爬杆机器人

一 设计题目：爬杆机器人
为代替人高空作业，设计出爬上和爬下干装的机器人。

1.1设计目的
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、2010年将要在上海举办的世博会之外，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（图1-1），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，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。

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。

1.2设计条件
攀爬对象为直径150毫米左右的等直径杆（学有余力的同学可以考虑攀爬对象为变截面杆，如电线杆）。

可以用电动机，液压站，气压站其中的任意一种做动力源，但要分析其应用场合和优缺点。

1.3设计任务及要求
1.3.1要求至少设计出三种能实现机器人爬杆运动要求的机构，绘制所选机构的机构示意图（绘制在说明书上），对其进行分析，比较其优缺点（可靠性 经济性 空间尺寸等），并最终选出一个自己认为最合适的机构进行综合设计。

1.3.2所设计的机构要考虑到攀爬对象的直径略有改变时仍然能够完成工作任务(通过调节装置来达到要求)；还要考虑攀爬对象的直径并不是非常精确地，攀爬对象可能是垂直的，也可能是倾斜的。

1.3.3如果以电动机为动力源，要设计减速装置，如果用齿轮机构进行减速，需要进行齿轮机构的设计。

二．原理分析
由模仿动物爬树的运动原理。

向上爬时，双脚固定在树干上，双手向上攀爬，然后双手固定，拉起双脚上移。

下滑时，双手先固定，双脚下滑，然后双脚固定，手收回。

手脚交替循环工作，实现身体上爬与下滑的功能。

工作原理流程图如下所示：
经过上述四步，在一个动作周期中向上爬一步，示意图如图
因此，本小组设计的爬杆机器人，主要有三部分组成：上滑块，下滑快，传动部分。

上滑块模仿双手工作，下滑快模仿双脚工作，传动部分起连接上下滑快和传递动力的作用。

要求其中某一滑块运动时，另一滑块必须固定自锁。

以使机器人在爬杆上能上下自如的平稳运动而不至于滑落。

以电动机为动力源，通过连接适当的减速装置，满足运动要求
三．各执行机构的可能方案
3.1传动机构功用：主要负责将电动机输出的动力按一定的要求传递到各执行机构上，并控制其协调工作以达到设计目的。

3.2两种设计传动机构
如下图一所示的弹簧套筒组合传动机构，上下套筒分别固定在上下两个滑块上。

下套筒直径比爬杆略大10～20m m，防止爬行过程中爬杆直径突然发生变化时，套筒与爬杆之间接触从而产生摩擦，影响传动效率。

上下套筒间用弹簧连接。

电动机固定在上套筒外壁，驱动凸轮转动。

推程运动中，凸轮对下套筒有向下的作用力，当下套筒此时刚好固定时，则反作用力推动上套筒向上运动并拉伸弹簧。

回程运动中，控制上套筒固定，凸轮对下套筒的作用逐渐减弱，利用弹簧的回复作用，拉住下套筒向上运动。

图一
如下图二所示的为曲柄滑块传动机构。

与一般的曲柄滑块不同的是，此机构的曲柄端也与滑块相连，即有上下两个滑块，但是在工作过程中可以通过控制夹紧装置，使其中某一滑块滑动时，另一滑块恰好固定。

如此，在任意时刻，分析该机构的运动特性时可按照一般曲柄滑块处理。

电动机固定在曲柄端连接的滑块上，带动曲柄顺时针旋转。

推程运动中，下滑块固定，曲柄从最下端开始运动，转动0～180°过程中，推动上滑块运动至顶端。

回程运动中，控制上滑块固定，转动180～360°过程中，拉动下滑块向上运动
图二
3.3比较分析:
3.3.1弹簧套筒组合传动机构
优点：1．利用凸轮直径变化推动前进，过度平缓，工作较平稳。

2．上下滑块间的连接仅依靠俩大小套筒弹簧套接而成，形式简单，结构简便，无弯矩及扭矩，稳定可靠。

3.主要承受载荷部位在弹簧处，长时间工作后，弹簧可能疲劳受损，弹性
减弱，此时只需更换弹簧即可恢复稳定工作，互换性好。

缺点：1.依靠凸轮传动时，受凸轮大小尺寸的限制，工作效率太低。

2.只能在直杆上运动，无法在弯截面杆上工作，工作范围有限。

3.3.2曲柄滑块传动机构
优点：1.属于平面连杆机构，结构简单，制造方便。

2.运动副为低副，能承受较大载荷
3.曲柄连杆铰接，可弯曲，能在弯曲爬杆外爬行
4.只要能满足强度和刚度要求，曲柄连杆可尽量加长，提高工作效率 缺点：1.连杆与滑块用铰链连接，接触面太小，滑块受力不均
2.以杆传动，杆受弯矩较大，对杆的材料要求较高，以满足工作强度
曲柄滑块工作示意图
3.4夹紧装置功用：用来在攀爬过程中让一端夹紧爬杆，形成固定端，另一端放松，为自由端，自由伸缩。

并能交替改变两端状态。

3.4.1梯形自锁机构
如图三（a），为一梯形自锁机构。

带
有自动锁紧的夹紧装置。

上下滑块均
如图所示安装，梯形大边在上。

曲柄
在底部转至顶端的过程中，经力的分
析，上自锁套受到向上的推力，自锁
套内的两个小球因重力掉至梯形底
部，由于球的直径小于梯形底边长,
图三（a）
小球与爬杆间无挤压，它将无阻碍的被连杆往上顶起；与此同时，下自锁套受的却是向下的推力，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，因小球直径大于梯形上边长，那么小球就被卡在了梯形空间中，此时由于小球被固定而使整个自锁套看作是一个机架铰接曲柄；曲柄由顶端向低底端转动时，上下滑块受力情况恰与第一种情况相反，上自锁套因受力自锁而被固定，曲柄连杆拉动下自锁套向上运动，在曲柄过最低端时又循环到第一种情况。

如此上下滑块周而复始交替上爬。

图三（b）
图三（a）为上自锁机构，即只能实现单向上爬运动。

为了解决机器人下爬的问题，可采用十字自锁套机构，即两个自锁套交叉垂直合并在一起，如图三（b）所示，其中之一梯形大边在上,如图三（a）所示 ，另一个恰好相反，梯形大边在下为下自锁机构，工作原理与上自锁刚好相反，上升时不工作，下滑时工作。

上爬时，通过继电器使其中一对工作另一对暂时停止工作，下爬时，通过继电器使两对自锁套工作状态调换，实现下爬加紧运动。

3.4.2机械爪子夹紧装置
如图四，该装置为摆杆变形机构。

通过外部受力拉动拉杆1，使得摆杆2和3向内摆动时，拉动摆杆4和5摆动，带动两滚轮挤压爬杆，实现加紧作用。

外力撤去或减小时，通过套筒中弹簧的回复作用使杆件1复位，两滚轮松开，实
现放松的功能。

滚轮8固定在箱体上，夹紧时，与4,5摆杆上滚轮一起实现三点定位。

滚轮7固定在箱盖上，与8之间距离可调基本尺寸为155毫米，其作用是放松时与滚轮8
一起，前后顶住爬杆，防止装置侧翻，保证爬行时稳定可靠。

注释： 1.拉杆
2，3，4，5.驱动摇杆 6,9加紧滚轮 7,8定位滚轮 10，弹簧
3.4.3双凸轮夹紧装置
如图五，为双凸轮夹紧装置。

上下滑块内各装有一个凸轮，该凸轮由两段直径不同的圆弧和连接此两段圆弧的过度圆弧构成，当凸轮转到大圆弧与爬杆相接触时，顶紧爬杆固定，当转到小圆弧与爬杆接触时，凸轮与爬杆间形成间隙，起到
放松的作用。

通过电动机与齿轮组合装置，如图五（c）所示，驱动上下两个
图五（a） 图五（b）俯视图
凸轮转动，同时控制其中一个凸轮大径与爬杆接触时，另一个刚好小径与凸轮接触。

实现一放松一夹紧的工作环境，两凸轮由同一个电动机带动，依靠齿轮传递动力。

图五（c）
3.5综合分析
表1方案优缺点对比。

四 运动方案分析
方案一：传动机构二与自锁机构二组合应用
工作原理：自锁爪夹紧和曲柄摇杆机构的传动实现爬行。

优点：1.属于平面连杆机构，结构简单，制造方便。

2.运动副为低副，能承受较大载荷
3.曲柄连杆铰接，可弯曲，能在弯曲爬杆外爬行
4.只要能满足强度和刚度要求，曲柄连杆可尽量加长，提高工作效率
5.可适应不同直径的爬杆结构较为简单
缺点：1.连杆与滑块用铰链连接，接触面太小，滑块受力不均
2.以杆传动，杆受弯矩较大，对杆的材料要求较高，以满足工作强度
3.不能自动锁紧，要加外控锁紧装置
方案二：传动机构二与自锁机构三的组合。

工作原理：双凸轮夹紧和曲柄摇杆机构的传动实现爬行。

优点：1.属于平面连杆机构，结构简单，制造方便。

2.运动副为低副，能承受较大载荷
3.曲柄连杆铰接，可弯曲，能在弯曲爬杆外爬行
4.只要能满足强度和刚度要求，曲柄连杆可尽量加长，提高工作效率
5.原理简单运动和夹紧可通过一个机构实现
缺点：1.连杆与滑块用铰链连接，接触面太小，滑块受力不均
2.以杆传动，杆受弯矩较大，对杆的材料要求较高，以满足工作强度
3.两个凸轮难以保证其转速相同不易调节尺寸爬杆适用受限
方案三：传动机构一和自锁机构一的组合。

工作原理：梯形自锁机构的自锁与弹簧套筒机构的传动实现爬行。

优点：1．利用凸轮直径变化推动前进，过度平缓，工作较平稳。

2．上下滑块间的连接仅依靠俩大小套筒弹簧套接而成，形式简单，结构简便，无弯矩及扭矩，稳定可靠。

3.主要承受载荷部位在弹簧处，长时间工作后，弹簧可能疲劳受损，弹性
减弱，此时只需更换弹簧即可恢复稳定工作，互换性好
4.结构简单实现自动锁紧体积小。

缺点：1.依靠凸轮传动时，受凸轮大小尺寸的限制，工作效率太低。

2.只能在直杆上运动，无法在弯截面杆上工作，工作范围有限
3.单对不能实现往复运动成双对使用控制繁琐使用继电器设计较为复杂
且夹紧不可靠
综上所述,本小组经过讨论后最终决定：选最优方案为方案一，机构简单，满足工艺制造要求；推程大，工作效率高；夹紧牢固可靠，安全稳定。

五 动力系统方案研究
目前对于机器人的动力系统有多种不同的选择方案，可以采用电气驱动、液压驱动、气压驱动等不同的方式。

不同的动力系统具有不同的特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照具体的要求来选择最适合的动力系统，可以达到预定的目标。

表3-1为不同的驱动方式的性能对照表。

5.1气压驱动
使用压力通常在 0.4~0.6M p a，最高可达1M p a。

气压驱动的优点是响应速度快，结构简单，控制方便；缺点是功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。

气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本爬行机器人的工作空间的要求，不适合在本系统中使用
5.2液压驱动系统
用 2~15M p a的油液驱动影响工作稳定性和定位精度，但由于有漏油的问
题，也不适合在本系统中使用。

5.3电气驱动
是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。

由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动己经成24为最普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。

所以选择电气驱动的方案。

由于设计机构不适合用于高速运动场合，故查资料得，出产电动机最低转速为56r ／m i n 。

用齿轮机构进行减速，设计减速装置如下图所示
一级减速：i 2／i 1=4 二级减速：i 3／i 4
=7.5 最终电动机输出工作转速为10 r ／m i n ，足以满足工作要求。

2
3
4
电动机
六 运动循环图
以曲柄处最下端为初始位置，顺时针旋转
曲柄转角（度） 0901********
自锁机构 上爪松开
下爪夹紧 上爪夹紧 下爪松开
上滑块 上移 固定
下滑快 固定 上移
电动机反转，逆时针旋转。

即可实现控制机器人稳定下滑
曲柄转角（度） 0901********
自锁机构 上爪夹紧
下爪松开 上爪松开 下爪夹紧
上滑块 固定 下移 下滑快 下移 固定
七 设计计算分析
7.1执行系统运动简图：
7.2设计计算与评价
7.2.1自由度F的计算
自由度，即使机构具有确定运动所必须给定的独立运动参数的数目。

在平面机构中，在未用运动副玉其他机构连接之前，每个构件都有三个自由度，但每个低副的引入两个约束，使机构失去两个自由度；每个高副的引入一个约束，是机构失去一个自由度，保留两个自由度。

故计算自由度的公式为F=3n-2p1-p h 而由机构简图我们可以知道，活动构件n=3，低副p1=4，高副p h=0.
因此该执行系统的自由度F=3n-2p1-p h=3*3-2*4-0=1
7.2.2机构运动的确定
在机构中，按照独立的运动参数给定的运动规律运动的构件称为原动件，一般而言，动该等于机构的自由度数目。

这就是机构具有确定运动的条件。

由自由度的自己我们可知，F=1.如图当只有曲柄作为原动件（等速转动）时，机构有确定的运动，即实现本机构向上和向下的爬行，完成机器人爬杆的动作。

7.2.3行程速度系数
本设计曲柄滑块机构偏心距为0.故不存在急回特性，能保证推程时与回程
时上下滑块均能平稳传动，稳定运动。

7.2.4死点位置
由于执行系统采用的是曲柄作为原动件，故不会出现“顶死”现象，运转平稳，能较好的实现机器人的爬杆行为
八 个人小结
经过一周的奋战我们的课程设计终于完成了，在这次课程设计中我学到得不仅是专业的知识，还有的是如何进行团队的合作，因为任何一个作品都不可能由单独某一个人来完成，它必然是团队成员的细致分工完成某一小部分，然后在将所有的部分紧密的结合起来，并认真调试它们之间的运动关系之后形成一个完美的作品。

这次课程设计，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手。

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在整个设计中我懂得了许多东西，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

虽然这个设计做的可能不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。

九 参考资料
【1】彭文生 机械设计 高等教育出版社 2008年11月
【2】王三民 机械原理与设计课程设计 机械工业出版社 2005年1月 【3】唐增宝 机械设计课程设计 华中科技大学出版社 2006年9月 【4】孙桓 机械原理 高等教育出版社 2006年12月。