毕业设计（论文）飞机表面清洗机器人结构设计与分析

摘要摘要机器人化工程机械是机器人应用领域的一个重要发展方向，也是提升机械产品竞争力的一个重要手段。目前国内外已经出现了许多机器人化的工程机械产品，带来了显著的经济效益和社会效益。本文基于机器人化工程机械的设计思想，对飞机表面清洗年进行了机器人化研究，所研究设计的飞机表面清洗机器人属于特种作业机器人范畴，该机器人具有广阔的应用前景。本文以飞机表面清洗机器人为研究对象，采用机器人技术、计算机仿真技术和多刚体动力学理论，对飞机表面清洗机器人若干关键技术问题进行了深入细致的分析和研究。研究的主要内容包括以下几部分：1、论文系统综述了国内外机器人技术、飞机表面清洗技术的研究状况利发展趋势，在国内首次对机器人化飞机表面清洗车及其相关技术的研究现状和主要研究问题进行了深入分析，为飞机表面清洗机器人的进一步研究奠定了坚实的基础。2、论文对飞机表面清洗机器人本体结构方案进行了研究和设计。主要对机器人载车、手臂机械结构、整机动力性能及稳定性等关键技术进行了系统的研究。飞机表面清洗机器人是飞机场重要的设备。而臂架系统是飞机表面清洗机器人重要的工作部件之一，要求臂架系统具有较高的整体刚度和强度、良好的工作适应性和可靠性。同时利用SolidWorks软件对机器人手臂最危险工况下的结构强度进行了有限元分析，确保了机器人结构设计的合理性。可以说这项研究为机器人开辟了一个新的应用领域。3、本文主要针对飞机表面清洗机器人臂架系统、回转机构等进行了设计，同时运用软件对飞机表面清洗机器人的结构进行了建模、运动仿真和结构分析。利用SOLIDWORKS进行飞机表面清洗机器人的臂架、转塔、支腿的设计,建立了飞机表面清洗机器人的模型，并进行虚拟装配及运动仿真。建立的几何模型为后续分析提供模型数据。利用SOLIDWORKS建立的几何模型数据进行有限元分析，经过简化建立有限元模型，对部分重要结构进行了结构分析，提高了结构的强度及合理性。4、论文对飞机表面清洗机器人运动学进行了研究。飞机表面清洗机器人属于多冗余自由度空间机构，这就决定了手臂位姿具有不确定性。运动学设计是保证机器人在飞机表面进行平稳、有规律运动的关键技术。本文利用冗余度机器人运动学理论推导了飞机表面清洗机器人的运动学方程，计算了机器人运动方程的正解，推导了机器人的雅可比矩阵，对清洗机器人手臂进行了速度分析，为该机器人的工程应用提供了设计理论依据和基础。5、本文运用了现代设计方法。并行设计提高了整车一次设计成功的概率，缩短了从设计到整车试制成功的周期，可为企业赢得市场和利润。6、对全文进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。关键词 飞机表面清洗机器人 运动学 结构分析59AbstractRobotized engineering machines are important development trends in the applying ofrobotsAt present，with the appearance of many robotized engineering machines，they have brought remarkable economic and social benefitsThis paper studies robotization of aircrafts surface cleaning vehicles based on the idea of robotization of engineering machines，the aircrafts surface cleaning robot as a special type of working robot will be widely usedThis paper elabocates on some key technology of aircrafts surface cleaning robot based on the technology of robot，computer simulation technology and more rigid body dynamics technologyThe main contents in this thesis include five aspects presented as follows：1We summarize the status and developing trends of robot technology and aircrafts surface cleaning technology in this paperFor the first time we analyzed aircrafts surface cleaning robots and its status of technology, it established a foundation for the study on aircraftS surface cleaning robots2We study and design a structure and scheme of aircrafts surface cleaning robots，The technology of machine structure of a robots vehicle and arm，dynamic performance and stability of the robot have been studiedThe aircrafts surface cleaning robot is one of construction facility in the airport. The arm system is one of the very important equipment in aircrafts surface cleaning robot. It must have high strength and stiffness, good working adaptability and reliability. Using SOLIDWORKS，the system makes a finite element analysis of the structure intensity on a robots arm in a very dangerous condition. It ensures the rationality of the structures designThis research develops a new application field3.This paper designed the arm system、turret、leg. It make the aircrafts surface cleaning robot model by SOLIDWORKS and designed the arm system, etc. The virtual assembly and movement simulation is successful and it served for the later design. The simplified date provided by SOLIDWORKS is used during the structure analysis. This can improve the important structures strength and rationality.4The kinematics of all aircrafts surface cleaning robot has been studied in this paperThis type of robot is a redundant robot，so the posture of this robots arm is not certain. The kinematics design is a key technology for ensuring a robots motion with placidity and orderlinessWe have conquered some disadvantages in general arithmetic to deduce equation of an aircrafts surface cleaning robot with the theory of redundant robot，counted a robots motion equation and obtained positive solutionJacobian matrix of a robot has been deduced in this paper，and it also analyzes the velocity of an aircrafts surface cleaning robots arm providing design theory and foundation for the robots engineering application5.This paper use the modern design method. Parallel designed can decrease the design period and enhance the design efficiency. It can help the company win the market and make profit.6. This part will summarize all the contents and expects the next study workKey words Aircrafts surface cleaning robot，Kinematics，Structure analysis第一章 绪论第一章 绪论11 课题背景世界经济的繁荣，促进了航空运输事业的飞速发展，飞机作为交通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。飞机在日常使用中经常接触到各种各样的污染物，如飞行时空气中的风沙、灰尘，海上飞行时空气中的盐雾、酸雾等，不仅影响飞机外观整洁，而且会造成机身腐蚀。因此飞机表面清洗作业己成为飞机保养过程中的一个重要环节，它不但使飞机表面清洁美观、有效地缓解和减轻腐蚀，而且可以清除蒙皮表面粘着的污染物对气动特性带来的不良影响，同时能保证起落架收放机构、舵轴颈部位和活动翼结合部位机构的正常运动，对提高机上电子设备的感应灵敏度也有一定好处。随着城市现代化程度的提高，对飞机外观质量和清洁度要求愈来愈高。国外民用飞机一般每隔l0日至15日必须定期清洗一次，我国军用飞机推荐的清洗周期一般为较好地区90天、中等地区45天、恶劣地区15天、沿海地区7天。由于世界各国都在不断装备最新的客货运输飞机及军用飞机，飞机数量不断增加，这就使得飞机表面清洗成为一项繁重、耗时、耗资的工作。此外飞机表面的常规清洗看起来好象颇为简单，实际却是一个很重要、很复杂、技术性很强的工作，不当的清洗方法会对飞机造成新的腐蚀隐患。随着科学技术的发展及社会的进步，飞机表面清洗的机械化、自动化问题越来越被人们所重视，飞机表面清洗设备已成为现代化机场不可或缺的机械设备。其原因是常规的手工刷洗方法不仅效率低，且难以满足清洗质量要求。利用机械化飞机表面清洗设备不但可以节省劳动力，减轻工人劳动强度，提高清洗质量，而且节约了飞机地面停留时间，提高了经济效益。正因如此，许多大中城市的飞机场开始陆续引进飞机表面清洗设备，对飞机表面清洗设备的需求呈现出不断增长的趋势。虽然目前飞机表面清洗设备是机场中的重要配套设备，然而自动化、智能化的飞机表面清洗设备一直没有受到足够的重视，这在很大范围内制约了飞机表面清洗设备优势的发挥，使得飞机表面清洗工人的劳动强度和危险性仍然很大，清洗效率也满足不了时代发展的要求。实现飞机表面清洗作业的自动化，用机器人来替代人工清洗操作，将会大大节约劳动力，降低工作人员的劳动强度，提高清洗效率，同时也降低飞机的非营运时间。所以开展机器人飞机表面清洗作业、提高飞机表面清洗作业的自动化水平，是目前急需解决的问题。基于这种现状，国外学者提出了飞机表面清洗设备机器人化的设想。其主体思想就是将机器人技术引入飞机表面清洗设备的自动控制中，使其具有机器人的功能，即在清洗飞机表面时，清洗设备能够按照程序设定的轨迹和位置自动完成飞机表面清洗工作。目前德国、美国、日本等国家已开展了飞机表面清洗机器人的研究工作，并做了一些有益的尝试，国外实践表明，采用机器人清洗飞机表面一般可提高劳动生产率一倍以上，节约水资源50以上，降低工程成本50左右。目前国内对此项技术的研究尚处于空白状态。近儿年来我国航空事业发展很快，国内几大航空公司已经接近或达到发达国家的水平。伴随着航空事业的迅速发展，飞机表面清洗机器人在我国将会有很大的应用市场。12 机器人技术发展历程及冗余度机器人研究进展121 机器人技术的发展历程机器人的诞生是人类20世纪最具代表性的科技之一，机器人的研究和应用对提高劳动生产率、推动科技发展具有重要意义，同时也成为衡量一个国家制造业自动化水平和科技水平的一个重要标志。两院院士宋健曾指出：“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代晟高意义上的自动化”。国外机器人发展历程及趋势英语中的机器人(Robot)-词来源于1921年捷克斯洛伐克的剧作家Karel Capel创作的一部科幻剧本RuR(Rossums Universal Robots)。1947年美国原予能委员会的阿尔贡研究所开发了可代替人处理放射性物质的遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手；1954年美国Devol发表了“通用重复型机器人”的专利论文，首次提出“工业机器人”的概念并申请了专利，该专利的技术关键是利用伺服技术控制机器人的关节，对机器人进行动作示教，机器人能完成动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现式机器人：1958年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型；1959年美国Unimation公司推出第一台工业机器人；作为机器人产品出售的最早的实用机型是1962年美国AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的Ummate机器人。70年代机器人进入实用化时代。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，1973年辛辛那提米拉克隆公司研制了第一台由小型计算机控制的工业机器人：1979年Unimation公司推出了多CPU两级微机控制的Puma系列工业机器人；同年日本山梨大学的牧野洋研制出的具有平面关节的SCARA型机器人在许多场合上得到了广泛的应用。此期间，日本结合国情面向中小企业采取了一系列鼓励使用机器人的措施，其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。80年代工业机器人进入普及时代，90年代初期工业机器人的生产与需求进入了高潮期，随后由于受到日本等国经济危机的影响，机器人产业也一度跌入低谷。近些年来随着世界经济的复苏，机器人产业又出现了一片生机。21世纪，计算机技术和人工智能技术的迅速发展使机器人在功能和技术层次上有了很大提高。当代机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点：一是机器人的应用领域在迅速地扩大，机器人的种类日趋增多；二是机器人的性能不断地提高，并逐步向智能化方向发展。除了在制造业中应用的工业机器人之外，机器人应用已逐步进入较制造业更为广阔的民用服务领域。各种机器人分别应用在军事、航天、资源开发、排险救灾、海洋开发、建筑、医疗、农林业、社会服务等方面。复杂的民用服务应用也对机器人的研究、设计和实现提出了更高的要求。应用于制造业的工业机器人和面向非制造业的智能机器人的研究、开发和应用，将成为2l世纪智能机器人的两个重要发展方向。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：工业机器人性能不断提高；机械结构向模块化、可重构化发展；工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；机器人中的传感器作用日益重要；智能机器人走出实验室进入实用化阶段；机器人化机械开始兴起。我国机器人的研究发展过程及发展战略由于我国对机器人的研究起步较晚，大约只有20多年的发展历史。80年代中期，国家将工业机器入开发列入科技攻关计划，建立了机器人示范工程；国家“863”计划又把智能机器人的研究和开发列为发展主题之一，从而使我国机器人事业有了长足发展，缩短了与发达国家之间的差距。在工业机器人方面，我国已具有独立开发设计机器人和控制器的能力，义经历“八五”攻关，逐步开展了机器人喷漆线、机器人点焊、弧焊机器人(如图11所示)的开发剌应用。图1-1焊接机器人 图1-2类人机器人 图1-3水下机器人Fig 1-1 Welding robot Fig 1-2 Apery robot Fig 1-3 Under water robot图1-4装配机器人 图1-5自动堆垛机器人 图1-6机器人化装载机Fig 1-4 Assembly robot Fig 15 Auto-pile robot Fig 1-6 Robotization loader在智能机器人和特种机器人的研究和开发方面，国防科技大学研制成功的“先行者”类人型机器人(如图1-2所示)，实现了机器人技术的重大突破；中科院沈阳自动化所研制的6000米水下无缆机器人(如图13所示)，该成果居世界领先水平；哈尔滨工业大学等单位在壁面清洗机器人、水下船体表面清刷机器人、装配机器人(如图14所示)、双臂协调控制机器人、管道机器人等机种上开展了不少工作。在机器人化机械开发应用方面，机器人技术已经成功地应用于多种工程机械的改造中，这在很大程度上提高了我国工程机械在国内、国际上的竞争力，大大刺激了其它工程机械的机器人化的研究。中科院合肥智能所和台肥义车厂研制的WD10型自动多向高架无轨堆垛机器人(如图15所示)、徐工集团和吉林工业大学2001年开发的ZL50G型机器人化装载机口”(如图1-6所示)、1999年由国防科技大学和江麓-浩利机械有限公司联合研制了W1102DZ型压路机器人1261(如图1，7所示)、自动摊铺机(如图l_8所示)性能均已达到了实用水平，其技术性能达到了90年代后期国际同类产品的先进水平。图1-7压路机器人 图1-8自动摊铺机Fig1-7 Roadmilerrobot Fig l-8 Autospreading machine另外，浙江大学、西南交大、中南工业大学开展了挖掘机器人的研究工作，东北大学郭立新等对混凝土泵车布料机构机器人化进行了探讨。在机群智能化工程机械研究上，徐州工程机械集团有限公司、三一重工股份公司和天津鼎盛工程机械有限公司三家承担单位取得了阶段性成果，于2002年12月通过了专家组组织的验收。但从整体上看，无论是单机智能化工程机械的种类，还是研究和开发的深度，与技术先进国家相比我国都还存在很大的差距，需要在原有成绩的基础上，结合国情，选择工业基础较好、共性技术较多和经济效益显著的工程机械产品进行信息化、智能化改造升级，有重点地系统攻关，才能形成可供实用的技术和产品，提高我国机械产品的国际竞争力，促进产业化的形成。我国机器人技术的研究重点应放在以实现技术跨越为目标的特种机器人研究、利用机器人技术对传统机械产品进行改造、发展新一代智能机器与系统等方面。122 冗余度机器人国内外的研究进展从运动学的观点来讲，冗余度机器人是指完成某一特定任务时，机器人具有多余的自由度。多余的自由度可用来改善机器人的运动学及动力学性能，如增加灵活性、躲避障碍、回避奇异、优化主运动任务下的关节速度、加速度、力矩、能量等辅助操作指标等。例如在工业焊接中，可以充分利用冗余度机器人的灵活性，实现对工作的多方位焊接，这样可以减少甚至节省换位机的设计与制造费用。因此冗余度机器人在机器人向智能化发展的研究中占有重要地位。设计出对环境适应能力强，拥有更高自主性及灵活性的机器人，就成了机器人发展的方向。多年来学者们在这一领域里进行了艰苦的研究工作，无论在理论研究发展上，还是在冗余度机器人的创新设计上都取得了丰硕的成果，为新领域新学科的开拓和发展提供了巨大的帮助。目前，国内外发表的关于冗余度机器人研究的文献主要集中于机构学(机构设计及研究)、运动学(逆运动学求解、奇异回避、障碍回避、最优运动性能等)等诸多领域。冗余度机器人机构学研究进展冗余度机器人因其本身几何结构具有高度的灵活性，得到了广泛研究，已成为机器人技术的一个重要发展方向。目前的研究己从一般的冗余度机器人操作手系统，扩展到多冗余度机器人系统以及超冗余度机器人，其机构学的研究也正成为机器人研究的热点。迄今为止，国内外已研制了多种冗余度机器人系统，一些产品已实现商品化。国外在冗余度机器人操作机设计研究方面，日本MITI机械工程试验室1974年就开发出了仿人形“MELARM”7-DOF双臂机器人，东京大学1979年研制了“UJBO T”7-DOF机器人操作手；1987年，日本MITI机械工程实验室又生产了一台用于缝纫的仿人形7自由度机器人。美国Robotics Research公司1987年设计了用于空间研究的、由两个7-DOF臂和一个3一DOF躯干组成17一DOF机器人系统；美国航空航天实验室研制T30-DOF的超冗余度机器人。法国研制了一种新的冗余度机器人平行机构闱，并利用此机构的冗余度克服了高速运动时的运动奇异。在国内，哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化所、北京航空航天大学率先开展了冗余度机器人的研究工作。哈尔滨工业大学1986年开发了象鼻子柔性臂，1995年研制出组合式多齿轮柔性臂，1996年研制了用于115自行火炮弹丸自动装填作业155HPI、155HP-II型7-DOF拟人手臂机器人系统，1999年又研制了9-DOF焊接机器人，解决了普通机器人不能焊接长缝的问题；北京航空航天大学研制成功了1台AARR型7-DOF机器人操作臂系统；中国科学院机器人开放实验室正在研制多机器人协调操作系统，其中1台机器人安装在具有视觉的可移动小车上，构成了更为复杂的冗余度机器人系统，最近又研制出一种超冗余度蛇型机器人；南开大学计算机系研制了机器人双臂协调系统，其中一臂为PUMA 560机器人，另一臂为PUMA760机器人，构成了具有冗余度的双臂协调系统；东南大学也正在研制1台视觉伺服双臂冗余度机器人系统；划辛军等人根据人体结构的形体特点，提出用球面三自由度并联机构代替拟人七自由度冗余手臂的肩关节、腕关节。冗余度机器人运动学研究进展随着计算机的发展，许多新技术应运而生，并且在理论上和实用技术上都得到了快速的发展。在机器人领域里也相继出现了许多新的与计算机相关的数值求解法，用以替代以往手操作的图解法和解析法，为机器人学的发展开拓了广阔的前景。由于冗余度机器人的关节自由度数多于任务给定的位姿自由度数，冗余度机器人在究成给定工作任务过程中关节可以自由运动，即运动学逆解不确定，机器人运动学逆解释机器人运动学的一个主要问题。如何在充分发挥多冗余度机器人灵活性的同时，确保冗余度机器人运动学逆解具有确定的解集，即在优化性能指标的同时如何获得稳定的逆解，成为当前学者们研究的热点。13国内外飞机表面清洗技术发展概况飞机表面清洗技术的发展可以分为三个阶段。第一阶段为手工操作阶段，由工人进行清刷工作。第二阶段为机械辅助人工操作阶段，利用专用的清洗机械辅助人工完成大型飞机的清洗任务，工作效率有所提高。第三阶段为自动化清洗作业阶段，自动化机械为飞机表面清洗工作提供了良好的条件和保障。131手工操作飞机表面清洗技术最早的飞机表面清洗是由工人手持单刷进行清洗作业的，如图1-9所示。图1-9人工清洗飞机表面Fig.1-9 Cleaning aircrafts surface by men清洗大型飞机时主要是借助于高空作业车（如图1-10、图1-11所示）等设备进行人工清洗，工人劳动强度大、效率低。清洗一架大型飞机，一个20人的清洗班组要耗时5h，人均挥刷近10000次以上。另外，由于飞机地面停留时间长，经济效益有所降低。图1-10高空作业车 Fig 1-10 Vehicle working in high altitude图1-11 高空作业平台132机械化飞机表面清洗技术随着大型飞机的出现以及飞机数量迅速增加，纯粹手工清洗操作已经满足不了时代对飞机清洗的高效率、高质量的要求，从而出现了专门用于飞机表面清洗的专用飞机表面清洗车。目前各飞机场站应用的飞机表面清洗车，如图1-10、1-11所示，多数为利用升降平台或举高车改装而成。清洗时靠升降平台或举高车承载清洁工首先利用喷枪喷洗涤剂，然后用高压水枪冲洗，冲不掉的地方或飞机的关键部位用刷子擦去尘土及污物。清洗作业基本还属于手工作业，方法虽简便易行，但劳动强度大，并且清洗时存在着很大的危险隐患。首先，站在升降平台或举高车上的清洁工在高处作业具有一定危险性，另外飞机每一块蒙皮对水压的要求都不同，水枪喷射出的高压水，容易导致飞机电子仪器设备损坏。可见，常规清洗不仅效率低，且难以满足清洗质量，对飞机设备的安全性能也带来了一定的危害。随着飞机数最的增加，清洗作业也不断增加，为了减少劳动力、削减经费，开发全自动飞机表面清洗车显得越来越重要了。90年代初人们开始寻求自动化和机器人技术在飞机表面清洗这一行业上的应用，并取得了很大的进步，日本、美国，德国在90年代后期相继开发出了飞机表面清洗机器人。133机器人飞机表面清洗技术(1)龙门式飞规表面清洗机器人1-3日本成田的新东京国际航空机场装备了计算机控制的龙门式飞机表面清洗机器人，如图1-12（a）所示。此机器人装置是由日本航空和川崎重工共同利用10年时间总耗资20亿日元开发出来的。该装置宽90米，高262米，长100米，铁架结构。装置在对应于飞机头部、机身前部、机身下部、机身后部、主翼、水平尾翼、垂直尾翼等位置处共安装了16台机器人，每台机器人手臂上安装了清洗刷，并在各个刷子的前端和清洗机器人各处安装了喷射水和清洗液的喷嘴。清洗时飞机由牵引车拉入装置内，然后利用仪器将测得的飞机准确位置传给计算机，同时利用此数据微调清洗装置的方位开始按一定顺序自动清洗机体，如图l-12(b)、1-12(c)、112(d)所示。机器人手臂达不到的地方或用机器人不易清洗的地方再由人工利用长刷进行清洗。利用该自动清洗机器人清洗一架巨型客机足需5名机务人员约100分钟就能完成。(a) (b)(c) (d) (a)龙门式飞机表面清洗机器人全貌； (b)清洗机器人正在清洗飞机头部；(c)清洗机器人正在清洗飞机机身部位； (d)清洗机器人正在清洗飞机机翼部位 图1-12龙门式飞机表面清洗机器人Fig1-12The type of Long Men aircrafts surface cleaning robot(2)长臂式移动清洗机器人4-12图1-13长臀式飞机表面清洗机器人FigI-13The type of long arm aircrafts surface cleaning robot德国汉萨航空公司委托普茨迈斯特公司经过近5年的开发，研制出了长臂式飞机表面清洗机器人，如图1-13所示。目前已在德国法兰克福机场上岗工作。该清洗机器人的主要组成部分有机械系统、计算机、组合传感器、机器人控制器及液压系统，其核心部件是AEG公司的IRC250机器人控制器和道尼尔公司的激光器。首先利用微机对航空公司的整个机队的飞机外形进行编程，并将飞机的机型数据输入计算机。工作时，机器人位于飞机的两侧，利用专用激光摄像机确定出机器人的精确工作位置，利用传感器得到飞机的三维轮廓，并将此信息送往计算机进行处理。计算机将机器人当前的位置与所存储的飞机的数据模型进行比较并由当前的位置计算出机器人的坐标。机器人开始清洗时，由装在车后部的AEG的IRC250机器人控制器控制清洗滚刷，按照预定程序沿着飞机表面做清洗运动。清洗机器人的机械操作臂有9个自由度，它的机械臂向上可伸33米高，向外可伸27米远，且清洗机器人可以走近飞机，所以它可以清洗任何类型的飞机。由于机器人的臂很长，它能覆盖所有类型飞机表面的85只有机身下面等少数机器入达不到的部位或用机器人清洗不经济的部位需要用手工补擦。为了提高效率，手工擦洗可与机器人擦洗同时进行。通过使用机器人不仅减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，而且可以节省一半以上的水资源。例如，人工清洗一架波音747飞机需要100个工时，飞机在地面须停留10h，而机器人清洗仅需12个工时，飞机在地面停留23h。这样大大缩短了飞机的地面停留时间，增加了飞行营运时间，提高了经济效益。14我国飞机清洗技术的发展方向目前我国飞机表面清洗技术，基本处于手工清洗操作阶段和利用专用的清洗机械辅助人工完成清洗工作阶段，在智能化清洗技术方面还处于空白阶段。根据我们对国内各民用、军用机场的调查表明，各机场都存在飞机品种繁多的特点，长臂式飞机表面清洗机器人是我国飞机表面清洗车的发展方向。同时，我国在壁面清洗机器人、船体表面清洗机器人研究方面以及高空作业长臂类机器人化机械研究方面取得的进展，为我国飞机表面清洗机器人化研究提供了有益的经验。(1)我国清洗机器人研究概况图1-14壁面清洗机器人 图1-15擦窗机器人Fig 1-14 Wall-cleaning robot Fig 115 Windowcleaning robot目前，我国清洗机器人研究主要集中在用于建筑物的外墙壁、玻璃幕墙清洗的爬壁机器人，如图1-14、1-15所示。哈尔滨工业大学13、上海大学14-15、上海交通大学16、北京航空航天大学17-18等单位在这方面的研究较多，并有产品研制成功。此类机器人起源于20世纪70年代的日本19-20，机器人主要依靠吸附力吸附在工作面上并移动。机器人按吸附功能分真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。真空吸附机器人是通过真空泵装置，使吸盘内腔产生负压或由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，使周围形成真空，使机器人吸附在壁面上。它不受壁面材料的限制，但当壁面凹凸不平时。吸盘容易漏气，降低了吸附力和承载力，它产生的吸附力远小于磁吸附。磁吸附要求壁面必须是导磁材料，对壁面的凹凸适应性强，不存在漏气问题且结构简单。推力吸附是依靠螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力，使机器人稳定可靠地吸附在壁面上。(2)我国长臂类机器人化机械研究概况所谓机器人化机器是指在传统机械中引入机器人技术，使其具有机器人的功能。这一概念最早是由蒋新松院士提出来的。机器人化工程机械是工程机械的发展方向，工程机械的机器人化研究，不仅方便了工程机械作业装置的设计、分析、校核，而且也将成熟的机器人技术应用到工程机械中，对实现工程机械的自动化、提升工程机械技术水平和产品档次以及对扩展机器人应用领域无疑也具有十分重要的意义21-22。国外在工程机械机器人化方面开展了大量的研究和开发工作。如沥青路面铺设全自动施工系统、地下共同沟全自动施工系统、机器人化建筑机械等已成为当今国际自动化技术发展的一个重要方向。1994年日本在清除长崎火山爆发区火山土石流采取了无人化施工，施工所用的机械(挖掘机、推土机、装载机和自卸汽车等)都是在几千米外安全地带操纵的。欧洲由产、学、研组成的联合研究团体在政府资助下，在深入开展单体智能化技术研究的基础上，开始了机群智能化技术研究和开发，标志着工程机械智能化的研究又向前迈出了一大步。我国在工程机械智能化方面的研究还处于起步阶段。国家863计划先进制造与自动化技术领域专家委员会，关于机器人技术主题重点支持了工程机械机群智能化和单机智能化。对个别机种的机器人化机器的研究已经初步得到实际应用，这些成果极大地提高了我国工程机械在国内的竞争力，有的甚至已经走向了国际市场，下面仅就长臂类机器人化机械研究作以简单介绍。喷浆机器人23-29喷浆支护是现代建设施工中广泛采用的支护方法，施工中也存在一些待解决的问题，如人工喷浆时回弹造成的飞沙走石使工人不敢抬头睁眼，致使无法保持喷枪与受喷面的垂直度和最佳距离。这样不仅浪费材料，而且混凝土结构疏密不一，不能保证喷层的质量。另外对大断面隧道，人工喷浆需要搭脚手架，影响施工进度且费工费料。 图1-16 大型喷浆机器人 图1-17 小型喷浆机器人Fig 1-16 Large concrete spray robot Fig 1-17 Small-sized concrete spray robot国外从60年代开始采用机械手喷浆，山东科技大学机器人研究中心从1994年开始着手喷浆机器人的研制。2000年初第一台大型喷浆机器人已完成，并在济南高速公路的隧道施工、西安至合肥的铁路隧道施工中开始投入使用，机器人运转正常。该系列喷射混凝土机器人（如图1-16、1-17所示）在同类产品中居国际领先水平。隧道凿岩机器人30-34 图1-18 隧道凿岩机器人 Fig 118 Tunnel rock drill robot早期的液压凿岩设备全由人工操作，操作人员熟练程度的差异往往会导致严重的“超挖”或“欠挖”，对工程的成本和工期都会产生不利影响。为了提高隧道开挖水平，世界上几乎所有的发达国家都推出了隧道凿岩机器人。中南工业大学于1998年开始了隧道凿岩机器人工程样机的开发，现已完成样机研制，如图9所示。该机器人是双臂型机器人，只要操作者在电脑上输入工作界面面积和炮眼数目，机器人便自动设计钻孔的疏密布局，并可以在任何坚硬的岩石上打出所需要的炮眼。伐根清理机器人35-36伐根清理是高效地利用伐区剩余物和伐区林地更新造林的关键。为了解决伐根清理中存在着劳动强度大、作业安全性差、作业效率低等问题，东北林业大学研制了一种智能型伐根清理机器人，如图10所示。该机器人主要由行走机构、机械手、液压驱动系统和控制系统等组成。其中机械手安装在具有行走功能的回转平台上，由回转盘、大臂、小臂和旋切提拔装置组成。为 图1-19 伐根清理机器人 Fig119 Eliminating roots robot能实现在各种不同坡度、地形进行清理伐根，机械手具有六个自由度。旋切提拔装置由万能切刀、提拔筒、四爪抓取机构等组成，在液压系统的驱动下可以实现各种俯仰、旋转、抓取动作。该机器人可在驾驶室内利用摄像镜头和显示器组成的实时监控系统对作业目标进行搜索，操作人员在机器人驾驶室内即可进行伐根清理作业。使用智能型伐根机器人促进人工更新造林、保护生态环境具有现实意义和广阔的应用前景。林木球果采集机器人37-38图1-20 林木球果采集机器人Fig 1-20Forest cone collecting robot目前国内外研制了多种球果采集机，如升降机、树干振动机等，由于这些机械本身都存在着这样或那样韵缺点，所以没有被广泛应用。目前在林区仍靠人工上树手持专用工具来采摘林木球果，这样不仅工人劳动强度大，作业安全性差，生产率低，而且对母树损坏较多。为了解决这个问题，东北林业大学研制出了林木球果采集机器人，如图11所示。该机器人由机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。其中机械手由回转盘、立柱、大臂、小臂和采集爪组成，整个机械手共有5个自由度。在采集林木球果时，将机器人停放在距母树35 m处，操纵机械手回转马达使机械手对准其中一棵母树，然后单片机系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采集爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采集爪沿着树枝生长方向趋近1-2m，然后采集爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重复上述动作；连捋数枝后，将球果倒入拖拉机后部的集果箱中。采集完一棵树，再转动机械手对准下一棵：试验表明，这种球果采集机器人采集落叶松果是人工上树采摘的30-35倍。另外，更换不同齿距的梳齿则可用于各种林木球果的采集。这种机器人采摘林木球果时，对母树破坏较小，采净率高，对森林生态环境的保护及林业的可持续发展等方面都有重要的意义。消防机器人39-40图1-21 消防机器人Fig1-21 Fire robot公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海市消防局经过3年的研究，联合研制出我国第一台消防机器人（如图1-21所示），己通过国家“863”专家组验收。该机器人可以行走、爬坡、跨障、喷射灭火，可以进行火场侦察。此次消防机器人的研制成功为我国消防部队装备自动化和智能化开辟了一个新途径。15本文研究的主要内容从目前能够检索到的文献中可以看出，关于飞机表面清洗机器人方面研究的报导还很少。一是目前国外对此方面的研究也处于起步阶段，涉及到知识产权、技术封锁等问题；二是由于研究的条件和环境所限，从事这项研究的群体还较小；三是这种超冗余机器人运动学的求解及控制比较复杂，技术实现存在一定困难。本论文以一种能够清洗大部分机型的飞机表面清洗机器人为研究对象，采用现代汽车理论、机器人技术、计算机仿真技术、多刚体动力学理论，对飞机表面清洗机器人将进行以下几个方面研究工作：1、论文系统综述了国内外机器人技术、飞机表面清洗技术的研究状况利发展趋势，在国内首次对机器人化飞机表面清洗车及其相关技术的研究现状和主要研究问题进行了深入分析，为飞机表面清洗机器人的进一步研究奠定了坚实的基础。2、论文对飞机表面清洗机器人本体结构方案进行了研究和设计。主要对机器人载车、手臂机械结构、整机动力性能及稳定性等关键技术进行了系统的研究。飞机表面清洗机器人是飞机场重要的设备。而臂架系统是飞机表面清洗机器人重要的工作部件之一，要求臂架系统具有较高的整体刚度和强度、良好的工作适应性和可靠性。同时利用SolidWorks软件对机器人手臂最危险工况下的结构强度进行了有限元分析，确保了机器人结构设计的合理性。可以说这项研究为机器人开辟了一个新的应用领域。3、本文主要针对飞机表面清洗机器人臂架系统、回转机构等进行了设计，同时运用软件对飞机表面清洗机器人的结构进行了建模、运动仿真和结构分析。利用SOLIDWORKS进行飞机表面清洗机器人的臂架、转塔、支腿的设计,建立了飞机表面清洗机器人的模型，并进行虚拟装配及运动仿真。建立的几何模型为后续分析提供模型数据。利用SOLIDWORKS建立的几何模型数据进行有限元分析，经过简化建立有限元模型，对部分重要结构进行了结构分析，提高了结构的强度及合理性。4、论文对飞机表面清洗机器人运动学进行了研究。飞机表面清洗机器人属于多冗余自由度空间机构，这就决定了手臂位姿具有不确定性。运动学设计是保证机器人在飞机表面进行平稳、有规律运动的关键技术。本文利用冗余度机器人运动学理论推导了飞机表面清洗机器人的运动学方程，计算了机器人运动方程的正解，推导了机器人的雅可比矩阵，对清洗机器人手臂进行了速度分析，为该机器人的工程应用提供了设计理论依据和基础。5、本文运用了现代设计方法。并行设计提高了整车一次设计成功的概率，缩短了从设计到整车试制成功的周期，可为企业赢得市场和利润。6、对全文进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。第二章 飞机表面清洗机器人结构设计与分析第二章 飞机表面清洗机器人总体结构设计21引言飞机表面清洗机器人的主要任务是清除飞机表面所附着的污染物。机器人的工作面是飞机外表面，考虑到不同飞机表面曲率变化的差别，本章设计了以汽车底盘为载车、机器手作为执行机构的移动式飞机表面清洗机器人。在简单介绍了飞机表面清洗机器人的结构和工作原理的基础上，进一步对机器人总体结构、动力性能、稳定性进行了研究。进而对机器人手臂进行了结构设计及强度的有限元分析，并设计了机器人手臂的液压驱动系统，为以后深入地研究机器人的运动学、轨迹规划及控制打下基础。22飞机表面清洗机器人结构组成及工作原理飞机表面清洗机器人由运输平台和安装在其上的机器手组成，结构如图2-1所示。运输平台选用标准汽车底盘，可以自主驱动：机器手由机器人手臂、液压系统、计算机控制系统等组成；机器人手臂由回转工作台、第一臂架、第二臂架、第三臂架、第四臂架、第五臂架、清洗滚刷组成，第五臂架前后两部分由腕关节联结。图2-l飞机表面清洗机器人结构示意图Fig2-1 The structure of a aircrafts surface cleaning robot该机器人共有13个自由度，包括1个整机移动自由度、9个计算机程序控制的关节回转自由度、2个由接触传感器控制的滚刷位姿误差自适应调节自由度、1个滚刷回转的局部自由度。机器人的驱动系统采用了具有输出功率大、精度高及响应速度快的液压伺服驱动方式，控制系统采用计算机集中控制方式。工作时，计算机按照预先编好的程序，控制液压系统驱动整个机器人可由回转工作台带动机器人绕底座回转，各手臂可以绕各自关节转动，使机器人手臂带动滚刷沿预定轨迹运动，实现清洗刷的移动和滚动。机器人拥有的冗余自由度，保证了机器人末端的清洗滚刷能到达机器人工作区间的任意点，并能够自主、灵活的完成各种复杂轨迹的运动，实现了对不同类型飞机表面的自动清洗工作。2.3 飞机表面清洗机器人臂架系统设计2.3.1 臂架折叠方式图2.2臂架折叠型式臂架系统主要由多节臂架、连杆、油缸、连接件铰接而成的可折叠和展开的平面四连杆机构组成，根据各节臂架间转动方向和顺序的不同，臂架有多种折叠型式，如：R型、Z型（或M型）、综合型等。各种折叠方式都有其独到之处。R型结构紧凑；Z型臂架在打开和折叠时动作迅速；综合型则兼有前两者的优点。具体的结构型式如图2.2所示。本设计采用的折叠方式如图2.3所示，为Z型，臂架在打开和折叠动作迅速。图2.3Z型臂架折叠2.3.2臂架结构特点臂架可简化为一个细长的悬臂梁，其主要载荷为自重。它要求臂架强度大、刚性好、重量轻、因此，臂架的结构一般设计成四块钢板围焊而成的箱型梁，材料选用高强度细晶粒合金结构钢。具体型式如图2.4所示。图2.4臂架的典型型式2.3.3连杆的结构连杆一般为直杆或弓形的二力杆，也有三角结构的连杆，如图2.5所示。图2.5连杆的几种典型形式2.3.4臂架油缸结构型式各节臂之间用液压油缸支撑，油缸为臂架运动提供动力，它有压力有推动活塞前后运动，从而驱动平面四连杆机构中的臂架绕铰接轴转动。缸体的进油口应设有液压锁，以防治液压软破裂时发生臂架坠落事故。具体结构如图2.6所示。1端盖；2阀安装板；3缸筒；4支撑环；5密封圈；6活塞；7活塞杆；8端盖；9压板；10耳环图2.6油缸的结构简图2.4泵车转塔结构转塔主要由转台、回转机构、固定转塔（连接架）和支撑结构等几部分组成。转塔安装在汽车底盘中部，行驶时其载荷压在汽车底盘上；而工作时，底盘轮胎离开地面，底盘挂在转塔上。整个飞机表面清洗机器人（包括底盘、臂架系统和转塔自身）的载荷由转塔的四条支腿传给地面。臂架系统安装在转塔上，转塔为臂架提高一个稳固的底座，整个臂架可以在这个底座上旋转，每节臂架还能绕各自的轴旋转，转塔的四个支腿直接支承在地面上。2.4.1转台结构转台是由高强度钢板焊接而成的结构件，作为臂架的基座，它上部用臂架连接套与臂架铰接，下部用高强度螺栓与回转支承相连，主要承受臂架载荷，同时可随臂架一起在水平面内旋转。结构如图2.7所示。图2.7 转塔结构简图2.4.2回转机构图2.8 回转机构结构简图回转机构集支承、旋转和连接功能于一体，它由高强度螺栓、回转支承、回转减速机、主动齿轮和过渡齿轮（按强度取舍）组成。结构如图2.8所示。回转减速机带动主动齿轮，经过渡齿轮驱动回转支承外圈，实现回转支承内外圈之间的慢速旋转。回转支承的外圈与上部转台、内圈与下部固定转塔用高强度螺栓相连，内外圈之间由交叉滚子（或钢球）连接。因此，它上部连接的臂架、转台与固定转塔之间即可实现低速旋转，而臂架、转台的工作载荷通过回转支承传给固定转塔。2.4.3 固定转塔结构固定转塔是由高强度钢板焊接而成的箱型受力结构件，是臂架、转台、回转机构的底座。混凝土泵车行驶时主要承受上部的重力，而混凝土泵车泵送时主要承受整车的重力和臂架的倾翻力矩。同时高强度钢板围焊的空间，又可做液压油箱或水箱。因此，它既要有足够的强度和刚性，又要有良好的密封性。如图2.9所示。图2.9 固定转塔结构简图2.4.4支承结构支承结构的作用是将整车稳定地支承在地面上，直接承受整车的负载力矩和重量。图2.10为经常使用的后摆伸缩型支腿的支撑结构，由四条支腿，多个油缸组成。其中四条支腿、前后支腿展开油缸、前支腿伸缩油缸和支撑油缸构成大型框架，将臂架的倾翻力矩，臂架系统的反作用力和整车的自重安全的由支腿传入地面。支腿收拢时与底盘同宽，展开支撑时能保证足够的支撑跨距。工作状态下，飞机表面清洗机器人在工地上的占地空间和整车的支撑稳定性由负载力矩、结构重量、支撑宽度、结构力学性能、支撑地面状况等因素决定。因此，它应具有合理的结构形式、足够的力学性能和有效的支撑范围，保证其承载能力和整车的抗倾翻能力，确保泵车工作时的安全稳定性。同时，应将支腿支撑在有足够刚度的或用其它材料按一定要求垫好的地面上，且整车各个方向倾斜度不超过，为此，在混凝土泵车左右两侧各装有一个水平仪来辨别倾斜度。图2.10 支撑结构简图第三章 臂架系统详细设计第三章 臂架系统详细设计3.1臂架箱型结构分析为减轻臂架重量，提高臂架强度，刚度和稳定性是改善臂架性能的主要途径。可采用高强度材料，合理选择截面形状，使臂架自重减小，充分利用材料，正确的设计计算方法往往带来事半功倍的效果。臂架有多种截面形式，如图3.1所示，其中矩形截面是由翼缘板和和腹板焊接而成的10。于其它截面相比，矩形截面的制造工艺简单，具有较好的抗弯能力和抗扭强度。图（a）的截面型式较好，整个臂架应力流畅，无明显力流阻滞和应力集中，而且重量较轻。图3.1 臂架箱型结构3.2臂架钢板及焊接性能3.2.1钢板性能泵车臂架钢板采用瑞