爬杆机器人文档格式.docx
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1.2国内外发展现状及其存在的问题
1.2.1爬杆机器人的分类
爬杆机器人的种类多种多样。
按仿生学角度来分爬杆机器人可分为：
螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、足蠖式爬行机器人等。
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、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、球面爬行机器人、陆地移动爬行机器人、水下机器人、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、提升爬行机器人、巡线爬行机器人等。
根据不同的驱动方式和功能等可以设计不同结构和用途的爬行机器人，如气动爬行机器人，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。
1.2.2发展现状
爬杆机器人是机器人大家族的一员，爬杆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，故爬杆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。
爬杆机器人并不少见，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帕比机器人，适于高层建筑、水里发电大坝等垂直壁面和大球形表面上的危险作业。
对于管道外壁表面，已有车轮移动形、姿态可变形、尺蠖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杆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由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等等。
电动机械式爬杆机器人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杆机器人沿杆体上升下降。
螺旋运动爬杆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，其向上爬行是气缸动作一个周期的过程为下部气缸夹紧，上部气缸松开，提升气缸活塞杆伸出，上部上升；
上部气缸夹紧，下部气缸松开，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，宾夕法尼亚州大学研制的Rise系列攀爬机器人，德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬杆微机器人。
国内比较典型的有上海交通大学研究所研发的一种斜拉桥缆索涂装维护用气动蠕动式爬缆机器人，国防科技大学设计的摩擦轮式爬杆机器人，吉林大学机械学院基于钢球自锁装置设计的爬杆机器人，浙江大学陈俊龙教授设计的气动爬杆机器人等。
1.2.3目前存在的问题
由上面叙述及调研知目前国内外所设计制造的各种电机机械式爬杆器有一个缺陷：
它们大多只能依靠气动蠕行式爬杆器来解决变直径杆的爬行，其上升和下降由气压控制，还需要气动控制系统，因此其设备成本和维护费用较高。
因此，有必要设计一种利用简单的机械结构来替代繁琐的气动设备实现变直径杆的攀爬，同时在爬行过程中可携带其他清洁能源实现对路灯杆等杆状城市建筑的清洗作业的设备。
1.3仿生机器人概述
生物在经历了千百万年的进化之后，由于遗传和变异的原因，已经形成了从执行、感知、控制方式，一直到信息加工处理、组织方式等诸多方面的优势和长处。
仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于，生物经过了长期的自然选择进化而来，在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等方面具有高度的合理性、科学性和进步性。
而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能型的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力。
“模仿生物的身体结构和功能，从事生物特点工作的仿生机器人，有望代替传统的工业机器人，成为未来机器人领域的发展方向。
”2004年8月在沈阳举行的“2004IEEE机器人学与仿生学国际学术会议”上，与会的机器人学专家这样表示。
日本东京工业大学教授广濑茂男曾获得IEEE颁发的领先成就奖，是世界机器人研究领域的权威科学家。
在他看来，模仿生物活动机能和身体结构的仿生机器人，应当是机器人研究领域未来的发展方向。
他说，很多生物为了生存，在进化过程中具备适应大自然的独特功能，科学界在机器人的发明制造上，就应当借鉴一些生物的独特本领为人类服务。
所以，仿生机器人必将是超出人类一般需求之前探索的一门真正的前沿科学。
仿生机器人是机器人发展的最高阶段，它既是机器人研究的最初目的，也是机器人发展的最终目标之一。
仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。
从仿生学的角度来看，仿生机器人是仿生学技术的完美综合与全面应用。
从本质上来讲，所谓“仿生机器人”就是指利用各种光、机、电、液等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未来的非结构化环境下精确的、灵活的、可靠的、高效的完成各种复杂任务的机器人系统。
按照所模仿的运动机理、感知机理、控制机理及能量代谢和材料组成的不同，划分仿生机器人的主要研究内容如图2-1所示。
其中运动仿生下的划分也可看作基于不同运动机理的仿生机器人分类。
图1-3仿生机器人的主要研究内容及分类
2爬杆机器人方案选择
2.1总体方案分析
欲使机器人在杆上自由地移动，必须具备两种功能：
贴附功能与移动功能。
贴附方式有吸附式和夹持式两种，运动方式有轮式、履带式、腿式及蠕动式四种。
这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格的机器人。
吸附式是通过面接触方式紧贴于壁面上，夹持式是靠点夹紧在杆上。
吸附式又有真空吸附和电磁吸附之分，其中真空吸附式用得比较多，因为它对壁面的要求不十分严格；
电磁吸附承载能力大，有很强的适应能力，但其应用范围窄，需要杆件壁面含有电磁场可吸附的含铁、钴、镍等材料。
各种贴附方式的优缺点和比较如表2-1所示。
表2-1爬杆机器人贴附方案的比较
贴附方式
概要
特点
夹持式
机械手
由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在干提上
能适应任何壁面
吸
附
式
真
空
真
泵
设置许多吸盘，由真空泵装置产生吸附力，使机器人吸附在壁面
可实现小型、轻量化，无需附加供气装置，但要求壁面有一定平滑度
喷
射
器
在本体上安装喷嘴，由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，其周围形成真空，吸附在避免上
能效低、噪音大，且需要供气装置，但可以达到高真空度，对壁面适应性强
电
磁
永磁体
由永磁体产生吸附力，吸在壁面上
吸附时不需外部能量，但只适用于导磁性壁面的吸附
电磁铁
电磁铁通电将其吸附在避免上
吸附时需要电能，也只适用于导磁性壁面的吸附
在设计移动机器人系统时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。
此外，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。
作为杆件爬行机器人，根据现有的技术方案，有很多种移动方式可供选择。
各种移动方案的比较见表2-2所示。
表2-2爬行机器人移动方案的比较
移动方式
优点
缺点
轮式
移动速度快，控制方便，结构简单，转弯容易。
接触面积小，越障能力差，易打滑。
履带式
接触面积大，承载能力大，移动速度快，适应能力强。
履带磨损大，结构复杂，机动性差。
腿式
越障能力强，承载能力大，机动性好，具有很强的壁面适应能力。
结构复杂，间歇移动，速度慢，关节和足数多，控制复杂。
蠕动式
承载能力大，运动平稳，控制简便，适应能力比较强。
运动速度慢，结构复杂。
根据设计本课题所提的要求，及考虑现实生活中的实用性与结构简单的原则，要求承载能力始终，控制方面，接触面积小等设计原则，通过对比各种方案，对于本课题我选择了轮式爬杆机器人的结构形式，这种方案能基本满足我们设定和要求的工作状况。
对于轮式爬杆机器人，它具备以下优点：
结构简单，可操作性强，控制方面，移动速度快，接触面积小，而且易采用电动机驱动的方式，这种驱动方式运动精度高，方便，成本低，驱动效率高。
2.2轮式爬杆机器人
在本方案的设计中，采取轮式爬杆机器人设计，主要以实现机器人沿杆向上做往复运动为主要目标。
往复运动的实现有很多种，常见的机构有：
不完全齿轮齿条双侧停息机构、曲柄连杆机构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等。
在本方案的设计中，我采取的是圆柱齿轮齿条机构，它具有以下特点：
（1）圆柱齿轮齿条机构的结构简单；
（2）依靠摩擦力传递运动；
（3）运动所需机构和驱动器数目少。
而对于它所存在的缺点，像轮式爬杆器易打滑这点，我们可以通过选择与电线杆等杆状物接触的材料如橡胶材料来改善其易打滑的缺点。
3爬杆机器人结构方案设计
3.1爬杆机器人结构设计准则
轮式爬杆机器人的本体结构设计是本论文的关键，在此采用模块化设计方法对机器人本体进行模块化设计，模块化设计方法分为基于结构特征的设计方法和侧重功能分解的设计方法，将根据功能划分方法对爬杆机器人进行设计。
3.1.1模块化设计基础理论
模块化设计是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成，是一种设计方法。
而模块化设计思想却由来已久，其基本思想是以产品（系统）的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的模块，然后通过模块的不同组合，可以得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。
模块化又称模件化，模块化的定义有很多种，但是按其概念有如下的定义：
由若干个具有不同用途（或性能）并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需要的这种方法称之为模块化。
由此可见模块化应具有四个基本含义：
（1）必须具有一定数量的模块；
（2）应用系统组合原理；
（3）最终要获得能基本满足各种不同功能的需要；
（4）模块化的可分性。
进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。
因此，模块合理划分与否将直接影响产品的性能、外观以及模块通用化的程度和成本。
模块化产品，通常按功能将产品划分为若干单元，并使功能单元独立化，这些单元被称为功能模块，然后由功能模块系统实现产品的总功能。
3.1.2爬杆机器人的模块化设计要求
我们按照功能划分的模块化设计方法，将爬杆机器人划分为夹紧模块和传动模块。
模块之间除标准化的机械与电气连接接口外，其设计相互独立。
模块之间在模块化设计中应遵循如下基本原则：
（1）模块应具有自身的独立性；
（2）可用有限数目的模块构成不同组合的产品；
（3）模块的稳定性；
（4）模块的经济型。
模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重新设计或变异设计得到新的产品。
根据此思想，我们可以对爬杆机器人进行各种变形设计，满足不同使用要求和应用环境要求。
轮式爬杆机器人的本体是执行爬行运动的驱动平台和清洗维护设备的搭载平台，因此本体机构是整个系统的重要组合部分。
为使机器人能够安全、方便的完成工作任务，要求本体移动灵活，安全可靠，小巧轻便，本体机构设计的优劣是评价整个系统性能的首要指标。
由于爬行设备的特殊性，所以设计时需要考虑的主要问题有：
（1）从机器人爬杆动作的特殊性及提高运动型和安全性方面考虑，需尽量使爬杆机器人的体积小、重量轻。
（2）从系统的工作性能上考虑，应尽量使爬杆机器人的工作冲击较小，运行平稳，提高工作时的稳定性。
（3）从机器人的作业环境来看，由于在杆上爬行，在结构设计时应该充分考虑空间对结构尺寸的限制，力求机构简单可靠。
（4）由于机器人的体积受限，所以在设计和布置时需要在尽量保证机构功能、强度和性能的条件下，尽量减小零部件的体积。
在布置各部件时，除考虑部件自身占据的空间地位外，还要给予检查、维修及更换部件时所必要的空间。
（5）从系统的成本以及各零部件的加工难度和加工时间考虑，各零件和材料的加工和选取，尽量采用市场上可采购的材料和已有小零部件（如螺栓、弹簧等），减少自行设计和加工的原件，以减少设计难度和提高系统的可靠性，降低机械制造成本。
3.1.3对环境进行分析
面对爬杆器人的设计这个课题，我们首先要做的是把这个课题简化，希望所设计的结构越简单越好，而不是让它复杂起来。
第一，虽然爬杆机器人所处的环境是室外。
但是我们不需要额外考虑诸如灰尘、雨雪、低温以及强烈震动等恶劣环境下机器人的设计问题，即使在以后的实际应用中这些是必须的，所以，在本设计中，将不会有这些功能模块。
第二，对特定环境的分析。
我所设计制作的是爬杆机器人，所以这个杆是非常重要的。
初步的设定是这样的：
（1）杆的直径在20-30mm之间，也就是说本课题设计的机器人是在20-30mm的杆上爬，也许这不是很重要的。
但至少可以在某一种杆上顺利爬行，它的直径可以使25mm或者是市场上现成的在20-30mm之间的杆。
（2）杆并不是竖直摆放的。
它在空间的位置时任意的，所以重力对于机器人来说既不能拿来利用，也不能视而不见，要将它的影响降低至最小。
不过有一点是肯定的，那就是杆在空间是牢固的。
不会来回摆动，也不会倒下。
还有杆是悬空的，只有它的两端是固定在地面或者桌面上的。
（3）杆的表面是什么样的。
这就好比制作移动机器人时的地面情况，基于第一条的设想，整个杆的材质是一样的，它的表面也是一样的，而且是常用的表面情况，至少它不是两种极端，即它不是光滑的，也不是黏糊糊的。
在它的上面也没有钉子、口香糖等障碍。
总之，是比较理想的。
第三，爬杆机器人的功能设定。
丹尼斯·
克拉克和迈克尔·
欧文斯曾说过：
“企图设计出一个多功能的机器人，既在室内又在室外，既是足球机器人，也是清洁机器人，而且还能战斗，那么这肯定是不切实际的，只能是纸上谈兵，根本无法把它制作起来。
”那我的机器人的功能是什么呢？
很简单，爬杆机器人，只要能在杆上爬来爬去，并能实现一定的功能，那么我就是比较成功的。
综上所述，我所制作的机器人是能在室外环境下运动，沿常用杆做运动，爬杆机器人体积不会太大，而且不会脱离杆，同时在移动过程中是靠自身的动力系统提供动力的。
3.2爬杆机器人总体方案设计
3.2.1爬杆机器人摆臂的设计
在本次爬杆机器人摆臂的设计中，爬杆机器人摆臂需要与电线杆的立柱直接接触，原理则是利用摩擦力使得爬杆机器人能够在电线杆等杆类形状的立柱上不至于滑落并且能够向上运动或静止在杆类形状的立柱上。
因此在设计爬杆机器人摆臂之前，我们需要先选择我们所设计的爬杆机器人固定的杆的直径大小，以便我们设计各个部分的尺寸大小。
在这里，根据实际的具体情况和现实生活中存在的杆类立柱来看，我选择的是金属材质圆柱形电杆。
其中一种金属材质圆柱形电杆的具体尺寸是：
直径为25cm，高度为20m。
在本次设计总体方案摆臂部分中，它的简体如下，电动机启动，通过链传动带动链轮和旋转轴旋转，旋转轴的旋转再带动另一个链轮转动，再通过链传动传递到与金属材质圆柱形电杆接触的轮上，轮式机械手这样可实现上、下移动，从而实现我们所要求的运动。
图3-1爬杆机器人摆臂部分简图
在本次爬杆机器人摆臂的设计过程中，在两摆臂之间必须加上一个拉伸弹簧。
此拉伸弹簧的作用：
一是拉伸弹簧对上摆臂提供一个向下的拉力，对下摆臂提供一个向上的拉力，这样上下两轮都有一个对金属材质圆柱形电杆的正压力，产生的摩擦力使得爬杆机器人紧固在杆上；
二是弹簧具有活动性，当圆柱形电杆的直径不为25cm时，整个爬杆机器人可以通过对弹簧的调节使得所设计的爬杆机器人能作用于大部分杆上，使其具备很大的实用性。
在选择传动连接上，参考相关资料，杆与杆连接不推荐铰接，因为此设计项目选用球铰会产生上下径向运动，影响运动的准确性。
为了得到更好的运动准确性，杆与杆连接采用打孔定位轴连接，即满足转动即可。
关于杆的材料的选择，由于此爬杆机器人大多数是在空中完成操作，长期处于高空状态，我们可以选择45号钢，45号钢不仅便宜，常用，应用范围广，而且在退火、淬火和热态下的可塑性好，可热处理强化、在淬火或自然失效状态下使用，点焊焊接性良好。
用作中等强度的零件非常适合。
通过上面对圆柱形立柱的选择，我们知道立柱的直径为250mm，在我们设计的过程中，由于三角形具有稳定性等等一系列优点，我们选择的是在立柱的三个方向都设计一个带轮的摆臂与立柱接触，利用摆臂与立柱之间产生的摩擦力使得爬杆机器人固定在立柱上，甚至能沿着立柱向上运动，因此我们选择的方案是
机器人框架上下边框上沿圆周均匀安装三套主动爬行机构，相互夹角120
等间距布置，构成两个各包含三套主动爬行机构且上下平行的驱动截面，使牵引力分散产生，增强行走时的自定心功能，有利于稳定检测。
首先我们需要选择与圆柱形立柱接触的轮的直径大小、厚度和材料。
考虑到立柱的直径大小为250mm，同时考虑到整个爬杆机器人的总体大小，我们在选择与圆柱形立柱接触的滚轮的直径为75mm，同时取滚轮的厚度大小为32.5mm，在材料的选择方面，考虑到选择的材料在与金属圆柱形立柱接触的时候所需的摩擦力越大越好，因此我们对于滚轮的材料方面的选择为硬质橡胶材料，一是硬质橡胶材料普遍、经济实惠、应用范围广，而且作为橡胶材料它与其它物体接触是的摩擦系数高。
在确定了滚轮的材料、直径和厚度后，我们则需要设计一摆臂，使得电动机能通过摆臂运动传递到滚轮上，使得爬杆机器人能够实现沿立柱的上、下运动。
通过对整体形状的把握，我设计一个直径为10mm，长度为110mm的圆柱形材料穿过滚轮的中心以带动滚轮运动。
在这个长为110mm，直径为10mm的圆柱形材料上，需要在滚轮的一边安装一个链轮，通过链传动使得电动机的力能够通过链传动传递到滚轮上。
不仅如此，在该轴的两边，我们需要设计简单机构使得这个机构不仅与滚轮有所接触，而且能够通过一些零件固定在主框架上。
综合以上考虑，我所设计的摆臂机构大致图形如下所示：
对于构件1，参考相关资料和考虑到杆件的长度与整个构件的尺寸，构件1的具体尺寸如下图所示：
对于构件2，它的具体尺寸如下图所示：
对于构件3，它的具体尺寸如下图：
3.2.2爬杆机器人主框架的设计
在设计爬杆机器人主框架的过程中，应考虑它对负载的方便性、负荷能力和整体架构方面。
设计时应该注意以下问题：
1.刚度
刚度是指机身在外力作用下抵抗变形的能力。
它是用外力和在外力作用方向上的变形量之比来度量的。
变形越小，则刚度越大。
爬杆机器人的主框架的刚度方面是一个突出的问题。
为提高刚度，应注意以下几点：
（1）根据受力情况，合理选择框架形状和轮廓尺寸。
主框架通常需要承受弯曲力和扭转力，应选用抗弯和抗扭刚度较大的截面形状。
（2）提高支承刚度和接触刚度。
机身的变形量不仅与结构刚度有关，而且于支承刚度及支承物和框架的接触刚度有很大关系。
要提高支承刚度，一方面要从支座的结构形状、底板的连接形式等方面考虑；
另一方面，要特别注意提高配合面间的接触刚度，即保证配合表面的加工精度和表面粗糙度。
2.精度
爬杆机器人在主框架的精度也是非常重要。
影响整个爬杆机器人的精度不仅体现在摆臂上，在主框架的设计中也需非常重视，而且就导向装置而言，其导向精度、刚度和耐磨性等对爬杆机器人的精度和其他工作性影响很大，在设计时同样得时刻注意。
3.平稳性
为了提高爬杆机器人工作时的平稳性，应该注意摆臂和主框架的运动部件应力求紧凑、质量轻，减少惯性力。
在上述设计的基础上，再根据所设计的摆臂的尺寸和简单的原则，我所设计的主框架的大致图形如下所示：
其具体尺寸大致如下：
在本次主框架的设计中，每隔一条边变设计一个长方形状小框架，使得主框
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