文獻翻譯--用于施工服務(wù)的最小自由度混合爬桿操縱機器人 中文版

用于 施工 服務(wù) 的 最小自由度 混合爬桿 操縱機器人 1緒論 目的 旨在描述設(shè)計 樣機的特點和爬桿 /操縱機器人 通過 極點 和 彎曲 部分的 能力。 設(shè)計 /方法 /方式 機器人 主要部分 引入 具有 混合（并行 /串行）四自由度（自由度）機制的還介紹了一種 具有 獨特 夾具設(shè)計 。 成果 研制出一種具有爬坡能力和操縱桿具有彎曲和分支的能力 ， 另外 至少需要 4 個自由度 的機器人 ，同時 發(fā)現(xiàn) 電氣驅(qū)動對于爬桿機器人是一個很好的選擇，它比氣動和液壓缸具有更好的優(yōu)勢 研究限制 /影響 在 未來的工作 當中， 機器人 的 半工業(yè)規(guī)模 對 工業(yè)機器人的 設(shè)計和制造是一個很好的 啟發(fā) 。 實際影響 隨著對 夾持模塊和工具模塊 最后 的修改 ，機器人 將 能夠做一些服務(wù)工作，像管 道 測試，管 /極清潔， 公路 燈泡更換等。 獨創(chuàng)性 /價 值 為 建設(shè)與服務(wù)工作 設(shè)計和制造一個 具有 最小自由度 的 爬桿和操縱機器人 。 關(guān)鍵詞： 設(shè)計，并行編程，運動學(xué)，極點，機器人 2介紹 爬壁機器人已獲得很大的重視，近年來由于其潛在的應(yīng)用在建筑和高大的建筑維修，農(nóng)業(yè)收獲，公路和橋梁維修，船廠的生產(chǎn)設(shè)施等等 都有體現(xiàn) 。 如果需要提高串行多足機器人在復(fù)雜工作壞境中的 使用，就需要在更大程度上提高其自由度 。 眾所周知，串行配置需求量更大的扭矩在關(guān)節(jié) 上 ，因 此 爬壁機器人 的 關(guān)鍵 就是 要求較大和較重的致動器 從而在較小的有效載荷重量比 。對比結(jié)果使用并行平臺在減少的重量 /功率比，從而使有效載荷 早期在這一領(lǐng)域主要通過移動球面（窗口）機制集中 在 六自由度研究上（ 梅爾萊特， 2000；到 nshoff， 1998） Salter et al 建模和模擬 了一種具有氣動執(zhí)行器和平行六自由度的并聯(lián)機器人，該模型具有一個較大的有效載荷能力，這對于工業(yè)爬桿機器人來說是一個很重要的環(huán)節(jié)（ Salataren et al., 1999） 后來 阿拉西利 等人，制作了一個能夠 自主攀沿管狀結(jié)構(gòu) 的并聯(lián)機器人 ， 該機器人采用高夫 斯圖爾特作為機器人平臺 ， 該平臺的驅(qū)動器 采用 六氣缸氣動伺服控制 ， 他們的 機械結(jié)構(gòu) 使用了 六 氣 缸 作 為抓手（ 一個夾具使用三個氣缸 ） 總共 使用 了 12 個驅(qū)動器 但 不 包括 所需的機械臂驅(qū)動器 （ Aracil et al., 2003）， 該 機械結(jié)構(gòu) 是相當復(fù)雜的 ， 因此 有能力通過任何方向 的 彎曲， 并能夠讓他適合移動 沿線的樹木 和復(fù)雜的結(jié)構(gòu) ，因此，我們需要設(shè)計的是一種不太復(fù)雜具有 沿著 人類設(shè)計的路線和不太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)移動的能力，同時該結(jié)構(gòu)擁有最小自由度和最低數(shù)量的驅(qū)動器。此外， 氣壓缸在機械裝置的使用過程中還存在著壓縮空氣從壓縮 機到氣缸的轉(zhuǎn)移問題 但最近幾年來，機械工具在一些工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用導(dǎo)致了更加注重不少于六自由度平行機制的研究， 大多數(shù)最近幾年的研究集中在三自由度機械機構(gòu)上（ Pierrot et al., 2001； Gosselin et al., 1992b； Tsai, 1996） 在 沿桿 或具有彎曲和分支結(jié)構(gòu)的管狀結(jié)構(gòu)上移動就必須具有四個自由度（ 沿垂直于管軸的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)）， 同一自由度在爬桿的應(yīng)用中對于大部分操作和 維修工作中也是必不可少的。在 Vossoughi 中討論了關(guān)于平面并聯(lián)機構(gòu)應(yīng)用在并聯(lián)結(jié)構(gòu)機器人的詳細建模機制和選擇 過程（ 2004） 。 就作者所知， 對于這樣的操作還沒有四自由度的機械結(jié)構(gòu)來提供二自由度的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，在本文中，該機構(gòu)顯示 利用并行 /串行機制 來提供具有二自由度翻轉(zhuǎn)和二自由度旋轉(zhuǎn)的軸（這將在以下描述出來）。 并行 /串行機器人 同時具有 剛性全并聯(lián)機構(gòu) 和串聯(lián)機器人擴展工作區(qū)的優(yōu)點（ Romdhane， 1999） .在 Zakerzadeh中四自由度機制的完全意義上的運動學(xué)分析已經(jīng)提出 et al. (2004). 該機構(gòu)還利用新型夾具設(shè)計，使它適合安全爬桿操作 3 概念 （方案） 就像前面所提到的， 沿著 具有 彎曲和分支 的 管狀結(jié)構(gòu) 運 動 ，至少需要四自由度。這些包括 Tz： 沿 著極軸運動的平移自由度（圖 1），歸零 ： 沿 著極軸左右旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度（圖 2），接收： 沿 軸的徑向方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度（圖 3） 圖 3-1 攀沿桿 圖 3-2 繞極軸旋轉(zhuǎn) 圖 3-3 彎曲段 運動 結(jié)合以上三自由度和 沿 極軸徑向翻轉(zhuǎn)運動的翻轉(zhuǎn)自由度，為在桿上達到目標點以后的必要操作提供必要的操作性能（ 即修理，維修或生產(chǎn)等操作 比如 焊接 ） 4機器人 的 設(shè)計 和組成 要 設(shè)計 的爬桿機器人主要由三部分組成 （圖 5）： 三自由度的平面并聯(lián)機構(gòu) ，串行 Z 軸旋轉(zhuǎn)機制 ， 夾鉗 。 結(jié)合三自由度平面并聯(lián) 機構(gòu)和具 有旋轉(zhuǎn)機制的極軸提供的二自由度翻轉(zhuǎn)和平移，這就需要在最后一章對設(shè)計目標做出解釋 圖 4-1 機器人進行焊接操作 圖 4-2 爬桿機器人模型 除此之外，線性氣缸要用于平行機械手來安裝包 圍桿 ，因此需要減少夾具的動作時間 一個手爪連接到一個機械臂，另外一個連接旋轉(zhuǎn)平臺的底部，這樣就可以達到，該夾鉗有四個自由度與之想對應(yīng) ，同時 可以 滿足在不同的截面和幾何構(gòu)型的軸和桿上運動 4.1 三自由度平面平行機械手 通常意義上的三自由度平行三角平臺由移動平臺通過三個簡單的運動鏈連接到一個固定的底座組成，每個運動鏈通過三個獨立自由度關(guān)節(jié)組成，其中的一個是活動關(guān)節(jié)（ Gosselin 以及其他人）， Hayes 和一些人通過研究表明 ，有 1653種不同平行三角平臺能夠轉(zhuǎn)變成為三自由度機構(gòu)，對于所推薦的機械結(jié)構(gòu)，three-RPR 機制可以被選定為機器人的 平面平行部分 4.2 旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是由導(dǎo)軌，滑動單元，齒輪組和電機 組成 ，圖 1 顯示的是導(dǎo)軌和滑動單元，該導(dǎo)軌是環(huán)繞著極軸的 T 形圓導(dǎo)軌 ，滑塊單元 由特定的軸承 組成，它能夠在所有可能的配置 中承受在各種實踐和維護機器人的穩(wěn)定性的過程中產(chǎn)生的力和力矩，該滑塊有一個下夾持器 通過一個由簡單傳動裝置連接的電機驅(qū)動，當保持其中一個夾鉗固定通過旋轉(zhuǎn)運動其他夾持器可以繞極軸旋轉(zhuǎn) 4.3 夾持器 該夾持器具有一個獨特多指設(shè)計，它只需通過一個簡單的電機來適應(yīng)桿的不同截面和尺寸，每個夾具包括 2v 多指靈體，雙轉(zhuǎn)軸電機，左右各兩個螺釘和雙直線導(dǎo)軌， 特殊的多手指布局的使用不僅增加了夾具的扭矩處理能力同時也提高在不同桿的截面和尺寸的適應(yīng)性， 滾珠絲杠 的 摩擦系數(shù)為 0.1，兩條直線導(dǎo)軌將承受機器人在爬升的過程中載重，選定的雙軸電 機相對于機器人的重量來說很小，圖 2 展示了夾具的制作。 圖 4-3-1 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)系列 圖 4-3-2 機器人裝配夾具 在典型的爬桿應(yīng)用中各個組成部分的 結(jié)合運動展示在圖 3-5，表 1 顯示的原版本的規(guī)格和機器人工業(yè)版本的估計規(guī)格 5機器人原型 下面是建議的機械結(jié)構(gòu)的運動學(xué)分析（ Vossoughi et al., 2004； Zakerzadeh et al., 2004） ，為假設(shè)的內(nèi)部燈泡更換操作而設(shè)計和建造的原型單位， 這個機器人的重量為 16kg，這個機器人的身體是由 鋁 合金 制造 ，這個機器人是由三個直流電機和三個 電氣缸體驅(qū)動， 在缸體的控制上， 電氣驅(qū)動 的使用 比氣動和液動更加簡化 ，還能增加控制的精度，而且還不需要壓縮機或 泵 ，同時這也消除了液壓管或氣動管，而且這些對爬桿機器人的應(yīng)用也是很不安全的、 這些電動機的重量為每個 1.1kg，每個電動機能夠提供 800N的力和 0.6 m/min的速度 。 平面并聯(lián)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)該制作的具有相對較高的耐受性，不然的話，平面并聯(lián)機構(gòu)將會被約束或展現(xiàn)出多余的自由度，除此之外，對于機械結(jié)構(gòu)的合理運動，裝配的工藝精度也是非常重要的 ，為了使兩個微型機械手更好的適應(yīng)更換動作，一個機械手 夾持新燈泡， 一個機械手更換舊燈泡，這個夾持器為氣動驅(qū)動，同時也是一個可以被利用的擁有 300cc 容量的小存儲器 ，通過裝在機械手上得圓頂遙控攝像機，當機器人在更換燈泡時，用操縱桿通過懸掛裝置來實現(xiàn)遠程控制，該相機擁有兩個自由度，可以繞兩條垂直的軸左右旋轉(zhuǎn)，同時被一個圓頂所遮蓋，圖 6 展示制作的原型。 圖 7 顯示的是在桿上得制作原型，圖 8 是制作原型通過彎曲部分時圖像，圖9 是制作原型更換燈泡是的圖像 6機器人的控制 就像前面所提到，制作原型 是通過三個 electrical cylinders 和三個直流電機驅(qū)動，每個電機都有一個控制 面板，它是直接連接到中央電腦 圖 6-1 機器人 沿桿軸 運動 圖 6-2 機器人繞桿轉(zhuǎn)動 圖 6-3 通過彎曲部分時的機器人 表一 .機器人的工業(yè)版本和原型版本的估計數(shù)據(jù) 線性驅(qū)動器的個數(shù) 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的個數(shù) 重量 尺寸（ cm） 原型版本 3 3 16 18 25 60 工業(yè)版本 3 3 30 50 50 100 圖 6-4 制作原型 圖 6-5 制造原型 沿 桿移動 圖 6-6 制作原型通過彎曲部分 機械手的電動機采用電流反饋控制，當 夾鉗接觸到電極，電流上升，當電流上升到一定的值時，機械手產(chǎn)生 與電流 成正比的力，由于機械手的電動機是沒有后備電源的，當電動機斷電后，由于大量齒輪的存在，夾具不會松懈還將保持原有的姿態(tài)，這樣可以保證當其斷電后的安全性。 電缸包括一個直流電機 ，傳動裝置和螺桿，在直流電機的軸使用了頻率為500hz 的編碼器，氣缸的直線運動的精度為 0.1mm，在直流電機的轉(zhuǎn)動機構(gòu)的軸上也使用了 100Hz 的編碼器 ，串行機制的轉(zhuǎn)動裝置的精度為 00.6 ， 一些列組裝在夾鉗上得觸摸開關(guān)，不僅可