爬桿作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)-攀爬、爬樹(shù)機(jī)器人含10張CAD圖

爬桿作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)-攀爬、爬樹(shù)機(jī)器人含10張CAD圖,作業(yè),功課,機(jī)器人,設(shè)計(jì),攀爬,爬樹(shù),10,cad 用于施工服務(wù)的最小自由度混合爬桿操縱機(jī)器人 1緒論 目的——旨在描述設(shè)計(jì)樣機(jī)的特點(diǎn)和爬桿/操縱機(jī)器人通過(guò)極點(diǎn)和彎曲部分的能力。 設(shè)計(jì)/方法/方式——機(jī)器人主要部分引入具有混合（并行/串行）四自由度（自由度）機(jī)制的還介紹了一種具有獨(dú)特夾具設(shè)計(jì)。 成果——研制出一種具有爬坡能力和操縱桿具有彎曲和分支的能力，另外至少需要4個(gè)自由度的機(jī)器人，同時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣驅(qū)動(dòng)對(duì)于爬桿機(jī)器人是一個(gè)很好的選擇，它比氣動(dòng)和液壓缸具有更好的優(yōu)勢(shì) 研究限制/影響——在未來(lái)的工作當(dāng)中，機(jī)器人的半工業(yè)規(guī)模對(duì)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造是一個(gè)很好的啟發(fā)。 實(shí)際影響——隨著對(duì)夾持模塊和工具模塊最后的修改，機(jī)器人將能夠做一些服務(wù)工作，像管道測(cè)試，管/極清潔，公路燈泡更換等。 獨(dú)創(chuàng)性/價(jià)值–為建設(shè)與服務(wù)工作設(shè)計(jì)和制造一個(gè)具有最小自由度的爬桿和操縱機(jī)器人。 關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)，并行編程，運(yùn)動(dòng)學(xué)，極點(diǎn)，機(jī)器人 2介紹 爬壁機(jī)器人已獲得很大的重視，近年來(lái)由于其潛在的應(yīng)用在建筑和高大的建筑維修，農(nóng)業(yè)收獲，公路和橋梁維修，船廠的生產(chǎn)設(shè)施等等都有體現(xiàn)。 如果需要提高串行多足機(jī)器人在復(fù)雜工作壞境中的使用，就需要在更大程度上提高其自由度。眾所周知，串行配置需求量更大的扭矩在關(guān)節(jié)上，因此爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵就是要求較大和較重的致動(dòng)器從而在較小的有效載荷重量比。對(duì)比結(jié)果使用并行平臺(tái)在減少的重量/功率比，從而使有效載荷 早期在這一領(lǐng)域主要通過(guò)移動(dòng)球面（窗口）機(jī)制集中在六自由度研究上（梅爾萊特，2000；到¨nshoff，1998） Salter et al建模和模擬了一種具有氣動(dòng)執(zhí)行器和平行六自由度的并聯(lián)機(jī)器人，該模型具有一個(gè)較大的有效載荷能力，這對(duì)于工業(yè)爬桿機(jī)器人來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)（Salataren et al., 1999） 后來(lái)阿拉西利等人，制作了一個(gè)能夠自主攀沿管狀結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)器人，該機(jī)器人采用高夫—斯圖爾特作為機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)器采用六氣缸氣動(dòng)伺服控制，他們的機(jī)械結(jié)構(gòu)使用了六氣缸作為抓手（一個(gè)夾具使用三個(gè)氣缸）總共使用了12個(gè)驅(qū)動(dòng)器但不包括所需的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器（Aracil et al., 2003），該機(jī)械結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，因此有能力通過(guò)任何方向的彎曲，并能夠讓他適合移動(dòng)沿線的樹(shù)木和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此，我們需要設(shè)計(jì)的是一種不太復(fù)雜具有沿著人類設(shè)計(jì)的路線和不太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)移動(dòng)的能力，同時(shí)該結(jié)構(gòu)擁有最小自由度和最低數(shù)量的驅(qū)動(dòng)器。此外，氣壓缸在機(jī)械裝置的使用過(guò)程中還存在著壓縮空氣從壓縮機(jī)到氣缸的轉(zhuǎn)移問(wèn)題 但最近幾年來(lái)，機(jī)械工具在一些工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用導(dǎo)致了更加注重不少于六自由度平行機(jī)制的研究，大多數(shù)最近幾年的研究集中在三自由度機(jī)械機(jī)構(gòu)上（Pierrot et al., 2001; Gosselin et al., 1992b; Tsai, 1996） 在沿桿或具有彎曲和分支結(jié)構(gòu)的管狀結(jié)構(gòu)上移動(dòng)就必須具有四個(gè)自由度（沿垂直于管軸的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)），同一自由度在爬桿的應(yīng)用中對(duì)于大部分操作和維修工作中也是必不可少的。在Vossoughi中討論了關(guān)于平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用在并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)器人的詳細(xì)建模機(jī)制和選擇過(guò)程（2004）。 就作者所知，對(duì)于這樣的操作還沒(méi)有四自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)提供二自由度的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，在本文中，該機(jī)構(gòu)顯示利用并行/串行機(jī)制來(lái)提供具有二自由度翻轉(zhuǎn)和二自由度旋轉(zhuǎn)的軸（這將在以下描述出來(lái)）。并行/串行機(jī)器人同時(shí)具有剛性全并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)器人擴(kuò)展工作區(qū)的優(yōu)點(diǎn)（Romdhane，1999）.在Zakerzadeh中四自由度機(jī)制的完全意義上的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析已經(jīng)提出et al. (2004). 該機(jī)構(gòu)還利用新型夾具設(shè)計(jì)，使它適合安全爬桿操作 3 概念（方案） 就像前面所提到的，沿著具有彎曲和分支的管狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，至少需要四自由度。這些包括Tz：沿著極軸運(yùn)動(dòng)的平移自由度（圖1），歸零：沿著極軸左右旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度（圖2），接收：沿軸的徑向方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度（圖3） 圖3-1攀沿桿 圖3-2繞極軸旋轉(zhuǎn) 圖3-3彎曲段運(yùn)動(dòng) 結(jié)合以上三自由度和沿極軸徑向翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)自由度，為在桿上達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)以后的必要操作提供必要的操作性能（即修理，維修或生產(chǎn)等操作比如焊接） 4機(jī)器人的設(shè)計(jì)和組成 要設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人主要由三部分組成（圖5）：三自由度的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，串行Z軸旋轉(zhuǎn)機(jī)制，夾鉗。 結(jié)合三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)和具有旋轉(zhuǎn)機(jī)制的極軸提供的二自由度翻轉(zhuǎn)和平移，這就需要在最后一章對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)做出解釋 圖4-1機(jī)器人進(jìn)行焊接操作 圖4-2爬桿機(jī)器人模型 除此之外，線性氣缸要用于平行機(jī)械手來(lái)安裝包圍桿，因此需要減少夾具的動(dòng)作時(shí)間 一個(gè)手爪連接到一個(gè)機(jī)械臂，另外一個(gè)連接旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的底部，這樣就可以達(dá)到，該夾鉗有四個(gè)自由度與之想對(duì)應(yīng)，同時(shí)可以滿足在不同的截面和幾何構(gòu)型的軸和桿上運(yùn)動(dòng) 4.1三自由度平面平行機(jī)械手 通常意義上的三自由度平行三角平臺(tái)由移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)三個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)鏈連接到一個(gè)固定的底座組成，每個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈通過(guò)三個(gè)獨(dú)立自由度關(guān)節(jié)組成，其中的一個(gè)是活動(dòng)關(guān)節(jié)（Gosselin以及其他人），Hayes和一些人通過(guò)研究表明，有1653種不同平行三角平臺(tái)能夠轉(zhuǎn)變成為三自由度機(jī)構(gòu)，對(duì)于所推薦的機(jī)械結(jié)構(gòu)，three-RPR機(jī)制可以被選定為機(jī)器人的平面平行部分 4.2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由導(dǎo)軌，滑動(dòng)單元，齒輪組和電機(jī)組成，圖1顯示的是導(dǎo)軌和滑動(dòng)單元，該導(dǎo)軌是環(huán)繞著極軸的T形圓導(dǎo)軌，滑塊單元由特定的軸承組成，它能夠在所有可能的配置中承受在各種實(shí)踐和維護(hù)機(jī)器人的穩(wěn)定性的過(guò)程中產(chǎn)生的力和力矩，該滑塊有一個(gè)下夾持器通過(guò)一個(gè)由簡(jiǎn)單傳動(dòng)裝置連接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)保持其中一個(gè)夾鉗固定通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)其他夾持器可以繞極軸旋轉(zhuǎn) 4.3夾持器 該夾持器具有一個(gè)獨(dú)特多指設(shè)計(jì)，它只需通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電機(jī)來(lái)適應(yīng)桿的不同截面和尺寸，每個(gè)夾具包括2v多指靈體，雙轉(zhuǎn)軸電機(jī)，左右各兩個(gè)螺釘和雙直線導(dǎo)軌，特殊的多手指布局的使用不僅增加了夾具的扭矩處理能力同時(shí)也提高在不同桿的截面和尺寸的適應(yīng)性，滾珠絲杠的摩擦系數(shù)為0.1，兩條直線導(dǎo)軌將承受機(jī)器人在爬升的過(guò)程中載重，選定的雙軸電機(jī)相對(duì)于機(jī)器人的重量來(lái)說(shuō)很小，圖2展示了夾具的制作。 圖4-3-1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系列 圖4-3-2機(jī)器人裝配夾具 在典型的爬桿應(yīng)用中各個(gè)組成部分的結(jié)合運(yùn)動(dòng)展示在圖3-5，表1顯示的原版本的規(guī)格和機(jī)器人工業(yè)版本的估計(jì)規(guī)格 5機(jī)器人原型 下面是建議的機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析（Vossoughi et al., 2004; Zakerzadeh et al., 2004），為假設(shè)的內(nèi)部燈泡更換操作而設(shè)計(jì)和建造的原型單位， 這個(gè)機(jī)器人的重量為16kg，這個(gè)機(jī)器人的身體是由鋁合金制造，這個(gè)機(jī)器人是由三個(gè)直流電機(jī)和三個(gè)電氣缸體驅(qū)動(dòng)，在缸體的控制上，電氣驅(qū)動(dòng)的使用比氣動(dòng)和液動(dòng)更加簡(jiǎn)化，還能增加控制的精度，而且還不需要壓縮機(jī)或泵，同時(shí)這也消除了液壓管或氣動(dòng)管，而且這些對(duì)爬桿機(jī)器人的應(yīng)用也是很不安全的、 這些電動(dòng)機(jī)的重量為每個(gè)1.1kg，每個(gè)電動(dòng)機(jī)能夠提供800N的力和0.6 m/min的速度。 平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)該制作的具有相對(duì)較高的耐受性，不然的話，平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)將會(huì)被約束或展現(xiàn)出多余的自由度，除此之外，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)，裝配的工藝精度也是非常重要的，為了使兩個(gè)微型機(jī)械手更好的適應(yīng)更換動(dòng)作，一個(gè)機(jī)械手夾持新燈泡，一個(gè)機(jī)械手更換舊燈泡，這個(gè)夾持器為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也是一個(gè)可以被利用的擁有300cc容量的小存儲(chǔ)器，通過(guò)裝在機(jī)械手上得圓頂遙控?cái)z像機(jī)，當(dāng)機(jī)器人在更換燈泡時(shí)，用操縱桿通過(guò)懸掛裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，該相機(jī)擁有兩個(gè)自由度，可以繞兩條垂直的軸左右旋轉(zhuǎn)，同時(shí)被一個(gè)圓頂所遮蓋，圖6展示制作的原型。 圖7顯示的是在桿上得制作原型，圖8是制作原型通過(guò)彎曲部分時(shí)圖像，圖9是制作原型更換燈泡是的圖像 6機(jī)器人的控制 就像前面所提到，制作原型是通過(guò)三個(gè)electrical cylinders和三個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)都有一個(gè)控制面板，它是直接連接到中央電腦 圖6-1機(jī)器人沿桿軸運(yùn)動(dòng) 圖6-2機(jī)器人繞桿轉(zhuǎn)動(dòng) 圖6-3通過(guò)彎曲部分時(shí)的機(jī)器人 表一.機(jī)器人的工業(yè)版本和原型版本的估計(jì)數(shù)據(jù) 線性驅(qū)動(dòng)器的個(gè)數(shù) 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的個(gè)數(shù) 重量 尺寸（cm） 原型版本 3 3 16 工業(yè)版本 3 3 30 圖6-4制作原型 圖6-5制造原型沿桿移動(dòng) 圖6-6制作原型通過(guò)彎曲部分 機(jī)械手的電動(dòng)機(jī)采用電流反饋控制，當(dāng)夾鉗接觸到電極，電流上升，當(dāng)電流上升到一定的值時(shí)，機(jī)械手產(chǎn)生與電流成正比的力，由于機(jī)械手的電動(dòng)機(jī)是沒(méi)有后備電源的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)斷電后，由于大量齒輪的存在，夾具不會(huì)松懈還將保持原有的姿態(tài)，這樣可以保證當(dāng)其斷電后的安全性。 電缸包括一個(gè)直流電機(jī)，傳動(dòng)裝置和螺桿，在直流電機(jī)的軸使用了頻率為500hz的編碼器，氣缸的直線運(yùn)動(dòng)的精度為0.1mm，在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸上也使用了100Hz的編碼器，串行機(jī)制的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的精度為， 一些列組裝在夾鉗上得觸摸開(kāi)關(guān)，不僅可以檢測(cè)到桿的彎曲和障礙物，還可以檢測(cè)出機(jī)械手與桿彎曲角度，這將允許串行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖6-7制作原型的更換燈泡操作 通過(guò)這種方式機(jī)器人可以以合適姿態(tài)通過(guò)彎曲部分，控制系統(tǒng)包括一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊和一個(gè)位置控制系統(tǒng)的PID接頭 7結(jié)論 在本文中，對(duì)自主機(jī)器人的爬桿問(wèn)題提出解決辦法。提出了一個(gè)獨(dú)特了的多指夾具功能，它能夠適應(yīng)各種桿的截面和尺寸，同時(shí)他的機(jī)構(gòu)也是非常簡(jiǎn)單，還探討了一些關(guān)于機(jī)器人的原型和控制的問(wèn)題。