工业机器人
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爬行式弧焊机器人
摘要：本文介绍爬行式弧焊机器人结构光三维视觉传感器的传感原理、系统组成和设计依据。用会聚透镜和柱透镜组合产生线长35～40 mm、线宽1 mm 的光纹投向焊缝, 热敏电阻组成桥式自功控温电路,用5 L /s 流量的空气(或氩气) 吹开烟尘、蒸汽和飞溅物等, 微型CCD 摄像机加装窄带滤光片摄像, 经二值化、图像分割和中心取样等图像处理并计算出偏移量送控制系统引导爬行机器人正确施焊。
关键词:弧焊机器人; 爬行机构; 焊缝跟踪; 图像处理
Abstract:M ake use of combinat ion of assemble lens and co lumns lens to produce ligh t veins of 35～40mm length and 1 mm w idth w hich is thrown to weld seam. Therm isto r compo ses of bridge2type electric circuit w h ich conto ls temperature automat ically.The rate of flow ing of 5 L /s blow s fumes, steam and splash th ing etc. M inni CCD is added narrow 2tape filter ligh t p late to take p icture, through image processing such as 2 valuemelt ing, image cut t ing, cent ral samp ling and calculate deviation to send to control system,w h ich guides craw ling robo t to w eld correctly.
Key words:Arcw lding robo t; Craw lmachine; Weld seam tracking; Image processing
1.引言
焊接是一种劳动强度比较大、工作环境比较恶劣的工艺方法。在焊接过程
中伴随着弧光、辐射、高温及大量的飞溅和烟尘出现。在这样的恶劣环境，对工人
的身体健康影响极大。但是随着人类社会不断进步，人们对生活质量和工作环境的要求愈来愈高；同时科学技术和工艺水平的发展，大型重要构件的焊接越来越多，仅仅依靠手工焊接是难于满足焊接质量和焊接效率的要求。用机器人代替人的操作是人类梦寐以求的理想。因此开发具有智能化的机器人以取代人在危险恶劣环境下难以完成的工作，一直是科研工作者致力解决的课题之一。
弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。本公司主要从事弧焊机器人成套装备的生产，根据各类项目的不同需求，自行生产成套装备中的机器人单元产品，也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。在该领域，本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系。
弧焊机器人图1
弧焊机器人是焊接自动化发展的主要方向, 在汽车制造、工程机械等产业已有广
泛的应用。目前应用的大都是示教再现型弧焊机器人, 无法适应焊接过程中焊缝的变形、工件本身及其装备的不一致, 因而限制了其在大型油罐、船舶和压力管道等结构件中的应用。为了对复杂结构产品具有良好的适应性和高质量的焊接加工, 迫切需要提高它的智能水平[ 1 ]。
传感技术是提高弧焊机器人智能水平的关键技术之一。结构光三维视觉传感[ 2 ]以其大量程、大视场和光纹图像信息提取简单等特点, 近年来得到广泛的应用。本文研究了适用于爬行式弧焊机器人的结构光三维视觉传感器。
适合全位置焊接的、能够在直壁、曲面等焊件上行走施焊的爬行式弧焊机器人, 其任务是解决生产实际中包括曲面焊在内的全位置焊接自动化, 完成生产现场竖焊、横焊和曲面焊等焊接[ 3 ]。它的工作环境对视觉传感器而言是非常恶劣的, 强烈的弧光干扰几乎淹没光纹图样, 燃烧的气体、飞溅的铁屑尘埃影响焊缝图像信息的提取, 高温辐射要求对激光器和CCD进行冷却降温, 爬行的运动方式又要求整个传感器的结构紧凑、体积小重量轻。为此, 我们在光源功率、波长选择、光纹生成方法、图像处理技术及CCD 选型和冷却防尘等方面进行了大量的研究。
2.爬行机器人系统构成
爬行式弧焊机器人的系统构成主要由移动机构、图象传感系统、控制电路以及计算机信息处理控制系统组成，如图! 所示。移动机构是机器人的运动动力系统；图象传感系统与计算机信息处理系统组成焊缝识别系统，以识别焊缝；控制电路与计算机控制系统组成焊缝跟踪系统，以实现焊缝跟踪。
2.1移动机器人的结构
全位置爬壁机器人须具备两个基本功能：吸附功能和移动功能。爬壁机器人按照吸附方式可分为空气吸附式和磁吸附式两种；按照移动方式可分为轮式、履带式、步行式三种。表! 和表’分别比较了不同的吸附方式和移动方式的爬壁机器人的性能优缺点。本文所研究的机器人是用来在壁面、球面、管道等曲面上爬行焊接。必须具有较强的壁面适应能力和
承载能力。履带式移动结构由多个链节连成，接触面积大，壁面适应能力强。爬壁焊接机器人的作业表面多为铁磁性材料，选择磁吸附方式可以达到机器人结构紧凑，吸附力大的效果。为了便于机器人在完成作业时能够容易脱离工作表面，采用电磁铁吸附可以达到对磁吸力的控制。在链节上设置内力补偿式可变吸附体，与运动相对独立，使得履带块运动时能自由脱
离壁面，静止时又能够提供足够大的吸附力。因而本文爬壁机器人是采用双履带电磁铁结构，每条履带上均匀分布二十个电磁铁，工作中始终保证有八块磁块与壁面处于良好的吸附状态。该结构具有承载能力大，驱动功耗小，路面适应能力
强的优点，既能安全的吸附于壁面，又能以最小的力矩完成灵活运动，代表了新一代爬壁机器人的发展方向。
2.2 移动机器人的驱动
本机器人系统是采用两轮独立驱动的双履带结构。由于直流电机具有启动力矩大，动态性能好，调速范围宽和控制较为简单等一系列优点，因此在该移动机器人实验装置中，采用了两台直流伺服电机分别作为两履带轮的驱动单元，包括带有减速齿轮的直流电机、伺服放大器以及用作速度反馈的旋转光码盘。它们提供转动时所需要的转速和力矩。通过调节两履带轮的转速来控制车体的运行速度和转动角速度，使机器人能够按照所要求方向和速度移动，完成前进、后退、按曲率半径回转及原地转向等动作，但是仅仅依靠改变两轮的速度是不能让焊炬达到完全跟踪焊缝的要求，因而在移动机器人的本体上附有十字滑块机构。这样通过改变机器人两履带轮速度对焊炬进行粗调，通过十字滑块的移动来达到对焊炬进行微调，从而达到焊炬完全跟踪焊缝目的。
2.3 图像传感系统
履带智能弧焊机器人的图像传感系统主要是用来检测焊炬与焊缝中心位置的偏差，为焊缝跟踪控制系统提供偏差输入信息。研究和发展自动化、智能化焊接过程控制系统是保证焊接质量，提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。为达到机器人自动跟踪焊缝这一目的，首先需要获得焊缝信息，识别焊缝。对于结构化环境下工作的机器人，其工作路径相对固定，可以通过离线编程或示教再现的方式实现路径规划。而爬壁机器人多在非结构化环境中作业，机器人本体在不断运动，同时其作业环境恶劣、作业对象存在很强的不确定性，因此必须实现作业路径自主规划。据统计从获取信息的()*是来自视觉，随着计算机、信号处理等
技术的快速发展使得机器人以人类视觉的方式获取环境信息成为了可能。这应使爬壁机器人能够以视觉信息为基础自主规划作业方案、获取作业过程中所需要的信息。本系统选用了激光传感器，由激光发生器与$$% 摄像机组成，采用结构光作辅助光源的主动式视觉传感器，用一条光束投射到焊缝上&工件表面位置的差异使得光在焊缝上产生形变；用摄像机摄取形变后的结构光，检测其图中光带的形变位置，即可推算出焊缝的形状；在标定摄像机、光源及工件距离后，可求出焊缝的实际三维位置，从而计算出我们控制系统中所需要的偏差量。这个偏差信息经过控制系统运算后，驱动控制电路，使爬行机器人的运动得到校正，从而形成
焊缝偏差跟踪闭环控制。
2.4控制系统
爬行机器人应用于焊接领域，是解决焊接自动化的一项重要课题。在焊接自动化中，需要解决的两个主要问题是焊缝识别和焊缝跟踪的设计。焊缝识别上面已经讨论过，而焊缝跟踪的设计首先需要解决爬行机器人速度闭环控制，然后根据焊缝偏差信息对爬行机器人进行纠偏控制。
2.4.1速度闭环控制
由于焊接环境的复杂性，爬行机器人经常要爬升和下降进行焊接，这就使两个车轮电机的负载发生变化，使爬行机器人不能载着焊枪匀速运动，这必然影响焊接的质量。而且由于焊缝经常会出现是曲线形状，形状各异，焊缝的宽度、深度不同这样就使爬行机器人需要依靠两轮的速度不等来转向拐弯，调整机器人的方位，以便实时跟踪焊缝、进行焊接。所以有必要对爬行机器人进行速度闭环控制，使其速度有可调控制。速度控制电路框图如图2 所示。
2.4.2 焊缝跟踪控制
由于焊接过程是一个高度非线性、多变量作用，同时具有随机不确定性因素的存在，决定了对焊接过程的焊缝跟踪等问题变得非常困难。而且履带式爬行弧焊机器人系统模型是非常复杂，运动比较复杂，既有滑动又有滚动出现；既有双履带轮的运动控制，又有十字滑块
上下左右运动控制，闭环控制中的每个环节都比较复杂。但是若采用经典的()% 控制理论和现代控制理论设计一个控制系统，事先都需要知道被控对象的精确的数学模型，但这对履带式爬行机器人系统来说是比较困难的。所以经典控制理论控制手段几乎无法有效地应用到本系统的控制过程中。而模糊控制技术的产生和发展无疑给解决这一难题提供了新的思路和方法。模糊控制实质上是由计算机去执行操作人员的控制策略，因而可以避免复杂的数学模型。对于非线性、大滞后和带有随机干扰的系统，()% 控制往往会出现失效，然而采用模糊
控制则较易实现。()% 控制超调量大，并带有振荡，相反模糊控制对输入量的突然变化并不敏感，较之()% 控制不仅对被控对象参数适应能力强，而且对模型结
构发生较大改变的情况下，在所有工作点上都能做到较稳定的控制。模糊控制能够获得较好的控制效果。对于履带式智能弧焊机器人系统而言，模糊控制原理可描述为：根据焊枪与焊缝中心偏离的误差及其变化率来判定焊枪相对焊缝目前位置及其将动作的趋势，进而确定焊车两轮的速度变化。因此，把焊枪与焊缝中心偏差和偏差变化率作为模糊控制器的输入，两履带轮的驱动电机的输入电压作为模糊控制器的输出。所以该模糊控制器是两输入双输出系统。其控制框图如图# 所示：
3 结构光三维视觉传感器的组成
3. 1 传感原理
图1 为爬行式弧焊机器人结构光三维视觉传感器的传感原理示意图。激光器经光学系统形成一光片, 与CCD 镜头保持一定角度投向搭接焊件, CCD镜头垂直焊件, 因而像面上将得到反映激光器相对焊件的三维位置信息的折线, CCD 拍摄的光纹图样经计算机处理, 计算出正确位置, 就可以引导与传感器固定在一起的焊枪正确施焊。
图1 传感原理
Fig. 1 Pr inc iple of sensor
3. 2 系统组成
考虑到弧焊过程的环境及机器人的爬行运动方式, 视觉传感器要求整机结构紧凑、布局合理、重量轻、体积小、外表美观和使用方便。其包含4 个系统: 1)激光光纹系统能产生明亮均匀的光片, 投射到距钢板60 mm 到100 mm 处时, 产生线长35 mm～45mm、线宽约1 mm 的光纹; 2) 图像摄入系统能即时摄取激光光纹二维图像, 窗口大小合适。为了排除杂光弧光干扰、镜头前要安装窄带滤光片; 3) 降温吹灰系统能吹开弧焊时的烟尘、蒸汽和飞溅, 具有降温及温度自功控制功能。当激光器和CCD 摄像机温度高于40 ℃时, 断开激光器电源;
4) 图像处理系统能即时采集并处理图像, 计算出焊炬对焊缝的偏移量, 引导执行机构实时纠偏, 保证焊接质量。
3.3 结构光三维视觉传感器的设计
爬行式弧焊机器人结构光三维视觉传感器的激光光纹生成系统要解决激光器波长、功率的选定, 要研制聚光系统使光纹在工作距离内达到一定的线长和线宽。考虑到焊接开始时, 工件安装定位, 需要用可见光引导确定焊枪位置, 我们参考
了GT IG 焊的光谱分布情况[ 4 ] , 对弧光光谱进行研究。一般来讲, 弧焊光谱由原子光谱、离子光谱和连续谱组成, 弧光是不连续成份, 熔池金属辐射光是连续成份。图2 是GTAW工艺、焊接电流50 A 和弧长3 mm 情况下低碳钢阳极的电弧光谱线分布。可以看出, 整个谱线是在较低的连续谱上叠加了许多不连续的谱线, 这些不连续的谱成份即弧光成份, 而在600～700 nm 波长区间弧光成份较低。因此, 在600～700 nm 区间开一窗口,就可以避开大部分的弧光干扰。为此, 我们选用可见光波段650 nm 系列的半导体激光器, 考虑到各种坡口对结构光的反射, 光源功率选择30 m W。
图2 谱线分布
Fig. 2 Spectrum distribution
线结构光的生成方法有多种, 如单缝法、柱透镜法等。我们采用柱透镜法。系统由会聚透镜和材料为K9、5 13 mm 的柱透镜形成。调节两镜之距, 使其能在60～100mm 工作面上产生线长35～40mm、线宽1 mm 的光纹。
爬行式机器人的工作姿势是多样的, 它要完成平焊、立焊等全位置工作, 特别是在立焊和仰焊时, 要克服重力的作用, 所以机身上荷重有限, 这就要求传感器尽量体积小、重量轻。为此, 我们选用JC2BS629 型CCD 摄像机, CCD 图
像区域5. 78mm ×4. 19mm , 自动曝光时间1/60～1/15 000 s, 镜头前加装窄带滤光片。滤光片强度透过率> 50 % , 半宽< 10 nm。并确保滤光片中心波长与激光器波长一致。
为了保证半导体激光器和CCD 摄像机能正常工作, 我们设计了降温吹灰系统。利用5 L /s 流量的空气(或氩气) 吹入传感器盒内, 然后从镜头前喷出, 以吹开烟尘、蒸汽、飞溅物等。自功控温电路如图3。用热敏电阻组成桥式自动控温电路, 当传感器盒内温度高于40 ℃时, 断开传感器电源, 伺服系统失去光条纹信号后, 控制焊接电源熄弧。
图3 自动控温电路
Fig. 3 Temperature auto controller
CCD 摄取的图像信号经图像采集卡转换成数字信号后, 经二值化、图像分割和中心取样等处理, 提取位置信息, 通过计算, 确定出当前焊枪相对焊缝的位
置偏差, 然后通过D/A 卡输出给运行机构, 引导正确施焊。
半导体激光器、CCD 摄像机、自动控温电路、热敏电阻及导气管等紧凑安装在铝合金盒内, 将其安装在爬行机构上。图4 为爬行机构及视觉传感器。
图4 视觉传感器及爬行机构
Fig. 4 Vis ion sen sor and crawl machine
3.4结构光三维视觉传感器传感实验
图5 是结构光三维视觉传感器对V 型坡口的传感实验照片[ 5 ]。我们看到, 经中心取样后,V 型坡口的特征图样已经很清楚地显示出来, 左边水平线段比右边长, 反映了对中偏差, 即焊枪偏右了。V 字顶点到水平直线段的距离反映了深度信息, 若激光器与CCD 光轴成A°夹角, 则深度为这段距离与夹角反正
切的值之积。计算机在确定了V 字顶点及2 条直线段各两端共5 个顶点的像素位置后, 就可以计算出缝宽及对中偏差值, 然后转换为经过标定的实际值后,
便可输送到运行机构驱动电机实现自动跟踪。
图5 V 型坡口埋弧焊光纹处理图片
Fig. 5 Photo of l ight- tr ip on SAW V groove
图6 是结构光三维视觉传感器对3 mm 厚扳材搭接弧焊的传感实验照片, 焊接电压V = 21 V , 电流I = 125 A , 采样时间T = 0. 2 s, 对比度80, 亮度
134[ 6 ]。我们看到, 经中心取样后, 搭接焊的特征图样已经很清楚地显示出来,
左边水平线段比右边长, 反映了对中偏差, 即焊枪偏右了。
图6 搭接坡口弧焊光纹处理图片
Fig. 6 Photo of l ight- tr ip on lap
4.结论
本文详细地介绍了我们自行制的非完整两履带移动机器人系统的构成及其控制系统。该履带式智能弧焊机器人具有适应性强、智能化程度高的特点。可以实现从手工焊接到自动化焊接的转变；实现从固定底座焊接机器人到移动式焊接机器人的转变；实现从有轨焊接到无轨焊接机器人的转变。对其运动与吸附机构的设计，传感技术的选择，控制决策智能化技术的研究，及其在焊接领域的成功应用，必将有力地推动机器人制造与控制技术的发展。
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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。
管道机器人工作原理 本产品集成了传统的管道视频检测系统、GIS技术和新兴的物联网技术以及图形处理技术等，通过操纵人员根据排水管道内部情况和工程要求进行操纵，采集视频检测数据，软件系统进行视频处理，将各类管道检测数据实时上报至管道检测数据服务器进行分类保存。以及通过分析视频检测数据所得的结果（判读报告、3D管道内壁图）并结合物联网进行任务指派等工程决策。使得该系统不仅能实现对给排水管道进行直观视频检测的功能，而且能对视频检测数据进行精准分析判读，同时兼有对检测成果进行管理提高工作效率的功能。 机器人硬件部分下放到管道内部后，地面操纵人员通过工程要求控制爬行器的移动，而爬行器搭载的镜头通过照明等在管壁上投射的光圈进行成像，同时通过爬行器上的传感器感知爬行器在管道中的情况。得到视频检测数据及爬行器情况数据后通过电缆盘或无线传输传到主控制器上，主控制器通过接口将得到的视频检测数据储存在相应的存储设备中，而主控制器的屏幕上可显示管道内部情况。将得到的数据可以进行如下处理：将各类管道检测数据实时上报至管道检测数据服务器进行分类保存。通过各类分析软件进行分析处理后的检测结论（如判读分析报告）工程成果数据（管道内壁3D视图，管道内壁倾斜情况缺陷），可按照接口定义的规范进行录入和上传。 中仪物联X5-W 3000型管道CCTV机器人由爬行器、镜头、电缆盘和主控制器四部分组成。其中，爬行器可根据功能需求搭载不同规格型号的镜头（如：旋转镜头、直视镜头、鱼眼镜头），并通过电缆盘与主控制器连接后，受控于主控制器的操作命令，如：爬行器的前进、后退、转向、停止、速度调节；镜头座的抬升、下降、灯光调节；镜头的水平或垂直旋转、调焦、变倍等、前后视切换等。在检测过程中，主控制器可实时显示、录制镜头传回的画面以及爬行器的状态信息（如：气压、倾角、行走距离、日期时间），并可通过键盘录入备注信息。通过内置的无线传输模块（可选），可将画面实时传送到200m范围内的其它监视器上显示，从而实现远程监视。
Ξ №.4 西北轻工业学院学报 D ec.1997?18? JOU RNAL O F NOR THW EST I N ST ITU T E O F L IGH T I NDU STR Y V o l .15 真空吸附式爬壁机器人设计 何雪明1 丁毅 朱明波2 (机械工程系) 摘 要 运用壁虎爬行原理,设计构思了真空吸附式爬壁机器人.采用多组橡胶吸 盘将机器人吸附在墙面上,配以简单四杆机构完成其行走功能,从而达到擦洗整个 墙面的目的.该机器人可用于建筑行业和洁净业. 关键词:壁面机器人,真空吸附,蠕行运动 中图法分类号:TQ 242.1(TH 122) 1 引言 目前,瓷砖、玻璃装璜的墙壁均采用人工直接擦洗.因高空擦洗作业具有很大的危险性,因此,研制一种适用于高楼墙壁擦洗的墙壁机器人有着重要的意义. 壁面机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品,自80年代以来在国内外取得了迅速的发展,有的已开始进入实用试验阶段.到1992年底,国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功,其中以日本发展最快.国内较早的是哈尔滨工业大学,他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人,采用真空吸附式,通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走.另外, 上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行机器 图1 爬壁机器人总体框架图人.上海交通大学亦于1995年研制了磁吸 附爬壁机器人用于油罐检测. 2 真空吸附式爬壁机器人总体设计 要实现机器人在普通壁面上的自由移 动,必须具备粘着功能与移动功能.常见粘 着功能主要靠吸附即负压吸附实现.根据吸 附力量产生装置不同,又可分为真空泵式、 喷射器式.移动方式一般有轮式、履带式及 足式三种.针对壁面移动机器人的工作条件以及壁面非金属性、金属性等其它原因,经过比较选择了多子真空吸附、足式移动的方案.其吸附性好,结构简单,由于吸盘采用列吸盘组, Ξ收稿日期:1997-05-10 第一作者:男,32岁,硕士 1、2作者单位:无锡江南大学机电系,邮编:214063
管道爬壁机器人设计 作品内容简介 现在的管道机器人在竖直或者是水平方向都很好的实现了检测与清理功能。但至今还没有管道产品在复杂的管道中很好的工作。为此我们设计了这款管道爬壁机器人，它既可以在水平管道中很好的工作还可以在竖直管道中完成工作，能够自如的在水平竖直交叉的复杂管道中完成检测，清理等工作。 该产品的主题结构为车体结构，在水平方向依靠车载力运动，在车体上安装有四个机械手臂，在机械手臂的前端安装有吸盘跟电磁铁，在塑料管道中依靠吸盘在竖直方向上运动，在铁质管道上利用电磁铁的磁力和机械手臂的交叉前进实现竖直方向的运动。该作品灵活多变，不但可以适应复杂的管道还能够进行多样的工作。 我们依靠机械臂的灵活度与吸盘，电磁铁的吸力来实现该产品的爬壁功能，在水平方向上利用最传统的智能车作为动力，这样的设计完全可以满足水平方向与竖直方向的灵活转变，实现复杂管道的自由穿梭，进而可以让该机器人更好的实现其检测与清理功能。该管道爬行机器人实现远程电脑控制，所得数据通过反馈处理使机器人能够完成各项做业。 一、研制背景及意义 1、随着社会的快速发展,国家生产水平不断提高，产品更新也越来越快。管道运输在我国运用比较普遍，但管道长期处在压力大的恶劣环境中，受到水油混合物、硫化氢等有害气体的腐蚀。这些管道受腐后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油、漏气的问题，存在重大安全隐患和经济损失。在管道广泛使用的今天，管道的检测、清理、维护成了一个亟待解决的问题。但是管道的封闭性和工作环境决定了这项工作的艰难。时至今日，虽然经过各国学者的努力，已经有各种各样的机器人，但是他们大都存在这样或那样的问题，而且功能不够强大。 2、人民对管道清洁机械的要求是不仅科技含量要高，而且还要绿色、节能、环保。能够满足不同类型管道的检测、维护、清理等要求。 3、管道爬行机器人的研究更好地为管道的检测、维护、清理提供了新的技术手段，这种技术更好的提高了管道监测的准确性和管道清理的安全性，也便于管道工程管理维护人员制定维护方案，清除管道垃圾防止堵塞，事前消除管道的安全隐患，从而节约大量的维修费用，降低管道维护成本，保障工业生产和人民生活及财产安全。 4、近些年来人们对自然环境、工作环境、工作工具及其方式的要求逐步提高。随着中国城市化建设事业的发展推进中国西气东输工程的全面启动 特别是大型化工厂、大型天然气厂、大型地下管道处理系统的建成大型管道或类似管道装置组合处理系统设施以其高质量的工作效率、圆形管道结构占地少、有效工作空间大、美化生活环境等优点得到了广泛的应用。为研究高效的管道机器人提供了良好的市场环境。 5、随着计算机技术的广泛普及和应用国内外检测技术都得到了迅猛发展管道检测技术逐渐形成管道内、外检测技术 涂层检测、智能检测两个分枝。通常情况下涂层破损、失效处下方的管道同样受到腐蚀管道外检测技术的目的是检测涂层及阴极保护有效性的基础上通过挖坑检测达到检测管体腐蚀缺陷的目的对于目前大多数布局内检测条件的管道是十分有效的。 6、管道内检测技术主要用于发现管道内外腐蚀、局部变形以及焊缝裂纹等缺陷也可间接判断涂层的完好性。因此各种大口径天然气管道、大口径石油运
!"焊接技术!###年$!月第!%卷增刊 基金项目：国家&’(高技术发展计划项目资助)&’(*+$!*%%$(*#!, 随着我国现代化经济建设的迅猛发展，石油化工产品逐年增多，石化球罐等容器的体积容量以及数量正在快速增加，仅石化部门每年要新建球罐容量几十万立方米，迫切需要改善球罐施焊条件，提高球罐焊接的自动化程度，以降低成本、提高效率与焊缝质量。 为此，我们以产学研结合的形式合作进行了球罐智能焊接机器人的研制工作。这一特种机器人的研究目标主要为-（.,全自动完成球罐主要焊缝的多层焊接过程，包括多层焊接时的二维实时跟踪与分层摆动焊接等智能化技术。其目的是改变目前国内外无论在手工焊接或者机械化焊接球罐时都要依靠焊工密切注视焊缝熔池，不断调节焊枪的传统操作方式。鉴于在野外焊接球罐时施工环境恶劣，这种传统操作方式的劳动强度大，技术难度高，己出现球罐焊工人才培养困难、流失严重等问题。实现二维自动跟踪后则可有效解决上述问题，由机器人保证焊接质量，降低劳动强度和施工成本。（!,实现无导轨全位置焊接球罐焊缝，即机器人无需导轨支持就能由柔性磁轮机构吸附在球罐表面上，沿纵缝与环缝坡口进行全位置自动行走与焊接。其作用是改变当前国内外球罐自动焊车均需依靠导轨支持才能在球罐上运行的现状，这一方面可提高焊接机器人的的灵活性，简化焊前准备工作，提高生产效率；另一方面可节省导轨所耗费的大笔费用（球罐焊车专用的磁吸附式柔性导轨的价格为每米约.万元，以直径.+/的球罐计，其导轨的价格近(#万元，己超过整套焊接设备的费用,，从而可进一步取得可观的经济效益。 经过两年多的努力，己经实现了上述研究目标。此机器人的主要性能、结构组成、工作原理及工艺试验结果等情况简介如下： !球罐焊接机器人的主要组成与性能 如图.示，球罐焊接机器人主要由以下四部分组成。$0$ 柔性磁轮式行走机构 包括左右二组磁轮、主板、十字链轴式联接机构与直流电 机驱动机构。此机构的各个磁轮在1、2方向上有一定的自由度，能保证各磁轮与球罐表面紧密接触，磁力稳定可靠。柔性磁轮机构由左右二个直流电机驱动机构实现四轮驱动，在球罐 表面的各种空间位置都能稳定爬行，包括前进、后退、拐弯等各种运行方式。焊车速度为#3/5/67。 $0! 二维实时跟踪机构 二维实时跟踪机构包括889光电轨迹跟踪系统与接触式 高度跟踪系统。前者主要由二个889光电传感器与一个步进电机驱动的横向滑块机构组成，在焊接过程中系统通过889光电传感器识别在球罐表面的坡口平行线，由滑块带动焊枪左右随动，进行长度方向上的焊缝轨迹跟踪。由于是依照坡口平行线进行非接触跟踪，在多层多道焊接的情况下也能实现重复自动跟踪。889传感器的识别精度为#0#(//，轨迹跟踪精度设定为#0+//。后者主要由一个直线电位传感器与一个步进电机驱动的竖向滑块机构组成，此系统由电位传感器的触头直接测量焊缝附近的球罐表面高度变化，然后由滑块带动焊枪进行高度方向上的焊缝跟踪。由于是依据坡口附近表面高度进行接触跟踪，在多层多道焊接的情况下，每次实时高度跟踪的效果是相同的。电位传感器的测量精度为#0#.//，高度跟踪 精度设定为.0#//。$0( 焊枪摆动机构 主要由一个摆动中心传感器、一个步进电机驱动的滑台机构及焊枪夹持机构组成。滑台的有效行程为+#//，焊枪的摆幅设定为"#//，摆速设定为#3!##4/5/67。$0" 微机智能控制系统 微机智能控制系统的硬件主要由:;3!##型<=8微机控 图! 球罐焊接机器人照片 摘要：研制了一种用于球罐全位置多层自动焊接的特种机器人。此机器人是由柔性磁轮机构直接吸附在球罐表面进行全位置自动行走与焊接的>其889光电跟踪系统能依照焊缝平行线在多层多道焊接时进行重复自动跟踪。焊接工艺评定试验结果表明>此焊接机器人实现了无导轨自动焊接全位置焊缝与多层多道焊接的自动跟踪>其自动跟踪精度高>焊缝质量好>工作稳定可靠>已可用于实际焊接生产。 关键词：焊接机器人；全位置焊接；自动焊接；球罐中图分类号：?
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。
仿机械式爬行机器人运动分析1机器人结构组成 该机器人大体由两部分组成，分别为A．B。两部分之间由横杆进行连接。左侧横杆固连在A，右侧横杆固连在B。A，B与横杆之间存在转动副。内部电机驱动A，B以一定相位差绕横杆转动，即A 先向前运动，然后B再跟进运动同样的距离，按照这样的运动形式实现向前运动。A，B质量均设置为40g，杆为2g。 2机器人运动分析 2．1在光滑平面上的运动分析 设置A，B之间为转动副，转动副之间存在摩擦力，静摩擦系数为0．5，动摩擦系数为0．3，摩擦力臂为1．0。施加驱动disp(time)=0．1cos(time)。设置A，B与地面接触力不存在摩擦。通过Z向角速度与时间曲线可以看出，在没有摩擦存在的情况下，机器人出现在原地打转现象，不能正常运动。由此可得，机器人运动是依靠与地面的摩擦力进行运动的。 2．2在粗糙平面上的运动分析 转动副设置参数与光滑平面中的类似。设置A，B与地面接触力存在库伦摩擦，静摩擦系数为0．3，动摩擦系数为0．1，得到图2位移随时间变化曲线。可以看出，在摩擦系数较低的情况下，机器人在运动过程中存在频繁的倒退现象，导致运动速度十分缓慢。 2．3更改摩擦系数，在粗糙平面上的运动分析 分别取以下几组摩擦系数代入仿真:(1)静摩擦系数为0．8动摩擦系数为0．1。(2)静摩擦系数为0．3动摩擦系数为0．8。(3)动摩擦系数静摩擦系数均为0．8。得出位移随时间变化曲线进行对比，可以得出(1)情况下相同时间运动位移最长，可以达到2(静摩擦系数
为0．3，动摩擦系数0．1情况下)位移长度的3倍(但是仍然存在后退现象)。 2．4单向摩擦下的运动分析 将接触力中的库仑摩擦去除，在机器人与地面接触面上加上单向力以模仿单向摩擦状态(即机器人在正运动方向上不存在摩擦力，机器人在反向运动方向上存在摩擦力为0．04N(摩擦系数为0．5情况下)的摩擦力)。可以得到位移随时间变化曲线。可以看出，在单向摩擦状态下，机器人后退现象明显减少，运动速度变快。由此得出，机器人平均速度与静摩擦系数成正比，与动摩擦系数成反比，且使用单向摩擦材料可以避免后退。 3模拟在水平放置管道运动，进行运动分析 目前仿尺蠖机器人广泛应用于胶囊机器人与救援方面，其工作环境往往为狭窄的圆形管道，因此有必要进行机器人在管道中的运动分析。将机器人放置在一圆形管道内，设置动摩擦系数为0．5，静摩擦系数为0．3，其余参数与2一致。得到位移随时间变化曲线。由此可得机器人可以在管道内正常运动，但是在低摩擦系数的管道内，运动速度较慢。 4机器人内部驱动 图3为在A，B部分内的装置，由一步进电机与一行星齿轮组成。以A中装置举例，一步进电机转子带动齿轮1转动，齿轮1再驱动齿轮2转动。齿轮2与固连在B上的横杆相连接，带动横杆作行星运动从而带动B运动;同时B中装置同样可以带动A运动。由于步进电机的角位移与脉冲个数成正比，因此可以通过输入同样的脉冲个数，使A，B内步进电机角位移一致，从而驱动机器人运动。 5仿尺蠖机器人的特点
本文的设计为六足爬虫机器人，机器人以交流-直流开关电源作为动力源，单片机为控制元件，伺服电机为执行部件，机器人采用三足着地进行运动，通过单片机对伺服电机的控制，机器人能够实现前进、后退等运动方式，三足着地运动方式保证了机器人能够平稳运行。伺服电机具有力量大，扭矩大，体积小，重量轻等特点。单片机产生20ms 的PWM 波形，通过软件改写脉冲的占空比，从而达到改变伺服电机角度的目的。 1 机器人运动分析 1.1 六足爬虫式机器人运动方案比较 方案一：六足爬虫式机器人的每条腿都能单独完成抬腿、前进、后退运动。 此方案的特点： 每条腿都能自由活动，每条腿都能单独进行二自由度的运动。每条腿的灵活性好，更容易进行仿生运动，六足爬虫机器人可以完成除要求外的很多动作，运动的视觉效果更好。由于每条腿能单独完成二自由度的运动，所以每条腿上要安装两个舵机，舵机使用数量大，舵机的安装难度加大，机械结构部分的制作相对复杂，又由于每个舵机都要有单独的信号控制，电路控制部分变得复杂了，控制程序也相应的变得复杂。 方案二：六足爬虫式机器人采取三腿为一组的运动模式，且同一侧的前腿、后腿的前后转动由同一侧的中腿进行驱动。采用三腿为一组(一侧的前足、后足与另一侧的中足为一组)的运动方式，各条腿能够协调的进行运动，机器人的运动相对平稳。 此方案特点：相比上述方案，个腿能够协调运动，在满足运动要求的情况下，舵机使用数量少，节约成本。机器人运动平稳，控制、驱动部分都得到相应的简化，控制简单。选择此方案，机器人还可进行横向运动。 两方案相比，选择方案二更合适。 1.2 六足爬虫式机器人运动状态分析 1.2.1 机器人运动步态分析 六足爬虫式机器人的行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并
管内爬行机器人行走机构的设计 【摘要】随着管内检测爬行机器人技术的不断成熟，它在工业中的应用也越来越广，本文所设计的管内爬行机器人驱动机构，即管内步伐式行走机构，是在分析以往的轮式和履带式机器人的基础上设计的一种新型的管内爬行机器人行走机构。 【关键词】管内爬行机器人；步伐式；驱动机构 0.引言 目前工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域,因其工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，必须定期地对这些管道进行检修和维护，然而管道所处的环境往往是人力所限或人手不及,检修难度很大, 所以燃气管道管内探测是一项十分重要的实用化工程,关系到燃气的安全、合理地应用和管理。管道检测机器人（管内爬行机器人驱动机构）就是为满足该需要而产生的。 根据管内步伐式行走机器人的运动模仿人在井筒中四肢扶壁上下运动的模式，设计了机器人的行走机构，有效的解决了机器人在管道内的行走。 1.管内爬行机构总体设计 管内爬行机构主要由撑脚机构及其传动，牵引机构及传动，转向机构3部分组成：见图1所示： 该管内爬行机构的运动控制过程大致为：主、副电机不同时工作，分别控制其牵引机构和撑脚机构，并且镜面对称的两单元，其支撑脚同一时间径向所处状态相反，即前脚踩在管壁上时，后脚处在抬起状态；反之亦然。具体过程为通过副电机16带动齿轮与齿圈啮合旋转，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆沿滑道径向移动，从而实现支撑脚的转换。主电机1通过联轴器与丝杠连接，带动丝杠旋转，将丝杠的旋转运动转换为螺母的轴向移动，从而通过连杆机构拖动身躯和前后单元向前移动，另一部分的控制过程相同。上述动作是管内爬行机构的一个步进过程，循环执行步进过程机器人继续前进，实现管内的均匀连续行走。 2.撑脚机构及其传动 撑脚机构的作用是使管道机器人被支承在管道中心线上。其机构及传动(见图1)由电机16、小齿轮15、齿圈及平面螺纹14、滑杆13、脚靴12组成。当电机16带动小齿轮15和齿圈14旋转时,齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆13在筒体10的径向轨道内外伸推动脚靴踩在管壁上,电机反向旋转时,滑杆内缩带动脚靴径向抬起离开管壁。脚靴三套在圆周上间隔120°布置,三套脚靴同步伸缩,其动作与车床三爪卡盘的动作类同。三套脚靴伸出踩在管壁上时,使机器人处在管道的中心线上。为了使机器人在脚靴缩回时,仍能维持在中心线上,安装4组辅助支承轮18,每组三套,在圆周上间隔120°安装,支承轮通过支承柱19、弹簧20分别与支架3和筒体10固连。当撑脚缩回时支承轮使机器人基本上维持在管道中心线上。当机器人行走过程中支承轮遇到障碍时弹簧被压缩通过障碍。 3.牵引机构及传动 牵引机构的作用是拖动机器人前进.牵引机构(见图1)由电机1、螺杆2、螺母5拨销4、拨杆7和支承杆9组成。当电机1带动螺杆转动时,螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动,固连其上的拨销4拨动拨杆7顺时针方向转动,由于脚靴12锁死在管壁上,支承杆9不能向后运动,拨杆7通过销6带动支架3及其
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 。
工业机器人 姓名： 班级： 学号：
爬行式弧焊机器人 摘要：本文介绍爬行式弧焊机器人结构光三维视觉传感器的传感原理、系统组成和设计依据。用会聚透镜和柱透镜组合产生线长35～40 mm、线宽1 mm 的光纹投向焊缝, 热敏电阻组成桥式自功控温电路,用5 L /s 流量的空气(或氩气) 吹开烟尘、蒸汽和飞溅物等, 微型CCD 摄像机加装窄带滤光片摄像, 经二值化、图像分割和中心取样等图像处理并计算出偏移量送控制系统引导爬行机器人正确施焊。 关键词:弧焊机器人; 爬行机构; 焊缝跟踪; 图像处理 Abstract:M ake use of combinat ion of assemble lens and co lumns lens to produce ligh t veins of 35～40mm length and 1 mm w idth w hich is thrown to weld seam. Therm isto r compo ses of bridge2type electric circuit w h ich conto ls temperature automat ically.The rate of flow ing of 5 L /s blow s fumes, steam and splash th ing etc. M inni CCD is added narrow 2tape filter ligh t p late to take p icture, through image processing such as 2 valuemelt ing, image cut t ing, cent ral samp ling and calculate deviation to send to control system,w h ich guides craw ling robo t to w eld correctly. Key words:Arcw lding robo t; Craw lmachine; Weld seam tracking; Image processing 1.引言 焊接是一种劳动强度比较大、工作环境比较恶劣的工艺方法。在焊接过程
竖直管道爬行机器人 小组成员：刘晓燕、周平、时佳、王迪阳、刘传亮 一、设计背景： 随着科学技术的发展，管道在当今社会已经得到了广泛的应用。管道在长期的使用中难免会出现破裂、堵塞等，人们往往为了寻找管道上的一个裂纹而花费大量的人力和物力。如今水平管道的检测、清理、维护已经不再是个难题，但竖直管道中的检测、清理、维护仍然有待解决。而我们设计的机器人正是为满足在竖直管道的爬行而设计的，它具有一定的承载能力，可以成为管道检测、清洗设备的载体、检修的运输工人，使得管道的检测、清洁等工作易于实现。 二、组成介绍： 该机器人由三部分组成，包括一个伸缩模块和两个支撑模块。伸缩模块主要由曲柄连杆构成，利用驱动电机的转动来实现机器人的行走；两个支撑模块结构上完全一样，都是由初始弹簧提供微张力而贴附在竖直管道内壁。由电动机的转动产生推力，使机器人的脚与管壁压紧而锁死，从而产生机器人行走所需的静摩擦力。伸缩模块和支撑模块按一定的顺序工作，从而实现机器人在管道内的爬行。 三、结构设计: （1）支撑架的设计 为满足不同内径管道的需求,将支撑架设计为可伸缩的。同时将上下两组支撑架设计为空间十字交叉形，这样就满足机器人在管道中爬行的稳定性,,并在上下两组支撑架中各安装有被压缩的弹簧,以提供一初始的张力,使摩擦滑块与管道内壁能够充分接触。 (2) 摩擦滑块的设计 摩擦滑块与管道内壁接触的部分，滑块的上部分有圆滑过渡以防止遇到障碍物时机器人被卡死。而且这部分是可拆卸的，对不同材质的管道可选用不同材料的滑块接触面与管道内壁接触。 （3）微电机及曲柄滑块部分设计 微电机通过杆件固定在机器人下肢的正下方，一方面为可降低机器人的重心使机器人在一开始时能够稳定的贴在管道内壁而不下滑，另一方面使上肢与电动
第2章六足爬行机器人的方案设计 2.1 总体设计要求 技术参数： 自由度数：每条腿有3个，共有16个； 本体体重：≤6kg； 行走速度：≥20mm/s； 设计要求： 能够完成前进、倒退、转弯、摆头、避障等任务，并且便于人工控制。 工作要求： 1)机器人的重量控制在6公斤左右，但是这是设计的爬行机器人，为适应不同地形， 它的最大负重加20%。为1.2公斤； 2)机器人机体运动时离地最低为100mm； 3)机器人机步长不低于50mm； 4)为保证电机良好工作和不至于使电机在重负重下工作，机器人小腿和地的夹角不小 于10度，不大于40度，小腿往内倾斜； 多足爬行机器人的一般设计准则： 1) 能够实现机器人多种姿态间的灵活调整； 2) 机器人机体结构简单、紧凑，重量轻； 3) 机器人整体结构强度高、刚度好、负载能力达到要求； 4) 在满足功能要求的情况下，尽量减少驱动及配套装置数量，简化控制的复杂性。
2.2六足爬行机器人的步态规划 步态设计是实现爬行的关键之一，也是系统控制难易的标志，为达到较为理想的爬行，考虑下列要求： 1)步行平稳、协调，进退自如，无明显的左右摇晃和前后冲击； 2)机体和关节间没有较大的冲击，特别是当摆动腿着地时，与地面接触为软着陆； 3)机体保持与地面平行，且始终以等高运动，没有太大的上下波动； 4)摆动腿胯步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度与加速度轨迹无奇点； 5)占空系数β的合理取值。 根据占空系数β的大小可分为3种情况： 1)β=0.5，在摆动腿着地的同时，支撑腿立即抬起，即任意时刻同时只有支撑相 或摆动相； 2)β>0.5，机器人移动较慢时，摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程，即机器人 有所有腿同时着地的状态； 3)β<0.5，机器人移动较快时，所有腿有同时为摆动相的时刻，即所有腿同时在 空中，处于腾空状态，因此在交替过程中要求机器人机构具有弹性和较快的速 度，否则难以实现。 通过以上分析，我们设计出β>0.5（β=0.55）的六足机器人步态为满足其平稳性的要求，六足机器人采用占空系数为0.55（即在运动过程中有六条腿同时着地）的三角步态。如图2.1(a)所示，机器人开始运动时，六条腿先同时着地，然后2、4、6三条腿抬起进行向前摆动的姿态准备，另外三条腿1、3、5处于支撑状态，支撑起机器人本体以确保机器人的重心位置始终处于三条支腿所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态而不至于摔倒，摆动腿2、4、6抬起向前跨步(如图2.1(b)所示)，支撑腿1、3、5 一面支撑机器人本体，一面在动力的作用下驱动机器人机体向前运动半步长s(如图 2.1(c)所示)。在机器人机体移动结束后，摆动腿2、4、6立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于2、4、6三腿支撑所构成的三角形稳定区内，同时原来的支撑腿1、3、5经短暂停留后抬起并准备向前跨步(如图2.1(d)所示)，当摆动腿1、3、5向前跨步时(如图2.1(e)所示)，支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人，一面驱动机器人本体，使机器人机体向前行进半步长s(如图2-1(f)所示)，如此不断循环往复，以实现机器人的向前运动，由于设计速度并不是非常精确，所以其行进轨迹并不是一条笔直的直线。
爬杆机器人 班级：自动化 08-1 姓名：李刚 学号：
目录 1.设计题目?????????????????１ 目的??????????????????１ 目介????????????????１ 条件及要求?????????????１ 2.运动方案设计??????????????２机械期的功能要求 ?????????????２ 功能原理????????????????２ 运律????????????????３ 2.3.1工作分解?????????????????３ 2.3.2运方案?????????????????５ 2.3.3行机构形式???????????????６ 2.3.4运和力分析????????????????７ 2.3.5行系运???????????????８ 3.计算内容 4.应用前景 5.个人小结 6.参考资料?????????????????８ ?????????????????10?????????????????11?????????????????12 附录?????????????????????13
１. 设计题目 １.１设计目的 机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算， 并将其转化为制造依据的工作过程。 机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。 为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。 １. ２设计题目简介 我们此次做的课程设计名为爬杆机器人。该机器人模仿虫蠕动的形式向上爬行，其爬行运用简单的曲柄滑块机构。其中电机与曲柄固接，驱动装置运动。曲 柄与连杆铰接，其另一端分别铰接一自锁套（即上下两个自锁套），它们是实现上爬的关键结构。当自锁套有向下运动的趋势时，由力的传递传到自锁套，球、 锥管与圆杆之间形成可靠的自锁，阻止构件向下运动，而使其运动的方向始终向 上（运动示意见右图）。 １. ３设计条件及设计要求 首先确定机器人运动的机构原理及所爬行管道的有关数据，制定多套运动方案。再查阅相关资料，通过精确的计算和运用相关应用软件（例如CAXA，Solidworks ，ADAMS等造型、分析软件）进行运动模拟，对设计题目进行创新设计和运动仿真，最后在多方面的考虑下确定一套方案并完成整套课程设计说明书 及相关的软件分析图表和文件并由三维动画模拟出该机器人的运动。 ２ . 运动方案设计 该机器人模仿的动作是沿杆向上爬行，整个机构为曲柄滑块机构，而且我们 目前所设计机器人爬行的杆是圆杆。
沈阳工业大学工程学院 毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目：四足爬行机器人的结构设计 系（部）：机械系 专业班级：机械设计制造及其自动化1004 学生姓名：高翔 指导教师：谢宝玲 开题时间：2013年10 月25 日
1.课题的目的和意义 本次设计的目的是大学即将结束时充分的运用所学到的机械方面的知识，加强自己对所学知识的一种融会贯通，毕业前的一种自我评估锻炼。设计出一款比较实用的四足爬行机器人。 设计意义 （1）在设计四足爬行机器人的过程中，学会查阅资料，锻炼自己的动手动脑能力，开拓自己的创新思维能力，学会理论联系实践，充分发挥了机械设计的专业知识的运用。[1] （2）对机构的设计和研究有了比较深的理解和运用，汲取前人的经验教训。 （3）设计出了一种实用的四足爬行机器人，学会理论和实践之间的结合能力。[4] 2. 国内、外现状况及发展趋势 2.1国内发展状况 目前，国际上机器人市场大概有80亿至100亿，其中工业机器人占的比重最大。2025年，整个机器人市场将达到500亿，服务机器人从原来的300多万台增加到1200多万台，特种机器人(如：排爆机器人、医疗机器人等)的呼声也越来越高。另外，微软等IT企业，丰田、奔驰等汽车公司，甚至还有家具、卫生洁具企业都纷纷参与机器人的研制。 在在国内，国家863机器人技术主题自成立以来一直重视机器人技术在产业中的推广和应用,长期以来推进机器人技术以提升传统产业,利用机器人技术发展高新产业。目前,政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额,并提供优惠措施鼓励更多企业使用机器人及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机器人,各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的提高。根据我国海关统计,最近4年来许多企业在华的销售量甚至是前面十几年销售量的几倍,年平均增长率超过40%。2001年我国工业机器人海关进出口数量不过是3774台,国内生产数量约700台左右。2004年市场规模已经增长到万台左右,数量和金额相对于2001年都增长了两倍。2004年国产工业机器人数量突破了1400台,产值突破8亿元人民币。进口机器人数量超过9000台,其中多功能机器人约1700台,简易机器人7500台,进口额约25亿美元。德国CLOOS公司在华焊接机器人销售
管道爬行器的研究与 设计
1 绪论 随着社会的发展和人民生活水平的提高，天然气管道以及各种输送管道的应用越来越多。在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在地下都埋设了很多的输送管道，例如，一方面天然气管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置时，会浪费很多的时间和精力，同时降低了工作效率[7]。另一方面石油、天然气、化工、电力、冶金等工业的管道工程大多采用焊接管路。为了保证焊接管路的焊接质量和运行安全,管道工程都要对焊缝进行检测,检测焊接部位是否存在虚焊、漏焊、伤痕等焊接缺陷。常用的焊缝检测方法是采用无损检测,如超声、射线、涡流等。对于管路检测,则大多采用管道内爬行探伤检验设备(简称爬行器) 对焊缝进行射线检测。这类爬行器由于受管道尺寸的限制,大多结构十分紧凑。在检测过程中,爬行器在其控制系统的控制下,可连续对同一管道不同位置上的焊缝质量进行检验。考虑管道焊缝检测的效率,常常当管道焊接具有一定长度之后,才集中对管道进行检测。如果一次要检测的管道比较长,爬行器的控制系统应采用车载式布置。使用时,通过外部的控制器对爬行器上的控制系统发出指令,决定爬行器的工作状态。 随着机电一体化技术的发展，以及机器人技术的发展和管道测试等技术的进一步发展，相互之间的渗透程度越来越深，管道爬行机器人是在狭窄空间中进行精密操作、检测或作业的机器人系统。其中机器人的作业环境一般是危险的。火力发电厂、核电厂、化工厂、民用建筑等用到各种各小管道，其安全使用需要定期检修。但由于窄小空间的限制，自动维修存在一定难度。仅以核电站为例，检查时工人劳动条件恶劣。因此管道内机器人化自动检查技术的研究与应用十分必要。人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，节省了大量的人力，物力和财力。 目前的管道机器人都是以履带、轮子等实现在管道中的移动，其技术有着或多或少的缺陷，市场尚不成熟。例如：不能适应大范围的管道内径变化，运行中姿态的调整不够理想，在十字型、丁字型等较复杂的管道内径中不能较平稳的通过等等；结合目前管道机器人所存在的缺点，应用机械设计、机械原理等专业知识，设计出了新型管道爬行机器人。此机器人可实现大范围内的管道内径变化，顺利通过十字型、丁字型等较复杂管道；在运行中的姿态调整也得到了较好的解决。