爬壁式机器人.docx

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1、毕业设计（论文）题目爬壁式机器人设计专业班级光机电一体化工程（08级）姓名杨注指导老师徐汉斌所属助学单位武汉电子信息专修学院2011年12月2日名目前言2第一章3总体结构31.1 机械结构31.2 掌握系统硬件41.3 传感导引系统8其次章13爬壁机器人磁吸附原理13”磁吸附技术简介1323电磁铁吸力及选材13第三章143.1 一种新型磁轮单元143.2 磁轮分析15第四章爬壁机器人的力学分析164.1 爬壁机器人静力学分析174.2 爬壁机器人动力学分析17结论20参考文献20致谢20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

2、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掌握算法。这种机器人采纳磁轮吸附和小车式行走，采用磁带导航，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详细的应用对象，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

3、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。由于采纳手动检测，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、AMSTo等系列磁轮爬壁机器人，日本的OSakaGaSCo。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有用化的样例，也缺乏这方面的机械结构及自动掌握装置的争论，因此，对大厚度焊缝的超声波探伤自动扫查爬壁机器人的争论是非常必要的。关键词：机器人技术爬壁机器人磁吸附前言机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的

4、产物，是计算机科学、掌握论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿照人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设施。机器人技术的消失和进展，不但传统的工业生产和科学争论发生革命性的变化，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进展，机器人的小型化、微型化成为机器人技术进展的重要方向之一。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，对室内的状况进行侦察；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

5、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、水下等高危环境下进行特种作业，在热电厂、造船业、核工业、石化自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总体结构本样机由机械部分、掌握部分、导航传感检测部分组成。1.1机械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。IX1y1为机器人的坐标系，其中原点。1在机器人4个轮子布局的对称中心点上，X1为机器人左右磁轮的对称中心线，y1平行于串列扫查探头的导轨。图中所示。Xy坐标的X轴，相当于是固定在筒壁上的，与串列扫查基准线

6、重合，y轴是与其垂直的坐标，。与。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。!把动电机12驱动电机23.驱动电机345.齿形布6光电编叼器一油轮7.导轨&布块及MjHs淋头9.ftjIQS图I机器人结构Fig1TheStnicmfeofIDbot本文中左指的是y1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查对运动精度的要求。

7、机器人左右各有两个磁轮，各由沟通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）导轨滑块运动体采纳沟通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

8、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掌握,通过软件编程来实现。1.2 掌握系统硬件该微型爬壁机器人采纳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隙的红外传感器和用于采集现场信号的微型摄像头，所以对主掌握器的要求较高。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

9、作为掌握系统主掌握器。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；* 向量中断掌握器；* 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，400kbs;* 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；* 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

10、优化；* 片内晶振的操作频率范围10-25MHz;* 处内PLL允许CPU可以在超过整个晶振操作频率范围的状况下使用。微型爬壁机器人掌握系统的原理框图如图2所示，选用LPC2104作为嵌入式掌握器。为提高系统效率和降低功耗，功放驱动电路采纳基于双极性H-桥型脉宽调整方式PwM的集成电路L293D。L293D采纳16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，全部的开量都做成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，消退正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。L293D通过内部规律生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设

11、置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）o此外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时掌握2个电机。每1个电机需要3个掌握信号ENI2、INKIN2,其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向掌握信号，INI、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1/0口，经反向器74I1C14分别接INl和IN2引脚，掌握电机的正反转。为了节约LPC2104的I/O资源，选用2片74LS138和IN2引脚，掌握电机的正反转。为了节约LPC2104的I/O资源,选用

12、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，由于直注电机采纳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。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，借此来掌握吸盘的方向。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

13、感器来的信号来推断吸盘是否平安的吸附在墙壁上。1.PC2104还可以通过串口RS232和上位机进行通信。掌握系统软件设计微型爬壁机器人掌握系统软件选用嵌入式实时多任务操作系统UC/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，移植便利，且运行稳定牢靠。目前，它已经在几十种从8位到64位的微处理器、微掌握器上实现了胜利的移植。下面首先介绍UC/OS-H在LPC2104上的移植过程，然后介绍微型爬壁机器人掌握软件的设计。C/OS-II在LPC2104上的移植移植UC/OSTL主要包括：设置堆栈的增长方面，声明3个宏(开中断、关

14、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头执行；0SCtxSw()完成任务级的上下文切换；OSlntCtXSW()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。10S_CUP.H的移植UC/0S-H不使用C语言中的ShOrt、ini、Iong

15、等数据类型的定义，由于它们与处理器类型有关，隐含着不行移值性，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。在C/OS-II中，使用OS_ENTER_CRmCAL()和OS_EXIT_CRmCAL()开中断和关中断来爱护临界段代码。ARM处理器核的用户模式和执行ThUmb代码时，不能转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SWl使处理器进入管理模式和ARM指令状态，即使用SWI0x02关中断，使用SWI0x03开中断。MC/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

16、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，并且必需是满递减堆栈，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*/TyPedefUnSignedCharlNT8U;/*无符号8位整型变量*/TyPedefSignedCharlNT8S;/*有符号8位整型变量*/TyPedefUnSignedShOrtlNTI6U;/*无符号16位整型变量*/TyPOdefSignCdShOrtINTl6S;/*有符号16位整型变量*/TyPedefUnSignedi

17、ntINT32U;/*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)*/TyPedefdoUbIeFP64;/*双精度浮点数(64位长度)*/TyPedefINT32U0S_STK;/*堆栈是32位宽度*/_swi(0x02)voidOS_ENTER_CRITICAL(void);/*关中断*/_swi(0x03)voidOS_EXIT_CRITICAL(void);/*开中断*/#defineOS_STK_GROWTHl*堆栈由高地址向低地址增长*/20S_CPU_A.ASM文

18、件的移值OS_CPU_A.ASM文件要实现在多任务启动函数中调用OSSTartHightRdyO,任务切换函数OSCtxSwO,中断任务切换函数OSlntCtXSW()和时钟节拍服务函数OSTiCkISRO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。3.2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，且允很多个任务并行运行。嵌入式系统任务划分，是将系统中全部要处理的事情划分为一个个相

19、对独立的任务模块，全部待处理的任务模块按挨次建立一个个的任务，并安排任务的优先级。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。依据微型爬壁机器人掌握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uC/OS-H的任务调度是按优先级进行的，依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_PR为3、OSJLoWEST_PR103、0S_L0WEST_PRI020S_L0WEST_PRI0K0S_L

20、0WEST_PRI00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，准时产生相应的大事，可直接采用嵌入式微掌握器所供应的各种中断，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洁有效的手段。在UC/0S-H中，一个任务或者中断服务子程序，通过大事掌握块来向此外的任务发信号。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；

21、同时，通过红外传感器检测前面是否有障碍物。假如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头运行，通过协调掌握12个电机并协作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态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，掌握机器人绕过障碍物。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掌握系统中，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。1.3 传感导引系统传

22、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纳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向的运动掌握用内部传感器,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,导向带采纳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2传感器的平面布置图Fig2TheplaneIaxnltofsensors图中

23、.lxIy1为传感器盒坐标系，相当于是固定在机器人本体上的。X1传感器对称中心线上与Xl轴平行，y1轴通过1、2传感器，.4为传感器坐标原点。Xy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X4上与.4重合的点,y垂直于X。图中1、2、3、4分别表示4个传感器,传感器1、2用来限制机器人小车向X轴方向运动过程中,在y轴方向的偏移,传感器3、4用来限制机器人小车相对X轴方向的偏斜。一旦小车偏移，4个传感器分别有一个以上作出反应，计算机依据反馈过来的状况对机器人进行调整。光纤传感器5主要用于减小小车沿X方向前进过程中的积累误差,

24、沿导航带每隔100OInnl设置路标,传感器5检测到此路标,通过光电编码器6获得小车的当前位置，计算小车从当前位置与实际位置的误差并调整小车从当前位置到实际位置，避开距离过长造成积累误差过大的缺点。扫查运动（Scanningmovement）超声串列扫查要求一发一收的两只探头相对串列基准线等距离移动,这里我们称之谓扫查运动,探头是固定在滑块上的。运动扫查的详细步骤如下：（1）机器人首先查找零位，找到零位后机器人开头沿X轴运动。（2）在运动的过程中，通过传感器检测机器人沿y方向是否有偏移,相对于y方向是否有偏转。（3）若检测出来有偏移和偏转，则机器人通过调整运动,调整到要求的精度范围以内。（4）

25、调整完成后,这时滑块及探头作相向、相反运动一次,实现当前截面的串列扫查。（5）机器人连续沿X轴方向运动某一距离，并按（2）、（3）、（4）步骤对下一截面进行串列扫查。调整运动（Adjustingmovement）为满意超声探测的要求,机器人必需依据传感器状态准时作出相应的调整运动。如图1所示,导向传感器设定为4个传感器,正常状况下，4个传感器的光纤与白色色带接触传感器的显示灯是亮的，当机器人偏移到扫查规定范围外时,光纤传感器接触到磁带,传感器显示灯灭,这时机器人要依据详细的状况调整。调整是依据4个传感器检测的状况来进行的,对于可能遇到的状况,按位移、方位（角度）偏移可分4种,按传感器的状态依据

26、排列组合的原理可分为15种状况。例如：1灭2亮3灭4亮、1灭2亮3亮4灭等等。依据传感器的状态,通过调整运动掌握方法,调整机器人达到要求的位置和方位精度。机器人的调整运动基本算法有位置调整和角度调整两种,详细分析如下：图3调整运动图Fig3Adjustingmoment位置偏移的调整调整机器人本体（以下简称小车）位置偏差总共分为以下步骤：（1）小车绕中心旋转一个角度l,如图所示的小车虚线位置,其中实线为小车无偏移位置；（2）小车绕转过的方向前进xl距离；（3）小车停止运动绕中心反向旋转62;（4）小车沿X轴方向后退到初始X坐标处。这样小车可以实现y轴方向上的位移，而X轴方向上的位置保持不变从而

27、实现对它位置偏差的调整。本文设.1.T距离为L.1.T与yl轴的夹角为Y,1与Y都是机器人的结构参数,小车旋转角,小车由。1离开y1的距离引起横向偏移量AX,由传感器反应出来的O1偏移X的距离为小车纵向偏移量上上述各步骤的计算如下：(1)小车转过l角，纵向偏移AY61,横向偏移X61,其式为：%=/cos-7cosf()b,=snf+丫)-si(2)=(3)(2)小车沿转过的角度前进Xl的距离,纵向偏移AYW,横向偏移AXjht横向偏移：ml,其式为：l1=XISIn机(4)XXl=x1cos1(5)a=1(6)(3)小车反转2角产生纵向偏移Y2和横向偏移AX4,其式为：A=-/7COSy-Z

28、cosf2Y?J(7)A2=-fsmf2+-sh(8)%x1=0(9)横向偏移.A=-1=-XiCos(I(10)综上所述，为了调整AY的位置偏移,需小车转过的角度和移动的距高的关系式为：总偏移r=1+ii1+1i2jl=x1su4l(11)总偏移.=,Yi1+Aq+2+=o(13)A4=Zsm-7sin(14)(2)补偿YlXi补偿AYI依据上面位置调整的前3个步骤,小车旋转2和沿旋转的方向前进X2,反转62,其式为：),=2sin2(15)即：Zcos-cosf+=x2si2fl6)依据位置调整的推导可知，在这个过程中产生了Xhtml1的横向位移,其式为：Ar=X2co2(17)此时X方向

29、的总偏移为：A=A；1+T,(18；补偿,将小车沿釉方向后退后=-=Zsmf+-sm+电。电fl(2)f4Vy：机器人在XR、YR方向上的线速度(ms)；VxVy：机器人在XR、YR方向上的加速度(m/s2)；：机器人角速度(rads)；图4爬壁机器人原地转向平面受力图Ffii.=1NLFjiR=NrNRFfiis=凡NAS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),Dr为驱动轮半径(m)o依据静力平衡关系得：LS)s.+HcceHCBSeCT2LW(A-S)S6+7/CSQ+7/CpSgGw依据爬壁机器人在壁面运行的实际状况，提出下

30、列假设：爬壁机器人在运动过程中不消失滑移和侧滑，以匀速转动，即认为XV、Vy及3为零；同时，由于机器人转动角速度3(0l.67rads)及线速度Vx、Vy(02mmin)小，离心力远小于机器人自重，故忽视离心加速度项的影响。依据上述假设，上式可简化为：FfL+FfR+FfAS-GCPSg=O%GC尸%=O万(%+0)+SGCps-LFfas=O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。2“SZJBKSIaT)、叫4)、叫-4)L1 f 2rH OLQ4)lCfQ-2S 2H、町A -4)W结论本文主要争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

31、置的曲面自适应磁轮单元。该磁轮单元能供应比一般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。争论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应方面等高科技领域进展到肯定程度时，这种新型爬壁机器人的有用化才能变成现实。参考文献王丽慧.水下船体表面清刷机器人及相关技术争论D.哈尔滨：哈尔滨工程高校，2002田兰图.油罐检测爬壁机器人技术及系统争论M.北京：清华高校，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致谢在即将完成本科学习之际，首先我诚心感谢徐汉斌老师在毕业设计期间赐予的无私的关怀、关心和指导。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，徐老师赐予了我全面熬炼的机会，导师的悉心指导和严格要求使我的论文得以顺当进行。在此成文之际，谨向徐老师致以我最深切的敬意和最诚心的感谢。感谢在本科学习期间，赐予我鼓舞和关心的全部同学及伴侣。特殊是哺育我多年的父母。感谢对论文进行评审、提出珍贵意见的各位老师。