1997年3月机器人 ROBOT March,1997
履带式磁吸附爬壁机器人喷漆机构的设计
潘沛霖 高学山 闫国荣 赵言正 王 炎
(哈尔滨工业大学机器人研究所 150001)
姜 有 闵常忠 费守江
(大庆石油管理局第一采油厂 163700)
摘 要 本文讨论了用履带式磁吸附爬壁机器人实现喷漆的问题,阐述了喷漆机构运动的实现
以及如何保证喷漆连续条件.设计了可工作于平面和弧面的喷漆机构,并且在罐壁上进行了实验,达到了预期的效果.
关键词 履带式磁吸附,爬壁机器人,喷漆机构
1 引言
爬壁机器人作为高空极限工作的一种自动机械装置,正在不断地被人们所认可,国内外对于爬壁机器人在工业上的应用大多数是利用机器人携带检测装置进行探伤和检测.而我们所研制的履带式磁吸附爬壁机器人是专门为石油化工行业的大型储液罐设计的,它除了能够完成测量和探伤之外,还能够对储液罐的内外表面进行喷砂和喷漆防腐处理等.一般传统的作法是先搭脚手架,然后用人工去刷漆,每个大罐大约用15天才能完成,若用机器人大约需要4～5天的时间,这可以大大地提高效率,节约资金.显然机器人的负重要大是很必要的.针对这一要求,我们所设计的机器人最大搭载为30kg,速度1m/min～8m/min,满足工作要求.对于喷漆机构,设计了用于平面喷漆和弧面喷漆两种装置.由于机器人的工作面为罐体内外表面,喷漆时喷嘴的运动较简单,将喷嘴固定在喷漆装置的摆杆上,因此喷嘴的运动轨迹由机器人的运动和摆杆的摆动所决定.为了节省电机(反之,不但要增加机器人的搭载重量,而且还涉及防爆等问题)摆杆的运动可由机器人上的一个链轮引出.在理论上这种思想非常可行,试验时,通过机器人搭载此装置在罐体表面上行走达到了良好的喷漆效果.
2 平面喷漆机构的设计
2.1 喷枪轨迹方程的推导
爬壁机器人对大型容器表面的喷漆是通过安装于机器人上的喷漆机构的运动从而带动喷枪来实现的,喷漆机构的运动是通过齿轮机构从机器人的链轮上引出.如图1所示.在图1中当机器人行走时,固定在摆杆上的喷枪将随摆杆一起摆动.若将相对坐标建立在壁面上,则可求喷枪的轨迹方程为x′=b+a+Icos
y′=-c+Isin 方程(1)为相对轨迹方程.而绝对轨迹方程则为
1995-10-13收稿(1)
148 机 器 人1997年3月
x=b+a+I4cos
y=vt-c+I4sin
知(2)其中v为机器人的速度;t为时间.由图2
1- 2- 3 = - (3)
cI1BD而 1=
arctan;=,即 2bsin 2sin( + 1)1.机器人本体 2.油漆管 I1=arcsin[sin( + 1)].3.喷漆装置 4.喷枪部分BD图1 喷漆装置示意图22又因为I22=BD+I3-2BDI3cos 3,
222222BD+I3-I2BD+I3-I2故有cos 3=即 3=arccos();其中BD2=I21+AD-2I1ADcos( 2BDI32BDI3
+ 1),AD=b2+c2.
如果假设机器人的行进速度为匀速,则 =2v/d0, 为机器人链轮的角速度,d0为链轮的节圆直径,i为齿轮机构的传动比.
根据 = 1t, 1=2v/id0,则方程组(2)又可以写为
x=a+b+I4cos
y= id0/2-c+I4sin
将方程组(4)中的参数赋值,通过计算机运算就可以输
出喷枪运动轨迹(如图3).(4)
图3 喷枪的运动轨迹曲线
图2 机构简图
2.2 保证喷漆过程中的喷涂连续条件
爬壁机器人携带喷漆机构工作时,喷枪对壁面的喷漆必须连续,也就是说喷枪每一次摆动与上一次摆动所扫过的区域之间不能有空隙.根据这一要求,假设喷枪的喷嘴距壁面的距离为
,则喷射的宽度为h,散角为
2htan( /2)(5)
当曲柄AB转动一周时,摆杆DE上的E点将从E1运动到E2,见图4.E1与E2之间的距离为yE2-yE1.图4中虚线部分是假想的喷漆区域,要使喷漆过程中的喷漆不间断,有下面的近似公
式成立
yE2-yE1≤2htan( /2)(6)
如果机器人的链轮转动一周前进的距离为 d0,那么曲柄转动1/i周,摆杆摆动2/i次,公式
第19卷第2期潘沛霖等: 履带式磁吸附爬壁机器人喷漆机构的设计149
(6)又可以写成:
d0≤(2/i)htan( /2)
喷涂连续条件即是
i≤htan( /2)0(7)(8)
3 弧面喷漆机构的设计图4 喷漆区域仿真示意图
根据平面喷漆机构所确定的机构的几何尺寸以及有关的参数,就可以针对壁面是弧面时对机构加以改进.当机器人携带喷漆机构位于圆柱罐表面时,如图5,如果还位于OAC位置,显然是不太合适的,这时可在A处做一铰链,使AB与罐面在D点的切线平行,夹角
= - -
R+ c其中 =
arctan, =arccosa+b-c(R+ )2+(a+b-c)2
为使喷枪更好地仿弧面工作,可设计一弧
形轨道,使摆杆沿着这一轨道摆动,在实际工作
当中机器人工作的罐面曲率很大,半径一般在
5m以上,故该弧形轨道的弦高h通过计算得
出的值很小,为方便起见可不必设计此弧形轨
道.其次,因为摆杆平面与曲柄的运动夹角 ,
所以连杆两端的铰接部分可采用关节轴承.(9)
4 试验结果
将爬壁机器人分别携带平面喷漆机构和弧图 机器人位于弧形面上示意图
面喷漆机构在罐壁上进行喷漆试验表明,喷漆效果良好,效率为1.4m/min～2.3m/min,达到了预期设计的要求.
5 结束语
弧面喷漆机构是平面喷漆机构的改进,而平面喷漆机构可以认为是弧面喷漆机构的特例,即 =0时,无论是平面或是弧面喷漆机构一旦使传动比i确定,那么喷枪的摆动次数也就确定了,当然传动比必须在保证喷涂连续的条件下确定,确定传动比的公式(8)为一近似公式,但在设计当中这一公式的表达精度是足够的.实验证明履带式磁吸附爬壁机器人在罐壁上进行喷漆工作是可行的.喷漆机构的动力从机器人引出,因此结构简单,控制得到了简化.其次,曲柄连杆机构在运动过程中摆杆的运动为简谐运动,为了提高喷漆的均匀性,机构在某些部分正在改进.
参 考 文 献
1 潘沛霖,韩秀琴,赵言正.日本磁吸附爬壁机器人的研究现状.机器人,1994,16(6):379～382
150 机 器 人1997年3月
ONTHEDESIGNOFAPAINTINGMECHANISM
OFWALL-CLIMBINGROBOTWITH
TWOMAGNETICCRAWLERS
PANPeilin GAOXueshan YANGuorong ZHAOYanzheng WANGYan
(HarbinInstituteofTechnology,Harbin 150001)
JIANGYou MINChangzhong FEIShoujiang
(No.1FactoryofExtractOilofDaqing 163700)
Abstract Thispaperdiscussestheaccomplishmentofpaintingtaskusingwall-climbingrobotwithtwomagneticcrawlers.Basedontheanalysisoftheconditionsofrealizingpaintingmechanism'sactionandensur-ingcontinuepaintingoperation,wedesignapaintingmechanismavailableforbothevenandarcverticalsur-face.Thetestdemonstratesthefeasibility.
Keywords Magneticcrawlers,wall-climblingrobot,paintingmechanism
作者简介
潘沛霖:男,58岁,副教授.研究领域:机器人机构设计.
高学山:男,28岁,助理研究员.研究领域:机器人机构设计.
闫国荣:男,52岁,高级工程师.研究领域:机器人机构设计.
(上接第146页)
ANEWDECOUPLINGMETHODFORSYMBOLICSOLUTION
OFTHEINVERSEKINEMATICSOFROBOTS
FENGQiaosheng LUIDanfei
(YunnanNormalUniversity, Kunming650092)
Abstract Thekeyforsymbolicallysolvingtheinversekinematicsofrobotswithacomputeriswhethertheanalyticallsolutionwithsimpleequationsintheformasin(x)+bcos(x)=c orax=barerecursivelydecou-pled.BaseduponPaul sideas,thispaperproposesanewdecouplingmethodthatcanrecursivelydecouplethepositionequationstoobtainthesimpleandanalyticallsolvableequationswhenPaul smethodfails.ThismethodisasupplementofPaulmethod.
Keywords Robot,inversekinematics,symbolicsolution
作者简介
冯乔生:男,35岁,硕士,讲师.研究领域:机器人力学、运动规划、计算机代数.
刘丹非:男,47岁,副教授.研究领域:机器人力学、单片机.
1997年3月机器人 ROBOT March,1997
履带式磁吸附爬壁机器人喷漆机构的设计
潘沛霖 高学山 闫国荣 赵言正 王 炎
(哈尔滨工业大学机器人研究所 150001)
姜 有 闵常忠 费守江
(大庆石油管理局第一采油厂 163700)
摘 要 本文讨论了用履带式磁吸附爬壁机器人实现喷漆的问题,阐述了喷漆机构运动的实现
以及如何保证喷漆连续条件.设计了可工作于平面和弧面的喷漆机构,并且在罐壁上进行了实验,达到了预期的效果.
关键词 履带式磁吸附,爬壁机器人,喷漆机构
1 引言
爬壁机器人作为高空极限工作的一种自动机械装置,正在不断地被人们所认可,国内外对于爬壁机器人在工业上的应用大多数是利用机器人携带检测装置进行探伤和检测.而我们所研制的履带式磁吸附爬壁机器人是专门为石油化工行业的大型储液罐设计的,它除了能够完成测量和探伤之外,还能够对储液罐的内外表面进行喷砂和喷漆防腐处理等.一般传统的作法是先搭脚手架,然后用人工去刷漆,每个大罐大约用15天才能完成,若用机器人大约需要4～5天的时间,这可以大大地提高效率,节约资金.显然机器人的负重要大是很必要的.针对这一要求,我们所设计的机器人最大搭载为30kg,速度1m/min～8m/min,满足工作要求.对于喷漆机构,设计了用于平面喷漆和弧面喷漆两种装置.由于机器人的工作面为罐体内外表面,喷漆时喷嘴的运动较简单,将喷嘴固定在喷漆装置的摆杆上,因此喷嘴的运动轨迹由机器人的运动和摆杆的摆动所决定.为了节省电机(反之,不但要增加机器人的搭载重量,而且还涉及防爆等问题)摆杆的运动可由机器人上的一个链轮引出.在理论上这种思想非常可行,试验时,通过机器人搭载此装置在罐体表面上行走达到了良好的喷漆效果.
2 平面喷漆机构的设计
2.1 喷枪轨迹方程的推导
爬壁机器人对大型容器表面的喷漆是通过安装于机器人上的喷漆机构的运动从而带动喷枪来实现的,喷漆机构的运动是通过齿轮机构从机器人的链轮上引出.如图1所示.在图1中当机器人行走时,固定在摆杆上的喷枪将随摆杆一起摆动.若将相对坐标建立在壁面上,则可求喷枪的轨迹方程为x′=b+a+Icos
y′=-c+Isin 方程(1)为相对轨迹方程.而绝对轨迹方程则为
1995-10-13收稿(1)
148 机 器 人1997年3月
x=b+a+I4cos
y=vt-c+I4sin
知(2)其中v为机器人的速度;t为时间.由图2
1- 2- 3 = - (3)
cI1BD而 1=
arctan;=,即 2bsin 2sin( + 1)1.机器人本体 2.油漆管 I1=arcsin[sin( + 1)].3.喷漆装置 4.喷枪部分BD图1 喷漆装置示意图22又因为I22=BD+I3-2BDI3cos 3,
222222BD+I3-I2BD+I3-I2故有cos 3=即 3=arccos();其中BD2=I21+AD-2I1ADcos( 2BDI32BDI3
+ 1),AD=b2+c2.
如果假设机器人的行进速度为匀速,则 =2v/d0, 为机器人链轮的角速度,d0为链轮的节圆直径,i为齿轮机构的传动比.
根据 = 1t, 1=2v/id0,则方程组(2)又可以写为
x=a+b+I4cos
y= id0/2-c+I4sin
将方程组(4)中的参数赋值,通过计算机运算就可以输
出喷枪运动轨迹(如图3).(4)
图3 喷枪的运动轨迹曲线
图2 机构简图
2.2 保证喷漆过程中的喷涂连续条件
爬壁机器人携带喷漆机构工作时,喷枪对壁面的喷漆必须连续,也就是说喷枪每一次摆动与上一次摆动所扫过的区域之间不能有空隙.根据这一要求,假设喷枪的喷嘴距壁面的距离为
,则喷射的宽度为h,散角为
2htan( /2)(5)
当曲柄AB转动一周时,摆杆DE上的E点将从E1运动到E2,见图4.E1与E2之间的距离为yE2-yE1.图4中虚线部分是假想的喷漆区域,要使喷漆过程中的喷漆不间断,有下面的近似公
式成立
yE2-yE1≤2htan( /2)(6)
如果机器人的链轮转动一周前进的距离为 d0,那么曲柄转动1/i周,摆杆摆动2/i次,公式
第19卷第2期潘沛霖等: 履带式磁吸附爬壁机器人喷漆机构的设计149
(6)又可以写成:
d0≤(2/i)htan( /2)
喷涂连续条件即是
i≤htan( /2)0(7)(8)
3 弧面喷漆机构的设计图4 喷漆区域仿真示意图
根据平面喷漆机构所确定的机构的几何尺寸以及有关的参数,就可以针对壁面是弧面时对机构加以改进.当机器人携带喷漆机构位于圆柱罐表面时,如图5,如果还位于OAC位置,显然是不太合适的,这时可在A处做一铰链,使AB与罐面在D点的切线平行,夹角
= - -
R+ c其中 =
arctan, =arccosa+b-c(R+ )2+(a+b-c)2
为使喷枪更好地仿弧面工作,可设计一弧
形轨道,使摆杆沿着这一轨道摆动,在实际工作
当中机器人工作的罐面曲率很大,半径一般在
5m以上,故该弧形轨道的弦高h通过计算得
出的值很小,为方便起见可不必设计此弧形轨
道.其次,因为摆杆平面与曲柄的运动夹角 ,
所以连杆两端的铰接部分可采用关节轴承.(9)
4 试验结果
将爬壁机器人分别携带平面喷漆机构和弧图 机器人位于弧形面上示意图
面喷漆机构在罐壁上进行喷漆试验表明,喷漆效果良好,效率为1.4m/min～2.3m/min,达到了预期设计的要求.
5 结束语
弧面喷漆机构是平面喷漆机构的改进,而平面喷漆机构可以认为是弧面喷漆机构的特例,即 =0时,无论是平面或是弧面喷漆机构一旦使传动比i确定,那么喷枪的摆动次数也就确定了,当然传动比必须在保证喷涂连续的条件下确定,确定传动比的公式(8)为一近似公式,但在设计当中这一公式的表达精度是足够的.实验证明履带式磁吸附爬壁机器人在罐壁上进行喷漆工作是可行的.喷漆机构的动力从机器人引出,因此结构简单,控制得到了简化.其次,曲柄连杆机构在运动过程中摆杆的运动为简谐运动,为了提高喷漆的均匀性,机构在某些部分正在改进.
参 考 文 献
1 潘沛霖,韩秀琴,赵言正.日本磁吸附爬壁机器人的研究现状.机器人,1994,16(6):379～382
150 机 器 人1997年3月
ONTHEDESIGNOFAPAINTINGMECHANISM
OFWALL-CLIMBINGROBOTWITH
TWOMAGNETICCRAWLERS
PANPeilin GAOXueshan YANGuorong ZHAOYanzheng WANGYan
(HarbinInstituteofTechnology,Harbin 150001)
JIANGYou MINChangzhong FEIShoujiang
(No.1FactoryofExtractOilofDaqing 163700)
Abstract Thispaperdiscussestheaccomplishmentofpaintingtaskusingwall-climbingrobotwithtwomagneticcrawlers.Basedontheanalysisoftheconditionsofrealizingpaintingmechanism'sactionandensur-ingcontinuepaintingoperation,wedesignapaintingmechanismavailableforbothevenandarcverticalsur-face.Thetestdemonstratesthefeasibility.
Keywords Magneticcrawlers,wall-climblingrobot,paintingmechanism
作者简介
潘沛霖:男,58岁,副教授.研究领域:机器人机构设计.
高学山:男,28岁,助理研究员.研究领域:机器人机构设计.
闫国荣:男,52岁,高级工程师.研究领域:机器人机构设计.
(上接第146页)
ANEWDECOUPLINGMETHODFORSYMBOLICSOLUTION
OFTHEINVERSEKINEMATICSOFROBOTS
FENGQiaosheng LUIDanfei
(YunnanNormalUniversity, Kunming650092)
Abstract Thekeyforsymbolicallysolvingtheinversekinematicsofrobotswithacomputeriswhethertheanalyticallsolutionwithsimpleequationsintheformasin(x)+bcos(x)=c orax=barerecursivelydecou-pled.BaseduponPaul sideas,thispaperproposesanewdecouplingmethodthatcanrecursivelydecouplethepositionequationstoobtainthesimpleandanalyticallsolvableequationswhenPaul smethodfails.ThismethodisasupplementofPaulmethod.
Keywords Robot,inversekinematics,symbolicsolution
作者简介
冯乔生:男,35岁,硕士,讲师.研究领域:机器人力学、运动规划、计算机代数.
刘丹非:男,47岁,副教授.研究领域:机器人力学、单片机.