新型爬桿清潔機器人的設計與仿真

王振秋+薛建琪+張宇崴+狄海廷

摘 要：針對變直徑桿件，設計一種爬桿清潔機器人。該機器人由上機械手、下機械手、曲柄連桿機構等組成。上機械手和下機械手分別模擬人的上肢和下肢，輪流夾緊桿體，在曲柄連桿機構的驅動下，實現機器人的攀爬運動。在機器人本體上安裝有清潔刷，在機器人攀爬過程中實現自動清潔。通過控制上機械手和下機械手夾緊和松開桿體的順序，即可實現機器人的攀爬方向。利用Solid Works對該爬桿清潔機器人的結構進行三維建模和運動仿真分析。仿真結果表明，該機器人不僅可實現變直徑桿件的攀爬清潔，還可實現對桿件某一部位的反復清潔。

關鍵詞：爬桿機器人；變直徑桿件攀爬；仿生機器人；運動仿真

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0015-02

隨著經濟的不斷增長，城市中出現了更多的集實用性與美觀性于一體的路燈桿、電線桿、廣告牌立柱及大橋鋼索等桿件物體，它們常年裸露在空氣中，會受到酸性物質的腐蝕，縮短使用壽命，影響美觀，所以需要定期進行維護。但高空作業存在勞動強度大、效率低、危險性大、成本高等問題。因此國內外學者對爬桿機器人進行了很多研究，郭志東等人發明了一種道路燈桿擦洗清洗設備，該裝置機構龐大笨重，造價很高，而且在使用過程中所消耗的能源很大，制約了在實際工程中的應用。李楠等人提出一種多姿態爬桿機器人，可在一定程度上適應變徑桿的三角攀爬，但該裝置需要7個電機進行協同操作，機構繁瑣笨重，適用性不強。本文設計了一種可以適應不同直徑的仿生爬桿清潔機器人，它不僅可以實現高效環保地對桿件進行清潔，而且具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低等優點。另外，該機器人還可以用于桿件類外表面的噴漆美化等。

1 爬桿清潔機器人結構設計

1.1 爬桿清潔機器人的結構組成

機器人整體結構由上機械手，下機械手，曲柄連桿機構、清潔刷、以及驅動機構等組成。上機械手部分固定在套筒上，套筒套在導桿上，并且可以沿導桿滑動；下機械手部分固定在導桿上。機械人模擬人爬樹的動作，上機械手和下機械手分別模擬人的上肢和下肢，輪流夾緊桿體；上機械手和下機械手部分通過曲柄連桿機構進行連接。電機帶動曲柄運動，進而帶動連桿擺動，推動機器人上下移動；同時手爪控制電機通過齒輪傳動使上機械手爪及下機械手爪水平移動，實現機器人對桿件的抓緊和松開。在機器人本體上安裝有清潔刷，清潔刷在機器人攀爬過程中始終保持與桿件的緊密接觸，實現自動清潔。

1.2 機器人各部分結構

1.2.1 爬升結構

機器人模仿人爬樹的動作，上端機械手和下端機械手分別模擬人的手腳輪流夾緊桿體，以曲柄連桿機構代替人的軀干產生伸縮動作，實現機器人的爬桿動作。曲柄連桿機構將曲柄的旋轉運動轉化為連桿的直線運動，當曲柄在電機的帶動下轉動一周時，機器人便爬行一個步長；在爬桿過程中，清潔頭處于工作狀態，實現桿件的清潔。

1.2.2 變直徑結構

機械手結構圖如圖1所示。在機械手處安裝壓力傳感器，當控制主動錐齒輪電機轉動時，帶動主動錐齒輪轉動，主動錐齒輪帶動從動錐齒輪轉動，從動錐齒輪與齒輪軸連接，齒輪軸內加工有通軸的平鍵槽；圖1中的絲杠上有平鍵與螺紋，其平鍵與齒輪軸相連，并可沿著齒輪軸內的平鍵槽左右滑動，該螺紋與從動錐齒輪支架上的通孔螺紋相連接，當從動錐齒輪轉動時，就會帶動齒輪軸轉動，從而帶動絲杠左右滑動，絲杠前端安裝有機械手爪；絲杠的左右滑動可帶動機械手爪左右滑動，內層機械手處的壓力傳感器反饋壓力信號，當達到一定夾緊壓力值時，電機停止轉動，從而實現機械手爪對不同桿徑的桿件進行夾緊和松開，實現攀爬功能。

1.2.3 驅動機構

整個爬桿清潔機器人由三個步進電機進行驅動，一個電機對曲柄連桿機構進行驅動，另外兩個電機通過齒輪傳動機構和滾珠絲杠機構對機械手進行控制，帶動上端機械手和下端機械手運動并實現其夾緊和松開的動作。

2 爬桿機器人動作過程

機器人爬桿運動過程如圖2所示：（1）在初始狀態1時，下機械手抓緊、上機械手松開。（2）上機械手控制電機正轉，使上機械手爪夾緊桿體；同時，下機械手控制電機反轉，使下機械手松開桿體。在此過程中，曲柄連桿電機持續回轉，即狀態2。（3）曲柄連桿電機繼續回轉，當曲柄連桿控制電機轉動180度角時，曲柄轉動180度角，機器人下機械手部分在曲柄連桿的帶動下，向上爬行半個步距，即狀態3。（4）下機械手控制電機正轉，使下機械手夾緊桿體；同時，上機械手控制電機反轉，使上機械手松開桿體。在此過程中，曲柄連桿電機持續回轉，即狀態4。（5）曲柄連桿電機繼續回轉。當曲柄再繼續轉動180度角時，機器人上機械手部分在曲柄連桿的帶動下，向上爬行半個步距，即狀態5。

曲柄每轉動一圈，機器人整體向上爬行一個步距，重復狀態1到5就可以準確實現機器人整體的向上爬行。整個爬行過程中，清潔刷一直處于抱緊桿體的狀態，從而對桿件進行清潔。改變上機械手和下機械手控制電機的正反轉順序，就可改變機器人的爬行方向。

在對桿件某一部位進行反復清潔時，控制下機械手一直處于夾緊桿體狀態，控制上機械手處于松開桿體狀態，控制曲柄連桿控制電機處于持續工作狀態，上清潔刷就會在該桿件的相應部位進行反復上下運動，從而實現反復清潔。

3 爬桿機器人的仿真

爬桿機器人變直徑及局部反復清潔仿真示圖如圖3所示。

通過變直徑及局部反復清洗的仿真，驗證了該爬桿清潔機器人可以很好地實現對變直徑桿件的清洗，并且還可對桿件的某一局部進行反復清洗，很好地實現了預期的設計。

4 結束語

本文設計的適用不同直徑的仿生爬桿機器人具有如下特點。（1）設計提出了一種仿生機器人自動爬桿機構，利用上、下端機械手輪流夾緊桿體，采用曲柄連桿機構使機器人軀干產生伸縮動作，實現機器人的爬桿動作，具有結構簡單、成本低、實用性強的特點；（2）當桿徑發生變化時，根據機械手處的壓力傳感器的反饋信號來控制電機的轉動，電機通過錐齒輪傳動將動力傳給滾珠絲杠，使絲杠前進或后退，實現對不同桿徑的桿件進行夾緊和松開，從而解決了機器人對不同直徑桿件的攀爬這一問題；（3）該機器人還可以通過控制上下機械手的電機，控制機械手狀態，從而實現對桿件的反復清洗。

在對機器人的結構并闡明原理的基礎上，利用Solid Works建立了機器人樣機模型，并對裝配體進行了仿真分析，仿真結果驗證了機器人變直徑結構及局部反復清潔原理的合理性。

參考文獻：

[1]韓曉建，楊衛杰，高寰宇，等.基于連桿機構的四足仿生機器人運動學分析及足跡優化[J].森林工程，2017，32（1）：52-58.

[2]付秀，辛穎，谷周澎.一種基于人機交互的樹干智能涂白裝置結構設計[J].森林工程，2016，31（5）：55-58.

[3]楊春梅，郭明慧，馬巖，等.步行割灌機行走部分結構設計與研究[J].森林工程，2016，31（5）：48-54.

[4]郭志越，王偉，莊煜，等.基于Solidworks的農業信息采集系統設計[J].森林工程，2015（04）：92-97.