一種氣缸反推爬梯子裝置

李巧全

摘 要：隨著科學技術的快速發展，人們對于機器人的研發越來越深入。目前，許多領域都出現了機器人代勞的場景。該文介紹的是一種氣缸反推爬梯子裝置，通過控制電磁閥實現氣流換向，進而使氣缸推動裝置在梯子上爬動。經試驗驗證，該裝置可以在梯子上快速爬動。

關鍵詞：爬梯子 反推 氣缸爬梯子

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（c）-0068-01

隨著人類對機器人的研發越來越深入，機器人已經成為人們日常生活不可分割的一部分。它們可以代替人在環境惡劣、高危險的地方工作，并能取得可觀的效益。比如消防員在了解災情，營救被困人員時，經常受高空、濃煙等一系列惡劣因素的影響，工作進展緩慢。對此，該文設計了一種快速爬梯子裝置，用雙作用氣缸作為動力源，通過控制電磁閥，實現氣流換向，使氣缸循環地做伸出、收縮動作，推動裝置向上快速移動。

1 設計方案及結構組成

該裝置設計的主要立足點在于盡可能減輕機身自重，并能夠在梯子上快速地爬動。該裝置由機架、自動復位鉤子和氣缸動力機構三部分組成。氣缸動力機構位于機架下方內部。裝置在梯子上爬動時，機架直接與橫桿接觸，氣缸動力機構與橫桿不接觸。下圖為實物模型。

1.1 機架

裝置在爬行時，對重量有一定的限制，想要攜帶更重的物體意味著裝置本身重量要盡可能輕。對此，在保證裝置強度的前提下，與梯子直接接觸的兩根桿用20×20×1.5的鋁方管，上方斜角支架用25×15×1.5的鋁合金，其他桿用30×30×1的鋁方管。在滿足強度要求的前提下，分別在30×30×1和25×25×1.5的鋁方管上加工一排?15的減重孔，進一步減輕重量。兩根20×20×1.5鋁方管的前端加工成30 °的斜面。管與管之間用鋁焊連接，其優點是：不會和螺栓連接方式一樣產生間隙，影響裝置的爬動。

1.2 自動復位鉤子

在裝置爬行時，不采用機械機構使鉤子復位。我們在鉤子上加工一個?2.5的孔，裝上橡皮筋，將橡皮筋另一端固定在鉤子支座的螺栓上（圖中為顯示出）。在裝置靜止時，鉤子處于圖中位置。分析鉤子運動狀態知，鉤子在此位置能順時針轉動，逆時針運動應被限制。對此，我們巧妙地將鉤子頂端兩直角進行處理：左邊直角加工出一個合適的圓角，右邊直角保持不變。此時，鉤子安裝在支座上，鉤子轉動時支座對右邊直角限位，而對左邊圓角沒有限制，即鉤子在此位置能夠順時針轉動，收回機身內部，逆時針運動受到限制，保持原狀態。

1.3 氣缸動力機構

貓用后腿蹬的動作來給爬梯子提供動力，從中得到啟發，我們用氣缸推動鉤子向后伸出的動作來模仿貓的動作。氣缸的行程要根據梯子的間距來選擇。實驗時，我們所用的橫桿間距是200 mm，氣缸行程是200 mm，前端鉤子與后端鉤子的最近距離為200 mm。氣缸桿在伸縮時會隨機轉動，對此我們設計了導向機構，所用材料為10×10 mm的碳纖維方管和?8的碳纖維圓管。使用AB膠將碳纖維圓管與固定件粘合在一起。經驗證，其強度滿足爬行要求。另外，用扎帶將缸體的無固定端與上方機架固定，避免缸體向下傾斜干擾裝置正常爬行。

2 工作原理

所謂氣缸反推爬梯子裝置，即是依靠氣缸反推提供動力，推動裝置爬行。其工作過程如下：

將裝置放在梯子上，打開氣源，氣缸桿帶動鉤子向后快速伸出，鉤子碰到橫桿，根據作用力與反作用力原理，裝置向前快速移動；在氣缸桿完全伸出后，前端鉤子碰到下級橫桿，并順時針旋轉，收回到機身內部。此時裝置具有動能，依靠慣性繼續移動，前端鉤子最終越過橫桿，在橡皮筋作用下復位，鉤住橫桿。在這個過程中控制電磁閥使氣流換向，氣缸桿帶動后端鉤子快速收回，最終裝置恢復初始狀態。控制電磁閥使氣流循環換向，裝置即可快速爬上梯子。

3 裝置創新點

經試驗驗證，我們發現該裝置的主要特點為：加工制作容易，成本較低，爬行速度快。

本裝置的創新點在于氣缸的作用方式和鉤子的設計，模仿貓的動作，氣缸推動裝置前行的方式節省掉氣缸桿收回過程的時間消耗，使裝置爬行更迅速。鉤子上的限位處理和橡皮筋的使用看似簡單，卻巧妙的解決了裝置爬行過程所遇到的問題，也不失為亮點之一。

4 結語

該文所設計的方案利用氣缸桿反向推出來模仿貓的動作，方便地實現了裝置的快速爬動。該設計制作簡單，成本較低，其運動達到了設計要求。但該方案還存在一些不足，如不能自由爬下梯子，只能爬上梯子，自帶氣源太小等問題，這些還有待于進一步的討論和研究。更進一步的研究方向包括上下均可爬動和提高裝置使用范圍。總的來說，該裝置運動迅速，成本低廉，對進一步研究爬梯子機器人具有一定的價值。

參考文獻

[1] 聞邦椿，宋錦春.機械設計手冊[M].5版.機械工業出版社，2010.

[2] 劉鴻文.簡明材料力學[M].高等教育出版社，2008.

[3] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].高等教育出版社，2006.

[4] 徐昭光，歐珠光.理論力學[M].武漢大學出版社，2005.

[5] 李兆銓，周明研.機械制造技術（上冊）[M].中國水利水電出版社，2005.endprint

摘 要：隨著科學技術的快速發展，人們對于機器人的研發越來越深入。目前，許多領域都出現了機器人代勞的場景。該文介紹的是一種氣缸反推爬梯子裝置，通過控制電磁閥實現氣流換向，進而使氣缸推動裝置在梯子上爬動。經試驗驗證，該裝置可以在梯子上快速爬動。

關鍵詞：爬梯子 反推 氣缸爬梯子

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（c）-0068-01

隨著人類對機器人的研發越來越深入，機器人已經成為人們日常生活不可分割的一部分。它們可以代替人在環境惡劣、高危險的地方工作，并能取得可觀的效益。比如消防員在了解災情，營救被困人員時，經常受高空、濃煙等一系列惡劣因素的影響，工作進展緩慢。對此，該文設計了一種快速爬梯子裝置，用雙作用氣缸作為動力源，通過控制電磁閥，實現氣流換向，使氣缸循環地做伸出、收縮動作，推動裝置向上快速移動。

1 設計方案及結構組成

該裝置設計的主要立足點在于盡可能減輕機身自重，并能夠在梯子上快速地爬動。該裝置由機架、自動復位鉤子和氣缸動力機構三部分組成。氣缸動力機構位于機架下方內部。裝置在梯子上爬動時，機架直接與橫桿接觸，氣缸動力機構與橫桿不接觸。下圖為實物模型。

1.1 機架

裝置在爬行時，對重量有一定的限制，想要攜帶更重的物體意味著裝置本身重量要盡可能輕。對此，在保證裝置強度的前提下，與梯子直接接觸的兩根桿用20×20×1.5的鋁方管，上方斜角支架用25×15×1.5的鋁合金，其他桿用30×30×1的鋁方管。在滿足強度要求的前提下，分別在30×30×1和25×25×1.5的鋁方管上加工一排?15的減重孔，進一步減輕重量。兩根20×20×1.5鋁方管的前端加工成30 °的斜面。管與管之間用鋁焊連接，其優點是：不會和螺栓連接方式一樣產生間隙，影響裝置的爬動。

1.2 自動復位鉤子

在裝置爬行時，不采用機械機構使鉤子復位。我們在鉤子上加工一個?2.5的孔，裝上橡皮筋，將橡皮筋另一端固定在鉤子支座的螺栓上（圖中為顯示出）。在裝置靜止時，鉤子處于圖中位置。分析鉤子運動狀態知，鉤子在此位置能順時針轉動，逆時針運動應被限制。對此，我們巧妙地將鉤子頂端兩直角進行處理：左邊直角加工出一個合適的圓角，右邊直角保持不變。此時，鉤子安裝在支座上，鉤子轉動時支座對右邊直角限位，而對左邊圓角沒有限制，即鉤子在此位置能夠順時針轉動，收回機身內部，逆時針運動受到限制，保持原狀態。

1.3 氣缸動力機構

貓用后腿蹬的動作來給爬梯子提供動力，從中得到啟發，我們用氣缸推動鉤子向后伸出的動作來模仿貓的動作。氣缸的行程要根據梯子的間距來選擇。實驗時，我們所用的橫桿間距是200 mm，氣缸行程是200 mm，前端鉤子與后端鉤子的最近距離為200 mm。氣缸桿在伸縮時會隨機轉動，對此我們設計了導向機構，所用材料為10×10 mm的碳纖維方管和?8的碳纖維圓管。使用AB膠將碳纖維圓管與固定件粘合在一起。經驗證，其強度滿足爬行要求。另外，用扎帶將缸體的無固定端與上方機架固定，避免缸體向下傾斜干擾裝置正常爬行。

2 工作原理

所謂氣缸反推爬梯子裝置，即是依靠氣缸反推提供動力，推動裝置爬行。其工作過程如下：

將裝置放在梯子上，打開氣源，氣缸桿帶動鉤子向后快速伸出，鉤子碰到橫桿，根據作用力與反作用力原理，裝置向前快速移動；在氣缸桿完全伸出后，前端鉤子碰到下級橫桿，并順時針旋轉，收回到機身內部。此時裝置具有動能，依靠慣性繼續移動，前端鉤子最終越過橫桿，在橡皮筋作用下復位，鉤住橫桿。在這個過程中控制電磁閥使氣流換向，氣缸桿帶動后端鉤子快速收回，最終裝置恢復初始狀態。控制電磁閥使氣流循環換向，裝置即可快速爬上梯子。

3 裝置創新點

經試驗驗證，我們發現該裝置的主要特點為：加工制作容易，成本較低，爬行速度快。

本裝置的創新點在于氣缸的作用方式和鉤子的設計，模仿貓的動作，氣缸推動裝置前行的方式節省掉氣缸桿收回過程的時間消耗，使裝置爬行更迅速。鉤子上的限位處理和橡皮筋的使用看似簡單，卻巧妙的解決了裝置爬行過程所遇到的問題，也不失為亮點之一。

4 結語

該文所設計的方案利用氣缸桿反向推出來模仿貓的動作，方便地實現了裝置的快速爬動。該設計制作簡單，成本較低，其運動達到了設計要求。但該方案還存在一些不足，如不能自由爬下梯子，只能爬上梯子，自帶氣源太小等問題，這些還有待于進一步的討論和研究。更進一步的研究方向包括上下均可爬動和提高裝置使用范圍。總的來說，該裝置運動迅速，成本低廉，對進一步研究爬梯子機器人具有一定的價值。

參考文獻

[1] 聞邦椿，宋錦春.機械設計手冊[M].5版.機械工業出版社，2010.

[2] 劉鴻文.簡明材料力學[M].高等教育出版社，2008.

[3] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].高等教育出版社，2006.

[4] 徐昭光，歐珠光.理論力學[M].武漢大學出版社，2005.

[5] 李兆銓，周明研.機械制造技術（上冊）[M].中國水利水電出版社，2005.endprint

摘 要：隨著科學技術的快速發展，人們對于機器人的研發越來越深入。目前，許多領域都出現了機器人代勞的場景。該文介紹的是一種氣缸反推爬梯子裝置，通過控制電磁閥實現氣流換向，進而使氣缸推動裝置在梯子上爬動。經試驗驗證，該裝置可以在梯子上快速爬動。

關鍵詞：爬梯子 反推 氣缸爬梯子

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（c）-0068-01

隨著人類對機器人的研發越來越深入，機器人已經成為人們日常生活不可分割的一部分。它們可以代替人在環境惡劣、高危險的地方工作，并能取得可觀的效益。比如消防員在了解災情，營救被困人員時，經常受高空、濃煙等一系列惡劣因素的影響，工作進展緩慢。對此，該文設計了一種快速爬梯子裝置，用雙作用氣缸作為動力源，通過控制電磁閥，實現氣流換向，使氣缸循環地做伸出、收縮動作，推動裝置向上快速移動。

1 設計方案及結構組成

該裝置設計的主要立足點在于盡可能減輕機身自重，并能夠在梯子上快速地爬動。該裝置由機架、自動復位鉤子和氣缸動力機構三部分組成。氣缸動力機構位于機架下方內部。裝置在梯子上爬動時，機架直接與橫桿接觸，氣缸動力機構與橫桿不接觸。下圖為實物模型。

1.1 機架

裝置在爬行時，對重量有一定的限制，想要攜帶更重的物體意味著裝置本身重量要盡可能輕。對此，在保證裝置強度的前提下，與梯子直接接觸的兩根桿用20×20×1.5的鋁方管，上方斜角支架用25×15×1.5的鋁合金，其他桿用30×30×1的鋁方管。在滿足強度要求的前提下，分別在30×30×1和25×25×1.5的鋁方管上加工一排?15的減重孔，進一步減輕重量。兩根20×20×1.5鋁方管的前端加工成30 °的斜面。管與管之間用鋁焊連接，其優點是：不會和螺栓連接方式一樣產生間隙，影響裝置的爬動。

1.2 自動復位鉤子

在裝置爬行時，不采用機械機構使鉤子復位。我們在鉤子上加工一個?2.5的孔，裝上橡皮筋，將橡皮筋另一端固定在鉤子支座的螺栓上（圖中為顯示出）。在裝置靜止時，鉤子處于圖中位置。分析鉤子運動狀態知，鉤子在此位置能順時針轉動，逆時針運動應被限制。對此，我們巧妙地將鉤子頂端兩直角進行處理：左邊直角加工出一個合適的圓角，右邊直角保持不變。此時，鉤子安裝在支座上，鉤子轉動時支座對右邊直角限位，而對左邊圓角沒有限制，即鉤子在此位置能夠順時針轉動，收回機身內部，逆時針運動受到限制，保持原狀態。

1.3 氣缸動力機構

貓用后腿蹬的動作來給爬梯子提供動力，從中得到啟發，我們用氣缸推動鉤子向后伸出的動作來模仿貓的動作。氣缸的行程要根據梯子的間距來選擇。實驗時，我們所用的橫桿間距是200 mm，氣缸行程是200 mm，前端鉤子與后端鉤子的最近距離為200 mm。氣缸桿在伸縮時會隨機轉動，對此我們設計了導向機構，所用材料為10×10 mm的碳纖維方管和?8的碳纖維圓管。使用AB膠將碳纖維圓管與固定件粘合在一起。經驗證，其強度滿足爬行要求。另外，用扎帶將缸體的無固定端與上方機架固定，避免缸體向下傾斜干擾裝置正常爬行。

2 工作原理

所謂氣缸反推爬梯子裝置，即是依靠氣缸反推提供動力，推動裝置爬行。其工作過程如下：

將裝置放在梯子上，打開氣源，氣缸桿帶動鉤子向后快速伸出，鉤子碰到橫桿，根據作用力與反作用力原理，裝置向前快速移動；在氣缸桿完全伸出后，前端鉤子碰到下級橫桿，并順時針旋轉，收回到機身內部。此時裝置具有動能，依靠慣性繼續移動，前端鉤子最終越過橫桿，在橡皮筋作用下復位，鉤住橫桿。在這個過程中控制電磁閥使氣流換向，氣缸桿帶動后端鉤子快速收回，最終裝置恢復初始狀態。控制電磁閥使氣流循環換向，裝置即可快速爬上梯子。

3 裝置創新點

經試驗驗證，我們發現該裝置的主要特點為：加工制作容易，成本較低，爬行速度快。

本裝置的創新點在于氣缸的作用方式和鉤子的設計，模仿貓的動作，氣缸推動裝置前行的方式節省掉氣缸桿收回過程的時間消耗，使裝置爬行更迅速。鉤子上的限位處理和橡皮筋的使用看似簡單，卻巧妙的解決了裝置爬行過程所遇到的問題，也不失為亮點之一。

4 結語

該文所設計的方案利用氣缸桿反向推出來模仿貓的動作，方便地實現了裝置的快速爬動。該設計制作簡單，成本較低，其運動達到了設計要求。但該方案還存在一些不足，如不能自由爬下梯子，只能爬上梯子，自帶氣源太小等問題，這些還有待于進一步的討論和研究。更進一步的研究方向包括上下均可爬動和提高裝置使用范圍。總的來說，該裝置運動迅速，成本低廉，對進一步研究爬梯子機器人具有一定的價值。

參考文獻

[1] 聞邦椿，宋錦春.機械設計手冊[M].5版.機械工業出版社，2010.

[2] 劉鴻文.簡明材料力學[M].高等教育出版社，2008.

[3] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].高等教育出版社，2006.

[4] 徐昭光，歐珠光.理論力學[M].武漢大學出版社，2005.

[5] 李兆銓，周明研.機械制造技術（上冊）[M].中國水利水電出版社，2005.endprint