前言
随着现代科学技术的发展，管道运输作为一种高效、安全、可靠的手段应用日益广泛，城市中的地下排水系统、取暖系统、煤气系统、自来水系统等都应用了各种管道；另外，在现代工农业、石油、化学、核工业等领域也大量使用了管道。经过长期使用，它们会出现裂纹、腐蚀、堵塞等故障。有的管道中输送的是剧毒或放射性介质，若这些管道产生裂纹、漏孔会造成介质泄漏，引起事故甚至发生灾难。为了防患于未然，必须对这些管道进行定期检测和维修。但是它们有的埋在地下，甚至埋在海底，有的口径很小，人无法进入。挖出管道进行检测、维修既不经济又不现实，由此可见，管道机器人有着广阔的市场。
我国早在1987年就开展了管内机器人的研究，并试制了几种模型，但总体水平较国外差。管内机器人研究是机电一体化的高科技研究项目。在石油、化工、核工业、给排水等许多管道工程中，都需要进行管内检测、喷涂及加工等工作，管内机器人在完成这些工作中会发挥重要作用，因此，开发研究管内机器人意义很大[1]。
本次题目的内容就是设计一种可在油管内壁爬行，并且搭载工作体的部分可协助工作体完成相应作业的机器人。采用机械结构和电气控制来达到设计目的。要实现的理想过程是：人对主机输入一个控制信号，可以通过单片机对电机、电磁铁进行电气控制，从而使机器人能够按照所搭载工作体的要求进行移动，并在工作体的工作位置做出相应的辅助动作。机器人在行进过程中可在任意位置停止前进，并可以在该位置开始作业，工作体可在步进电机驱动下完成小于360度的任意角度的旋转。
1 方案的结构选择
1．1 总体选择
总体上，本次设计主要采用机械结构设计来完成指定的动作，而用电气设计来控制这些动作。
1．2 前进方案的选择
目前在管道内机器人的行进方式多种多样，本设计采用蠕动式行进的方式。前进方案由旋转式步进电机、直线式步进电机、气缸中进行选择。现将3种方式在本设计中的应用进行比较。由于本设计前进方式为直线，所以其中使用直线式电机最为简便，直线电机的电机轴是丝杠形式的，于是可以通过丝杠的导程来计算机器人的行进距离。
使用旋转式步进电机的原理与直线式步进电机相似，可通过一个小型连轴器与丝杠相连组成一个直线式步进电机，也可以通过一组齿轮减速器将丝杠与电机轴相连，简图见图1-1。
图1-1结构简图
第三种方法是使用气缸推动机器人前进。综合比较三种方法后发现，气缸实现直线运动过程简单，但其行程不易控制，要实现精确控制需要成本过高。两种步进电机的特点相似，但直线式的步进电机在安装时不易对心，且价格远高于旋转式步进电机。所以综合考虑最终选择采用旋转电机的方案。
1．3 卡紧方案的选择
机器人在蠕动式爬行的时候，需要卡紧装置进行配合。所以需要选择合理的卡紧方案。由于本次设计的机器人需要适应从4.5到7英寸的不同管径的管道，这给卡紧方案的设计
带来很大的难度。
方案1为采用推拉式电磁铁直接进行卡紧，并使用适当的连杆机构调整电磁铁位置，当连杆机构将电磁铁调整到指定位置后，电磁铁得电，推杆伸长，机器人卡紧管壁。工作完成后，电磁铁失电，机器人放松[6]。结构简图见图1-2
图1-2结构简图
方案2为使用一个旋转电磁铁，用旋转电磁铁来带动凸轮实现卡紧，通过对凸轮进行设计可以计算出支撑杆的移动距离。当旋转电磁铁得电后，旋转一定角度，带动凸轮旋转，使支撑杆在径向产生移动从而卡进管壁。电磁铁失电后，通过弹簧的作用使凸轮和支撑足复位，机器人放松。结构简图见图1-3。
图1-3结构简图
Diagram 1-3 structure sketch plans
方案3为使用一推拉式电磁铁推动锥形滑块，同时设计三个长度可调的支撑杆，当电磁铁得电后，电磁铁推杆伸出并带动锥形滑块沿轴向前进。由于滑块为锥形，支撑足产生径向移动，机器人被卡紧[7]。电磁铁失电后，机器人放松，原理同方案2。结构简图见图1-4。
图1-4结构简图
Diagram 1-4 structure sketch plans
综合比较以上三种方案，首先放弃了方案1，由于管道内空间有限，电磁铁的体积太大，无法合理的安放电磁铁，并且电磁铁的重量也相对较大，设计与之相应的连杆机构也很困难。方案2与方案3在原理上基本相同，不同之处在于方案2用的是凸轮，而方案3用的是锥形滑块。凸轮的结构复杂，且其表面需要非常光滑，由于凸轮曲面为复杂曲面，所以普通磨床难以加工，需用数控加工中心进行加工，这样加大了成本。经过综合比较决
定选择方案3。
另外，在卡紧方面也可使用气缸，此类型的设备已被开发，但由于空间问题并不适合于本设计，故本设计不使用该方法。
1．4 旋转方案的选择
旋转部分采用一个旋转式步进电机，电机轴带动法兰，可在法兰上连接工作体，通过控制步进电机的转动角度来控制工作体的转动。结构如图1-5所示。
图1-5
Diagram 1-5
1．5 调节方案的选择
由于本次设计的机器人要适应不同的管径，所以需要设计一个结构合理的可调机构。
初步拟订3个方案，方案1采用一个推拉式电磁铁推动一个连杆机构，结构与卡紧方案1相似，结构简图见图1-2。通过控制推杆伸出的长度及连杆机构来调整支撑足。
方案2也是一种连杆机构，结构见图1-6。通过调整螺栓来调整支撑足的高度。它的结构与汽车修理厂所用千斤顶相似。
图1-6结构简图
Diagram 1-6 structure sketch plans
方案3较为简单，将支撑杆上做出几个槽，槽的位置分别与机器人所需要工作的管径相对应，在外安装套筒，并在套筒上开螺纹孔，通过紧钉螺钉将支撑杆与套筒相连。再将套筒与机体相连，通过紧定螺钉与不同槽之间的配合来适应不同的管径。结构详见图1-7。
图1-7结构简图
Diagram 1-7 structure sketch plans
再对以上三种方案进行比较，方案1的自动化程度很高，可以通过控制计算机来控制调整机构，节省了人力。方案2的机构很合理，调整方便。但由于管道内空间的限制，这个方案都很难在本设计中应用，而方案3虽然不是最精确的，但它制造方便，并且在空间
上设计的很合理。并且为可换，在需要适应新的管径的时候，只需要重新制造支撑杆，十分方便。本设计采用方案3。
1．6 结构方案改进
机器人采用丝杠来推动前进，在前进过程中对于部分机体的旋转自由度没有加以限制，所以不排除机器人在前进过程中产生旋转。为了防止旋转，我们在丝杠的平行方向上加一根光杠。这样机器人在前进时，当一端被卡紧时，另一部分的旋转自由度也被加以限制，防止了旋转的发生。
机器人在前进的过程中，管道内的情况不明。有些管道的内表面已经作了加工，为了防止划伤管道内表面，我们在机器人的三大部分上分别加上三组小轮，这样不仅可以减小摩擦力，通过对小轮表面材料的选择也可以起到保护管道内表面的作用。
由于机器人所载工作体需做小于360°的旋转，所以应该最大限度的保证机器人的中心与管道的中心重合，这样工作体就是绕管道的中心旋转。采用三足支撑的方法进行自动定心，同时在其中一个支撑足上安装弹簧，使三个支撑足同时抵在管壁上，保证定心。并将防划伤的小轮安装在这三个支撑足上。结构如图1-8所示。
图1-8结构简图
Diagram 1-8 structure sketch plans
在原理上可以将卡紧与支撑用一个机构来执行，但是由于支撑足上安装了用来减小摩擦力的小轮，这样电磁铁产生的卡紧力将不足以卡紧，将定心与卡紧分离，可以保证卡紧力，只要在结构上做的尽量紧凑，充分考虑空间因素，问题将得到解决。
2 主要部件的计算选择
2．1 步进电机的选择
本次设计步进电机共使用两个，两个电机的功能不同所用型号也不相同。
我们先对行进用的电机进行选择。本次设计中的前进动力全部来自这个步进电机，所以该电机提供推力必须能够推动整个机体。
机器人制造材料为铝，铝的密度为 85.2=ρ 310?Kg/m 3
可得整个机体的质量约为1.5千克。
由于机器人工作环境所限预计工作体的质量为1.5千克。机器人整体的质量主要由机体、工作体、电磁铁和电机的质量组成，初步选择两个电机的质量约为0.75千克。两个电磁铁的质量为0.35千克，再补充其它部件的质量，整个机器人的质量约为5千克。 机器人在管道内所受的阻力来自于小轮与管壁的滚动摩擦力。小轮与油管内壁间的摩擦系数决定了机器人所需推力。 根据工程实践经验可知，滚动摩擦系数在0.1与0.2之间，这里为保证推力，取摩擦系数为0.2。得出为使机器人前进所需推力为 9.8N 。
旋转电机所输出的转距由丝杠转化为直线运动，丝杠推力由螺旋副产生，由于推力已得出，所以计算所得的螺旋副间的摩擦阻力矩即所选电机需要满足的转矩。 计算摩擦力矩时借鉴螺纹预紧的扭紧力矩的计算方法[8]。
螺栓由于扭紧力矩T 作用，使螺栓和被连接面之间产生预紧力F 0 。由机械原理可知，
扭紧力矩T 等于螺旋副间的摩擦阻力矩T 1（即本设计中所需求的转矩）和螺母环形面与被连接件支撑面间 的摩擦阻力矩之和，
即
21T +T =T （2-1）
螺旋副间的摩擦力矩为
()v d F ?ψ+=T t a n 2
201 （2-2） 螺母与支承面间的摩擦力矩为
20
2030300231d D d D F f c --=T （2-3） 将（2-2）、（2-3） 、代入（2-1），得
()]32tan [2120
20303020d D d D f d F c v --++=T ?ψ （2-4） 表2-1
综合考虑螺纹升角；螺旋副的当量摩擦角f v 155.1arctan =?（f 为摩擦系数，无润滑时f ≈0.1-0.2）；螺母与支承面间的摩擦系数可得
d F 02.0≈T （2-5）
因为丝杠传动过程中并无螺母与支承面间的摩擦阻力矩T 2，所以可利用公式（2-5）计
算本设计中所用电机的转距，并且计算出的转距一定大于推力所用的转矩，在选用电机时留出了工作余量。
由于在工作的丝杠与电机轴之间使用了一组齿轮减数器，Z 1=20，Z 2=36，8.11
2==
Z Z i 。 计算得出所需电机转矩为0.0087N.m
在考虑到空间、质量因素后决定采用35BYG310型步进电机，电机各项参数如表3-1
所示：
（通用技术参数）混合式步进电机
步 距 角 1.8°±5%
绝缘电阻 500V DC 100MΩ Min
绝缘强度 50Hz 1Minute 500V Min
环境温度 20℃~+50℃
温 升 80℃ Max.
径向跳动 0.02mm Max.
轴向跳动 0.1-0.3mm
型号 相数 电流 电阻 最大静转矩 重量 外形尺寸
(A) (Ω) (kg.cm) (kg) L0(mm) L1(mm)
选择步进电机的步距角为?8.1，丝杠导程为1.5㎜，机器人行进的分辨率为0.0075㎜/步[9]。
工作体转动所用步进电机的选择。
工作体在转动过程中需要克服由重力所产生的转矩，由于工作体形状未知，故设工作体重心偏移量为最大，工作体质量为 1.5㎏，得出所需电机转矩为0.375N.m 。选择57BYG008型步进电机。
步 距 角 1.8deg
环境温度 25～+40℃
绝缘等级 B
表2-2
(V) (A) (Ω) (mh) (N.cm) (mm) (g.cm 2) (kg)
57BYG007 12 0.38 32 30 29.4 41 60 0.45 57BYG008 4.0 1.3 3.1 4.4 49.0 51 118 0.6
57BYG009 2.4 2.4 1.0 1.5 58.8 56 145 0.65
2．2 推拉式电磁铁的选择
本设计卡紧部分所采用的是推拉式电磁铁，通过锥形块来实现卡紧。
锥形块的锥度设定为?45，支撑杆受力简图如图2-1所示：
35BYG310 2 0.19 60 0.8 0.15 28 21
35BYG408 2 1.60 1.3 0.9 0.15 29 21
35BYG409 2 0.32 23 1.4 0.20 29 21
图2-1支撑杆受力简图
Diagram 2-1 prop up a pole to be subjected to a dint sketch plan
图中F1为电磁铁推力，F2为作用在油管内壁的卡紧力。
45，所以F1=F2 。机器人前进所用推力为9.8N，则电磁铁所产生的卡紧因为锥度为
力应大于9.8N。在电磁铁的卡紧足上镀上用于增大摩擦力的橡胶，保守的取滑动摩擦系数为0.5，计算得出所需电磁铁的推力为为19.6N。由于机器人工作的空间狭小且工作条件不清楚，所以在保证足够力的前提下，应尽量选择体积小行程适中的。所以电磁铁选用TCT40Z型推拉式电磁铁。仔细分析电磁铁工作曲线（如图2-2）后，决定选用工作行程为4㎜，功率50W。
图2-2
Diagram2-2
3 关键件的校核
3．1 丝杠的校核
由于机器人前进过程中行进的距离要进行精确控制，属于精密传动，所以丝杠材料选用CrWMn 钢 ，公称直径为8mm , H = 0.75mm , 导程为1.5 mm , []MPa 14=P 。
hZ
d F 2π=P 其中 丝杠推力F = 9.8N ，d 2 = 7.25 , Z = 7 。
计算得出：P = 0.08MP a []P ≤, 所以符合要求[10]。
3．2 轴承的校核
本设计中两处用到了轴承，其中转动部分需要用角接触球轴承70000型。本设计中此处选用角接触球轴承既能抵消所受的径向力,又能抵消所受的附加轴向力。又因为此对轴承所受的外摩擦力即轴向力非常小，故符合机器人的结构及寿命要求。
另外固定丝杠时也需要选用轴承。由于丝杠是与电机布置在同一部分机体内，电机已经占据了一定空间，且丝杠公称直径很小，普通轴承不能满足要求。我们在这里选用仪器仪表轴承，d = 6mm ，D = 13mm 。
轴承的基本额定载荷08.1=r C KN ，45.0=or C KN 。
在轻载的情况下，轴向r r C 07.0≤P ，即6.75≤P r N [11]。
在机器人行进过程中，丝杠的推力为9.8N ，所以选用的轴承满足要求。
3．3 键的校核
转动部分使用了一个普通平键，传递转矩为 0.375N.m ，轴的直径为16mm
mm h mm b 3,3==，mm l 10=。
校核公式： []
p p dkl T σσ≤=2 计算得出a M p P =9.3σ，键的材料为钢[]
MPa p 125=σ，符合要求[12]。
4 驱动系统设计
步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件。每外加一个控制脉冲，电机就运行一步，故称为步进电机或脉冲马达。与其它驱动元件相比其控制有如下几个明显的优点：
1）通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；
2）输出的转角或位移精度高，误差不会累积；
3）控制系统结构简单，与数字设备兼容，价格便宜。
步进电机的品种规格很多，按照其结构和工作原理可划分为反应式电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和特种步进电机四种主要形式。本次设计中采用混合式步进电机。
步进电机的运行需要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为角位移，既控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
步进电机的驱动器拥有细分功能。控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所前进的不一定是电机的固有步距角，真正的步距角和电机驱动器有关。步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有“电机固有步距角”的十分之一，也就是说：‘当驱动器工作在不细分的半步工作状态驱动所用电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动?9.0；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了?09.0’，这就是细分功能。
驱动器细分后的主要优点为：
1）完全消除了电机的低频振荡。低频振荡（约在200H z 左右）是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要工作在共振区（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。
2）提高了电机的的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高了30-40％。
3）提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率’是不言而喻的。
本设计中共使用两个步进电机，型号分别为35BYG310和57BYG008。
为两电机选择的驱动器型号均为SH-2H057M ，该驱动器所用的是全功能步进电机专用控制芯片，是由超大规模的硬件集成，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会像单片机控制那样易产生死机及丢步现象。
由于不同工作体对机器人行走的分辨率有不同要求，所选的驱动器有细分功能，对应不同工作体的要求，选择相应的‘细分数’，驱动器的‘细分数’调法非常简单，只需要根据面板上的提示，通过拨位开关设定即可。
5机器人工作过程
1）机器人置于初始状态——电机、电磁铁失电，卡紧杆放松管壁，支撑轴紧靠管壁。
2）给定行进量：机器人到工作体工作位置的距离。
3）后足卡紧，前足放松。后足处行程开关给出信号，后足已到位。行进用步进电机得电旋转，通过齿轮减速器的作用，电机带动丝杠转动，机器人的身体拉长，前部身体前进一个工作行程。
4）步进电机断电。机器人后足松开管壁，卡紧足在弹簧作用下恢复原位。前足卡紧，前足行程开关给出信号，前足已到位。步进电机得电反转，丝杠反转，机器人身体恢复原
长，后部身体前进一个工作行程。
5）不同工作体对机器人行进有不同的要求，如为给定的工作位置，机器人按程序行进，到达指定位置后，进行定位。如工作体工作位置不定，例如管道探伤的工作，机器人的行进需要受到传感器所发信号控制，当机器人到达指定位置，传感器发出停止信号，机器人停止前进。
6）机器人到达指定位置后，行进用步进电机失电，机器人停止前进。同时前后足卡紧，两处行程开关给出到位信号。机器人卡进后，旋转用步进电机得电，工作体按要求进行旋转。
7）工作体在第一个位置的工作完成后，给出完成信号，旋转电机失电，机器人卡紧足放松，机器人恢复为行进状态。
根据不同工作体的要求，机器人工作过程会有所不同，但基本会按如上步骤进行爬行动作。
6控制系统的设计
6．1电磁铁及步进电机的控制
本设计中共有两个步进电机和两个推拉式电磁铁需要控制，其中电磁铁控制与电机控制相比较为简单，只有得电与失电两种状态。而步进电机控制相对复杂。
在步进电机的计算机控制中，单片机、PLC等工业控制计算机根据要求产生控制信号，通过步进电机的控制接口模板，控制步进电机驱动器的脉冲输出，从而控制步进电机启动、运行、停止、换向等，其基本控制作用如下[13]：
1）控制换相顺序：步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通
常将通电换相这一过程称为脉冲分配。
2）控制步进电机的转向：由步进电机的工作原理可知，若按给定的工作方式正序通电换相，步进电机就正转；若反序通电换相，则电机就反转。
3）控制步进电机的速度：如果给步进电机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速，调整控制计算机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。
由单片机实现的步进电机控制系统如图6-1所示。
图7-1
Diagram7-1
6．2控制系统的硬件设计
6．2．1总体设计
本设计的控制系统主要采用八位单片机。单片机在一块芯片上集成了计算机的主要硬件资源。除具有一般计算机快速性、准确性、逻辑功能强等特性外，还具有自身特点[14]。
1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。
2）数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。
3）结构灵活，易于组成各种微机应用系统。
4）应用广泛，即可用于各种工业自动控制等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域。
但是，在许多情况下，例如在构造一个机电测控系统时，考虑到传感器接口、伺服控制接口以及人机对话接口等需要，最小应用系统不能满足系统功能的要求，必须在片外扩展相应的外围芯片，这就是单片机系统扩展。
单片机系统扩展一般包括程序存储器（ROM或EPROM）扩展、数据存储器（RAM）扩展、输入/输出口（I/O）扩展、定时/计数器扩展、中断系统扩展等。
虽然单片机芯片本身已构成一个最小系统，但作为一个最小应用系统来说，仍需在片
外加接一些没有集成在片内的功能器件。如8051/8751的本身既是最小应用系统。由于集成度的限制，这种最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
另外，对于片内无ROM/EPROM的单片机，还必须配置外部程序存储器。
8031是片内无程序存储器的单片机芯片，因此，其最小应用系统应在片外扩展EPROM。结构如图6-2。
图6-2结构图
Diagram 6-2 structure plans
本次设计中采用8031作为单片机的芯片，需进行外部程序存储器扩展和数据存储器扩展。
单片机的系统扩展能力根据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器容量最大为64KB，地址范围为0000H～FFFFH。
片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者地址重复，故片外允许扩展的程序存储器和数据存储器各为64KB。
6．2．2程序存储器的扩展
程序存储器扩展使用EPROM扩展电路。紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM可作为单片机的外部程序存储器，其典型产品有2716A（2K×8）、2732A（8K×8）、27128A（16K×8）、27256A（32K×8）和27512A（64K×8）等。这些芯片上均有一个玻璃窗口，在紫外光下照射20分钟左右，存储器中的各位信息均变为1。此时，可以通过编程器将工作程序固化到这些芯片中。
本设计中使用2764A 。2764A是一种8K×8位EPROM，单一+5V供电，工作电流为75mA,维持电流为35mA,读出最大时间为250ns。扩展电路如图6-3。
图6-3 2764A扩展电路图
Diagram 6-3 2764 Ashes expand electric circuit diagram
如需要在计算机系统中进行在线修改，并能在断电的情况下保持修改的结果的，可使用EEPROM。EEPROM是一种电擦除可编程只读存储器，在需要的情况下，此种存储器可满足要求。
6．2．3数据存储器的扩展
数据存储器扩展可使用的有静态读/写存储器RAM，动态读/写存储器RAM和EEPROM等。静态RAM是最常用的，这种存储器的设计无需考虑刷新问题，故它与微处理器的接口很简单。静态RAM是通过有源电路来保持存储器中的信息，与动态RAM相比，需要消耗更多的功率，且价格较高，动态存储器每位的价格要比静态存储器低4倍。
由于静态RAM接口简单，本次设计中数据存储器扩展使用静态RAM芯片6264。6264是8K×8位静态随机存储器芯片，CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200MW，典型存取时间200ns。扩展电路如图6-4。
图6-4 6264扩展电路图
Diagram 6-4 6264 Ashes expand electric circuit diagram
6．2．4输入\输出口的扩展
8031芯片只提供四个8位并行I/O口，但这些I/O口不能完全提供给用户。只有在使用具有片内ROM/EPROM的8051/8751芯片且不需要作外部扩展时，才允许将这四个I/O 口作为用户I/O口使用。对于大多数使用8031能够使用的I/O口只有P1口和部分P3口线。在大部分MCS-51单片机的应用系统设计中，要进行I/O口扩展。
单片机扩展的I/O口有两种基本类型：简单I/O口扩展和可编程I/O口扩展。前者功能单一，多用于简单外设的数据输入或输出；后者功能丰富，应用广泛，但芯片价格相对较贵。
1）简单I/O口扩展
简单I/O口扩展有两种，用并行口扩展I/O口和用串行口扩展I/O口。两种扩展方法均有缺陷，这里只对并行口扩展I/O口进行简单介绍。其扩展方法可参照图6-5所示连接方法。
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。
编号: 哈尔滨工业大学 大一年度项目中期检查报告 项目名称：仿生六足机器人 项目负责人：学号 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院 指导教师：职称： 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院 哈尔滨工业大学基础学部制表 填表日期：2014 年 6 月28 日
一、项目团队成员（包括项目负责人、按顺序） 二、指导教师意见 三、项目专家组意见
四、研究背景 1.研究现状 4.1国内研究现状 随着电子技术发展，计算机性能的提高，使多足步行机器人技术进入了基于计算机控制的发展阶段。其中有代表性的研究为1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图1所示,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用。Boston Dynamics公司的Big Dog四足机器人用于为军队运输装备，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行进，其采用汽油动力。 图1 Adaptive Suspension Vehicle 图2 Odex1步行机器人 图3 MIT腿部实验室的四足和双足机器人图4 DANTE步行机器人 由于新的材料的发现、智能控制技术的发展、对步行机器人运动学、动力学高效建模方法的提出以及生物学知识的增长促使了步行机器人向模仿生物的方向发展。 4.2国外研究现状 我国步行机器人的研究开始较晚，真正开始是在上世纪80年代初。1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机,主要用于海底探测
一、前言 談到足式機器人，當然目前主流大多是聯想到和人相似、有親切感的雙足機器“人”，從某一層面來看，以雙足步行為演化上的一個極為小眾的特例，本身對達到穩定運作控制的困難度很高，從瞭解「生物出生到可以開始自行運動所需的時間」便可以窺知一二。從另一個角度來看，人類所能自在運動的地表也侷限在某一些型態之中，若要探討如何在各式自然地形上運動的法則，勢必得回過頭來探討多足動物的運動機制。而從物理直覺來評析，單就在崎嶇路面上運動的穩定性來探討，採用多足機器人會比較簡單且實際。基於這一些原因，仿生多足機器人的研發便有了背後的動機，模仿經過長時間演化後動物的構造，藉由觀察牠們的運動，了解為什麼有如此的動作，再利用機構或是控制去完成。在自然界中，我們看到體型較大、有優秀運動能力的動物像馬、獵豹、羚羊等等都是四隻腳的哺乳類動物，但考慮到穩定性卻是六足比較佔優勢，只要用簡單的三腳步態（tripod gait)即可讓重心輕易落在支撐的三角形中。四足動物的腳可能需要比較大的力量才能表現出他的特性，但人類尚無法仿造出重要的肌肉和控制系統，以現有機構和馬達組成的系統，重量太重而無法有效運動。這時，自由度的選擇以及機構設計便成了一個很重要的課題。 這二、三十年學業界創造出了許多各式各樣的多足機器人，在後續的文章中便為各位讀者進行介紹[2, 3]。 二、學術界開發仿生多足機器人 （1）Quadruped 圖一 Quadruped[4] 由Prof. Marc Reibert所領導的MIT Leg Lab於1984~1987年製作，重38公斤，整體長度1.05公尺，高度0.95公尺，採用長柱狀的腳，每一隻腳連接身體的關節是由兩個液壓致動器（hydraulic actuators)組成，分別控制腳的前後及左右的旋轉，腳上有一個線性致動器來提供推進力。在控制上將腳簡易的分成兩組，不同的分組方法便產生了小跑（trot)、跑
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
摘要 六足机器人有强大的运动能力，采用类似生物的爬行机构进行运动，自动化程度高，可以提供给运动学、仿生学原理研究提供有力的工具。本设计中六足机器人系统基于仿生学原理，采用六足昆虫的机械结构，通过控制18个舵机，采用三角步态和定点转弯等步态，实现六足机器人的姿态控制。系统使用 RF24L01射频模块进行遥控。为提高响应速度和动作连贯性，六足机器人的驱动芯片采用ARM Cortex M4芯片，基于μC/OS-II操作系统，遥控器部分采用ARM9处理器S3C2440，基于Linux系统。通过建立六足机器人的运动模型，运用正运动学和逆运动学对机器人进行分析，验证机器人步态的可靠性。 关键字：六足机器人，Linux，ARM，NRF24L01，运动学 Abstract Bionic hexapod walking robot has a strong ability of movement, the use of similar creatures crawling mechanism movement, high degree of automation, can be provided to the kinematics, the principle of bionics research provides powerful tool. Six feet in the design of this robot system based on bionics principle, the mechanical structure of the six-legged insect, through 18 steering gear control, use the gait, such as triangle gait and turning point to control the position of six-legged robot. Remote control system use RF24L01 rf modules. In order to improve the response speed and motion consistency, six-legged robot driver chip USES the ARM architecture (M4 chip, based on mu C/OS - II operation system, remote control part adopts ARM9 processor S3C2440, based on Linux system. By establishing a six-legged robot motion model, using forward kinematics and inverse kinematics analysis of robot, verify the reliability of the robot gait. KEYWORD:Bionic hexapod walking robot;Linux,ARM,NRF24L01;Kinematics
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
l六足昆虫机器人机械原理 一、基本原理 本项目的机器人，传动系统还是继续利用“摆动曲柄滑块机构”原理，把减速电机的旋转运动转换为驱动腿迈步的往复摆动运动，再结合简单的连杆结构，协调六条腿按照昆虫的步态规律实现爬行运动。 1、运动方式 本项目机器人是模仿拥有六条腿的昆虫的爬行运动。昆虫爬行想必大家都是见过的，但是由于昆虫的六条腿还是多了些，而且一般昆虫的动作都比较迅速，观察起来有点眼花缭乱，所以可能很多人并不是很了解昆虫爬行时这六条腿是如何协调动作的。而要做好六足爬行机器人，就要清晰的了解这六条腿的每个阶段的步伐状态，也就是我们常说的“步态”。 实际上，一般六条腿的昆虫，是以三条腿为一组、共两组交叉进行协调运动的。同一时间内，有一组也就是三条腿着地，另外一组的三条腿是离开地面的，然后两组交替切换往前爬行。我们都知道，三点可以确定一个平面，即三条腿可以保证整个身体的平衡，这也许就是很多昆虫都是长了六条腿的主要原因吧。 以下是六足昆虫爬行步态的分解，以前进方向为例进行说明: 1、静止时六条腿都是同时着地; 2、前进时，先迈出第1组三条腿(左前、右中、左后)，第2组三条腿着地(右前、左中、右后); 3、第1组三条腿(左前、右中、左后)往前迈出着地后保持不动，然后换第2 组三条腿(右前、左中、右后)往前迈出; 4、第2组三条腿(右前、左中、右后)往前迈出着地后保持不动，再换第1组……
如此循环往复，同一时间都保证有一组三条腿着地以保持身体的平衡，并不断往前进。 2、驱动机理 本项目机器人是采用六足爬行的方式运动，对于六足的驱动力量也是有一定要求的，所 以与前几个仿生类机器人项目一样都是借助减速电机所具有的“低转速、高扭矩”的特性来实现的。 与PVC-Robot 11号、PVC-Robot 12号机器人驱动双臂以及与PVC-Robot 13号驱动双足类似，本项目机器人六足中的中间两足是主动足，是由减速电机直接驱动的，而采用的减速电机同样也必须要满足两个条件: 1、拥有足够的动力，能够支撑双足行走; 2、减速电机左右两侧同轴输出。 为此，需要利用“蜗杆传动机构”对现有减速电机进行改造，相关方案在前面的项目中也已经进行了详细的阐述，这里不再重复，具体可以点击这里:PVC-Robot 11号——减速机构 本项目机器人实现六足爬行机械结构，其实是和PVC-Robot 12号、PVC- Robot13号类似的“连杆机构”——“摆动曲柄滑块机构”，只不过说这个在PVC-Robot 15号中这个连杆机构驱动六足的中间两足，然后再通过连杆带动其他四足 联动的。相关资料请参考:PVC-Robot 12号——驱动机理、PVC-Robot 13号——驱动机理。
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
本文的设计为六足爬虫机器人，机器人以锂电池为动力源，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
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。