摩擦,具有一定的危险性;而蓄电池质量大,增加机器人的自身重量,并且供电的时间有限。
1.3.2 按移动方式分类: 移动机器人可分为轮式、履带式、腿式单腿式、双腿式和多腿式和水下推进式。
本文重点放在轮式、履带式机器人对水下机器人和两足人形机器人不做详细讨论。
日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器入,它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面,代替人进行检查或修理等作业。
这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力,其主要特征是:行走稳定速度快,最大速度可达9m/min,适用于各种形状的壁面,且不损坏壁面的油漆。
1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人,吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度,这样吸盘对壁面的吸力仍然很大,每个吸盘分别由一个电动机来驱动,与壁面线接触的吸盘旋转,爬壁机器人就随着向前移动,这种吸附机构的吸附力可以达到很大。
我国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。
单吸盘轮式壁面移动机器人,有吸附机构和移动机构两大部分,移动机构由电机、减速器、车轮构成,吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。
真空泵是产生负压的装置,其功能是不断地从负压腔内抽出空气,使负压腔内形成一定程度的真空度。
为维持机器人负压腔内的负压,还需要有密封机构,使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力,从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。
由于气囊密封装置具有较好的弹性,在壁面有凹凸时,通过气囊的变形来减小缝隙的高度,可使机器人具有一定的越障能力,且充气量可由调节阀来控制。
调节弹簧的作用有两个:一是为密封圈提供密封所必需的正压力,二是提高气垫对壁面的适应能力,还可起到减震的作用。
负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速,同时采用负压传感器作为检测元件,实时检测负压的变化,为调整压力提供依据。
设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度,可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。
磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构,(如图1.2)所示,在履带一周上安装有数十个永磁吸附块,其中的一部分紧紧地吸附在壁面上,并形成一定的吸附力,通过履带由链条和永磁块组成使机器人贴附在壁面上。
机器人在壁面上的移动靠履带来完成,移动时,履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面,这样周而复始,就实现了机器人在壁面上的爬行。
1.4 国内外爬壁机器人的现状 日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人(如图1.1)3,它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面,代替人进行检查或修理等作业。
这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力,其主要特征是:行走稳定速度快,最大速度可达9m/min,适用于各种形状的壁面,且不损坏壁面的油漆。
图1.1 车轮式磁吸附爬堵机器人 1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人,吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度,这样吸盘对壁面的吸力仍然很大,每个吸盘分别由一个电动机来驱动,与壁面线接触的吸盘旋转,爬壁机器人就随着向前移动,这种吸附机构的吸附力可以达到很大。
我国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。
单吸盘轮式壁面移动机器人,有吸附机构和移动机构两大部分,移动机构由电机、减速器、车轮构成,吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。
真空泵是产生负压的装置,其功能是不断地从负压腔内抽出空气,使负压腔内形成一定程度的真空度。
为维持机器人负压腔内的负压,还需要有密封机构,使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力,从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。
由于气囊密封装置具有较好的弹性,在壁面有凹凸时,通过气囊的变形来减小缝隙的高度,可使机器人具有一定的越障能力,且充气量可由调节阀来控制。
调节弹簧的作用有两个:一是为密封圈提供密封所必需的正压力,二是提高气垫对壁面的适应能力,还可起到减震的作用。
负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速,同时采用负压传感器作为检测元件,实时检测负压的变化,为调整压力提供依据。
设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度,可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。
l步进电机 2谐波减速器 3链轮 4单元吸附块 5框架 6链条 图1.2 磁吸附爬壁机器人本体结构示意图 磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构(如图1.2) 所示,在履带一周上安装有数十个永磁吸附块,其中的一部分紧紧地吸附在壁面上,并形成一定的吸附力,通过履带由链条和永磁块组成使机器人贴附在壁面上。
机器人在壁面上的移动靠履带来完成,移动时,履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面,这样周而复始, 就实现了机器人在壁面上的爬行。
1.5 爬壁机器人的发展趋势 由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处如对壁面的材料和形状适应性不强,跨越障碍物的能力弱,体积大,质量重等,因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。
1.5.1 吸附装置 美、 俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密, 最近几年, 英、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
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