爬杆机器人运动原理及动力学研究.pdf

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武汉理工大学硕士学位论文爬杆机器人运动原理及动力学研究姓名：

陈明森申请学位级别：

硕士专业：

机械电子工程指导教师：

王晓光20090501中文摘要随着科技的进步，机器人已经日趋广泛应用于工业生产和日常生活中。

随着经济的增长，城镇中随之矗立起无数电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索等高层建筑。

长期以来怎样绿色环保、高效、低成本的解决这些集实用性与美观性一体的杆状城市建筑的清洗、维护问题，一直是环保工作者们研究的一个课题。

生物经过了长期的自然选择进化而来，在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性和进步性，更加适合非结构化的、未知的工作环境、复杂精巧的、高难度的工作任务，这是仿生机器人提出和发展的客观动力。

本论文以绿色环保为主题，从仿生学的角度出发，研究爬杆清洗机器人的一些设计方法和设计准则。

爬杆机器人家族很庞大，从动力源进行划分，主要分为机械式和气动式两大类。

从有无控制系统的层面进行划分，主要分为普通型和智能型两大类。

普通型就是只有动力源、执行机构，智能型相比普通型还有（反馈）控制机构。

智能型在实现运动的难度上比普通型要低。

论文中，笔者所研究制造的蠕行式仿生爬杆机器人为非智能型机械式爬行器。

论文在比较几类爬行机构的优劣的基础上，确定了机器人本体的大致结构。

在此基础上详细阐述了仿生爬行的原理和机器人模块化设计的理念。

根据路灯杆的尺寸数据，设计并制造出机器人样机。

机器人建模的过程（功能的实现与机械结构的尺寸优化）包括以下几个关键点：

爬杆机器人设计中的功能机构的协调配合、攀爬手臂夹持重合度的选择、攀爬力的变化与结构参数之间的关系、攀爬力零点的渡过等难点的设计方法和设计准则，为此类爬行机器人的设计提供参考。

论文中，对机器人展开运动学和动力学仿真分析。

运用ADAMS对用Solidworks所建机器人模型展开运动模拟仿真分析，测试运动部件的各项运动参数和受力情况并优化所建模型的尺寸参数。

机器人中关键部件如机械手连接臂，对机器人的稳定爬行很重要，运用有限元分析软件ANSYS对此进行承载受力分析，查看各机械臂的变形挠度。

关键词：

爬杆机器人，变直径杆，攀爬，仿生学AbstractWiththedevelopmentofthescienceandtechnology,roboticshavebecomemorewidelyusedinindustrialproductionanddailylifeWiththegrowthoftheeconomic，therearealotofhighrisebuildingssuchasthepoles，theroadpolesandcablestayedbridgesappearedinthenumerouscitiesandtownsHowgreen,highlyefficientandlow-costpracticalsolutiontothesesetstogetherwiththeaestheticsofthecleaningrodshapedmbanconstruction，maintenance，whichisasubjectofstudyforEnvironmentalprotectionworkersforalongtimeAfteralongperiodofbiologicalnaturalselectionevolvedinthestructure，functionexecution，informationprocessing,adaptationtotheenvironment，self-study,etcwithahighdegreeofrationality,scienceandprogress，andmoresuitableforunstructured，unknownworkenvironmentandtheintricatecomplexityofdifficulttasks，whichisthedynamicobjectiveproposedandthedevelopedbybiorobotInthispaperfocusingongreenenvironmentalprotection，fromthepointofviewofbionics，mainlyresearchdesignmethodsanddesigncriteriaofpolecleaningrobotPole-climbing-robothasaveryhugefamily,Carriesonthedivisionfromthepowersupply,whichcanmainlydividesintomachinetypeandaerodynamictypeCarriesonthedivisionfromthewithorwithoutcontrolstratificationplane，whichcanmainlydividesintomedium-sizedandintelligenttypewhichcomprisedthemedium-sizednomorethenthepowersupplyandtheactuatingmechanism，comparedtothemediumsized，intelligenttypehavefeedbackcontrolsysteminadditionThemediumsizedisdifficultyinachievingthemovementthantheintelligencetypeInthepaper,theWormlikeimitatedpoleclimbingrobotwhattheauthordesignedandmanufacturedisnon-intelligencemechanicalcrawlerBasedoncomparedthemeritsanddemeritsofseveralkindofcrawlingmechanism，confirmedthegeneralstructureofrobotbodyBasedonabovementioned，expatiatedtheprincipleofbioniccrawlingandthetheoryofmodulardesigningonrobotindetailBasedonthedimensiondataofpoles，wehavedesignedandmanufacturedthemodelofrobotThedesignmethodsanddesignguidelinesduringthecourseofrobotmodeling（achieVethemovementandoptimumstructuraldesign）followingseveralkeypoints：

Functionalcoordinationbetweenagencies，choiceofclimbingarmgrippingcoincidence，changesofclimbingforce，therelationshipbetweenthestructuralparameters，choiceofzeropointofclimbingforceanditstransitioninpole-climbingrobotdesigningProvidesreferencesforthisllkindofcrawlingrobotSdesigningInthepaper,thekinematicsanddynamicssimulationanalysisonrobothavebeendonestartmovementanalogsimulationanalysisonrobotmodelwhichbuiltinSolidworksinusingADAMS，testthemovingparametersofmovingelementandthestresssituationandoptimizethedimensionparametersofrobotmodelKeycomponentssuchasarmonnectedtotheextramaninrobotisveryimportanttorobotsstablecrawling,carriesonthebearingtestonrobotmodelbyusedtheFiniteElementAnalysisSoftwareANSYS，thenlookoverthedeformationandthedeflectionatlastKeywords：

pole-dimbingrobot，variable-diameterpole，speel，bionics独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研籼蚴：

鳓R期毕f学位论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。

同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。

（保密的论文在解密后遵守此规定）研究生。

签名，：

l圈榔师签名：

坦日期：

武汉理【大学硕士学位论文第一章绪论1,1论文研究的目的和意义目前全国同益加快的现代化建设步伐，除了2008年8月在北京举办的奥运会、2010年将要在上海举办的世博会之外，髓着我国国民经济的飞速增长、人民生活水平日益提高，城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等（图1-1），它们通常530米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等，由于常年裸露在大气之中，风沙长年累月的积累会形成灰尘层，酸污染影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，加快它们的生锈，并缩短它们的使用寿命，需要定期进行壁面维护工作。

图1-1变直径杆城市建筑图为保持清洁，许多国际性城市如厦门、深圳、香港等地规定，每年至少清洗数次。

目前传统的清洗技术主要分为人工清洗（化学药剂清洗）和高压水枪清洗等方法。

其中人工清洗是由清洁工人搭乘吊篮进行高空作业来完成，工人的工作环境恶劣，具有很大程度上的危险性，工作效率也很低，耗资巨大。

化学药剂中所用的去污剂具有很强的毒副作用会对人造成潜在的危害，并易造成环境的二次污染；高压水枪清洗耗能比较大、成本高，且对周边环境有很大的影响。

在利用高压水枪进行清洗时，它的周边不能有车辆、行人通过，且不能有过近的建筑物。

其它高空作业诸如：

各种杆状城市建筑的油漆、喷涂料、检查、维护，电力系统架设电缆、瓷瓶清洁等工作主要由人工和大型设备来完成，但它们都集中表现出效率低、劳动强度大、耗能高、二次污染严重等问题。

随着机器人技术的m埘和发展以及人们自我安全保护意识的增强，迫切希武汉理丁大学硕士学位论文望能用机器人代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。

开发能在施工现场实际运用的立柱爬杆清洗机器人，将是很有意义的，必具有良好的经济效益和社会效益。

爬杆清洗机器人的使用将大大降低高层杆状建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，或将带来清洗业的一次革命。

这种机器人的研制必将具有很大的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。

该课题旨在研发一种新型的、结构简单、经济适用、价格便宜、操作简便的适用于路灯杆等杆状城市设施可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人，用以解决当前城镇中存在的影响市容的公共设施的清洗、维护问题【1】【2l。

该机构要能保证良好的运行效果，低耗能高效率，绿色环保，节省人力物力。

12国内外研究现状及存在的主要问题机器人是人类新世纪的伟大发明之一，是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响pJ。

机器人产业己成为当代应用最广泛、发展迅速的高科技产业之一。

机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术的制高点14J。

121机器人的分类机器人的种类多种多样。

从应用环境出发，将机器人分为两大类：

工业机器人、特种机器人。

或者分为两类：

制造环境下的工业机器人、非制造环境下的服务与仿生机器人。

仿生机器人是未来机器人领域的一个发展方向，按仿生学角度来分可分为：

螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、尺蠖式爬行机器人等。

按驱动方式来分可分为：

气动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等。

按行走方式可分为：

轮式睛3、履带式、蠕动式、多足式等。

按工作空间来分可分为：

管道爬行机器人、壁面爬行机器人1、球面爬行机2武汉理工大学硕七学位论文器人、陆地移动机器人、水下机器入、无人飞机、空闻机器入等。

按功能用途来分可分为：

焊弧爬行机器人、检测爬行机器入、清洗爬行机器人口1、提升爬行机器入、医疗机器人、军用机器人、助残机器入、巡线爬行机器人、玩具爬行机器人等。

根据不同的驱动方式和功能等可以设计多种不同结构和用途的爬行机器入，如气动管内检测爬行机器入，电磁吸附多足式爬行机器入、电驱动壁面焊弧爬行机器人等，每一种形式的爬行机器人都有各自的应用特点。

122研究现状聪季亍机器入18lgl10I是机器人大家族中的一员，爬升机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业，区别予平面移动机器人，故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。

爬行机器人并不少见，但是通常来说，这类规器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。

更主要的是，平常的机器人，因为体积或行动方式的影响，不能到一些特殊的地方进行工作，比如说管道，壁面等等特种用途的领域。

爬升机器人与一般地面移动机构的最明显不同是需克服重力的作用而可靠地依附予爬升表面主并自主移动，完成特定条件下的话业。

最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人【11】【12l，适于高层建筑、水力发电大坝等垂直壁面【1311141和大球形表面上的蔻险作韭。

对予管道外壁表面，已有车轮移动形、姿态可变形、尺蠖形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵蛩l力较小。

国内外的学者很早就对爬行机器人进行研究工作，获得了丰硕的成果。

目前，国内外提出的一些依附予杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器入、电动液压式爬秆机器入和气动蠕行式爬杆机器入11翻11强18珏191等。

电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杼体的摩擦力使爬升器沿杼体上秀下降l潮。

螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成定角度，这样轮子转动时它在杼体上形成的是螺旋轨迹，沿此轨迹通过电动机的正反转该机构便可实现上升和下降运动。

电动机械式爬杆机器人3武汉理工大学硕士学位论文和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮匝紧秆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。

如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。

气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部汽缸夹紧，上部汽缸松开，提升汽缸活塞杆伸出，上部上升；上部汽缸夹紧，下部汽缸松开，提升气缸体上升，下部上升。

如此反复，机器人就可以连续爬行。

对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动鲶实现由气压控制，需要气源和气动控铡系统，医此其设备成本较高。

国外有代表性的有东京大学研制的关节型行走机器人，可沿水平或垂直的直杆爬行，龛芝跨越法兰、平行杆【2u，并可绕T型杼和删杼爬行。

国内比较典型的有上海交通大学机器入研究所研究开发的一种斜拉桥缆索涂装维护用气动蠕动式爬缆机器人【勿，见图12，可在各种斜度的缆索上爬行，能完成缆索检测、清洗等工作，并具有一定的智能性。

土律安装板下体戋装援辫黧妇辫向轮、窳4武汉理工大学硕士学位论文整体机构麓沿缆索爬升。

此外还有浙江大学陈俊龙教授设计的气动爬杆机器人【181，如图13所示。

lO一一“棚h崤|串呵【Xkll样|臣羹lLrf】nUUl皇l丫一一丫鑫底部与上部分离状态b底部与上部结合状态1底部；2料筒；3投球气缸；4下微型气缸；5上微型气缸；6升降气缸；7球头杆：

8导柱；9投球筒；lO上部；l王上夹气缸；12上活动爪；13上固定爪：

14下活动爪；15下固定爪；16下夹气缸；17气动喷嘴。

图13气动爬杆机器人结构原理图在上部（10）和底部

（1）上，各装有一对套在赢杆上的爪子（机器入可在地面上方便地作水平移动，使两爪轻套在杆子上），每对爪子由固定爪和活动爪组成，固定瓜（董3）和（15）分别固定安装在上部（10）和底部

（1）上，依靠活动爪的压紧和松开实现对直杆的抱紧和松开。

而活动爪（12和（14的紧松则由各自的气艇实现，如图中的上夹气缸（11）和下夹气缸（16）。

攀爬运动的动力由舞降气缸（6）提供，升降气缸（6）的缸体固定在底部

（1）上，而球头活塞杆（7）的球头则安装在上部（10）上。

当上夹气缸（11）松开，下夹气缸（16）夹紧时，升降气缸（6）下腔进气，上腔排气，则活塞和球头活塞杆（7）推动上部（10）沿着导柱（8）向上移动，到达行程终了位置时，上夹气缸（11）夹紧，然后下夹气缸（16）松开，郄上瓜紧，下瓜松，与此禽时，升降气缸（6）上腔进气，下腔排气，从而使升降气缸的缸体连同安装的底部

（1）一起沿着导柱