一种步态爬杆机器人的运动分析_孙招阳

中图分类号：TP 242.3
文献标志码：A
文章编号：1002－2333（2014）08－0067－02
Motion Analysis of a Gait Climbing Robot SUN Zhaoyang， AN Zhuo， DU Weiming， YIN Jiancheng， ZHAO Ran
腕部转动电机×2 夹持驱动电机×2
（a）步态爬杆机器人示意图 （b）步态爬杆机器人装配示意图 图2
［1］ 濮良贵,陈国定.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2012. ［2］ 陆明炯.实用机械工程材料手册［M］.沈阳：辽宁科学技术出版
社，2004. ［3］ 于慧力.机械设计学习指导［M］.北京：科学出版社，2008. ［4］ 郭洪红.工业机器人技术［M］.2 版.西安：西安电子科技大学出
爬杆动作，而我们的研究方案采用的是交替翻转式步态
攀爬原理。整台机器分为 4 个部分— ——2 个机械手和 2 个 连杆。全新的攀爬方式不仅能够使机器人攀爬不同弧度 的 杆 ，而 且 其 结 构 简 单 ，装 备 容 易 ，操 作 方 便 ，工 作 效 率 高，工作状态稳定，能够使机器人获得快速攀爬以及翻越 障碍物的能力。 2 步态爬杆机器人的总体设计
［3］ 姜亚非，杨亚峰.浅谈汽车车身焊接车间的输送［J］.汽车实用技
术，2010（6）：59-62.
（编辑 黄 获）
不同位置时，改变夹具类型，也可以实现同种车型不同工 件的运转。 4结语
本文介绍的多工位十字滑台，空间结构紧凑，能够合 理有效地利用时间，使效率得到大幅度提高，并且易于实
!!!!!!!!!! 作者简介：杨春旺（１９７８—），男，工程师，主要从事汽车焊接生产线输
送设备的研发设计； 关玉明（１９５７—），男，博士，教授，主要研究方向为机电成 套设备及其关键技术。 收稿日期：2０１４－ ０６－ ０７
机械工程师 2014 年第 8 期 67
学术交流
ACADEMIC COMMUNICATION 理论 ／ 研发 ／ 设计 ／ 制造
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3，电机 3 锁紧装置锁紧夹具 3，电气快插动作。C 工位旋 同零件的运送。在实际生产过程中已得到广泛使用，其中
转轨道旋转，电机 3 带动夹具 3 由 D 工位到 B 工位。B 工 位定位销锁紧夹具 3，电机 3 锁紧装置释放夹具 3，电气 快插动作。
上述实施方式中，电机 2 和夹具 4 并没有参与动作。 夹具 4 是夹持与夹具Leabharlann Baidu3 所夹持工件不同车型所需的工 件，当整条生产线改变所生产的车型时，就不需要更换夹 具，只需要让夹具 4 参与动作，让夹具 3 停止动作，就可 以实现改变生产的车型。并且当十字滑台放在生产线的
机、夹持驱动电机相互配合来实现臂部关节步态翻越，腕部关节俯仰及手指对所爬杆件的夹持完成。实现该运动方式的
结构简单，运动分级协调，工作稳定性高，能够快速攀爬各种弧度的杆体且能够翻越障碍物，适合用于实施对圆柱、类圆
柱塔类建筑、工程设备的安装、检修、拆卸等工作，综合效益高。
关键词：步态；爬杆机器人；电机；运动方式
本项目设计了一种靠步态方式攀爬的机器人，如图 2 所示，这种步态爬杆机器人主要由上夹持手、下夹持手、 上腕部转动关节、下腕部转动关节、臂部转动关节组成。
1
（d）
2 1
（e） 图3
1 （f）
4结语 本文提出的装置及运动方式通过改变传统爬杆机器
人的攀爬方式，可从根本上改善其所存在的种种不足。采 用了交替翻转式步态攀爬原理，整台机器分为 4 个部
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一种步态爬杆机器人的运动分析
孙招阳， 安卓， 杜伟明， 尹建成， 赵冉 （上海电机学院 机械学院，上海 200245）
摘 要：介绍了一种步态机器爬杆运动，此运动是主要由上手臂、下手臂、上手部、下手部、臂部转动电机、腕部转动电
上夹持手
分—— —2 个机械手和 2 个连杆。全新的攀爬方式不仅能够 使机器人攀爬不同弧度的杆，而且其结构简单，装备容
上手臂
易，操作方便，工作效率高，工作状态稳定，能够使机器人 获得快速攀爬以及翻越障碍物的能力。因此本爬杆运动
臂部转动电机
下夹持手
方式及设备具有较高的推广价值和应用前景。
［参考文献］
下手臂
架设电缆等，欲完成这些工作主要由人工和大型设备配 120 之间的相对位置恢复初始状态，完成一步行走，以此
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由 C 工位空载运动到 D 工位。D 工位定位锁紧释放夹具 现自动化。当改变夹具的种类时，能够满足不同车型、不
0引言
合，所以危险系数较高。
目前，机器人已经应用于工业、国防、农业、办公自动 1 现有技术发展
化、医疗卫生、家庭服务及社会服务等各个方面，而工业
市场上已拥有多种设计成型的攀爬机器人，这些机
机器人技术是我国高新前沿重要技术之一，在我国城镇 器人多数采用尺蠖蠕动的形式来实现爬杆动作，如图 1（a）
化建设高速发展的背景下，各种不同尺寸大小的杆状结 至 1（c）所示，首先，前爪 110 固定，第二关节 140 推动后
旋转动作耗时 6 s，使加工动作耗时 45 s，总耗时 51 s，机
器人的利用率达到接近 90%，效果显著。
［参考文献］
［1］ 刘淑艳，李劲，李二铁.白车身焊接夹具的发展动向［J］.汽车工
艺与材料，2010（8）：49-52.
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中的应用［J］.机电一体化，2006（2）：33-34.
（College of Mechanical，Shanghai Dianji Univesity，Shanghai 200245，China）
Abstract： A kind of gait machine’s climbing movement is introduced. This movement is mainly composed of the upper arm，lower arm， upper hand， lower hand， arm rotation motor，wrist rotation motor， clamping and driving motor， and finally finish gait climbing of arm joints， pitching of wrist joints and fingers’grasping by the interaction of these function. The structure of the motion is simple and highly stable, there is no disorder among all movements, furthermore this motion has the capacity of fast climbing different dimension cylinder and can climb over obstacles. This motion is suitable for some work like installation, repairing dismantle on cylindrical or cylindrical tower building and engineering equipment which has a overall efficiency. Key words： gait； climbing robot； motor； motion mode
120 140
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（a）
（b） 图1
（c）
145°（臂部关节的转动需与上腕部关节的转动同时开始 并同时结束）；第四步：下夹持手夹紧所爬杆件；至此一次 迈步（即半个周期行走）完成。第五步：上夹持手松开所爬 杆件；第六步：上腕部关节逆时针转动 90°；第七步：臂部 关节顺时针转动 90°~145°（臂部关节的转动需与所述下 腕部关节的转动同时开始并同时结束）；第八步：上夹持 手夹紧所爬杆件，此时状态与初始状态相同；至此二次迈 步（即一个周期行走）完成。然后，重复第一步～第八步，直
类推，完成攀爬动作。受这种攀爬动作原理的限制，这种 至机器人到达指定位置。
机器人只能够低速攀爬竖直的杆且无法攀爬有一定弧度
1
的杆，此外，仿尺蠖蠕动式攀爬机器人只能在光滑的杆体
1 1
上进行攀爬，无法跨越障碍物，在实际应用中存在不便。
当然，在很多精密仪器领域中，也出现了仿人形的机器
人，但其结构非常复杂，而且它们都集中表现出效率低、
劳动强度大、耗能高、二次污染严重等的问题。现在市场 已有的爬杆设备也大多受到工作条件和能源输送的限 制，大大制约了其在社会上的推广和普及应用。
基于此，我们希望通过改变传统爬杆机器图 1 的攀 爬方式，从根本上来改善其所存在的种种不足。传统的爬
2 （a）
2 （b）
2
2
（c） 2
杆机器人大都采用仿尺蠖蠕动形式或滚轮驱动式来实现
（编辑 明 涛）
!!!!!!!!!! 作者简介：孙招阳（1992—），男，本科生在读，研究方向机械设计制造
及其自动化等。 收稿日期：2０１４－ ０４－ ２７
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构和建筑得到了广泛的应用，诸如电线杆、路灯杆、大桥 爪 120 沿杆 100 向上滑动，同时滑竿 150 在第二关节
斜拉钢索、广告立柱、风力发电杆等，需要攀爬此类杆件 140 的带动下穿过第一关节 130；然后，第一关节 130 推
进行的高空作业有刷油漆，喷涂料，检查、维护电力系统， 动前爪 110 沿杆 100 向上滑动，直至前爪 110 和后爪
该步态爬杆机器人设计以 5 个舵机作为传动与行走 的主要动力，其中夹持驱动电机安装在夹持手的夹持手 架上。 3 步态行走方式
如图 3 所示。第一步：下夹持手松开所爬杆件；第二 步：下腕部转动关节逆时针旋转 90°；第三步：上腕部关节 逆时针转动 180°，与此同时，臂部关节顺时针转动 90°~
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