爬杆机器人论文综述Word文档格式.docx

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论文中,笔者所研究制造的蠕行式仿生爬杆机器人为非智能型机械式爬行器。

论文在比较几类爬行机构的优劣的基础上,确定了机器人本体的大致结构。

在此基础上详细阐述了仿生爬行的原理和机器人模块化设计的理念。

根据路灯杆的尺寸数据，设计并制造出机器人样机。

机器人建模的过程（功能的实现与机械结构的尺寸优化）包括以下几个关键点：

爬杆机器人设计中的功能机构的协调配合、攀爬手臂夹持重合度的选择、攀爬力的变化与结构参数之间的关系、攀爬力零点的渡过等难点的设计方法和设计准则,为此类爬行机器人的设计提供参考、论文中,对机器人展开运动学和动力学仿真分析。

运用AＤAMS对用Soｌｌdｗorks所建机器人模型展开运动模拟仿真分析,测试运动部件的各项运动参数和受力情况并优化所建模型的尺寸参数。

机器人中关键部件如机械手连接臂，对机器人的稳定爬行很重要,运用有限元分析软件ANＳYS对此进行承载受力分析,查看各机械臂的变形挠度。

关键词：

爬杆机器人，变直径杆，攀爬,仿生学

1．1论文研究的目的和意义

目前全国日益加快的现代化建设步伐,除了2008年８月在北京举办的奥运会、201０年将要在上海举办的世博会之外，随着我国国民经济的飞速增长、人民生活水平日益提高，城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等（图1-１）,它们通常5－３0米,有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃钢结构等,由于常年裸露在大气之中,风沙长年累月的积累会形成灰尘层,该污染影响城市的美观,同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏,加快它们的生锈,并缩短它们的使用寿命,需要定期进行壁面维护工作。

图1-1变直径杆城市建筑图

为保持清洁,许多国际性城市如厦门、深圳、香港等地规定,每年至少清洗数次。

目前传统的清洗技术主要分为人工清洗（化学药剂清洗）和高压水枪清洗等方法。

其中人工清洗是由清洁工人搭乘吊篮进行高空作业来完成,工人的工作环境恶劣,具有很大程度上的危险性,工作效率也很低，耗资巨大。

化学药剂中所用的去污剂具有很强的毒副作用会对人造成潜在的危害,并易造成环境的二次污染;

高压水枪清洗耗能比较大、成本高，且对周边环境有很大的影响。

在利用高压水枪进行清洗时，它的周边不能有车辆!

行人通过,且不能有过近的建筑物"

其它高空作业诸如:

各种杆状城市建筑的油漆、喷涂料、检查、维护，电力系统架设电缆!

瓷瓶清洁等工作主要由人工和大型设备来完成,但它们都集中表现出效率低、劳动强度大!

耗能高、二次污染严重等问题。

随着机器人技术的出现和发展以及人们自我安全保护意识的增强,迫切希夕望能用机器人代替人工进行这些高空危险作业,从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。

开发能在施工现场实际运用的立柱爬杆清洗机器人,将是很有意义的,必具有良好的经济效益和社会效益。

爬杆清洗机器人的使用将大大降低高层杆状建筑的清洗成本,改善工人的劳动环境,提高劳动生产率，或将带来清洗业的一次革命。

这种机器人的研制必将具有很大的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。

该课题旨在研发一种新型的、结构简单、经济适用、价格便宜、操作简便的适用于路灯杆等杆状城市设施可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人,用以解决当前城镇中存在的影响市容的公共设施的清洗、维护问题【１】【2】。

该机构要能保证良好的运行效果，低耗能高效率,绿色环保,节省人力物力。

1.２国内外研究现状及存在的主要问题

机器人是人类新世纪的伟大发明之一，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,不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化,而且将对人类的社会生活产生深远的影响【3】。

机器人产业己成为当代应用最广泛、发展迅速的高科技产业之一。

机器人作为高技术领域的一个重要分支,将成为2１世纪各国争夺的经济技术的制高点【４】。

1.2.1机器人的分类

机器人的种类多种多样"

从应用环境出发,将机器人分为两大类:

工业机器人、特种机器人。

或者分为两类：

制造环境下的工业机器人、非制造环境下的服务与仿生机器人。

仿生机器人是未来机器人领域的一个发展方向,按仿生学角度来分可分为:

蝗螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、尺镬式爬行机器人等。

按驱动方式来分可分为：

气动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等。

按行走方式可分为：

轮式【５】、履带式、蠕动式、多足式等。

按工作空间来分可分为:

管道爬行机器人、壁面爬行机器人【6】、球面爬行机器人、陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机!

空间机器人等。

按功能用途来分可分为：

焊弧爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人【7】、提升爬行机器人、医疗机器人、军用机器人、助残机器人、巡线爬行机器人、玩具爬行机器人等。

根据不同的驱动方式和功能等可以设计多种不同结构和用途的爬行机器人,如气动管内检测爬行机器人,电磁吸附多足式爬行机器人、电驱动壁面焊弧爬行机器人等,每一种形式的爬行机器人都有各自的应用特点。

1.2.２研究现状

爬行机器人【8】【9】【10】是机器人大家族中的一员,爬升机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业,区别于平面移动机器人,故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支,从运动方式上来表征的一种机器人,形式是多种多样的。

爬行机器人并不少见,但是通常来说,这类机器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。

更主要的是，平常的机器人,因为体积或行动方式的影响,不能到一些特殊的地方进行工作,比如说管道,壁面等等特种用途的领域。

爬升机器人与一般地面移动机构的最明显不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业。

最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人【1１】【１2】,适于高层建筑、水力发电大坝等垂直壁面【１3】【１4】和大球形表面上的危险作业。

对于管道外壁表面【15】,已有车轮移动形!

姿态可变形、尺镬形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断,且牵引力较小。

国内外的学者很早就对爬行机器人进行研究工作,获得了丰硕的成果。

目前,国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人【1６】【17】【18】【19】等。

电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动,依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬升器沿杆体上升下降【20】。

螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定角度,这样轮子转动时它在杆体上形成的是螺旋轨迹,沿此轨迹通过电动机的正反转该机构便可实现上升和下降运动。

电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。

如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作,且机器人总体机构较复杂。

气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动,其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部汽缸夹紧，上部汽缸松开，提升汽缸活塞杆伸出,上部上升;

上部汽缸夹紧,下部汽缸松开,提升气缸体上升,下部上升。

如此反复,机器人就可以连续爬行。

对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，因此其设备成本较高。

国外有代表性的有东京大学研制的关节型行走机器人,可沿水平或垂直的直杆爬行,能跨越法兰、平行杆【2１】,并可绕T型杆和L型杆爬行。

国内比较典型的有上海交通大学机器人研究所研究开发的一种斜拉桥缆索涂装维护用气动蠕动式爬缆机器人【２２】,见图1-2,可在各种斜度的缆索上爬行,能完成缆索检测、清洗等工作,并具有一定的智能性。

　　　　　　图1-２气动蠕动式爬缆机器人机构简图

机器人由基础模块即爬升机构加装相应的作业模块而成。

爬升机构本体分上体、下体两部分，其间由两只提升气缸和两组导向轴副相联接,可相对移动一个行程距离"

提升气缸上部的活塞杆端头通过浮动接头与上体安装板联接,缸体由中央轴与下体安装板相联。

导向轴承座通过弹性垫安装于下体安装板上。

导向轴随上体安装板沿导向轴承座内的直线轴承移动时，能绕轴线作摆动,使整体机构能沿缆索爬升。

此外还有浙江大学陈俊龙教授设计的气动爬杆机器人【18】,如图1-3所示。

在上部（10）和底部

（1）上，各装有一对套在直杆上的爪子（机器人可在地面上方便地作水平移动,使两爪轻套在杆子上）,每对爪子由固定爪和活动爪组成,固定爪（１3）和（１5）分别固定安装在上部（1０）和底部

（1）上,依靠活动爪的压紧和松开实现对直杆的抱紧和松开。

而活动爪（12）和（1４）的紧松则由各自的气缸实现,如图中的上夹气缸（1１）和下夹气缸（16）。

攀爬运动的动力由升降气缸（6）提供，升降气缸（6）的缸体固定在底部（１）上,而球头活塞杆（7）的球头则安装在上部（10）上。

当上夹气缸（11）松开，下夹气缸（16）夹紧时,升降气缸（6）下腔进气,上腔排气,则活塞和球头活塞杆（7）推动上部（１0）沿着导柱（8）向上移动,到达行程终了位置时,上夹气缸（1１）夹紧，然后下夹气缸（16）松开,即上爪紧,下爪松,与此同时,升降气缸（６）上腔进气,下腔排气,从而使升降气缸的缸体连同安装的底部

（1）一起沿着导柱（８）上升到与上部（１0）相合止，至此，完成了攀升的一个循环。

这样,机器人一步一步往上攀升。

清华大学研发设计的爬杆机器人采用自重式锁紧机构【20】（如图１-4（a）所示）,机器人靠自重压迫钢球使滑块（机械手）锁紧在杆壁上,可以爬行较小范围的变直径杆,但该结构只可单向爬行（从下往上或是从大直径处向小直径处爬行）。

该机构改进后可爬升和返回，如图1-４（b、c）所示,由小气缸推动钢球解锁，便可双向爬行,但需要加上一套气动控制设备。

目前要实现变直径杆的爬行和返回则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决（如图１－2、1-３所示）,其上升和下降由气压控制,设备成本较高。

电动机械式管外爬行机器人,国内比较典型的有陕西科技大学研制的管外爬杆机器人【2３】,如图１-5所示。

管外爬杆机器人抓紧装置,包括立柱（15）以及可固定在立柱上的上箱体（6）和下箱体（１6），上、下箱体（6）、（16）上分别设置有上、下凸轮轴（５）、（10）,上、下凸轮轴（５）、（１0）通过连杆（13）和曲柄（14）将上、下箱体（6）、（16）连为一体,在上箱体（6）内的上凸轮轴（5）上设置有上凸轮（4）,在上凸轮（5）的上下两侧还设置有可与上凸轮（5）保持接触的上爪臂（２）和与立柱（15）相接触的上爪头

（1）,在下箱体（１６）内的下凸轮轴（10）上依次设置有凸轮（１1）、（12）,凸轮（1１）、（1２）的两侧还设置有可同凸轮（11）、（12）保持接触的下爪臂（9）和与立柱（15）相接触的下爪头（８）。

上、下爪臂

（2）、（９）与上、下箱体（6）、（16）之间还设置有弹簧（3）。

上、下箱体（6）、（16）上还设置有与立柱（１５）相接触的导轮（7）。

通过曲柄的转动和连杆平面运动来带动上!

下爪头沿杆壁移动完成上升和下降运动。

1.2.３目前存在的主要问题

由上面叙述及调研可知目前国内外所设计制造的各种电机机械式爬行器均有一个缺陷：

它们大多采用凸轮机构夹紧【26】，由于凸轮机构的不可伸缩性,一个爬行器只能