淺談爬桿機器人原理

李傳敏 王萌杰

摘要：本文選取了國內自主研制的幾類爬桿機器人作以比較。得出大都采用凸輪夾緊機構，由于凸輪的不可伸縮性，一個爬行器只能爬行直徑的等直徑桿件。爬行機器人體積小重量輕易于操作和維修。由于目前對于爬桿機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展空間。為今后爬桿機器人的發展。奠定一定的基礎。

關鍵詞：機器人；爬桿

【中圖分類號】TP242【文獻標識碼】A【文章編號】2236-1879（2017）12-0313-01

1研制背景及意義

隨著我國國民經濟的飛速發展，人民生活不斷提高，城鎮中矗立起無數的高層城市建筑，各類即實用又美觀的電線桿、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、玻璃鋼結構，通常其又長又高，環境危險，由于常年裸露在大氣之中，長時間的風吹日曬，會影響到它的美觀，同時復雜的空氣成分也會對金屬桿件腐蝕和破壞，使他們快速生銹縮短壽命。傳統的清理辦法有人工清理和使用化學藥劑，不僅費時費力有污染，而且效率低下，耗資巨大，爬桿機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自主研制的幾類爬桿機器人作以比較：

清華大學學生研發的自重式鎖緊機構，框架由兩根連在一起的運動桿及運動桿兩端的自重鎖緊機構構成，由電機驅動。垂直爬行時自重和運動方向相反，靠機構自重和反向推力使鋼球被鎖緊機構中傾斜的滑塊和爬桿緊密夾緊在一起，從而達到鎖緊目的。該結構簡單，可以垂直爬行范圍變化較小的變直徑桿，缺點是只適合向上爬行運動，反向爬行自重與運動方向一致，無法進行自鎖。

該機構改進后由微型氣缸推動鋼球解鎖，能夠在垂直桿進行往復運動，但需要加上一套氣動控制設備，目前要實現變直徑桿的爬行和返回只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，上升和下降的需要氣壓調節，造價較大，因此該方法還處于理論研究階段。

上海交通大學機器人研究所研究開發的斜拉橋纜索涂裝維護用氣動蠕動式爬纜機器，可在有斜度的纜索上爬行，具有實用性，能夠完成檢測，清潔纜索等功能。機器結構簡單，由爬升結構加裝相應的作業模塊，爬升機構分為上下兩部分，兩部分之間用提升氣缸和兩組導向軸副相連接，可相對移動一個行程的距離。

上下兩部分各沿圓周均勻分布有3個能夠調節的安裝塊，用于夾緊缸，夾緊爪，導向缸和導向輪總成在不同直徑的纜索上安裝。

哈爾濱工程大學研發的沿桅桿或繩索爬行的機器人，傳動機構采用曲柄連桿機構，機器人由兩個形狀相似的圓形套筒內嵌由一對活動v塊卡爪、一對槽型凸輪、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滑塊作為自鎖套，當機構具有向下運動的趨勢時，下自鎖套因受到自鎖機構的限制而固定不動，把其受到的向下的力轉化為向上的反作用力，推動機構向上運動。（如右上圖所示）

北京理工大學研發出了，一種步進式管線爬行機構。該機構的組成由兩個爪，臂裝置和機體組成，通過轉動關節和滑塊關節連接，這種機構可以避免法蘭障礙。

爬行時爪1抓住管道外徑，爪2張開，兩塊機體之間相對移動，爪2抓住管道外徑，爪1松開，兩塊集體相對移動，爬行機構就這樣交替前行，當爬行過程中爬行機構的中心發生偏轉，能夠通過兩機體間的側向滑軌矯正機構及其運動方向。

3分析總結

因此本文選取了國內自主研制的幾類爬桿機器人作以比較：

在設計移動爬桿機器人系統時，首先應考慮爬桿機器人的用途，因為用途決定了機器人的構造，此外還應考慮機器人的工作環境有無特殊要求，使用年限的疲勞校核，外觀尺寸，材質和制造費用，以便更符合生產實際勞動。

通過上訴幾類爬行機構不難得知，他們大都采用凸輪夾緊機構，由于凸輪的不可伸縮性，一個爬行器只能爬行直徑的等直徑桿件。目前要實現變直徑桿的爬行則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，單其上升和下降由氣壓控制，還需要氣源和氣動控制，因此設備成本和維護費用較高。

由于爬行設備的特殊性及提高運動性和安全性方面考慮，需盡量使爬行機器人體積小重量輕易于操作和維修；從系統的工作性能考慮，應使爬行機器人的工作沖擊較小運行穩；從作業環境來看，由于在桿上爬行，在結構設計時應細致考慮對結構尺寸的限制，各組件的合理布置，力求機構簡單可靠；由于最終爬行機構是要解決實際生產勞動的，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準化小部件，減少自行設計和加工元件，以減少設計難度和提高可靠性，降低制造成本。

結構原理分析尺蟆的運動方式是一種蠕動爬行，蠕動是一種周期性的動作，蠕動體的姿態呈現某種規律性的變化。機器人的本體是指機器人移動作業的部分。我們所設計的尺鑊式爬行機器人的本體部分主要由三個機械單元組成，分為上、下夾緊機構和傳動機構，傳動機構在中間分別與上、下夾緊機構相連接。上、下夾緊機構分別起著保持器的作用，而軀干部分則起著推進器的作用。

對于夾緊機構分析，其夾緊方式主要有兩種：機械式和液氣壓式。機械式夾緊裝置調節簡易，制作成本低，但精確度不高，適應類型也有限；液氣壓式夾緊裝置夾緊力調節方便、工作狀態穩定可靠，但需要液氣源和液氣動控制系統支持，體積龐大、噪音污染大并且其設備成本和維護費用較高。二者目前均處于探索開發階段。由于目前對于爬桿機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展空間。

參考文獻

[1]雙手爪爬桿機器人對桿件的位姿檢測與自主抓夾.胡杰.

[2]爬桿機器人運動原理及動力學研究.陳明森.

[3]孫成通.機械制造技術基礎[M].山東人民出版社：王晶/馬潔，2012：3-13.