān)的問題具有重要作用[6,7]。
大多數(shù)監(jiān)視機(jī)器人具有視覺能力，以監(jiān)測狩獵周邊只是的特定區(qū)域的一般監(jiān)測所需的對象或。出于這個原因，當(dāng)我們談?wù)摫O(jiān)控機(jī)器人，這是與這種機(jī)器人相關(guān)的一個重要組成部分是一個攝像頭，它作為監(jiān)視跟蹤目標(biāo)對象的檢測和識別的主要手段。相機(jī)的定位，穩(wěn)定性，質(zhì)量和覆蓋距離都是需要由作家所指示的在監(jiān)視機(jī)器人安裝的攝像機(jī)前，認(rèn)為是非常重要的參數(shù)[8]。
類似相機(jī)要求是必要的用于基于救援機(jī)器人。安裝在機(jī)器人動員搜救工作帶有攝像頭的幫助下再次被各種研究人員和工程師探討另一個活躍的研究領(lǐng)域[9]。機(jī)器人的定位和結(jié)構(gòu)起到基于救援行動中起重要作用。機(jī)器人具有以這樣的方式來處理它們被部署在前期狀況和條件進(jìn)行設(shè)計。一般救援行動發(fā)生困難的環(huán)境和地形條件。朦朧，海拔高度，面等具有挑戰(zhàn)性的困難是救援行動的常見問題。機(jī)器人應(yīng)該能夠處理這樣的困難，并為這些機(jī)器人照相機(jī)的定位和質(zhì)量方面發(fā)揮用于實現(xiàn)期望的目標(biāo)的一個重要的角色。
值得一提的是，預(yù)先監(jiān)控或救援機(jī)器人結(jié)合的智能和決策能力一定量如目標(biāo)探測和識別。這種機(jī)器人的目的是不僅在周圍而是分析和可視化的場景，使決策在物體檢測，分類，場景分析的形式和對象跟蹤[10]的視頻和生活流傳輸。
所有功能特定的救援或監(jiān)視機(jī)器人可以有，這個類別的機(jī)器人應(yīng)表現(xiàn)出一個主要的和強(qiáng)制性的要求是穩(wěn)定和清晰的愿景穩(wěn)定的攝像機(jī)位置。照相機(jī)（即，視覺）的穩(wěn)定性取決于攝像機(jī)的位置安裝在機(jī)器人和機(jī)器人自身的運(yùn)動。例如，沒有運(yùn)動的靜態(tài)機(jī)器人周圍穩(wěn)定的現(xiàn)場查看。相比靜態(tài)機(jī)器人的移動機(jī)器人具有穩(wěn)定性較差。場景的穩(wěn)定性和質(zhì)量是非常加上量和機(jī)器人的動作的方式。它公知的是機(jī)器人可以具有不同的運(yùn)動，但主要是這些運(yùn)動可分為五大類：垂直/水平（即行），旋轉(zhuǎn)，曲線，振動和自由運(yùn)動。自由運(yùn)動是最復(fù)雜的，因為這里的運(yùn)動沒有具體的方向。另一方面，行運(yùn)動是最簡單的很多，但仍然照相機(jī)穩(wěn)定性是重要的，需要進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動過程中有效的控制。許多研究者線機(jī)器人和提出的技術(shù)工作與監(jiān)視相機(jī)[11]的穩(wěn)定性一起。
在本文中，我們設(shè)計并實現(xiàn)具有穩(wěn)定視力的垂直和水平移動，并可以用于監(jiān)視和救援基于應(yīng)用程序的簡單和成本有效的機(jī)器人。具體地，本機(jī)器人具有繩的垂直和水平爬坡能力。此外，該機(jī)器人能夠發(fā)送活飼料的通過無線發(fā)射器到服務(wù)器以進(jìn)行進(jìn)一步處理或決策。請注意，本文不討論由機(jī)器人傳輸?shù)膱鼍疤幚矸矫妗?
在第2各種爬繩的機(jī)器人正在與我們提出了爬繩機(jī)器人系統(tǒng)一起討論：紙張的其余部分安排如下。硬件和軟件的描述在第3與互連和各個部件的功能呈現(xiàn)。結(jié)果與性能分析部分給出4.最后結(jié)論和未來的工作是在第5節(jié)給出。
2.介紹爬繩機(jī)器人設(shè)計
在過去的工程師們開發(fā)能夠爬繩，其可以被用于各種目的的各種機(jī)器人。在[12]爬繩任務(wù)由在水平和垂直的情況下實施為一個繩子遍歷一個步態(tài)和方法來實現(xiàn)。提出了不同數(shù)量的模塊和夾持在每種情況下繩索的不同方法。在另一篇文章中研究人員開發(fā)了一種自動爬壁機(jī)器人清洗玻璃幕墻，復(fù)雜的曲面和專門針對中國的國家大劇院。機(jī)器人自主可以爬上和清潔成形在半橢球[13]的外壁。一些時候，一個機(jī)器人被設(shè)計，一些條件不考慮上和功能，例如機(jī)器人成為在這些條件低效的。在[14]的研究人員線上提出了一種基于一個方法靜態(tài)平衡分析來控制特別是在復(fù)雜的條件下的多條腿爬繩機(jī)器人的運(yùn)動。
在所有的爬繩機(jī)器人兩個方面都很重要，繩子和平滑的運(yùn)動時的抓地力。這兩個特性是攜帶重量使用機(jī)械手，容易保持機(jī)器人的整體穩(wěn)定性是重要的。我們設(shè)計的機(jī)器人計劃垂直和水平爬繩索和可通過無線收發(fā)器通過手動控制而不管繩或特性的性質(zhì)，如繩索的大小，無論是繩垂直或水平定向，以及是否繩索具有一些像障礙在繩子某些點結(jié)或彎曲。機(jī)器人計劃有，盡可能和總成本被最小化以用于實際情況的機(jī)器人的設(shè)計是簡單的。
機(jī)器人可以用于救援行動，軍事行動，科學(xué)研究上對人類，并且可以通過所提出的機(jī)器人來實現(xiàn)特定爬繩操作危險區(qū)域進(jìn)行操作。它還可以提供輕松的構(gòu)造函數(shù);使他們能夠在監(jiān)視固定位置的整個環(huán)境。與監(jiān)視能力繩子爬壁機(jī)器人基本上提供豪華的高在建樓房的建設(shè)者，并提供了其周圍的每一層樓到輸出設(shè)備的流媒體直播（視頻）。最好是適合每當(dāng)任務(wù)是有風(fēng)險的，枯燥，危險，臟，不易被人體更高效地完成這些領(lǐng)域。這個機(jī)器人，在另一方面總會讓他們清楚地知道整個環(huán)境的。
使用照相機(jī)，隨身攜帶重量，體重下降，暫停樓層之間的機(jī)制，通過遠(yuǎn)程控制和自動控制控制爬繩，監(jiān)視能力：我們提出的機(jī)器人的主要特點可以概括如下。此外，在構(gòu)成機(jī)器人使用的關(guān)鍵部件是微控制器，馬達(dá)，照相機(jī)，傳感器，RF發(fā)射器，繼電器和供電。
各種機(jī)器人卡扣都示于圖1，而示于圖的整體系統(tǒng)的設(shè)計和工作。 2和工作原理如下：機(jī)械機(jī)器人本身通過夾子固定在繩和含有各種機(jī)器人控制硬件組件，包括一個無線收發(fā)信機(jī)，用于從攝像機(jī)發(fā)送的視頻流安裝在機(jī)器人和用于手動控制的情況下，從用戶接收信號。因此，這種機(jī)器人有兩種工作模式，手動和自動。在自動模式下運(yùn)動預(yù)先校準(zhǔn)并預(yù)先計算。例如，在操作自動模式下，微控制器的編程中，一個恒定的預(yù)定義定時器被設(shè)置為機(jī)器人暫停這樣的方式完成的。這是為樓層自動監(jiān)控有效途徑。如果通過已知的樓層之間的機(jī)器人移動的距離，則有可能在機(jī)器人以這樣的方式進(jìn)行編程以在各樓層為特定持續(xù)時間自動暫停。這是自動地板監(jiān)視或檢查非常有用。如果機(jī)器人在自動模式下工作，要監(jiān)視那么只有一個在該地區(qū)或地板的視頻饋送的形式方式信號被發(fā)送到服務(wù)器站。此外，還有能夠在需要放棄一個項目的對象投遞箱。一個項目可能是一個特定樓層或人被困著火大樓樓層內(nèi)口罩工作的工人的工具。沒有與我們提出的機(jī)器人相關(guān)的下拉框的各種有用的應(yīng)用程序。再次這種下降框可以被控制并且使得自動對象降發(fā)生在這樣的方式編程。
與此相反的自動方法，手動方法使靈活性用戶手動控制機(jī)器人和下拉框。當(dāng)機(jī)器人的氣候動態(tài)結(jié)構(gòu)建筑物或地方，這非常有用。另外請注意，我們提出機(jī)器人不僅垂直，而且水平移動。那里有兩個車輪它們到繩索的對要爬上它平行于長袍移動。沒有，而運(yùn)動的機(jī)器人結(jié)構(gòu)misbalance的機(jī)會。還注意到，在水平運(yùn)動，只使用單個繩索和兩個輪被定位在這樣的方式整體機(jī)器人結(jié)構(gòu)處于懸掛位置?？紤]在一個深區(qū)域落下的物體之間以高的結(jié)構(gòu)如圖當(dāng)這種機(jī)制是有用的。 3.在我們的設(shè)計機(jī)器人可以向上移動到任何高度，但繩索的直徑是固定的。其結(jié)構(gòu)被設(shè)計以這樣的方式，在可攜帶大約半的載荷 - 1公斤在我們的期望的位置丟棄負(fù)載。此外，該電路以這樣的方式來提供最高的效率最快的反應(yīng)制成。
圖1：根據(jù)垂直和水平運(yùn)動的設(shè)計機(jī)器人
圖2：所提出的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖
圖3：機(jī)器人在深海領(lǐng)域的定位水平移動應(yīng)用
如在前面的段落所指出的，一個攝像機(jī)被安裝在機(jī)器人的頂端這使得它穿過樓層生活串流。視頻傳輸是連續(xù)的，無論是在自動或手動模式操作。從由機(jī)器人發(fā)送的流視頻的各種圖像示于圖4。由于這是顯而易見的，從那個流視頻是相當(dāng)清晰，穩(wěn)定的圖像。抖動的視頻是最小的，并且主要是由于之間的無線信道發(fā)射器和接收器。系統(tǒng)和狀態(tài)圖的總體流程圖顯示在圖5。使用硬件和軟件的詳細(xì)說明與它們的互連在下一節(jié)介紹。
圖4：從機(jī)器人由RF發(fā)射機(jī)傳送到他下垂直和水平運(yùn)動設(shè)計機(jī)器人PC終端穩(wěn)定的視頻流
圖5：（a）擬議系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖（b）建議系統(tǒng)的狀態(tài)圖
3.軟件和硬件組件說明和互連
基本上大多數(shù)所使用的部件是硬件部件。它們或者是機(jī)械或電氣部件。與機(jī)器人本身的主體開始時，機(jī)器人的形狀為長方形。在機(jī)器人兩個主要領(lǐng)域的前面可以看到。第一個是在包含操作的手動和自動模式的一些開關(guān)，如圖6的（a）底部的藍(lán)色條面板。這些開關(guān)被連接到機(jī)器人的實際電路和位于后面的透明區(qū)域。另外在頂部，兩個車輪可以看出這是用于垂直攀爬。這些車輪的詳細(xì)說明將在后面給出。現(xiàn)在從側(cè)面看，所述內(nèi)組件可以被看作是顯示在圖圖6（b）。顯然，第三輪可以在其用于機(jī)器人的垂直運(yùn)動的機(jī)器人的中間看到。此外，請注意，中間輪實際上是兩個磁盤的復(fù)合物。這兩個磁盤互連用白色圓柱形材料。兩個磁盤附著到正面和背面板，它是窗玻璃材料制成。窗玻璃材料重量輕，有許多功能，特別是在構(gòu)造性用于攀爬目的機(jī)器人的身體有利。另外，在看的正面和背面板之間的間隙，該電子電路是顯而易見的。在底部，我們可以看到的每6伏兩個DC電池來提供電力的電路和馬達(dá)連接到車輪。還可以看出兩組鏈的，它們分別連接到每個車輪。
圖 6：機(jī)器人從正面，側(cè)面圖和背面與主要的部件被使用
現(xiàn)在要朝背面板如圖無線相機(jī)監(jiān)控可以看出。圖6（c）而且能夠保持對象一個巨大的下拉框直到1kg的重物可以看出這是由它下面的一個電機(jī)滑動下拉框的上下控制。在機(jī)器人的右下方，紅外傳感器用于感測帶。注意，在每一個樓層，在圖中所示的感測帶。圖7（a）是用來使得IR傳感器能夠感測它并根據(jù)刪除對象。這是在這里使用的紅外線傳感器的方法是在光澤識別其中檢測不受目標(biāo)顏色并且可以檢測透明的目標(biāo)。在此模式下，當(dāng)光束擊中一個目標(biāo)，光束根據(jù)目標(biāo)的光澤反映不同。傳感器檢測的基礎(chǔ)上，如圖光束如何反射光在光澤的差異。圖7（b）。在此值得一提的是，感測是通過一個紅外傳感器進(jìn)行只以檢測，當(dāng)使用操作自動模式在達(dá)到一個特定的樓層。雖然這樣的地板檢測可以通過攝像機(jī)本身通過計算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)，但由于我們的目的只是使能爬繩，其他方面如處理監(jiān)控圖像的樓層自動檢測機(jī)器人可以做的是不是我們的預(yù)定目標(biāo)。圖8和9示出了上述一些部件，包括在開關(guān)面板，無線相機(jī)，所述三個輪子（2水平，一個用于垂直移動），IR傳感器，電機(jī)負(fù)責(zé)控制的下拉框的特寫外表和下拉框本身。
圖7：（a）在由紅外線傳感器檢測出的各樓層所用的帶狀傳感器（b）由紅外傳感器中使用的操作的區(qū)別光澤模式
圖8：機(jī)器人，其包括（一）。IR傳感器的各種部件
（二）前切換控制面板（C）無線攝像機(jī)（D）為電機(jī)下拉框，開閉機(jī)構(gòu)
圖 9：機(jī)器人，其包括（a）由窗玻璃材料中間輪來控制機(jī)器人的上下移動（二）上的車輪，以控制機(jī)器人的水平運(yùn)動（三）下拉框的各種組件
我們在機(jī)器人的設(shè)計中使用的另一特征是在頂部，底部和整個使用限制傳感器。如在圖中所示的限制傳感器。 10用于感測地板的端部。當(dāng)?shù)竭_(dá)頂樓，極限傳感器接觸，我們需要有在地板上的最后一個平臺。在接觸地面的電動機(jī)的反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將被激活，并且機(jī)器人將在相反方向移動。同樣，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)底部，在底部的限位傳感器觸摸地球或一個平臺移動機(jī)構(gòu)停止。與限位傳感器碰撞之后沿相反方向運(yùn)動和運(yùn)動停止在底部示于圖。圖10（b-c）。以類似的方式水平極限傳感器以相同的方式工作。
圖10：（一）限位開關(guān)為水平和垂直移動終端（b）由該縱上限開關(guān)（c）該機(jī)器人停止的由垂直下限開關(guān)快照機(jī)器人停止的快照。
現(xiàn)在討論的車輪的運(yùn)動，重要的是澄清，有正在使用的兩種類型的繩索。如示于圖11，并在上面的段落表明我們是否正在談?wù)摰拇怪被蛩竭\(yùn)動，它負(fù)責(zé)繩索在車輪轉(zhuǎn)動的裝置是一個電機(jī)。這種電機(jī)被稱為保時捷汽車。保時捷馬達(dá)如圖所示。圖11（a）是兩節(jié)電池的上方。與此馬達(dá)有兩條鏈連接到它，一個用于水平移動，而另一個為垂直運(yùn)動。當(dāng)機(jī)器人在垂直方向上移動，如圖所示。圖11（b），在遠(yuǎn)端的兩個平行的繩索被簡單地用于支持和附著在上面的兩個輪子后面。主繩索是黑色的，并打算通過機(jī)器人的中間是負(fù)責(zé)向上拉動機(jī)器人或帶來將其向下。正在使用的繩索的前視圖，如圖所示。圖11（c）具有這反過來被連接到安裝在圖中所示的中間輪另一鉤的鉤型。 11（d）所示。附著點示于圖。 11（E）。繩索向上拉并在機(jī)器人上的支撐件的頂部上的金屬棒被休息如圖。 11（F）。另一方面為水平移動，就沒有必要為黑繩。僅一個繩索的使用量和機(jī)器人處于如圖掛在兩個輪子的頂部位置。 11（G，H）。
圖 11：各種組件和機(jī)器人包括：（a）附著在保時捷馬達(dá)水平和垂直輪控制（二）這兩個繩索和中間黑色繩兩種鏈的功能被用于垂直運(yùn)動（c）中使用的黑色繩用于與扣垂直運(yùn)動來自（d）關(guān)于中間輪（E）兩者帶扣（f）當(dāng)拉起黑色繩索在機(jī)器人的頂部（GF）上的金屬桿休息的連接的第二扣鎖在在懸掛位置，同時水平地移動所述機(jī)器人的兩個快照。
現(xiàn)在參照實際的電路的微控制器，用于控制和同步所有操作及電子元件被用來諸如繼電器，開關(guān)，RF模塊，馬達(dá)和傳感器。在我們的機(jī)器人，我們采用了Microchip的PIC16F87X這是一個功能強(qiáng)大且易于程序[15]。該芯片擁有256字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，自編程，一個ICD，2個比較器，8通道10位模數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換器，兩個捕獲/比較/ PWM功能，同步串口的可配置為三線串行外設(shè)接口（SPI?）或2線內(nèi)部集成電路（I2C?）總線和通用異步收發(fā)器（USART）。所有這些特性使其非常適用于汽車，工業(yè)，家電和消費(fèi)類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，A / D的應(yīng)用程序。
另外4個繼電器被用于控制垂直，水平運(yùn)動和下拉框機(jī)制。繼電器允許一個電路切換可以是彼此完全分開的第二電路。另外一個RF模塊用于在手動控制的情況下，從射頻發(fā)射機(jī)接收信號。我們已經(jīng)使用了433MHz的RF發(fā)射模塊。它具有3uV的靈敏度。該RWS-434接收機(jī)工作從4.5到5.5伏直流，并具有線性和數(shù)字輸出。
最后，在軟件來說，我們只用Visual Basic的操作的手動和自動模式的編程和下降的機(jī)制。我們已經(jīng)實現(xiàn)的代碼附錄中給出。
在設(shè)計機(jī)器人IV.Performance分析機(jī)器人在各種場所和高度進(jìn)行測試。這款機(jī)器人是垂直和水平測試，截止到7樓，直到300英尺視頻傳輸是整個運(yùn)動相當(dāng)穩(wěn)定。除了運(yùn)動本身是光滑的，并以恒定的速度。由傳感器條的識別是完美的，所述機(jī)器人暫停約十五秒鐘每層以允許足夠的時間在下拉機(jī)制采取地點。當(dāng)然暫停時間可以在代碼被修改。因此，在運(yùn)動和前面討論的其他功能方面，機(jī)器人表現(xiàn)出很不錯的表現(xiàn)。我們在10個不同的地方所測試的機(jī)械手。
表1：機(jī)器人組件的成本
組件
成本以美元
微控制器
2
直流電機(jī)
10下降
直流電機(jī)（保時捷）
120
IR傳感器
4
射頻模塊
15
解碼器
2
繼電器
6
電子元件
10
遙控器
20
機(jī)械費(fèi)
30
電池
10
攝像頭
35
其他
20
總計
284
在成本方面，表1示出機(jī)器人的一個粗略估計。這種機(jī)器人的平均成本低于約300美元這是相對于其他爬繩機(jī)器人的合理費(fèi)用。
5. 結(jié)論
在我們的工作中，我們設(shè)計和開發(fā)能夠垂直和水平移動的爬繩的機(jī)器人。主要用它在諸如地板，建筑工地，深洞等。此外，該機(jī)器人可用于survillenc目的一個安裝照相機(jī)的不同位置，以刪除對象。在運(yùn)動由機(jī)器人發(fā)送視頻到電腦是穩(wěn)定的。此外傳感機(jī)制是為了刪除一個對象，該機(jī)器人具有暫停一段時間下探至發(fā)生相當(dāng)完美。這是通過感測條帶在每個樓層進(jìn)行。此外，機(jī)器人的設(shè)計是在所使用的組件和機(jī)器人的整體性能而言效率。作為比較不同的爬繩機(jī)器人也很劃算。最后為今后的工作中，智能顯著量可以在我們的機(jī)器人結(jié)合，如不使用傳感器，但使用的眼光在地板暫停。相機(jī)可以發(fā)送地面到服務(wù)器的圖像，并基于計算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)，該場景可以分析和識別。此外，我們可以在結(jié)合水平和垂直運(yùn)動同時在操作的手動和自動模式。有可能是在地面以上的公寓。因此初始和主運(yùn)動可以是垂直，而次級運(yùn)動可以是水平的。
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- 216，2012年4月。
[5]艾莉森韋克菲爾德，私人保安，監(jiān)視與社會，第一卷的公共監(jiān)視功能。 2，沒有。 4，第529 - 545，2004年。
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[8]羅伯特博多爾，安德魯Drenner，保羅Schrater和尼可拉斯Papanikolopoulos，優(yōu)化相機(jī)放置用于自動監(jiān)測任務(wù)，日記和智能機(jī)器人系統(tǒng)，卷。 50，沒有。 5，第257 - 295，2007年11月。
[9]馬克Micire，演化和救援機(jī)器人的場上表現(xiàn)，期刊領(lǐng)域機(jī)器人技術(shù)，第一卷。 25，沒有。 1-2，第17 - 30，2008年1月。
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[12] Nadeesha拉納辛哈，雅各Everist和衛(wèi)民申，模塊化機(jī)器人登山，在PROC。對智能機(jī)器人與系統(tǒng)，圣地亞哥，美國，2007年11月IEEE / RSJ國際會議。
[13] R劉，G宗，H張和X利，清潔機(jī)器人建筑外墻體復(fù)雜的曲線，在PROC。 。第六屆國際會議上的登山和步行機(jī)器人及其配套技術(shù)的移動機(jī)（CLAWAR 2003年），意大利卡塔尼亞，PP的825 - 834，2003年9月。
[14]利瑪竇Zoppi和Rezia酒店M. Molfino，多條腿多拉攏行走和攀爬機(jī)器人：網(wǎng)上靜態(tài)均衡分析，先進(jìn)機(jī)器人，第一卷。 20，沒有。 2，第165 - 180，2006年。
[15]數(shù)據(jù)表：（OC http://ww1.microchip.com/downloads/en/deviced / 30292c.pdf）
作者的相關(guān)信息
坎扎扎法爾獲得學(xué)士學(xué)位的計算機(jī)工程從賽義德先生工程技術(shù)大學(xué)（SSUET），卡拉奇，巴基斯坦。目前她正在為研究助理在計算機(jī)工程系。她的研究興趣包括機(jī)器人，通信系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)。
易卜拉欣M.·侯賽因獲得了計算機(jī)工程碩士學(xué)位從賽義德先生工程技術(shù)（SSUET）的大學(xué)，卡拉奇，巴基斯坦和B.E.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)化從N.E.D.計算機(jī)工程工程大學(xué)技術(shù)。目前，他正在為計算機(jī)工程，SSUET系的助理教授。他的研究領(lǐng)域包括無線通信和網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，信號和圖像處理。他在國際期刊和會議上發(fā)表的研究數(shù)量。
編號：
XX設(shè)計任務(wù)書
題 目： 一種攀爬機(jī)器機(jī)械部分的設(shè)計
學(xué) 院：
專 業(yè)：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱：
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)
年12月28日
一、畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容
本設(shè)計要求學(xué)生攀爬機(jī)器機(jī)械部分為設(shè)計對象，旨在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鼋鉀Q問題的能力和綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識進(jìn)行實際設(shè)計的能力。需要學(xué)生充分運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、裝備設(shè)計制造、制圖、工藝、公差與技術(shù)測量等機(jī)械專業(yè)知識進(jìn)行機(jī)器的方案設(shè)計、零件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計計算、工藝卡片編制等。
1、查閱文獻(xiàn)資料，進(jìn)行相關(guān)調(diào)研，了解目前已有的攀爬機(jī)械的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，做好設(shè)計前的準(zhǔn)備工作。
2、根據(jù)給定的設(shè)計數(shù)據(jù)要求，提出攀爬機(jī)器的設(shè)計方案（兩種及兩種以上），進(jìn)行比較后選出最佳方案作為設(shè)計對象；
3、對攀爬機(jī)器的各部分結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行具體設(shè)計、進(jìn)行必要的設(shè)計計算及受力分析，并選擇合適的零件材料；
4、運(yùn)用CAD、CAXA等CAD工具進(jìn)行輔助設(shè)計，完成攀爬機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，繪制其零件圖、裝配圖。
5、熟悉零件的加工工藝，對典型零件進(jìn)行加工工藝路線分析；
6、總結(jié)設(shè)計數(shù)據(jù)，整理設(shè)計思路，編寫設(shè)計說明書。
二、畢業(yè)設(shè)計（論文）的要求與數(shù)據(jù)
1、設(shè)計的機(jī)械要能負(fù)重5kg攀爬直徑120-200內(nèi)的直桿，要求運(yùn)動可靠。
2、設(shè)計該攀爬機(jī)器的零部件，制定出主要零部件的工藝規(guī)程，并編制主要零部件的制造工藝；
3、采用CAD設(shè)計軟件（如：CAXA、SolidWorks、AutoCAD等）對零部件進(jìn)行實體建模、繪制其二維裝配圖與零件圖。
4、編寫設(shè)計說明書。
三、畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的工作
1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書（論文），在畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中必須包括詳細(xì)的300-500個單詞的英文摘要；對零件進(jìn)行必要設(shè)計計算、對于有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的零部件，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行選擇或設(shè)計，編制出主要零件的加工工藝卡，要求符合實際加工情況，合理選擇零件的加工機(jī)床；
2、獨立完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文），要求排版整齊，無明顯語法、字詞的錯誤；
3、繪制出所設(shè)計攀爬機(jī)器的零件圖和裝配圖，要求折算到A0圖紙3張以上，其中必須包含兩張A3以上的計算機(jī)繪圖圖紙，要求圖形繪制符合國家標(biāo)準(zhǔn)，方便讀圖，重要零件的關(guān)鍵尺寸和公差要標(biāo)注完整正確，并配注合理的技術(shù)要求。
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1]. 左健民. 液壓與氣壓傳動（第4版）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.
[2]. 濮良貴、紀(jì)名剛等. 機(jī)械設(shè)計（第八版）.北京:高等教育出版社,2006.
[3]. 甘永立.幾何量公差與檢測（第七版）.上海:上海科技大學(xué)出版社,2005.
[4]. 王運(yùn)炎，葉尚川. 機(jī)械工程材料（第2版）. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[5]. 《實用機(jī)械設(shè)計手冊》編寫組.實用機(jī)械手冊（上）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.
[6]. 機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊(新版)第4卷.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[7]. 機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊(新版)第3卷.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[8]. 詹友剛.SolidWorks 2012機(jī)械設(shè)計教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.
[9]. HOWELL L L. Compliant mechanisms[M]. New York：Wiley Interscience，2001.
[10].KIM C J. A conceptual approach to the computational synthesis of compliant
mechanisms[D]. Michigan :University of Michigan，2005.
五、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件
計算機(jī)一臺，并裝有CAD設(shè)計軟件（AutoCAD，CAXA，UG，Pro/E呀Solidworks）等。
任務(wù)下達(dá)時間：
20XX年12月28日
畢業(yè)設(shè)計開始與完成時間：
20XX年12月28日至 2016年05 月22日
組織實施單位：
機(jī)械電子工程系
教研室主任意見：
簽字： 20XX年12月30日
院領(lǐng)導(dǎo)小組意見：
簽字： 2015年12月31日
編號：
XX設(shè)計(XX)開題報告
題 目：
院 （系）：
專 業(yè)：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱：
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)
年3月1日
1．畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容、重點和難點等
1.設(shè)計內(nèi)容：
1、查閱文獻(xiàn)資料，進(jìn)行相關(guān)調(diào)研，了解目前已有的攀爬機(jī)械的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，做好設(shè)計前的準(zhǔn)備工作。
2、根據(jù)給定的設(shè)計數(shù)據(jù)要求，提出攀爬機(jī)器的設(shè)計方案（兩種及兩種以上），進(jìn)行比較后選出最佳方案作為設(shè)計對象；
3、對攀爬機(jī)器的各部分結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行具體設(shè)計、進(jìn)行必要的設(shè)計計算及受力分析，并選擇合適的零件材料；
4、運(yùn)用CAD、CAXA等CAD工具進(jìn)行輔助設(shè)計，完成攀爬機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，繪制其零件圖、裝配圖。
5、熟悉零件的加工工藝，對典型零件進(jìn)行加工工藝路線分析；
6、總結(jié)設(shè)計數(shù)據(jù)，整理設(shè)計思路，編寫設(shè)計說明書；
7、獨立完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；
8、完成相關(guān)設(shè)計計算及機(jī)械設(shè)計圖（要求繪圖工作量折合A0圖紙3張以上）。
2、重點難點：
本次畢設(shè)的重點主要是設(shè)計爬竿機(jī)器人的機(jī)械控制結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)方案的確定，包括如何實現(xiàn)攀爬直桿和負(fù)重運(yùn)輸。齒輪和直桿的工藝計算和工藝選擇。難點在于所選擇的方案的合理性和可行性。
2．準(zhǔn)備情況（查閱過的文獻(xiàn)資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實驗條件等）
1.課題研究背景
機(jī)器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮， 又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行 動。國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接 受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種 機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一 種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了 執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?而機(jī)器人學(xué)是一門高度交叉的前沿學(xué)科，是典型的的機(jī)電一體化技術(shù)系 統(tǒng)。它涉及機(jī)械學(xué)電子工程學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程人工智能生物學(xué)人 類學(xué)社會等眾多領(lǐng)域。 在機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的今天，不管是作為一名現(xiàn)代工程師，還是理工科 大學(xué)學(xué)生，都有必要學(xué)習(xí)，掌握一些機(jī)器人學(xué)方面的知識，特別是機(jī)械專業(yè)的 學(xué)生，機(jī)器人技術(shù)可以說是一門必修課。為了滿足社會的需求，攀爬機(jī)器人的研究力度越來越大。目前，攀爬機(jī)器人應(yīng)用更為廣泛，已在消防、核工業(yè)、石化行業(yè)、建筑行業(yè)、高空作業(yè)等危險領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；其目的是代替人類， 人類帶來了極大的工作效益和安全保障，從而受到人們的高度重視。鑒于以上特點，開發(fā)具有攀爬功能的機(jī)器人代替人去從事危險工作將有重要意義。目前，很多高校和科研院所已研制出或正在研制攀爬機(jī)器?麻省理工學(xué)院研制了一種能爬窗梁的機(jī)器人shady3D南京航空航天大學(xué)研制了仿壁虎機(jī)器人，該機(jī)器人能夠在豎直墻面和天花板上進(jìn)行運(yùn)動。國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制了一種5自由度爬壁 機(jī)器人，不僅能實現(xiàn)爬行和轉(zhuǎn)向，且能在壁面之間實現(xiàn)過渡援式吸附、干性黏合劑吸附和負(fù)壓吸附。
2.現(xiàn)有設(shè)備
(1)計算機(jī)一臺；
(2)設(shè)計軟件(Solidworks2013、CAXA2013)。
3.參考文獻(xiàn)：
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[2] 蔡傳武.??爬桿機(jī)器人的攀爬控制[D]. 華南理工大學(xué) 2011
[3] 陳亮.??焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃問題的算法研究[D]. 武漢科技大學(xué). 2010
[4] 郭敏.??帶視覺的雙臂機(jī)器人手臂無碰撞路徑規(guī)劃[D]. 東北大學(xué). 2008
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[10] 江勵,管貽生,蔡傳武,朱海飛,周雪峰,張憲民.??仿生攀爬機(jī)器人的步態(tài)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報. 2010(15)
[11] 夏澤洋,陳懇.??仿人機(jī)器人足跡規(guī)劃建模及算法實現(xiàn)[J]. 機(jī)器人. 2008
[4] M. Tavakoli, L. Marques, A. T. de Almeida. 3dclimber: Climbing and Manipulation Over 3d Structures}J}. The Journal of Mechatronics, 2010, 21
3、實施方案、進(jìn)度實施計劃及預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計資料
1.實施方案
（1）掌握一種三維制圖軟件Pro/E?
（2）對攀爬機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計?
（3）運(yùn)用三維制圖軟件繪制攀爬爬行機(jī)器人的裝配圖[8]?
（4）繪制攀爬爬行機(jī)器人的主要零件圖?
（5）完成畢業(yè)設(shè)計說明書?
2.進(jìn)度實施計劃
第1周：搜集整理并認(rèn)真閱讀課題相關(guān)的中文及外文文獻(xiàn)；?
第2周：對設(shè)計過程制定確切的計劃，撰寫開題報告；
第3-4周：完成畢業(yè)設(shè)計課題方案的設(shè)計，確定出符合要求的方案；
第5-6周：繪制出爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖；
第7-8周：完成爬桿機(jī)器人裝配圖、零部件設(shè)計，確定各個零部件的尺寸；
第9-10周：整個機(jī)器人的裝配方案，并繪制出二維圖、三維圖；
第11周：呈交指導(dǎo)老師審閱，檢查，修改圖紙；
第12-15周：完整編制出設(shè)計說明書，打印裝訂說明書、設(shè)計圖紙以及其他資料；第16周：完成答辯前的其他準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備好答辯。
3.預(yù)期提交畢設(shè)設(shè)計資料
1、 二萬字左右的一種攀爬機(jī)器機(jī)械部分的設(shè)計設(shè)計說明書（論文），說明書給出三個以上可行方案并進(jìn)行比較，確定一個最佳方案，按最佳方案進(jìn)行具體的、詳細(xì)的設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計過程有理論分析、強(qiáng)度剛度分析，附有任務(wù)書
2、不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；
3、二維工程圖、零件裝配圖、非標(biāo)準(zhǔn)零件圖（折合3張以上A0圖紙）。
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師（簽字）：
20XX年03月 日
開題小組意見
開題小組組長（簽字）：
20XX年03 月 日
院（系、部）意見
主管院長（系、部主任）簽字：
20XX年03月 日
- 6 -
IV
一種攀爬機(jī)器機(jī)械部分的設(shè)計
摘 要
在一些工程類建筑中，一些直徑比較小的直桿隨處可見，對于這些直桿作業(yè)一直存在著一些問題，人為作業(yè)較為困難和危險。設(shè)計一個可攀爬直桿的機(jī)器人，通過該機(jī)器人平臺搭載一些作業(yè)機(jī)器，對于解決小直桿的作業(yè)問題具有較大現(xiàn)實意義。
本次設(shè)計的攀爬機(jī)器人是由眾多簡易的機(jī)構(gòu)組成，在結(jié)構(gòu)上面比較簡單，利用我們平時生活中隨處可見的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等等結(jié)合而成。利用凸輪結(jié)構(gòu)的運(yùn)動特性實現(xiàn)手爪的夾緊與松開，在驅(qū)動源方面只采用一個輕質(zhì)電機(jī)，避免電機(jī)過多造成結(jié)構(gòu)上的繁瑣和避免重量過重。機(jī)械手的手爪采用的是彈簧夾緊的原理，彈簧提供的力足夠支撐整個機(jī)器人的自重和負(fù)重。通過彈簧解決了在變直徑桿上攀爬的問題。
本文對曲柄滑塊的運(yùn)動和受力分析證明了該機(jī)器人運(yùn)動的穩(wěn)定性和可靠性。還通過減速箱的設(shè)計賦予機(jī)器人一定的攀爬運(yùn)動速度。還對手爪、軸、軸承等部件的受力校核證明該機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上面的穩(wěn)定性。該機(jī)器人還具有一定的負(fù)重能力?？梢栽跈C(jī)器人上面搭載一些作業(yè)機(jī)器人，實現(xiàn)多功能作業(yè)。本次設(shè)計的機(jī)器人通過各機(jī)構(gòu)聯(lián)動工作，工作簡單可靠。
本文還對輸出軸的尺寸、配合進(jìn)行了說明。對軸的加工工藝進(jìn)行了工藝規(guī)程制定，分析各工序的制定方法。對于軸類零件的加工工序有一定的了解與掌握。
關(guān)鍵詞：爬桿機(jī)器人；變直徑桿；夾緊；曲柄滑塊
Abstract
In some of the engineering building, a number of relatively small diameter straight bar everywhere, straight bar for these jobs, there has been some problems, man-made work more difficult and dangerous. Design a robot can climb straight bar, equipped with some of the work machine by the robot platform for solving the problems of small jobs straight bar has a larger significance.
The climbing robot designed by many simple bodies, in the above structure is relatively simple, we usually use slider-crank mechanism life everywhere, the cam mechanism, and so a combination. Using the motion characteristics of the cam mechanism to achieve clamping and release the gripper, in terms of the driving source using only a lightweight damping motor to avoid the motor caused by excessive red tape and avoid excessive weight on the structure. Robot gripper uses the principle of a spring clamp, the spring force provided enough to support its own weight and the weight of the whole robot. By spring solves the problem of variable diameter pole climbing.
In this paper, the crank-slider motion and stress analysis to prove the stability and reliability of the robot movement. Also gives some climbing robot movement speed by gearbox design. Also force the opponent claw, shafts, bearings and other parts of the check show that the stability of the structure above the robot. The robot also has a certain weight-bearing capacity. Some jobs may be mounted on top of the robot in robot to achieve mufti-functional operations. The robot design work through the linkage mechanism, work is simple and reliable.
This paper also the size of the output shaft, with the described. Axis machining process were to develop process planning, analysis of the development method in each step. For shaft machining operations have a certain understanding and grasp.
According to the axis of the development process card. Reasonable and feasible production process planning.
Keywords: pole-climbing robots; variable diameter rod; clamp; crank-slider
目 錄
1 緒論 1
1.1 攀爬直桿機(jī)器人研究目的 1
1.2 研究現(xiàn)狀 1
1.3 研究內(nèi)容 2
2 爬桿機(jī)器人方案設(shè)計 3
2.1 方案選擇 3
2.2 設(shè)計方法 5
2.2.1仿生設(shè)計 5
2.2.2夾緊裝置設(shè)計 6
2.2.3運(yùn)動狀態(tài) 7
2.2.4小結(jié) 7
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
3.1 機(jī)械手爪設(shè)計 8
3.1.1機(jī)械手爪力學(xué)分析 9
3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計 10
3.2.1曲柄滑塊速度分析 11
3.3 連桿的受力分析 11
3.3 移動凸輪的設(shè)計 12
3.4 盤形凸輪設(shè)計 13
4 減速箱設(shè)計 14
4.1 電動機(jī)的選擇 14
4.2 齒輪設(shè)計 14
4.2.1齒輪類型、材料及強(qiáng)度計算 15
4.3 軸的設(shè)計 26
4.3.1聯(lián)軸器的選擇 26
4.3.2軸承選擇 27
4.3.3確定軸的結(jié)構(gòu)與尺寸 28
4.3.4軸的校核 29
4.4 軸承的校核 34
4.4.1軸承的徑向載荷 34
4.4.2 軸承的軸向力校核 35
4.4.3軸承的徑向當(dāng)量載荷 35
5 彈簧的選擇 37
6 零件的加工工藝規(guī)程 39
6.1對零件進(jìn)行工藝分析 39
6.2 確定零件的裝夾? 39
6.3 定位基準(zhǔn)的選擇原則? 39
6.4 加工刀具的選擇? 39
6.5 機(jī)床選擇 39
6.5 主要加工工序安排 40
7 結(jié)論 42
致謝 43
參考文獻(xiàn) 44
附錄 45
第 47 頁 共 45頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙
1 緒論
1.1 攀爬直桿機(jī)器人研究目的
機(jī)器人的起源要追溯到3000多年前，但是從60年代以后機(jī)器人技術(shù)得到飛速的發(fā)展。經(jīng)過50來年的研發(fā)和使用，機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入新的時代了。機(jī)器人在過去只是工業(yè)機(jī)械手，但是現(xiàn)在我們已經(jīng)重新定義，機(jī)械手只是其中機(jī)器人中的一部分了，現(xiàn)在我們所說機(jī)器人是新型的、新一代的，可以協(xié)作的，還有服務(wù)型的機(jī)器人，包括醫(yī)療、服務(wù)、家庭、康復(fù)等等方面可以為人類解決有難度或有危險的問題。
人們的生活越來越好，越來越多的地方城市化率增高，高樓林立，街道四通八達(dá)。我們平常經(jīng)過道路時可以看到好多樹立的電線桿、電燈桿、廣告牌立柱等等圓柱形直桿。但是由于直桿在室外遇到各種環(huán)境問題或者人為因素，常常需要環(huán)衛(wèi)工人清洗或者相關(guān)人員維修。在清洗一些高空建筑時如果采用人工清洗具有很大的危險性。對于電線桿等直徑比較大的直桿，通過人工攀爬作業(yè)比較方便，也可以采用工程車工作。都但是一些直接比較小的直桿，就像我們在生活中見到的一些裝路燈的直桿，如果通過人工攀爬上去工作比較困難。采用工程車進(jìn)行作業(yè)的話，作業(yè)成本較高，在擁擠狹小的路段作業(yè)比較困難。研發(fā)一些攀爬類的機(jī)器人就變的尤為重要了。
爬桿機(jī)器人的研究需要機(jī)械設(shè)計，電子設(shè)計，軟件工程、材料科學(xué)、以及仿生學(xué)等一些列基礎(chǔ)學(xué)科融合交匯。需要進(jìn)行線性、非線性模型計算。可以利用傳感器等信息控制，三維建模分析和仿真運(yùn)動。
1.2 研究現(xiàn)狀
爬桿機(jī)器人的設(shè)計并不是唯一的，不同的設(shè)計者有著不同的思路，但是總的來說國內(nèi)外的機(jī)器人研究主要在桿上固定方式上面有所不同。
Woody系列機(jī)器人。2005年在日本愛知博覽會上展出了林業(yè)機(jī)器人Woody-1（圖1.1）隨后又于2009年開發(fā)出改型后的機(jī)器人Woody-2（圖1.2）。對夾子進(jìn)行了簡化，移動方式也由原來的絲杠驅(qū)動線性移動變?yōu)槎嚓P(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動。
圖1.1 Woody-1 機(jī)器人 圖1.2 Woody-2機(jī)器人
雙手爪攀爬機(jī)器人Shady3D（圖1.3）,他只有3個自由度可以在一個空間桁架中攀爬，但是對桁架要求極高?？梢酝ㄟ^兩臺Shady3D形成6個自由度從而進(jìn)行桿件過渡。
圖1.3 shady3D機(jī)器人
RiSE(Robots in Scansorial Environments)是一個仿生攀爬機(jī)器人（圖1.4）。設(shè)計者們參考四條腿的壁虎攀爬機(jī)理和六條腿的嶂螂攀爬機(jī)理，采用模塊化設(shè)計思想以提高機(jī)器人構(gòu)型的靈活性，將每條腿做成一個單獨的模塊，使得RISE可以在四腿和六腿行走之間轉(zhuǎn)換[1]。類似的還有管道爬行機(jī)器人3DClimber和并聯(lián)機(jī)器人CPR。
圖1.4 Rise系列機(jī)器人
1.3 研究內(nèi)容
本次設(shè)計主要是設(shè)計一個直桿內(nèi)爬行的機(jī)器人，類似于Shady3D擁有三個自由度。該機(jī)器人具備負(fù)重5kg的能力和在直徑為120mm到200mm的直桿爬行?？梢再x予該機(jī)器人大約100mm/s的攀爬速度。
2 爬桿機(jī)器人方案設(shè)計
2.1 方案選擇
對于機(jī)器人行走的工作原理主要有以下幾種：
氣動蠕動式：可以通過機(jī)構(gòu)本的自鎖或者是利用靜摩擦原理。
螺旋爬升式：利用滾動摩擦的原理來實現(xiàn)；
直線行走式：直接通過克服動摩擦來運(yùn)動；
關(guān)節(jié)式爬行：利用移動副和轉(zhuǎn)動副的特點來實現(xiàn)運(yùn)動；
并聯(lián)式爬行：利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點來實現(xiàn)。
方案1：
讓機(jī)器人直接抱緊在直桿上，通過電動機(jī)提供動力，讓與直桿直接接觸的輪子運(yùn)動從而實現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動。調(diào)節(jié)機(jī)器人上的彈簧的拉伸長度來獲得一定的預(yù)緊力，是的機(jī)器人抱緊直桿。面對不同的直桿調(diào)節(jié)不同的彈簧尺寸已達(dá)到一定的預(yù)緊力。機(jī)器人的大體設(shè)計如圖2.1。
該方案的機(jī)器人可提供較大的負(fù)載能力，運(yùn)行比較平穩(wěn)，是和一定范圍內(nèi)的直桿，但是該方案不能再一根變直徑桿上連續(xù)工作，在換直徑的直桿工作前要調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力，比較麻煩。
1.電動機(jī)，2.減速箱，3.皮帶，4.彈簧，5.車輪
圖2.1爬桿機(jī)器人方案1
方案2：
在開始作業(yè)前，將機(jī)器人安裝到直桿上，通過調(diào)節(jié)機(jī)器人上的螺母使機(jī)器人對直桿有一定的預(yù)緊力，與方案1的彈簧提供預(yù)緊力不同，直接通過機(jī)器人的收緊力來保證機(jī)器人正常工作。當(dāng)機(jī)器人在直桿上固定以后，利用電機(jī)驅(qū)動提供力讓機(jī)器人實現(xiàn)運(yùn)動，面對不同的直桿需要在安裝的時候調(diào)節(jié)好機(jī)器人直接上的不同連接孔。機(jī)器人的大體設(shè)計如圖2.2所示
該方案的機(jī)器人同樣可以提供較大的負(fù)載能力，而且結(jié)構(gòu)簡單，但是該方案不能再一根變直徑桿上運(yùn)動，每次變換桿時要調(diào)節(jié)連接孔，操作上比較麻煩。
1.螺釘 2.車輪 3.減速箱 4.電機(jī) 5.直桿
圖2.2 爬桿機(jī)器人方案2
方案3：
將機(jī)器人安裝在直桿上，下手抓通過彈簧夾緊直桿，上手抓松開，電機(jī)帶動連桿運(yùn)動，移動凸輪將上手抓頂起，上手抓夾緊，下手抓松開并上升從而達(dá)到機(jī)器人的爬行功能。通過彈簧收縮力提供預(yù)緊力使手抓收縮，電機(jī)提供動力。在變直徑的情況下彈簧力改變以確保爬桿機(jī)器人的正常作業(yè)。大體方案設(shè)計如圖2.3所示
該方案所能提供負(fù)載有限，但針對本次設(shè)計要求該機(jī)器人滿足負(fù)載5kg的技術(shù)要求，并且能在一根變直徑桿上作業(yè)，通過彈簧的拉力可以適應(yīng)120~200mm的直徑桿，滿足本次設(shè)計的所有技術(shù)要求。
小結(jié)：通過比較以上列出的三個設(shè)計方案，本次設(shè)計的方案采用方案三。該方案滿足本次設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)緊湊可靠性高。
1.機(jī)械手爪 2.移動凸輪 3.連桿 4.彈簧 5.盤形凸輪 6.導(dǎo)桿
圖2.3 爬桿機(jī)器人方案3
2.2 設(shè)計方法
2.2.1仿生設(shè)計
說道爬桿運(yùn)動我們首先能聯(lián)想到生活中的許多動物的爬樹姿態(tài)，例如我們?nèi)ス珗@參觀總能看到猴子爬在樹上（如圖2.4），還有在電線維修和安裝電表時我們能看到工人穿上腳扣（圖2.5），然后通過雙手向上爬行，腳扣向下傾斜形成自鎖，腳扣上面的橡膠跟電線桿用較大的摩擦系數(shù)。還有我們在生活中常常能看到的一種昆蟲尺蛾（圖2.6）。在爬行時，它先使腹足和尾足抓住樹枝，在通過身體向上運(yùn)動，然后用前足抓緊樹枝，松開腹足和尾足，向前或向上運(yùn)動。有這幾個生活中的事例我能可以運(yùn)用到我們爬桿機(jī)器人的設(shè)計當(dāng)中。
圖2.3 猴子爬樹 圖2.5 工人攀爬電線桿 圖2.6 尺蛾
我們可以通過仿生學(xué)的靈感來設(shè)計我們機(jī)器人的爬行運(yùn)動方案。
方案1：我們可以參考機(jī)床中絲杠的運(yùn)動原理，在下手爪固定時，通過電機(jī)驅(qū)動使上手爪通過絲杠上升，到達(dá)固定位置后下手抓松開，通過傳動使的下手抓上升，到一定位置后下手抓固定完成一次運(yùn)動。
方案2：在機(jī)械結(jié)構(gòu)中有一種很常見的機(jī)構(gòu)--曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在下手爪固定時，通過電機(jī)驅(qū)動是的滑塊到達(dá)最大行程處，上手抓固定、下手抓松開，通過驅(qū)動力是連桿帶動下手抓上升。再重復(fù)動作即可達(dá)到設(shè)計所要求的運(yùn)動。
總結(jié)：方案1的運(yùn)動過程較為穩(wěn)定，但是結(jié)構(gòu)重量較重，材料價格比較貴。方案2的運(yùn)動穩(wěn)定性一般，但是結(jié)構(gòu)重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，方案設(shè)計比較實惠。所以選擇方案2的設(shè)計（圖2.7）。
圖2.7 運(yùn)動周期圖
2.2.2夾緊裝置設(shè)計
對于手爪的夾緊方案的設(shè)計我們同樣可以參照我們生活中的一些實例來進(jìn)行設(shè)計，比如我們平時用火鉗之類的帶手爪的工具時我們是如何夾緊物件的。我們可以采用電機(jī)驅(qū)動連桿往復(fù)運(yùn)動（圖2.8），該機(jī)構(gòu)雖然能實現(xiàn)加緊功能，但是如果是在變直桿上面工作，直桿直徑變化使得較大會無法夾緊直桿從而失去工作能力。我們可以通過參考我們生活中一些帶彈簧的鉗子（圖2.9）將彈簧上的壓簧變成拉簧，通過拉簧產(chǎn)生的拉力作用使得手爪夾緊直桿，大體的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖2.10所示。
圖2.8 連桿驅(qū)動手爪 圖2.9 鉗子
圖2.10 夾緊裝置大體結(jié)構(gòu)
2.2.3運(yùn)動狀態(tài)
根據(jù)以上的設(shè)計方案結(jié)果我們可以得出本次設(shè)計的運(yùn)動狀態(tài)的分布：
狀態(tài)1：:在初始狀態(tài)是，機(jī)器人的下機(jī)械手爪夾緊直桿，同時上機(jī)械手爪在彈簧作用下松開。
狀態(tài)2：電機(jī)運(yùn)動，通過減速箱連接帶動曲柄以及和曲柄一起固定在下手爪處的兩個盤形凸輪機(jī)構(gòu)順時鐘轉(zhuǎn)動，盤形凸輪推動下機(jī)械臂想外擺動，機(jī)械手爪向外松開。當(dāng)盤形凸輪轉(zhuǎn)過小半徑的圓弧后，下方的手爪松開；同時移動凸輪向下運(yùn)動，此時上方手爪夾緊直桿。
狀態(tài)3：電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，此時機(jī)器人的上機(jī)械手夾緊，而下機(jī)械手此刻處于松開狀態(tài)，機(jī)器人下半部分被運(yùn)動到極限位置，即上升到最高位置。
狀態(tài)4：電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)機(jī)器人下部的盤形凸輪轉(zhuǎn)過最大半徑的圓弧后，下機(jī)械手爪開始收縮，并夾緊；同時移動凸輪向上運(yùn)動走過空行程，在凸輪運(yùn)動時，上機(jī)械手爪開始松開。
狀態(tài)5：電機(jī)持續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于此時下方手爪夾緊直桿，而上方手爪處于松開，電動機(jī)通過曲柄產(chǎn)生的推力使得機(jī)器人的上半部分向上運(yùn)動，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線即滑塊可到達(dá)的最大行程是，機(jī)器人上半部分上升到極限位置。
機(jī)器人從狀態(tài)1運(yùn)行到狀態(tài)5可完成一次爬行。
2.2.4小結(jié)
本文設(shè)計的爬桿機(jī)器人攀爬的是120~200mm的變直徑桿，本文設(shè)計的機(jī)器人仿照人爬樹的原理，其結(jié)構(gòu)組成包括夾持機(jī)構(gòu)，由上下機(jī)械手爪組成，實現(xiàn)對桿的抱緊，通過上、下機(jī)械手爪的交替夾緊來實現(xiàn)爬桿機(jī)器人的支點定位和蠕動；移動機(jī)構(gòu)是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)組成；驅(qū)動機(jī)構(gòu)，整個機(jī)器人只采用一個電機(jī)驅(qū)動，既減輕了重量，又滿足了運(yùn)動要求。整個爬桿機(jī)機(jī)器人長度為260mm左右，寬的尺寸為150mm作業(yè)，高度為430mm作業(yè)，整個機(jī)器人的重量不超過3kg，整個爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要通過2根長為430mm的鋁管連接在一起。機(jī)械手跟套筒固定在兩根管上。下機(jī)械手固定，上機(jī)械手爪可以上下移動。
凸輪機(jī)構(gòu)主要有在上機(jī)械手爪的移動凸輪和一個在下機(jī)械手爪的兩個并聯(lián)的盤形凸輪構(gòu)成。兩種凸輪和上下機(jī)械手的裝置通過曲柄滑塊裝置連接起來，是的各個機(jī)構(gòu)能夠正常運(yùn)作并形成一個整體，上部的擺桿機(jī)構(gòu)在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用下可以沿導(dǎo)桿上下移動。
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 機(jī)械手爪設(shè)計
本次設(shè)計的爬桿機(jī)器人采用的是上下兩個手爪的機(jī)械設(shè)計，屬于雙手抓攀爬機(jī)器人的一種。雙手爪攀爬機(jī)器人是指一類結(jié)構(gòu)上由多自由度本體和首尾攀附裝置組成的，通過兩手爪交替固定并配合本體屈伸或扭擺等運(yùn)動來實現(xiàn)自身整體移動的特種攀爬機(jī)器人。在本次的設(shè)計任務(wù)書中要求攀爬直徑120-200mm內(nèi)的直桿。在接觸部分我們采用橡膠增大摩擦力。在將一個圓形塊焊接到橡膠邊上（圖3.1），機(jī)械手跟橡膠塊相連，利用橡膠塊增大整個機(jī)械手爪的和所要攀爬直桿的摩擦力，增加整個機(jī)器人可靠性。
圖3.1 機(jī)械手爪橡膠塊
在根據(jù)直桿的大小我們可以大體設(shè)計出手爪的外形和尺寸（圖3.2）。根據(jù)電機(jī)的大致尺寸設(shè)定旋轉(zhuǎn)中心跟直桿中心水平距離為67mm，垂直距離為129mm，橡膠塊的厚度為5mm，機(jī)械手爪的連接臂繞導(dǎo)桿的擺動角度范圍在7.8°以內(nèi)。考慮到安裝機(jī)器人的問題，所以機(jī)械手抓的擺動角度大概在10°左右。
圖3.2 機(jī)械手爪設(shè)計尺寸圖
機(jī)械手爪的厚度取10mm。重量大概是0.2kg?？偟拈L度大約為260mm。采用鋁合金2014。彈性模量E=70GPa。手爪的大體三維形狀如圖3.3所示。
圖3.3 機(jī)械手爪三維圖
3.1.1機(jī)械手爪力學(xué)分析
機(jī)器人的關(guān)鍵部分如機(jī)械連接臂，對機(jī)器人的爬行具有很重要作用，在機(jī)器人爬行過程中，當(dāng)機(jī)械手夾緊時，此時受力最大，機(jī)械臂變形最大，因此需對機(jī)械臂的變形繞度進(jìn)行評估。當(dāng)機(jī)械手一端夾緊的時候我們可以吧整個手臂看成一個懸臂梁，截面可以看成一個矩形截面來計算。一根軸如果在受力的時候變彎了，我們把這樣的軸叫做撓曲軸（圖3.4）所示，我們可以校核垂直于梁的位移量來確保梁的穩(wěn)定性，也就是要計算撓度值。
圖3.4 撓曲軸
撓度方程： （3-1）
其中： （3-2）
符號意義：
——矩形截面對X軸的慣性矩；
a ——長（cm）；
b ——寬(cm)；
橫截面經(jīng)過簡化可以看成近似為長方形的彎曲桿。
長桿幾何參數(shù)可簡化為：L=240mm；B=10mm；H=10mm；
長桿材料參數(shù)：
彈性模量E=70GPa；泊松比V=0.3；
當(dāng)爬桿機(jī)器人開始工作的時候，特別是在上機(jī)械手爪夾緊直桿時，此時下機(jī)械手爪是處于松開狀態(tài)的，在這個時候上機(jī)械手爪所受到的力最大，變形也是最大的。
因為我們兩個機(jī)械手爪是通過兩個大圓桿作為固定點的，所以我們可以忽略掉在Y軸上面的變形，只計算在X上面的變形。機(jī)械手臂可看成一根長為240mm的懸臂梁，根據(jù)我們下面的計算我們可以知道每只機(jī)械手連接臂末端的最大載荷為F=54N，
應(yīng)用材料力學(xué)公式求端點處的繞度：
（3-3）
由此可看出機(jī)械手連接臂在處于懸臂狀態(tài)時，當(dāng)連接臂末端承受最大載荷F=54N時，最大繞度值為=2mm，可以忽略不計。
3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是由平面四桿機(jī)構(gòu)演變而來。本次設(shè)計的機(jī)器人向上攀爬的功能就是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)。電機(jī)提供動能帶動跟輸出軸相連的曲柄，通過曲柄滑塊的往復(fù)運(yùn)動，結(jié)合上下機(jī)械手的松開與夾緊運(yùn)動。因此曲柄滑塊的運(yùn)動決定著機(jī)器人的功能能否實現(xiàn)。
對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：在機(jī)構(gòu)運(yùn)動時滑塊的運(yùn)動軌跡跟曲柄的回轉(zhuǎn)中心在同一條直線上，叫做對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
當(dāng)曲柄r越小，連桿l越大時，機(jī)構(gòu)的傳力特性比較好。考慮到電機(jī)的寬度和盤形凸輪的長度，一般工程中曲柄和連桿長度比為1/4?？梢韵冗x取曲柄的長度為60mm，再選取連桿的長度為240mm，因為凸輪也是有長度的，所以還要加上凸輪的長度，總的長度大約為260mm。因為是對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，所以e=0。
3.2.1曲柄滑塊速度分析
圖3.9 運(yùn)轉(zhuǎn)周期圖
因為曲柄做的是圓周運(yùn)動，所以設(shè)曲柄的轉(zhuǎn)速為r/min。曲柄堯軌跡旋轉(zhuǎn)一周所用的時間為：
（3-4）
由圖12的周期圖我們可以看出當(dāng)曲柄堯軌跡轉(zhuǎn)一圈后，爬桿機(jī)器人向上爬行了2r。也就是120mm?？梢郧蟪鰴C(jī)器人的向上移動速度：
（3-5）
因為本次設(shè)計的機(jī)器人的要求對爬行速度沒有明確的要求，所以我們設(shè)定機(jī)器人的向上移動速度為100mm/s所以應(yīng)該保持在50r/min左右。
3.3 連桿的受力分析
圖3.10 受力圖
建立曲柄跟滑塊的受力方程，得出力與力p的關(guān)系：
b （3-6）
將曲柄最外處看成一個點，根據(jù)向心力幾三角函數(shù)關(guān)系可得力和關(guān)系：
（3-7）
聯(lián)立兩個式子： （3-8）
曲柄端點處轉(zhuǎn)矩T： （3-9）
根據(jù)受力圖可知： （3-10）
將式（3-24）、（3-25）代入式（3-26），可得?
b +（3-11）
則可推導(dǎo)出作用在滑塊上的壓力p，即?
（3-12）
在實際工程中曲柄和連桿長度上面你的關(guān)系都有4r
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