利用电动机爬杆机器人
带电作业爬杆机器人的设计与研究
带电作业爬杆机器人的设计与研究发布时间：2023-07-10T07:57:01.331Z 来源：《科技潮》2023年12期作者：周迪[导读] 在电力线路的检修过程中，需要将杆塔进行停电，并对杆塔进行检修和维护工作。
国网瑞嘉（天津）智能机器人有限公司 300450摘要：介绍了一种带电作业爬杆机器人，并对其运动控制系统和安全保护系统进行了分析研究。
采用多模块并联组合方式设计了爬杆机器人的运动控制系统，该系统可以实现对爬杆机器人的精确控制和安全保护。
对所设计的爬杆机器人进行了物理样机试验，试验结果表明，该爬杆机器人可以在多种不同材质的悬臂式结构上运动，并能够实现悬臂式结构的上下升降、平移和旋转功能。
研究结果表明，所设计的爬杆机器人可以在悬臂式结构上实现各种功能，能够很好地完成带电作业工作；研究结果对电力线路检修工作具有重要的应用价值。
关键词：带电作业；机器人；设计引言在电力线路的检修过程中，需要将杆塔进行停电，并对杆塔进行检修和维护工作。
带电作业是指在不停电的情况下，利用绝缘工具、绝缘物品或其他绝缘工具对线路上的杆塔进行检修和维护，以保证电网运行的安全。
目前国内带电作业发展较为缓慢，在国内一些城市和地区已经出现了带电作业机器人。
其中一些机器人具有控制灵活、适应性强等特点，但也存在体积较大、重量较重等不足；另外一些机器人虽然可以实现自动化操作，但在空间狭小的环境下无法有效地完成工作任务。
因此，研制一种能在恶劣环境下工作、能够在空间狭小的环境中工作的带电作业爬杆机器人显得尤为重要。
本文主要研究了一种能够在悬臂式结构上实现各种功能的带电作业爬杆机器人。
该爬杆机器人主要由运动控制系统和安全保护系统两部分组成。
在运动控制系统方面，采用模块化组合方式设计了爬杆机器人的运动控制系统，该运动控制系统包括运动控制器、传感器采集单元和数据处理单元三个部分。
其中，运动控制器主要完成对机器人运动方向的控制；传感器采集单元负责检测爬杆机器人当前位置以及姿态数据；数据处理单元主要完成对采集到的数据进行分析处理，并将结果反馈给运动控制器；数据处理单元主要完成对机器人当前位置和姿态数据的分析处理。
爬杆机器人
爬杆机器人
一．设计背景
现在大多数高压电线杆是不容易检测器损坏程度的。
于是我们设计了一种爬行机器人，可以沿电力电线自主行走、跨越障碍，装上携带的传感仪器可以对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测。
二．方案构思
爬杆机器人这要分为两个动作，一是加紧，二是向上的爬升或下降。
我们通过两个手臂来抓紧杆件再通过手臂上的电机来实现机器人的爬升和下降。
三．整体的结构
1.总装图
爬行机器人分为两个部分，分别为上下手臂和中间的上升机构
2.机械的手臂
我们设计的机械手臂采用的是曲柄滑块机构，通过电机带动齿轮转动，齿轮和滑块之间用丝杠螺母连接从而使滑块运动，当滑块向上移动时，杆子将向内移动，最终实现两个手臂的夹持。
松开时，齿轮反转，滑块向下移动，杆子向外，实现松开。
3.上升装置
上升的装置，我们还是采用了丝杠螺母机构，丝杠用电机通过齿轮带动，正转时，上手臂上升，反转时下手臂上升。
下降时，就反之。
4.运动流程
5.运动过程的各个阶段
1、上手臂A和下手臂B位置离的较近
2.下手臂B夹紧不动，丝杠转动使A上升
3、上手臂A夹紧，丝杠反转使下手臂B上升
这样就实现了向上爬行。
四、电机选择
我们的爬杆机器人一共有3个电机，分别是控制手臂的两个和上升或下降部分的电机，由于每个电机都需要正反转，且运动要能控制，所以，控制部分我们选用了单片机来控制。
由于我们的爬杆机器人是全封闭的，电机控制方面的用电问题是个麻烦，经过讨论，我们决定用干电池来提供电。
五．渲染图。
爬杆机器人的自锁原理
爬杆机器人的自锁原理爬杆机器人的自锁原理指的是在停止电机运动时，能够使机器人保持固定位置而不下滑的一种机械装置或设计。
这种自锁原理的主要目的是为了满足爬杆机器人在工作中的稳定性和安全性需求。
一般而言，爬杆机器人的自锁原理可分为几个方面来进行解析和说明。
首先，爬杆机器人的自锁原理可以通过惰性锁实现。
所谓惰性锁，指的是利用杆件与锁爪之间的斜面作用，通过自锁机构使得机械系统在停止电机驱动时，仍然能够保持固定的位置。
其原理是在斜面上施加的力可以将锁爪向内部移动，从而实现松开锁爪的目的。
当杆件停止运动时，惰性锁会自动锁住杆件，使得爬杆机器人能够稳定停留在一定的位置上。
其次，爬杆机器人的自锁原理还可以通过齿轮自锁机构来实现。
齿轮自锁机构是利用斜面型轮齿的作用实现自锁的一种机械装置。
当电机停止转动时，齿轮会自动进入自锁状态，从而避免杆件下滑。
齿轮自锁机构通常由锁爪、轮齿、推力弹簧等组成。
推力弹簧的作用是将锁爪与轮齿紧密连接，当齿轮转动时，锁爪会向外移动。
而当电机停止转动时，推力弹簧的作用会使得锁爪自动卡在轮齿上，从而实现自锁的效果。
另外，爬杆机器人的自锁原理还可以通过离合器自锁机构来实现。
离合器自锁机构是将电机和爬杆机构连接起来的装置。
当电机停止转动时，离合器会自动进入自锁状态，从而在不需要额外电源的情况下锁定杆件。
这种自锁原理的优点是结构简单，操作方便。
离合器自锁机构通常由离合器齿圈、离合器凸轮、扭簧等组成。
当电机停止转动时，扭簧的作用会使得离合器凸轮自动锁定住离合器齿圈，从而实现自锁的效果。
总之，爬杆机器人的自锁原理是通过各种机构和装置实现的，其中包括惰性锁、齿轮自锁机构和离合器自锁机构等。
这些自锁原理的设计和应用可以使爬杆机器人在停止电机驱动时，保持固定位置而不下滑，提高机器人的工作稳定性和安全性。
这些自锁原理的应用也是爬杆机器人能够顺利完成各种高空作业任务的关键因素之一。
新型攀爬机器人的设计与应用
新型攀爬机器人的设计与应用近年来，随着科技的不断发展，各种智能机器人已经成为了人们生活和工作中不可或缺的一部分。
其中，攀爬机器人便是正在崭露头角的一种新型机器人。
攀爬机器人是一种可以自主进行垂直或倾斜表面攀爬的机器人，具有很强的复杂环境适应性，可以应用于许多领域。
在本文中，我们将介绍新型攀爬机器人的设计与应用。
一、攀爬机器人的设计在攀爬机器人的设计中，最重要的是要考虑到机器人的足部结构和运动方式。
攀爬机器人的足部结构需要具备一定的柔韧性和力量，同时还需要考虑到可能遇到的复杂环境。
常见的攀爬机器人足部结构包括采用仿生学原理设计的足部，以及采用吸盘、磁钢等高粘附力器件设计的足部。
在攀爬机器人的运动方式设计上，可以采用蜘蛛式爬行、蛇形运动、吸盘式爬升等方式。
其中，蜘蛛式爬行和蛇形运动都是仿生学原理的应用，可以实现用足部粘附在高度不规则表面上进行运动。
而吸盘式爬升则可以通过吸附器件实现对墙壁等表面的粘附，从而实现攀爬。
除了足部结构和运动方式的设计，机器人体积、重量、智能程度和控制系统的设计也都是攀爬机器人设计中需要考虑到的因素。
在体积和重量方面，要根据具体的应用场景来进行设计。
智能程度方面，可以根据不同任务需求安装激光雷达、摄像头、压力传感器等多种感知设备，从而提升机器人的自主导航和避障能力。
控制系统方面，可以采用远程无人操作或进行集中控制。
二、攀爬机器人的应用攀爬机器人的应用非常广泛，以下介绍几种常见的应用场景：1. 建筑洗窗。
传统的高层建筑洗窗需要人工完成，具有很大的安全风险。
而使用攀爬机器人进行高层建筑洗窗，可以有效降低安全风险，提高工作效率。
2. 建筑物外部检修。
高层建筑物外部检修需要专业设备和技能，攀爬机器人可以在高处进行检修和维护，同时可以节省人力，提高工作安全性。
3. 能源设备检修。
太阳能电池板、风力发电机等能源设备一旦损坏需要人员进行检修和维护。
而攀爬机器人可以替代人员进行检修和维护，降低作业风险，提高作业效率。
电力铁塔攀爬机器人
电力铁塔攀爬机器人哎呀，说起电力铁塔攀爬机器人，这可真是个有趣又厉害的玩意儿！我记得有一次，我去郊外游玩。
那天阳光特别好，微风轻轻吹着，让人心情格外舒畅。
我走着走着，就看到了远处的电力铁塔。
那铁塔高耸入云，特别壮观。
就在这时，我心里突然就想到了电力铁塔攀爬机器人。
你想啊，电力工人要爬到那么高的铁塔上去检修线路，多危险多辛苦啊。
要是有了这攀爬机器人，那可就不一样了。
这机器人得有灵活的手脚，就像猴子一样，能稳稳地抓住铁塔上的那些架子。
它的身体还得小巧轻便，不能给铁塔增加太多负担。
而且它得有一双“火眼金睛”，能够快速准确地发现铁塔上的各种问题。
比如说线路有没有磨损啊，零件有没有松动啊。
它发现问题后，还得能及时通知工作人员。
这机器人的身上还可以装一些小工具，像扳手、螺丝刀啥的，遇到小问题自己就能动手解决。
这机器人的动力也很重要。
太阳能？风能？或者是电池？不管是哪种，都得保证它能有足够的能量在铁塔上爬上爬下。
它还得聪明，能根据铁塔的结构和线路的布局，规划出最佳的攀爬路线。
遇到恶劣天气，比如说刮大风下大雨，它得知道赶紧停下来，找个安全的地方躲一躲。
我想象中的这个电力铁塔攀爬机器人，还得能和地面的控制中心保持良好的通讯。
这样工作人员就能实时了解它的工作情况，给它下达新的指令。
要是它在攀爬过程中不小心“迷路”了或者遇到解决不了的难题，也能及时求助。
对了，它的外表也不能太丑，最好设计得有点可爱，这样大家看到它工作的时候，心情也会好一些。
也许可以给它涂上一些醒目的颜色，像橙色或者黄色，这样在阳光下一眼就能看到它。
要是真有了这么厉害的电力铁塔攀爬机器人，电力工人的工作就能轻松不少，我们的用电也能更有保障啦。
说不定以后我们在路边看到电力铁塔，就能看到这些小家伙们在上面忙碌的身影呢！。
利用电动机爬杆机器人
,.电动机设计攀爬器设计说明书设计题目：爬杆机器人学院：电信学院班级：自动化0801设计者：200820314102胥文举指导老师：杨柱中目录1.设计题目……………………………………………１1.1设计目的………………………………………………１1.2设计题目简介…………………………………………１1.3设计条件及设计要求…………………………………１2.运动方案设计……………………………………２2.1机械预期的功能要求…………………………………２2.2功能原理设计…………………………………………２2.3运动规律设计…………………………………………３2.3.1工艺动作分解……………………………………………３2.3.2运动方案选择……………………………………………５2.3.3执行机构形式设计………………………………………６2.3.4运动和动力分析…………………………………………７2.3.5执行系统运动简图………………………………………８3.计算内容……………………………………………８4.应用前景 (10)5.个人小结 (11)6.参考资料 (12)附录 (13)１.设计题目１.１设计目的机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。
机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。
为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。
１.２设计题目简介我们此次做的课程设计名为爬杆机器人。
该机器人模仿虫蠕动的形式向上爬行，其爬行运用简单的曲柄滑块机构。
其中电机与曲柄固接，驱动装置运动。
曲柄与连杆铰接，其另一端分别铰接一自锁套（即上下两个自锁套），它们是实现上爬的关键结构。
爬杆作业机器人设计
摘要在市政工程中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。
对于较粗的杆件，人 工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯 杆等，人工攀爬较为困难。
因此本文设计了一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上 爬行，对人工攀爬较难的作业具有较大的现实意义。
本文设计的爬杆机器人由曲柄滑块机构、并联盘形凸轮机构、移动凸轮机构以及 上下机械手爪等组成，通过弹簧的预紧力来实现机器人手爪对杆的抱紧，通过曲柄滑 块机构、凸轮机构等实现攀爬动作，同时机器人只需一个驱动源就能带动整个机器人 的运动，能攀爬变直径的杆，工作简单可靠，运动灵活，可以广泛应用于各种高空作 业。
关键字：爬杆机器人，变直径杆，夹紧，攀爬ABSTRACTIn the municipal engineering, there are a large number of installation and repair work needed to climb rod operation, For the coarse bar,artificial climbing and vehicle operation is convenient, artificial climbing is difficultfor for some small diameter low strength member such as a road lamp pole,so this paper designs a pole climbing robot,which can crawl on no obstacle bar,it has great practical significance for artificial climbingThe pole climbing robot consist of songCrank slider mechanism, parallel plate cam mechanism.moving cam mechanism, the robot tight the wallHold by the spring pretightening force.so as to realize Climbing action. at the same time the robot can drive by a robot motion and at the same time all devices were designed perfectl. In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of highaltitude operation.Key words：poleclimbing robot， variablediameter pole sepal， poleclimbing1 绪论11.1研究目的11.2国内外研究现状11.3研究内容31.4设计要求42 爬杆作业机器人总体方案设计52.1机械方案设计52.2电气控制系统设计 72.3小结 83 机械系统设计 93.1减速机构设计93.2曲柄滑块机构设计 173.3凸轮机构的设计233.4机械手爪设计243.5电动机选择 264 电气控制284.1系统论述284.2直流电机单元电路设计与分析294.3直流电机PWM控制系统的实现365 结论与展望 43 参考文献44 致谢451.1 研究目的目前全国日益加快的现代化建设步伐随着我国经济的快速增长、人民生活水平日 益不断提高， 城镇中随之矗立起无数的高层建筑， 各类集实用性 与美观性一体的市政、 商业工程诸如电灯杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等，它们的直径通常在5— 30米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等，由于常年裸露在 大气之中，风沙长年累月的积累会因此而形成灰尘层，酸类物质污染从而影响城市的 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 快它们的生锈过程，并缩短它们的使用寿命，因此需要定期进行壁面维护工作 。
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Mechanical Structure design of Pole-Climbing-RobotAbstractIn the paper，the wormlike imitated pole-climbing robot what the author designed and manufactured is non-intelligence mechanical crawler. Based on compared the merits and demerits of several kind of crawling mechanism，confirmed the general structure of robot body. Based on above-mentioned，expatiated the principle of bionic crawling and the theory of modular designing on robot in detail. Based on the dimension data of poles，we have designed and manufactured the model of robot. The design methods and design guidelines during the course of robot modelingachieve the movement and optimum structural design following several key points： Functional coordination between agencies，choice of climbing arm gripping coincidence，changes of climbing force the relationship between the structural parameters，choice of zero point of climbing force and its transition in pole-climbing robot designing. Provides references forth kind of crawling robot’s designing.Key Words ： pole-climbing robot，variable-diameter pole，bionics 目录1 绪论 11.1 论文研究的目的和意义 11.2 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81.3 研究主要内容和研究对象91.4 本章小结92 爬杆机器人仿生的设计理论研究102.1 仿生机器人概述102.2 总体方案分析112.3 蠕动式仿生爬行方案研究142.4 本章小结153 机器人爬行部分的结构方案163.1 爬行机器人本体结构设计准则16 模块化设计基础理论163.2 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 243.3 变直径杆爬行问题的解决263.4 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413.5 弹簧的设计与校核423.6 本章小结45结语46致谢47参考文献481 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。
爬杆机器人的运动原理
爬杆机器人的运动原理：
爬杆机器人总体结构应分为三部分：上端加紧机构，下端夹紧机构和行进机构。
运动基本步骤：上端加紧——行进机构收缩——下端加紧——行进机构伸张——上端加紧。
如此循环完
成前进动作。
为了简化结构，将上端加紧机构和下端夹紧机构设计成能够实现向下自锁功能的机构，则只需要一个行进机构就能够实现。
能够实现自锁的机构很多，如锁套、凸轮、棘轮等
需要的材料：
直流电机一个
电木或薄铝片
铆钉和螺钉
电源
基本原理简图：
总体方案简图
自锁机构创新点：
将爬杆机器人进行结构上的剖析简化，用最简单的机构实现了同样的功能。
这只是一个简化了的模型，可以此为平台再进行改进和复杂化，从而实现所需要的功能。
制作难点：
模型虽然简单，但需要考虑一些额外的问题，如：
1、行进机构是偏转型的，运动时不稳定，容易左右偏转，需要考虑一个辅助机构防止偏转。
可以考虑将机构改成对称的。
2、电机与连接杆之间如何连接固定。
3、自锁机构的可靠性。
爬行机器人原理
爬行机器人原理
爬行机器人原理
爬行机器人是一种可以在各种不平坦、起伏大的地面上行走的机器人，它可以被用来在复杂的环境中执行定位、探索、移动、搜索等操作。
爬行机器人的原理是利用机械腿的运动原理，将机械腿的动作控制转
化为机器人自身的移动。
每个机械腿由一系列可以伸缩的活动元件组成，这些活动元件可以以不同的速度和角度活动，从而使爬行机器人
前进、转向或跳跃。
每个机械腿都有一个电机，用来控制其运动。
电机的转速可以通过控
制电路来进行调节，从而控制每个机械腿的运动和力量。
爬行机器人
的行走速度可以通过调节每个机械腿的运动和力量来调节，这样就可
以调节机器人的移动速度。
此外，爬行机器人还需要一个传感器系统，用来检测周围环境，从而
控制机械腿的动作。
这样，机器人就可以适应环境的变化，实现自主
移动。
总之，爬行机器人的原理是利用机械腿的运动原理，控制机械腿的动作，从而实现机器人的移动，并通过传感器系统检测周围环境，从而
实现自主移动。
爬杆机器人的自锁原理
爬杆机器人的自锁原理爬杆机器人作为一种特殊的机器人，其主要功能是能够爬行并在垂直杆上停止和自锁。
这种机器人在工业生产、建筑维护和救援等领域有着广泛的应用。
它的自锁原理主要依赖于以下几个方面：机械结构、重力平衡、电动机控制和传感器反馈。
首先，机械结构是爬杆机器人自锁的基础。
机器人通常采用类似于螺距的装置，通过旋转螺距来使机器人向上或向下移动。
这种机械结构能够提供足够的力以抵抗重力对机器人的拉力，从而保持其在垂直杆上的稳定性。
同时，机器人上的爪子或脚部装置也能够提供额外的支撑，防止机器人滑落。
其次，重力平衡是爬杆机器人自锁的重要机制。
通过合理设计机器人的重心位置以及相对于杆的摩擦力，使机器人在重力和摩擦力的共同作用下保持平衡。
当机器人停止运动时，重心会向下移动，增加机器人与杆间的压力，从而增加摩擦力，进一步防止机器人滑落。
这种重力平衡的设计使得机器人能够在杆上停止并自锁。
第三，电动机控制也是爬杆机器人自锁的关键。
机器人上通常装有电动机，通过控制电动机以停止机器人的运动。
当机器人需要停止时，电动机会自动关闭，并保持电流断开状态。
这样可以防止机器人继续运动，进而实现自锁。
当需要解除自锁时，电动机会重新启动，使机器人继续运动。
最后，传感器反馈是爬杆机器人自锁的重要保障。
机器人通常装有多种传感器，比如位移传感器、力传感器和倾斜传感器等。
这些传感器能够检测机器人所处的位置、力的大小以及倾斜角度等信息，并将这些信息反馈给控制系统。
控制系统根据这些反馈信息来判断机器人的位置和状态，并做出相应的控制措施，确保机器人能够及时自锁和解除自锁。
综上所述，爬杆机器人的自锁原理主要包括机械结构、重力平衡、电动机控制和传感器反馈。
这些机制相互协作，使得机器人能够在垂直杆上停止和自锁。
这种自锁原理为机器人的稳定性和安全性提供了保障，使得机器人能够更好地应对不同环境和工作需求。
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电动机设计攀爬器设计说明书设计题目：爬杆机器人学院：电信学院班级：自动化0801设计者：200820314102胥文举指导老师：杨柱中目录1.设计题目……………………………………………１1.1设计目的………………………………………………１1.2设计题目简介…………………………………………１1.3设计条件及设计要求…………………………………１2.运动方案设计……………………………………２2.1机械预期的功能要求…………………………………２2.2功能原理设计…………………………………………２2.3运动规律设计…………………………………………３2.3.1工艺动作分解……………………………………………３2.3.2运动方案选择……………………………………………５2.3.3执行机构形式设计………………………………………６2.3.4运动和动力分析…………………………………………７2.3.5执行系统运动简图………………………………………８3.计算内容……………………………………………８4.应用前景 (10)5.个人小结 (11)6.参考资料 (12)附录 (13)１.设计题目１.１设计目的机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。
机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。
为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。
１.２设计题目简介我们此次做的课程设计名为爬杆机器人。
该机器人模仿虫蠕动的形式向上爬行，其爬行运用简单的曲柄滑块机构。
其中电机与曲柄固接，驱动装置运动。
曲柄与连杆铰接，其另一端分别铰接一自锁套（即上下两个自锁套），它们是实现上爬的关键结构。
当自锁套有向下运动的趋势时，由力的传递传到自锁套，球、锥管与圆杆之间形成可靠的自锁，阻止构件向下运动，而使其运动的方向始终向上（运动示意见右图）。
１.３设计条件及设计要求首先确定机器人运动的机构原理及所爬行管道的有关数据，制定多套运动方案。
再查阅相关资料，通过精确的计算和运用相关应用软件（例如CAXA，Solidworks，ADAMS等造型、分析软件）进行运动模拟，对设计题目进行创新设计和运动仿真，最后在多方面的考虑下确定一套方案并完成整套课程设计说明书及相关的软件分析图表和文件并由三维动画模拟出该机器人的运动。
２.运动方案设计该机器人模仿的动作是沿杆向上爬行，整个机构为曲柄滑块机构，而且我们目前所设计机器人爬行的杆是圆杆。
２.１机械预期的功能要求通过电机的驱动和减速，给予曲柄一个绕定轴旋转的主动力，在该力的驱使下带动连杆及相应的自锁装置，由两个自锁套的先后自锁和曲柄连杆机构带动机器人向上爬行。
２.２功能原理设计通常情况下，一部的机器需要通过电机带动一系列复杂的机构使其正常运转，这其中涉及到很多简单且基本的机械机构。
当然，也可以直接通过电机带动整部机器的运转，这完全取决于机器所需完成的工作以及设计该机器时所面临的种种实际情况。
针对该爬杆机器人，我们小组通过讨论提出了两套设计方案，分别是：由曲柄滑块机构带动和由气压元件直接驱动。
首先，让我们来看一下曲柄滑块机构是如何工作的。
在平面连杆机构中，能绕定轴或定点作整周回转的构件被称为曲柄。
而通过改变平面四杆机构中构件的形状和运动尺寸能将其演化为不同的机构形式，就曲柄滑块机构而言，它是通过增加铰链四杆机构中摇杆的长度至无穷大而演变过来的。
改机构实际上是由一曲柄一端铰接在机架上，另一端铰接一连杆，连杆的另一端联结一滑块，在曲柄为主动件运动时带动连杆，连杆又带动滑块，使其在平面某一范围内做直线往复运动（图１）。
其次是气动的原理。
该运动原理与上述的曲柄滑块机构相比，在保留两滑块作为自锁装置的前提下，省略了联结两滑块的传动装置，转而用两个汽缸直接带动两个滑块的上下移动。
这样的设计更直接也更简洁，至于两者到底哪个更合理呢？２.３运动规律设计２.３.１工艺动作分解首先，我们基于曲柄滑块机构的启示，想到了在曲柄与连杆的两端分别铰接上两个滑块（即作为自锁套），使两个滑块分别作为机架交替上升，从而实现爬杆动作。
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的动力，推动机构反而向上运动。
于是，我们就把电机与曲柄固接作为驱动装，连杆作为传动，两滑块作为自锁装置。
该爬杆机器人的设计装配图如图２：那上下自锁套又是怎样自锁的呢？我们做成了如图３所示的形状（主视、俯视）：我们设计了两个如图３所示的构件，两者用铰链铰接，能使其自如地打开或收拢，再在它们套住圆杆之后用销钉在铰支端对边销住，这样方便装配和安装到圆杆上，也方便我们在调试过程中不断调整内部结构的具体尺寸。
可这仅仅只是一个滑块，那要怎样才能实现它所要起到的自锁作用呢？其实很简单，想想为什么当初要把一个原本简简单单的矩形滑块做成如我们上图示的这样的形状：套住圆杆的两端多出了两个梯形状的“耳朵”，而且这“耳朵”还是中空的。
玄机就在于此，我们在这中空的空间里分别放置两个小球，此小球的直径小于梯形底边而大于梯形顶边（l梯顶<d球<l梯底）。
言外之意，此小球是能够卡在这梯形的空间里的。
这样也就形成了真正意义上的自锁。
若电机固接的曲柄是逆时针转动。
1）曲柄在底端转至顶端的过程中，经力的分析，下自锁套受到向上的拉力，自锁套内的两小球因重力掉至梯形底部，d球<l梯底，它将无阻碍地由连杆往上拉；与此同时，上自锁套受的却是往下的拉力，与上面的相反，其具有向下运动的趋势，内部的小球脱离自锁套的底部，又因d球>l梯顶，那么小球就被卡在了梯形空间中，此时由于小球的被固定而使整个自锁套看作是一个机架铰接曲柄一般。
（见左下图）2）曲柄由顶端向底端逆时针转动时，上下滑块的受力情况恰与第一种情况相反，下自锁套因受力自锁而被固定，此时上自锁套仍向上运动，在曲柄过最底端时又出现了第一种情况。
于是，两滑块周而复始交替向上爬。
（见中下图）在气动方面，由于没有联结用的传动机构，因而直接由气动元件带动两自锁套往上移动。
我们选用两个汽缸作为主要的气动元件，利用作用力与反作用力的原理，由其带动上下两个自锁套分别自锁，达到机器人爬杆的最终目的。
（见右上图）２.３.２运动方案选择上面所设计的爬杆过程都是在理想的情况下，很多实际因素都没有考虑进去：如摩擦力的大小（即管壁与小球接触面的摩擦系数），在曲柄过上下两滑块极限位置时，自锁套内由于小球在内部运动的关系，自锁套所要进行的向下运动的位移，以及上下自锁套、曲柄和连杆的质量，还有电机的功率、转动速度，汽缸的推程大小、自重，所需气包的容量及连接方式等等。
现在我们结合两者的利弊，着重分析一下各自的优缺点。
就采用汽缸驱动而言，它形式简单、结构简便，从机械设计角度而言讲究尽量采用基本机构，设计的机构要简单、可靠。
而汽缸则融会了上述的优点，它由驱动机构直接带动两个自锁滑块，避免了两者间的连接机构，精简了构件之间的连接。
此外，该机构具有环保等特点，它利用空气作为动力源，无污染、运动时无噪音，而且运行速度快，可以在短时间内使机器人爬到杆的顶端，它还能够随身携带气包作为动力源，可以做到无线操作。
就采用曲柄滑块结构而言，它属于平面连杆机构，具有结构简单、制造方便、运动副为低副，能承受较大载荷；但平衡困难，不易用于高速。
我们设计的机构是由电机经减速直接驱动的，和利用气动原理相比它多了一套传动和连接机构，但该机构运用的原理简单，设计合理，而且它不仅能在自杆上爬行，更能在弯曲的管道外爬行，具体的示意图见下。
综上所述，我们小组经讨论决定：选取“曲柄滑块机构”作为该爬杆机器人的最终运动方案。
２.３.３执行机构形式设计针对上述的种种实际情况，我们小组在设计此爬杆机器人的时候就全面考虑了各方面的因素，从而确定各构件的尺寸与制造构件的材料。
祥见下表机构名称构件尺寸所选材料选用理由曲柄滑块曲柄60mm（轴距）2mm铝板价格便宜、材质轻便、成型后具有时效强化性连杆150（轴距）2mm铝板价格便宜、材质轻便、成型后具有时效强化性锥管（4个）2mm铝板价格便宜、材质轻便、成型后具有时效强化性自锁机构圆球（4个）成品橡胶取材方便、具有高韧性、材质轻盈Φ50mm球上述构件全部采用钣金造型，然后由焊接连接，使其加工制造简单，易保证较高配合精度。
可是这样一个爬杆机构是一个封闭的机构，那怎样才能把机器人安装到所要爬的管壁上呢？由此，我们设计的自锁套就多了一个连接装置，我们在两个形状对称的锥管对接处装上铰链，就像在ADAMS里给两构件用一个铰链连接，然后在屏幕上显示的那种铰链装置一样，这样自锁套就能开合，自如地包拢住爬杆，然后在自锁零件的对面接口处插上一个联结销，完整的一个自锁套就套在了圆杆上。
联结销的形状见图4。
对于此类机构，一定的摩擦力也是保证自锁发生作用的关键。
因此对各构件的材料也是有相当的要求。
经过筛选，我们决定曲柄、连杆与锥管用铝板来制造，小球的材料则用橡胶。
橡胶的表面比较粗糙，且弹性性能较好，那么小球在自锁套作用时能卡得比较牢靠，不会发生自转等打滑现象，使整个机构下滑而影响上爬的效果。
在自锁套需解锁时，由于橡胶具有很高的韧性，它能立刻恢复原来的形状，不会因无法恢复形变而使下一步上爬动作失效。
２.３.4运动和动力分析在我们设定了曲柄与连杆的长度后，每一步机构各构件的上升位移便也能自然而然地计算出来了。
当曲柄逆时针由最底端转至最顶端时，下滑块上升2倍曲柄的长度位移，即120mm。
同样，曲柄逆时针由最顶端转动到底端时，上滑块也走过120mm（自锁套在自锁时的下滑距离不计）。
下面我们就该机构运动一周的情况列表作一下分析（此时曲柄处于顶端）：曲柄旋转角（逆时针）上自锁套运动情况下自锁套运动情况0°-90°向上运动120mm自锁（固定）90°-180°自锁（固定）向上运动120mm180°-270°向上运动120mm自锁（固定）当然，这样的机构绝非完美无缺的。
首先，我们设计的自锁套的形状还无法适应此机构爬各种杆。
若所要爬的杆直径大小稍有变化，随着它的变动自锁套也必须相应地改变它外伸包拢杆部分的形状大小。
但是，我们设计的自锁套可以根据不同需要换取不同大小、材质的小球。
２.３.5执行系统运动简图下自锁套自锁，上滑块向上爬行。
上自锁套自锁，下滑块向上爬行。
自由度F的计算：n=3 Pl=4 Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-(2×4-0)=13.计算内容Ⅰ.解析法设计铰链四杆机构：实现两连架杆对应位置的铰链四杆机构设计：a×cos（φ0+φ）+b×cosδ=d+c×cos（Ψ0+Ψ）a×sin（φ0+φ）+b×cosδ=d+c×sin（Ψ0+Ψ）将上式移项后平方相加，消去δ得：-b2+d2+c2+a2+2cd×cos（Ψ0+Ψ）-2ad×cos（φ0+φ）=2ac×cos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）]令R1=（a2-b2+c2+d2）/2ac R2=d/c R3=d/c 则：R1+R2 cos（Ψ0+Ψ）-R3 cos（φ0+φ）=cos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）]将给定的五个对应位置代入：R1+R2 cosΨ0-R3 cosφ0=cos[φ0-Ψ0]R1+R2 cos（Ψ0+Ψ1）-R3 cos（φ0+φ1）=cos[（φ0+φ1）-（Ψ0+Ψ1）]R1+R2 cos（Ψ0+Ψ2）-R3 cos（φ0+φ2）=cos[（φ0+φ2）-（Ψ0+Ψ2）]R1+R2 cos（Ψ0+Ψ3）-R3 cos（φ0+φ3）=cos[（φ0+φ3）-（Ψ0+Ψ3）]R1+R2 cos（Ψ0+Ψ4）-R3 cos（φ0+φ4）=cos[（φ0+φ4）-（Ψ0+Ψ4）]求出R1、R2、R3、Ψ0、φ0若已知Ψ0、φ0，则只需三对对应位置。