浅谈爬杆机器人原理

李传敏 王萌杰

摘要：本文选取了国内自主研制的几类爬杆机器人作以比较。得出大都采用凸轮夹紧机构，由于凸轮的不可伸缩性，一个爬行器只能爬行直径的等直径杆件。爬行机器人体积小重量轻易于操作和维修。由于目前对于爬杆机器人的研究探索的初步阶段的局限性，因此在今后还有很大的发展空间。为今后爬杆机器人的发展。奠定一定的基础。

关键词：机器人；爬杆

【中图分类号】TP242【文献标识码】A【文章编号】2236-1879（2017）12-0313-01

1研制背景及意义

随着我国国民经济的飞速发展，人民生活不断提高，城镇中矗立起无数的高层城市建筑，各类即实用又美观的电线杆、路灯杆、桥上斜拉钢索、广告牌立柱，壁面通常多采用油漆、电镀、玻璃钢结构，通常其又长又高，环境危险，由于常年裸露在大气之中，长时间的风吹日晒，会影响到它的美观，同时复杂的空气成分也會对金属杆件腐蚀和破坏，使他们快速生锈缩短寿命。传统的清理办法有人工清理和使用化学药剂，不仅费时费力有污染，而且效率低下，耗资巨大，爬杆机器人在广泛的需求下孕育而生。

2案例分析

因此本文选取了国内自主研制的几类爬杆机器人作以比较：

清华大学学生研发的自重式锁紧机构，框架由两根连在一起的运动杆及运动杆两端的自重锁紧机构构成，由电机驱动。垂直爬行时自重和运动方向相反，靠机构自重和反向推力使钢球被锁紧机构中倾斜的滑块和爬杆紧密夹紧在一起，从而达到锁紧目的。该结构简单，可以垂直爬行范围变化较小的变直径杆，缺点是只适合向上爬行运动，反向爬行自重与运动方向一致，无法进行自锁。

该机构改进后由微型气缸推动钢球解锁，能够在垂直杆进行往复运动，但需要加上一套气动控制设备，目前要实现变直径杆的爬行和返回只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，上升和下降的需要气压调节，造价较大，因此该方法还处于理论研究阶段。

上海交通大学机器人研究所研究开发的斜拉桥缆索涂装维护用气动蠕动式爬缆机器，可在有斜度的缆索上爬行，具有实用性，能够完成检测，清洁缆索等功能。机器结构简单，由爬升结构加装相应的作业模块，爬升机构分为上下两部分，两部分之间用提升气缸和两组导向轴副相连接，可相对移动一个行程的距离。

上下两部分各沿圆周均匀分布有3个能够调节的安装块，用于夹紧缸，夹紧爪，导向缸和导向轮总成在不同直径的缆索上安装。

哈尔滨工程大学研发的沿桅杆或绳索爬行的机器人，传动机构采用曲柄连杆机构，机器人由两个形状相似的圆形套筒内嵌由一对活动v块卡爪、一对槽型凸轮、铰链、压力传感器与滑块镶嵌而成。其工作原理在曲柄与连杆的两端分别铰接上两个滑块作为自锁套，当机构具有向下运动的趋势时，下自锁套因受到自锁机构的限制而固定不动，把其受到的向下的力转化为向上的反作用力，推动机构向上运动。（如右上图所示）

北京理工大学研发出了，一种步进式管线爬行机构。该机构的组成由两个爪，臂装置和机体组成，通过转动关节和滑块关节连接，这种机构可以避免法兰障碍。

爬行时爪1抓住管道外径，爪2张开，两块机体之间相对移动，爪2抓住管道外径，爪1松开，两块集体相对移动，爬行机构就这样交替前行，当爬行过程中爬行机构的中心发生偏转，能够通过两机体间的侧向滑轨矫正机构及其运动方向。

3分析总结

因此本文選取了国内自主研制的几类爬杆机器人作以比较：

在设计移动爬杆机器人系统时，首先应考虑爬杆机器人的用途，因为用途决定了机器人的构造，此外还应考虑机器人的工作环境有无特殊要求，使用年限的疲劳校核，外观尺寸，材质和制造费用，以便更符合生产实际劳动。

通过上诉几类爬行机构不难得知，他们大都采用凸轮夹紧机构，由于凸轮的不可伸缩性，一个爬行器只能爬行直径的等直径杆件。目前要实现变直径杆的爬行则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，单其上升和下降由气压控制，还需要气源和气动控制，因此设备成本和维护费用较高。

由于爬行设备的特殊性及提高运动性和安全性方面考虑，需尽量使爬行机器人体积小重量轻易于操作和维修；从系统的工作性能考虑，应使爬行机器人的工作冲击较小运行稳；从作业环境来看，由于在杆上爬行，在结构设计时应细致考虑对结构尺寸的限制，各组件的合理布置，力求机构简单可靠；由于最终爬行机构是要解决实际生产劳动的，因此各零件和材料的加工制造和选择，尽量采用市场上可采购的材料和已有的标准化小部件，减少自行设计和加工元件，以减少设计难度和提高可靠性，降低制造成本。

结构原理分析尺蟆的运动方式是一种蠕动爬行，蠕动是一种周期性的动作，蠕动体的姿态呈现某种规律性的变化。机器人的本体是指机器人移动作业的部分。我们所设计的尺镬式爬行机器人的本体部分主要由三个机械单元组成，分为上、下夹紧机构和传动机构，传动机构在中间分别与上、下夹紧机构相连接。上、下夹紧机构分别起着保持器的作用，而躯干部分则起着推进器的作用。

对于夹紧机构分析，其夹紧方式主要有两种：机械式和液气压式。机械式夹紧装置调节简易，制作成本低，但精确度不高，适应类型也有限；液气压式夹紧装置夹紧力调节方便、工作状态稳定可靠，但需要液气源和液气动控制系统支持，体积庞大、噪音污染大并且其设备成本和维护费用较高。二者目前均处于探索开发阶段。由于目前对于爬杆机器人的研究探索的初步阶段的局限性，因此在今后还有很大的发展空间。

参考文献

[1]双手爪爬杆机器人对杆件的位姿检测与自主抓夹.胡杰.

[2]爬杆机器人运动原理及动力学研究.陈明森.

[3]孙成通.机械制造技术基础[M].山东人民出版社：王晶/马洁，2012：3-13.