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毕业设计论文爬杆机器人的机械结构设计
毕业设计（论文）--爬杆机器人的机械结构设计
爬杆机器人的机械结构设计
摘要
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，设计机器人的三维模型。
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。
关键词：
爬杆机器人变直径杆仿生学
MechanicalStructuredesignofPole-Climbing-Robot
Abstract
Inthepaper，thewormlikeimitatedpole-climbingrobotwhattheauthordesignedandmanufacturedisnon-intelligencemechanicalcrawler.Basedoncomparedthemeritsanddemeritsofseveralkindofcrawlingmechanism，confirmedthegeneralstructureofrobotbody.Basedonabove-mentioned，expatiatedtheprincipleofbioniccrawlingandthetheoryofmodulardesigningonrobotindetail.Basedonthedimensiondataofpoles，wehavedesignedandmanufacturedthemodelofrobot.Thedesignmethodsanddesignguidelinesduringthecourseofrobotmodelingachievethemovementandoptimumstructuraldesignfollowingseveralkeypoints：
Functionalcoordinationbetweenagencies，choiceofclimbingarmgrippingcoincidence，changesofclimbingforcetherelationshipbetweenthestructuralparameters，choiceofzeropointofclimbingforceanditstransitioninpole-climbingrobotdesigning.Providesreferencesforthkindofcrawlingrobot’sdesigning.
KeyWords：
pole-climbingrobot，variable-diameterpole，bionics
1绪论1
1.1论文研究的目的和意义1
1.2国内外研究现状及存在的主要问题2
机器人的分类3
研究现状4
目前存在的主要问题8
1.3研究主要内容和研究对象9
1.4本章小结9
2爬杆机器人仿生的设计理论研究10
2.1仿生机器人概述10
2.2总体方案分析11
2.3蠕动式仿生爬行方案研究14
2.4本章小结15
3机器人爬行部分的结构方案16
3.1爬行机器人本体结构设计准则16
模块化设计基础理论16
3.2机器人结构原理方案分析18
夹紧机构方案研究18
传动机构方案分析20
动力系统方案研究23
机器人结构原理及爬行动作原理24
3.3变直径杆爬行问题的解决26
3.4安全稳定的工作保障27
夹紧力的保证―弹簧的设计方法研究27
3.4机器人的结构设计27
电机的选型及参数选择28
机器人本体的空间结构设计30
抓紧机构尺寸参数的确定33
传动机构尺寸参数的确定37
上、下凸轮的配合研究41
3.5弹簧的设计与校核42
3.6本章小结45
结语46
致谢47
参考文献48
1绪论
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、还有2010年在上海举办的世博会，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、广告牌立柱等如图1.1，它们通常5-30m，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
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，必须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。
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根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。
机器人产业己成当代应用最广泛、发展迅速的高科技产业之一。
机器人作为高技术领域的重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术的制高点。
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螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、尺蠖式爬行机器人等。
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、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。
研究现状
爬行机器人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，适于高层建筑、水力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，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，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。
气动蠕动式缆索喷涂机器人由机械本体、气动系统和控制系统组成。
气动系统和控制系统配合完成机器人的移动、夹紧和喷涂作业。
机械本体是本系统的核心部分如图1.2所示,它包括上体、下体、移动机构和喷涂机构。
上体和下体都由变刚度弹性导向机构、
平行式自动对中夹紧机构及支撑板组成,其中平行式自动对中夹紧机构设计巧妙,结构简单如图1.3所示。
机器人运动时,移动机构配合上、下体夹紧气缸的不同动作组合,可以实现机器人蠕动式间歇上升或下降。
机器人在下降过程中,由喷涂机构来完成缆索防腐喷涂任务。
针对机器人运动过程中间歇运动特点,设计一种能够使喷涂厚度均匀一致的喷涂机构是本文重点,关键问题是得出喷涂机构实现连续喷涂的条件。
图1.2气动蠕动式缆索喷涂机器人机械结构简图
图1.3夹紧机构示意图
清华大学研发设计的爬杆机器人采用自重式锁紧机构如图1.5a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1.5b、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1.3、1.4所示，其上升和下降由气压控制，设备成本较高。
图1.5钢球自锁类爬杆机器人
哈尔滨工程大学研发的沿桅杆或绳索爬行的机器人，采用曲柄连杆机构作为传动机构，机器人是由两个形状相似的圆形套筒内嵌有一对活动V型卡爪、一对槽型凸轮、铰链、压力传感器、连杆、镶嵌在顶部滑块四周的检测仪、电机等零部件构成，其运动机构如图1.7所示。
图1.7爬缆机器人机构简图
在曲柄与连杆的两端分别铰接上两个滑块即作为自锁套作为机器人末端执行装置，使两个滑块分别作为机架交替上升，从而实现机器人沿桅杆爬行；其中上滑块与曲柄相连，相应的连杆接下滑块。
当机构具有向下运动的趋势时，下自锁套因受到自锁机构的限制而固定不动，把其受到的向下的力转化为向上反作用力，推动机构向上运动。
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，由于凸轮机构的不可伸缩性，一个爬行器只能爬行特定直径的等直径的杆件。
目前要实现变直径杆的爬行则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，其上升和下降由气压控制，还需要气源和气动控制系统，因此其设备成本和维护费用较高。
综合文献显示，目前国内外尚没有在此类爬行机构方面的深入研究。
鉴于绿色和环保的主题，因此，有必要研发和制造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它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，这正是本课题所要解决的。
1.3研究主要内容和研究对象
在阅读国内外有关爬杆机器人的文献后，总结出适合爬杆机器人的执行机构。
通过对路灯杆等杆状城市建筑的测量和现场考察，提出爬杆机器人的设计方案并设计出满足条件的立柱清洗机器人。
在该课题的研究过程中，提出一些此类机构的设计理念和设计思想，可供其他设计人员参考。
①建立爬杆机器人的动力学模型；
②展开爬杆机器人的动力学研究；
③提出此类爬行机器人的设计方法和设计准则。
拟解决的关键问题：
功能的实现与机械结构的优化。
研究对象：
变直径杆爬行机器人。
1.4本章小结
本章节首先从市场需求和环境保护的角度出发，引出了爬杆机器人的概念。
通过大量的事例案例，说明爬杆机器人所具备的非人力可以取代的功能。
从而催生出人们对研制出一套完整的、可靠的爬杆机器人的强烈愿望，证明了爬杆机器人在中国现代化建设中的重大作用。
然后列举大量国内有关爬杆机器人的设计案例，阐述其原理，分析利弊。
最后在以上阅读大量文献的基础上，说明本课题的研究方法和研究内容。
2爬杆机器人仿生的设计理论研究
2.1仿生机器人概述
生物在经过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、自主学习等多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确度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能性的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力。
人爬树时，两脚夹紧树杆，两腿一蹬，两手抱住树杆上移，然后两手抱紧树杆，收腿提脚上移，一步一步向上爬行。
人爬树姿势如图2.1所示。
图2.1爬树姿势
“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知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。
2.2总体方案分析
欲使机器人在壁面上自由地移动，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。
吸附方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、钻、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爬行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是机械手夹紧在杆体上能适应任何壁面吸附式真空吸附真空泵设置许多吸盘，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，其周周围形成真空，吸附在壁面上上能效低、噪音大，且需要供供气装置，但可以达到高真空空度，对壁面适应性强强电磁吸附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壁面上吸附时需要电能，也只适用用上上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，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。
要求所要设计的这种爬行机器人，它的工作对象为各种型号的城市杆状建筑，要求承载能力大、接触面积小、速度适中，适应能力强，能越障碍物。
通过比较各种方案，我设计了一种尺蠖式蠕动爬行结构形式，这是一种新颖的变直径杆仿生爬行机构设计方案，该方案能基本满足我们设定的工作状况。
在爬行机器人结构中用尺蠖蠕动式爬行具有很多优点，可实现在运动方向上任意长的距离提升重物，较同功能的其它机构，能获得更大的锁紧力，从而可传送较重的物体，结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，还可以根据使用要求，作各种变形设计，具有较高的技术经济效果。
2.3蠕动式仿生爬行方案研究
既然是仿生尺蠖式蠕动，那么在本机器人的设计中，将以实现机器人躯干的伸缩为往复运动的主要动作为目标。
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。
由上可知，尺蠖运动具有以下特点：
①尺蠖运动体的结构简单；
②运动所需的驱动器数目少；
③依靠摩擦力传递运动；
④尺蠖运动是一种周期性动作。
如果把尺蠖运动在一个动作周期内的蠕动分开，可分为四步：
①上部松开，躯干静止最长，下部夹紧；
②躯干缩短，上部夹紧，下部夹紧；
③下部松开，上部夹紧，躯干缩短最短；
④下部夹紧，躯干静止，上部夹紧；
①上部松开，躯干伸长最长，下部夹紧。
经过上述四步，在一个动作周期中尺蠖向上爬一步。
上述的几种往复运动机构各有自己的优缺点，其中曲柄连杆机构可以很好的协调好机器人的整体工作。
综上所述，当我们选取曲柄连杆机构作为往复运动的实现机构时，该机器人的爬行动作原理示意如图2.3所示。
图2.3机器人爬行动作原理示意图
该机器人是模仿人的爬树动作而设计的。
爬树时，两脚夹紧树杆，两腿一蹬，两手抱住树杆,人向上移，然后两手抱紧树杆，收腿提脚上移，一步步向上爬行。
在机器人的设计中，人的手臂和腿演化成机器人的上下机械臂，手和脚演化成上下机械手。
曲柄连杆机构作为收缩的往复运动机构，凸轮机构下并联盘形凸轮、上移动凸轮作为上下机械手的协调连接部件。
本章小结
本章从仿生机器人的角度出发，介绍了仿生机器人对机器人研究的巨大贡献。
从而确定，本课题的爬杆机器人的攀爬动作是模仿人或者动物的爬树动作。
机器人在壁面上自由地移动，必须具备两种功能：
贴附功能与移动功能。
通过比较各种贴附方案和移动方案确定本课题的贴附及移动方式。
3机器人爬行部分的结构方案
尺蠖式爬杆机器人的主要用途是作为杆上传送的载体，本体结构设计是爬行机器人的核心部分，要求承受一定的负载并能保持稳定的爬行动作。
因此首要的目标是使机器人能够在较长的爬行距离内安全可靠的爬行，在此基础上，进一步的使机器人移动灵活，结构简单，操作方便，满足一定的技术性、经济性要求。
3.1爬行机器人本体结构设计准则
尺蠖式爬行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行机器人进行设计。
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的，是一种设计方法。
而模块化设计思想却由来己久，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。
爬行机器人的模块化设
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