摘要摘要機(jī)器人化工程機(jī)械是機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，也是提升機(jī)械產(chǎn)品競爭力的一個(gè)重要手段。目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了許多機(jī)器人化的工程機(jī)械產(chǎn)品，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本文基于機(jī)器人化工程機(jī)械的設(shè)計(jì)思想，對飛機(jī)表面清洗年進(jìn)行了機(jī)器人化研究，所研究設(shè)計(jì)的飛機(jī)表面清洗機(jī)器人屬于特種作業(yè)機(jī)器人范疇，該機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以飛機(jī)表面清洗機(jī)器人為研究對象，采用機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和多剛體動力學(xué)理論，對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人若干關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入細(xì)致的分析和研究。研究的主要內(nèi)容包括以下幾部分：1、論文系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)、飛機(jī)表面清洗技術(shù)的研究狀況利發(fā)展趨勢，在國內(nèi)首次對機(jī)器人化飛機(jī)表面清洗車及其相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和主要研究問題進(jìn)行了深入分析，為飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的進(jìn)一步研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2、論文對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。主要對機(jī)器人載車、手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)、整機(jī)動力性能及穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。飛機(jī)表面清洗機(jī)器人是飛機(jī)場重要的設(shè)備。而臂架系統(tǒng)是飛機(jī)表面清洗機(jī)器人重要的工作部件之一，要求臂架系統(tǒng)具有較高的整體剛度和強(qiáng)度、良好的工作適應(yīng)性和可靠性。同時(shí)利用SolidWorks軟件對機(jī)器人手臂最危險(xiǎn)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，確保了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性?？梢哉f這項(xiàng)研究為機(jī)器人開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。3、本文主要針對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人臂架系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)用軟件對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模、運(yùn)動仿真和結(jié)構(gòu)分析。利用SOLIDWORKS進(jìn)行飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的臂架、轉(zhuǎn)塔、支腿的設(shè)計(jì),建立了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的模型，并進(jìn)行虛擬裝配及運(yùn)動仿真。建立的幾何模型為后續(xù)分析提供模型數(shù)據(jù)。利用SOLIDWORKS建立的幾何模型數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過簡化建立有限元模型，對部分重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及合理性。4、論文對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了研究。飛機(jī)表面清洗機(jī)器人屬于多冗余自由度空間機(jī)構(gòu)，這就決定了手臂位姿具有不確定性。運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)是保證機(jī)器人在飛機(jī)表面進(jìn)行平穩(wěn)、有規(guī)律運(yùn)動的關(guān)鍵技術(shù)。本文利用冗余度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)理論推導(dǎo)了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程，計(jì)算了機(jī)器人運(yùn)動方程的正解，推導(dǎo)了機(jī)器人的雅可比矩陣，對清洗機(jī)器人手臂進(jìn)行了速度分析，為該機(jī)器人的工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)理論依據(jù)和基礎(chǔ)。5、本文運(yùn)用了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。并行設(shè)計(jì)提高了整車一次設(shè)計(jì)成功的概率，縮短了從設(shè)計(jì)到整車試制成功的周期，可為企業(yè)贏得市場和利潤。6、對全文進(jìn)行了總結(jié)，并對今后的研究工作進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞 飛機(jī)表面清洗機(jī)器人 運(yùn)動學(xué) 結(jié)構(gòu)分析53AbstractRobotized engineering machines are important development trends in the applying ofrobotsAt present，with the appearance of many robotized engineering machines，they have brought remarkable economic and social benefitsThis paper studies robotization of aircrafts surface cleaning vehicles based on the idea of robotization of engineering machines，the aircrafts surface cleaning robot as a special type of working robot will be widely usedThis paper elabocates on some key technology of aircrafts surface cleaning robot based on the technology of robot，computer simulation technology and more rigid body dynamics technologyThe main contents in this thesis include five aspects presented as follows：1We summarize the status and developing trends of robot technology and aircrafts surface cleaning technology in this paperFor the first time we analyzed aircrafts surface cleaning robots and its status of technology, it established a foundation for the study on aircraftS surface cleaning robots2We study and design a structure and scheme of aircrafts surface cleaning robots，The technology of machine structure of a robots vehicle and arm，dynamic performance and stability of the robot have been studiedThe aircrafts surface cleaning robot is one of construction facility in the airport. The arm system is one of the very important equipment in aircrafts surface cleaning robot. It must have high strength and stiffness, good working adaptability and reliability. Using SOLIDWORKS，the system makes a finite element analysis of the structure intensity on a robots arm in a very dangerous condition. It ensures the rationality of the structures designThis research develops a new application field3.This paper designed the arm system、turret、leg. It make the aircrafts surface cleaning robot model by SOLIDWORKS and designed the arm system, etc. The virtual assembly and movement simulation is successful and it served for the later design. The simplified date provided by SOLIDWORKS is used during the structure analysis. This can improve the important structures strength and rationality.4The kinematics of all aircrafts surface cleaning robot has been studied in this paperThis type of robot is a redundant robot，so the posture of this robots arm is not certain. The kinematics design is a key technology for ensuring a robots motion with placidity and orderlinessWe have conquered some disadvantages in general arithmetic to deduce equation of an aircrafts surface cleaning robot with the theory of redundant robot，counted a robots motion equation and obtained positive solutionJacobian matrix of a robot has been deduced in this paper，and it also analyzes the velocity of an aircrafts surface cleaning robots arm providing design theory and foundation for the robots engineering application5.This paper use the modern design method. Parallel designed can decrease the design period and enhance the design efficiency. It can help the company win the market and make profit.6. This part will summarize all the contents and expects the next study workKey words Aircrafts surface cleaning robot，Kinematics，Structure analysis第一章 緒論第一章 緒論11 課題背景世界經(jīng)濟(jì)的繁榮，促進(jìn)了航空運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，飛機(jī)作為交通運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ哒l(fā)揮著越來越大的作用。飛機(jī)在日常使用中經(jīng)常接觸到各種各樣的污染物，如飛行時(shí)空氣中的風(fēng)沙、灰塵，海上飛行時(shí)空氣中的鹽霧、酸霧等，不僅影響飛機(jī)外觀整潔，而且會造成機(jī)身腐蝕。因此飛機(jī)表面清洗作業(yè)己成為飛機(jī)保養(yǎng)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它不但使飛機(jī)表面清潔美觀、有效地緩解和減輕腐蝕，而且可以清除蒙皮表面粘著的污染物對氣動特性帶來的不良影響，同時(shí)能保證起落架收放機(jī)構(gòu)、舵軸頸部位和活動翼結(jié)合部位機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動，對提高機(jī)上電子設(shè)備的感應(yīng)靈敏度也有一定好處。隨著城市現(xiàn)代化程度的提高，對飛機(jī)外觀質(zhì)量和清潔度要求愈來愈高。國外民用飛機(jī)一般每隔l0日至15日必須定期清洗一次，我國軍用飛機(jī)推薦的清洗周期一般為較好地區(qū)90天、中等地區(qū)45天、惡劣地區(qū)15天、沿海地區(qū)7天。由于世界各國都在不斷裝備最新的客貨運(yùn)輸飛機(jī)及軍用飛機(jī)，飛機(jī)數(shù)量不斷增加，這就使得飛機(jī)表面清洗成為一項(xiàng)繁重、耗時(shí)、耗資的工作。此外飛機(jī)表面的常規(guī)清洗看起來好象頗為簡單，實(shí)際卻是一個(gè)很重要、很復(fù)雜、技術(shù)性很強(qiáng)的工作，不當(dāng)?shù)那逑捶椒〞︼w機(jī)造成新的腐蝕隱患。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及社會的進(jìn)步，飛機(jī)表面清洗的機(jī)械化、自動化問題越來越被人們所重視，飛機(jī)表面清洗設(shè)備已成為現(xiàn)代化機(jī)場不可或缺的機(jī)械設(shè)備。其原因是常規(guī)的手工刷洗方法不僅效率低，且難以滿足清洗質(zhì)量要求。利用機(jī)械化飛機(jī)表面清洗設(shè)備不但可以節(jié)省勞動力，減輕工人勞動強(qiáng)度，提高清洗質(zhì)量，而且節(jié)約了飛機(jī)地面停留時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。正因如此，許多大中城市的飛機(jī)場開始陸續(xù)引進(jìn)飛機(jī)表面清洗設(shè)備，對飛機(jī)表面清洗設(shè)備的需求呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。雖然目前飛機(jī)表面清洗設(shè)備是機(jī)場中的重要配套設(shè)備，然而自動化、智能化的飛機(jī)表面清洗設(shè)備一直沒有受到足夠的重視，這在很大范圍內(nèi)制約了飛機(jī)表面清洗設(shè)備優(yōu)勢的發(fā)揮，使得飛機(jī)表面清洗工人的勞動強(qiáng)度和危險(xiǎn)性仍然很大，清洗效率也滿足不了時(shí)代發(fā)展的要求。實(shí)現(xiàn)飛機(jī)表面清洗作業(yè)的自動化，用機(jī)器人來替代人工清洗操作，將會大大節(jié)約勞動力，降低工作人員的勞動強(qiáng)度，提高清洗效率，同時(shí)也降低飛機(jī)的非營運(yùn)時(shí)間。所以開展機(jī)器人飛機(jī)表面清洗作業(yè)、提高飛機(jī)表面清洗作業(yè)的自動化水平，是目前急需解決的問題。基于這種現(xiàn)狀，國外學(xué)者提出了飛機(jī)表面清洗設(shè)備機(jī)器人化的設(shè)想。其主體思想就是將機(jī)器人技術(shù)引入飛機(jī)表面清洗設(shè)備的自動控制中，使其具有機(jī)器人的功能，即在清洗飛機(jī)表面時(shí)，清洗設(shè)備能夠按照程序設(shè)定的軌跡和位置自動完成飛機(jī)表面清洗工作。目前德國、美國、日本等國家已開展了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的研究工作，并做了一些有益的嘗試，國外實(shí)踐表明，采用機(jī)器人清洗飛機(jī)表面一般可提高勞動生產(chǎn)率一倍以上，節(jié)約水資源50以上，降低工程成本50左右。目前國內(nèi)對此項(xiàng)技術(shù)的研究尚處于空白狀態(tài)。近兒年來我國航空事業(yè)發(fā)展很快，國內(nèi)幾大航空公司已經(jīng)接近或達(dá)到發(fā)達(dá)國家的水平。伴隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，飛機(jī)表面清洗機(jī)器人在我國將會有很大的應(yīng)用市場。12 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷程及冗余度機(jī)器人研究進(jìn)展121 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展歷程機(jī)器人的誕生是人類20世紀(jì)最具代表性的科技之一，機(jī)器人的研究和應(yīng)用對提高勞動生產(chǎn)率、推動科技發(fā)展具有重要意義，同時(shí)也成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)自動化水平和科技水平的一個(gè)重要標(biāo)志。兩院院士宋健曾指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是當(dāng)代晟高意義上的自動化”。國外機(jī)器人發(fā)展歷程及趨勢英語中的機(jī)器人(Robot)-詞來源于1921年捷克斯洛伐克的劇作家Karel Capel創(chuàng)作的一部科幻劇本RuR(Rossums Universal Robots)。1947年美國原予能委員會的阿爾貢研究所開發(fā)了可代替人處理放射性物質(zhì)的遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手；1954年美國Devol發(fā)表了“通用重復(fù)型機(jī)器人”的專利論文，首次提出“工業(yè)機(jī)器人”的概念并申請了專利，該專利的技術(shù)關(guān)鍵是利用伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，機(jī)器人能完成動作的記錄和再現(xiàn)，這就是所謂的示教再現(xiàn)式機(jī)器人：1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型；1959年美國Unimation公司推出第一臺工業(yè)機(jī)器人；作為機(jī)器人產(chǎn)品出售的最早的實(shí)用機(jī)型是1962年美國AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的Ummate機(jī)器人。70年代機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會議，1973年辛辛那提米拉克隆公司研制了第一臺由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人：1979年Unimation公司推出了多CPU兩級微機(jī)控制的Puma系列工業(yè)機(jī)器人；同年日本山梨大學(xué)的牧野洋研制出的具有平面關(guān)節(jié)的SCARA型機(jī)器人在許多場合上得到了廣泛的應(yīng)用。此期間，日本結(jié)合國情面向中小企業(yè)采取了一系列鼓勵(lì)使用機(jī)器人的措施，其機(jī)器人擁有量很快超過了美國，一舉成為“機(jī)器人王國”。80年代工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及時(shí)代，90年代初期工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求進(jìn)入了高潮期，隨后由于受到日本等國經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也一度跌入低谷。近些年來隨著世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)又出現(xiàn)了一片生機(jī)。21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大提高。當(dāng)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：一是機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域在迅速地?cái)U(kuò)大，機(jī)器人的種類日趨增多；二是機(jī)器人的性能不斷地提高，并逐步向智能化方向發(fā)展。除了在制造業(yè)中應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人之外，機(jī)器人應(yīng)用已逐步進(jìn)入較制造業(yè)更為廣闊的民用服務(wù)領(lǐng)域。各種機(jī)器人分別應(yīng)用在軍事、航天、資源開發(fā)、排險(xiǎn)救災(zāi)、海洋開發(fā)、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、社會服務(wù)等方面。復(fù)雜的民用服務(wù)應(yīng)用也對機(jī)器人的研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。應(yīng)用于制造業(yè)的工業(yè)機(jī)器人和面向非制造業(yè)的智能機(jī)器人的研究、開發(fā)和應(yīng)用，將成為2l世紀(jì)智能機(jī)器人的兩個(gè)重要發(fā)展方向。國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢：工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展；機(jī)器人中的傳感器作用日益重要；智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段；機(jī)器人化機(jī)械開始興起。我國機(jī)器人的研究發(fā)展過程及發(fā)展戰(zhàn)略由于我國對機(jī)器人的研究起步較晚，大約只有20多年的發(fā)展歷史。80年代中期，國家將工業(yè)機(jī)器入開發(fā)列入科技攻關(guān)計(jì)劃，建立了機(jī)器人示范工程；國家“863”計(jì)劃又把智能機(jī)器人的研究和開發(fā)列為發(fā)展主題之一，從而使我國機(jī)器人事業(yè)有了長足發(fā)展，縮短了與發(fā)達(dá)國家之間的差距。在工業(yè)機(jī)器人方面，我國已具有獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)器人和控制器的能力，義經(jīng)歷“八五”攻關(guān)，逐步開展了機(jī)器人噴漆線、機(jī)器人點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人(如圖11所示)的開發(fā)剌應(yīng)用。圖1-1焊接機(jī)器人 圖1-2類人機(jī)器人 圖1-3水下機(jī)器人Fig 1-1 Welding robot Fig 1-2 Apery robot Fig 1-3 Under water robot圖1-4裝配機(jī)器人 圖1-5自動堆垛機(jī)器人 圖1-6機(jī)器人化裝載機(jī)Fig 1-4 Assembly robot Fig 15 Auto-pile robot Fig 1-6 Robotization loader在智能機(jī)器人和特種機(jī)器人的研究和開發(fā)方面，國防科技大學(xué)研制成功的“先行者”類人型機(jī)器人(如圖1-2所示)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)的重大突破；中科院沈陽自動化所研制的6000米水下無纜機(jī)器人(如圖13所示)，該成果居世界領(lǐng)先水平；哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位在壁面清洗機(jī)器人、水下船體表面清刷機(jī)器人、裝配機(jī)器人(如圖14所示)、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種上開展了不少工作。在機(jī)器人化機(jī)械開發(fā)應(yīng)用方面，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于多種工程機(jī)械的改造中，這在很大程度上提高了我國工程機(jī)械在國內(nèi)、國際上的競爭力，大大刺激了其它工程機(jī)械的機(jī)器人化的研究。中科院合肥智能所和臺肥義車廠研制的WD10型自動多向高架無軌堆垛機(jī)器人(如圖15所示)、徐工集團(tuán)和吉林工業(yè)大學(xué)2001年開發(fā)的ZL50G型機(jī)器人化裝載機(jī)口”(如圖1-6所示)、1999年由國防科技大學(xué)和江麓-浩利機(jī)械有限公司聯(lián)合研制了W1102DZ型壓路機(jī)器人1261(如圖1，7所示)、自動攤鋪機(jī)(如圖l_8所示)性能均已達(dá)到了實(shí)用水平，其技術(shù)性能達(dá)到了90年代后期國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。圖1-7壓路機(jī)器人 圖1-8自動攤鋪機(jī)Fig1-7 Roadmilerrobot Fig l-8 Autospreading machine另外，浙江大學(xué)、西南交大、中南工業(yè)大學(xué)開展了挖掘機(jī)器人的研究工作，東北大學(xué)郭立新等對混凝土泵車布料機(jī)構(gòu)機(jī)器人化進(jìn)行了探討。在機(jī)群智能化工程機(jī)械研究上，徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司、三一重工股份公司和天津鼎盛工程機(jī)械有限公司三家承擔(dān)單位取得了階段性成果，于2002年12月通過了專家組組織的驗(yàn)收。但從整體上看，無論是單機(jī)智能化工程機(jī)械的種類，還是研究和開發(fā)的深度，與技術(shù)先進(jìn)國家相比我國都還存在很大的差距，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，結(jié)合國情，選擇工業(yè)基礎(chǔ)較好、共性技術(shù)較多和經(jīng)濟(jì)效益顯著的工程機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行信息化、智能化改造升級，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，提高我國機(jī)械產(chǎn)品的國際競爭力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的形成。我國機(jī)器人技術(shù)的研究重點(diǎn)應(yīng)放在以實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越為目標(biāo)的特種機(jī)器人研究、利用機(jī)器人技術(shù)對傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行改造、發(fā)展新一代智能機(jī)器與系統(tǒng)等方面。122 冗余度機(jī)器人國內(nèi)外的研究進(jìn)展從運(yùn)動學(xué)的觀點(diǎn)來講，冗余度機(jī)器人是指完成某一特定任務(wù)時(shí)，機(jī)器人具有多余的自由度。多余的自由度可用來改善機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)性能，如增加靈活性、躲避障礙、回避奇異、優(yōu)化主運(yùn)動任務(wù)下的關(guān)節(jié)速度、加速度、力矩、能量等輔助操作指標(biāo)等。例如在工業(yè)焊接中，可以充分利用冗余度機(jī)器人的靈活性，實(shí)現(xiàn)對工作的多方位焊接，這樣可以減少甚至節(jié)省換位機(jī)的設(shè)計(jì)與制造費(fèi)用。因此冗余度機(jī)器人在機(jī)器人向智能化發(fā)展的研究中占有重要地位。設(shè)計(jì)出對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，擁有更高自主性及靈活性的機(jī)器人，就成了機(jī)器人發(fā)展的方向。多年來學(xué)者們在這一領(lǐng)域里進(jìn)行了艱苦的研究工作，無論在理論研究發(fā)展上，還是在冗余度機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)上都取得了豐碩的成果，為新領(lǐng)域新學(xué)科的開拓和發(fā)展提供了巨大的幫助。目前，國內(nèi)外發(fā)表的關(guān)于冗余度機(jī)器人研究的文獻(xiàn)主要集中于機(jī)構(gòu)學(xué)(機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究)、運(yùn)動學(xué)(逆運(yùn)動學(xué)求解、奇異回避、障礙回避、最優(yōu)運(yùn)動性能等)等諸多領(lǐng)域。冗余度機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究進(jìn)展冗余度機(jī)器人因其本身幾何結(jié)構(gòu)具有高度的靈活性，得到了廣泛研究，已成為機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前的研究己從一般的冗余度機(jī)器人操作手系統(tǒng)，擴(kuò)展到多冗余度機(jī)器人系統(tǒng)以及超冗余度機(jī)器人，其機(jī)構(gòu)學(xué)的研究也正成為機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。迄今為止，國內(nèi)外已研制了多種冗余度機(jī)器人系統(tǒng)，一些產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)商品化。國外在冗余度機(jī)器人操作機(jī)設(shè)計(jì)研究方面，日本MITI機(jī)械工程試驗(yàn)室1974年就開發(fā)出了仿人形“MELARM”7-DOF雙臂機(jī)器人，東京大學(xué)1979年研制了“UJBO T”7-DOF機(jī)器人操作手；1987年，日本MITI機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室又生產(chǎn)了一臺用于縫紉的仿人形7自由度機(jī)器人。美國Robotics Research公司1987年設(shè)計(jì)了用于空間研究的、由兩個(gè)7-DOF臂和一個(gè)3一DOF軀干組成17一DOF機(jī)器人系統(tǒng)；美國航空航天實(shí)驗(yàn)室研制T30-DOF的超冗余度機(jī)器人。法國研制了一種新的冗余度機(jī)器人平行機(jī)構(gòu)闈，并利用此機(jī)構(gòu)的冗余度克服了高速運(yùn)動時(shí)的運(yùn)動奇異。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院沈陽自動化所、北京航空航天大學(xué)率先開展了冗余度機(jī)器人的研究工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)1986年開發(fā)了象鼻子柔性臂，1995年研制出組合式多齒輪柔性臂，1996年研制了用于115自行火炮彈丸自動裝填作業(yè)155HPI、155HP-II型7-DOF擬人手臂機(jī)器人系統(tǒng)，1999年又研制了9-DOF焊接機(jī)器人，解決了普通機(jī)器人不能焊接長縫的問題；北京航空航天大學(xué)研制成功了1臺AARR型7-DOF機(jī)器人操作臂系統(tǒng)；中國科學(xué)院機(jī)器人開放實(shí)驗(yàn)室正在研制多機(jī)器人協(xié)調(diào)操作系統(tǒng)，其中1臺機(jī)器人安裝在具有視覺的可移動小車上，構(gòu)成了更為復(fù)雜的冗余度機(jī)器人系統(tǒng)，最近又研制出一種超冗余度蛇型機(jī)器人；南開大學(xué)計(jì)算機(jī)系研制了機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)，其中一臂為PUMA 560機(jī)器人，另一臂為PUMA760機(jī)器人，構(gòu)成了具有冗余度的雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)；東南大學(xué)也正在研制1臺視覺伺服雙臂冗余度機(jī)器人系統(tǒng)；劃辛軍等人根據(jù)人體結(jié)構(gòu)的形體特點(diǎn)，提出用球面三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)代替擬人七自由度冗余手臂的肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)。冗余度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)研究進(jìn)展隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，許多新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且在理論上和實(shí)用技術(shù)上都得到了快速的發(fā)展。在機(jī)器人領(lǐng)域里也相繼出現(xiàn)了許多新的與計(jì)算機(jī)相關(guān)的數(shù)值求解法，用以替代以往手操作的圖解法和解析法，為機(jī)器人學(xué)的發(fā)展開拓了廣闊的前景。由于冗余度機(jī)器人的關(guān)節(jié)自由度數(shù)多于任務(wù)給定的位姿自由度數(shù)，冗余度機(jī)器人在究成給定工作任務(wù)過程中關(guān)節(jié)可以自由運(yùn)動，即運(yùn)動學(xué)逆解不確定，機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解釋機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的一個(gè)主要問題。如何在充分發(fā)揮多冗余度機(jī)器人靈活性的同時(shí)，確保冗余度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解具有確定的解集，即在優(yōu)化性能指標(biāo)的同時(shí)如何獲得穩(wěn)定的逆解，成為當(dāng)前學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。13國內(nèi)外飛機(jī)表面清洗技術(shù)發(fā)展概況飛機(jī)表面清洗技術(shù)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段。第一階段為手工操作階段，由工人進(jìn)行清刷工作。第二階段為機(jī)械輔助人工操作階段，利用專用的清洗機(jī)械輔助人工完成大型飛機(jī)的清洗任務(wù)，工作效率有所提高。第三階段為自動化清洗作業(yè)階段，自動化機(jī)械為飛機(jī)表面清洗工作提供了良好的條件和保障。131手工操作飛機(jī)表面清洗技術(shù)最早的飛機(jī)表面清洗是由工人手持單刷進(jìn)行清洗作業(yè)的，如圖1-9所示。圖1-9人工清洗飛機(jī)表面Fig.1-9 Cleaning aircrafts surface by men清洗大型飛機(jī)時(shí)主要是借助于高空作業(yè)車（如圖1-10、圖1-11所示）等設(shè)備進(jìn)行人工清洗，工人勞動強(qiáng)度大、效率低。清洗一架大型飛機(jī)，一個(gè)20人的清洗班組要耗時(shí)5h，人均揮刷近10000次以上。另外，由于飛機(jī)地面停留時(shí)間長，經(jīng)濟(jì)效益有所降低。圖1-10高空作業(yè)車 Fig 1-10 Vehicle working in high altitude圖1-11 高空作業(yè)平臺132機(jī)械化飛機(jī)表面清洗技術(shù)隨著大型飛機(jī)的出現(xiàn)以及飛機(jī)數(shù)量迅速增加，純粹手工清洗操作已經(jīng)滿足不了時(shí)代對飛機(jī)清洗的高效率、高質(zhì)量的要求，從而出現(xiàn)了專門用于飛機(jī)表面清洗的專用飛機(jī)表面清洗車。目前各飛機(jī)場站應(yīng)用的飛機(jī)表面清洗車，如圖1-10、1-11所示，多數(shù)為利用升降平臺或舉高車改裝而成。清洗時(shí)靠升降平臺或舉高車承載清潔工首先利用噴槍噴洗滌劑，然后用高壓水槍沖洗，沖不掉的地方或飛機(jī)的關(guān)鍵部位用刷子擦去塵土及污物。清洗作業(yè)基本還屬于手工作業(yè)，方法雖簡便易行，但勞動強(qiáng)度大，并且清洗時(shí)存在著很大的危險(xiǎn)隱患。首先，站在升降平臺或舉高車上的清潔工在高處作業(yè)具有一定危險(xiǎn)性，另外飛機(jī)每一塊蒙皮對水壓的要求都不同，水槍噴射出的高壓水，容易導(dǎo)致飛機(jī)電子儀器設(shè)備損壞。可見，常規(guī)清洗不僅效率低，且難以滿足清洗質(zhì)量，對飛機(jī)設(shè)備的安全性能也帶來了一定的危害。隨著飛機(jī)數(shù)最的增加，清洗作業(yè)也不斷增加，為了減少勞動力、削減經(jīng)費(fèi)，開發(fā)全自動飛機(jī)表面清洗車顯得越來越重要了。90年代初人們開始尋求自動化和機(jī)器人技術(shù)在飛機(jī)表面清洗這一行業(yè)上的應(yīng)用，并取得了很大的進(jìn)步，日本、美國，德國在90年代后期相繼開發(fā)出了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人。133機(jī)器人飛機(jī)表面清洗技術(shù)(1)龍門式飛規(guī)表面清洗機(jī)器人1-3日本成田的新東京國際航空機(jī)場裝備了計(jì)算機(jī)控制的龍門式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人，如圖1-12（a）所示。此機(jī)器人裝置是由日本航空和川崎重工共同利用10年時(shí)間總耗資20億日元開發(fā)出來的。該裝置寬90米，高262米，長100米，鐵架結(jié)構(gòu)。裝置在對應(yīng)于飛機(jī)頭部、機(jī)身前部、機(jī)身下部、機(jī)身后部、主翼、水平尾翼、垂直尾翼等位置處共安裝了16臺機(jī)器人，每臺機(jī)器人手臂上安裝了清洗刷，并在各個(gè)刷子的前端和清洗機(jī)器人各處安裝了噴射水和清洗液的噴嘴。清洗時(shí)飛機(jī)由牽引車?yán)胙b置內(nèi)，然后利用儀器將測得的飛機(jī)準(zhǔn)確位置傳給計(jì)算機(jī)，同時(shí)利用此數(shù)據(jù)微調(diào)清洗裝置的方位開始按一定順序自動清洗機(jī)體，如圖l-12(b)、1-12(c)、112(d)所示。機(jī)器人手臂達(dá)不到的地方或用機(jī)器人不易清洗的地方再由人工利用長刷進(jìn)行清洗。利用該自動清洗機(jī)器人清洗一架巨型客機(jī)足需5名機(jī)務(wù)人員約100分鐘就能完成。(a) (b)(c) (d) (a)龍門式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人全貌； (b)清洗機(jī)器人正在清洗飛機(jī)頭部；(c)清洗機(jī)器人正在清洗飛機(jī)機(jī)身部位； (d)清洗機(jī)器人正在清洗飛機(jī)機(jī)翼部位 圖1-12龍門式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人Fig1-12The type of Long Men aircrafts surface cleaning robot(2)長臂式移動清洗機(jī)器人4-12圖1-13長臀式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人FigI-13The type of long arm aircrafts surface cleaning robot德國漢薩航空公司委托普茨邁斯特公司經(jīng)過近5年的開發(fā)，研制出了長臂式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人，如圖1-13所示。目前已在德國法蘭克福機(jī)場上崗工作。該清洗機(jī)器人的主要組成部分有機(jī)械系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、組合傳感器、機(jī)器人控制器及液壓系統(tǒng)，其核心部件是AEG公司的IRC250機(jī)器人控制器和道尼爾公司的激光器。首先利用微機(jī)對航空公司的整個(gè)機(jī)隊(duì)的飛機(jī)外形進(jìn)行編程，并將飛機(jī)的機(jī)型數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，機(jī)器人位于飛機(jī)的兩側(cè)，利用專用激光攝像機(jī)確定出機(jī)器人的精確工作位置，利用傳感器得到飛機(jī)的三維輪廓，并將此信息送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)將機(jī)器人當(dāng)前的位置與所存儲的飛機(jī)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比較并由當(dāng)前的位置計(jì)算出機(jī)器人的坐標(biāo)。機(jī)器人開始清洗時(shí)，由裝在車后部的AEG的IRC250機(jī)器人控制器控制清洗滾刷，按照預(yù)定程序沿著飛機(jī)表面做清洗運(yùn)動。清洗機(jī)器人的機(jī)械操作臂有9個(gè)自由度，它的機(jī)械臂向上可伸33米高，向外可伸27米遠(yuǎn)，且清洗機(jī)器人可以走近飛機(jī)，所以它可以清洗任何類型的飛機(jī)。由于機(jī)器人的臂很長，它能覆蓋所有類型飛機(jī)表面的85只有機(jī)身下面等少數(shù)機(jī)器入達(dá)不到的部位或用機(jī)器人清洗不經(jīng)濟(jì)的部位需要用手工補(bǔ)擦。為了提高效率，手工擦洗可與機(jī)器人擦洗同時(shí)進(jìn)行。通過使用機(jī)器人不僅減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，而且可以節(jié)省一半以上的水資源。例如，人工清洗一架波音747飛機(jī)需要100個(gè)工時(shí)，飛機(jī)在地面須停留10h，而機(jī)器人清洗僅需12個(gè)工時(shí)，飛機(jī)在地面停留23h。這樣大大縮短了飛機(jī)的地面停留時(shí)間，增加了飛行營運(yùn)時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。14我國飛機(jī)清洗技術(shù)的發(fā)展方向目前我國飛機(jī)表面清洗技術(shù)，基本處于手工清洗操作階段和利用專用的清洗機(jī)械輔助人工完成清洗工作階段，在智能化清洗技術(shù)方面還處于空白階段。根據(jù)我們對國內(nèi)各民用、軍用機(jī)場的調(diào)查表明，各機(jī)場都存在飛機(jī)品種繁多的特點(diǎn)，長臂式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人是我國飛機(jī)表面清洗車的發(fā)展方向。同時(shí)，我國在壁面清洗機(jī)器人、船體表面清洗機(jī)器人研究方面以及高空作業(yè)長臂類機(jī)器人化機(jī)械研究方面取得的進(jìn)展，為我國飛機(jī)表面清洗機(jī)器人化研究提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。(1)我國清洗機(jī)器人研究概況圖1-14壁面清洗機(jī)器人 圖1-15擦窗機(jī)器人Fig 1-14 Wall-cleaning robot Fig 115 Windowcleaning robot目前，我國清洗機(jī)器人研究主要集中在用于建筑物的外墻壁、玻璃幕墻清洗的爬壁機(jī)器人，如圖1-14、1-15所示。哈爾濱工業(yè)大學(xué)13、上海大學(xué)14-15、上海交通大學(xué)16、北京航空航天大學(xué)17-18等單位在這方面的研究較多，并有產(chǎn)品研制成功。此類機(jī)器人起源于20世紀(jì)70年代的日本19-20，機(jī)器人主要依靠吸附力吸附在工作面上并移動。機(jī)器人按吸附功能分真空吸附、磁吸附和推力吸附三類。真空吸附機(jī)器人是通過真空泵裝置，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓或由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，使周圍形成真空，使機(jī)器人吸附在壁面上。它不受壁面材料的限制，但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)。吸盤容易漏氣，降低了吸附力和承載力，它產(chǎn)生的吸附力遠(yuǎn)小于磁吸附。磁吸附要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，對壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在漏氣問題且結(jié)構(gòu)簡單。推力吸附是依靠螺旋槳或涵道風(fēng)扇產(chǎn)生合適的推力，使機(jī)器人穩(wěn)定可靠地吸附在壁面上。(2)我國長臂類機(jī)器人化機(jī)械研究概況所謂機(jī)器人化機(jī)器是指在傳統(tǒng)機(jī)械中引入機(jī)器人技術(shù)，使其具有機(jī)器人的功能。這一概念最早是由蔣新松院士提出來的。機(jī)器人化工程機(jī)械是工程機(jī)械的發(fā)展方向，工程機(jī)械的機(jī)器人化研究，不僅方便了工程機(jī)械作業(yè)裝置的設(shè)計(jì)、分析、校核，而且也將成熟的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到工程機(jī)械中，對實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的自動化、提升工程機(jī)械技術(shù)水平和產(chǎn)品檔次以及對擴(kuò)展機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域無疑也具有十分重要的意義21-22。國外在工程機(jī)械機(jī)器人化方面開展了大量的研究和開發(fā)工作。如瀝青路面鋪設(shè)全自動施工系統(tǒng)、地下共同溝全自動施工系統(tǒng)、機(jī)器人化建筑機(jī)械等已成為當(dāng)今國際自動化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。1994年日本在清除長崎火山爆發(fā)區(qū)火山土石流采取了無人化施工，施工所用的機(jī)械(挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)和自卸汽車等)都是在幾千米外安全地帶操縱的。歐洲由產(chǎn)、學(xué)、研組成的聯(lián)合研究團(tuán)體在政府資助下，在深入開展單體智能化技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開始了機(jī)群智能化技術(shù)研究和開發(fā)，標(biāo)志著工程機(jī)械智能化的研究又向前邁出了一大步。我國在工程機(jī)械智能化方面的研究還處于起步階段。國家863計(jì)劃先進(jìn)制造與自動化技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)主題重點(diǎn)支持了工程機(jī)械機(jī)群智能化和單機(jī)智能化。對個(gè)別機(jī)種的機(jī)器人化機(jī)器的研究已經(jīng)初步得到實(shí)際應(yīng)用，這些成果極大地提高了我國工程機(jī)械在國內(nèi)的競爭力，有的甚至已經(jīng)走向了國際市場，下面僅就長臂類機(jī)器人化機(jī)械研究作以簡單介紹。噴漿機(jī)器人23-29噴漿支護(hù)是現(xiàn)代建設(shè)施工中廣泛采用的支護(hù)方法，施工中也存在一些待解決的問題，如人工噴漿時(shí)回彈造成的飛沙走石使工人不敢抬頭睜眼，致使無法保持噴槍與受噴面的垂直度和最佳距離。這樣不僅浪費(fèi)材料，而且混凝土結(jié)構(gòu)疏密不一，不能保證噴層的質(zhì)量。另外對大斷面隧道，人工噴漿需要搭腳手架，影響施工進(jìn)度且費(fèi)工費(fèi)料。 圖1-16 大型噴漿機(jī)器人 圖1-17 小型噴漿機(jī)器人Fig 1-16 Large concrete spray robot Fig 1-17 Small-sized concrete spray robot國外從60年代開始采用機(jī)械手噴漿，山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心從1994年開始著手噴漿機(jī)器人的研制。2000年初第一臺大型噴漿機(jī)器人已完成，并在濟(jì)南高速公路的隧道施工、西安至合肥的鐵路隧道施工中開始投入使用，機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)正常。該系列噴射混凝土機(jī)器人（如圖1-16、1-17所示）在同類產(chǎn)品中居國際領(lǐng)先水平。隧道鑿巖機(jī)器人30-34 圖1-18 隧道鑿巖機(jī)器人 Fig 118 Tunnel rock drill robot早期的液壓鑿巖設(shè)備全由人工操作，操作人員熟練程度的差異往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的“超挖”或“欠挖”，對工程的成本和工期都會產(chǎn)生不利影響。為了提高隧道開挖水平，世界上幾乎所有的發(fā)達(dá)國家都推出了隧道鑿巖機(jī)器人。中南工業(yè)大學(xué)于1998年開始了隧道鑿巖機(jī)器人工程樣機(jī)的開發(fā)，現(xiàn)已完成樣機(jī)研制，如圖9所示。該機(jī)器人是雙臂型機(jī)器人，只要操作者在電腦上輸入工作界面面積和炮眼數(shù)目，機(jī)器人便自動設(shè)計(jì)鉆孔的疏密布局，并可以在任何堅(jiān)硬的巖石上打出所需要的炮眼。伐根清理機(jī)器人35-36伐根清理是高效地利用伐區(qū)剩余物和伐區(qū)林地更新造林的關(guān)鍵。為了解決伐根清理中存在著勞動強(qiáng)度大、作業(yè)安全性差、作業(yè)效率低等問題，東北林業(yè)大學(xué)研制了一種智能型伐根清理機(jī)器人，如圖10所示。該機(jī)器人主要由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。其中機(jī)械手安裝在具有行走功能的回轉(zhuǎn)平臺上，由回轉(zhuǎn)盤、大臂、小臂和旋切提拔裝置組成。為 圖1-19 伐根清理機(jī)器人 Fig119 Eliminating roots robot能實(shí)現(xiàn)在各種不同坡度、地形進(jìn)行清理伐根，機(jī)械手具有六個(gè)自由度。旋切提拔裝置由萬能切刀、提拔筒、四爪抓取機(jī)構(gòu)等組成，在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下可以實(shí)現(xiàn)各種俯仰、旋轉(zhuǎn)、抓取動作。該機(jī)器人可在駕駛室內(nèi)利用攝像鏡頭和顯示器組成的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對作業(yè)目標(biāo)進(jìn)行搜索，操作人員在機(jī)器人駕駛室內(nèi)即可進(jìn)行伐根清理作業(yè)。使用智能型伐根機(jī)器人促進(jìn)人工更新造林、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。林木球果采集機(jī)器人37-38圖1-20 林木球果采集機(jī)器人Fig 1-20Forest cone collecting robot目前國內(nèi)外研制了多種球果采集機(jī)，如升降機(jī)、樹干振動機(jī)等，由于這些機(jī)械本身都存在著這樣或那樣韻缺點(diǎn)，所以沒有被廣泛應(yīng)用。目前在林區(qū)仍靠人工上樹手持專用工具來采摘林木球果，這樣不僅工人勞動強(qiáng)度大，作業(yè)安全性差，生產(chǎn)率低，而且對母樹損壞較多。為了解決這個(gè)問題，東北林業(yè)大學(xué)研制出了林木球果采集機(jī)器人，如圖11所示。該機(jī)器人由機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。其中機(jī)械手由回轉(zhuǎn)盤、立柱、大臂、小臂和采集爪組成，整個(gè)機(jī)械手共有5個(gè)自由度。在采集林木球果時(shí)，將機(jī)器人停放在距母樹35 m處，操縱機(jī)械手回轉(zhuǎn)馬達(dá)使機(jī)械手對準(zhǔn)其中一棵母樹，然后單片機(jī)系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度，采集爪張開并擺動，對準(zhǔn)要采集的樹枝，大小臂同時(shí)運(yùn)動，使采集爪沿著樹枝生長方向趨近1-2m，然后采集爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重復(fù)上述動作；連捋數(shù)枝后，將球果倒入拖拉機(jī)后部的集果箱中。采集完一棵樹，再轉(zhuǎn)動機(jī)械手對準(zhǔn)下一棵：試驗(yàn)表明，這種球果采集機(jī)器人采集落葉松果是人工上樹采摘的30-35倍。另外，更換不同齒距的梳齒則可用于各種林木球果的采集。這種機(jī)器人采摘林木球果時(shí)，對母樹破壞較小，采凈率高，對森林生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等方面都有重要的意義。消防機(jī)器人39-40圖1-21 消防機(jī)器人Fig1-21 Fire robot公安部上海消防研究所、上海交通大學(xué)、上海市消防局經(jīng)過3年的研究，聯(lián)合研制出我國第一臺消防機(jī)器人（如圖1-21所示），己通過國家“863”專家組驗(yàn)收。該機(jī)器人可以行走、爬坡、跨障、噴射滅火，可以進(jìn)行火場偵察。此次消防機(jī)器人的研制成功為我國消防部隊(duì)裝備自動化和智能化開辟了一個(gè)新途徑。15本文研究的主要內(nèi)容從目前能夠檢索到的文獻(xiàn)中可以看出，關(guān)于飛機(jī)表面清洗機(jī)器人方面研究的報(bào)導(dǎo)還很少。一是目前國外對此方面的研究也處于起步階段，涉及到知識產(chǎn)權(quán)、技術(shù)封鎖等問題；二是由于研究的條件和環(huán)境所限，從事這項(xiàng)研究的群體還較??；三是這種超冗余機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的求解及控制比較復(fù)雜，技術(shù)實(shí)現(xiàn)存在一定困難。本論文以一種能夠清洗大部分機(jī)型的飛機(jī)表面清洗機(jī)器人為研究對象，采用現(xiàn)代汽車?yán)碚摗C(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多剛體動力學(xué)理論，對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人將進(jìn)行以下幾個(gè)方面研究工作：1、論文系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)、飛機(jī)表面清洗技術(shù)的研究狀況利發(fā)展趨勢，在國內(nèi)首次對機(jī)器人化飛機(jī)表面清洗車及其相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和主要研究問題進(jìn)行了深入分析，為飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的進(jìn)一步研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2、論文對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。主要對機(jī)器人載車、手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)、整機(jī)動力性能及穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。飛機(jī)表面清洗機(jī)器人是飛機(jī)場重要的設(shè)備。而臂架系統(tǒng)是飛機(jī)表面清洗機(jī)器人重要的工作部件之一，要求臂架系統(tǒng)具有較高的整體剛度和強(qiáng)度、良好的工作適應(yīng)性和可靠性。同時(shí)利用SolidWorks軟件對機(jī)器人手臂最危險(xiǎn)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，確保了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。可以說這項(xiàng)研究為機(jī)器人開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。3、本文主要針對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人臂架系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)用軟件對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模、運(yùn)動仿真和結(jié)構(gòu)分析。利用SOLIDWORKS進(jìn)行飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的臂架、轉(zhuǎn)塔、支腿的設(shè)計(jì),建立了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的模型，并進(jìn)行虛擬裝配及運(yùn)動仿真。建立的幾何模型為后續(xù)分析提供模型數(shù)據(jù)。利用SOLIDWORKS建立的幾何模型數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過簡化建立有限元模型，對部分重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及合理性。4、論文對飛機(jī)表面清洗機(jī)器人運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了研究。飛機(jī)表面清洗機(jī)器人屬于多冗余自由度空間機(jī)構(gòu)，這就決定了手臂位姿具有不確定性。運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)是保證機(jī)器人在飛機(jī)表面進(jìn)行平穩(wěn)、有規(guī)律運(yùn)動的關(guān)鍵技術(shù)。本文利用冗余度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)理論推導(dǎo)了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程，計(jì)算了機(jī)器人運(yùn)動方程的正解，推導(dǎo)了機(jī)器人的雅可比矩陣，對清洗機(jī)器人手臂進(jìn)行了速度分析，為該機(jī)器人的工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)理論依據(jù)和基礎(chǔ)。5、本文運(yùn)用了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。并行設(shè)計(jì)提高了整車一次設(shè)計(jì)成功的概率，縮短了從設(shè)計(jì)到整車試制成功的周期，可為企業(yè)贏得市場和利潤。6、對全文進(jìn)行了總結(jié)，并對今后的研究工作進(jìn)行了展望。第二章 飛機(jī)表面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析第二章 飛機(jī)表面清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21引言飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的主要任務(wù)是清除飛機(jī)表面所附著的污染物。機(jī)器人的工作面是飛機(jī)外表面，考慮到不同飛機(jī)表面曲率變化的差別，本章設(shè)計(jì)了以汽車底盤為載車、機(jī)器手作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動式飛機(jī)表面清洗機(jī)器人。在簡單介紹了飛機(jī)表面清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)、動力性能、穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。進(jìn)而對機(jī)器人手臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度的有限元分析，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人手臂的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，為以后深入地研究機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、軌跡規(guī)劃及控制打下基礎(chǔ)。22飛機(jī)表面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成及工作原理飛機(jī)表面清洗機(jī)器人由運(yùn)輸平臺和安裝在其上的機(jī)器手組成，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。運(yùn)輸平臺選用標(biāo)準(zhǔn)汽車底盤，可以自主驅(qū)動：機(jī)器手由機(jī)器人手臂、液壓系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成；機(jī)器人手臂由回轉(zhuǎn)工作臺、第一臂架、第二臂架、第三臂架、第四臂架、第五臂架、清洗滾刷組成，第五臂架前后兩部分由腕關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)。圖2-l飛機(jī)表面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig2-1 The structure of a aircrafts surface cleaning robot該機(jī)器人共有13個(gè)自由度，包括1個(gè)整機(jī)移動自由度、9個(gè)計(jì)算機(jī)程序控制的關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)自由度、2個(gè)由接觸傳感器控制的滾刷位姿誤差自適應(yīng)調(diào)節(jié)自由度、1個(gè)滾刷回轉(zhuǎn)的局部自由度。機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用了具有輸出功率大、精度高及響應(yīng)速度快的液壓伺服驅(qū)動方式，控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)集中控制方式。工作時(shí)，計(jì)算機(jī)按照預(yù)先編好的程序，控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動整個(gè)機(jī)器人可由回轉(zhuǎn)工作臺帶動機(jī)器人繞底座回轉(zhuǎn)，各手臂可以繞各自關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，使機(jī)器人手臂帶動滾刷沿預(yù)定軌跡運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)清洗刷的移動和滾動。機(jī)器人擁有的冗余自由度，保證了機(jī)器人末端的清洗滾刷能到達(dá)機(jī)器人工作區(qū)間的任意點(diǎn)，并能夠自主、靈活的完成各種復(fù)雜軌跡的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了對不同類型飛機(jī)表面的自動清洗工作。2.3 飛機(jī)表面清洗機(jī)器人臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.3.1 臂架折疊方式圖2.2臂架折疊型式臂架系統(tǒng)主要由多節(jié)臂架、連桿、油缸、連接件鉸接而成的可折疊和展開的平面四連桿機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)各節(jié)臂架間轉(zhuǎn)動方向和順序的不同，臂架有多種折疊型式，如：R型、Z型（或M型）、綜合型等。各種折疊方式都有其獨(dú)到之處。R型結(jié)構(gòu)緊湊；Z型臂架在打開和折疊時(shí)動作迅速；綜合型則兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)。具體的結(jié)構(gòu)型式如圖2.2所示。本設(shè)計(jì)采用的折疊方式如圖2.3所示，為Z型，臂架在打開和折疊動作迅速。圖2.3Z型臂架折疊2.3.2臂架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)臂架可簡化為一個(gè)細(xì)長的懸臂梁，其主要載荷為自重。它要求臂架強(qiáng)度大、剛性好、重量輕、因此，臂架的結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)成四塊鋼板圍焊而成的箱型梁，材料選用高強(qiáng)度細(xì)晶粒合金結(jié)構(gòu)鋼。具體型式如圖2.4所示。圖2.4臂架的典型型式2.3.3連桿的結(jié)構(gòu)連桿一般為直桿或弓形的二力桿，也有三角結(jié)構(gòu)的連桿，如圖2.5所示。圖2.5連桿的幾種典型形式2.3.4臂架油缸結(jié)構(gòu)型式各節(jié)臂之間用液壓油缸支撐，油缸為臂架運(yùn)動提供動力，它有壓力有推動活塞前后運(yùn)動，從而驅(qū)動平面四連桿機(jī)構(gòu)中的臂架繞鉸接軸轉(zhuǎn)動。缸體的進(jìn)油口應(yīng)設(shè)有液壓鎖，以防治液壓軟破裂時(shí)發(fā)生臂架墜落事故。具體結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。1端蓋；2閥安裝板；3缸筒；4支撐環(huán)；5密封圈；6活塞；7活塞桿；8端蓋；9壓板；10耳環(huán)圖2.6油缸的結(jié)構(gòu)簡圖2.4泵車轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)塔主要由轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、固定轉(zhuǎn)塔（連接架）和支撐結(jié)構(gòu)等幾部分組成。轉(zhuǎn)塔安裝在汽車底盤中部，行駛時(shí)其載荷壓在汽車底盤上；而工作時(shí)，底盤輪胎離開地面，底盤掛在轉(zhuǎn)塔上。整個(gè)飛機(jī)表面清洗機(jī)器人（包括底盤、臂架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)塔自身）的載荷由轉(zhuǎn)塔的四條支腿傳給地面。臂架系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)塔上，轉(zhuǎn)塔為臂架提高一個(gè)穩(wěn)固的底座，整個(gè)臂架可以在這個(gè)底座上旋轉(zhuǎn)，每節(jié)臂架還能繞各自的軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)塔的四個(gè)支腿直接支承在地面上。2.4.1轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺是由高強(qiáng)度鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)件，作為臂架的基座，它上部用臂架連接套與臂架鉸接，下部用高強(qiáng)度螺栓與回轉(zhuǎn)支承相連，主要承受臂架載荷，同時(shí)可隨臂架一起在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。圖2.7 轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)簡圖2.4.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖2.8 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)集支承、旋轉(zhuǎn)和連接功能于一體，它由高強(qiáng)度螺栓、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)減速機(jī)、主動齒輪和過渡齒輪（按強(qiáng)度取舍）組成。結(jié)構(gòu)如圖2.8所示?；剞D(zhuǎn)減速機(jī)帶動主動齒輪，經(jīng)過渡齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承外圈，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈之間的慢速旋轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)支承的外圈與上部轉(zhuǎn)臺、內(nèi)圈與下部固定轉(zhuǎn)塔用高強(qiáng)度螺栓相連，內(nèi)外圈之間由交叉滾子（或鋼球）連接。因此，它上部連接的臂架、轉(zhuǎn)臺與固定轉(zhuǎn)塔之間即可實(shí)現(xiàn)低速旋轉(zhuǎn)，而臂架、轉(zhuǎn)臺的工作載荷通過回轉(zhuǎn)支承傳給固定轉(zhuǎn)塔。2.4.3 固定轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)固定轉(zhuǎn)塔是由高強(qiáng)度鋼板焊接而成的箱型受力結(jié)構(gòu)件，是臂架、轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的底座?；炷帘密囆旭倳r(shí)主要承受上部的重力，而混凝土泵車泵送時(shí)主要承受整車的重力和臂架的傾翻力矩。同時(shí)高強(qiáng)度鋼板圍焊的空間，又可做液壓油箱或水箱。因此，它既要有足夠的強(qiáng)度和剛性，又要有良好的密封性。如圖2.9所示。圖2.9 固定轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)簡圖2.4.4支承結(jié)構(gòu)支承結(jié)構(gòu)的作用是將整車穩(wěn)定地支承在地面上，直接承受整車的負(fù)載力矩和重量。圖2.10為經(jīng)常使用的后擺伸縮型支腿的支撐結(jié)構(gòu)，由四條支腿，多個(gè)油缸組成。其中四條支腿、前后支腿展開油缸、前支腿伸縮油缸和支撐油缸構(gòu)成大型框架，將臂架的傾翻力矩，臂架系統(tǒng)的反作用力和整車的自重安全的由支腿傳入地面。支腿收攏時(shí)與底盤同寬，展開支撐時(shí)能保證足夠的支撐跨距。工作狀態(tài)下，飛機(jī)表面清洗機(jī)器人在工地上的占地空間和整車的支撐穩(wěn)定性由負(fù)載力矩、結(jié)構(gòu)重量、支撐寬度、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、支撐地面狀況等因素決定。因此，它應(yīng)具有合理的結(jié)構(gòu)形式、足夠的力學(xué)性能和有效的支撐范圍，保證其承載能力和整車的抗傾翻能力，確保泵車工作時(shí)的安全穩(wěn)定性。同時(shí)，應(yīng)將支腿支撐在有足夠剛度的或用其它材料按一定要求墊好的地面上，且整車各個(gè)方向傾斜度不超過，為此，在混凝土泵車左右兩側(cè)各裝有一個(gè)水平儀來辨別傾斜度。圖2.10 支撐結(jié)構(gòu)簡圖第三章 臂架系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)第三章 臂架系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1臂架箱型結(jié)構(gòu)分析為減輕臂架重量，提高臂架強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性是改善臂架性能的主要途徑。可采用高強(qiáng)度材料，合理選擇截面形狀，使臂架自重減小，充分利用材料，正確的設(shè)計(jì)計(jì)算方法往往帶來事半功倍的效果。臂架有多種截面形式，如圖3.1所示，其中矩形截面是由翼緣板和和腹板焊接而成的10。于其它截面相比，矩形截面的制造工藝簡單，具有較好的抗彎能力和抗扭強(qiáng)度。圖（a）的截面型式較好，整個(gè)臂架應(yīng)力流暢，無明顯力流阻滯和應(yīng)力集中，而且重量較輕。圖3.1 臂架箱型結(jié)構(gòu)3.2臂架鋼板及焊接性能3.2.1鋼板性能泵車臂架鋼板采用瑞