毕业设计 爬壁式机器人设计

毕业设计（论文）题题目目爬壁式机器人设计专业班级专业班级光机电一体化工程（08 级）姓姓名名指导教师指导教师所属助学单位所属助学单位20112011 年年1212 月月2 2 日日第 1 页目录目录前言前言. 2第一章第一章.3总体结构. 31.1 机械结构. 31.2 控制系统硬件. 41.3 传感导引系统. 9第二章第二章.142.1 爬壁机器人磁吸附原理.142.2 磁吸附技术简介. 142.3.电磁铁吸力及选材.14第三章第三章.163.1 一种新型磁轮单元.163.2 磁轮分析. 16第四章第四章爬壁机器人的力学分析. 184.1 爬壁机器人静力学分析.184.2 爬壁机器人动力学分析.19结论结论. 21参考文献参考文献.21致谢致谢. 21第 2 页摘要摘要爬壁机器人,是极限作业机器人的一个分支,它的突出特点是可以在垂直墙壁表面或者天花板上移动作业爬壁机器人能吸附于壁面而不下滑,实现的方法主要有两种:负压吸附与磁吸附介绍一种新型爬壁机器人，它以超声串列法自动扫查和检测在役化工容器筒壁对接环焊的危害性缺陷。 本文将着重介绍了它的机械结构及位置调整运动控制算法。 这种机器人采用磁轮吸附和小车式行走，利用磁带导航，光纤传感器检测，具有结构紧凑、导航性能好、位置调整方法可行和定位精度高等特点。 本文将介绍的爬壁机器人为超声串列自动扫查机器人是以某炼油厂加氢反应器为具体的应用对象，用来以超声串列法自动扫查和检测筒壁对接环焊缝的危害缺陷而研制的，并按 JB4730-94压力容器无损检测的要求，用超声串列法检测。 超声串列法要求一发、一收探头中心声束保持在一个与焊缝中心线相垂直的平面内，收发探头相对于串列基准线须保持等距、反相、匀速移动。 由于采用手动检测，操作难度大，重复性差，可比性差而难以实施。 对于这种用在圆形筒壁上在役检测的机器人， 丹麦的 force 公司研制了多用途模块磁轮扫描仪 AMS-9、AMS-10 等系列磁轮爬壁机器人，日本的 Osaka Gas Co。 Ltd 公司研制了磁轮爬壁检测机器人，但是售价昂贵。 从文献及报道方面看，国内对于这种在役磁轮式爬壁机器人还少有实用化的样例，也缺乏这方面的机械结构及自动控制装置的研究，因此，对大厚度焊缝的超声波探伤自动扫查爬壁机器人的研究是十分必要的。关键词关键词：机器人技术 爬壁机器人 磁吸附前言前言机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种模仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和发展，不但传统的工业生产和科学研究发生革命性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。随着机器人技术的不断发展，机器人的小型化、微型化成为机器人技术发展的重要方向之一。开发一种小型、便携的爬壁机器人在军事和民用方面都具有重要意义。在军事方面，它可以被投放在敌后，爬行于建筑物的外墙或玻璃壁面上，对室内的情况进行侦察；或者充当可移动的爆破物，近距离杀伤敌方的重要设施和人员。爬壁机器人作为工业用机器人的一种，指的是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，可以代替人工在高空、毒气毒液、辐射、水下第 3 页等高危环境下进行特种作业，在热电厂、造船业、核工业、石化天然气业等领域有广泛的应用，随着技术的日趋成熟，应用范围的拓展，越来越受到各国科研部门的重视第一章第一章总体结构总体结构本样机由机械部分、控制部分、导航传感检测部分组成。1.1 机械机械结构结构本样机的机械部分由导轨滑块运动体、左右磁轮运动体组成。 样机及结构简图如图 1。设 o 1 x1 y 1 为机器人的坐标系，其中原点 o 1 在机器人 4 个轮子布局的对称中心点上，x 1 为机器人左右磁轮的对称中心线，y 1 平行于串列扫查探头的导轨。 图中所示 oxy 坐标的 x 轴，相当于是固定在筒壁上的，与串列扫查基准线重合，y 轴是与其垂直的坐标，o 与 o 1 重合。 在这里所谓的串列基准线是串列扫查时，作为一发一收两探头等间隔移动的所定相对对称基准线，一般设定为在离探伤面距离为 0。5 跨距的位置。本文中左指的是 y 1 方向,反之为右方向。 各部分的工作原理如下：(1)左右磁轮运动体整个扫查机器人靠 4 个磁轮的吸力吸附在圆筒壁上,由磁轮的运动带动机器人前进、 后退，以及调整机器人的位置和方位，在这里我们选用磁轮而没有用履带，这有利于达到串列扫第 4 页查对运动精度的要求。 机器人左右各有两个磁轮，各由交流伺服电机经谐波减速器减速、同步齿形带传动,带动磁轮沿壁面运动,两个磁轮通过齿形带均可运动,所以都是主动轮， 这样左右磁轮的运动形成机器人的两个自由度。 当两个电机同时驱动 4 个轮同向等速转动时,机器人向前后移动，当左边的 2 个磁轮的速度大于右边的两个磁轮的速度时，机器人向右偏转; 反之，向左偏转。 (2)导轨滑块运动体采用交流伺服电机经齿轮减速器和同步齿形带带动两滑块在导轨上运动， 形成机器人的第三个自由度。 由于两滑块分别固联在啮入齿形轮的一边和离开齿形轮的另一边的齿形带上，所以两滑块随着齿形带的运动而在导轨上同向或反向直线运动，带动固定在滑块上的探头相对机器人中心线同向或反向运动。调整爬壁机器人的中心线与串列基准线相平行，就可确保收、发探头相对串列基准线等距离运动,符合串列扫查的运动要求。同时电机与光电码盘连接,通过计数脉冲算出收发探头入射点间距离,通过与壁面压紧的滚轮和与之相联的光电编码器检测机器人方向前进、 后退距离。3 个自由度的运动用工控机伺服控制,通过软件编程来实现。1.2 控制系统硬件控制系统硬件该微型爬壁机器人采用 12 个微型电机驱动，4 个接触传感器，4 个压力传感器，以后还要增加用于壁障的红外传感器和用于采集现场信号的微型摄像头，所以对主控制器的要求较高。设计中，最终选定 Philips 公司最新开发的基于 32 位 ARM7TDMI-S 内核的低轼耗 ARM 处理器LPC2104 作为控制系统主控制器。LPC2104 具有以下特性：*128KB 片内 Flash 程序存储器，带 ISP 和 IAP 功能；*16KB 静态 RAM；*向量中断控制器；*仿真跟踪模块支持实时跟踪；*标准 ARM 测试/调试接口，兼容现有工具；*双 UART，其中一带有调制解调器接口；*高速 I2C 串行接口，400kb/s；*SPI 串行接口；*2 个定时器分别具有 4 路捕获/比较通道；*多达 6 路输出的 PWM 单元；第 5 页*实时时钟；*看门狗定时器；*通用 I/O 口；*CPU 操作频率可达 60MHz；*两个低功耗模式，空闲和掉电；*通过外部中断，将处理器从掉电模式中唤醒；*外设功能可单独使能/禁止实现功耗最优化；*片内晶振的操作频率范围 1025MHz；*处内 PLL 允许 CPU 可以在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。微型爬壁机器人控制系统的原理框图如图 2 所示，选用 LPC2104 作为嵌入式控制器。为提高系统效率和降低功耗，功放驱动电路采用基于双极性 H-桥型脉宽调整方式 PWM 的集成电路L293D。L293D 采用 16 引脚 DIP 封装，其内部集成了双极型 H-桥电路，所有的开量都做成 n 型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。L293D 通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外，L293D 将 2 个 H-桥电路集成到 1 片芯片上，这就意味着用 1 片芯片可以同时控制 2 个电机。每 1 个电机需要 3 个控制信号 EN12、IN1、IN2，其中 EN12 是使能信号，IN1、IN2 为电机转动方向控制信号，IN1、IN2 分别为 1，0 时，电机正转，反之，电机反转。选用一路 PWM 连接 EN12 引脚，通过调整 PWM 的占空比可以调整电机的转速。选择一路 I/O 口，经反向器 74HC14 分别接 IN1 和 IN2 引脚，控制电机的正反转。为了节省 LPC2104 的 I/O 口资源，选用2 片 74LS138 和 IN2 引脚， 控制电机的正反转。 为了节省 LPC2104 的 I/O 资源， 选用 2 片 74LS138译码器对 I/O 口进行扩展，每片分别选用 3 路 I/O 作为输入信号和 1 路 I/O 作为片选信号，这样就可以将 8 路 I/O 口扩展或 16 路 I/O 口。如前所述，因为直注电机采用 PWM 调速，这样每 1个电机至少需要 1 路 PWM，12 个电机需要 12 路 PWM，而 LPC2104 只有 6 路 PWM 输出，所以选用2 片电平锁存器 74LS373 使 12 个电机分成 2 组共用 6 路 PWM 信号。第 6 页接触传感器由外层管和内部超弹性线构成， 内外两层通过硅管隔开。 当内线和外层接触时，开关关闭。通过这种方法，接触传感器向 LPC2104 发送信号，借此来控制吸盘的方向。从压力传感器来模拟信号经 A/D 转换器转换成数字信号，LPC2104 通过压力传感器来的信号来判断吸盘是否安全的吸附在墙壁上。LPC2104 还可以通过串口 RS232 和上位机进行通信。控制系统软件设计微型爬壁机器人控制系统软件选用嵌入式实时多任务操作系统C/OS-II。 它是一个源代码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用 ANSIC写的，移植方便，且运行稳定可靠。目前，它已经在几十种从 8 位到 64 位的微处理器、微控制器上实现了成功的移植。下面首先介绍C/OS-II 在 LPC2104 上的移植过程，然后介绍微型爬壁机器人控制软件的设计。C/OS-II 在 LPC2104 上的移植移植C/OS-II，主要包括：设置堆栈的增长方面，声明 3 个宏（开中断、关中断和任务切换），声明 10 个与编译器相关的数据类型；用 C 语言编写 6 个与操作系统相关的函数（任务堆栈初始化函数和 5 个钩子函数）；用汇编语言编写 4 个与处理器相关的函数。用汇编语言编写的 4 个与处理器相关的函数如下：OSStartHighRdy()用于在调度中使最高优先级的任务处于就绪态并开始执行；OSCtxSw()完成任务级的上下文切换；OSIntCtxSw()完成中断级任务切换，其过程与 OSCtxSw()类似，只是在执行中断服务子程序后可能使更高优先级的任务处于就绪态；OSTickISR()是系统节拍中断服务子程序。1OS_CUP.H 的移植C/OS-II 不使用 C 语言中的 short、int、long 等数据类型的定义，因为它们与处理器类型有关，隐含着不可移值性，所以代之以移值性强的整数数据类型，这样，既直观又可移值。第 7 页在C/OS-II 中，使用 OS_ENTER_CRITICAL()和 OS_EXIT_CRITICAL()开中断和关中断来保护临界段代码。ARM 处理器核的用户模式和执行 Thumb 代码时，不能改变处理器的开中断位 I。为了兼容各种模式，使用软中断指令 SWI 使处理器进入管理模式和 ARM 指令状态，即使用SWI0 x02 关中断，使用 SWI0 x03 开中断。C/OS-II 使用结构常量 OS_STK_GROWTH 指定堆栈的增长方式， 0 表示堆栈从低地址往高地址增长，1 表示堆栈从高地址往低地址增长。虽然 ARM 处理器核对于两种方式支持，但 ADS 的 C语言编译器仅支持一种方式，即从高地址往低地址增长，并且必须是满递减堆栈，所以OS_STK_GROWTH 的值为 1。以上内容在文件 OS_CPU.h 中做如下定义。TypedefunsignedcharBOOLEAN;/*布尔变量*/TypedefunsignedcharINT8U;/*无符号 8 位整型变量*/TypedefsignedcharINT8S;/*有符号 8 位整型变量*/TypedefunsignedshortINT16U;/*无符号 16 位整型变量*/TypedefsignedshortINT16S;/*有符号 16 位整型变量*/TypedefunsignedintINT32U;/*无符号 32 位整型变量*/TypedefsignedintINT32S;/*有符号 32 位整型变量*/TypedeffloatFP32;/*单精度浮点数（32 位长度）*/TypedefdoubleFP64;/*双精度浮点数（64 位长度）*/TypedefINT32UOS_STK;/*堆栈是 32 位宽度*/_swi(0 x02)voidOS_ENTER_CRITICAL(void);/*关中断*/_swi(0 x03)voidOS_EXIT_CRITICAL(void);/*开中断*/#defineOS_STK_GROWTH1/*堆栈由高地址向低地址增长*/2OS_CPU_A.ASM 文件的移值第 8 页OS_CPU_A.ASM 文件要实现在多任务启动函数中调用 OSSTartHightRdy()，任务切换函数OSCtxSw()，中断任务切换函数 OSIntCtxSw()和时钟节拍服务函数 OSTickISR（）这 4 个汇编函数的改写。上层任务调度部分不需要任何改动。3.23.2 系统任务划分及调度系统任务划分及调度系统任务划分嵌入式实时系统中的任务不同于前后台系统中的子程序模块，任务是处理机按程序处理数据的过程，是个动态的概念。一般，一个任务对应于一段独立的主程序。它可以调用各种子程序，并使用各种系统资源如中断、外设等，以完成某种预定的功能，且允许多个任务并行运行。嵌入式系统任务划分，是将系统中所有要处理的事情划分为一个个相对独立的任务模块，所有待处理的任务模块按顺序建立一个个的任务，并分配任务的优先级。在主程序中，所需要做的工作只是建立这些模块的任务，然后每次执行就绪任务队列中优先级最高的任务。根据微型爬壁机器人控制系统的性能指标和技术要求，对可系统进行如下的任务划分：前进、后退、左转弯、右转弯、串行通信、数据采样与数据处理等任务。任务调整C/OS-II 的任务调度是按优先级进行的，根据各任务的实时性要求及重要程度，分别置它们的优先级为 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_LOWEST_PRIO0 这几个优先级保留以被系统使用。优先级号越低，任务的优先级越高。为了在后台实时检测同步信号的变化，及时产生相应的事件，可直接利用嵌入式微控制器所提供的各种中断，通过对中断服务处理程序传递信号量，来唤醒等待同步信号的任务，使这个任务从挂起状态到就绪状态，送到 CPU 执行，从而达到实时处理的目的。在多任务系统中，消息、信号是系统能够在各个任务之间通信最常用的手段，其中，使用信号量是协调多任务最简单有效的手段。在C/OS-II 中，一个任务或者中断服务子程序，通过事件控制块来向另外的任务发信号。当微型爬壁机器人启动之后，首先通过接触传感器和压力传感器检测 4 只吸盘是否很好的与壁面吸合； 同时， 通过红外传感器检测前面是否有障碍物。如果一切正常就发送信号量给直线前进任务，直线前进任务接受到信号量开始运行，通过协调控制 12 个电机并配合相应传感器使爬壁机器人沿直线运行。 当红外传感器检测到前面有障碍物时，会进入中断程序，在中断程序中发送信号给停止任务，停止任务接收以信号量后运行。首先使机器人停下来调整好姿势确保机器人四足吸在壁面上，然后发送信号量唤醒左转或者右转任务，控制机器人绕过障碍物。以后还可以给微型爬壁机器人配备微型摄像头，对目标现场进行实时数据采集。总之，在微型爬壁机器人的控制系统中，信号、消息不断传递，使得各个任务不断切换运行，整个系统得以正确运转工作。第 9 页1.3 传感导引系统传感导引系统传感器分为内部传感器和外部传感器。 外部传感器为：(1)传感器检测导引方案采用在筒壁上沿平行焊缝方向贴导向带， 通过安装在车体上的 4 个对颜色敏感的光纤传感器(传感器固定在传感器盒上)来检测机器人本体的位置偏移和方位偏移。(2)由另一紧压壁面的自由轮带动的光电码盘检测 x 方向的移动距离。内部传感器为： x 向 y 向的运动控制用内部传感器,即是伺服电机轴上的 3 个位移光电码盘。以平行于焊缝的参考线为定位参考基准,布置好导向带,导向带采用表面光滑且无凹陷的磁条作为底层， 在磁条上铺设固定宽度的白色色带用于导航。 传感器的平面布置如图 2 所示。图中.1 x 1 y 1 为传感器盒坐标系，相当于是固定在机器人本体上的。 x 1 传感器对称中心线上与 x 1 轴平行，y 1 轴通过 1、2 传感器，. 1 为传感器坐标原点。. x y 为导引带坐标系，x 轴为与 x 轴平行且与导引带中心线重合,相当于是固定在筒壁上的坐标轴，. 为没有位置误差、方位误差时在 x 1 上与. 1 重合的点,y 垂直于 x f1(2)f4f2(3)两侧的吸附力变化方向相反，通过仿真计算得总吸附力变化不大：f3+f4f1+f2(4)同理，图 2d 中 f5 小于 f1，f6 大于 f2，吸附力得变化相互抵消，得：f5+f6f1+f2(5)图 2d 中，M2 是机器人其他零件对磁轮单元的作用力矩。(a)(b)(c)（d）图 2 磁轮和壁面的不同接触状态第 18 页第四章第四章 爬壁爬壁机器人的力学分析机器人的力学分析4.1 爬壁爬壁机器人静力学分析机器人静力学分析机器人参数如图 3 所示。下文变量说明：W：左轮、右轮轴线距离 (m)；L：辅助万向轮到左轮、右轮轴线距离 (m)；S：机器人重心 C 到左右轮轴线的距离(m)；H：机器人重心到壁面距离(m)。图 3 机器人参数示意图爬壁机器人在静止且不作业时受到以下力：G：爬壁机器人的重力 (N)；FmD：作用在左右轮轴线上的等效吸附力 (N)；FmS：作用在辅助万向轮上的等效吸附力 (N)；NL、NR 和 NAS：左轮、右轮和辅助万向轮与壁面的正压力 (N)；fL、fR 和 fAS：左轮、右轮和辅助万向轮与壁面间的摩擦力 (N)。在进行清理、补焊和磨削等作业时，机器人会受到作业产生的反力。实验证实磨削时的产生的反力在切向和法向都是最大，因此机器人在进行磨削作业时如果能保持稳定，不发生滑移和脱落，则在进行其他作业时也能保持稳定。第 19 页4.2 爬壁爬壁机器人动力学分析机器人动力学分析爬壁机器人的运动状态分为直线运动和转向运动。理论和实验表明当爬壁机器人原地转向时，要求单个驱动装置输出的驱动力矩和功率最大，是最易发生打滑及堵转失稳的工况。爬壁机器人原地转向运动过程中的平面受力状况如图 4 所示，图中 FL、FR 分别为作用在左右轮上的实际驱动力(N)， FfL、 FfR 分别为作用在左右轮上的侧向摩擦力(N)，FfAS为作用在滚动万向轮上的滚动阻力(N)。在坐标系XRYRZR中，爬壁机器人转向过程中的动力学方程为：其中 m ：为爬壁机器人质量 (kg)；Iz：以左、右轮轴线中点为中心的转动惯量(kgm2)；Vx、Vy：机器人在 XR、YR 方向上的线速度 (m/s)；VxVy：机器人在 XR、YR 方向上的加速度(m/s2)； ：机器人角速度 (rad/s)；图 4 爬壁机器人原地转向平面受力图第 20 页式中 ML、MR 分别为作用在左右轮上的驱动力矩(N.m)， FfrL、FfrR 分别为左右轮的滚动阻力(N)， D r 为驱动轮半径(m)。根据静力平衡关系得：根据爬壁机器人在壁面运行的实际情况，提出下列假设：爬壁机器人在运动过程中不出现滑移和侧滑，以匀速转动，即认为 x V、Vy及为零；同时，由于机器人转动角速度（01.67 rad/s）及线速度 Vx、Vy（02 m/min）小，离心力远小于机器人自重，故忽略离心加速度项的影响。根据上述假设，上式可简化为：第 21 页由上式分析可得，为防止驱动轮打滑，FmD 需至少大于一个临界值FmDRSK。结论结论本文主要讨论了磁吸附机器人及其磁吸附机构。本文还介绍了一种永磁体集中布置的曲面自适应磁轮单元。该磁轮单元能提供比普通同等质量的磁轮更大的吸附力，且在曲面上能保持吸附力基本不变。研究了磁吸附爬壁机器人的力学模型，通过对以上爬壁机器人结构和功能的分析，可以预见当微机械电子技术、微驱动器技术、高分子材料技术和能源供给方面等高科技领域发展到一定程度时，这种新型爬壁机器人的实用化才能变成现实。参考文献参考文献王丽慧. 水下船体表面清刷机器人及相关技术研究D. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2002田兰图. 油罐检测爬壁机器人技术及系统研究D. 北京: 清华大学, 2004桂仲成, 陈强, 孙振国, 等. 水轮机叶片修复机器人的移动平台J. 机械工程学报, 2006刘淑霞, 王炎, 徐殿国, 等爬壁机器人技术的应用J机器人, 1999, 21(2): 14致谢致谢在即将完成本科学习之际，首先我衷心感谢徐汉斌老师在毕业设计期间给予的无私的关心、帮助和指导。徐老师严谨的治学态度，一丝不苟的科研精神和对学术的执着追求将使我终身受益。同时在此期间，徐老师给予了我全面锻炼的机会，导师的悉心指导和严格要求使我的论文得以顺利进行。在此成文之际，谨向徐老师致以我最深切的敬意和最衷心的感谢。感谢在本科学习期间，给予我鼓励和帮助的所有同学及朋友。特别是养育我多年的父母。感谢对论文进行评审、提出宝贵意见的各位老师。第 1 页