毕业设计论文和开题报告任务书1郑浩.docx

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毕业设计论文和开题报告任务书1郑浩

毕业设计（论文）任务书

题目：

无线遥控爬杆器的设计

学生姓名郑浩

学院名称机械工程学院

专业机械设计制造及其自动化

学号3008201091

指导教师车建明

职称副教授

一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。

）

爬杆器（或爬杆机器人）多用于替代人工进行高空作业。

本设计课题针对直立电线杆，设计一台既可作沿杆轴线方向的直线动，又可作围绕杆轴线的旋转运动的爬竿机器，用来清洗、喷涂或安装杆上部件。

该爬杆器由人工手动安装在电线杆底部，其操作结构和方法要直观易于理解，且操作简单安装方便。

在结构方面要尽量简便以利于制造和降低制造成本。

爬杆器向上升时，采取干电池和有线电缆方式，爬升到理想高度（≥12m）时，有线电缆可自由脱离爬杆器。

爬杆器应设计有旋转平台能够水平旋转。

爬杆器上升或下降均应平稳、安全，应适应具有一定锥度的电线杆。

二、参考文献

[1]张策.机械原理与机械设计[M].北京：

机械工业出版社，2010

[2]成大先.机械设计手册[M].北京：

化学工业出版社，2003

[3]DennisClark,MocharlOwings.Buildingrobotdrivetrains[M].北京：

科学技术出版社，2004

[4]宗光华.机器人的创意设计与实践[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2004

[5]费仁元，张惠惠.机械人机械设计和分析[M].北京：

北京工业大学出版社，1998

[6]吴宗泽.机械设计禁忌1000例[M].北京：

机械工业出版社，2011

[7]方建军.智能机械人[M].北京：

化学工业出版社，2004

[8]赵松年.机电一体化系统设计[M].北京：

机械工业出版社，2004

[9]黄真.空间机构学[M].北京：

机械工业出版社，1991

[10]徐元昌.机电系统设计[M].北京：

化学工业出版社，2005

三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。

）

1、设计内容

本设计主要进行爬杆器的方案与机械结构设计，包括爬杆器的行走方案与结构设计、水平旋转平台方案与结构设计、动力及传动系统方案与结构设计、便捷安装结构设计等。

2、主要指标与技术参数

爬杆直径10cm≤d≤35cm；爬杆高度h≥15m；爬杆速度v≥15m/s；水平旋转范围：

180°≤旋转角度≤360°；最小负重≥6kg；可以在电线杆上悬停，悬停时间≥5小时；爬杆器成品的直径≤60cm。

3、具体要求

完成不少于2000字开题报告；设计并绘制爬杆器装配图和主要零件图（累计3张零号图）；编写设计说明书20000字以上；翻译外文资料；参考文献15篇以上。

指导教师（签字）

年月日

审题小组组长（签字）

年月日

天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告

课题名称

无线遥控爬杆器

学院名称

机械学院

专业名称

机械设计制造及其自动化

学生姓名

郑浩

指导教师

车建明

（内容包括：

课题的来源及意义，国内外发展状况，本课题的研究目标、研究内容、研究方法、研究手段和进度安排，实验方案的可行性分析和已具备的实验条件以及主要参考文献等。

）

1.课题的来源及意义

目前全国日益加快的现代化建设步伐，并且随着我国国名经济的飞速增长、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，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，但是同时也产生了许许多多的问题，比如由于电杆或线杆常年裸露在大气中，长年累月会形成灰尘层，缩短它们的使用寿命，需要定期进行维护工作。

这是就存在着许多高空作业诸如：

各种杆状城市建筑的油漆、喷涂料、检查、维护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思的增强，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。

因此研制出一套高效可靠的爬杆机器人以替代人工进行高空作业将是很有意义的，必具有良好的经济效益和社会效益。

2.国内外发展状况

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。

2.2国内外爬杆机器人发展现状

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。

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。

（1）气动蠕动式爬杆机器人

上海交通大学机器人研究所研制的气动蠕动式爬杆机器人，如图1所示，可在各种斜度的斜拉桥缆索上爬行，能完成斜拉锁的检测、清洗、喷涂油漆等工作。

图1气动蠕动式爬杆机器人

气动蠕动式爬缆机器人运动中至少保证上下两组夹紧爪中有一组夹紧于缆索上。

爬杆机构向上爬升时,首先下体夹紧爪夹紧于缆索上,上体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆伸出,上体向上运动；然后上体夹紧爪夹紧,下体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆缩回,下体向上运动；重复以上运动，机器人实现不断向上爬行。

改变气缸动作顺序,爬杆机构则可以完成下降功能。

对于气动蠕动式爬缆机器人，其上升和下降运动由气压控制，需要气源和气动控制系统，设备成本较高。

（2）摩擦轮式爬杆机器人

国防科技大学设计的摩擦轮式爬杆机器人如图2所示。

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。

1-缆索；2-主动爬行机构；3-机器人框架

图2摩擦轮式爬杆机器人

此类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。

（3）钢球自锁式爬杆机器人

吉林大学机械学院基于钢球自锁装置设计的爬杆机器人如图3所示。

图3钢球自锁式爬杆机器人构造及爬行步态

该机器人结构简单，主体部分仅为曲柄连杆和钢球自锁装置，曲柄每转一圈机器人整体向上爬行一次，重复状态1至5就可以实现机器人不断向上爬行。

缺点是钢球自锁机构束缚机器人只能向一个方向爬行，影响了实用性。

（4）气动爬杆机器人

浙江大学陈俊龙教授设计的气动爬杆机器人，如图4所示。

图4气动爬杆机器人

其结构是:

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，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地步

（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。

（5）攀爬机器人

国外有代表性的有宾夕法尼亚州大学研制的Rise系列攀爬机器人。

该机器人是一款四足机器人，除了能够在地面上奔跑外，还能够爬树，其脚部位置使用了外科手术针作为材料，这样就可以在垂直物体上进行移动国内比较典型的有吉林大学机械学院研究开发的仿尺蠖步态的爬杆机器人。

该机器人主要由头部、尾部与躯干3部分组成，其中头部和尾部分别为一套单向自锁机构，躯干则为曲柄摇杆机构，作为整个机器人的动力源，通过各个部分的协调配合来完成爬杆机器人的伸缩，进而实现爬杆机器人的爬杆动作。

上海交通大学研发了一种新型的、在垂直外攀爬方面有较大优势的攀爬蛇形机器人。

该机器采用一种具有万向节功能的P—R（pitch-roll）模块，使得该蛇形机器人能够轻松和灵活地附着于攀爬对象外壁。

（6）仿蜘蛛的爬杆微机器人

德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬杆微机器人，这类机器人有4、6、8只

脚三种类型，可在各种类型的管内移动，其运动原理是利用腿推压杆来获得驱动力，多腿可以很方便地在各种形状的杆上移动作业，但其控制较复杂。

3.本课题的研究目标

通过对路灯杆等各种杆状的测量和考察，提出爬杆机器人的设计方案并设

计制造出满足条件的爬杆机器人。

通过对爬杆机器人的结构设计以实现其能在各种杆上多自由度的移动或转动，从而实现爬杆机器人在高空作业的技术性，以代替人类进行高空危险作业，满足人们要求。

4.本课题的研究内容

本课题的研究内容主要是进行爬杆机器人的方案和机械结构设计，其中包括爬杆机器人的行走方案与结构设计、水平旋转方案与结构设计、动力及传动系统方案与结构设计、便捷安装结构设计等。

5.本课题的研究方法和研究手段

根据空间机构学原理设计、机械原理与机械设计、机电系统设计和机器人机械系统设计等原理进行设计分析，完成相关任务。

6.进度安排

2012.02.27—2012.03.09:

阅读相关资料，书写开题报告。

2012.03.10—2012.03.12:

翻译外文资料。

2012.03.13—2012.04.11:

参考相关资料，完成爬杆器主框架和摆臂的零件图。

2012.04.12—2012.05.01:

完成爬杆器旋转轴的零件图，并完成装配图。

2012.05.02—2012.06.01:

进行校核，完善零件图和装配图，完成设计说明书。

2012.06.02—2012.06.08:

整理设计说明书，准备答辩。

7.方案的可行性分析和已具备的条件

爬杆机器人的高效性和安全性使得人们迫切希望其替代人工高空操作带来多方面的好处，就此国内外也已经有了很多相关方面的研究，如上海交通大学设计的气动蠕动式爬杆机器人，国防科技大学设计的摩擦轮式爬杆机器人和宾夕法尼亚州大学研制的Rise系列攀爬机器人等等。

通过大学中对机械原理与机械设计的学习，以及机械制造技术基础和控制工程基础等学科的实习，再者在科研团队老师的指导下，我相信自己能完成此课题。

采取的方案实施路线：

首先对比选择爬杆机器人的类型和其参数的选择，如自由度的选择、驱动方式的选择等；其次进行爬杆机器人主框架的设计，再者进行爬杆机器人摆臂和旋转轴的设计，最后完成其装配图。

8.主要参考文献

[1]费仁元，张惠惠.机械人机械设计和分析[M].北京：

北京工业大学出版社，1998.

[2]方建军.智能机械人[M].北京：

化学工业出版社，2004.

[3]赵松年.机电一体化系统设计[M].北京：

机械工业出版社，2004.

[4]黄真.空间机构学[M].北京：

机械工业出版社，1991.

[5]徐元昌.机电系统设计[M].北京：

化学工业出版社，2005.

[6]DennisClark,MocharlOwings.Buildingrobotdrivetrains[M].北京：

科

学技术出版社，2004.

[7]张海洪，龚振邦.壁面自动清洗机器人清洗工艺分析[J].机电一体化，2001.

[8]蒋新松.机器人学导论[M].辽宁：

辽宁科学技术出版社，1994.

[9]宗光华.机器人的创意设计与实践[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2004.

[10]吴宗泽.机械设计禁忌1000例[M].北京：

机械工业出版社，2011.

[11]朱世强，王宣银.机器人技术及其应用.浙江大学出版社，2001.

[12]赵兴飞，周忆，石崇辉.气驱爬壁机器人设计与计算[J].机床与液压，2003.

[13]杨存智.爬杆机器人的研制[J].机电一体化，2003.

[14]于复生，沈孝芹.一种气动爬杆机器人[P].中国专利，206620088771.1.

[15]ElkmannNeFelschT.ModularClimbingRobotforServiceSectorApplications[J].IndustrialRobot,1991,K26（6）：

460-465.

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

指导教师（签字）

年月日

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

审题小组组长（签字）

年月日

摘要

随着科学的发展和科技的进步，机器人越来越成为人们生活中不可或缺的一部分，而本次毕业设计我们主要研究了机器人家族中的爬杆机器人，希望能创造出一种既简单又实用的爬杆机器人以满足人们相应的需要。

本论文首先主要介绍了爬杆机器人的相关背景、目前国内外某些爬杆机器人的发展状况和相应存在的一些问题，其次对爬杆机器人方案的选择进行了相应的比较和分析，之后进入机器人的实体设计阶段。

其次，论文的重点主要是对爬杆机器人进行相应的设计，其中包括爬杆机器人摆臂的设计，主框架的设计和旋转轴的设计等等，同时对驱动方案的选择也做了相应的分析和比较。

最后，对本次设计进行了总结和展望。

关键词：

爬杆机器人；设计；驱动方案

ABSTRACT

Withthedevelopmentofscienceandtechnologyadvances,therobothasincreasinglybecomeanintegralpartofpeople’slives,inthisgraduationproject,westudythepoleclimbingrobotintheRobotfamily,hopestocreatebothsimpleandpracticalclimbingpolerobotstomeetthecorrespondingneeds.

Firstly,thispaperintroducesthebackgroundoftheclimbingpolerobotinourowncountryandabroadsomethingoftherobot’sclimbingpolepositionandthecorrespondingnumberofproblems,followedbythechoiceofclimbingpolerobotprogramcomparisonandanalysis,afterenteringtherobot’sphysicaldesignstage.

Secondly,thepaperfocusesmainlyonthecorrespondingdesignoftherobotclimbingpole,includingtherobotarmoftheclimbingpoledesign,thedesignofthemainframeandthedesignoftherotationaxis,anddriveprogramselectionmadethecorrespondinganalysisandcomparison.

Finally,Ihaveasummaryandoutlookonthedesign.

Keywords:

climbingpolerobot;design;drivenprogram

第一章绪论………………………………………………

1.1背景

1.2国内外发展现状及其存在的问题

第一章绪论

1.1背景

“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化”。

这是宋健院士对机器人在上个世纪所取得的成就的精辟概括。

同时机器人技术也是20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。

走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。

所以我们必须走进它，了解它。

近年来，在我国大学，机器人作为机械电子学、计算机技术、人工智能等的典型载体被广泛地用来作为工科本科生的讲授课程之一；在中学，模型机器人则逐渐成为素质教育，技能实践的选题之一，各种机器人比赛正方兴未艾。

进入21世纪，人们也愈来愈亲身感受到机器人深入产业、深入生活、深入社会的坚实步伐。

这些都说明了机器人技术离我们越来越近了。

但大家是否可以给耳熟能详的机器人一个准确的定义呢？

有人认为机器人无所不能，有人认为机器人必须像人。

那么，何为机器人？

虽然很难给机器人下准确的定义，但是通常的理解就是：

机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的环境和作业的需要，它具有至少一项或多项拟人功能，如抓取功能或移动功能，或两者兼而有之，另外还可能程度不等地具有某些环境感知功能（如视觉、力觉、触觉、接近觉等）以及语音功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在要求的环境中代替人进行作业。

如今进入二十一世纪，随着科技的迅速发展，现代化进程的日益加快，机器人的创新与研究越来越成为一个国家科技力量的具体体现，越来越多的机器人已成为各个领域重要的组成部分，因此机器人的发展也日益成熟，为人们的生活提供了更多的方便与快捷。

在世界经济快速发展的前提下，我国国民经济也有着飞速的增长，人民生活水平日益提高，伴随着城市和乡村矗立起无数的高层建筑和无数的高高的杆类，如电线杆、路灯杆等等。

这些杆类长年累月的暴露在空气中，很容易受到腐蚀和污染，不仅影响着城市的美观，而且缩短了它们的寿命，也大大提高的它的危险性，对人们造成诸多不便与危险。

然而，如果人工的对这些杆类进行清洗与保养，由于其条件所致，势必需要清洗工人高空作业完成，这样不仅工作效率低下，耗资巨大，而且安全系数低，很容易造成危险。

如果采取高压水枪清洗，则太浪费人力物力，得不偿失了。

这时，人们通过设想，能不能设计一种机器人，使得它能够代替人类进行对杆类的清洗或进行相关工作，用这些机器人代替人工进行高空危险作业，从而把工人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来，不仅提高的工作效率，同时也保护了工人的生命安全。

因此，我们需要设计一种爬杆机器人，使得它代替工人进行高空作业，改善工人的工作环境，提高工作效率，大大降低高层杆状的清洗成本，或许将带来清洗业的一次创新与革命。

这种机器人的研制必将有很大的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。

本课题旨在设计一种新型的、结构简单、经济适用、价格便宜、操作简便的使用与路灯杆等杆类的可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人，以解决当前城镇中存在的杆状清洗等问题。

该机构要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