一種新型攀爬機器人的設計與性能分析

謝浩，張敏良，龔楠，柴寧生，史春光

（201620 上海 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

隨著城市發展，工程設施中會用到很多高桿設施，例如電線桿、路燈桿、廣告牌桿、風力發電桿等，而它們需要進行清洗與維護[1]，目前此項工作多由人力完成。人工高空作業具有效率低、成本高、安全性低等缺點，因此采用爬桿機器人代替人工進行高空作業成為今后發展的趨勢。按照夾持桿件的方式，爬桿機器人大體可以分為夾持式、鉤爪式和環抱式3 類[2～3]。鮑秀蘭[4]等介紹了一種利用凸輪機構進行攀爬與夾持功能的機器人，根據凸輪的設計，機器人可完成上下夾持與攀爬3 種狀態，但這種攀爬機器人只使用凸輪機構完成了上升、夾持2種運動，缺乏安全性與穩定性；王才東[5]等介紹了一種自鎖式爬升機器人，機器人的重心靠外，利用重力產生傾覆力矩使得上下鎖緊輪對桿件進行力的平衡，進而完成自鎖功能，攀升功能利用鎖緊輪可以滾動，進行上下攀爬，但對變截面桿件缺乏實用性；卡耐基梅隆大學研制了一種模塊化蛇形機器人[6]，可以像蛇一樣在空間內蜿蜒運動、翻滾以及攀爬，但是不可攜帶太多的負載；楊書建[7]的關節-輪式爬桿機器人設計中，通過4 個萬向輪安裝在夾持爪內部，通過鎖住萬向輪，電機帶動夾持爪合攏夾持桿件，攀升則通過解開輪鎖，利用輪轉動上升，但爬桿機器人對于萬向輪的磨損過大，不宜長時間工作。

本文提出一種新型攀爬機器人，該機器人采用電機及氣動驅動完成移動與夾持等功能。本文在簡述該機器人整體構型與工作原理的基礎上，分析夾持機構處運動位移方程，并對整體攀爬機器人建立運動學仿真模型，分析其攀爬性能。

1 爬桿機器人設計與工作原理

1.1 整體設計

研究設計的攀爬機器人運動為蠕動爬行，該機器人由上升機構、上下夾持機構與拉升裝置3 個部分組成，整體結構如圖1 所示。上下夾持機構在攀爬過程中起到對桿件進行夾持的作用；下工作臺帶有凸輪推升機構，完成上工作臺的攀升；上下兩個工作臺中間通過拉升裝置完成下工作臺的攀升。

圖1 攀爬機器人整體機構模型Fig.1 Overall mechanism model of climbing robot

上工作平臺包括上夾持機構、儲氣罐和套筒。夾持機構由機械手固定裝置、機械手組成，上下夾持機構平臺之間有成角度的4 組連桿及拉升裝置；下工作平臺包括主動凸輪、推桿、下夾持機構及電機。電機帶動凸輪做圓周運動，推桿與凸輪接觸，凸輪做圓周運動，推動推桿上升，推桿頂部將與固定在上夾持機構的套筒接觸，從而帶動上工作平臺向上攀爬，而拉升裝置則完成下夾持機構上升動作。

夾持機構作為單獨的機構通過固定裝置與上下工作平臺固定在一起，通過控制通放氣、氣缸桿的伸縮完成上下夾持爪夾持和松弛動作；通過凸輪、氣缸的配合使用，完成攀升、夾持等配合動作。

為避免機器人在運動過程中掉落，上下夾持機構在運動期間至少有一個處于夾緊狀態，并可實現放松與夾緊等動作。因此，選擇氣動式夾持機構，通過氣缸桿的伸縮可確保攀升過程中機器人的穩定性。上夾持機構平臺設置的套筒與滑動推桿不僅起到支撐作用，也可完成攀升動作。同時，根據凸輪的圓周運動，滑動推桿完成推升動作后，隨著凸輪轉動而垂直向下運動，不會影響二工作平臺的位移變化。為確保裝置的安全性，根據冗余理論[8～9]，在二工作平臺間加入4 組成一定角度的連桿與拉升裝置配合，4 組連桿與拉升裝置分別置于工作平臺的4 個邊角，左側2 組與右側2 組成鏡像關系，而同一側的2 組以平臺中心線為對稱線分布，4 組連桿可將工作臺的質量平均分擔，不僅起到對上下夾持機構工作平臺的支撐作用，又保證了整體機器人動作的連貫性與穩定性。4 個拉升裝置的存在也會分擔對下工作平臺拉升的作用力，保護拉升裝置不會因負載過大而損壞。

1.2 步態分析

（1）初始狀態1

上夾持機構夾持柱體，下夾持爪處于松弛狀態，凸輪機構處于停轉狀態，拉升裝置拉動下工作平臺緩慢上升。

（2）狀態2

拉升裝置停止拉升，下夾持機構夾持柱體，上夾持機構處于松弛狀態，此時電機啟動，凸輪轉動一個周期，推桿推動上平臺攀升。

（3）狀態3

凸輪由近休止點運動到遠休止處，此時上夾持爪夾持柱體，凸輪繼續運轉回位，此時為上下夾持爪共同夾持柱體，維持凸輪旋轉180°所用的時間，然后重新進入初始步態1。

上述動作重復循環，攀爬機器人即可自動完成攀爬動作；反之，當將拉升裝置改變拉升方向即可完成向下的攀爬動作。

2 夾持連桿機構運動學分析

為了確定夾持機構連桿爪部與連桿間的運動與位移關系，利用D-H 參數法[10～11]分析夾持機構各連桿之間的位移關系，在夾持機構中的每個連桿連接處設立一個坐標系，然后使用4×4 的齊次變換矩陣描述相鄰2 個連桿的空間關系，通過依次變換推導出“工具坐標系”相對于“基坐標系”的等價齊次變換矩陣，建立夾持機構運動學方程。

由于夾持連桿機構為左右對稱機構，因此取夾持連桿機構左半部進行運動學分析，建立如圖2所示的各關節原點坐標系。

以夾持連桿機構左部建立D-H 變換矩陣，求得各坐標參數如表1 所示。

表1 夾持連桿機構D-H 坐標參數表Tab.1 D-H coordinate parameters of clamping linkage mechanism

根據齊次變換法可得到坐標系{i-1}到{i}的齊次變換矩陣：

式（1）給出了此夾持連桿機構的運動學方程，它完整地描述了末端坐標系相對基座標系的位姿。

校核所得結果的準確性，令θ1=0°，θ2=0°，θ3=0°，θ4=β，θ5=0°，θ6=0°，則齊次變換矩陣為

計算結果與圖2 中的坐標系{6}完全一致。

圖2 夾持連桿機構左半部D-H 坐標系Fig.2 D-H coordinate system of left half of clamping linkage mechanism

3 攀爬仿真分析

基于SolidWorks 軟件的實體建模技術，完成對機器人的各機構的建模并裝配，得到了攀爬機器人的三維模型。將三維模型導入到ADAMS 仿真軟件中[12]。根據攀爬機器人的運動原理，在各機構之間創建運動副，在推桿與套筒裝置之間、夾持爪與柱體之間添加接觸力。基于市場中各類柱體的材料，選用鋼作為攀爬機器人的材料。

3.1 攀爬過程位移分析

通過對攀爬機器人的攀爬進行仿真，測得機器人上、下夾持機構的位移變化曲線，分別如圖3、圖4 所示。

圖3 上夾持機構-z 向質心的位移變化曲線Fig.3 Upper clamping mechanism-z-direction center of mass displacement curve

圖3 為機器人上夾持機構在-z 方向上的位移曲線，在一個周期內，上夾持機構攀升了30 mm，沿-z 方向上的位移變化曲線平滑。圖4 所示，下夾持機構在一個周期內攀升了26 mm，沿-z 方向的位移曲線同樣光滑。上夾持機構的位移曲線與下夾持機構相比有些許轉折，這是因為下夾持機構攀升是采用氣缸拉升，此時機器人受力均衡，上升曲線相對光滑，而上夾持機構采用的是凸輪機構，此時攀爬機器人只有下夾持爪夾持柱體固定整體機構，因此當夾持力產生波動時，可能會使得上夾持爪上升過程中產生一定的微小波動，說明該攀爬機器人可以按照預定的方向平穩攀升。

圖4 下夾持機構-z 向位移變化曲線Fig.4 Lower clamping mechanism-z-displacement curve

由圖5 所示，下夾持機構為4 個拉升裝置拉升，會按照設定好的時間距離拉伸，因此下夾持機構的運動曲線光滑，呈現周期性變化，并且，拉升的最大速度為9.5 mm/s，速度變化小，且速度上升穩定，因此可以保證整個機器人在攀升過程中的穩定。

圖5 下夾持機構質心-z 向速度變化曲線Fig.5 The center of mass of lower clamping mechanism-z-speed change curve

3.2 夾持機構夾緊力分析

通過對攀爬機器人攀爬過程的運動學仿真，測得夾緊力變化如圖6 所示。凸輪機構轉動推升上平臺，因受重力影響，夾持機構在夾持過程中出現了瞬時的波動，但由曲線可看出，夾緊力在夾持過程中的大部分時間均保持在固定的誤差范圍內波動，該夾持機構的夾持性能較好。

圖6 夾持機構夾緊力變化曲線Fig.6 Variation curve of clamping force of clamping mechanism

3.3 桿徑變化的適應能力分析

攀爬機器人在設計時上下夾持機構為連桿傳動式夾持手，在夾持柱體時，氣缸推動推桿，機械爪合攏夾持柱體，而在平臺上升過程，推桿回拉，爪部與柱體分離，完成機器人攀升動作。當針對成一定角度的柱體進行攀爬動作時，利用爪部與連桿處的旋轉可以調整爪面與斜柱體的接觸，使得機械手爪部與柱體外表面充分接觸，如圖7 所示，可以得出沿z 向的力平衡方程：

圖7 夾持爪在X0Z 平面受力分析Fig.7 Force analysis of clamping jaws on X0Z plane

式中：μ——摩擦系數；β——體斜度；Nfi——摩擦力；FNi——正壓力；Fi——夾緊力。

3.4 攀爬機器人可靠性分析

3.4.1 設計可靠性

該攀爬機器人的上下夾持機構在攀升過程中始終保持有一端處于夾緊，防止出現意外狀況，為保證上、下工作平臺上升的穩定性，利用冗余理論，在平臺間使用4 組連桿來代替2 組連桿，保證了平臺上升下降的平穩性，同時在4 組連桿間同樣采用了4 組拉升裝置，不僅可以保證平臺運動的平穩性，也可以保證拉升裝置不會因負載過大而損壞，而爪部磨損是最大的，因此需要定期對爪部進行維護。

3.4.2 穩定運動可靠性

由圖3—圖5 可知，根據對攀爬機器人運動過程的分析，夾持機構攀升的運動軌跡平滑，無劇烈的振動，因此也保證了攀爬機器人的運動平穩性，同時運動中對于零件的磨損也較小。

4 結論

（1）提出了一種新型攀爬機器人，該機器人采用氣缸推動連桿傳動夾持柱體，能適應桿徑的變化，由于攀升過程中始終有夾持機構夾持，因此不會出現突然滑落等情況。

（2）提出的攀爬機器人通過使用凸輪機構推動上平臺上升，拉升裝置拉升下平臺，在上升中穿插夾持機構夾持柱體，通過學習冗余理論，采用4組相似的連桿以及拉升裝置，既可以對上下平臺有支撐作用，同時多個拉升裝置也保證了機器人上升過程中的平穩性。通過改變夾持機構、凸輪機構和拉升裝置的運動方向和時間，可以實現攀爬機器人的升、降。

（3）攀爬機器人運動學仿真后，對其攀爬過程上下夾持機構位移、運動速度、夾緊力和桿徑適應能力進行了分析，仿真結果表明，攀爬機器人能夠平穩地完成夾持、上升等動作，通過改變夾持機構的連桿長度也可以對不同粗細的桿件進行攀爬，通過改變爪部與連桿的角度同樣可以實現對有一定錐度柱體的夾持。