外文資料翻譯 翻譯資料名稱 (外文 ) A 翻譯資料名稱 (中文 ) 爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和粘附的研究 院 （ 系）： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： 潘晨 學(xué) 號(hào)： 04111237 指導(dǎo)教師： 陳敏華 完成日期： 爬壁機(jī)械人運(yùn)動(dòng)和粘附的研究 作者： 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，爬壁，運(yùn)動(dòng)，粘附，工程應(yīng)用 摘要 ： 爬壁機(jī)器人是機(jī)器人系統(tǒng)在 2D 或復(fù)雜的 3D 環(huán)境中移動(dòng)，如墻壁，天花板，屋頂，幾何結(jié)構(gòu)以及適應(yīng) 各種類型的環(huán)境。他們不僅將取代在危險(xiǎn)環(huán)境中人工進(jìn)行的危險(xiǎn)任務(wù)，同時(shí)也提高運(yùn)營效率，省去了昂貴的安裝腳手架和人員成本。爬壁機(jī)器人在自我維持 他們的身體的同時(shí)，有不同的特點(diǎn)來適應(yīng) 二維和三維表面類型，左右移動(dòng)，并配有適當(dāng)?shù)墓ぞ吆蛡鞲衅鱽硗瓿晒ぷ?。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)爬壁機(jī)器人最重要的標(biāo)準(zhǔn)是有適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)和適應(yīng)特定環(huán)境要求的粘附機(jī)理。在這篇文章中，將會(huì)介紹爬壁機(jī)器人的簡要概述以及和具有綜合運(yùn)動(dòng)和黏附的分析的適當(dāng)?shù)呐辣跈C(jī)械人的例子。同時(shí)，從適用范圍進(jìn)行考慮提出了爬壁機(jī)械人可運(yùn)用 在從建造工業(yè)行業(yè)的清潔任務(wù)到 生物醫(yī)學(xué)服務(wù)行業(yè) 。 1、 介紹 作為一種特殊的移動(dòng)機(jī)器人，爬壁機(jī)器人是指能在二維或三維復(fù)雜環(huán)境中 移動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng) 如墻壁，天花板，屋頂，幾何結(jié)構(gòu)以及適應(yīng)各種類型的環(huán)境。爬壁機(jī)器人是一個(gè)非常 有吸引力的研究課題，由 于工作位置的困難環(huán)境不便于人們觸及和工作的不安全隱患，大量的問題是人類操作員不能直接執(zhí)行的。因此，爬壁機(jī)器人可以是一個(gè)很好的替代方案，可以提高經(jīng)營效率，保護(hù)工作者的人身安全，并且在從以下危險(xiǎn)任務(wù)中可以保障工作者的安全 ：高層建筑的清洗和檢查工作， 核電廠儲(chǔ)罐及 石化設(shè)備的診斷工作，船體的焊接和維修工作，等等。 相比其他的移動(dòng)機(jī)器人，通過 輪子或者腿在地面上移動(dòng)，爬壁機(jī)器人具有通過 維持身體從而抵抗重力而在 3D 環(huán)境中移動(dòng)的獨(dú)特的特點(diǎn)。由此，在設(shè)計(jì)爬壁機(jī)械人的過程中以下幾個(gè)問題需要考慮。 、增加的自主性和有效載荷輔助設(shè)備的基礎(chǔ)上保證在重量輕，其次是低能量 消費(fèi)的要求。 、可以使得爬壁機(jī)器人在 各種不同的幾何形狀和材料的環(huán)境中移動(dòng)的高流動(dòng)性，如磚，玻璃，水泥，鋼，等等。 、一個(gè)能適用于各種環(huán)境條件的爬行機(jī)構(gòu)。 如此看來，機(jī)器人設(shè)計(jì)師不僅要考慮類似所有的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，同時(shí)還要考慮附著力方面的問題，這是 在爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中的的兩個(gè)主要問題。在過去的 幾十年來，大量的研究一直致力于攀登 機(jī)器人，并且各種類型的實(shí)驗(yàn)原型和產(chǎn)品 已經(jīng)提出了。根據(jù)行走機(jī)構(gòu)， 爬壁機(jī)器人可以分為六類：腿型，輪驅(qū)動(dòng)式，履帶式，轉(zhuǎn)換類型，可運(yùn)動(dòng)類型，組合類型。另一方面，從 粘合 點(diǎn)來看，爬壁機(jī)器人可以分為 五類：吸入式，磁式，夾式， 導(dǎo)軌 式，和仿生型。此外，不同的粘附機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)可以組合成不同類型的爬壁機(jī)器人。 本文的結(jié)構(gòu)組織如下：第 2節(jié)主要論述了 各種各樣的爬壁機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)。第 3節(jié) 將爬壁機(jī)器人以粘附機(jī)制進(jìn)行重新分類 機(jī)制。第 4節(jié)給出了一個(gè)完整的針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的爬壁機(jī)器人列表，應(yīng)用范圍從工業(yè)建設(shè)清潔任務(wù)到生物醫(yī)學(xué)服務(wù)行業(yè)。最后，在第 5節(jié)結(jié)束概括論述。 2、 爬壁機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu) 足式移動(dòng)機(jī)構(gòu) 在二維或三維表面運(yùn)動(dòng)的許多不同種類的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)過去了 幾十年。 采用腿足式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)具有代表性的方法。爬壁機(jī)器人使用的腿采用 從兩個(gè)到八條腿都配備有運(yùn)動(dòng) 真空吸盤、抓爪、或磁性器件 在腿的底端。這些用于連接的設(shè)備保證了和表面穩(wěn)定強(qiáng)力的粘附。由于他們通常有很多度的自由，所以他們可以在粗糙的表面和裂紋出運(yùn)行，并具有良好的避障功能。然而，由于諧波步態(tài)的使用控制，他們需要復(fù)雜控制系統(tǒng)，并且由于不連續(xù)運(yùn)動(dòng)，因而有運(yùn)動(dòng)速度低的缺點(diǎn) 。 圖 爬壁機(jī)器人的腿數(shù)量的增多，導(dǎo)致的 支撐 環(huán)境中的力更大，從而有效載荷得到增加并且安全性也得到提高。然而，在增加 腿的數(shù)目的同時(shí)也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和機(jī)器人的重量和外形的大小。因此，爬壁機(jī)器人系統(tǒng)需要一個(gè)緊湊的尺寸和高能量的效率，因而 采用雙足結(jié)構(gòu)。 點(diǎn)、五鏈接、并在腿的兩端有吸附機(jī)構(gòu)（圖 1）。它采用欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 有助于減輕重量和節(jié)省空間的耦合， 在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)允許三個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)四個(gè)關(guān)節(jié)。因此，原型大小約 45 335g。 當(dāng)需要增加安全性或更大的有效載荷能力時(shí)，將 采用四足爬壁機(jī)器人。圖 2顯示了四足爬壁機(jī)器人 是東京技術(shù)開發(fā)研究所為了外觀檢查的目的和高層建筑和橋梁維修的意義所開發(fā)的 。他們是由以下幾個(gè)部分組成： 1）能夠在表面上產(chǎn)生移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力的三維并聯(lián)機(jī)構(gòu)； 2）驅(qū)動(dòng) 平行四邊形機(jī)構(gòu)調(diào)整關(guān)節(jié)的姿勢的管道線； 3）在吸吮力不平坦的表面時(shí)可以調(diào)節(jié)多個(gè)吸盤的 閥。然 而，當(dāng)軸沿垂直方向的推力為 1400N 時(shí)候，它有一個(gè)大小 500量 45 最大速度。 (a) (b) 有更大的尺寸和重量時(shí)，六或八條腿的攀登機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展到可以增加的其穩(wěn)定性和有效載荷。 爬壁機(jī)器人，它有六個(gè)爬行動(dòng)物類型的腿，每個(gè)腿有 3自由度，最初提出用于執(zhí)行 檢查、清潔、和船舶焊接任務(wù)。腿運(yùn)動(dòng)學(xué)是 。在腿的底端配有電磁抓取器用于固定 機(jī)器人在墻上的鐵磁材料（圖 3）。因此，重量也將 增加至 250公斤并且將為機(jī)器人帶來高復(fù)雜度用于控制管理從處理器的主 在實(shí)際中實(shí)現(xiàn) 8自由度的控制。對(duì)于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和 有效載荷的增加以及增加系統(tǒng)的尺寸，復(fù)雜性，和重量之間要進(jìn)行 取舍。 （ a） (b)電磁夾具 圖 爬壁機(jī)器人焊接船體 式移動(dòng)機(jī)構(gòu) 輪驅(qū)動(dòng)的爬壁機(jī)器人通過結(jié)合輪的平移、旋轉(zhuǎn)和真空 表面附著的泵或磁鐵從而爬上垂直的平面和天花板。因此，他們可以不斷移動(dòng)，隨后，他們的速度可以提高的 相當(dāng)大。通過用吸附力附著到表面上， 一些車輪驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器在基面和要行駛的表面之間存在著空氣間隙。雖然這樣的系統(tǒng)需要 在通常是一個(gè)粗糙的 金屬表面或混凝土墻等的目標(biāo)表面上移動(dòng)，該吸附裝置不能 完全堅(jiān)持以高度的摩擦；因此，一種特別的在墻和機(jī)器人之間的密封是必不可少的。密封必須保證負(fù)的內(nèi)部壓力，并且應(yīng)該保證 讓機(jī)器人通過小的障礙。這樣的機(jī)器人不能 處理大的障礙，其有效載荷能力小。 (a) (b) 圖 和 的原型 和 2的目標(biāo)是檢查無孔的垂直墻壁， 如在地面以上的石油化工儲(chǔ)罐。為了保證表面材料的獨(dú)立系統(tǒng)的工作， 他們 使用的是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、吸盤、和真空發(fā)生器（圖 4）。他們被設(shè)計(jì)可以完成在正常速度時(shí)可以通過小的障礙（約 1在一個(gè)較低的速度時(shí)可以通過更大的障礙。由于這樣的 吸盤有不可避免的真空泄漏，將使用有非常高的空氣流量和用大直徑密封的 器的空氣吸出器 。 的 直徑為 30載 10重量 4 （ a）在垂直表面的機(jī)械人 （ b） 型 圖 同時(shí)，一個(gè)多功能的輕量級(jí)機(jī)器人已經(jīng)被 設(shè)計(jì)為一三輪同步驅(qū)動(dòng)車（圖 5）。它可以完成在船舶的船體中的移動(dòng)從而完成如檢查焊縫的任務(wù)。同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)允許在沒有任何轉(zhuǎn)向變化的情況下而完成在任何方向上的運(yùn)動(dòng)。 和 2通過用吸附力粘附在表面上，用于 該機(jī)器人保持吸附在船體上的吸附力是十分必要的，該吸附力是由 三永久磁鐵放置在其機(jī)器人的底部產(chǎn)生的 。利用多光束和一個(gè)具有適當(dāng)?shù)倪^濾器的相機(jī)的視覺系統(tǒng)用來檢測槽是由 焊接而成的 。 圖 窗戶上的工作 69 對(duì)于一個(gè)使用兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輪和一個(gè)吸盤的爬壁機(jī)器人 用了基于真空的濕附著力系統(tǒng)（圖 6）。由于具有連續(xù)改變其行駛速度的能力，該機(jī)器人可以用安裝在它身體內(nèi)部的清潔設(shè)備清除玻璃窗上所有的污垢。特別是它采用的密封和潤滑類似于 液體表面上的粘附和滑動(dòng)。 帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu) 履帶式爬壁機(jī)器人與輪驅(qū)動(dòng) 爬壁機(jī)器人在通過用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)移動(dòng)方面具有相似之處。 然而，使用鏈傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)械人能夠更好地避開障礙物和附著在行駛 表面。 . 圖 7. I 的鏈軌道上安裝有 52個(gè)吸杯，幾乎可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)（圖 7）。真空吸盤由電磁閥控制從而可以提供使機(jī)器人保持在玻璃 表面的粘合力。機(jī)器人可以通過扭曲柔性鏈完成在一個(gè)有限的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)并且可以攀爬一個(gè)小于 6障礙。最大速度為 10m/量和有效載荷分別為 22公斤和 25公斤。 小型爬壁機(jī)器人的尺寸為 96且命名為 用一個(gè)三角形形狀的磁性毛毛蟲在（圖 8）。粘合力是由提供 固定在機(jī)器人的框架的毛毛蟲磁鐵中的一個(gè)組合的小磁鐵。雖然它的兩個(gè)三角形的軌道 只有兩自由度運(yùn)動(dòng)， 以在任何傾斜的重力的鐵磁表面進(jìn)行巡航。 （ a） （ b）攀爬過程 圖 地板到天花板的運(yùn)動(dòng) 最近，由德國公司 4開發(fā)的一個(gè)商業(yè)化的爬壁機(jī)器人 利用兩 平面軌道移動(dòng)機(jī)構(gòu)和一系列的用于吸附到玻璃墻上的吸盤結(jié)構(gòu)，如圖 9所示。它可以清潔 玻璃表面和框架，并且保證不留水漬，同時(shí)已經(jīng)可以完成 高達(dá) 4厘米厚度達(dá)二百四平方米 /小時(shí)的清洗速率幀 。 （ a） （ b）平面跟蹤 圖 于轉(zhuǎn)化的運(yùn)動(dòng) 最簡單的運(yùn)動(dòng)的方法是使用一個(gè)具有附件裝置機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)化爬壁機(jī)器人的控制方式與流程操作并不 復(fù)雜，這是因?yàn)槠浜唵蔚倪\(yùn)動(dòng)盡管是一些保持運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然這種爬壁機(jī)械人也有一些缺點(diǎn)，比如他們的尺寸過大， 在一個(gè)狹小的空間中很難進(jìn)行很好的應(yīng)用。 同時(shí)，運(yùn)動(dòng)也是不連續(xù)、并且運(yùn)行的速度低。 天空清潔者 1、 2、和 3是轉(zhuǎn)化攀登機(jī) 械人的代表。這些清洗玻璃墻的機(jī)器人 是通過氣缸驅(qū)動(dòng)他們進(jìn)行轉(zhuǎn)化的；他們通過真空夾持器 玻璃墻上的（圖 10）。 特別是，天空清潔者 3是為上?？茖W(xué) 科技博物館設(shè)計(jì)的 用于清潔玻璃表面的一個(gè)商業(yè)產(chǎn)品。它通過兩個(gè) 交叉連接的 升或降低真空吸 盤并保持體缸 吸附在墻上。遠(yuǎn)程操作機(jī)器人完成清洗任務(wù)，這樣的系統(tǒng)包括一個(gè)駐扎在地面的支持工具 和提供電力，空氣，和清潔的 液體。 （ a）天空清潔者 1 （ b）天空清潔者 2 （ c）天空清潔者 3 （ d）天空清潔者 1、 2和 3的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 圖 、 2、 3以及轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 最近，爬壁機(jī)器人已被建議用于執(zhí)行在船廠的 磨粒爆破作業(yè)。機(jī)器人采用用永磁體連接的雙 滑動(dòng)平臺(tái)（圖 11）。該系統(tǒng)是基于可相對(duì)移動(dòng)的兩個(gè)模塊，并且能在任何的碼頭上移動(dòng)噴砂的方向。它還可以在進(jìn)行砂礫的 爆破任務(wù)時(shí)旋轉(zhuǎn)以補(bǔ)償船體的曲率并且避開障礙物 。 圖 纜驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的另一個(gè)方法是使用 電纜或繩索。配備 在建筑物或其他結(jié)構(gòu)的屋頂?shù)碾娎|系統(tǒng)可以保證在垂直方向和 水平方向上的運(yùn)動(dòng)，并且同時(shí)還能維持機(jī)器人本體的平衡。 纜索支撐攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)和 實(shí)現(xiàn)是以清洗玻璃幕墻為目的。這種 機(jī)器人沒有自己的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，但可以依靠在屋頂上的小車起重機(jī) 繼續(xù)保持在 光滑的玻璃表面重力和升力，在吸附的表面采用的是 雙真空吸盤（圖 12）。例如像水平的障礙 窗框可以由四組可以交叉的光電檢測 傳感器完成清洗的。 圖 事實(shí)上，在日本已經(jīng)有很多商業(yè)爬壁機(jī)器人采用電纜驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖 13已經(jīng) 顯示了爬壁機(jī)器人用于 檢