文献翻译--用于施工服务的最小自由度混合爬杆操纵机器人 中文版

用于 施工 服务 的 最小自由度 混合爬杆 操纵机器人 1绪论 目的 旨在描述设计 样机的特点和爬杆 /操纵机器人 通过 极点 和 弯曲 部分的 能力。 设计 /方法 /方式 机器人 主要部分 引入 具有 混合（并行 /串行）四自由度（自由度）机制的还介绍了一种 具有 独特 夹具设计 。 成果 研制出一种具有爬坡能力和操纵杆具有弯曲和分支的能力 ， 另外 至少需要 4 个自由度 的机器人 ，同时 发现 电气驱动对于爬杆机器人是一个很好的选择，它比气动和液压缸具有更好的优势 研究限制 /影响 在 未来的工作 当中， 机器人 的 半工业规模 对 工业机器人的 设计和制造是一个很好的 启发 。 实际影响 随着对 夹持模块和工具模块 最后 的修改 ，机器人 将 能够做一些服务工作，像管 道 测试，管 /极清洁， 公路 灯泡更换等。 独创性 /价 值 为 建设与服务工作 设计和制造一个 具有 最小自由度 的 爬杆和操纵机器人 。 关键词： 设计，并行编程，运动学，极点，机器人 2介绍 爬壁机器人已获得很大的重视，近年来由于其潜在的应用在建筑和高大的建筑维修，农业收获，公路和桥梁维修，船厂的生产设施等等 都有体现 。 如果需要提高串行多足机器人在复杂工作坏境中的 使用，就需要在更大程度上提高其自由度 。 众所周知，串行配置需求量更大的扭矩在关节 上 ，因 此 爬壁机器人 的 关键 就是 要求较大和较重的致动器 从而在较小的有效载荷重量比 。对比结果使用并行平台在减少的重量 /功率比，从而使有效载荷 早期在这一领域主要通过移动球面（窗口）机制集中 在 六自由度研究上（ 梅尔莱特， 2000；到 nshoff， 1998） Salter et al 建模和模拟 了一种具有气动执行器和平行六自由度的并联机器人，该模型具有一个较大的有效载荷能力，这对于工业爬杆机器人来说是一个很重要的环节（ Salataren et al., 1999） 后来 阿拉西利 等人，制作了一个能够 自主攀沿管状结构 的并联机器人 ， 该机器人采用高夫 斯图尔特作为机器人平台 ， 该平台的驱动器 采用 六气缸气动伺服控制 ， 他们的 机械结构 使用了 六 气 缸 作 为抓手（ 一个夹具使用三个气缸 ） 总共 使用 了 12 个驱动器 但 不 包括 所需的机械臂驱动器 （ Aracil et al., 2003）， 该 机械结构 是相当复杂的 ， 因此 有能力通过任何方向 的 弯曲， 并能够让他适合移动 沿线的树木 和复杂的结构 ，因此，我们需要设计的是一种不太复杂具有 沿着 人类设计的路线和不太复杂的结构移动的能力，同时该结构拥有最小自由度和最低数量的驱动器。此外， 气压缸在机械装置的使用过程中还存在着压缩空气从压缩 机到气缸的转移问题 但最近几年来，机械工具在一些工业领域中的应用导致了更加注重不少于六自由度平行机制的研究， 大多数最近几年的研究集中在三自由度机械机构上（ Pierrot et al., 2001； Gosselin et al., 1992b； Tsai, 1996） 在 沿杆 或具有弯曲和分支结构的管状结构上移动就必须具有四个自由度（ 沿垂直于管轴的翻转和旋转）， 同一自由度在爬杆的应用中对于大部分操作和 维修工作中也是必不可少的。在 Vossoughi 中讨论了关于平面并联机构应用在并联结构机器人的详细建模机制和选择 过程（ 2004） 。 就作者所知， 对于这样的操作还没有四自由度的机械结构来提供二自由度的翻转和旋转，在本文中，该机构显示 利用并行 /串行机制 来提供具有二自由度翻转和二自由度旋转的轴（这将在以下描述出来）。 并行 /串行机器人 同时具有 刚性全并联机构 和串联机器人扩展工作区的优点（ Romdhane， 1999） .在 Zakerzadeh中四自由度机制的完全意义上的运动学分析已经提出 et al. (2004). 该机构还利用新型夹具设计，使它适合安全爬杆操作 3 概念 （方案） 就像前面所提到的， 沿着 具有 弯曲和分支 的 管状结构 运 动 ，至少需要四自由度。这些包括 Tz： 沿 着极轴运动的平移自由度（图 1），归零 ： 沿 着极轴左右旋转的旋转自由度（图 2），接收： 沿 轴的径向方向旋转的旋转自由度（图 3） 图 3-1 攀沿杆 图 3-2 绕极轴旋转 图 3-3 弯曲段 运动 结合以上三自由度和 沿 极轴径向翻转运动的翻转自由度，为在杆上达到目标点以后的必要操作提供必要的操作性能（ 即修理，维修或生产等操作 比如 焊接 ） 4机器人 的 设计 和组成 要 设计 的爬杆机器人主要由三部分组成 （图 5）： 三自由度的平面并联机构 ，串行 Z 轴旋转机制 ， 夹钳 。 结合三自由度平面并联 机构和具 有旋转机制的极轴提供的二自由度翻转和平移，这就需要在最后一章对设计目标做出解释 图 4-1 机器人进行焊接操作 图 4-2 爬杆机器人模型 除此之外，线性气缸要用于平行机械手来安装包 围杆 ，因此需要减少夹具的动作时间 一个手爪连接到一个机械臂，另外一个连接旋转平台的底部，这样就可以达到，该夹钳有四个自由度与之想对应 ，同时 可以 满足在不同的截面和几何构型的轴和杆上运动 4.1 三自由度平面平行机械手 通常意义上的三自由度平行三角平台由移动平台通过三个简单的运动链连接到一个固定的底座组成，每个运动链通过三个独立自由度关节组成，其中的一个是活动关节（ Gosselin 以及其他人）， Hayes 和一些人通过研究表明 ，有 1653种不同平行三角平台能够转变成为三自由度机构，对于所推荐的机械结构，three-RPR 机制可以被选定为机器人的 平面平行部分 4.2 旋转机构 旋转机构是由导轨，滑动单元，齿轮组和电机 组成 ，图 1 显示的是导轨和滑动单元，该导轨是环绕着极轴的 T 形圆导轨 ，滑块单元 由特定的轴承 组成，它能够在所有可能的配置 中承受在各种实践和维护机器人的稳定性的过程中产生的力和力矩，该滑块有一个下夹持器 通过一个由简单传动装置连接的电机驱动，当保持其中一个夹钳固定通过旋转运动其他夹持器可以绕极轴旋转 4.3 夹持器 该夹持器具有一个独特多指设计，它只需通过一个简单的电机来适应杆的不同截面和尺寸，每个夹具包括 2v 多指灵体，双转轴电机，左右各两个螺钉和双直线导轨， 特殊的多手指布局的使用不仅增加了夹具的扭矩处理能力同时也提高在不同杆的截面和尺寸的适应性， 滚珠丝杠 的 摩擦系数为 0.1，两条直线导轨将承受机器人在爬升的过程中载重，选定的双轴电 机相对于机器人的重量来说很小，图 2 展示了夹具的制作。 图 4-3-1 旋转机构系列 图 4-3-2 机器人装配夹具 在典型的爬杆应用中各个组成部分的 结合运动展示在图 3-5，表 1 显示的原版本的规格和机器人工业版本的估计规格 5机器人原型 下面是建议的机械结构的运动学分析（ Vossoughi et al., 2004； Zakerzadeh et al., 2004） ，为假设的内部灯泡更换操作而设计和建造的原型单位， 这个机器人的重量为 16kg，这个机器人的身体是由 铝 合金 制造 ，这个机器人是由三个直流电机和三个 电气缸体驱动， 在缸体的控制上， 电气驱动 的使用 比气动和液动更加简化 ，还能增加控制的精度，而且还不需要压缩机或 泵 ，同时这也消除了液压管或气动管，而且这些对爬杆机器人的应用也是很不安全的、 这些电动机的重量为每个 1.1kg，每个电动机能够提供 800N的力和 0.6 m/min的速度 。 平面并联机构的旋转接头应该制作的具有相对较高的耐受性，不然的话，平面并联机构将会被约束或展现出多余的自由度，除此之外，对于机械结构的合理运动，装配的工艺精度也是非常重要的 ，为了使两个微型机械手更好的适应更换动作，一个机械手 夹持新灯泡， 一个机械手更换旧灯泡，这个夹持器为气动驱动，同时也是一个可以被利用的拥有 300cc 容量的小存储器 ，通过装在机械手上得圆顶遥控摄像机，当机器人在更换灯泡时，用操纵杆通过悬挂装置来实现远程控制，该相机拥有两个自由度，可以绕两条垂直的轴左右旋转，同时被一个圆顶所遮盖，图 6 展示制作的原型。 图 7 显示的是在杆上得制作原型，图 8 是制作原型通过弯曲部分时图像，图9 是制作原型更换灯泡是的图像 6机器人的控制 就像前面所提到，制作原型 是通过三个 electrical cylinders 和三个直流电机驱动，每个电机都有一个控制 面板，它是直接连接到中央电脑 图 6-1 机器人 沿杆轴 运动 图 6-2 机器人绕杆转动 图 6-3 通过弯曲部分时的机器人 表一 .机器人的工业版本和原型版本的估计数据 线性驱动器的个数 旋转驱动器的个数 重量 尺寸（ cm） 原型版本 3 3 16 18 25 60 工业版本 3 3 30 50 50 100 图 6-4 制作原型 图 6-5 制造原型 沿 杆移动 图 6-6 制作原型通过弯曲部分 机械手的电动机采用电流反馈控制，当 夹钳接触到电极，电流上升，当电流上升到一定的值时，机械手产生 与电流 成正比的力，由于机械手的电动机是没有后备电源的，当电动机断电后，由于大量齿轮的存在，夹具不会松懈还将保持原有的姿态，这样可以保证当其断电后的安全性。 电缸包括一个直流电机 ，传动装置和螺杆，在直流电机的轴使用了频率为500hz 的编码器，气缸的直线运动的精度为 0.1mm，在直流电机的转动机构的轴上也使用了 100Hz 的编码器 ，串行机制的转动装置的精度为 00.6 ， 一些列组装在夹钳上得触摸开关，不仅可