仿樹袋熊爬桿機器人的結構設計與仿真分析

林琦峰,陳勇,宋雪萍

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

隨著經濟的飛速增長，各大城市矗立起眾多的電線桿、路燈桿和斜拉橋等高層桿狀建筑. 這些高層桿狀建筑的高度通常是3～30 m，有的甚至高達百米，金屬桿件的表面通常采用油漆噴涂，由于常年的日光暴曬和風吹雨打，加快金屬桿件的氧化腐蝕，縮短使用壽命，需要定期進行清潔維護. 傳統(tǒng)的高層桿狀建筑清洗維護方式：①人工攜帶清洗維護裝置爬桿作業(yè)，存在很大的危險性；②使用大型長臂作業(yè)車將工人與清洗維護裝置送到制定位置進行人工作業(yè)，操作復雜，成本較高，使用不便. 長期以來，如何高效、低成本、綠色環(huán)保地清洗和維護高層桿狀建筑，一直是一個難題. 爬桿機器人可以替代人工進行清洗和維護高層桿狀建筑，減少危險性，降低操作難度和維護成本.

現有的爬桿機器人[1-6]可以分為三種：輪式爬桿機器人[7-8]、爪式爬桿機器人[9-11]和吸附式爬桿機器人[12-13]. 輪式爬桿機器人具有重量輕、安全、響應快速等特點，適用于攀登圓柱形的階梯式桿件，但是越障能力有限[14]. 爪式爬桿機器人的腿部末端采用鉤爪結構，可以牢固地攀附于物體表面，適用于平面及曲面結構，但是抓取方式比較復雜[15]. 吸附式爬桿機器人采用磁吸附式轉輪結構，可吸附在任意曲面，三角形的萬向輪布置方式，可以實現在曲面任意方向的運動攀爬，但是負載能力比較差[16].

為了解決現有技術存在的上述問題，根據樹袋熊的攀爬特性，利用仿生學原理，設計一種爬桿機器人，用于清洗和維護電線桿、路燈桿和斜拉橋等高層桿狀建筑.本文設計的仿樹袋熊爬桿機器人，攜帶清洗與維護裝置，代替人工對高層桿狀建筑進行清洗與維護，減少了爬桿作業(yè)的危險性，降低了操作難度和維護成本. 該機器人采用上下兩層機械手的抱緊結構，采用齒輪齒條的升降結構代替以往的連桿結構，與現有的爬桿機器人相比，彌補了輪式爬桿機器人的越障能力缺陷，突破了爪式爬桿機器人的抓取方式瓶頸，解決了吸附式爬桿機器人的負載能力薄弱. 本文設計的仿樹袋熊爬桿機器人，優(yōu)勢在于滿足攀爬要求的同時，能夠對不同直徑的高層桿狀建筑可以自適應調節(jié)夾持力，具有較好的攀爬運動靈活性.

1 樹袋熊的攀爬特性

在自然界中，樹袋熊經過億萬年的自然進化，在攀爬步態(tài)、適應環(huán)境和運動功能等方面具有精巧的合理性，可以滿足不同的步態(tài)需求，具有特殊的攀爬能力，能夠適應不同直徑的樹木.

1.1 樹袋熊的攀爬步態(tài)

成年雄性樹袋熊的攀爬步態(tài)，如圖1所示. 攀爬速度為1.16 m/s，在攀爬過程中，0 s時，樹袋熊的四肢抱緊樹木，軀體處于收縮狀態(tài)；0.11 s時，樹袋熊逐漸伸展軀體、前肢準備向上抱緊樹木、后肢逐漸展開；0.22 s時，樹袋熊軀體伸展達到最大，前肢抱緊上方樹木，后肢完全展開；0.33s時，樹袋熊逐漸收縮軀干，前肢抱緊樹木，后肢逐漸收縮；0.44 s時，樹袋熊軀干完全收縮，前肢抱緊樹木，后肢進一步收縮；0.55 s時，樹袋熊軀干完全收縮，前肢抱緊樹木，后肢完全收縮，完成一個步態(tài)周期.

在攀爬過程中，樹袋熊軀體的收縮與伸展，配合四肢有規(guī)律的運動，樹袋熊在后肢發(fā)力時，軀體后部短暫離開樹木，為后肢活動發(fā)力提供足夠的空間，樹袋熊后肢完成發(fā)力后，軀體緊貼樹木，減輕前肢的負重.

圖1 樹袋熊的攀爬步態(tài)周期圖

1.2 樹袋熊的關節(jié)角度

樹袋熊的關節(jié)角度如圖2所示，α1是大臂與軀干之間的肩關節(jié)夾角，β1是大臂與小臂之間的肘關節(jié)夾角，γ1是小臂與手掌之間的腕關節(jié)夾角，α2是大腿與軀干之間的髖關節(jié)夾角，β2是大腿與小腿之間的膝關節(jié)夾角，γ2是小腿與腳掌之間的踝關節(jié)夾角，圓點表示關節(jié)，直線表示肢體. 測量樹袋熊攀爬過程的關節(jié)角度，使用Origin軟件繪制曲線圖，如圖3.

圖2 樹袋熊的關節(jié)角度示意圖

樹袋熊前肢的關節(jié)角度如圖3(a)所示，曲線出現了三次波峰與波谷，說明運動了三個步態(tài)周期. 0～0.15 s，α1逐漸減小，此時樹袋熊軀干在向上運動，前肢未運動；0.15～0.24 s，α1急劇增大，達到最大值135°，此時樹袋熊前肢瞬間向上伸展；0.24～0.47 s，α1緩慢減小，此時樹袋熊前肢運動幅度較?。?.47～0.55 s，α1急劇減小，此時樹袋熊軀干在收縮，軀體靠近前肢大臂，完成一個攀爬步態(tài)周期.β1與γ1變化較小，手掌和小臂跟隨大臂進行擺動.

(a) 前肢

(b) 后肢

樹袋熊后肢的關節(jié)角度如圖3(b)所示，曲線出現了三次波峰與波谷，說明運動了三個步態(tài)周期. 0～0.1s，α2緩慢增大，此時樹袋熊軀干在向上運動，后肢未運動；0.1～0.3s，α2急劇增大，達到最大值150°，此時樹袋熊后肢瞬間展開；0.3～0.4 s，α2急劇減小，達到最小值12°，此時樹袋熊后肢瞬間收縮；0.4～0.55 s，α2進行小范圍變化，此時樹袋熊調整身體，準備下一次攀爬，完成一個攀爬步態(tài)周期.α2、β2和γ2的變化趨勢相似，β2和γ2的變化滯后于α2，樹袋熊的髖關節(jié)首先轉動，然后膝關節(jié)轉動，最后踝關節(jié)轉動. 比較圖3(a)、(b)可以表明樹袋熊在后肢展開的時候，前肢也展開，后肢收縮時，前肢也保持收縮狀態(tài).

1.3 樹袋熊的攀爬機理

通過分析樹袋熊的攀爬步態(tài)和關節(jié)角度，獲得樹袋熊的攀爬機理：

在攀爬過程中，樹袋熊至少有兩條腿與樹木接觸，保證軀體的平衡穩(wěn)定；樹袋熊的肩關節(jié)是主動關節(jié)，肩關節(jié)的角度變化空間87.4°，進行大范圍的轉動，為樹袋熊的前肢提供爬升動力，樹袋熊的肘關節(jié)和腕關節(jié)是隨動關節(jié)，肘關節(jié)的角度變化空間48.4°，腕關節(jié)的角度變化空間27.2°，進行小范圍的轉動，用來保持樹袋熊軀體的平衡穩(wěn)定；樹袋熊髖關節(jié)的角度變化空間143.9°，膝關節(jié)的角度變化空間136.1°，踝關節(jié)的角度變化空間103.2°，樹袋熊的后肢可以進行大幅度的折疊與伸展，為樹袋熊的軀體提供爬升動力，樹袋熊的后肢折疊時，髖關節(jié)角度達到最小值10.3°，膝關節(jié)角度達到最小值25.4°，踝關節(jié)角度達到最小值20.9°，樹袋熊的后肢伸展時，髖關節(jié)角度達到最大值150°，膝關節(jié)角度達到最大值165°，踝關節(jié)角度達到最大值90°.

2 爬桿機器人的結構設計

根據樹袋熊的攀爬特性，利用仿生學原理，進行爬桿機器人的結構設計. 參考樹袋熊的前肢與后肢， 爬桿機器人分成上層抱緊結構與下層抱緊

圖4 爬桿機器人的結構示意圖

結構，參考樹袋熊后肢的折疊與伸展，采用齒輪齒條結構為爬桿機器人的收縮與伸展提供動力，實現爬桿機器人的升降,爬桿機器人的結構示意圖如圖4所示.

3 爬桿機器人的仿真分析

3.1 仿真運動過程

利用三維建模軟件Creo，建立爬桿機器人的三維模型，如圖5所示.

圖5 爬桿機器人的三維模型

將爬桿機器人的三維模型導入動力學仿真軟件ADAMS，根據爬桿機器人的運動特性，設置各個構件的物理特性和約束關系，添加驅動元件，設置驅動函數完成仿真運動.

桿狀圓柱體的直徑150 mm、長度2 000 mm，在動力學仿真軟件ADAMS中，爬桿機器人的約束關系如表1所示，設置動力學仿真的邊界條件.

表1 爬桿機器人的約束關系

根據爬桿機器人的運動特性，在運動副上添加驅動元件，使用STEP函數設置相應的驅動函數：

齒輪旋轉的驅動函數設置為STEP(time, 2, 0 d, 4, 600 d)+STEP(time, 7, 0 d, 9, -600 d)；

上層左側機械手平移的驅動函數設置為STEP(time, 0, 0, 2, -20)+STEP(time, 6, 0, 7, 10)；

上層右側機械手平移的驅動函數設置為STEP(time, 0, 0, 2, 20)+STEP(time, 6, 0, 7, -10)；

下層左側機械手平移的驅動函數設置為STEP(time, 4, 0, 6, -20)；

下層右側機械手平移的驅動函數設置為STEP(time, 4, 0, 6, 20).

爬桿機器人的總體質量15 kg(未安裝清洗與維護裝置)，仿真時間9 s，步數180，一個步態(tài)周期的仿真運動過程如圖6所示.

圖6 爬桿機器人的仿真運動過程

爬桿機器人沿著桿狀建筑向上攀爬的工作原理和運動過程：

(1)如圖6(a)，將爬桿機器人放置在地面，上層機械手和下層機械手都處于張開狀態(tài)，環(huán)抱在需要清洗或維護的桿狀建筑周圍;

(2)如圖6(b)，啟動上層絲杠電機進行正轉，帶動上層絲杠旋轉，由于上層絲杠兩側螺紋的旋向相反，驅動左右兩側的上層機械手向中間運動，上層機械手夾緊桿狀建筑后，停止上層絲杠電機;

(3)如圖6(c)，啟動升降電機進行正轉，帶動齒輪旋轉，齒輪的嚙合帶動齒條向上運動，由于齒條的下端與下層底板固定，從而帶動下層底板沿著豎直導向桿向上運動，爬桿機器人移動到指定距離，停止升降電機;

(4)如圖6(d)，啟動下層絲杠電機進行正轉，帶動下層絲杠旋轉，由于下層絲杠兩側螺紋的旋向相反，驅動左右兩側的下層機械手向中間運動，下層機械手夾緊桿狀建筑后，停止下層絲杠電機;

(5)如圖6(e)，啟動上層絲杠電機進行反轉，帶動上層絲杠旋轉，驅動左右兩側的上層機械手向左右兩側運動，上層機械手松開桿狀建筑后，停止上層絲杠電機;

(6)如圖6(f)，啟動升降電機進行反轉，帶動齒輪旋轉，由于下層機械手夾緊桿狀建筑，導致下層底板處于固定位置，齒條位置固定，齒輪向上運動，由于齒輪連接在升降電機上，升降電機通過支座固定在上層底板，從而帶動上層底板沿著豎直導向桿向上運動，爬桿機器人移動到指定距離，停止升降電機. 如此循環(huán)運動，爬桿機器人可以沿著桿狀建筑向上攀爬到需要清洗或維護的位置.

爬桿機器人沿著桿狀建筑向下攀爬的工作原理和運動過程：

(1)完成清洗或維護的任務以后，爬桿機器人處于桿狀建筑的頂端，上層機械手和下層機械手都夾緊桿狀建筑. 啟動下層絲杠電機進行反轉，帶動下層絲杠旋轉，由于下層絲杠兩側螺紋的旋向相反，驅動左右兩側的下層機械手向左右兩側運動，下層機械手松開桿狀建筑后，停止下層絲杠電機;

(2)啟動升降電機進行反轉，帶動齒輪旋轉，齒輪的嚙合帶動齒條向下運動，由于齒條的下端固定在下層底板，從而帶動下層底板沿著豎直導向桿向下運動，爬桿機器人移動到指定距離，停止升降電機;

(3)啟動下層絲杠電機進行正轉，帶動下層絲杠旋轉，由于下層絲杠兩側螺紋的旋向相反，驅動左右兩側的下層機械手向中間運動，下層機械手夾緊桿狀建筑后，停止下層絲杠電機;

(4)啟動上層絲杠電機進行反轉，帶動上層絲杠旋轉，由于上層絲杠兩側螺紋的旋向相反，驅動左右兩側的上層機械手向左右兩側運動，上層機械手松開桿狀建筑后，停止上層絲杠電機;

(5)啟動升降電機進行反轉，帶動齒輪旋轉，由于下層機械手夾緊桿狀建筑，導致下層底板處于固定位置，齒條的嚙合帶動齒輪向下運動，齒輪連接在升降電機支座，升降電機支座固定在上層底板，從而帶動上層底板沿著豎直導向桿向下運動，爬桿機器人移動到指定距離，停止升降電機;

(6)啟動上層絲杠電機進行正轉，帶動上層絲杠旋轉，由于上層絲杠兩側螺紋的旋向相反，驅動左右兩側的上層機械手向中間運動，上層機械手夾緊桿狀建筑，停止上層絲杠電機. 如此循環(huán)運動，爬桿機器人可以沿著桿狀建筑向下攀爬到地面;

3.2 仿真結果

仿真結束后，通過ADAMS軟件的后處理獲得仿真結果曲線.

在一個步態(tài)周期內，爬桿機器人的下層底板在豎直方向的位移如圖7所示. 0 s時，位移曲線保持水平，表明下層底板沒有開始運動；2 s時，爬桿機器人的下層底板開始在豎直方向移動；4 s時，爬桿機器人的下層底板提升到最頂端，移動距離150 mm；4 s后，位移曲線保持水平狀態(tài)，表明下層底板保持不動.

圖7 下層底板在豎直方向的位移

在一個步態(tài)周期內，爬桿機器人的下層底板在豎直方向的速度如圖8所示. 0 s時，速度曲線保持為零，表明下層底板沒有開始運動；2 s時，速度開始逐漸變大；3 s時，速度達到最大值122 mm/s；3 s后，速度開始逐漸減?。? s時，速度為零. 正常情況下，4 s后下層底板停止運動，速度應該為零，但是速度曲線并未為零，而是在5.2 s后才逐漸歸零，這說明，在下層底板停止運動后，下層機械手的移動會對下層底板產生振動，導致速度不為零，同時由于爬桿機器人提升階段齒輪與齒條的接觸力產生振蕩，導致速度發(fā)生波動.

圖8 下層底板在豎直方向的速度

在一個步態(tài)周期內，爬桿機器人的上層底板在豎直方向的位移如圖9所示. 0 s時，位移曲線保持水平，表明上層底板沒有開始運動；7 s時，爬桿機器人的上層底板開始在豎直方向移動；9 s時，爬桿機器人的上層底板提升到最頂端，移動距離150 mm.

圖9 上層底板在豎直方向的位移

在一個步態(tài)周期內，爬桿機器人的上層底板質心在豎直方向的速度如圖10所示. 0 s時，速度曲線保持為零，表明上層底板沒有開始運動；7 s時，速度開始逐漸變大；8s時，速度達到最大值120 mm/s；8 s后，速度開始減小，由于齒輪與齒條的接觸力產生振蕩，導致速度發(fā)生波動；9 s時，速度為零.

圖10 上層底板在豎直方向速度

在一個步態(tài)周期內，爬桿機器人齒輪與齒條的接觸力如圖11所示. 0～2 s，齒輪與齒條的接觸力一直處于最大值950 N，表明齒輪與齒條沒有發(fā)生相對移動；2 s時，齒輪與齒條的接觸力急劇減小，此時處于上層底板夾緊、下層底板松開的狀態(tài)；2～4 s，齒輪與齒條的接觸力產生波動，此時處于爬桿機器人提升階段；4～5 s，齒輪與齒條的接觸力產生波動，此時處于下層機械手運動狀態(tài)；5～6 s， 齒輪與齒條的接觸力逐 漸 變大， 此時上層底板和下層底板都處于夾緊狀態(tài)；6～6.5 s，齒輪與齒條的接觸力逐漸變小， 此 時處于上層底板

圖11 齒輪與齒條的接觸力

松開、下層底板夾緊的狀態(tài)；6.5～7 s，齒輪與齒條的接觸力產生波動，此時處于上層機械手運動狀態(tài)；7～9 s，齒輪與齒條的接觸力產生波動，此時處于爬桿機器人提升階段.

4 結論

(1)通過分析樹袋熊的攀爬步態(tài)和關節(jié)角度，獲得樹袋熊的攀爬特性，為爬桿機器人的結構設計提供仿生基礎；

(2)通過三維建模和仿真分析，獲得爬桿機器人上層底板與下層底板在豎直方向的移動距離均為150 mm，爬桿機器人上層底板與下層底板在豎直方向的速度變化范圍均為0～20 mm/s，爬桿機器人齒輪與齒條的最大接觸力950 N，為后續(xù)的結構優(yōu)化提供參考.