畢業(yè)設計--- 爬壁式機器人設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題 目 爬壁式機器人設計 </p><p>　　專業(yè)班級 光機電一體化工程（08級） </p><

2、;p>　　姓 名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　所屬助學單位 </p><

3、p>　　2011年 12 月 2 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言2</b></p><p><b>　　第一章3</b></p><p><b>　　總體結構3</b></p>

4、<p><b>　　1.1機械結構3</b></p><p>　　1.2控制系統(tǒng)硬件4</p><p>　　1.3傳感導引系統(tǒng)9</p><p><b>　　第二章14</b></p><p>　　2.1爬壁機器人磁吸附原理14</p><p>　　2.2

5、磁吸附技術簡介14</p><p>　　2.3.電磁鐵吸力及選材14</p><p><b>　　第三章16</b></p><p>　　3.1一種新型磁輪單元16</p><p>　　3.2磁輪分析16</p><p>　　第四章 爬壁機器人的力學分析18</p>&l

6、t;p>　　4.1爬壁機器人靜力學分析18</p><p>　　4.2爬壁機器人動力學分析19</p><p><b>　　結論21</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b>　　致謝22</b></p>&

7、lt;p><b>　　摘要</b></p><p>　　爬壁機器人,是極限作業(yè)機器人的一個分支,它的突出特點是可以在垂直墻壁表面或者天花板上移動作業(yè)爬壁機器人能吸附于壁面而不下滑,實現(xiàn)的方法主要有兩種:負壓吸附與磁吸附介紹一種新型爬壁機器人，它以超聲串列法自動掃查和檢測在役化工容器筒壁對接環(huán)焊的危害性缺陷。 本文將著重介紹了它的機械結構及位置調整運動控制算法。 這種機器人采用磁輪吸附和

8、小車式行走，利用磁帶導航，光纖傳感器檢測，具有結構緊湊、導航性能好、位置調整方法可行和定位精度高等特點。本文將介紹的爬壁機器人為超聲串列自動掃查機器人是以某煉油廠加氫反應器為具體的應用對象，用來以超聲串列法自動掃查和檢測筒壁對接環(huán)焊縫的危害缺陷而研制的，并按JB4730-94《壓力容器無損檢測》的要求，用超聲串列法檢測。 超聲串列法要求一發(fā)、一收探頭中心聲束保持在一個與焊縫中心線相垂直的平面內，收發(fā)探頭相對于串列基準線須保持等距、反相、

9、勻速移動。 由于采用手動檢測，操作難度大，重復性差，可比性差而難以實施。 對于這種用在圓形筒壁上在役檢測的機器人，丹麥的force公司研制了多用途模塊磁輪掃描儀AMS-9、AMS-10等系列磁輪爬壁機器人，日本的Osaka Ga</p><p>　　關鍵詞：機器人技術 爬壁機器人 磁吸附</p><p><b>　　前言</b></p><p>

10、;　　機器人是傳統(tǒng)的機構學與近代電子技術相結合的產物，是計算機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多學科綜合性高科技產物，它是一種模仿人操作、高速運行、重復操作和精度較高的自動化設備。機器人技術的出現(xiàn)和發(fā)展，不但傳統(tǒng)的工業(yè)生產和科學研究發(fā)生革命性的變化，而且將對人類的社會生活產生深遠的影響。隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機器人的小型化、微型化成為機器人技術發(fā)展的重要方向之一。開發(fā)一種小型、便攜的爬壁機器人在軍事和民用方面都具有重要意義

11、。在軍事方面，它可以被投放在敵后，爬行于建筑物的外墻或玻璃壁面上，對室內的情況進行偵察；或者充當可移動的爆破物，近距離殺傷敵方的重要設施和人員。</p><p>　　爬壁機器人作為工業(yè)用機器人的一種，指的是能夠在垂直陡壁上進行作業(yè)的機器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動機械裝置，可以代替人工在高空、毒氣毒液、輻射、水下等高危環(huán)境下進行特種作業(yè)，在熱電廠、造船業(yè)、核工業(yè)、石化天然氣業(yè)等領域有廣泛的應用，隨著技術的日趨

12、成熟，應用范圍的拓展，越來越受到各國科研部門的重視</p><p><b>　　第一章</b></p><p><b>　　總體結構</b></p><p>　　本樣機由機械部分、控制部分、導航傳感檢測部分組成。</p><p><b>　　1.1機械結構　　</b></

13、p><p>　　本樣機的機械部分由導軌滑塊運動體、左右磁輪運動體組成。 樣機及結構簡圖如圖1。設o 1 x 1 y 1 為機器人的坐標系，其中原點o 1 在機器人4個輪子布局的對稱中心點上，x 1 為機器人左右磁輪的對稱中心線，y 1 平行于串列掃查探頭的導軌。 圖中所示oxy坐標的x軸，相當于是固定在筒壁上的，與串列掃查基準線重合，y軸是與其垂直的坐標，o與o 1 重合。 在這里所謂的串列基準線是串列掃查時，作為一

14、發(fā)一收兩探頭等間隔移動的所定相對對稱基準線，一般設定為在離探傷面距離為0。5跨距的位置。</p><p>　　本文中左指的是y 1 方向,反之為右方向。 各部分的工作原理如下：　　(1)左右磁輪運動體　　整個掃查機器人靠4個磁輪的吸力吸附在圓筒壁上,由磁輪的運動帶動機器人前進、后退，以及調整機器人的位置和方位，在這里我們選用磁輪而沒有用履帶，這有利于達到串列掃查對運動精度的要求。 機器人左右各有兩個磁輪，各由交流

15、伺服電機經諧波減速器減速、同步齒形帶傳動,帶動磁輪沿壁面運動,兩個磁輪通過齒形帶均可運動,所以都是主動輪，這樣左右磁輪的運動形成機器人的兩個自由度。 當兩個電機同時驅動4個輪同向等速轉動時,機器人向前后移動，當左邊的2個磁輪的速度大于右邊的兩個磁輪的速度時，機器人向右偏轉; 反之，向左偏轉?！?2)導軌滑塊運動體　　采用交流伺服電機經齒輪減速器和同步齒形帶帶動兩滑塊在導軌上運動，形成機器人的第三個自由度。 由于兩滑塊分別固聯(lián)在嚙入齒形輪

16、的一邊和離開齒形輪的另一邊的齒形帶上，所以兩滑塊隨著齒形帶的運動而在導軌上同向或反向直線運動，帶動固定在滑塊上的探頭相對機器人中心線同向或反向運動?！　≌{整爬壁機器人的中心線與串列基準線相平行，就可確保收、發(fā)探頭相對串列基準線等距離運動,符合串列掃查的運</p><p><b>　　1.2控制系統(tǒng)硬件</b></p><p>　　該微型爬壁機器人采用12個微型電機驅動

17、，4個接觸傳感器，4個壓力傳感器，以后還要增加用于壁障的紅外傳感器和用于采集現(xiàn)場信號的微型攝像頭，所以對主控制器的要求較高。設計中，最終選定Philips公司最新開發(fā)的基于32位ARM7TDMI-S內核的低軾耗ARM處理器LPC2104作為控制系統(tǒng)主控制器。LPC2104具有以下特性：</p><p>　　*128KB片內Flash程序存儲器，帶ISP和IAP功能；</p><p>　　*

18、16KB靜態(tài)RAM；</p><p><b>　　*向量中斷控制器；</b></p><p>　　*仿真跟蹤模塊支持實時跟蹤；</p><p>　　*標準ARM測試/調試接口，兼容現(xiàn)有工具；</p><p>　　*雙UART，其中一帶有調制解調器接口；</p><p>　　*高速I2C串行接口，4

19、00kb/s；</p><p><b>　　*SPI串行接口；</b></p><p>　　*2個定時器分別具有4路捕獲/比較通道；</p><p>　　*多達6路輸出的PWM單元；</p><p><b>　　*實時時鐘；</b></p><p><b>　　*看

20、門狗定時器；</b></p><p><b>　　*通用I/O口；</b></p><p>　　*CPU操作頻率可達60MHz；</p><p>　　*兩個低功耗模式，空閑和掉電；</p><p>　　*通過外部中斷，將處理器從掉電模式中喚醒；</p><p>　　*外設功能可單獨使能

21、/禁止實現(xiàn)功耗最優(yōu)化；</p><p>　　*片內晶振的操作頻率范圍10～25MHz；</p><p>　　*處內PLL允許CPU可以在超過整個晶振操作頻率范圍的情況下使用。</p><p>　　微型爬壁機器人控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，選用LPC2104作為嵌入式控制器。為提高系統(tǒng)效率和降低功耗，功放驅動電路采用基于雙極性H-橋型脈寬調整方式PWM的集成電路L2

22、93D。L293D采用16引腳DIP封裝，其內部集成了雙極型H-橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。L293D通過內部邏輯生成使能信號。H-橋電路的輸入量可以用來設置馬達轉動方向，使能信號可以用于脈寬調整（PWM）。另外，L293D將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時

23、控制2個電機。每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機轉動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電機正轉，反之，電機反轉。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調整PWM的占空比可以調整電機的轉速。選擇一路I/O口，經反向器74HC14分別接IN1和IN2引腳，控制電機的正反轉。為了節(jié)省LPC2104的I/O口資源，選用2片7</p><p>　　接觸傳

24、感器由外層管和內部超彈性線構成，內外兩層通過硅管隔開。當內線和外層接觸時，開關關閉。通過這種方法，接觸傳感器向LPC2104發(fā)送信號，借此來控制吸盤的方向。</p><p>　　從壓力傳感器來模擬信號經A/D轉換器轉換成數(shù)字信號，LPC2104通過壓力傳感器來的信號來判斷吸盤是否安全的吸附在墻壁上。</p><p>　　LPC2104還可以通過串口RS232和上位機進行通信。</p&

25、gt;<p><b>　　控制系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　微型爬壁機器人控制系統(tǒng)軟件選用嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)μC/OS-II。它是一個源代碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用ANSIC寫的，移植方便，且運行穩(wěn)定可靠。目前，它已經在幾十種從8位到64位的微處理器、微控制器上實現(xiàn)了成功的移植。下面首先介紹μC/OS-II在

26、LPC2104上的移植過程，然后介紹微型爬壁機器人控制軟件的設計。</p><p>　　μC/OS-II在LPC2104上的移植</p><p>　　移植μC/OS-II，主要包括：設置堆棧的增長方面，聲明3個宏（開中斷、關中斷和任務切換），聲明10個與編譯器相關的數(shù)據(jù)類型；用C語言編寫6個與操作系統(tǒng)相關的函數(shù)（任務堆棧初始化函數(shù)和5個鉤子函數(shù)）；用匯編語言編寫4個與處理器相關的函數(shù)。&l

27、t;/p><p>　　用匯編語言編寫的4個與處理器相關的函數(shù)如下：</p><p>　?、貽SStartHighRdy()用于在調度中使最高優(yōu)先級的任務處于就緒態(tài)并開始執(zhí)行；</p><p>　?、贠SCtxSw()完成任務級的上下文切換；</p><p>　?、跲SIntCtxSw()完成中斷級任務切換，其過程與OSCtxSw()類似，只是在執(zhí)

28、行中斷服務子程序后可能使更高優(yōu)先級的任務處于就緒態(tài)；</p><p>　?、躉STickISR()是系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務子程序。</p><p>　　1OS_CUP.H的移植</p><p>　　μC/OS-II不使用C語言中的short、int、long等數(shù)據(jù)類型的定義，因為它們與處理器類型有關，隱含著不可移值性，所以代之以移值性強的整數(shù)數(shù)據(jù)類型，這樣，既直觀又可移值

29、。</p><p>　　在μC/OS-II中，使用OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()開中斷和關中斷來保護臨界段代碼。ARM處理器核的用戶模式和執(zhí)行Thumb代碼時，不能改變處理器的開中斷位I。為了兼容各種模式，使用軟中斷指令SWI使處理器進入管理模式和ARM指令狀態(tài)，即使用SWI0x02關中斷，使用SWI0x03開中斷。</p><p>　　ΜC/

30、OS-II使用結構常量OS_STK_GROWTH指定堆棧的增長方式，0表示堆棧從低地址往高地址增長，1表示堆棧從高地址往低地址增長。雖然ARM處理器核對于兩種方式支持，但ADS的C語言編譯器僅支持一種方式，即從高地址往低地址增長，并且必須是滿遞減堆棧，所以OS_STK_GROWTH的值為1。以上內容在文件OS_CPU.h中做如下定義。</p><p>　　TypedefunsignedcharBOOLEAN;/*

31、布爾變量*/</p><p>　　TypedefunsignedcharINT8U;/*無符號8位整型變量*/</p><p>　　TypedefsignedcharINT8S;/*有符號8位整型變量*/</p><p>　　TypedefunsignedshortINT16U;/*無符號16位整型變量*/</p><p>　　Typedef

32、signedshortINT16S;/*有符號16位整型變量*/</p><p>　　TypedefunsignedintINT32U;/*無符號32位整型變量*/</p><p>　　TypedefsignedintINT32S;/*有符號32位整型變量*/</p><p>　　TypedeffloatFP32;/*單精度浮點數(shù)（32位長度）*/</p>

33、;<p>　　TypedefdoubleFP64;/*雙精度浮點數(shù)（64位長度）*/</p><p>　　TypedefINT32UOS_STK;/*堆棧是32位寬度*/</p><p>　　_swi(0x02)voidOS_ENTER_CRITICAL(void);/*關中斷*/</p><p>　　_swi(0x03)voidOS_EXIT_CRI

34、TICAL(void);/*開中斷*/</p><p>　　#defineOS_STK_GROWTH1/*堆棧由高地址向低地址增長*/</p><p>　　2OS_CPU_A.ASM文件的移值</p><p>　　OS_CPU_A.ASM文件要實現(xiàn)在多任務啟動函數(shù)中調用OSSTartHightRdy()，任務切換函數(shù)OSCtxSw()，中斷任務切換函數(shù)OSIntCt

35、xSw()和時鐘節(jié)拍服務函數(shù)OSTickISR（）這4個匯編函數(shù)的改寫。上層任務調度部分不需要任何改動?！　?.2系統(tǒng)任務劃分及調度</p><p><b>　　系統(tǒng)任務劃分</b></p><p>　　嵌入式實時系統(tǒng)中的任務不同于前后臺系統(tǒng)中的子程序模塊，任務是處理機按程序處理數(shù)據(jù)的過程，是個動態(tài)的概念。一般，一個任務對應于一段獨立的主程序。它可以調用各種子程序，并

36、使用各種系統(tǒng)資源如中斷、外設等，以完成某種預定的功能，且允許多個任務并行運行。嵌入式系統(tǒng)任務劃分，是將系統(tǒng)中所有要處理的事情劃分為一個個相對獨立的任務模塊，所有待處理的任務模塊按順序建立一個個的任務，并分配任務的優(yōu)先級。在主程序中，所需要做的工作只是建立這些模塊的任務，然后每次執(zhí)行就緒任務隊列中優(yōu)先級最高的任務。根據(jù)微型爬壁機器人控制系統(tǒng)的性能指標和技術要求，對可系統(tǒng)進行如下的任務劃分：前進、后退、左轉彎、右轉彎、串行通信、數(shù)據(jù)采樣與數(shù)

37、據(jù)處理等任務。</p><p><b>　　任務調整</b></p><p>　　μC/OS-II的任務調度是按優(yōu)先級進行的，根據(jù)各任務的實時性要求及重要程度，分別置它們的優(yōu)先級為10、9、5、6、12、11，其中0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO2、OS_LOWEST_PRIO1、OS_LOW

38、EST_PRIO0這幾個優(yōu)先級保留以被系統(tǒng)使用。優(yōu)先級號越低，任務的優(yōu)先級越高。</p><p>　　為了在后臺實時檢測同步信號的變化，及時產生相應的事件，可直接利用嵌入式微控制器所提供的各種中斷，通過對中斷服務處理程序傳遞信號量，來喚醒等待同步信號的任務，使這個任務從掛起狀態(tài)到就緒狀態(tài)，送到CPU執(zhí)行，從而達到實時處理的目的。</p><p>　　在多任務系統(tǒng)中，消息、信號是系統(tǒng)能夠在各

39、個任務之間通信最常用的手段，其中，使用信號量是協(xié)調多任務最簡單有效的手段。在μC/OS-II中，一個任務或者中斷服務子程序，通過事件控制塊來向另外的任務發(fā)信號。當微型爬壁機器人啟動之后，首先通過接觸傳感器和壓力傳感器檢測4只吸盤是否很好的與壁面吸合；同時，通過紅外傳感器檢測前面是否有障礙物。如果一切正常就發(fā)送信號量給直線前進任務，直線前進任務接受到信號量開始運行，通過協(xié)調控制12個電機并配合相應傳感器使爬壁機器人沿直線運行。當紅外傳感器

40、檢測到前面有障礙物時，會進入中斷程序，在中斷程序中發(fā)送信號給停止任務，停止任務接收以信號量后運行。首先使機器人停下來調整好姿勢確保機器人四足吸在壁面上，然后發(fā)送信號量喚醒左轉或者右轉任務，控制機器人繞過障礙物。以后還可以給微型爬壁機器人配備微型攝像頭，對目標現(xiàn)場進行實時數(shù)據(jù)采集。總之，在微型爬壁機器人的控制系統(tǒng)中，信號、消息不斷傳遞，使得各個任務不斷切換運行，整個系統(tǒng)得以正確運轉工作。</p><p><b

41、>　　1.3傳感導引系統(tǒng)</b></p><p>　　傳感器分為內部傳感器和外部傳感器。 外部傳感器為：　　(1)傳感器檢測導引方案采用在筒壁上沿平行焊縫方向貼導向帶，通過安裝在車體上的4個對顏色敏感的光纖傳感器(傳感器固定在傳感器盒上)來檢測機器人本體的位置偏移和方位偏移?！　?2)由另一緊壓壁面的自由輪帶動的光電碼盤檢測x方向的移動距離?！　炔總鞲衅鳛椋?x 向y向的運動控制用內部傳感器,

42、即是伺服電機軸上的3個位移光電碼盤。 以平行于焊縫的參考線為定位參考基準,布置好導向帶,導向帶采用表面光滑且無凹陷的磁條作為底層，在磁條上鋪設固定寬度的白色色帶用于導航。 傳感器的平面布置如圖2所示。</p><p>　　圖中.‘1 x ‘1 y ‘1 為傳感器盒坐標系，相當于是固定在機器人本體上的。 x ‘ 1 傳感器對稱中心線上與x 1 軸平行，y ‘1 軸通過1、2傳感器，. ‘1 為傳感器坐標原點。.‘&

43、lt; x ‘< y ‘< 為導引帶坐標系，x ‘< 軸為與x軸平行且與導引帶中心線重合,相當于是固定在筒壁上的坐標軸，. ‘< 為沒有位置誤差、方位誤差時在x ‘1 上與. ‘1 重合的點,y ‘< 垂直于x ‘< 。 圖中1、2、3、4分別表示4個傳感器,傳感器1、2用來限制機器人小車向x軸方向運動過程中,在y軸方向的偏移,傳感器3、4用來限制機器人小車相對x軸方向的偏斜。 一旦小車偏移，4個傳感

44、器分別有一個以上作出反應，計算機根據(jù)反饋過來的情況對機器人進行調整。 光纖傳感器5主要用于減小小車沿X 方向前進過程中的積累誤差，沿導航帶每隔1000mm設置路標,傳感器5檢測到此路標,通過光電編碼器6獲得小車的當前位置，計算小車從當前位置與實際位置的誤差并調整小車從當前位置到實際位置，避免距離過長造成積累誤差過大的缺點。</p><p>　　1.3.1　掃查運動( Scann ing movement) 　　超

45、聲串列掃查要求一發(fā)一收的兩只探頭相對串列基準線等距離移動,這里我們稱之謂掃查運動,探頭是固定在滑塊上的。 運動掃查的具體步驟如下：　　(1) 機器人首先尋找零位，找到零位后機器人開始沿x軸運動?！　?2) 在運動的過程中，通過傳感器檢測機器人沿y方向是否有偏移,相對于y方向是否有偏轉。　　(3) 若檢測出來有偏移和偏轉，則機器人通過調整運動,調整到要求的精度范圍以內?！　?4) 調整完成后,這時滑塊及探頭作相向、相反運動一次,實現(xiàn)當前截

46、面的串列掃查?！　?5) 機器人繼續(xù)沿x軸方向運動某一距離，并按(2)、(3)、(4)步驟對下一截面進行串列掃查。</p><p>　　1.3.2　調整運動( Adjusting movement) 　　為滿足超聲探測的要求,機器人必須根據(jù)傳感器狀態(tài)及時作出相應的調整運動。 如圖1所示,導向傳感器設定為4個傳感器,正常情況下，4個傳感器的光纖與白色色帶接觸傳感器的顯示燈是亮的,當機器人偏移到掃查規(guī)定范圍外時,光纖

47、傳感器接觸到磁帶,傳感器顯示燈滅,這時機器人要根據(jù)具體的情況調整。 調整是根據(jù)4個傳感器檢測的情況來進行的,對于可能遇到的情況,按位移、方位(角度)偏移可分4種,按傳感器的狀態(tài)根據(jù)排列組合的原理可分為15種情況。 例如： 1滅2亮3滅4亮、1滅2亮3亮4滅等等。 根據(jù)傳感器的狀態(tài),通過調整運動控制方法,調整機器人達到要求的位置和方位精度?！　C器人的調整運動基本算法有位置調整和角度調整兩種,具體分析如下：</p><

48、p>　　1.3.4位置偏移的調整　　調整機器人本體(以下簡稱小車)位置偏差總共分為以下步驟：　　(1) 小車繞中心旋轉一個角度φ1 ，如圖所示的小車虛線位置,其中實線為小車無偏移位置;　　(2) 小車繞轉過的方向前進x1 距離;　　(3)小車停止運動繞中心反向旋轉φ2 ;　　(4)小車沿x軸方向后退到初始x 坐標處。 這樣小車可以實現(xiàn)y軸方向上的位移，而x軸方向上的位置保持不變從而實現(xiàn)對它位置偏差的調整?！?　本文設. 1 .‘1

49、 距離為l，. 1 .‘1 與y1 軸的夾角為γ，l與γ都是機器人的結構參數(shù),小車旋轉角α,小車由o ‘1 離開y ‘1 的距離引起橫向偏移量ΔX,由傳感器反應出來的o ‘1 偏移x ‘ 的距離為小車縱向偏移量ΔY。 上述各步驟的計算如下：　　(1) 小車轉過φ1 角，縱向偏移ΔY φ1 ，橫向偏移ΔX φ1 ,其式為：</p><p>　　(2)小車沿轉過的角度前進x1的距離,縱向偏移ΔY x1 ,橫向偏移ΔX

50、 x1[/ht橫向偏移：ml]，其式為： </p><p>　　(3)小車反轉φ2 角產生縱向偏移ΔY φ2 和橫向偏移ΔX φ2 ,其式為： </p><p>　　綜上所述，為了調整ΔY的位置偏移,需小車轉過的角度和移動的距離的關系式為： </p><p>　　由于偏移與移動的距離和轉動的角度有關系,在偏移量一定的情況下，x 1 越大，則φ 1 越小。 這要根據(jù)具

51、體的情況來選擇：考慮到小車轉動時需要克服滑動摩擦,電機功率消耗大等現(xiàn)象,φ 1 不能太大,x 1 過大,則運動調整所需的時間將很長。 　　4。 2　角度偏差的調整　　角度偏差的調整方案為： 1)讓小車轉動一個角度,補償角度偏差，但此時又產生位置偏差; 2)按位置偏差的方式來彌補位置偏差,其式為： </p><p>　　(2) 補償ΔY φ1 和ΔX φ1 　　·補償ΔYφ 1 按照上面位置調整的前3個步

52、驟,小車旋轉φ2 和沿旋轉的方向前進x 2 ,反轉φ 2 ,其式為： </p><p><b>　　即： </b></p><p>　　根據(jù)位置調整的推導可知，在這個過程中產生了ΔX[html]‘ 的橫向位移,其式為：</p><p>　　此時x方向的總偏移為：</p><p>　　1.3.5既有位置偏移又有角度偏移的調

53、整　　實際操作中先按位置偏移的方式,校正好位置,然后按角度偏移的方式校正好角度。以上所推出的公式均為理論值，在機器人的實際位置調整過程中，向左偏和向右偏時由于受重力和阻力的影響,機器人的偏移量是不同的,在具體的實踐過程中要適當進行補償。    5　結論( Conclusion) 　　按本文介紹的自動掃查爬壁機器人的結構,研制了樣機,并在實驗室及現(xiàn)場半徑為1700mm的石化圓筒容器表面進行了運行試驗。 實驗表

54、明：這種對稱磁輪形式的爬壁機器人結構是可行的,運動靈活,能順利實現(xiàn)掃查運動和調整運動,并達到超聲串列掃查所要求的運動精度。</p><p><b>　　第二章</b></p><p>　　爬壁機器人磁吸附原理</p><p><b>　　磁吸附技術簡介</b></p><p>　　磁吸附 磁吸附法結

55、構簡單,吸附力較大,對壁面凹凸適應性強。它具有兩種方式:永磁體和電磁鐵。永磁體方式吸附不耗能,安全性高,不受斷電影響;缺點是脫離壁面頗費周折。電磁鐵方式需通電,容易脫離壁面;缺點是體積大、笨重,斷電時有脫離危險。無論那一種磁吸附方式都只適用于導磁性壁面,所以它適用于導磁金屬壁面上的各種作業(yè),如石油、煤氣等各種鋼儲罐的維修、檢查。</p><p>　　1.1.電磁鐵吸力及選材</p><p>

56、;　　1.電磁鐵，按結構型式分，可分為：拍合式、Ⅱ形式、E形式、螺管式、轉動式等，較多使用的是拍合式、Ⅱ形、E形；按勵磁方式分，可分為：直流和交流兩大類；按其用途分，可分為：電流線圈和電壓線圈兩種（斷路器的短路保護瞬動電磁鐵、液壓式脫扣器的過載、短路保護線圈、電流繼電器線圈等為電流線圈；欠電壓膠扣器、分勵脫扣器、電壓繼電器等為電</p><p><b>　　壓線圈</b></p>

57、<p>　　2.吸力與電磁鐵各參數(shù)的關系</p><p>　　電磁鐵的吸力： </p><p><b>　　式中：F---吸力</b></p><p><b>　　B——— 磁通密度</b></p><p>　　S——— 鐵心極面的截面積</p><p>

58、;　　μ——— 真空中的磁導率電壓線圈</p><p>　　式中F——— 電磁鐵鐵心極面上的吸力</p><p>　　U——— 線圈兩端施加的電壓</p><p>　　I——— 勵磁電流的最大值</p><p>　　W——— 線圈的匝數(shù)</p><p>　　S——— 鐵心極面的截面積</p><p&

59、gt;<b>　　δ——— 工作氣隙</b></p><p>　　l——— 鐵心的磁路長度</p><p>　　j——— 單位長度的漏磁導</p><p>　　f——— 交流電的頻率</p><p>　　吸附力隨相關量的變化會產生相應的變化，如下圖所示</p><p>　　吸附力隨相關參數(shù)的變化

60、 F-U的關系 F-W的關系</p><p>　　1.1.2電磁鐵鐵心用材料</p><p>　　對于短時工作的電磁鐵，如分勵脫扣器、斷路器的瞬動電磁鐵等，因不考慮磁滯損耗，其鐵心可采用低碳鋼等材料。直流電磁鐵，因直流無磁滯損耗（但仍有渦流），鐵心本身損耗小，故可用圓柱形碳鋼或電工純鐵棒（用這種材料加工也容易）。交流電磁鐵由于磁導體（鐵心）在

61、交流勵磁下有鐵損（磁滯損耗）和銅損（渦流損耗），加上它們往往是10 小時工作制，甚至是不間斷工作制（如欠電壓脫扣器）或斷續(xù)周期工作制（如接觸器），運行中損耗大，因此鐵心材料采用硅鋼片疊裝（片間絕緣）。要求體積小，精度高的鐵心（如某些小體積斷路器的欠電壓脫扣器，剩余電流動作斷路器的電磁式漏電脫扣器等），應采用剩磁小，矯頑力小，磁滯回路面積小的鐵鎳軟磁合金（坡莫合金）來制作。</p><p><b>　　第

62、三章</b></p><p>　　3.1一種新型磁輪單元</p><p>　　如圖 1 所示，某新型磁輪單元的永磁體和軛鐵圍繞輪子布置在輪子外側。永磁體固定在軛鐵上，軛鐵通過連接件和輪軸套接；永磁體和壁面始終保留一定間隙。輪子有輪芯和邊緣兩部分組成，輪芯采用不銹鋼或鋁等不導磁材料，邊緣采用摩擦系數(shù)大且耐磨的聚氨酯塑料。</p><p>　　永磁體磁極按行

63、、列交叉布置，相鄰磁極的極性互不相同，以達到減小漏磁、提高工作間隙磁通密度、增大吸附力的目的。d1 和d2 是相鄰永磁體間的距離，d1 和d2 的值會影響吸附力的大小。軛鐵的作用是引導磁路，增大吸附力。在軛鐵厚度足夠的情況下，永磁體上方磁力線將完全從軛鐵里面經過，所以軛鐵上方的漏磁很小，不會影響輪軸處軸承的工作。</p><p>　　1-輪子; 2-輪軸; 3-連接件; 4-軛鐵; 5-永磁體</p>

64、<p>　　圖 1 磁輪單元結構示意</p><p><b>　　3.2磁輪分析</b></p><p>　　這種磁輪總質量約4千克，吸附力60千克。磁輪單元在永磁體和壁面間隙為7 米 的情況下，實現(xiàn)60千克吸附力所需的永磁體和軛鐵的總質量小于0.9千克，輪子、輪軸和連接件等其他零件總質量小于1，所以提供相同吸附力的新型磁輪單元總質量只有此磁輪[9]質量

65、的一半左右。而新型磁輪單元在不改變輪子尺寸的情況下，還可以通過改變永磁體和軛鐵來增大或減小吸附力。曲面的曲率半徑超過磁輪單元尺寸的 5 倍時，曲面局部可以當做平面來處理。機器人吸附在曲面上時，每個輪子和壁面處于如圖2b、2d 或者2b 和2d 混合的接觸狀態(tài)，輪子一側的永磁體和壁面距離變大，而另一側的永磁體與壁面距離變小，兩側的吸附力都發(fā)生變化。如圖 2a，在軛鐵和壁面平行的情況下，左側、右側吸附裝置對壁面的吸附力分別為f1和f2，由對

66、稱關系得：</p><p>　　f1=f2 </p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　如圖2b 所示，軛鐵和壁面不平行時，左側永磁體和壁面的距離減小，左側吸附力f3 大</p><p>　　于f1；右側

67、永磁體和壁面的距離增大，右側吸附力f4 小于f2。機器人其他零件對磁輪單元的</p><p>　　力矩M1 以及其他作用力使得磁輪單元保持平衡。</p><p>　　f3>f1 </p><p><b>　　(2)</b><

68、/p><p><b>　　f4<f2 </b></p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　兩側的吸附力變化方向相反，通過仿真計算得總吸附力變化不大：</p><p>　　f3+f4≈f1+f2

69、 (4)</p><p>　　同理，圖2d 中f5 小于f1，f6 大于f2，吸附力得變化相互抵消，得：</p><p>　　f5+f6 ≈? f1+f2 (5)</p><p>　　圖2

70、d 中，M2 是機器人其他零件對磁輪單元的作用力矩。</p><p>　　(a) (b) (c) （d）</p><p>　　圖2 磁輪和壁面的不同接觸狀態(tài)</p><p>　　第四章 爬壁機器人的力學分析</p><p>　　4.1爬壁機器人靜力

71、學分析</p><p>　　機器人參數(shù)如圖3所示。下文變量說明：</p><p>　　W：左輪、右輪軸線距離 (m)；</p><p>　　L：輔助萬向輪到左輪、右輪軸線距離 (m)；</p><p>　　S：機器人重心C到左右輪軸線的距離(m)；</p><p>　　H：機器人重心到壁面距離(m)。</p>

72、;<p>　　圖3 機器人參數(shù)示意圖</p><p>　　爬壁機器人在靜止且不作業(yè)時受到以下力：</p><p>　　G：爬壁機器人的重力 (N)；</p><p>　　FmD：作用在左右輪軸線上的等效吸附力 (N)；</p><p>　　FmS：作用在輔助萬向輪上的等效吸附力 (N)；</p><p>

73、　　NL、NR和NAS：左輪、右輪和輔助萬向輪與壁面的正壓力 (N)；</p><p>　　fL、fR和fAS：左輪、右輪和輔助萬向輪與壁面間的摩擦力 (N)。</p><p>　　在進行清理、補焊和磨削等作業(yè)時，機器人會受到作業(yè)產生的反力。實驗證實磨削時的產生的反力在切向和法向都是最大，因此機器人在進行磨削作業(yè)時如果能保持穩(wěn)定，不發(fā)生滑移和脫落，則在進行其他作業(yè)時也能保持穩(wěn)定。</

74、p><p>　　4.2爬壁機器人動力學分析</p><p>　　爬壁機器人的運動狀態(tài)分為直線運動和轉向運動。理論和實驗表明當爬壁機器人原地轉向時，要求單個驅動裝置輸出的驅動力矩和功率最大，是最易發(fā)生打滑及堵轉失穩(wěn)的工況。爬壁機器人原地轉向運動過程中的平面受力狀況如圖4所示，圖中F?L、F?R分別為作用在左右輪上的實際驅動力(N)，F(xiàn)fL、FfR分別為作用在左右輪上的側向摩擦力(N)， FfAS

75、為作用在滾動萬向輪上的滾動阻力(N)。</p><p>　　在坐標系XRYRZR中，爬壁機器人轉向過程中的動力學方程為：</p><p>　　其中m ：為爬壁機器人質量 (kg)；</p><p>　　Iz：以左、右輪軸線中點為中心的轉動慣量(kgm2)；</p><p>　　Vx、Vy：機器人在XR、YR方向上的線速度 (m/s)；<

76、/p><p>　　VxVy?：機器人在XR、YR方向上的加速度(m/s2)；</p><p>　　ω ：機器人角速度 (rad/s)；</p><p><b>　　? ?</b></p><p>　　圖4 爬壁機器人原地轉向平面受力圖</p><p>　　式中MτL、MτR分別為作用在左右輪上的驅動力

77、矩(N.m)， FfrL、FfrR分別為左右輪的滾動阻力(N)， D r 為驅動輪半徑(m)。</p><p>　　根據(jù)靜力平衡關系得：</p><p>　　根據(jù)爬壁機器人在壁面運行的實際情況，提出下列假設：爬壁機器人在運動過程中不出現(xiàn)滑移和側滑，以勻速轉動，即認為x V ?、Vy?及?ω?為零；同時，由于機器人轉動角速度ω</p><p>　?。?～1.67 ra

78、d/s）及線速度Vx、Vy（0～2 m/min）小，離心力遠小于機器人自重，故忽略離</p><p><b>　　心加速度項的影響。</b></p><p>　　根據(jù)上述假設，上式可簡化為：</p><p>　　由上式分析可得，為防止驅動輪打滑，F(xiàn)mD需至少大于一個臨界值[FmD]RSK。</p><p><b&g

79、t;　　結論</b></p><p>　　本文主要討論了磁吸附機器人及其磁吸附機構。本文還介紹了一種永磁體集中布置的曲面自適應磁輪單元。該磁輪單元能提供比普通同等質量的磁輪更大的吸附力，且在曲面上能保持吸附力基本不變。研究了磁吸附爬壁機器人的力學模型，通過對以上爬壁機器人結構和功能的分析，可以預見當微機械電子技術、微驅動器技術、高分子材料技術和能源供給方面等高科技領域發(fā)展到一定程度時，這種新型爬壁機器

80、人的實用化才能變成現(xiàn)實。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　王麗慧. 水下船體表面清刷機器人及相關技術研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2002</p><p>　　田蘭圖. 油罐檢測爬壁機器人技術及系統(tǒng)研究[D]. 北京: 清華大學, 2004</p><p>　　桂仲成, 陳強

81、, 孫振國, 等. 水輪機葉片修復機器人的移動平臺[J]. 機械工程學報, 2006</p><p>　　劉淑霞, 王炎, 徐殿國, 等．爬壁機器人技術的應用[J]．機器人, 1999, 21(2): 14</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在即將完成本科學習之際，首先我衷心感謝xx老師在畢業(yè)設計期間給予的無私的關心

82、、幫助和指導。x老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，一絲不茍的科研精神和對學術的執(zhí)著追求將使我終身受益。同時在此期間，xx老師給予了我全面鍛煉的機會，導師的悉心指導和嚴格要求使我的論文得以順利進行。在此成文之際，謹向xx老師致以我最深切的敬意和最衷心的感謝。</p><p>　　感謝在本科學習期間，給予我鼓勵和幫助的所有同學及朋友。特別是養(yǎng)育我多年的父母。</p><p>　　感謝對論文進行評審、提出寶貴