淺談爬桿機(jī)器人原理

李傳敏 王萌杰

摘要：本文選取了國內(nèi)自主研制的幾類爬桿機(jī)器人作以比較。得出大都采用凸輪夾緊機(jī)構(gòu)，由于凸輪的不可伸縮性，一個(gè)爬行器只能爬行直徑的等直徑桿件。爬行機(jī)器人體積小重量輕易于操作和維修。由于目前對(duì)于爬桿機(jī)器人的研究探索的初步階段的局限性，因此在今后還有很大的發(fā)展空間。為今后爬桿機(jī)器人的發(fā)展。奠定一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；爬桿

【中圖分類號(hào)】TP242【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】2236-1879（2017）12-0313-01

1研制背景及意義

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活不斷提高，城鎮(zhèn)中矗立起無數(shù)的高層城市建筑，各類即實(shí)用又美觀的電線桿、路燈桿、橋上斜拉鋼索、廣告牌立柱，壁面通常多采用油漆、電鍍、玻璃鋼結(jié)構(gòu)，通常其又長又高，環(huán)境危險(xiǎn)，由于常年裸露在大氣之中，長時(shí)間的風(fēng)吹日曬，會(huì)影響到它的美觀，同時(shí)復(fù)雜的空氣成分也會(huì)對(duì)金屬桿件腐蝕和破壞，使他們快速生銹縮短壽命。傳統(tǒng)的清理辦法有人工清理和使用化學(xué)藥劑，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力有污染，而且效率低下，耗資巨大，爬桿機(jī)器人在廣泛的需求下孕育而生。

2案例分析

因此本文選取了國內(nèi)自主研制的幾類爬桿機(jī)器人作以比較：

清華大學(xué)學(xué)生研發(fā)的自重式鎖緊機(jī)構(gòu)，框架由兩根連在一起的運(yùn)動(dòng)桿及運(yùn)動(dòng)桿兩端的自重鎖緊機(jī)構(gòu)構(gòu)成，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。垂直爬行時(shí)自重和運(yùn)動(dòng)方向相反，靠機(jī)構(gòu)自重和反向推力使鋼球被鎖緊機(jī)構(gòu)中傾斜的滑塊和爬桿緊密夾緊在一起，從而達(dá)到鎖緊目的。該結(jié)構(gòu)簡單，可以垂直爬行范圍變化較小的變直徑桿，缺點(diǎn)是只適合向上爬行運(yùn)動(dòng)，反向爬行自重與運(yùn)動(dòng)方向一致，無法進(jìn)行自鎖。

該機(jī)構(gòu)改進(jìn)后由微型氣缸推動(dòng)鋼球解鎖，能夠在垂直桿進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但需要加上一套氣動(dòng)控制設(shè)備，目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決，上升和下降的需要?dú)鈮赫{(diào)節(jié)，造價(jià)較大，因此該方法還處于理論研究階段。

上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開發(fā)的斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器，可在有斜度的纜索上爬行，具有實(shí)用性，能夠完成檢測(cè)，清潔纜索等功能。機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單，由爬升結(jié)構(gòu)加裝相應(yīng)的作業(yè)模塊，爬升機(jī)構(gòu)分為上下兩部分，兩部分之間用提升氣缸和兩組導(dǎo)向軸副相連接，可相對(duì)移動(dòng)一個(gè)行程的距離。

上下兩部分各沿圓周均勻分布有3個(gè)能夠調(diào)節(jié)的安裝塊，用于夾緊缸，夾緊爪，導(dǎo)向缸和導(dǎo)向輪總成在不同直徑的纜索上安裝。

哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或繩索爬行的機(jī)器人，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)器人由兩個(gè)形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌由一對(duì)活動(dòng)v塊卡爪、一對(duì)槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器與滑塊鑲嵌而成。其工作原理在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個(gè)滑塊作為自鎖套，當(dāng)機(jī)構(gòu)具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，下自鎖套因受到自鎖機(jī)構(gòu)的限制而固定不動(dòng)，把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為向上的反作用力，推動(dòng)機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)。（如右上圖所示）

北京理工大學(xué)研發(fā)出了，一種步進(jìn)式管線爬行機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的組成由兩個(gè)爪，臂裝置和機(jī)體組成，通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和滑塊關(guān)節(jié)連接，這種機(jī)構(gòu)可以避免法蘭障礙。

爬行時(shí)爪1抓住管道外徑，爪2張開，兩塊機(jī)體之間相對(duì)移動(dòng)，爪2抓住管道外徑，爪1松開，兩塊集體相對(duì)移動(dòng)，爬行機(jī)構(gòu)就這樣交替前行，當(dāng)爬行過程中爬行機(jī)構(gòu)的中心發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能夠通過兩機(jī)體間的側(cè)向滑軌矯正機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)方向。

3分析總結(jié)

因此本文選取了國內(nèi)自主研制的幾類爬桿機(jī)器人作以比較：

在設(shè)計(jì)移動(dòng)爬桿機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)考慮爬桿機(jī)器人的用途，因?yàn)橛猛緵Q定了機(jī)器人的構(gòu)造，此外還應(yīng)考慮機(jī)器人的工作環(huán)境有無特殊要求，使用年限的疲勞校核，外觀尺寸，材質(zhì)和制造費(fèi)用，以便更符合生產(chǎn)實(shí)際勞動(dòng)。

通過上訴幾類爬行機(jī)構(gòu)不難得知，他們大都采用凸輪夾緊機(jī)構(gòu)，由于凸輪的不可伸縮性，一個(gè)爬行器只能爬行直徑的等直徑桿件。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決，單其上升和下降由氣壓控制，還需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制，因此設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。

由于爬行設(shè)備的特殊性及提高運(yùn)動(dòng)性和安全性方面考慮，需盡量使爬行機(jī)器人體積小重量輕易于操作和維修；從系統(tǒng)的工作性能考慮，應(yīng)使爬行機(jī)器人的工作沖擊較小運(yùn)行穩(wěn)；從作業(yè)環(huán)境來看，由于在桿上爬行，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)細(xì)致考慮對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，各組件的合理布置，力求機(jī)構(gòu)簡單可靠；由于最終爬行機(jī)構(gòu)是要解決實(shí)際生產(chǎn)勞動(dòng)的，因此各零件和材料的加工制造和選擇，盡量采用市場上可采購的材料和已有的標(biāo)準(zhǔn)化小部件，減少自行設(shè)計(jì)和加工元件，以減少設(shè)計(jì)難度和提高可靠性，降低制造成本。

結(jié)構(gòu)原理分析尺蟆的運(yùn)動(dòng)方式是一種蠕動(dòng)爬行，蠕動(dòng)是一種周期性的動(dòng)作，蠕動(dòng)體的姿態(tài)呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化。機(jī)器人的本體是指機(jī)器人移動(dòng)作業(yè)的部分。我們所設(shè)計(jì)的尺鑊式爬行機(jī)器人的本體部分主要由三個(gè)機(jī)械單元組成，分為上、下夾緊機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在中間分別與上、下夾緊機(jī)構(gòu)相連接。上、下夾緊機(jī)構(gòu)分別起著保持器的作用，而軀干部分則起著推進(jìn)器的作用。

對(duì)于夾緊機(jī)構(gòu)分析，其夾緊方式主要有兩種：機(jī)械式和液氣壓式。機(jī)械式夾緊裝置調(diào)節(jié)簡易，制作成本低，但精確度不高，適應(yīng)類型也有限；液氣壓式夾緊裝置夾緊力調(diào)節(jié)方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，但需要液氣源和液氣動(dòng)控制系統(tǒng)支持，體積龐大、噪音污染大并且其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。二者目前均處于探索開發(fā)階段。由于目前對(duì)于爬桿機(jī)器人的研究探索的初步階段的局限性，因此在今后還有很大的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

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