爬壁式机器人毕业论文毕业设计.docx
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爬壁式机器人毕业论文毕业设计
高等教育自学考试
毕业设计（论文）
题目爬壁式机器人设计
专业班级
姓名
指导教师
所属助学单位
2011年12月2日
目录
前言2
第一章3
总体结构3
1.1机械结构3
1.2控制系统硬件4
1.3传感导引系统9
第二章14
2.1爬壁机器人磁吸附原理14
2.2磁吸附技术简介14
2.3.电磁铁吸力及选材14
第三章16
3.1一种新型磁轮单元16
3.2磁轮分析16
第四章爬壁机器人的力学分析18
4.1爬壁机器人静力学分析18
4.2爬壁机器人动力学分析19
结论21
参考文献22
致谢22
摘要
爬壁机器人,是极限作业机器人的一个分支,它的突出特点是可以在垂直墙壁表面或者天花板上移动作业爬壁机器人能吸附于壁面而不下滑,实现的方法主要有两种:
负压吸附与磁吸附介绍一种新型爬壁机器人，它以超声串列法自动扫查和检测在役化工容器筒壁对接环焊的危害性缺陷。
本文将着重介绍了它的机械结构及位置调整运动控制算法。
这种机器人采用磁轮吸附和小车式行走，利用磁带导航，光纤传感器检测，具有结构紧凑、导航性能好、位置调整方法可行和定位精度高等特点。
本文将介绍的爬壁机器人为超声串列自动扫查机器人是以某炼油厂加氢反应器为具体的应用对象，用来以超声串列法自动扫查和检测筒壁对接环焊缝的危害缺陷而研制的，并按JB4730-94《压力容器无损检测》的要求，用超声串列法检测。
超声串列法要求一发、一收探头中心声束保持在一个与焊缝中心线相垂直的平面内，收发探头相对于串列基准线须保持等距、反相、匀速移动。
由于采用手动检测，操作难度大，重复性差，可比性差而难以实施。
对于这种用在圆形筒壁上在役检测的机器人，丹麦的force公司研制了多用途模块磁轮扫描仪AMS-9、AMS-10等系列磁轮爬壁机器人，日本的OsakaGasCo。
Ltd公司研制了磁轮爬壁检测机器人，但是售价昂贵。
从文献及报道方面看，国内对于这种在役磁轮式爬壁机器人还少有实用化的样例，也缺乏这方面的机械结构及自动控制装置的研究，因此，对大厚度焊缝的超声波探伤自动扫查爬壁机器人的研究是十分必要的。
关键词：
机器人技术爬壁机器人磁吸附
前言
机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种模仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。
机器人技术的出现和发展，不但传统的工业生产和科学研究发生革命性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。
随着机器人技术的不断发展，机器人的小型化、微型化成为机器人技术发展的重要方向之一。
开发一种小型、便携的爬壁机器人在军事和民用方面都具有重要意义。
在军事方面，它可以被投放在敌后，爬行于建筑物的外墙或玻璃壁面上，对室内的情况进行侦察；或者充当可移动的爆破物，近距离杀伤敌方的重要设施和人员。
爬壁机器人作为工业用机器人的一种，指的是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，可以代替人工在高空、毒气毒液、辐射、水下等高危环境下进行特种作业，在热电厂、造船业、核工业、石化天然气业等领域有广泛的应用，随着技术的日趋成熟，应用范围的拓展，越来越受到各国科研部门的重视
第一章
总体结构
本样机由机械部分、控制部分、导航传感检测部分组成。
1.1机械结构
本样机的机械部分由导轨滑块运动体、左右磁轮运动体组成。
样机及结构简图如图1。
设o1x1y1为机器人的坐标系，其中原点o1在机器人4个轮子布局的对称中心点上，x1为机器人左右磁轮的对称中心线，y1平行于串列扫查探头的导轨。
图中所示oxy坐标的x轴，相当于是固定在筒壁上的，与串列扫查基准线重合，y轴是与其垂直的坐标，o与o1重合。
在这里所谓的串列基准线是串列扫查时，作为一发一收两探头等间隔移动的所定相对对称基准线，一般设定为在离探伤面距离为0。
5跨距的位置。
本文中左指的是y1方向,反之为右方向。
各部分的工作原理如下：
（1）左右磁轮运动体 整个扫查机器人靠4个磁轮的吸力吸附在圆筒壁上,由磁轮的运动带动机器人前进、后退，以及调整机器人的位置和方位，在这里我们选用磁轮而没有用履带，这有利于达到串列扫查对运动精度的要求。
机器人左右各有两个磁轮，各由交流伺服电机经谐波减速器减速、同步齿形带传动,带动磁轮沿壁面运动,两个磁轮通过齿形带均可运动,所以都是主动轮，这样左右磁轮的运动形成机器人的两个自由度。
当两个电机同时驱动4个轮同向等速转动时,机器人向前后移动，当左边的2个磁轮的速度大于右边的两个磁轮的速度时，机器人向右偏转;反之，向左偏转。
（2）导轨滑块运动体 采用交流伺服电机经齿轮减速器和同步齿形带带动两滑块在导轨上运动，形成机器人的第三个自由度。
由于两滑块分别固联在啮入齿形轮的一边和离开齿形轮的另一边的齿形带上，所以两滑块随着齿形带的运动而在导轨上同向或反向直线运动，带动固定在滑块上的探头相对机器人中心线同向或反向运动。
调整爬壁机器人的中心线与串列基准线相平行，就可确保收、发探头相对串列基准线等距离运动,符合串列扫查的运动要求。
同时电机与光电码盘连接,通过计数脉冲算出收发探头入射点间距离,通过与壁面压紧的滚轮和与之相联的光电编码器检测机器人方向前进、后退距离。
3个自由度的运动用工控机伺服控制,通过软件编程来实现。
1.2控制系统硬件
该微型爬壁机器人采用12个微型电机驱动，4个接触传感器，4个压力传感器，以后还要增加用于壁障的红外传感器和用于采集现场信号的微型摄像头，所以对主控制器的要求较高。
设计中，最终选定Philips公司最新开发的基于32位ARM7TDMI-S内核的低轼耗ARM处理器LPC2104作为控制系统主控制器。
LPC2104具有以下特性：
*128KB片内Flash程序存储器，带ISP和IAP功能；
*16KB静态RAM；
*向量中断控制器；
*仿真跟踪模块支持实时跟踪；
*标准ARM测试/调试接口，兼容现有工具；
*双UART，其中一带有调制解调器接口；
*高速I2C串行接口，400kb/s；
*SPI串行接口；
*2个定时器分别具有4路捕获/比较通道；
*多达6路输出的PWM单元；
*实时时钟；
*看门狗定时器；
*通用I/O口；
*CPU操作频率可达60MHz；
*两个低功耗模式，空闲和掉电；
*通过外部中断，将处理器从掉电模式中唤醒；
*外设功能可单独使能/禁止实现功耗最优化；
*片内晶振的操作频率范围10～25MHz；
*处内PLL允许CPU可以在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。
微型爬壁机器人控制系统的原理框图如图2所示，选用LPC2104作为嵌入式控制器。
为提高系统效率和降低功耗，功放驱动电路采用基于双极性H-桥型脉宽调整方式PWM的集成电路L293D。
L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。
这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：
低速平稳性好等。
L293D通过内部逻辑生成使能信号。
H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。
另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。
每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。
选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。
选择一路I/O口，经反向器74HC14分别接IN1和IN2引脚，控制电机的正反转。
为了节省LPC2104的I/O口资源，选用2片74LS138和IN2引脚，控制电机的正反转。
为了节省LPC2104的I/O资源，选用2片74LS138译码器对I/O口进行扩展，每片分别选用3路I/O作为输入信号和1路I/O作为片选信号，这样就可以将8路I/O口扩展或16路I/O口。
如前所述，因为直注电机采用PWM调速，这样每1个电机至少需要1路PWM，12个电机需要12路PWM，而LPC2104只有6路PWM输出，所以选用2片电平锁存器74LS373使12个电机分成2组共用6路PWM信号。
接触传感器由外层管和内部超弹性线构成，内外两层通过硅管隔开。
当内线和外层接触时，开关关闭。
通过这种方法，接触传感器向LPC2104发送信号，借此来控制吸盘的方向。
从压力传感器来模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，LPC2104通过压力传感器来的信号来判断吸盘是否安全的吸附在墙壁上。
LPC2104还可以通过串口RS232和上位机进行通信。
控制系统软件设计
微型爬壁机器人控制系统软件选用嵌入式实时多任务操作系统μC/OS-II。
它是一个源代码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。
其绝大部分源码是用ANSIC写的，移植方便，且运行稳定可靠。
目前，它已经在几十种从8位到64位的微处理器、微控制器上实现了成功的移植。
下面首先介绍μC/OS-II在LPC2104上的移植过程，然后介绍微型爬壁机器人控制软件的设计。
μC/OS-II在LPC2104上的移植
移植μC/OS-II，主要包括：
设置堆栈的增长方面，声明3个宏（开中断、关中断和任务切换），声明10个与编译器相关的数据类型；用C语言编写6个与操作系统相关的函数（任务堆栈初始化函数和5个钩子函数）；用汇编语言编写4个与处理器相关的函数。
用汇编语言编写的4个与处理器相关的函数如下：
①OSStartHighRdy（）用于在调度中使最高优先级的任务处于就绪态并开始执行；
②OSCtxSw（）完成任务级的上下文切换；
③OSIntCtxSw（）完成中断级任务切换，其过程与OSCtxSw（）类似，只是在执行中断服务子程序后可能使更高优先级的任务处于就绪态；
④OSTickISR（）是系统节拍中断服务子程序。
1OS_CUP.H的移植
μC/OS-II不使用C语言中的short、int、long等数据类型的定义，因为它们与处理器类型有关，隐含着不可移值性，所以代之以移值性强的整数数据类型，这样，既直观又可移值。
在μC/OS-II中，使用OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）开中断和关中断来保护临界段代码。
ARM处理器核的用户模式和执行Thumb代码时，不能改变处理器的开中断位I。
为了兼容各种模式，使用软中断指令SWI使处理器进入管理模式和ARM指令状态，即使用SWI0x02关中断，使用SWI0x03开中断。
ΜC/OS-II使用结构常量OS_STK_GROWTH指定堆栈的增长方式，0表示堆栈从低地址往高地址增长，1表示堆栈从高地址往低地址增长。
虽然ARM处理器核对于两种方式支持，但ADS的C语言编译器仅支持一种方式，即从高地址往低地址增长，并且必须是满递减堆栈，所以OS_STK_GROWTH的值为1。
以上内容在文件OS_CPU.h中做如下定义。
TypedefunsignedcharBOOLEAN;/*布尔变量*/
TypedefunsignedcharINT8U;/*无符号8位整型变量*/
TypedefsignedcharINT8S;/*有符号8位整型变量*/
TypedefunsignedshortINT16U;/*无符号16位整型变量*/
TypedefsignedshortINT16S;/*有符号16位整型变量*/
TypedefunsignedintINT32U;/*无符号32位整型变量*/
TypedefsignedintINT32S;/*有符号32位整型变量*/
TypedeffloatFP32;/*单精度浮点数（32位长度）*/
TypedefdoubleFP64;/*双精度浮点数（64位长度）*/
TypedefINT32UOS_STK;/*堆栈是32位宽度*/
_swi（0x02）voidOS_ENTER_CRITICAL（void）;/*关中断*/
_swi（0x03）voidOS_EXIT_CRITICAL（void）;/*开中断*/
#defineOS_STK_GROWTH1/*堆栈由高地址向低地址增长*/
2OS_CPU_A.ASM文件的移值
OS_CPU_A.ASM文件要实现在多任务启动函数中调用OSSTartHightRdy（），任务切换函数OSCtxSw（），中断任务切换函数OSIntCtxSw（）和时钟节拍服务函数OSTickISR（）这4个汇编函数的改写。
上层任务调度部分不需要任何改动。
3.2系统任务划分及调度
系统任务划分
嵌入式实时系统中的任务不同于前后台系统中的子程序模块，任务是处理机按程序处理数据的过程，是个动态的概念。
一般，一个任务对应于一段独立的主程序。
它可以调用各种子程序，并使用各种系统资源如中断、外设等，以完成某种预定的功能，且允许多个任务并行运行。
嵌入式系统任务划分，是将系统中所有要处理的事情划分为一个个相对独立的任务模块，所有待处理的任务模块按顺序建立一个个的任务，并分配任务的优先级。
在主程序中，所需要做的工作只是建立这些模块的任务，然后每次执行就绪任务队列中优先级最高的任务。
根据微型爬壁机器人控制系统的性能指标和技术要求，对可系统进行如下的任务划分：
前进、后退、左转弯、右转弯、串行通信、数据采样与数据处理等任务。
任务调整
μC/OS-II的任务调度是按优先级进行的，根据各任务的实时性要求及重要程度，分别置它们的优先级为10、9、5、6、12、11，其中0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO2、OS_LOWEST_PRIO1、OS_LOWEST_PRIO0这几个优先级保留以被系统使用。
优先级号越低，任务的优先级越高。
为了在后台实时检测同步信号的变化，及时产生相应的事件，可直接利用嵌入式微控制器所提供的各种中断，通过对中断服务处理程序传递信号量，来唤醒等待同步信号的任务，使这个任务从挂起状态到就绪状态，送到CPU执行，从而达到实时处理的目的。
在多任务系统中，消息、信号是系统能够在各个任务之间通信最常用的手段，其中，使用信号量是协调多任务最简单有效的手段。
在μC/OS-II中，一个任务或者中断服务子程序，通过事件控制块来向另外的任务发信号。
当微型爬壁机器人启动之后，首先通过接触传感器和压力传感器检测4只吸盘是否很好的与壁面吸合；同时，通过红外传感器检测前面是否有障碍物。
如果一切正常就发送信号量给直线前进任务，直线前进任务接受到信号量开始运行，通过协调控制12个电机并配合相应传感器使爬壁机器人沿直线运行。
当红外传感器检测到前面有障碍物时，会进入中断程序，在中断程序中发送信号给停止任务，停止任务接收以信号量后运行。
首先使机器人停下来调整好姿势确保机器人四足吸在壁面上，然后发送信号量唤醒左转或者右转任务，控制机器人绕过障碍物。
以后还可以给微型爬壁机器人配备微型摄像头，对目标现场进行实时数据采集。
总之，在微型爬壁机器人的控制系统中，信号、消息不断传递，使得各个任务不断切换运行，整个系统得以正确运转工作。
1.3传感导引系统
传感器分为内部传感器和外部传感器。
外部传感器为：
（1）传感器检测导引方案采用在筒壁上沿平行焊缝方向贴导向带，通过安装在车体上的4个对颜色敏感的光纤传感器（传感器固定在传感器盒上）来检测机器人本体的位置偏移和方位偏移。
（2）由另一紧压壁面的自由轮带动的光电码盘检测x方向的移动距离。
内部传感器为：
x向y向的运动控制用内部传感器,即是伺服电机轴上的3个位移光电码盘。
以平行于焊缝的参考线为定位参考基准,布置好导向带,导向带采用表面光滑且无凹陷的磁条作为底层，在磁条上铺设固定宽度的白色色带用于导航。
传感器的平面布置如图2所示。
图中.‘1x‘1y‘1为传感器盒坐标系，相当于是固定在机器人本体上的。
x‘1传感器对称中心线上与x1轴平行，y‘1轴通过1、2传感器，.‘1为传感器坐标原点。
.‘图中1、2、3、4分别表示4个传感器,传感器1、2用来限制机器人小车向x轴方向运动过程中,在y轴方向的偏移,传感器3、4用来限制机器人小车相对x轴方向的偏斜。
一旦小车偏移，4个传感器分别有一个以上作出反应，计算机根据反馈过来的情况对机器人进行调整。
光纤传感器5主要用于减小小车沿X方向前进过程中的积累误差，沿导航带每隔1000mm设置路标,传感器5检测到此路标,通过光电编码器6获得小车的当前位置，计算小车从当前位置与实际位置的误差并调整小车从当前位置到实际位置，避免距离过长造成积累误差过大的缺点。
1.3.1 扫查运动（Scanningmovement） 超声串列扫查要求一发一收的两只探头相对串列基准线等距离移动,这里我们称之谓扫查运动,探头是固定在滑块上的。
运动扫查的具体步骤如下：
（1）机器人首先寻找零位，找到零位后机器人开始沿x轴运动。
（2）在运动的过程中，通过传感器检测机器人沿y方向是否有偏移,相对于y方向是否有偏转。
（3）若检测出来有偏移和偏转，则机器人通过调整运动,调整到要求的精度范围以内。
（4）调整完成后,这时滑块及探头作相向、相反运动一次,实现当前截面的串列扫查。
（5）机器人继续沿x轴方向运动某一距离，并按
（2）、（3）、（4）步骤对下一截面进行串列扫查。
1.3.2 调整运动（Adjustingmovement） 为满足超声探测的要求,机器人必须根据传感器状态及时作出相应的调整运动。
如图1所示,导向传感器设定为4个传感器,正常情况下，4个传感器的光纤与白色色带接触传感器的显示灯是亮的,当机器人偏移到扫查规定范围外时,光纤传感器接触到磁带,传感器显示灯灭,这时机器人要根据具体的情况调整。
调整是根据4个传感器检测的情况来进行的,对于可能遇到的情况,按位移、方位（角度）偏移可分4种,按传感器的状态根据排列组合的原理可分为15种情况。
例如：
1灭2亮3灭4亮、1灭2亮3亮4灭等等。
根据传感器的状态,通过调整运动控制方法,调整机器人达到要求的位置和方位精度。
机器人的调整运动基本算法有位置调整和角度调整两种,具体分析如下：
1.3.4位置偏移的调整 调整机器人本体（以下简称小车）位置偏差总共分为以下步骤：
（1）小车绕中心旋转一个角度φ1，如图所示的小车虚线位置,其中实线为小车无偏移位置;
（2）小车绕转过的方向前进x1距离; （3）小车停止运动绕中心反向旋转φ2; （4）小车沿x轴方向后退到初始x坐标处。
这样小车可以实现y轴方向上的位移，而x轴方向上的位置保持不变从而实现对它位置偏差的调整。
本文设.1.‘1距离为l，.1.‘1与y1轴的夹角为γ，l与γ都是机器人的结构参数,小车旋转角α,小车由o‘1离开y‘1的距离引起横向偏移量ΔX,由传感器反应出来的o‘1偏移x‘的距离为小车纵向偏移量ΔY。
上述各步骤的计算如下：
（1）小车转过φ1角，纵向偏移ΔYφ1，横向偏移ΔXφ1,其式为：
（2）小车沿转过的角度前进x1的距离,纵向偏移ΔYx1,横向偏移ΔXx1[/ht横向偏移：
ml]，其式为：
（3）小车反转φ2角产生纵向偏移ΔYφ2和横向偏移ΔXφ2,其式为：
综上所述，为了调整ΔY的位置偏移,需小车转过的角度和移动的距离的关系式为：
由于偏移与移动的距离和转动的角度有关系,在偏移量一定的情况下，x1越大，则φ1越小。
这要根据具体的情况来选择：
考虑到小车转动时需要克服滑动摩擦,电机功率消耗大等现象,φ1不能太大,x1过大,则运动调整所需的时间将很长。
4。
2 角度偏差的调整 角度偏差的调整方案为：
1）让小车转动一个角度,补偿角度偏差，但此时又产生位置偏差;2）按位置偏差的方式来弥补位置偏差,其式为：
（2）补偿ΔYφ1和ΔXφ1 ·补偿ΔYφ1按照上面位置调整的前3个步骤,小车旋转φ2和沿旋转的方向前进x2,反转φ2,其式为：
即：
根据位置调整的推导可知，在这个过程中产生了ΔX[html]‘的横向位移,其式为：
此时x方向的总偏移为：
1.3.5既有位置偏移又有角度偏移的调整 实际操作中先按位置偏移的方式,校正好位置,然后按角度偏移的方式校正好角度。
以上所推出的公式均为理论值，在机器人的实际位置调整过程中，向左偏和向右偏时由于受重力和阻力的影响,机器人的偏移量是不同的,在具体的实践过程中要适当进行补偿。
5 结论（Conclusion） 按本文介绍的自动扫查爬壁机器人的结构,研制了样机,并在实验室及现场半径为1700mm的石化圆筒容器表面进行了运行试验。
实验表明：
这种对称磁轮形式的爬壁机器人结构是可行的,运动灵活,能顺利实现扫查运动和调整运动,并达到超声串列扫查所要求的运动精度。
第二章
爬壁机器人磁吸附原理
磁吸附技术简介
磁吸附磁吸附法结构简单,吸附力较大,对壁面凹凸适应性强。
它具有两种方式:
永磁体和电磁铁。
永磁体方式吸附不耗能,安全性高,不受断电影响;缺点是脱离壁面颇费周折。
电磁铁方式需通电,容易脱离壁面;缺点是体积大、笨重,断电时有脱离危险。
无论那一种磁吸附方式都只适用于导磁性壁面,所以它适用于导磁金属壁面上的各种作业,如石油、煤气等各种钢储罐的维修、检查。
1.1.电磁铁吸力及选材
1.电磁铁，按结构型式分，可分为：
拍合式、Ⅱ形式、E形式、螺管式、转动式等，较多使用的是拍合式、Ⅱ形、E形；按励磁方式分，可分为：
直流和交流两大类；按其用途分，可分为：
电流线圈和电压线圈两种（断路器的短路保护瞬动电磁铁、液压式脱扣器的过载、短路保护线圈、电流继电器线圈等为电流线圈；欠电压胶扣器、分励脱扣器、电压继电器等为电
压线圈
2.吸力与电磁铁各参数的关系
电磁铁的吸力：
式中：
F---吸力
B———磁通密度
S———铁心极面的截面积
μ———真空中的磁导率电压线圈
式中F———电磁铁铁心极面上的吸力
U———线圈两端施加的电压
I———励磁电流的最大值
W———线圈的匝数
S———铁心极面的截面积
δ———工作气隙
l———铁心的磁路长度
j———单位长度的漏磁导
f———交流电的频率
吸附力随相关量的变化会产生相应的变化，如下图所示
吸附力随相关参数的变化F-U的关系F-W的关系
1.1.2电磁铁铁心用材料
对于短时工作的电磁铁，如分励脱扣器、断路器的瞬动电磁铁等，因不考虑磁滞损耗，其铁心可采用低碳钢等材料。
直流电磁铁，因直流无磁滞损耗（但仍有涡流），铁心本身损耗小，故可用圆
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