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1、爬壁机器人的发展摘要很长时间以来，人们希望能够利用爬壁机器人来营救墙壁检 测和灭火，在我们的实验室里已经研制了四种非常不同的机器人，第 一种机器人有一个大的吸附器其利用了与气垫船相反的原理；第二种 有两足行走，并且每足上有一小吸附器；第三种通过驱动器的挤力在 不规则的垂直墙壁上移动，这是一种墙体驱动机器人；第四种可在必 要的时候短距离跃入空中，这里将讨论这些机器人的机构和控制系 统。1、介绍很长时间来，人们期望机器人能够在垂直的墙壁上移动，它可用在高楼大厦里来营救墙 壁检测和灭火，在过去的二十年里，我们实验室研制了四种完全不一样的爬壁机器。第一类 有大的吸附器和爬行器作为移动机构，这种被称为大
2、吸附器机器人。最近，在日本，已发展 出很多种类的这一类型机器人用于检测墙壁。这里将讨论与在吸气和风扇转动间相适用的机 构和空气动力学。第二种类型是双足行走机器人，每足上有一小吸附器而被称为双足机器人，这里也将讨 论其机构和控制系统，并给出一模拟研究，由于这里模型适用于几乎所有的不规则墙面，它 比第一种应用范围更广。通常而言，行走运动不是很快，因此行走机器人爬行到墙的高处 将耗费很多时间，然而，又需要这样一种机器人，它能在短时间爬到 建筑物的高处，为了紧急的目的，例如携带救援工具或者给建筑里灭 火。第三种机器人旨在达到这些目的，它有驱动器，这些驱动器的垂 直墙面的挤力减小微弱，这样能够利用轮与墙
3、间的摩檫力并支撑机器 人自身。这是一种墙体驱动机器人。有时候意外的强风会发生在高层 建筑物的墙体上，在这种情况下，用来弥补风的力量的控制系统，对 于避免让机器人从墙上掉下很重要，这种情况已经在6，7里简单的 讨论过。通常在建筑物的低处有很多障碍，比如树，屋檐，入口等等。在这些情况下，如果机器 人能够飞跃这些障碍并到达上面的墙面将很管用，另外如果机器人意外地从高处的墙面上掉 落，制作一软着陆来避免危害自身或周围环境很有必要。这些目标可通过用能使其飞的机构 和控制系统来完成。由于墙壁驱动机器人有足够的挤力来支撑其自身，它可改造成一种能够 飞或着陆的新的机器人。这是第四种模型，其机构和控制系统将被讨
4、论，并提出其操纵能力 的模拟研究。2、大吸附器机器人21 大吸附器模型的机构很久以来，人们期望研制出能够在高层建筑的垂直或悬空的墙 面，或者巨轮的侧面等上面移动的移动机器人。然后，这种机器人能 用来代替人搬运营救工具或做其它工作。为了实现这种机器人，需要 用来支撑机器人或使其在墙上向上移动的摩擦力。磁力或真空压力可 产生指向墙面的固定力，轮子或履带都可用作在平且宽的垂直墙面上 的移动机构。1966年研制出了一台大吸附器机器人（如图1 所示）， 当用机器人在墙上移动时从吸附器的外围空隙中吸取了少量的空气。 利在吸附器的外围安装一刷子和（或）弹性围罩来减弱空气流和保证 吸附器内部足够的负压，它能在
5、不规则的小墙面上移动。这个模型的 机构和尺寸如图 2 所示：离心风扇由小引擎驱动，履带由直流电动机 驱动。图 1 大吸附器机器人22 安全条件 在墙上的固定力是负压和吸附器面积乘积；F=PA (1)引擎皮带轮6驱动电机刷子和围罩6直流电机(&履带轮込风扇8燃料箱图 2 大吸附器模型的结构示意图4Safety Zone/01234h/R图3大吸附器机器人的滑动及脱落的安全区域下面是避免滑动和掉下的条件：卩F/W1(2)F/Wh/R(3)这里W是机器人的净重，卩是摩擦系数，h为墙面到重心的距离，R为吸附器中心到最低支撑点的距离。如果机器人在条件h/R1/ 下设计，掉下可以避免。这些关系如图3 所示
6、，每个曲线的上半区域 为安全区域。23 固定力与风扇性能的匹配由于用来支撑机器人在垂直墙壁上的固定力与风扇性能直接相 关，因此，它们之间的匹配非常重要，风扇性能（粗实线）和 在有效误差5 e下的匹配线（点杠线）如图4所示：横坐标代 表空气流质量Q,纵坐标是负压P和固定力F,并且每条曲线 的参数是临界速度 n,常量引擎节流的工作曲线由通过点 Z,Y,X的曲线表示，在粗糙水泥墙面上得到所需最小负压测量 为 P=35mm 水柱。由于模型的净重W=44kgf,摩擦系数卩=1.05确定，点W,V,U 是各误差5 e 的所需最小必须压力。例如，如果风扇在点 X以大误差5 e=5.3mm工作，最小压力大约为
7、15mm水柱，来自 点X与U之间的中点，因此，这种模型在更小摩擦系数的墙面 上移动是危险的。0 QI Q2 Q3 04 Q5 0.6 Q7 OB Q(m3/s)424Q7 (*3.3Q36M0.73mL52.0501251001严5025心90F-Q30F0L u 1 I cri图3大吸附器机器人的风扇性能图误差的突变取决于由墙面的不规则所导致对应的空气质量流和 之后负压的变化。风扇的旋转速度一直变化至引擎和风扇间的达到力 矩平衡。这种关系如下：IQ=H TTm E F这里I是引擎和风扇旋转部分的惯性矩，Q为风扇的角速度,H为引擎和风扇之间的机械效率，T为驱动力矩，T为风扇所需的 m E F矩
8、。如果误差从6 e=5.3突变至1.8mm，风扇工作曲线通过X-Z，-Z。 另一方面，如果误差增加，通过Z-Y，-X，-X。因此，间隙的突然增加 过程中，负压比终点X处要大，故在变化过程中可获得足够的力。24 总体安全条件总体安全条件归纳如下：(a )脱落是致命的，因此应避免使用公式(4 )的条件。(b)在吸附器的外部减少空气泄漏 有用的。( c) 由于间隙的突然增加，负压变化有一定的时间滞后，因此 引擎应该短时间打开以使补偿吸附器里的足够压力。3、两足行走机器人3、1 行走机构图 5 双足行走机器人的结构现在地面上行走机器人有很多种类型的行走机构，例如两足定位四足的，六足的等等。类似的，现在
9、爬墙机器人也有很多种机构。垂直轨道 斜轨道图 6 行走运动The inverse kinematics analysis of 3-D.O.F welding robot designed for ripple polygonal line seam of containerYu-Qiang Zhang-Hua Mao Zhi-wei Ye Jian-xiong(Robot&Welding Automation Key Laboratory Jiang Xi Nanchang University, Nanchang, 330029) Abstract:To resolve the weldi
10、ng problem existing in ripple polygonal line seam of container,we develop a 3-D.O.F welding robot. An inverse kinematics analysis of the designed welding-robot based on D-H displacement transformation matrix was put forward in this paper. In order to make the welding gun fastend on the end effector
11、keep a certain posture, the three joints of robot should act coordinately, thus this makes an assurerance for the consistency of welding quality. This paper presents the possibility that the robot can track the trajectory under a certain unchanged welding velocity by controlling the discipline of th
12、e three joints, and it is verified by means of simulation in MATLAB.Key words:3-D.O.F; inverse kinematics; act coordinately ; welding posture 0 Introduction.Figure.1 Ripple polygonal line seam of containerWhen welding,the welding torch makes the relative motion along the weld seam line by a certain
13、posture .The choice of the welding posture is the key to guarantee a good welding quality,and the welding torch position posture has an important influence to forming of the weld seam.At present,in the welding process of ripple polygonal line seam of container,the welding torch cannot adjust the ang
14、le between itself and the welding speed with the profile change.As is shown in the figure.1,the shaping of weld seam at linear section is not consistent with that at hypotenuse section.To resolve the welding problem existing in ripple polygonal line seam of container,this paper make an inverse kinem
15、atics analysis of the designed 3-D.O.F welding robot through developing the kinematics equation of the robot which lets the posture of the welding torch make a suitable adjustment with the profile change ,while making sure of the welding torch movement along the curve of weld seam with an constant speed ,thus improve the shaping of the weld seam and then make sure the welding equality.1.The principle of the mechanism movement of 3-D.O.F welding robotTo resolve the welding problem existing in ripple polygonal line seam of container a
