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基于PLC的机器人本体设计(二)
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毕业论文范文题目:
基于PLC的机器人本体设计(二)
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基于PLC的机器人本体设计(二)
基于PLC的机器人本体设计(二)毕业论文范文介绍开始:
最近几年,美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密,这个秘密就是分子间的作用力一范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现,壁虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛,每根细毛直径约为200至500纳米,约是人类毛发的直径的十分之一。这些细毛的长度是人类毛发直径的2倍,毛发前端有100~1000个类似树状的微细分枝,每分枝前端有细小的肉趾,这种精细结构使得细毛与物体表面分子间的距离非常近,从而产生分子引力。虽然每根细毛产生的力量微不足道,但累积起来就很可观。根据计算,一根细毛能够提起一只蚂蚁的重量,而一百万根细毛虽然占地不到一个小硬币的面积,但可以提起二十公斤力的重量。如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时,可吸附住质量为133千克的物体,这相当于两个成人的质量。科学家说,壁虎实际上只使用一个脚,就能够支持整个身体。从壁虎脚的附着力得到的启示可用于研制爬壁机器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上,运用类比,模拟和模型方法,通过高分子材料化学,工程材料科学,力学和机械学的交叉研究,探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的,经物理改进的极性高分子材料(人造壁虎仿生脚干性粘合剂),并应用精密微机械加工的手段,设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置,该吸附装置将适应于各种材质(如玻璃,粉墙和金属等)和任意形状的表面(如平面,柱面,弧面和拐角等)。这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。
1.5.2 移动方式
在移动机器人中,轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用,但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍(如沟、坎等),并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活,对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的,跟壁面接触的面积小,可以在可达到的范围内选择最优支撑点,即使在表面极度不规则的情况下,通过严格选择足的支撑点,也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活,适应于各种形状的壁面上,而且能够跨越障碍物,因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。
1.5.3 驱动设备
传统伺服电机因功率重量比低,必须安装在远离驱动的地方,而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度,致使传动系统复杂,结构累赘,不能满足实用化的要求,为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密度的新型电机。微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件,研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平,满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的,而且要求微特电机技术的发展,满足机器人智能化、可靠、灵活、长寿命的需要。因此爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为朝高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动,将弹性材料(压电陶瓷)的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特的运行机理,超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点:(1)靠摩擦力驱动,因而断电后具有自锁功能,不需制动装置;(2)转矩密度大,低开放系统的核心技术是软件技术,开放系统软件体系是 装置以及通信网络的选择和配置。系统功能的大部分要通过整个系统集成的核心内涵。 人机界面(HMI)体系表现出来。
1.6 本课题主要研究内容
1.6.1 目的:
在经济高速发展的今天,服务行业越来越被人们所重视。随之以来的服务行机器人也诞生了。爬行机器人可以仿人移动,代替人们在危险的领域工作。如在15——50层的高层建筑清洗玻璃时,由于上部气流强,玻璃表面光滑容易出现事故,清洗效率低等问题。但使用爬行清洗机器人就可以避免以上情况很好的代替人类去完成危险的工作。
1.6.2 要求:
本课题研究的最终目标是为了城市楼宇清洁业提供一种可以代替人工进行高层建筑外壁面自动清洗的专用爬壁机器人系统。首要的目标是机器人系统爬行的可靠和灵活、清洗作业装置的高效率,在此基础上,尽可能使系统小型化、轻量化、操作合理方便,并且具有较高的爬升和壁面适应能力。
1.6.3 任务:
1.壁面清洗机器人的总体设计,针对爬壁机器人的作业情况和要求,对整个机器人的系统进行总体分析,包括移动机构的选取、吸附功能的实现、驱动方式的选择、以及控制系统的选用。
2.移动机构的总体分析、设计。机器人要进行高层墙壁的清洗工作,应具有在墙壁上转向和前后移动的功能。另一方面,由于玻璃表面比较光滑,所以要求机器人必须要有较强的壁面适应能力,并能跨越一定的障碍。
3.控制系统的总体分析和设计。控制系统要适应壁面清洗机器人的作业要求,必须保证操作可靠方便、功能齐全。采用主从式的控制结构,以上位机PC作为主控制部分,高性能的PLC做为从控部分,PLC安装在机器人本体上,操作者通过上位机进行操作。
4.对机器人进行力学分析。通过分析要得出机器人在墙壁吸附的可能性,可靠性。为机器人控制提供理论基础。
5.通过机器人系统仿真、理论依据,以验证论文的正确性和有效性。
第二章 壁面爬行机器人的系统组成
2.1 系统概况和关键结构
机器人能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行,主要由行走及转向机构、保险装置、吸附机构、吸盘组导向和提升装置以及控制系统组成。
图2.1 壁面清洗机器人的系统结构框图
2.1.1 行走机构
行走机构模仿坦克履带结构。坦克采用双履带行走和转向,对于爬壁机器人, 爬行中底部的履带要通过吸盘吸附在工作面上,如果采用双履带,机器人转向理论上不易实现, 因此决定采用单履带模式。在一封闭链条上安装吸盘形成一条行走履带,通过前后两个直径为122 mm 的链轮, 来支撑驱动履带, 并象坦克一样,在链轮上方设置支撑张紧轮。前轮用来控制爬行的方向,一个直流伺服电机来控制前轮转向, 后轮用于驱动爬行,由一直流伺服电机来驱动,电机A,B选的是额定转速200r/min,体积小,单位体积功率大。电机驱动后轮驱使机器人向前运动,当电机B转动时,驱动前轮偏转一定角度, 前部链条会随之转动一定的角度,因而, 机器人会改变其前进方向, 所以,链条具有一定的柔性对系统的转向很重要, 链条的每一关节可偏转2. 4°。转向的实现问题在下面进一步探讨。
2.1.2 吸附机构
吸附机构由安装在链条上的13组吸盘及真空发生器等组成,如(图2.3) 所示,一系列链条连接板依次等间距安装在链条上,吸盘安装在吸盘支撑板上, 吸盘支撑板和链条连接板之间通过连杆和弹簧相连, 由于连杆和链条连接板间可以滑动,因此,吸盘组在有比较小的障碍的墙面上, 可以象蠕虫一样产生避让动作,使机器人可以越过障碍,每组吸盘由4 个<55 mm的吸盘组成,由单独的机械阀控制其动作。随着机器人的运动,当一组吸盘完全接触工作表面到达吸附状态时,对应的机械阀打开,与之相连的真空发生器工作产生真空, 吸盘吸附在玻璃上,反之,随着机器人前进, 当一组吸盘即将要离开平面时, 对应的机械阀关闭,则吸盘的吸附力逐渐降到零,而可以脱离工作表面,在设计中,任何时刻都至少保证有4组吸盘同时吸附在工作表面上,以产生足够的吸附力, 防止机器人从墙壁上滑下或倾翻。因为每一个机械阀和真空发生器都要与气源连接,要确保它们随着链条的转动而不缠绕,用一旋转接头实现气的供给并能防止缠绕。
2.1.3 吸盘组导向和提升装置
机器人在墙上或一定坡度的坡面上爬行时,吸附在工作平面上的吸盘连杆相当于一柔性悬臂梁, 由于受重力(主要是机器人重力) 作用会向下倾斜,这样,当下一组吸盘组切入吸附状态时,此时吸盘连杆在工作面法线方向, 将不能保证这组吸盘组与已经吸附的吸盘组相互平行的姿态要求,这会造成几组作用吸盘组的相互干涉而影响机器人的爬行,因此必须保证吸盘组在垂直于工作面进入吸附状态,并能够维持垂直(近似) 姿态直到吸盘组脱离, 因此设计了吸盘组导向装置(见图2.3所示) ,在框架两侧安装了纵向的导向支撑板(导轨) ,链条连接板的两端安装有三导轮,吸盘组的导轮进入导向支撑板后,在导向支撑板、链条及直线轴承的作用下,保证吸附状态的吸盘连杆在机器人爬行时能保持相互姿态。为了避免吸盘在前轮下方切入时卷褶漏气,设计了相应的吸盘提升装置(图2.2) 。在一吸盘组进入吸附状态前,吸盘支撑板上的滚轮作用在提升轨道上,提升轨道将吸盘支撑板连同吸盘相对于链条连接板提升一段距离, 到达吸附位置时, 在弹簧作用下将吸盘弹回,吸盘组进入吸附状态。
1. 吸盘 2. 吸盘提升装置 3. 撑板弹簧 4. 导向支 5. 导轮
6. 链条连接板 7. 连杆 8. 吸盘支撑板
图2.2 吸盘组导向和提升装置
2.1.4 清洗装置的设计
清洗装置的的设计在壁面爬行机器人的设计中非常重要。因为清洗机器人以清洗为主。无法有效地对壁面进行清洗,机器人设计是不成功的,所以本小结对清洗装置进行设计。
机器人清洗装置主要是由喷头、支撑架、毛刷、电磁铁组成。
(1)喷头主要与地面上的水箱(如图2.1)相连接。水箱供水,使喷头喷出一定量水到玻璃表面。喷出的水会清洗掉玻璃表面上大块灰尘及粘贴物。
(2)支撑架的作用是支撑喷头以及在支撑架的上端安装的毛刷。在水喷出后毛刷负责刷洗玻璃表面,使玻璃更为干净。
(3)电磁铁的作用是抬起、放下支撑架。主要目的是避免已经清洗过的玻璃再次被弄脏。
1)在机器人向前(电机A正转)时,电磁铁不带电。
2)在机器人向后(电机A反转)时,电磁铁通电,使电磁铁带有一定的吸力,吸住支撑架上的铁板,使支撑架向上微抬起。这样就会使毛刷离开玻璃表面,无法再次污染玻璃表面。
图2.3 机器人受力示意图
2.2 机器人安全性分析
爬壁机器人携带设备进行工作时,如果负载太大超过其允许负载,它可能从工作墙面上滑下或倾翻,因此,安全性分析对爬壁机器人十分重要。
2.2.1 机器人安全吸附的条件
为了确定机器人的负载能力和安全性能,分析机器人所受的力。当机器人吸附在墙壁表面(这里以玻璃幕墙为例分析) 上时,受力情况(如图2.3 )所示,各符号意义如下:
———墙壁对第i 组吸盘的法向支撑力(垂直于墙面) , i = 1 , …,5 ;
———作用在第i 组吸盘上的真空吸力, i = 1 , …,5;
———墙壁作用在第i 吸盘上的摩擦力, i = 1 , …,5 ;
———作用在机器人上的重力(包括外设) ;
———相邻两组吸盘之间的距离;
———机器人的等效重心到玻璃幕墙的距离。
2.2.2 机器人安全吸附的计算
当机器人在玻璃幕墙上爬行时, 两种危险的情况可能发生:一种它可能从墙面上滑下; 另一种情况是由于最上方接触的吸盘由于受倾翻力矩太大脱离墙面, 引起机器人的倾翻。设计中,机器人的机构受力应满足避免下滑和避免倾翻两个条件,为了简化,这里只考虑了静态吸附情况。
(1) 为了避免机器人从墙面上滑下,根据摩擦力的特性,同样工况下,最大静摩擦力要大于滑动摩擦力,所以有:
G < min( f 动, f 静) = f 动= (2.1)
式中:
———最小摩擦因数;
———两接触表面间的正压力。
(2) 为避免机器人从玻璃幕墙上倾翻下来, 在颠覆力矩的作用下,应该满足:
( i = 1 , …,5) (2.2)
假设作用在支撑轮上的力不加考虑,认为墙壁对机器人的反作用力只作用在与墙壁接触的吸盘上, 由此静态下, 机器人在x 、y 方向受力分别满足:
(2.3)
(2.4)
所受的平衡力矩为(以O 点为参照点) :
(2.5)
并假定各个吸盘的真空度是均衡的,则作用在吸盘上的吸力为:
(2.6)
式中: s ———每组吸盘总的吸附面积;
v ———工作吸盘内的真空度。
为了方便计算 ,假设几个约定条件, 设作用于吸盘上的支撑力Ni ( i = 1 , …,5) 形成一对力偶,并且从N1 到N5 比例增加,以上假设用下式表示为:
+2 - +1 = +1 - ( i = 1 ,2 ,3) (2.7)
联解式(3) , (4) , (5) ,得到 ( i = 1 , …,5) 表示式:
(2.8)
理论上,由式(8) 可知,只要满足 > 0 ,则条件(2) 满足条件,求得:
(2.9)
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