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）