爬壁機械人運動和粘附的研究課程畢業(yè)設(shè)計外文文獻翻譯@中英文翻譯@外文翻譯

外文資料翻譯 翻譯資料名稱 (外文 ) A 翻譯資料名稱 (中文 ) 爬壁機器人運動和粘附的研究 院 （ 系）： 機械工程系 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 姓 名： 潘晨 學(xué) 號： 04111237 指導(dǎo)教師： 陳敏華 完成日期： 爬壁機械人運動和粘附的研究 作者： 關(guān)鍵詞： 機器人，爬壁，運動，粘附，工程應(yīng)用 摘要 ： 爬壁機器人是機器人系統(tǒng)在 2D 或復(fù)雜的 3D 環(huán)境中移動，如墻壁，天花板，屋頂，幾何結(jié)構(gòu)以及適應(yīng) 各種類型的環(huán)境。他們不僅將取代在危險環(huán)境中人工進行的危險任務(wù)，同時也提高運營效率，省去了昂貴的安裝腳手架和人員成本。爬壁機器人在自我維持 他們的身體的同時，有不同的特點來適應(yīng) 二維和三維表面類型，左右移動，并配有適當(dāng)?shù)墓ぞ吆蛡鞲衅鱽硗瓿晒ぷ鳌Ｒ虼?，設(shè)計一個爬壁機器人最重要的標準是有適當(dāng)?shù)倪\動的設(shè)計和適應(yīng)特定環(huán)境要求的粘附機理。在這篇文章中，將會介紹爬壁機器人的簡要概述以及和具有綜合運動和黏附的分析的適當(dāng)?shù)呐辣跈C械人的例子。同時，從適用范圍進行考慮提出了爬壁機械人可運用 在從建造工業(yè)行業(yè)的清潔任務(wù)到 生物醫(yī)學(xué)服務(wù)行業(yè) 。 1、 介紹 作為一種特殊的移動機器人，爬壁機器人是指能在二維或三維復(fù)雜環(huán)境中 移動的機器人系統(tǒng) 如墻壁，天花板，屋頂，幾何結(jié)構(gòu)以及適應(yīng)各種類型的環(huán)境。爬壁機器人是一個非常 有吸引力的研究課題，由 于工作位置的困難環(huán)境不便于人們觸及和工作的不安全隱患，大量的問題是人類操作員不能直接執(zhí)行的。因此，爬壁機器人可以是一個很好的替代方案，可以提高經(jīng)營效率，保護工作者的人身安全，并且在從以下危險任務(wù)中可以保障工作者的安全 ：高層建筑的清洗和檢查工作， 核電廠儲罐及 石化設(shè)備的診斷工作，船體的焊接和維修工作，等等。 相比其他的移動機器人，通過 輪子或者腿在地面上移動，爬壁機器人具有通過 維持身體從而抵抗重力而在 3D 環(huán)境中移動的獨特的特點。由此，在設(shè)計爬壁機械人的過程中以下幾個問題需要考慮。 、增加的自主性和有效載荷輔助設(shè)備的基礎(chǔ)上保證在重量輕，其次是低能量 消費的要求。 、可以使得爬壁機器人在 各種不同的幾何形狀和材料的環(huán)境中移動的高流動性，如磚，玻璃，水泥，鋼，等等。 、一個能適用于各種環(huán)境條件的爬行機構(gòu)。 如此看來，機器人設(shè)計師不僅要考慮類似所有的移動機器人系統(tǒng)的動力機構(gòu)，同時還要考慮附著力方面的問題，這是 在爬壁機器人設(shè)計過程中的的兩個主要問題。在過去的 幾十年來，大量的研究一直致力于攀登 機器人，并且各種類型的實驗原型和產(chǎn)品 已經(jīng)提出了。根據(jù)行走機構(gòu)， 爬壁機器人可以分為六類：腿型，輪驅(qū)動式，履帶式，轉(zhuǎn)換類型，可運動類型，組合類型。另一方面，從 粘合 點來看，爬壁機器人可以分為 五類：吸入式，磁式，夾式， 導(dǎo)軌 式，和仿生型。此外，不同的粘附機構(gòu)和行走機構(gòu)可以組合成不同類型的爬壁機器人。 本文的結(jié)構(gòu)組織如下：第 2節(jié)主要論述了 各種各樣的爬壁機器人移動機構(gòu)。第 3節(jié) 將爬壁機器人以粘附機制進行重新分類 機制。第 4節(jié)給出了一個完整的針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的爬壁機器人列表，應(yīng)用范圍從工業(yè)建設(shè)清潔任務(wù)到生物醫(yī)學(xué)服務(wù)行業(yè)。最后，在第 5節(jié)結(jié)束概括論述。 2、 爬壁機器人的移動機構(gòu) 足式移動機構(gòu) 在二維或三維表面運動的許多不同種類的機械結(jié)構(gòu)已經(jīng)過去了 幾十年。 采用腿足式的移動機構(gòu)是一種實現(xiàn)運動具有代表性的方法。爬壁機器人使用的腿采用 從兩個到八條腿都配備有運動 真空吸盤、抓爪、或磁性器件 在腿的底端。這些用于連接的設(shè)備保證了和表面穩(wěn)定強力的粘附。由于他們通常有很多度的自由，所以他們可以在粗糙的表面和裂紋出運行，并具有良好的避障功能。然而，由于諧波步態(tài)的使用控制，他們需要復(fù)雜控制系統(tǒng)，并且由于不連續(xù)運動，因而有運動速度低的缺點 。 圖 爬壁機器人的腿數(shù)量的增多，導(dǎo)致的 支撐 環(huán)境中的力更大，從而有效載荷得到增加并且安全性也得到提高。然而，在增加 腿的數(shù)目的同時也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和機器人的重量和外形的大小。因此，爬壁機器人系統(tǒng)需要一個緊湊的尺寸和高能量的效率，因而 采用雙足結(jié)構(gòu)。 點、五鏈接、并在腿的兩端有吸附機構(gòu)（圖 1）。它采用欠驅(qū)動結(jié)構(gòu) 有助于減輕重量和節(jié)省空間的耦合， 在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)允許三個電機的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動四個關(guān)節(jié)。因此，原型大小約 45 335g。 當(dāng)需要增加安全性或更大的有效載荷能力時，將 采用四足爬壁機器人。圖 2顯示了四足爬壁機器人 是東京技術(shù)開發(fā)研究所為了外觀檢查的目的和高層建筑和橋梁維修的意義所開發(fā)的 。他們是由以下幾個部分組成： 1）能夠在表面上產(chǎn)生移動的驅(qū)動力的三維并聯(lián)機構(gòu)； 2）驅(qū)動 平行四邊形機構(gòu)調(diào)整關(guān)節(jié)的姿勢的管道線； 3）在吸吮力不平坦的表面時可以調(diào)節(jié)多個吸盤的 閥。然 而，當(dāng)軸沿垂直方向的推力為 1400N 時候，它有一個大小 500量 45 最大速度。 (a) (b) 有更大的尺寸和重量時，六或八條腿的攀登機器人已經(jīng)發(fā)展到可以增加的其穩(wěn)定性和有效載荷。 爬壁機器人，它有六個爬行動物類型的腿，每個腿有 3自由度，最初提出用于執(zhí)行 檢查、清潔、和船舶焊接任務(wù)。腿運動學(xué)是 。在腿的底端配有電磁抓取器用于固定 機器人在墻上的鐵磁材料（圖 3）。因此，重量也將 增加至 250公斤并且將為機器人帶來高復(fù)雜度用于控制管理從處理器的主 在實際中實現(xiàn) 8自由度的控制。對于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和 有效載荷的增加以及增加系統(tǒng)的尺寸，復(fù)雜性，和重量之間要進行 取舍。 （ a） (b)電磁夾具 圖 爬壁機器人焊接船體 式移動機構(gòu) 輪驅(qū)動的爬壁機器人通過結(jié)合輪的平移、旋轉(zhuǎn)和真空 表面附著的泵或磁鐵從而爬上垂直的平面和天花板。因此，他們可以不斷移動，隨后，他們的速度可以提高的 相當(dāng)大。通過用吸附力附著到表面上， 一些車輪驅(qū)動爬壁機器在基面和要行駛的表面之間存在著空氣間隙。雖然這樣的系統(tǒng)需要 在通常是一個粗糙的 金屬表面或混凝土墻等的目標表面上移動，該吸附裝置不能 完全堅持以高度的摩擦；因此，一種特別的在墻和機器人之間的密封是必不可少的。密封必須保證負的內(nèi)部壓力，并且應(yīng)該保證 讓機器人通過小的障礙。這樣的機器人不能 處理大的障礙，其有效載荷能力小。 (a) (b) 圖 和 的原型 和 2的目標是檢查無孔的垂直墻壁， 如在地面以上的石油化工儲罐。為了保證表面材料的獨立系統(tǒng)的工作， 他們 使用的是兩個驅(qū)動輪、吸盤、和真空發(fā)生器（圖 4）。他們被設(shè)計可以完成在正常速度時可以通過小的障礙（約 1在一個較低的速度時可以通過更大的障礙。由于這樣的 吸盤有不可避免的真空泄漏，將使用有非常高的空氣流量和用大直徑密封的 器的空氣吸出器 。 的 直徑為 30載 10重量 4 （ a）在垂直表面的機械人 （ b） 型 圖 同時，一個多功能的輕量級機器人已經(jīng)被 設(shè)計為一三輪同步驅(qū)動車（圖 5）。它可以完成在船舶的船體中的移動從而完成如檢查焊縫的任務(wù)。同步傳動機構(gòu)允許在沒有任何轉(zhuǎn)向變化的情況下而完成在任何方向上的運動。 和 2通過用吸附力粘附在表面上，用于 該機器人保持吸附在船體上的吸附力是十分必要的，該吸附力是由 三永久磁鐵放置在其機器人的底部產(chǎn)生的 。利用多光束和一個具有適當(dāng)?shù)倪^濾器的相機的視覺系統(tǒng)用來檢測槽是由 焊接而成的 。 圖 窗戶上的工作 69 對于一個使用兩個獨立驅(qū)動車輪和一個吸盤的爬壁機器人 用了基于真空的濕附著力系統(tǒng)（圖 6）。由于具有連續(xù)改變其行駛速度的能力，該機器人可以用安裝在它身體內(nèi)部的清潔設(shè)備清除玻璃窗上所有的污垢。特別是它采用的密封和潤滑類似于 液體表面上的粘附和滑動。 帶式移動機構(gòu) 履帶式爬壁機器人與輪驅(qū)動 爬壁機器人在通過用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)移動方面具有相似之處。 然而，使用鏈傳動機械結(jié)構(gòu)的爬壁機械人能夠更好地避開障礙物和附著在行駛 表面。 . 圖 7. I 的鏈軌道上安裝有 52個吸杯，幾乎可以實現(xiàn)連續(xù)運動（圖 7）。真空吸盤由電磁閥控制從而可以提供使機器人保持在玻璃 表面的粘合力。機器人可以通過扭曲柔性鏈完成在一個有限的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動并且可以攀爬一個小于 6障礙。最大速度為 10m/量和有效載荷分別為 22公斤和 25公斤。 小型爬壁機器人的尺寸為 96且命名為 用一個三角形形狀的磁性毛毛蟲在（圖 8）。粘合力是由提供 固定在機器人的框架的毛毛蟲磁鐵中的一個組合的小磁鐵。雖然它的兩個三角形的軌道 只有兩自由度運動， 以在任何傾斜的重力的鐵磁表面進行巡航。 （ a） （ b）攀爬過程 圖 地板到天花板的運動 最近，由德國公司 4開發(fā)的一個商業(yè)化的爬壁機器人 利用兩 平面軌道移動機構(gòu)和一系列的用于吸附到玻璃墻上的吸盤結(jié)構(gòu)，如圖 9所示。它可以清潔 玻璃表面和框架，并且保證不留水漬，同時已經(jīng)可以完成 高達 4厘米厚度達二百四平方米 /小時的清洗速率幀 。 （ a） （ b）平面跟蹤 圖 于轉(zhuǎn)化的運動 最簡單的運動的方法是使用一個具有附件裝置機構(gòu)的轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)化爬壁機器人的控制方式與流程操作并不 復(fù)雜，這是因為其簡單的運動盡管是一些保持運動。當(dāng)然這種爬壁機械人也有一些缺點，比如他們的尺寸過大， 在一個狹小的空間中很難進行很好的應(yīng)用。 同時，運動也是不連續(xù)、并且運行的速度低。 天空清潔者 1、 2、和 3是轉(zhuǎn)化攀登機 械人的代表。這些清洗玻璃墻的機器人 是通過氣缸驅(qū)動他們進行轉(zhuǎn)化的；他們通過真空夾持器 玻璃墻上的（圖 10）。 特別是，天空清潔者 3是為上?？茖W(xué) 科技博物館設(shè)計的 用于清潔玻璃表面的一個商業(yè)產(chǎn)品。它通過兩個 交叉連接的 升或降低真空吸 盤并保持體缸 吸附在墻上。遠程操作機器人完成清洗任務(wù)，這樣的系統(tǒng)包括一個駐扎在地面的支持工具 和提供電力，空氣，和清潔的 液體。 （ a）天空清潔者 1 （ b）天空清潔者 2 （ c）天空清潔者 3 （ d）天空清潔者 1、 2和 3的轉(zhuǎn)換機構(gòu) 圖 、 2、 3以及轉(zhuǎn)換機構(gòu) 最近，爬壁機器人已被建議用于執(zhí)行在船廠的 磨粒爆破作業(yè)。機器人采用用永磁體連接的雙 滑動平臺（圖 11）。該系統(tǒng)是基于可相對移動的兩個模塊，并且能在任何的碼頭上移動噴砂的方向。它還可以在進行砂礫的 爆破任務(wù)時旋轉(zhuǎn)以補償船體的曲率并且避開障礙物 。 圖 纜驅(qū)動的運動 移動機構(gòu)的另一個方法是使用 電纜或繩索。配備 在建筑物或其他結(jié)構(gòu)的屋頂?shù)碾娎|系統(tǒng)可以保證在垂直方向和 水平方向上的運動，并且同時還能維持機器人本體的平衡。 纜索支撐攀爬機器人的設(shè)計和 實現(xiàn)是以清洗玻璃幕墻為目的。這種 機器人沒有自己的驅(qū)動機制，但可以依靠在屋頂上的小車起重機 繼續(xù)保持在 光滑的玻璃表面重力和升力，在吸附的表面采用的是 雙真空吸盤（圖 12）。例如像水平的障礙 窗框可以由四組可以交叉的光電檢測 傳感器完成清洗的。 圖 事實上，在日本已經(jīng)有很多商業(yè)爬壁機器人采用電纜驅(qū)動移動機構(gòu)。圖 13已經(jīng) 顯示了爬壁機器人用于 檢