摘要
在现代社会中，人们总要遇到各种各样的管道设施，而许多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这样一来，通过人力对管道的内部进行检测就很不方便。本文研制的移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，可以对一定口径的管道内壁进行检测，具有较高的实用价值。
本文首先对国内外管道机器人技术的发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，详细介绍了机器人的驱动机构、云台系统等环节的结构。
所讨论的机器人采用上下位机的控制模式，使用了目前在国内较为先进的光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机的图像信号。下位机以LPC2114为核心处理器，进行了移动式管道机器人行走电机的驱动控制设计、云台电机的驱动控制设计、RS232串口通信电路以及控制系统外围电路的讨论。
关键词：本体结构，控制系统，管道机器人。
Abstract
In modern society, people always encounter a variety of pipeline facilities, and many are not set up in the air piping system is buried underground, so that, through human testing within the pipeline is very inconvenient. This pipe mobile robot developed to carry CCD camera itself, you can certainly detect pipe wall diameter, has a high practical value. Firstly, the domestic and international pipeline robot technology summarized in this paper, given the structure of portable pipeline design of the robot body, detailing, the robot drive mechanism, heads and other aspects of the system structure.
Robot discussed by upper and lower computer control mode, using more advanced in the domestic fiber channel to transmit control signals and image signals from the CCD camera. The next crew to LPC2114 core processor for the mobile pipeline robot drive motor for control design, the design head of the motor drive control, RS232 serial communication circuit and control system peripheral circuit discussion.
Key word：Body structure,Control system, In-pipe robot.
目录
一、绪论 (1)
二、管道机器人技术综述 (3)
（一）车轮式管道机器人 (3)
（二）履带式管道机器人 (5)
（三）其他类型的管道机人 (5)
三、移动式管道机器人的本体结构设计 (7)
（一）移动式管道机器人的结构参数和特点 (7)
（二）移动式管道机器人的总体结构组成 (7)
（三）机器人本体结构设计 (8)
1、驱动机构 (8)
2、机器人本体密封及防腐 (9)
（四）机器人云台系统 (9)
四、移动式管道机器人控制系统硬件设计 (11)
（一）管道机器人的常规控制形式 (11)
（二）控制系统硬件总体设计 (12)
（三）电机驱动器设计 (13)
1、LPC2114简介 (13)
2、电机驱动器设计 (13)
3、步进电机驱动器设计 (15)
（四）外围电路设计 (16)
1、电源电路 (16)
2、复位电路 (17)
3、统时钟电路 (17)
4、S232电平转换电路 (17)
（五）供电及通信系统 (18)
五、移动式管道机器人控制系统软件设计 (19)
（一）直流电机控制的软件设计 (19)
1.转速计算及显示 (19)
2.电子换向的软件实现 (21)
（二）四串口通信程序设计 (22)
（三）上位机控制软件设计 (25)
结语 (26)
参考文献 (27)
致谢 (28)
一、绪论
在现代，无论是水力、火力发电站，还是煤气、自来水、工业用水和供热系统等公共设施，以及石油、化工等工业生产系统，都有纵横交错的管道。这些管道系统在输送各种液体和气体物质时，由于受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管道本身可能隐藏的内在缺陷(如裂纹、砂眼、接头处连接不良等)。寿命总是有限的。因此，许多管道系统难免在运行之中突然发生损坏而造成液体、气体物质的泄渗事故，不得不停工停产进行检修。这种事故有时造成的经济损失是巨大的。能不能在事故发生前就检查出潜在的有问题的管道而提前预防，是现代民用及工业企业中迫切需要解决的课题。由于管道系统或者埋在地下，或者架设在高空，或者管道内径很小，用人携带仪器检查十分困难，有时甚至根本无法做到。此外，有些危险和环境条件恶劣的工作场地。由人去检查会对人的健康带来严重损害。因此，有必要开发一种能够深入管道的可移动管道检测仪器代替人去完成上述工作。在这种情况下，管道机器人作为一种先进的管道检测手段纳入了国内外机器入研究开发人员的眼中。
管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测或者维修工作。从上个世纪五十年代起，为了满足管道运输、自动清理以及检测的需要，美、英、法、日等国相继展开了管道机器人的研究。最初的研究成果就是一种无主动力的管内检测设备--PIG，该设备是依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，使之随着管内流体的流动向前运动。随着机械、电子以及自动控制理论的快速发展，管道机器人的研究也在不断进步，人们从管道机器人的驱动结构、工作方式、控制系统等方面入手研究出许多样式的机器入。总的说来国外
我国对管道机器人的研究开始于上个世纪八十年代未期，哈尔滨工业大学、上海交通大学、广州工业大学以及上海大学等高校和科研院所都做了这方面的工作，在理论上和实用上取得了很大进步。虽然如此，我们的管道机器人技术还远远地落后于发达国家，存在机器人负载能力差，工作时间短，检测精度不够高，检测距离短，不利于商品化等缺陷。就排水管道而言，目前国内还没有比较先进的检测方式，大多数采用开挖的方法进行检测。
在管道机器人的发展过程中，控制系统的设计是一个十分重要的问题。传统控制策略应用于机器人的运动控制是最普遍的，如PID控制。只要被控对象的数学模型是比较精确的、变化不大的、近似于线性的，传统的PID控制可以满足这种情况下管道内作业机器人的控制要求。目前，在计算机技术的发展和实际应用需求的激励下，各种新型的、先进的、智能的控制策略也应运而生，并迅速在实际系统中得到应用、改进和发展，如自适应控制、鲁棒控制、预测控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制等。在这些控制策略中，有的已经在机器人控制领域得到了实际应用，而有的仍处于不断丰富的研究过程中。
针对于我国管道机器人的研究状况和背景，在查阅了大量国内外文献的基础上，结合大庆市科技局的一个科技攻关项目，本文提出了一个合理的移动式管道机器人的实现方案，在机器人的本体机构、检测方式、通信和控制系统等方面都采用了当前国内先进的技术。主要讨论了对移动式管道机器人控制系统的设计和研究，从软硬件角度介绍了移动式管道机器人的设计过程，完成了系统硬件的设计和调试，软件的编制和调试。在机器人的研制过程中采用了改进的积分分离PID控制策略，通过样机的试验结果表明设计的合理性和有效性。同时，对自适应模糊控制方法进行了研究，设计了无刷直流电机的自适应模糊控制器，通过仿真结果验证算法的可行性。移动式管道机器入作为一种新型的管道检测设备，正在被越来越多的人关注和研究，
它的应用前景将十分广阔。
二、管道机器人技术综述
机器人技术属于自动化领域高科技范畴之一，研制机器人的主要目的之一就是要
代替人在危险的或者人无法到达的环境下作业。现代机器人技术起源于遥控主从型机械手，它是在第二次世界大战期间为了对付放射性材料而发展起来的，为此，四十年代后期美国橡树岭和阿尔贡国家实验室开始研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料。上个世纪五十年代，随着电子计算机的迅速发展，使得机器人的发展步伐加快，这也使人们研究能自主、重复操作的更加复杂的机器人系统成为可能。随后，美国的Unimation公司于1962年制造了实用的机器人，并取名为Unimate。紧接着，欧洲的第一台程序控制一号操作工业机器人于1963年由瑞典一家公司推出，这标志着机器人在工业生产中应用的时代已经到来。进入八十年代，现代工业生产技术从大批量生产自动化时代进入多品种自动化时代，于是，工业机器人在这个时代中起着越来越重要的作用。在上述非结构环境中作业的机器人统称为特种机器人。现代传统的机器人及特种机器人属于两个不同的应用范畴，由于在上述环境中作业的特种机器入的研究开发的必要性显得越来越重要，许多国家把特种机器人的研究列入国家和各国的合作计划，并给予强有力的经济和技术支持，因此特种机器人的研究和开发具有重要的战略意义。
现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋在地下或海底，输送距离近千里，它们的泄漏会造成严重的环境污染甚至于引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们无法直接介入，因此，质量检测、故障诊断的课题十分迫切地摆在我们面前。管道检测技术始于上个世纪50年代[1]，由于当时天然气等大口径管道的发展激励人们去研究一种管内检测设备，这就是我们通常历说的一种无动力的管内清理检测设备--PiG[2]，该设备简单、实用，在一定程度上解决了天然气管道的检测问题。到了70年代末，随着检测技术的发展，PIG技术已经成熟。现在英、日、美、德、法等国大公司的PIG 产品已经实用化、商品化。PIG的特点是实用性好、行走距离远，可达300公里左右，
而且不拖线作业，但是PIG类检测设备无自动行走能力，移动速度及检测区均不易控制，严格说来它不能算做是机器人。
管道机器人的迅速发展时期还是始于上个世纪80年代，它属于特种机器人的研究范畴[3-5]，能够在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测和维修工作，检测作业项目包括防腐状况、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等；维修项目包括清扫、补口、焊接等。实践已经证明随着管道机器人技术的发展，其应用将会越来越广泛。目前日本、美国、英国、德国、法国等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作[6-8]，尤其是日本，在管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。
（一）车轮式管道机器人
由于轮式行走具有结构简单、行走连续平稳、速度快、可靠性高、行走效率高等优点，在实际生产中应用比较广泛。轮式移动机器人的驱动轮要靠车体自重、弹簧力，液压或气动力，磁性力压紧在管道内壁上以支撑机器人本体并产生一定的正压力，这样移动机器人就具备了行走的基本条件，我们将使机器人行走轮压紧在管壁上的力叫做封闭力，驱动其中一个或几个轮子转动，由驱动轮及管壁之间的附着力产生机器人向前行走的驱动力，以实现机器入的移动，这是轮式管内移动机器入行走的基本原理。轮式机器人的行走方式有两种，如果驱动轮轴线不及管道轴线垂直，驱动轮实际上沿着管道中某一螺旋线行走，机器人一边向前移动，一边绕管道轴线转动，螺旋运动沿轴线上的速度分量即是机器人本体的移动速度，这就是轮式螺旋运动式管内移动式机器人的行走过程。其特点是用降低速度来提高驱动力。除此以外，轮式管道机器人还可以开发出在弯道内行走的功能。就管内行走机构而言，我
们希望牵引力大、定心性好，行走速度快、可靠性高，还希望它具有弯管通过功能，轮式管内移动机器人大部分应用于大口径管道，这是因为：一方面，大口径管道通常是输送水、天然气、煤气或柔性物质的主干线，它们的破坏会给国民经济造成巨大的损失，而且这些管道成本高，铺设困难，所以，应尽量维护好它们；另一方面，从管道机器人研制的角度考虑，大口径管道管内移动空间大，管道轴心线的曲率半径大，有更大的空间来布置驱动装置和作业装置，从而机器人自身的几何尺寸可以相对放宽，机器人的设计及制造都比较容易。这种机器人能在直管或者大曲率半径的管道内行走，以满足管道实际工程中的需要。现仅举几个例子进行说明。
如图2．1所示为日本东京理科大学福田敏男等研制的可以通过90度弯管的管内移动机器人的样机，机人由可相对回转的头部和本体组成，当机器人沿直管行走时，本体上的电机MI通过减速装置将动力传给本体上的驱动轮，当机器人沿弯管行走时，电机M2驱动头部做姿态调整，并驱动头部履带引导机器人通过弯管。该机器人可作管内裂纹探测，其具体技术指标为：
适应管径：m 50mm；
行走速度：O～0．48m／mira
转弯性能：可通过90度直弯管；
机器入重量：2409；
机器人长度：76mm。
该机器人成功地通过了“L”型弯
图2-1 通过90度弯管的管内移动机器人
如图2．2所示大阪燃气株式会社研制的内置磁铁轮式煤气管道机器人[2]。该机器人可沿直管和弯管行走，采用光缆通讯，但由于携带的蓄电池电能的限制，还不能实现较远的行走，其具体技术指标为：
适应管径：135～660ram：
行走速度：5m/min。
图2-2 轮式煤气管道机器人
从以上例子可以看出，人们在研制多种形式的轮式管内移动机器人方面作出了很大努力，并取得了一定的成绩。但仍存在不少的缺点，如管内行程不够大，力的提高受封闭力的限制，研究还有待近一半的完善和成熟，研制可适用于小管径、大管径和不同管径的深行程管内移动机器人有着广阔的发展前景[9.10]
（二）履带式管道机器人
车轮式机器人的封闭力，即整压力一摩擦力～驱动力之间的矛盾使其越障性能在一定程度上受到了影响，而且在管壁摩擦力小时会使其驱动力降低，因此，为了提高机器人的牵引力，提高其在管内的越障能力，为了实现在油污、泥泞等恶劣条件下的管道内移动，国外学者又在行走方式上研制了履带式管道机器人。
日本日挥公司1986年研制的履带式管道机器人，该机器人的驱动机构由两条夹角
可以随管径变化的履带构成，用于水平管道内行走，其具体技术指标为：适应管径：400～600mm：
行走速度：5m／min；
转弯性能：可通过900水平圆弯管。
履带式管道机器人附着性能好，在管内存在油污、泥泞以及一定的障碍物的情况下，也能较为良好地行走，但是这种移动形式的机器人结构上要比车轮式机器人复杂，不易于控制和实现智能化。
（三）其他类型的管道机器人
有了车轮式和履带式管道机器人之后，人们在管内行走方式上继续探索新颖的机构形式，通过对蚯蚓、毛虫等穴居动物的观察，发现它们是靠身体的伸缩运动的，首先是用尾部支撑地面，身体伸长带动头部向前运动；然后再由头部支撑地面，身体收缩，带动尾部向前运动，如此循环下去，实现了在洞穴内行走。专家们利用及之相似的原理制造出了蠕动式管道机器人。
蠕动式管道机器人的蠕动需要支撑、缩回，这些运动都是直线的，不如转动容易实现，而且运动是间歇的，受驱动部件起伏频率的限制，蠕动式管道机器人的移动速度一般比轮式、履带式机器入慢。蠕动式的行走要有前后支撑部分的辅助运动，这些运动对于行走来说都是“无效”的运动，因此蠕动式管道机器人行走效率低，而且更换支撑部位时会产生机身不稳定现象，机器人行走也不连续，因而难以满足工程中“迅速完成作业”的需要。因此，实际中应用较少。但弹性毛蠕动式管道机器人有两个优点：(1)密封性好；(2)机器人的横截面积小。这两个优点有利于管道机器人的在线检测作业。
还有一种步行式管道机器人，它通过左右两侧脚锁死和前后腿的机构变化实现机
器人在管道内壁的行进。该种管道机器人机构较复杂，而且控制起来非常繁琐，目前实用性不强。
在综合分析了各种类型的管道机器人技术之后，我们可以看到：一方面，随着核工业、化工工业的发展．迫使人们研究管道机器人来对这些恶劣环境下的管道、罐状容器进行检测维修，在一定程度上刺激了管道机器人的发展；另一方面，计算机、传感技术、检测技术、现代控制理论技术的发展，为管道机器人的研究应用提供了技术保证，使应用管道机器人进行检测、维修的手段成为现实，因此对管道机器人的研究和研制是必要和可行的。
三、移动式管道机器人的本体结构设计
管道机器人要在管道这样的极限环境内完成检测、维修等作业任务，其移动载体的性能是关键。为满足对管道的检测、维修等作业任务的要求，所研究的移动式管道机器人要具有良好的自定心性、较高的越障能力、良好的通过性、大的驱动力输出特性和较高的驱动效率等特性，这样才能保证移动式管道机器人在管道这样的极限环境下圆满的完成预期的作业任务。本章讨论的轮式全时驱动拖缆机器人的总体结构及系统组成。
（一）移动式管道机器人的结构参数和特点
外形尺寸：220（宽）mm x 190(高)mm x 700(长)mm(不含云台)
行走速度：O～12 m／min无级可调
适应管道：250～500mm
行走距离：≥200m
（二）移动式管道机器人的总体结构组成
移动式管道机器人的总体结构主要由机器人移动本体、自由度云台及云台起升架等组成。机器人移动本体用来实现机器人在管道内部稳定行走，将检测装置送入待检测的管道内部。要求管道机器人有较强的越障能力，能在泥泞、杂物堆积、一定曲率及坡度的管道内部顺利通过，此外，还要求机器人本体应具有很强的负载、牵引能力，保证机器人在管内行走距离大于200m；二自由度云台主要是为视像检测提供一个平台，云台上可以安装有一台微型摄像机，通过云台的俯仰和摆动扫描，全方位地检查管内情况，实时记录行走路线及其方位，以便为管内故障的准确定位提
供可靠依据。机器人的总体结构如图3.1所示。
图3-1 管道机器人总体结构
（三）机器人本体结构设计
在综合考虑了管道机器人的管内工作环境，紧密结合被检测、维修管道的实际情况下，充分分析和借鉴已有管道机器人以及其它行业特种机器人的成熟技术，决定采用六轮全时驱动(6WD)的机器人本体移动方式，该移动方式具有结构简单、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于控制、容易小型化等诸多优点。并且由于采用了全时驱动技术，任何一个轮子在任意时刻都为驱动轮，避免了从动轮阻力大的缺点[14]，提高了机器人的越障能力，可以将电机的功率最大效率地发挥出来。
1.驱动机构
本文所讨论的移动式管道机器人的驱动机构主要分成两个方面，一是对机器人本体行走的驱动，二是对云台系统的驱动。
对于移动式机器人行走，常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械式驱动四种。这里我们选择使用电动驱动方式，也就是将电机的旋转运动通过机
械结构转化为机器人本体的直线运动。常用的驱动电机主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。考虑到机器人作业环境的特殊性、操作的方便性以及尺寸要求的严格性等方面，机器人的电机驱动系统要具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，同时电机的转矩一转速特性受电源功率的影响，要求驱动具有尽可能宽的高效率区。基于这些原则，我们采用一个大功率无刷直流电机图3-2作为机器人行走电机。
图3-2 驱动系统原理方框图
本文选用了瑞士MAXON公司的无刷直流电机EC40作为机器人的行走电机，并配以GP42的减速器，在电机以佳转速运行时候，可以实现大约10m／min的机器人行进速度，完全满足了我们设计的要求我们选用的MAXON电机的外形尺寸，下面是它的技术参数。
（1）标称功率： 120 W
（2）额定电压：48 V
（3）堵转转矩：726 mNm
（4）空载电流：98 mA
（5）空载转速： 5900 rpm
（6）最大连续电流(5000rpm)．．1．6A
（7）最大连续转矩(5000rpm)．． 108．4 mNm
（8）最大效率：81％
（9）重量：390g
2.机器人本体密封及防腐
从移动式管道机器人的工作环境及工作要求来看，该机器人应满足可以在水下工作的要求，也属于水下机器人的范畴。机器人内部装有大量的电子元件及导线，保持内部电子元件良好的工作环境是机器入正常工作的前提，为此要作好机器入本体的密封工作，以防止外部的水、灰尘等杂质进入到本体内部影响机器人的正常工作。机器人箱体采用的是组合结构，即通过分散加工各箱体盖图，然后通过螺栓紧固连接成为一个整箱体图3.3，各箱盖之间采用连接O形圈进行密封，可以满足密封要求。轴伸出端采用轴用齿形组合密封，对旋转轴的密封效果良好。齿形组合密封是一种组合旋转密封，采用O形圈和聚四氟乙烯环组合，依靠O形圈的弹性变形力，将聚四氟乙烯环压紧在旋转轴的圆周，起到很好的密封作用。同时因为聚四氟乙烯材料本身的自润滑性和耐磨性，减小了接触面的摩擦力，提高了密封件的使用寿命，同时也减小了轴转动的阻力，提高了工作效率。
旋转轴齿形组合密封
图3-3 轴端密封
由于移动式管道机器人所在的管道内的工作环境比较特殊，可能含有水、泥沙、油污以及腐蚀性气体、液体等对机器人有腐蚀破坏性影响的物质存在，因此要求机器人具有耐腐蚀、耐碰撞等特性，除了在形状结构上予以考虑解决以外，还要从本体材料的选择上着手，在综合考虑上述问题的情况下，选择超硬铝合金(7A04)作为本体的材料，它可以满足这种工作要求。
（四）机器人云台系统
本文讨论的移动式管道机器人前端安装了视像检测装置--CCD摄像机，作为机器人的检测工具，当机器人在管道内行走时，利用CCD摄像机观察管道的内壁情况，再通过控制系统把图像信号传回地面。为了详细清晰的反映管内的形貌，发挥出摄像机作检测工具应有的功能，我们设计了一套具有2个自由度的云台系统。该云台系统具有能够适应管道内径大小的CCD摄像机中心位置调整功能，图3.4PWM中断模块具有能够实现CCD视角调整的旋转和摆动功能，云台中心位雹调整系统总体结构。
我们采用了两个步进电机做为云台系统的驱动源，一个电机控制云台的俯仰，另一个电机控制云台的摆动，再配合以CCD摄像机的自动调焦，能够将摄像机所在范围内的管内形貌及时准确的反映出来。
图3-4 PWM中断模块
本章介绍了移动式管道机器人的总体结构和机器人的结构参数，介绍了机器人的驱动行走方式、云台的基本功能、本体的密封以及防腐等功能的实现，给出了所选电机的理论依据和基本参数，并对机器人轴端旋转密封做了详细介绍。
四、移动式管道机器人控制系统硬件设计
由于管道机器人的工作环境具有特殊性，它要在操作人员看不到的管道内行走作
（二）简答题 1.智能机器人的所谓智能的表现形式是什么？ 答:推理判断、记忆 2.机器人分为几类？ 答:首先，机器人按应用分类可分为工业机器人、极限机器人、娱乐机器人。 1)工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检验机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。 2)极限机器人主要是指用在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，包括建筑、农业机器人。 3)娱乐机器人包括弹奏机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等。也有根据环境而改变动作的机器人。 其次，按照控制方式机器人可分为操作机器人、程序机器人、示教机器人、智能机器人和综合机器人。 3. 机器人由哪几部分组成？ 机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交换系统、人机交换系统和控制系统。 4. 什么是自由度？ 答:人们把构建相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度。 5. 机器人技术参数有哪些？各参数的意义是什么？ 答:机器人技术参数有:自由度、精度、工作范围、速度、承载能力 1）自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维空间里描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，也可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。
2）精度：工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度（即重复度）。 3）工作范围：是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。 4）速度；速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。 5)承载能力：是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括机器人末端操作器的质量。 6. 机器人手腕有几种？试述每种手腕结构。 答：机器人的手臂按结构形式分可分为单臂式，双臂式及悬挂式按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的。如手臂的伸缩，升降及横向移动，有回转运动的如手臂的左右回转上下摆动有复合运动如直线运动和回转运动的组合。2直线运动的组合2回转运动的组合。手臂回转运动机构，实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片是回转缸，齿轮转动机构，链轮传动和连杆机构手臂俯仰运动机构，一般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现手臂复合运动机构，多数用于动作程度固定不变的专用机器人。 7. 机器人机座有几种？试述每种机座结构。 答：机器人几座有固定式和行走时2种 1)固定式机器人的级左右直接接地地面基础上，也可以固定在机身上 2)移动式机器人有可分为轮车机器人，有3组轮子组成的轮系四轮机器人三角论系统，全方位移动机器人，2足步行式机器人，履带行走机器人 8. 试述机器人视觉的结构及工作原理 答:机器人视觉由视觉传感器摄像机和光源控制计算器和图像处理机组成原理：由视觉传感器讲景物的光信号转换成电信号经过A/D转换成数字信号传递给图像处理器，同时光源控制器和32 摄像机控制器把把光线，距离颜色光源方向等等参数传递给图像处理器，图像处理器对图像数据做一些简单的处理将数据传递给计算机最后由计算器存储和处理。 9. 工业机器人控制方式有几种？
轮式移动机器人的结构设计 摘要：随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。本课题是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。 本文介绍了已有的机器人移动平台的发展现状和趋势，分析操作手臂常用 的结构和工作原理，根据选定的方案对带有机械臂的全方位移动机器人进行本 体设计，包括全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计和机器人操作 臂的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，可以快速、有效的到达指定 地点；机械臂操作范围广、运动灵活、结构简单紧凑且尺寸小，可以快速、准 确的完成指定工作。设计完成后要分析全方位移动机构的性能，为后续的研究 提供可靠的参考和依据。 关键字：机器人移动平台操作臂简单快速准确
Structure design of wheeled mobile robots Abstract:with the robot technology in an alien exploration, field survey, military and security new areas to be increasingly widely adopted, robot technology by indoor, outdoor by fixed, to move towards artificial environment, the artificial environment. This topic is the basic link, robot design for the follow-up about robots can provide valuable reference and useful ideas platform. This article summarizes the existing robot mobile platform development status and trends of operating the arm structure and principle of common, According to the selected scheme of mechanical arm with ontology omni-directional mobile robots designed, including the design of all-round wheel rotating mechanism, wheel steering mechanism of design and the design of robot manipulator. Request to change direction, move the omni-directional mobile institution, can quickly and effectively flexible the reaches the specified location; Mechanical arm operation scope, sports flexible, simple and compact structure and size is small, can quickly and accurately completed tasks. The design is completed to analyze the performance of the omni-directional mobile institutions for subsequent research, provide reliable reference and basis. Keywords: Robot mobile platform manipulator simple accurate and quick
一、地下管道检测机器人发展现状 按照行走机构的类型，可将管内作业机器人行走机构分为轮式、履带式、蠕动式等几类。 轮式行走机构 图1（a）轮式行走机构 轮式机构管内作业机器人的基本形式如图1（a）所示。对此类机器人的研究相对较多。机器人在管内的运动，有直进式的（即机器人在管内平动），也有螺旋运动式的（即机器人在管内一边向前运动，一边绕管道轴线转动）；轮的布置有平面的，也有空间的。一般认为，平面结构的机器人结构简单，动图1（b）自来水管道检测轮式机器人 作灵活，但刚性、稳定性较差，而空间多轮支撑结构的机器人稳定性、刚性较好, 但对弯管和支岔管的通过性不佳。图1（b）为英国的PEARPOINT有限公司开发的自来水管道检测轮式机器人，可在以φ135～375mm的管径内直线行走，行走速度为0～12m/min。 履带式行走机构 图2（a）履带式行走机构图2（b）海水管道检测履带式机器 人 图2（a）是履带式行走机构的基本形式。这种类型的管内机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条件下达能到良好的行走状态，但由于结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体等原因，此类机器人应用较少。图2（b）是日本关西电力株式会社开发的适用于管径Φ288~388mm、管长100m的海水管道检查履带式机器人，该机器人通过沿径向分布的履带在水平管和垂直管内自主行走，移动速度为5m/min。整个地下输气管道检测维修用移动机器人系统由三大部分组成： (1)履带式移动机器人。机器人小车上装有CCD摄像机，并可根据需要加挂其它检测单元。 (2)圆盘式收放线装置。移动机器人通过电缆进行控制，视觉等信号也通过该线缆传输到控制计算机。 (3)控制单元。其主体为一台工业控制计算机，负责整个机器人系统的控制、显示及信息存储等工作。操作人员通过界面完成所有操作。控制单元与收放线装置安装在一个专门设计的手推车体上，便于移动。
机器人上用的传感器的介绍 作者：Ricky 文章来源：https://www.doczj.com/doc/089204039.html,更新时间：2006年05月20日打印此文浏览数：18549 感知系统是机器人能够实现自主化的必须部分。这一章，将介绍一下移动机器人中所采用的传感器以及如何从传感器系统中采集所需要的信号。 根据传感器的作用分，一般传感器分为： 内部传感器（体内传感器）：主要测量机器人内部系统，比如温度，电机速度，电机载荷，电池电压等。 外部传感器（外界传感器）：主要测量外界环境，比如距离测量，声音，光线。 根据传感器的运行方式，可以分为： 被动式传感器：传感器本身不发出能量，比如CCD，CMOS摄像头传感器，靠捕获外界光线来获得信息。 主动式传感器：传感器会发出探测信号。比如超声波，红外，激光。但是此类传感器的反射信号会受到很多物质的影响，从而影响准确的信号获得。同时，信号还狠容易受到干扰，比如相邻两个机器人都发出超声波，这些信号就会产生干扰。 传感器一般有以下几个指标： 动态范围：是指传感器能检测的范围。比如电流传感器能够测量1mA－20A的电流，那么这个传感器的测量范围就是10log（20/0.001)=43dB. 如果传感器的输入超出了传感器的测量范围，那么传感器就不会显示正确的测量值了。比如超声波传感器对近距离的物体无法测量。 分辨率：分辨率是指传感器能测量的最小差异。比如电流传感器，它的分辨率可能是5mA，也就是说小于5mA的电流差异，它没法检测出。当然越高分辨率的传感器价格就越贵。 线性度：这是一个非常重要的指标来衡量传感器输入和输出的关系。 频率：是指传感器的采样速度。比如一个超声波传感器的采样速度为20HZ，也就是说每秒钟能扫描20次。 下面介绍一下常用的传感器： 编码器：主要用于测量电机的旋转角度和速度。任何用电机的地方，都可以用编码器来作为传感器来获得电机的输出。
天津大学 毕业设计 中文题目：物料搬运机器人手部系统的设计 英文题目：Material handling system design robot Hand department 学生姓名 系别机电 专业班级 2 指导教 成绩评定 2010年6月
目录 1 引言 (1) 1.1 机器人概述 (1) 1.2 机器人的研究历史及现状 (1) 1.3 机器人的发展趋势 (2) 2 手部的设计与计算 (3) 2.1 手部的设计 (3) 2.2 驱动方式 (3) 2.3 手部夹紧力的计算 (5) 2.4 弹簧的计算[6] (5) 2.5 手部电机选择原则【7】........................... 错误！未定义书签。 2.5.1 一般执行电机的选择原则...................... 错误！未定义书签。 2.5.2 电机的选用.................................. 错误！未定义书签。 2.6 手部电机参数计算.............................. 错误！未定义书签。 2.7 电机转速与夹紧力速度几何关系的确定............ 错误！未定义书签。 3 手臂的设计与计算............................... 错误！未定义书签。 3.1 手臂结构设计.................................. 错误！未定义书签。 3.2 手部质量计算.................................. 错误！未定义书签。 3.2.1 爪子的质量计算.............................. 错误！未定义书签。 3.2.2 手部外壳质量计算............................ 错误！未定义书签。 3.2.3 手部主轴的质量计算.......................... 错误！未定义书签。 3.2.4 其它部件的质量估算.......................... 错误！未定义书签。 3.3 手臂计算及电机选择............................ 错误！未定义书签。 4 结论.......................................... 错误！未定义书签。【参考文献】................................... 错误！未定义书签。致谢............................................ 错误！未定义书签。附录1：英文文献 .................................. 错误！未定义书签。附录2：英文文献翻译 .............................. 错误！未定义书签。
毕业设计（论文）开题报告 题目轮式移动机器人的结构设计 专业名称机械设计制造及其自动化 班级学号 学生姓名 指导教师 填表日期2011 年 3 月 1 日
一、毕业设计（论文）依据及研究意义： 随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。在军事、危险操作和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动。其中轮式机器人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。而轮式移动机构的类型也很多，对于一般的轮式移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整。由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器人移动机构的发展趋势。基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。 二、国内外研究概况及发展趋势 2.1 国外全方位移动机器人的研究现状 国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。这方面日本、美国和德国处于领先地位。八十年代初期，美国在DARPA的支持下，卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA下属的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也开展了这方面的研究。CMU机器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。德国联邦国防大学和奔驰公司于二十世纪九十年代研制成VaMoRs-P移动机器人。其车体采用奔驰500轿车。传感器系统包括：4个小型彩色CCD摄像机，构成两 组主动式双目视觉系统；3个惯性线性加速度计和角度变化传感器。SONY公司1999年推
1 引言 管道运输是当今五大运输方式之一，已成为油气能源运输工具。目前，世界上石油天然气管道总长约200万km，我国长距离输送管道总长度约2万km。国家重点工程“西气东输”工程，主干线管道(管径1118mm)全长4167km，其主管道投资384亿元，主管线和城市管网投资将突破1000亿元。 世界上约有50%的长距离运输管道要使用几十年、甚至上百年时间，这些管道大都埋在地下、海底。由于内外介质的腐蚀、重压、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地会出现损伤。在世界管道运输史上，由于管道泄漏而发生的恶性事故触目惊心。据不完全统计，截至1990年，国内输油管道共发生大小事故628次。1986到2b00年期间美国天然气管道发生事故1184起，造成55人死亡、210人受伤，损失约2. 5亿美元。因此，研究管道无损检测自动化技术，提高检测的可靠性和自动化程度，加强在建和在役运输管道的检测和监测，对提高管线运输的安全性具有重要意义。 1.1管道涂层检测装置的发展、现状和前景 1.1.1管道涂层检测装置的发展 管内作业机器人是一种可沿管道自动行走,携有一种或多种传感器件和作业机构,在遥控操纵或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电仪一体化系统.对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于本世纪50年代美、英、法、德、日等国,受当时的技术水平的限制,主要成果是无动力的管内检测清理设备——PIG,此类设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力,随着管内流体的流动向前移动,并可携带多种传感器.由于PIG本身没有行走能力,其移动速度、检测区域均不易控制,所以不能算作管内机器人.图1所示为一种典型的管内检测PIG[5]. 这种PIG的两端各安装一个聚氨脂密封碗,后部密封碗内侧环向排列的伞状探头与管壁相接触,测量半径方面的变形,并与行走距离仪的旋转联动,以便使装在PIG内部的记录仪记录数据.它具有沿管线全程测量内径,识别弯头部位,测量凹陷等变形部位及管圆度的功能,并可以把测量结果和检测位置一起记录下来. 70年代以来,石油、化工、天然气及核工业的发展为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景,而机器人学、计算机、传感器等理论和技术的发展,也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证.日、美、英、法、德等国在此方面做了大量研究工作,其中日本从事管道机器人研究的人员最多,成果
关节型搬运机器人设计 摘要 随着现代工业机器人技术的发展，工业机器人的使用迅速增长。本文通过对国内外工业机器人的分析，并结合搬运所需要的条件，设计出了工厂自动化生产和生产线使用的搬运机器人。 本文着重对搬运机器人的总体设计方案、机构及控制系统从理论上进行了详细的分析和设计。在搬运机器人总体设计中，采用了应用最为广泛的平面关节型；在机构设计中，主要设计了搬运机器人末端执行器、手腕、手臂和腰的机械结构；在末端执行器设计上采用了一种具有接近觉、接触觉及滑动觉的初级智能机械手；在控制系统的设计中，采用可编程控制器（PLC）进行控制，并对控制系统的硬件原理做了分析，对PLC 的程序也进行了编译；在驱动系统设计中，采用了气动和电机两种驱动方式，主要动作采用电机驱动。 关键词：搬运机器人，三感觉机械手，可编程序控制器 Design of the joint transporting robot Abstract Under the development of the modern industrial robot’s technology , the use of industrial robot increases rapidly. Through analyzing the domestic and foreign industrial robots, combing the conditions of the transportation, the transporting robot for the factory automation produce and the production line is designed in this article. The emphasis on this article is to analyze and design the transporting robot in theory. The analytical objects include the total scheme, the mechanism design, and the control system design. In the total scheme design, the most wildly applied plane joint type is chosen. In the mechanism, the transporting robot’s end-effector, the wrist, the arm and the waist are mainly designed. A kind of the approaching sense, the contact sense and the skidding sense primary intelligence manipulator is adopted in the end-effector; In the control system, the programmable controller (PLC) is used, the principle of hardware is analyzed and the programs in PLC are compiled. In the actuating system, two driving types are used which include the pneumatic operation and the motor. The main movement is driven by the motor. Key words: Transporting robot, three feelings manipulators, programmable controller （PLC）
河工大 毕业设计说明书 作者：学号： 系：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 题目：四足仿生移动机器人结构设计 指导者：张副教授 评阅者： 2013年 5月 29日
目次 1 概述 ................................................ 错误！未定义书签。 1.1 绪论........................................... 错误！未定义书签。 1.2 国内外研究现状及关键技术....................... 错误！未定义书签。 1.3 本课题主要研究内容............................. 错误！未定义书签。 2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求 ............... 错误！未定义书签。 2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定............... 错误！未定义书签。 2.2 机器人机械结构及传动设计....................... 错误！未定义书签。 3 电机的确定 .......................................... 错误！未定义书签。 3.1 各关节最大负载转矩计算......................... 错误！未定义书签。 3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择................. 错误！未定义书签。 3.3 驱动电机的选择................................. 错误！未定义书签。 4. 带传动设计 .......................................... 错误！未定义书签。 4.1 各参数设计及计算............................... 错误！未定义书签。 4.2 带型选择及带轮设计............................. 错误！未定义书签。5工作装置的强度校核.................................... 错误！未定义书签。 5.1 轴的强度校核................................... 错误！未定义书签。 5.2 轴承的选型..................................... 错误！未定义书签。结论 ................................................. 错误！未定义书签。参考文献 ............................................ 错误！未定义书签。致谢 ................................................. 错误！未定义书签。
φ700mm-φ1000mm管道机器人结构设计 在工农业生产及日常生活中，管道作为一种重要的物料运输手段，其应用范围极为广泛。管道在使用过程中，由于各种因素的影响，会产生各种各样的管道堵塞与管道故障和损伤。如果不及时的管道进行检测、维修及清理就可能产生事故，造成不必要的损失。然而，管道所处的环境往往是不易直接达到或不允许人们直接进入的，检测及清洗难度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道机器人来实现管道内的在线检测、维修和清洗。管道机器人在我国处于发展阶段，具有广阔的市场前景。管道机器人相对于人工操作来说，有无可比拟的优势。管道机器人在计算机控制下，可进行采样、检测等动作。而单片机技术的发展，为管道机器人的方便应用提供了一个良好的基础技术。利用单片机，可以实现管道机器人的控制，是管道机器人设计中较好的选择。 通过对国内外管道机器人研究现状分析，总体看来，国内外已经在管内作业机器人领域取得了大量的成果，主要应用在管道检测、维修及空调通风管道的清洗等方面。但对于金属冶炼厂烟气输送管道中烟灰堆积层的清理这种特殊管内作业的自动化装置研究目前少有报道。因此研制适应于金属冶炼厂烟气管道烟灰清理的管道清灰机器人将具有重大的现实意义。 此次设计的管道机器人主要应用在金属冶炼厂、化工企业等烟气输送管道烟灰堆积层的清理，作为载体，通过安装不同的设备可实现排水管道的监测、清理。 编辑：林冰宁波广强机器人科技有限公司管道检测机器人是由控制器、爬行器、高清摄像头、电缆等组成。在作业的时候主要是由控制器控制爬行器搭载检测设备进入管道进行检测。检测过程中，管道机器人可以实时传输管道内部情况视频图片以供专业维修人员分析管道内部故障问题。 使用管道检测机器人的优势： 1.安全性高。使用广强管道机器人进入管道查明管道内部情况或排除管道隐患，如果是人工作业的话，往往存在较大的安全隐患，而且劳动强度高，不利于工人的健康。广强管道机器人智能作业可有效提高作业的安全性能。 2.节省人工。管道检测机器人小巧轻便，一个人即可完成作业，控制器可装载在车上，节省人工，节省空间。 3.提高效率和品质。广强管道机器人智能作业定位准确，可实时显示出日期时间、爬行器倾角（管道坡度）、气压、爬行距离（放线米数）、激光测量结果、方位角度（选配）等信息，并可通过功能键设置这些信息的显示状态；镜头视角时钟显示（管道缺陷方位定位）。 4.防护等级高，摄像头防护等级IP68，可用于5米水深，爬行器防护等级IP68，可用于10米水深，均有气密保护，材质防水防锈防腐蚀，无需担心质量问题，因为广强只做国内 最好的管道机器人。 5.高精度电缆盘，收放线互不影响，可选配长度。
4-DOF搬运机器人的结构设计
摘要：在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。 本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机器人的运动机理。在此基础上，确定了四自由度搬运机器人的基本系统结构，对搬运机器人的结构进行了简单的强度计算，完成了搬运机器人机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）和简单的三维实体造型工作。本设计为四自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向、一个旋转方向和一个气爪运动。机器人的机械结构主要包括由三个电磁阀控制的气缸来实现机器人的上升下降运动及夹紧工件的动作，一个步进电机控制机器人的正反转。 在控制器的作用下，搬运机器人执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作。设计的搬运机器人运用于自动化生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率，本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。 关键词：搬运机器人，强度计算，结构设计 指导老师签名： Structure designing of 4-DOF handling robot Student name: Class: Supervisor:
Abstract：In the modern large-scale manufacturing industry,enterprises to improve productivity, and,guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. This paper studies the current situation of the development of mechanical hand, by studying the working principle of the robot, familiar with handling robot locomotion mechanism .On this basis, identified 4-DOF of handling robot 's basic system architecture , simple strength calculation was made on handling robot structure ,finish handling robot mechanical design ( including transmission part, operative, driving part ) and simple 3D solid modeling work.This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes ，one rotary axis and a pneumatic claw movement.The manipulator mechanical structure includes three solenoid valves controlled by air cylinder to achieve the increased decline in sports and workpiece clamping action,a stepper motor control manipulator positive inversion. Controller only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. Designed of the handling robot used in automatic production line, realizing the automatic production, reduce industrial workers much repetitive work, also can improve labor productivity.This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work. Keywords：Transfer robot, Strength calculation,Structure design Signature of Supervisor:
第7卷第1期 智能计算机与应用V d.7No.l 2017 年 2 月Intelligent Computer and Applications Feb.2〇17 四足爬行机器人控制研究 韩飞，吴宝春，陈益，王志远，李志刚 (大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁大连116600) 摘要：本文介绍一种四足爬行机器人的组成结构及其控制系统的构成。控制系统主要由上位机控制界面和下位机控制单元组 成。上位机通过Java语言编写调试控制界面，与下位机通过串口进行通信，下位机采用STM32作为核心控制器，接收上位机的相 关控制信息，通过控制舵机控制器，实现四足爬行机器人的行走控制。 关键词：四足爬行机器人；STM32;舵机控制器；Java 中图分类号：TP311 文献标志码：A文章编号：2095-2163(2017)01-0117-03 Control research on quadruped robot HAN Fei，WU Baochun，CHEN Yi，WANG Zhiyuan，LI Zhigang (College of Information and Communication Engineering，Dalian Minzu University，Dalian Liaoning 116600, China) Abstract：This paper describes the structure of a quadruped robot and the corresponding control system.The control system is mainly composed of a master computer with control interface and a slave computer.The control interface installed on the master computer is written and debugged in Java language.The communication between master and slave computers uses their series.The slave computer adopts STM32 as the core controller，which receives the control information from the master computer and realizes the walking control of a quadruped robot through controlling the servo controller. Keywords：quadruped robot；STM32; servo controller；Java 0引言 随着现代科技与人工智能的快速发展，人类对机器人的研 究与应用也日趋广泛。近年来，各类新型仿人机器人、仿生机器 人已然陆续研发问世，并逐渐进入诸多领域。与众多款型机器人 相比，四足仿生机器人是具备爬行动物外形、并可发挥强大行动 能力的机器人，采用爬行的方式提供自主行走，通过自身内部协 调处理实现一些简单的动作。与传统机器人相比，四足机器人具 有独特鲜明优势，可通过多足的机械结构交互配合，从而完成以 探索和采集作为主要设定目的的综合任务。因此，研究爬行机器 人的结构组成及其控制方法具有至关重要的课题价值和现实意义。 本文首先系统分析四足爬行机器人结构组成以及设计行 走控制方法，结合Java语言编写上位机调试界面，通过串口 与下位机STM32核心控制器进行通信，核心控制器采用串口 通信方式将运动控制信号实时传递给舵机驱动器控制机器人 舵机状态，从而实现对爬行机器人行走的简单控制。 1四足爬行机器人简介 本文所研究的四足爬行机器人机械结构采用成品套件， 基金项目：大连民族大学大学生创新创业训练计划项目（S201612026055, XA201611276);大连民族大学2016年“太阳鸟”学生科研项目 资助。 作者简介：韩飞（1995-)，男，本科生，主要研究方向：智能移动机 器人控制。 收稿日期：2016-12-13具有12个舵机，每条腿上安装3个舵机，分布在爬行机器人 的各个关节;在安装舵机前首先进行舵机状态复位，舵机复位 后保证舵机左右或前后摆动的幅度均匀，避免舵机在调试过 程一个方向无法摆动或者堵转而烧坏舵机。系统控制器采用 STM32核心板安装在机器人背部，舵机控制器装在机器人身 体下部，电池装在夹缝中。爬行机器人整体结构如图1所示。 图1爬行机器人整体结构图 Fig. 1 Structure of the quadruped robot 2控制系统设计 本文研究的爬行机器人控制系统主要由上位机控制界面 和下位机控制单元组成，上位机控制界面采用Java语言编 写，通过串口与下位机通信。下位机控制单元采用STM32作 为核心控制器，这是由意法半导体公司重点生产的基于超低 功耗的ARMCortex-M3处理器内核，因其一流的外设配备、低 功耗、最大集成度的特点，满足了用户对高性能、低功耗、低成 本和经济实用的要求。在此，则给出控制系统结构框图如图 2所示 。
一、毕业设计（论文）依据及研究意义： 随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。在军事、危险操作和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动。其中轮式机器人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。而轮式移动机构的类型也很多，对于一般的轮式移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整。由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器人移动机构的发展趋势。基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。 二、国内外研究概况及发展趋势 2.1 国外全方位移动机器人的研究现状 国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。这方面日本、美国和德国处于领先地位。八十年代初期，美国在DARPA的支持下，卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA下属的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也开展了这方面的研究。CMU机器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。德国联邦国防大学和奔驰公司于二十世纪九十年代研制成VaMoRs-P移动机器人。其车体采用奔驰500轿车。传感器系统包括：4个小型彩色CCD摄像机，构成两 组主动式双目视觉系统；3个惯性线性加速度计和角度变化传感器。SONY公司1999年推
管道清灰机器人的设计 摘要 本设计内容为管道清灰机器人，主要对管道清灰机器人结构系统的设计，机器人的末端操作器即手指是可替换夹具，操作臂有四个自由度，可实现在工作空间范围内的物体的转移，旋转角可达360度，手爪一次可载荷5kg。 操作臂的动力源为舵机，总共有5个舵机，它们分别控制腰部旋转，大臂、小臂、手腕的摆动，以及手爪张合，本文设计的管道清灰机器人可用于小工作空间内完成对小质量物体的转移工作达到管道清灰的目的，同时也可以做为搬运机器人使用。 关键词：四自由度；操作臂；舵机
In pipe clearing ash robot design ABSTRACT This design content for pipeline cleaning robot, mainly of in pipe clearing ash robot system design, the robot end-effector which fingers are replaceable fixture, manipulator with four degrees of freedom, can be realized in work space objects within the range of shift, rotation angle can reach 360 degrees, the gripper once can load 5kg. The operating arm of the power source for the steering gear, a total of 5 steering gear, which respectively control the rotating arm, waist, arm, wrist swing, and the gripper opening and closing, this design of in pipe clearing ash robot can be used in small working space to complete small mass transfer work to achieve the pipeline cleaning purposes, while at the same time can be used as a carrying robot. Key words: four degrees of freedom; manipulator; servo