第PAGE\*Arabic33頁目錄摘要 =1\#"#,##0.xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"1Abstract =2\#"#,##0.xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"2TOC\o1.緒論 Arabic11.1課題背景 Arabic11.2單吸盤輪式壁面爬行機器人 Arabic11.3磁吸附履帶式壁面爬行機器人 Arabic62.總體設計 Arabic102.1機器人的功能分析 Arabic102.2零件說明 Arabic102.3工作原理 Arabic133.機械機構設計 Arabic153.1機械機構總體布置說明 Arabic153.2各部件的設計計算 Arabic153.2.1機器人三個托盤的設計和布置 Arabic153.2.2連接螺釘的設計計算 Arabic153.2.3機器人的重量計算 Arabic164.氣動回路設計 Arabic184.1氣壓傳動系統的基本知識 Arabic184.1.1氣壓傳動系統原理 Arabic184.1.2氣動傳動系統的組成 Arabic184.1.3氣動傳動系統的分類 Arabic184.1.4氣壓傳動系統的特點 Arabic194.2氣動元件說明 Arabic204.2.1氣動馬達 Arabic204.2.2氣動控制元件 Arabic204.2.3流量控制閥 Arabic204.2.4方向控制閥 Arabic214.2.5氣動執行元件 Arabic214.3氣動回路圖 Arabic224.4氣缸的選擇 Arabic225.控制部分 Arabic24結論 Arabic28參考文獻 Arabic29致謝 Arabic30中英文摘要（此處省略）1.緒論1.1課題背景機器人是傳統的機構學與近代電子技術相結合的產物，是計算機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多學科綜合性高科技產物，它是一種仿人操作、高速運行、重復操作和精度較高的自動化設備。機器人技術的出現和發展，不但使傳統的工業生產和科學研究發生根本性的變化，而且將對人類的社會生活產生深遠的影響。

我國從1987年實施國家“863”高技術研究發展計劃以來，把智能機器人確立為自動化領域的主體之一，在特種機器人、機器人應用工程、機器人基礎學科等方面取得了很大成績。爬壁機器人是能夠在垂直陡壁上進行作業的機器人，它作為高空極限作業的一種自動機械裝置，越來越受到人們的重視。概括起來，爬壁機器人主要用于：

(1)核工業：對核廢液儲罐進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等;

(2)石化企業：對圓柱形大罐或球形罐的內外壁面進行檢查或噴砂除銹噴漆防腐;

(3)建筑行業：噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃等;

(4)消防部門：用于傳遞救援物資，進行救援工作;

(5)造船業：用于噴涂船體的內、外壁等。

壁面移動機器人必須具有兩個基本功能：在壁面上的吸附功能和移動功能．按吸附機能來分，可分為真空吸附爬壁機器人與磁吸附爬壁機器人：真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式，具有不受壁面材料限制的優點，但當壁面凹凸不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低；磁吸附法可分為永磁鐵和電磁鐵兩種，要求壁面必須是導磁材料，但它的結構簡單，吸附力遠大于真空吸附方式，且對壁面的凹凸適應性強，不存在真空吸附漏氣的問題，因而當壁面是導磁材料時優先選用磁吸附爬壁機器人。移動方式有車輪式、履帶式和足腳引式（分兩足和多足）等：車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對壁面的適應性強，著地面積大、不易轉彎；腳步行式移動速度慢，但帶載能力強．根據不同的吸附與移動方式可以組成多種不同形式的壁面移動機器人。

哈爾濱工業大學機器人研究所特種機器人研究室從1988年開始在國家“863”高技術的支持下，率先從事爬壁機器人的研究，已先后開發出兩個系列共5個品種的爬壁機器人，處于國內領先行列，在國際上也受到眾多同行的矚目。我們將分別介紹如下。1.2單吸盤輪式壁面爬行機器人我們研制的單吸盤輪式氣囊密封裝置的壁面移動機器人，有吸附機構和移動機構兩大部分，如圖1所示.移動機構由電機、減速器、車輪構成，吸附機構包括真空泵、壓力調節閥、密封機構等。圖1-1單吸盤輪式氣囊密封結構真空泵是產生負壓的裝置，其功能是不斷地從負壓腔內抽出空氣，使負壓腔內形成一定程度的真空度。為維持機器人負壓腔內的負壓，還需要有密封機構，使機器人可靠地吸附在壁面上并產生足夠的正壓力，從而使驅動機構產生足夠的摩擦力以實現移動功能。由于氣囊密封裝置具有較好的彈性，在壁面有凹凸時，通過氣囊的變形來減小縫隙的高度，可使機器人具有一定的越障能力，且充氣量可由調節閥來控制。調節彈簧的作用有兩個：一是為密封圈提供密封所必需的正壓力，二是提高氣墊對壁面的適應能力，還可起到減震的作用。負壓的控制通過調節真空泵的電機電壓來改變電機的轉速，同時采用負壓傳感器作為檢測元件，實時檢測負壓的變化，為調整壓力提供依據.設置壓力調節閥改變機器人本體內的真空度，可防止真空泵因腔內真空度過高而冷卻空氣較少而發熱。

1.2．1壁面爬行遙控檢查機器人

核廢液是儲放在儲存場地下的不銹鋼儲罐中，具有強的放射性腐蝕作用，國外只有少數國家能進行廢液固化處理，其他大部分還只能用儲存罐存放，所以定期對罐壁狀態進行檢測是當務之急。壁面爬行遙控檢查機器人是國家＂863＂高技術計劃智能機器人主題之一，包括爬壁機器人、帶機械手的運載小車、遙控工作站和超聲檢測系統，由哈工大機器人研究所、沈陽自動化所等5家單位協同攻關，經過5年時間研制成功的我國第一臺能進行遙控檢查的機器人，各項技術指標均達到了“863-512-13”技術合同，本項目獲1995年度航天工業總公司科技進步一等獎、1996年度國家科技進步三等獎。

我們研制的壁面爬行機器人是主題分系統之一，包括爬壁機器人本體和控制系統兩部分。其任務是攜帶超聲檢查系統、視覺系統、照明系統對核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷及外觀進行檢查，以便及時發現因核廢液腐蝕等原因造成的泄漏隱患，確保環境安全，爬壁機器人本體圖2所示。圖1-2壁面爬行遙控檢查機器人（1）主要技術指標

a)機器人爬行速度：0～2m/min(無級可調)；

b)機器人移動方式：全方位，電驅動；

c)控制方式：有線遙控，并可實現程序控制；

d)吸附方式：負壓吸附（正常負壓為－600mmH2O）；

e)機器人本體外形尺寸：≤550×650×250mm；

f)機器人本體重量：≤30Kg；

g)機器人最大負載：≤15Kg；

h)作業功能：負壓檢測、姿態檢測、接近傳感器、超聲檢查系統、視覺系統等。

（2）系統組成及功能

自主運載小車將機器人運達指定地點，由機械手將機器人送上壁面，作業完成后再取下送回。機器人本體實現在壁面上的吸附與移動，并能攜帶兩臺攝像頭，一臺超聲波探頭和兩臺照明設備，對核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷及外觀進行檢查。利用攝像機構成機器人的視覺系統，用來檢查路徑上的障礙和機器人運動的工作狀態，以便進行遙控。全方位移動機構由4個全方位車輪獨立驅動構成，全方位車輪與普通車輪的最大區別就是其輪上有一圈斜向放置的可自由滾動的斜滾子，它的獨特功能是不需輪子轉彎，即可橫行或任意方向斜行移動。

(3)控制系統

控制系統由3部分組成，（1）為維持負壓腔內的負壓需有負壓控制（如上略）。（2）全方位車輪的控制系統是由工業計算機STD總線為中心，通過計算機編程，控制4臺直流電機的轉速和轉向，使計算機在壁面上以不同的速度進行全方位移動。電機采用法國ALSTON公司生產的三位一體的直流伺服電動機，集電機、測速機和碼盤為一體，驅動器亦采用該公司的配套產品，采用雙閉環的模擬PI調節器，具有過流、過壓、過速和欠壓保護，性能可靠。（3）為使機器人能在壁面上走出平穩的直線，采用美國生產的傾斜計（LUCAS）作為姿態校正傳感器，使機器人行走系統形成姿態閉環控制，適時調整機器人的當前位置，使全方位車體的控制變得簡單，也給檢測系統帶來方便。

1.2．2CLR-1型壁面清洗機器人

隨著城市現代化建設步伐的加快，高層建筑越來越多，為美觀和實用化，建筑物的外壁多采用瓷磚和玻璃幕墻結構，但隨之而來的高樓清洗問題又一直困擾著人們，傳統的吊籃吊凳方式既危險、工作效率又低。如能利用爬壁機器人代替人工作業，既消除了人工作業的危險性，又減少了人力物力的浪費，提高了工作效率，這勢必將會帶來清洗業的一次革命。1994年開發的CLR-I型壁面清洗爬壁機器人，是專為瓷磚壁面的清洗而設計制造的，已提供給北京、深圳、香港等地。圖3為機器人清洗壁面。圖1-3機器人正在清洗壁面(1)主要技術指標

a)負重能力：5kg;

b)爬行速度：0～10m／min;

c)爬行高度：≤100m;

d)吸附方式：負壓吸附;

e)控制方式：有線遙控及PLC控制;

f)行走方式：雙輪式，無級調速;

g)作業功能：攜帶高壓水槍、旋轉刷可實現清洗作業自動化。

(2)機械部分

a)機器人本體：是該產品的核心部件，采用負壓吸附原理，使機器人本體吸附在壁面上，并能承載刷子的全部重量，它采用輪式驅動，可以自由地在壁面上行走并轉彎，并能依據獨特設計的氣墊密封機構跨越一定大小的瓷磚縫隙。

b)刷子：是該機器人工作的具體執行部件，由軟硬刷毛交替插制而成，在刷子本體上配有噴水管，可由閥來控制為刷子提供清水或清洗液，由力矩電機驅動，不僅可以擦去壁面的浮灰，而且還能對較硬頑漬起到清洗作用。

c)卷揚機構：主要起著承擔電纜及水管重量的任務，并且起到保險作用，工作時放在高樓的頂部，由普通交流電機驅動。

d)運輸小車：在該產品中起到運輸機器人，纏繞電纜、水管的作用。它由兩個纏繞滾筒及機器人支撐桿組成，電纜及水管在兩個滾筒上可以纏繞成“8”字，以避免擰勁。

(3)控制系統

電氣控制柜是整個控制系統的核心，包括一套可編程控制器、兩套電機驅動器、開關電源等。爬壁機器人的性質決定了對控制系統的可靠性有較高的要求，我們選用的是德國西門子公司的S7-200型PLC，包括一個CPU214基本單元和兩個擴展模塊EM235。電機選用北京微電機公司生產的稀土永磁直流力矩電機70LYX03，驅動器采用線性DC電機轉速控制器。鑒于本系統對調速指標要求不高，故采用電壓負反饋方式實現，并在此基礎上通過電流正反饋對電樞繞組的壓降進行補償，響應快、輸出穩定、無噪聲。操作者通過遙控器，控制機器人在壁面上自由地行走，以及控制水管噴水、洗滌劑、滾刷滾動，完成壁面的清洗任務。

1.2．3CLR-II型壁面清洗機器人

根據清洗行業急需清洗高層建筑玻璃幕墻清洗設備的要求，我們在I型基礎上開發了專為清洗玻璃幕墻的CLR-II型壁面清洗機器人，并于1998年得到國家“863”高科技機器人計劃資助。目前我國清洗玻璃幕墻都是人工作業，采用本設備后，可實現清洗作業的自動化，并提高作業的安全性，具有重要的社會意義和經濟效益。

(1)主要技術指標：

a)吸附方式：負壓吸附；

b)移動機構：兩輪、獨立驅動；

c)爬壁速度：1～8m／min，可調；

d)爬行高度：≤100m;

e)控制系統：計算機控制，帶遙控盒，電力載波通訊;

f)安全機構：帶安全吊掛小車，吊掛小車的伸臂可調，高度為1.5～1.8m;

g)作業功能：帶清洗幕墻玻璃的刷子與刮板，可進行8mm以上厚度的玻璃幕墻（無突起物）的清洗作業。

(2)系統組成及功能

1)爬壁機器人本體：為增強移動機構的可靠性，減輕移動機構的重量相應地增強爬壁機器人的承載能力，移動機構采用進口直流伺服電機、諧波減速器與車輪組成，在相同重量下，驅動功率提高近一倍。在車輪表面增加防水紋路，以增加有水時壁面與車輪間的間隙，可解決車輪遇水打滑問題。

2)清洗裝置：由噴霧嘴、擦洗器及雨刮組成。首先用噴霧嘴將水或水洗滌劑的混合物以霧狀的形式噴射到玻璃壁面，然后用擦洗器或布將污物去掉，最后用雨刮將墻面刮凈，清洗效果明顯，而且讓機器人通過已清洗過的壁面，移動時不會打滑。

3)給送水裝置：它懸掛在安全吊釣的下面，在機器人上面1m左右，與機器人一起上下移動。它既可實現自動送水又可實現定期灌水，由兩個液位計控制液面高度，由壓力傳感器和自動打氣筒控制罐內壓力。

4)保險裝置：主要用來懸掛給送水裝置和控制器，并實現對機器人的安全保護。為適應不同的女兒墻高度，采用保險桿高度可進行調節的結構形式。

(3)控制系統

機器人的控制系統及遙控器均是以單片機（80C552）最小系統為核心，配以電力載波通訊模塊，電源電路采用通用AC／DC模塊。操作指令由操作手柄及功能按鍵發出，配有液晶顯示監控操作的執行情況，通過普通的220V電力線傳輸，機器人控制器接受命令，由兩個電機驅動模塊、真空泵及電磁閥控制模塊等控制機器人的移動及清洗作業，其中直流電機驅動模塊采取電流、轉速雙閉環PWM方式，具有響應塊、運行可靠的特點。整個控制系統小型化、輕型化，可直接吊掛在機器人本體上方。卷取電機的起、停及正反轉控制是安全保障系統的核心，采用電力載波通訊模塊可以實現卷取電機由遙控器控制功能和自治控制功能。

Ⅱ型與Ⅰ型相比，有以下重要改進。

a)清洗機構專用化，專門為清洗玻璃幕墻清洗作業設計；

b)控制系統結構小型化與輕量化，可直接吊掛在掛吊水管的吊鉤上；

c)機器人本體結構重量降低，采用小型伺服電機，減輕本體重量，使移動靈活；

d)傳輸電纜線大為減少，僅有二根電源線，省去10多根控制線，同時省去原用卷電纜的小車。1.3磁吸附履帶式壁面爬行機器人由于永磁鐵吸附不許外部能量，易于控制，我們研制的磁吸附爬壁機器人采用的是雙履帶永磁吸附結構，如圖4所示。在履帶一周上安裝有數十個永磁吸附塊，其中的一部分緊緊地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通過履帶（由鏈條和永磁塊組成）使機器人貼附在壁面上。機器人在壁面上的移動靠履帶來完成，移動時，履帶的旋轉使最后的吸附塊在脫離壁面的同時又使上面的一個吸附塊吸附于壁面，這樣周而復始，就實現了機器人在壁面上的爬行。圖1-4雙履帶永磁吸附結構(1)金屬罐防腐用磁吸附爬壁機器人

本項目研究目標為提供石化工業中可以作噴漆、噴砂使用的磁吸附式金屬罐防腐專用爬壁機器人，是針對大慶采油一廠擁有上百座的野外儲油和儲水鋼罐，需定期除銹、重新噴涂的要求，從1991年開始，經過整整4年的不懈努力，在大慶石油管理局、863-512主題專家組、省科委及哈工大領導的支持下，由哈工大機器人研究所與大慶第一采油廠聯合研制成功的我國第一臺噴沙噴漆防腐用履帶式磁吸附爬壁機器人，如圖4所示，本項目獲黑龍江省1997年度科技進步一等獎。

(1)主要技術指標

a)吸附方式：永磁吸附；

b)移動機構：雙履帶；

c)移動速度：2～8m／min;

d)負重能力：不小于30kg，能滿足防腐與檢測工作需要;

e)控制方式：有線遙控;

f)作業方式：配上附件后，完成罐壁噴砂除銹和噴漆防腐、測厚等;

g)工作壁面：直徑11～12m金屬罐壁。圖1-5機器人正在噴漆作業(2)系統組成及功能

1)機器人本體：實現在罐壁上的吸附與移動，并有足夠的承載能力，以攜帶噴砂噴漆裝置完成防腐作業。機器人的永磁吸附塊為方形固定在鏈條上，由電機帶動鏈條旋轉而使永磁塊依次脫離和吸附于壁面，從而使機器人在壁面上移動，機器人在壁面上的拐彎靠兩條履帶的正反移動來實現。

2)抗傾覆機構：在機器人后部增加一個萬向輪，通過彈簧使壁面對杠桿后部產生支撐力，利用杠桿原理使機器人前部始終受到壓力，貼緊壁面，達到不傾覆的目的。

3)噴砂除銹裝置采用鋼制件，含氣泵、儲砂桶、噴砂高壓膠管等，氣源壓力在0.6～0.8mpa左右。噴漆防腐裝置為四桿機構擺動式噴漆，配進口自動噴槍、儲漆罐、攪拌罐、氣泵和漆泵等設備，每分鐘可噴1.4～2.3m2，且噴涂均勻，可成一面［5］。

4)涂層厚度自動檢測系統：采用電磁感應原理，測量可達到微米級，為防止損壞探頭，同時保證測量準確，我們采用曲柄連桿機構，使探頭有自動抬起、放下的動作，并保證每次測量探頭與壁面垂直。

5)運載小車：可使機器人自動爬上或爬下罐壁，克服由于爬壁機器人永遠具有吸力帶來的放上取下的不便，并能起到運輸作用。

(3)控制系統

由于爬壁機器人的作業環境惡劣，本控制系統采用STD總線工業控制機，它能夠適應控制現場的震動、灰塵、潮濕、有害氣體和各種電磁干擾，具有較高的可靠性和靈活的外圍模板配置。電氣控制柜是整個控制系統的核心，包括一套STD工業控制機，兩套交流伺服單元，開關電源、繼電器等。鑒于機器人工作在有爆炸性氣體的環境中，電機選用日本三木公司生產的永磁式交流伺服電機，型號為SAH-120，并分別安裝了隔爆外殼和隔爆電氣接線盒，具有全封閉結構，可靠性高。驅動器采用配套的伺服單元，型號為SAPII，可實現電機的位置閉環控制和制動控制，具有過流、過壓、過載、超速、過熱、電源異常、短路與再生吸收能量等的保護。遙控器采用STD工控機的遙控系統，遙控距離≥25m，控制機器人的運動、噴涂、測厚等，操作方便。

(2)水冷壁清掃、除渣、測厚爬壁機器人

火力發電站大型排管鍋爐中的水冷壁的向火側管壁表面上存在著積灰、結渣、磨損和腐蝕等問題，對鍋爐的安全、經濟運行會造成很大危害。為實現電站鍋爐水冷壁的定期自動清掃和檢修，1997年，哈工大機器人研究所和天力機器人工程有限責任公司聯合研制開發出一套適用電站鍋爐水冷壁排管清掃、敲渣、檢測的履帶式磁吸附爬壁機器人試驗樣機，并于1998年得到國家“863”高科技計劃資助，如圖6所示。該設備的使用可使工作效率提高10以上，大幅度地縮短了檢修時間，經濟效益可觀。圖1-6水冷壁爬管機器人(1)具體技術指標

a)吸附方式：永磁吸附；

b)移動機構：履帶式；

c)移動速度：2～8m/min;

d)負重能力：40kg;

e)控制方式：有線遙控，PLC控制;

f)爬行壁面：由Φ60mm管組成的排管水冷壁，高度為46m;

g)作業功能：帶附件后，能實現清掃、敲渣、測厚、打標記等。

(2)機械結構

機器人的永磁吸附塊形狀呈圓弧形，與管壁圓弧相吻合，從而減少磁路中的氣隙，提高磁吸附力。為使機器人能安全跨越一定高度的焊縫設計了抗傾覆機構，并可使行走平穩可靠。在履帶式水冷壁清掃、檢測爬壁機器人中，通過鏈條傳動帶動搖桿機構，使鋼絲刷做來回往復運動，實現對管壁表面的清掃。敲渣電機帶動棘輪棘爪機構，使鋼錘間歇性地敲打管壁表面，實現對管壁表面結渣部分的清除。在機器人上方安置5個超聲波探頭，可同時測量5根管子的壁厚，并且紀錄在案，一旦檢測到壁厚過薄，能自動報警并做標記，便于維修。

(3)控制系統

電氣控制柜包括一套可編程控制器、一套交流電機驅動器、開關電源、繼電器等?？删幊炭刂破鬟x用德國西門子公司的S7-200型PLC，CPU214模塊處理遙控盒的輸入信號，發出脈沖指令，控制機器人的上、下行走，并執行清掃、敲渣、檢測作業，檢測電機的運行狀態，以此構成爬壁機器人的控制系統。電機采用日本松下的交流伺服電機MSM042A1，驅動器采用相配套的交流數字伺服單元MSD043A1X-B。2.總體設計2.1機器人的功能分析爬墻機器人的主要功能是能夠自行爬上墻壁，為此爬墻機器人必須能夠獲得足夠的吸力和牽引力。作為一種自動爬行裝置，其主運動為直線運動，因此設計采用具有循環往復運動特點的液壓缸或氣缸較為有利。這樣，既利于獲得連續或單步兩種爬升方式，又可以方便地進行手動、自動遙控操縱。但由于機器人最大的爬升高度為2~3米，如果采用液壓傳動作為動力，油液的傳送、油管的布置和現場施工中液壓有的獲得都是難以解決的問題，此外，液壓油的重量也會對機器人整體重量產生巨大影響。所以，根據機器人功能要求，本設計確定采用氣壓傳動作為機器人動力，完全可以滿足荷重要求，也有利于使機器人自重控制在范圍內，同時氣源又可以滿足清洗、噴涂等作業的用氣需要。出于工作效率上的考慮，對爬行速度的要求不高,其速度也可以手動設定，故設計確定采用單片機。它的特點體現在體積小，重量輕，成本低，變成簡單，容易掌握。配合安裝與氣缸上進行行程控制的電磁閥可以很容易地實現機器人運動控制要求。機器人的大體設計就如上所述，它的外觀可以參考圖紙。為直觀觀察，可見如圖2-1的立體圖。圖2-1機器人立體圖2.2零件說明對于零件的說明請參考圖紙：QGEW-2LA50B100型氣缸外購件，此氣缸由生產，材料為硬鋁，是本機器人主要的動力來源。2．托盤一材料為硬鋁，其周圍是輪齒，其下面的軸與托盤二上裝的軸承聯接。當機器人想轉彎時，由它旁邊的小齒輪帶動，可以向各方向旋轉，從而達到轉彎的目的。它的上面有兩個缺口，其作用由下面提到。3．托盤二材料為硬鋁，中間的孔用來安裝軸承，與托盤一聯接，旁邊突出的部分上安裝電機，帶動托盤一轉動，使機器人可以轉彎。四個小螺紋孔用來安裝四根滑桿，滑桿的作用下面提到。4．托盤三材料為硬鋁，中間的螺紋孔用來安裝吸盤支架，四個小孔用來安裝套筒，套筒中安裝直線軸承，與托盤二上的滑桿聯接。除下的大孔用來安裝軸承，與一個電機聯接。5．GB28-1988型螺釘標準件，用來聯接氣缸支架與氣缸。6．氣缸支架材料為45號鋼，用來固定氣缸，使氣缸與托盤一可以很好的聯接在一起，不會有相對運動。7．吸盤外購件，抓住墻面的主要力量來源，機器人靠它吸附在墻面上。8．軸承6204標準件，型號GB/T276-1994，安裝在托盤三上。9．彈性擋圈標準件，型號GB/T894.1-1986，安裝在托盤三內的套筒中，用來阻擋其中直線軸承滑動。10．直線軸承標準件11．軸承6210標準件，型號GB/T276-1994，安裝在托盤二上。12．滑桿材料為硬鋁，用來保持兩個托盤之間的平行。13．GB/T70.1-2000型螺釘用來固定氣缸支架與托盤一。14．吸盤支架焊接件，材料為硬鋁，安裝在托盤三上，由四部分焊接而成，上面安裝吸盤。15．焊接框架焊接件，材料為硬鋁，是本機器人的總體框架，由六種零件焊接而成，它們是：1）QGEW-2LA50B100型氣缸其功用等上面已經提起過，在這里就不再詳細介紹了。2）直角管接頭用來連接腿與橫梁。3）腿用來支撐整個機器人的“身體”，下端接吸盤，中空，通氣的管子由此通過；行走時起到邁進的作用。4）橫板聯接前后兩個支撐架，可以加強穩定性；嵌在托盤一的兩個缺口中，防止支架在行走過程中左右晃動。另外，可以在橫板上安裝電機驅動器、氣流控制閥、電磁閥等器件。5）前后擋板加強腿的穩定性，還為橫板提供焊接點。6）橫梁連接兩腿，固定氣缸，也是中空，可以讓管道在此通過。以上為各零件的簡單介紹，下面來說一下機器人的工作原理。2.3工作原理制作本機器人的目的是可以使機器人在人的控制下獨立的爬上墻壁，因此如何使機器人吸附在墻壁上就是本設計中首要解決的問題，另外，吸附在墻壁上后如何行走是另一個在問題，解決了這兩個問題后，其它問題就比較容易解決了。對于第一個問題我采取的措施是使用了吸盤，通過吸盤的吸力使機器人吸附在墻壁上。吸盤可以抓的住的粗糙度比較大，一般的就可以吸起像石頭一樣粗糙的物體，因此，對于吸附墻壁來說，吸盤可以輕松的應付。解決了這個問題下個問題就是如何讓機器人行走。對于大部分可獨立運動的物體，如動物、車輛等，運動的方式主要有兩種：一是像動物一樣，幾個支撐點相互交錯著支撐身體，并且移動位置來達到行走的目的；另一個就是像車輛一樣，通過輪子的轉動來向前運動。由于本機器人需要用吸盤吸附在墻上，所以，用輪子轉動的方式比較困難，因此，我采用了第一種方式，就是兩個吸附點或者說幾個吸盤相互交換位置，輪換著吸附墻面，從而使機器人行走。從圖紙上可以清楚的看到，機器人大體上可分為兩個相對靜止的部分，一是焊接框架和氣缸的活塞桿（后面簡稱為支架）；一是其它的如三個托盤）等和氣缸筒（后面簡稱為下盤，因此，機器人的行走就靠這兩部分上的吸盤輪換著吸附墻面，并且交換位置來行走。大體的行走過程是這樣的：以向上走為例，先讓支架上的吸盤吸住墻面，使機器人可以固定在墻上，此時如果下盤處于位置比較靠下的地方，則對氣缸上位置在上面的氣口（后面簡稱為1口）輸入氣體，位置在下面的氣口（后面簡稱為2口）輸出氣體，使氣缸向上運動，從而帶動下盤向上運動。當下盤到達頂部時，此時氣缸的行程也已近最大，停止輸入氣體，使下盤上的吸盤吸住墻壁，吸牢后，支架上的吸盤放開墻壁，1口輸出氣體，2口輸入氣體，使氣缸向下運動，下盤也隨之下移，當下盤到達底部后，支架上的吸盤再吸附住墻面，而下盤上的吸盤放開，再重復上面所述的過程，即可向上運動。同理，也可以向下運動。如果在運動過程中，想讓機器人轉彎，則可通過小齒輪的轉動帶動托盤一，使支架轉動到想要的位置，從而改變方向。運動過程中，在支架和下盤相對運動時，如果不做任何調整，吸盤會與墻面產生摩擦，而使運動難以順利進行，因此，在托盤三上安裝了一個電機，帶動一根螺紋桿轉動，螺紋桿與托盤二上的螺紋孔聯接，當電機轉動時，可以帶動托盤三和托盤二間的相對分開與接近的運動，這樣，在運動時，就需加入這項運動。在支架和下盤同時抓住墻壁時，根據情況，選擇電機的正反轉，這樣就可以避免摩擦。整個行走過程可用圖2-2表示：圖2-2機器人的行走過程3.機械機構設計3.1機械機構總體布置說明機器人機械部分的結構參見各零件圖，其中包括氣缸、托盤、橫梁等。總體布置圖反映了機械結構個部件的裝配情況和位置關系，可以粗略的表達機器人工作過程中地運動特點和操作控制方式。機器人是靠吸盤吸附在墻壁上，共有六個吸盤，框架上的四個為一組，托盤三上的兩個為一組。框架上的四個作為主要的吸附工具，在不行走時，機器人的站立一般靠這四個吸盤，主要原因一是個數多，可靠性好，再一個四個吸盤組成的框架面積大，產生的力矩大，穩定性好。而托盤三上的一組雖然也可以站立，但它產生的力矩相對較小，一般不采用它站立，只是用它來行走。為使機器人在行走過程中不會左右晃動，固采用了兩塊橫板卡在托盤一上，這樣既能防止機器人的晃動，又能保持機器人行走的方向不變。在托盤二與三之間，安裝了滑桿作為導軌，這樣可以保持托盤三運動時的直線方向，還可以承擔大部分的徑向力。在選擇材料方面，因為機器人是獨自的吸住墻面，并在墻面上爬行，所以，機器人的重量越小越好。因此，大部分材料選擇了密度小，而性能足夠好的硬鋁。小部分要求高的和標準件使用了45號鋼等其它材料，但這不影響機器人的正常工作。3.2各部件的設計計算機械部件的設計計算包括：機器人三個托盤的設計和布置；連接螺釘的選用和計算；腿的設計計算；整體結構支架的重量估算。3.2.1機器人三個托盤的設計和布置機器人三個托盤材料均為硬鋁，其具體結構參見機器人的零件圖，其機械特能是：托盤一通過M6的螺釘與氣缸連接。托盤一與托盤二之間通過托盤一上的軸與安裝在托盤二上的軸承配合連接，主要是托盤一還要起到帶動整個機器人旋轉的作用。托盤二與托盤三之間通過螺紋桿的連接控制兩托盤間的距離。通過滑桿，保持它們之間的平行度。3.2.2連接螺釘的設計計算根據機器人的總裝配圖，兩個獨立的部分（即總體設計中說的下盤和支架兩部分）采用四個螺釘連接。因此，大部分的剪切力集中在這四個螺釘上?，F在對它們進行校核。參見機器人的總裝配圖，根據設計可知，這四個螺釘的型號大小為M6。驗算螺釘強度：螺釘承受剪切力，其受力分別為機器人的下盤和支架的重力，最大值為下盤的重力：G=F=95.4324N;螺釘的剪切面積是S=π.d/4=3.14*0.006/4=2.826*10 τ=F/4S=95.4324/2.826*10*4=844235.67Pa故螺釘強度驗算合格。另外，還有八個螺釘用于連接氣缸與托盤一，它只有在機器人橫向行走時才受剪切力，大小為上述受力再加上氣缸的重力，而氣缸的重力比下盤重力不很多，因此，八個螺釘已足夠承擔起這樣的重力。這里就不再校核了。3.2.3機器人的重量計算根據機器人結構的選擇，由表可以查的各個零件的質量：三個托盤的理論重量約為8*9.8=78.4N氣缸的理論重量約為1.2*9.8=11.76N兩個氣缸支架的理論重量約為：0.0562*2*9.8=1.10N12個螺釘的理論重量約為0.002*12*9.8=0.24N支架（不包括氣缸）的理論重量約為5.1212*9.8=50.19N氣缸支架的理論重量約為0.47*9.8=4.60N還有其它如電機、電磁閥、電機驅動器等根據型號不同重量也不同，這里就不加入了。機器人的總重量約為G=78.4+11.76+1.1+0.24+50.19+4.6=146.29N4.氣動回路設計本設計的動力來源主要由氣缸提供，因此氣動回路的設計相當重要。這關系到機器人設計的成功與否。4.1氣壓傳動系統的基本知識4.1.1氣壓傳動系統原理氣壓傳動與控制技術簡稱氣動技術，是指以壓縮空氣為工作介質來進行能量傳遞，實現生產過程機械化、自動化的一門技術，它是流體傳動與控制學科的一個重要組成部分。從廣義上看，氣動技術范疇，除空氣壓縮機、空氣凈化器、氣動馬達、各類控制閥及輔助裝置以外，還包括真空發生裝置、真空執行元件以及各種氣動工具等。由于氣動技術相對而言于機械傳動、電傳動及液壓傳動而言有許多突出優點，因而近年來發展十分迅速，現在氣動技術結合了液壓、機械、電氣和電子技術的眾多優點，并與它們相互補充，成為實現生產過程自動化的一個重要手段，在機械、冶金、紡織、食品，化工、交通運輸、航空航天、國防建設等各個部門已得到廣泛的應用。4.1.2氣動傳動系統的組成類似于液壓系統，氣壓傳動系統由以下五部分組成：能源裝置將原動機提供的機械能轉變為氣體的壓力能，為系統提供壓縮空氣，作為氣壓傳動系統的動力源。執行元件將壓縮空氣的壓力能轉變為機械能的能量元件，并對外做功。根據做功的方式不同，主要有直線運動和回轉運動兩種執行元件，如作直線運動的氣缸、作回轉運動的擺動缸、氣馬達等。氣動控制元件在氣動系統中以調節和控制壓縮空氣的壓力、流量、方向的閥類，如各種氣動壓力閥、流量閥、方向閥、邏輯元件等。輔助元件是對壓縮空氣進行凈化、潤滑、消聲以及用于元件之間連接等所需的輔件，如各種過濾器、油霧器、消聲器、管件等。工作介質經除水、除油、過濾后的潔凈壓縮空氣。4.1.3氣動傳動系統的分類按選用的控制元件類型，氣動系統可分為氣閥控制系統、邏輯元件控制系統、射流元件控制或混合控制系統。本書重點介紹氣閥控制系統。4.1.4氣壓傳動系統的特點氣壓傳動之所以能夠迅速發展和廣泛被應用,是因為它具有許多優點，但它與其它傳動相比也有不少缺點。氣動技術的優點：對于傳動形式而言，氣缸作為線性驅動器可在空間的任意位置組建它所需的運動軌跡，安裝維護簡單。工作介質是取之不盡用之不竭的空氣，空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不污染環境，成本低。壓力等級低，使用安全。氣缸動作速度一般為50~500mm/s，比液壓和電氣方式的動作速度快，其間，通過單向節流閥，可使氣缸速度無級調節。近代氣動技術發展，氣缸最低速度可在3mm/s平行運動，高速可達3m/s,甚至高達17m/s(具有長行程,最新展覽指標可達45m/s),對于高速氣缸必須設有效緩沖。可靠性高，使用壽命長。電器元件的有效動作次數約為數百萬次，而進口的一般電磁閥的壽命大于3000萬次，小開支閥超過1億次。利用空氣的可壓縮性，可貯存能量，實現集中供氣?？啥虝r間釋放能量，以獲得間歇運動中的高速響應。可實現緩沖。對沖擊載荷和過載荷有較強的適應能力。在一定條件下，可使氣動裝置有自保護能力。全氣動控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式相比，氣動方式可在高溫場合使用。由于空氣損失小，壓縮空氣可集中供應，遠距離輸送。氣動技術的缺點：由于空氣具有壓縮性，氣缸的動作速度易受載荷的變化而變化。采用氣液聯動方式可以克服這一缺陷。氣缸在低速運動時，由于摩擦力占推力的比例較大，氣缸的低速穩定性不如液壓缸。雖然在許多場合，氣缸的輸出力能滿足工作要求，但其輸出力比液壓缸小。4.2氣動元件說明4.2.1氣動馬達氣動馬達是將壓縮空氣的壓力能轉換成回轉機械能的能量轉換裝置，其作用相當于電動機或液壓馬達。它輸出轉矩，驅動執行機構作旋轉運動。在氣壓傳動中使用最廣泛的是葉片式、活塞式氣動馬達。其工作原理與葉片式液壓泵類似。圖4-1為葉片式氣馬達的職能符號。圖4-1葉片式氣馬達職能符號4.2.2氣動控制元件氣動控制元件是指在氣壓傳動系統中，控制調節壓縮空氣的壓力、流量和方向等的控制閥，按其功能可分為壓力控制閥、流量控制閥以及能實現一定邏輯功能的氣動邏輯元件等。4.2.3流量控制閥流量控制閥是通過改變閥的通流面積來調節壓縮空氣的流量，從而控制氣缸的運動速度等的氣動控制元件。流量控制閥包括節流閥、單向節流閥、排氣節流閥等。圖4-2為一種典型的壓力控制閥的職能符號。圖4-2壓力控制閥職能符號4.2.4方向控制閥方向控制閥是控制壓縮空氣的流動方向和氣路的通斷的閥類，它是氣動系統中應用最多的一種控制元件之一按氣流在閥內的流動方向，方向閥可分為單向型控制閥和換向型控制閥；按控制方式，換向型控制閥分為手動控制、氣動控制、電動控制、機動控制、電氣動控制等；按切換的通路數目，換向閥分為二通閥、三通閥、四通閥和五通閥等；按閥芯工作位置的數目，方向閥分為二位閥和三位閥等。圖4-3為三位四通電磁閥的職能符號。圖4-3三位四通電磁閥職能符號4.2.5氣動執行元件氣動執行元件的作用是將壓縮空氣的壓力能轉變成機械能的能量轉換并對外作功的元件。包括氣缸和氣動馬達用以實現直線運動或擺動，氣馬達用于實現連續的回轉運動。按活塞兩側端面受壓狀態，氣缸可分為單作用氣缸和雙作用氣缸。按結構特征，氣缸可分為活塞式氣缸、柱塞式氣缸、薄模式氣缸、葉片式擺動氣缸、齒輪齒條式擺動氣缸等。按功能，氣缸可分為普通氣缸和特殊氣缸。普通氣缸是指一般活塞式氣缸，用于無特殊要求的場合。特殊氣缸用于有特殊要求的場合，如氣一液阻尼缸、薄膜式氣缸、沖擊氣缸、伸縮氣缸等。圖4-4為雙活塞桿雙作用氣缸的職能附號。圖4-4雙活塞桿雙作用氣缸職能符號4.3氣動回路圖本設計氣動回路主要需實現的功能是讓氣缸的活塞可以左右移動,動作比較簡單,但需要的元件要全，包括氣泵、流量控制閥、方向控制閥和氣缸等。氣動回路圖如圖4-5所示。圖4-5機器人氣動回路4.4氣缸的選擇氣缸選擇的參考數據有兩個方面：一是行程、尺寸等距離方面的選擇，還有一個是性能如氣壓、產生的力等的選擇。尺寸方向的選擇主要靠查工具書等，就不多說了。這里主要對性能的選擇作一下介紹。在眾多數據中，我們最關心的是氣缸的活塞桿產生的推力的大小。氣缸推力校核：氣缸最大承重為95.43N,需克服的力就為95.43N。設氣缸工作氣壓值為0.63Mpa。氣缸的內徑面積為：πD/4=π*40/4=1256mm=1.256*10m活塞桿的截面積為：πd/4=π*19/4=283.385mm=2.83*10m活塞上受力面積為：πD/4-πd/4=1.256*10m-2.83*10m=9.73*10m活塞可發出的推力為：F=S*P=0.63*10*9.73*10=613N>95.43所以，此氣缸完全可以滿足工作要求。5.控制部分控制部分由其他同學設計，這里只對單片機進行簡單的介紹。控制MCU用單片機，型號為AT89S52。它由三部分組成，即CUP、外圍功能單元、歸一化I／O端口。如圖5-1所示3PC機與單片機的串行通訊技術3．1Rs-232串行通訊Rs-232串行通信是每臺計算機的必要設備，通常有com1和com2兩個端口一般的計算機com1以9引腳的接頭接出，而以25腳將com2接出。新一代計算機均以9引腳的接頭所有的Rs-232，計算機上的端口均為公頭。串行通信可分為同步與異步兩種模式。同步在通信的兩端使用同步信號作為通訊的依據；異步則使用起始位（startbit）及停止位（stopbit）作為通訊判斷。本系統采用異步通訊。圖5-1單片機的組成1．CPU系統CPU系統包括(CPU、時鐘系統和總線控制邏輯三部分，其功能如下：1)CPU：包含運算器和控制器，專門為面向控制對象、嵌入式特點灑設計能的指令系統。2)時鐘系統：包含振蕩器、外接諧振元件，可關閉振蕩器或CPU時鐘，其結構如圖5-2圖5-2單片機的時鐘系統3)總線控制邏輯：主要用于管理外部并行總線時序及系統的復位控制，外部引腳有RST、ALE、EA、PSEN。2、CPU外圍電路CPU外圍電路包括ROM、RAM、I／O口和SFR四部分。(1)ROM：程序存儲器。地址范圍為0000H—FFFFH(64KB)。(2)RAM：數據存儲器。地址范圍00H—FFH(256B)有數據存儲、通用工作寄存韶、堆棧、位地址等空間，(3)I／0端口：89S52系列單片機具有4個8位I／O端口，分別為P0、P1、P2、P3。(4)SFR：特殊功能寄存器。是單片機中的重要控制單元，CPU對所有片內功能單元的操作都是通過控制SFR單元進行的。3．基本功能單元89S52系列單片機具有定時／計數器、中斷系統和串行接口三個基本功能單元。(1)定時器／計數據：80S52有2個l6位定時器／計數器，定時時靠內部的分頻時鐘頻率計數實現；作計數器時，對P3．4(T0)或P3．5(T1)端口的低電乎脈沖計數。(2)中斷系統：89S52共有5個中斷源，即2個外部中斷源、2個定時器溢出中斷(T0、T1)和1個中行中斷。(3)申行接口UART：一個帶有移位寄存器工作方式的通用異步收發器，不僅可以作串行通信，還可用于移位寄存器方式的中行外圍擴展。RXD(P3．0)腳為接收端口，T