爬杆机器人

1 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。

仿生机器人运动仿生位移运动仿生陆地生物运动仿生水中生物运动仿生空中生物仿生执行运动仿生如仿生手等感知仿生听觉仿生视觉仿生嗅觉仿生其他感知仿生仿生耳仿生眼仿生鼻控制仿生定向导航仿生计算推理仿生群体控制仿生如仿蜜蜂定位等如神经网络等如蚁群通信控制仿真等能量仿生如分解碳水化合物驱动等材料仿生如仿生皮肤等图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。