畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)和開(kāi)題報(bào)告任務(wù)書(shū)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)題目：無(wú)線遙控爬桿器的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 學(xué)院名稱 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 職 稱 副教授 一、原始依據(jù)（包括設(shè)計(jì)或論文的工作基礎(chǔ)、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等。）爬桿器（或爬桿機(jī)器人）多用于替代人工進(jìn)行高空作業(yè)。本設(shè)計(jì)課題針對(duì)直立電線桿，設(shè)計(jì)一臺(tái)既可作沿桿軸線方向的直線動(dòng)，又可作圍繞桿軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的爬竿機(jī)器，用來(lái)清洗、噴涂或安裝桿上部件。該爬桿器由人工手動(dòng)安裝在電線桿底部，其操作結(jié)構(gòu)和方法要直觀易于理解，且操作簡(jiǎn)單安裝方便。在結(jié)構(gòu)方面要盡量簡(jiǎn)便以利于制造和降低制造成本。爬桿器向上升時(shí)，采取干電池和有線電纜方式，爬升到理想高度（12m）

2、時(shí)，有線電纜可自由脫離爬桿器。爬桿器應(yīng)設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)能夠水平旋轉(zhuǎn)。爬桿器上升或下降均應(yīng)平穩(wěn)、安全，應(yīng)適應(yīng)具有一定錐度的電線桿。二、參考文獻(xiàn)1張策. 機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20102成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20033Dennis Clark, Mocharl Owings. Building robot drive trains M. 北京：科學(xué)技術(shù)出版社，20044宗光華. 機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20045費(fèi)仁元，張惠惠. 機(jī)械人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析M. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，19986吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌1

3、000例M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20117方建軍. 智能機(jī)械人M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20048趙松年. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20049黃真. 空間機(jī)構(gòu)學(xué)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，199110徐元昌. 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005三、設(shè)計(jì)（研究）內(nèi)容和要求（包括設(shè)計(jì)或研究?jī)?nèi)容、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對(duì)學(xué)生提出具體要求。）1、設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行爬桿器的方案與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括爬桿器的行走方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水平旋轉(zhuǎn)平臺(tái)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、便捷安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。2、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)爬桿直徑 10cmd35

4、cm ；爬桿高度 h15m； 爬桿速度 v15m/s；水平旋轉(zhuǎn)范圍：180旋轉(zhuǎn)角度360； 最小負(fù)重 6kg； 可以在電線桿上懸停，懸停時(shí)間5小時(shí)；爬桿器成品的直徑60cm。3、具體要求完成不少于2000字開(kāi)題報(bào)告；設(shè)計(jì)并繪制爬桿器裝配圖和主要零件圖（累計(jì)3張零號(hào)圖）；編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)20000字以上；翻譯外文資料；參考文獻(xiàn)15篇以上。指導(dǎo)教師（簽字）年 月 日審題小組組長(zhǎng)（簽字）年 月 日天津大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告課題名稱無(wú)線遙控爬桿器學(xué)院名稱機(jī)械學(xué)院專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名指導(dǎo)教師（內(nèi)容包括：課題的來(lái)源及意義，國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，本課題的研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、研究方法、研

5、究手段和進(jìn)度安排，實(shí)驗(yàn)方案的可行性分析和已具備的實(shí)驗(yàn)條件以及主要參考文獻(xiàn)等。）1. 課題的來(lái)源及意義目前全國(guó)日益加快的現(xiàn)代化建設(shè)步伐，并且隨著我國(guó)國(guó)名經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)、人民生活水平日益提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無(wú)數(shù)的高層城市建筑，各類集實(shí)用性與美觀性一體的市政、商業(yè)工程諸如電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告牌立柱等，它們通常530米，有的甚至高達(dá)百米，壁面多采用油漆、電鍍、玻璃鋼結(jié)構(gòu)等，但是同時(shí)也產(chǎn)生了許許多多的問(wèn)題，比如由于電桿或線桿常年裸露在大氣中，長(zhǎng)年累月會(huì)形成灰塵層，縮短它們的使用壽命，需要定期進(jìn)行維護(hù)工作。這是就存在著許多高空作業(yè)諸如：各種桿狀城市建筑的油漆、噴涂料、檢查、維護(hù)等工作主要由

6、人工和大型設(shè)備來(lái)完成，但它們都集中表現(xiàn)出效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗能高等問(wèn)題。隨著機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護(hù)意思的增強(qiáng)，迫切希望能用機(jī)器人代替人工進(jìn)行這些高空危險(xiǎn)作業(yè)，從而把人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的勞動(dòng)環(huán)境中解脫出來(lái)。因此研制出一套高效可靠的爬桿機(jī)器人以替代人工進(jìn)行高空作業(yè)將是很有意義的，必具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2. 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2.1 爬桿機(jī)器人的分類爬桿機(jī)器人的種類多種多樣。按仿生學(xué)角度來(lái)分爬桿機(jī)器人可分為：螳螂式爬行機(jī)器人、蜘蛛式爬行機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、足蠖式爬行機(jī)器人等。按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分可分為：氣動(dòng)爬行機(jī)器人、電動(dòng)爬行機(jī)器人和液壓驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)器人等。按行走方式可分為：輪

7、式、履帶式、蠕動(dòng)式、多足式等。按工作空間來(lái)分可分為：管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)爬行機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等。按功能用途來(lái)分可分為：焊弧爬行機(jī)器人、檢測(cè)爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人、提升爬行機(jī)器人、巡線爬行機(jī)器人等。根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式和功能等可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機(jī)器人，如氣動(dòng)爬行機(jī)器人，電磁吸附多足式爬行機(jī)器人、電驅(qū)動(dòng)壁面焊弧爬行機(jī)器人等。2.2 國(guó)內(nèi)外爬桿機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀爬桿機(jī)器人是機(jī)器人大家族的一員，爬桿機(jī)器人因?yàn)樾枰朔亓Φ淖饔枚煽康匾栏接谂郎砻嫔喜⒆灾饕苿?dòng)，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人，故爬桿機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分

8、支，從運(yùn)動(dòng)方式上來(lái)表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。爬桿機(jī)器人與一般地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最明顯不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動(dòng)，完成特定條件下的作業(yè)。目前，國(guó)內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人等。（1）氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬桿機(jī)器人上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研制的氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬桿機(jī)器人，如圖1所示，可在各種斜度的斜拉橋纜索上爬行，能完成斜拉鎖的檢測(cè)、清洗、噴涂油漆等工作。圖1 氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬桿機(jī)器人氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中至少保證上下兩組夾緊爪中有一組夾緊于纜索上。爬桿機(jī)構(gòu)向上爬升時(shí),首先下體夾緊爪夾緊于纜索上

9、,上體夾緊爪松開(kāi),驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿伸出,上體向上運(yùn)動(dòng)；然后上體夾緊爪夾緊,下體夾緊爪松開(kāi),驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿縮回,下體向上運(yùn)動(dòng)；重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不斷向上爬行。改變氣缸動(dòng)作順序,爬桿機(jī)構(gòu)則可以完成下降功能。對(duì)于氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動(dòng)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)備成本較高。（2）摩擦輪式爬桿機(jī)器人國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)的摩擦輪式爬桿機(jī)器人如圖2所示。機(jī)器人框架上下邊框上沿圓周均勻安裝三套主動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)，相互夾角120等間距布置，構(gòu)成兩個(gè)各包含三套主動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)且上下平行的驅(qū)動(dòng)截面，使?fàn)恳Ψ稚a(chǎn)生，增強(qiáng)行走時(shí)的自定心功能，有利于穩(wěn)定檢測(cè)。1-纜索； 2-主動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)； 3-機(jī)器人

10、框架圖2 摩擦輪式爬桿機(jī)器人此類爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作，且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。（3）鋼球自鎖式爬桿機(jī)器人吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院基于鋼球自鎖裝置設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人如圖3所示。圖3 鋼球自鎖式爬桿機(jī)器人構(gòu)造及爬行步態(tài)該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主體部分僅為曲柄連桿和鋼球自鎖裝置，曲柄每轉(zhuǎn)一圈機(jī)器人整體向上爬行一次，重復(fù)狀態(tài)1至5就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不斷向上爬行。缺點(diǎn)是鋼球自鎖機(jī)構(gòu)束縛機(jī)器人只能向一個(gè)方向爬行，影響了實(shí)用性。（4）氣動(dòng)爬桿機(jī)器人浙江大學(xué)陳俊龍教授設(shè)計(jì)的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人，如圖4所示。 圖4 氣動(dòng)爬桿機(jī)器人

11、其結(jié)構(gòu)是:在上部（10）和底部（1）上，各裝有一對(duì)套在直桿上的爪子（機(jī)器人可在地面上方便地作水平移動(dòng)，使兩爪輕套在桿子上），每對(duì)爪子由固定爪和活動(dòng)爪組成，固定爪（13）和（15）分別固定安裝在上部（10）和底部（1）上，而球頭活塞桿（7）的球頭則安裝在上部（10）上。當(dāng)上夾氣缸（11）松開(kāi)，下夾氣缸（16）夾緊時(shí)，升降氣缸（6）下腔進(jìn)氣，上腔排氣，則活塞和球頭活塞桿（7）推動(dòng)上部（10）沿著導(dǎo)柱（8）向上移動(dòng)，到達(dá)行程終了位置時(shí)，上夾氣缸（11）夾緊，然后下夾氣缸（16）松開(kāi)，即上爪緊，下爪松，與此同時(shí)，升降氣缸（6）上腔進(jìn)氣，下腔排氣，從而使升降氣缸的缸體連同安裝的地步（1）一起沿著導(dǎo)柱（8

12、）上升到與上部（10）相合止，至此，完成了攀升的一個(gè)循環(huán)。這樣，機(jī)器人一步一步往上攀升。（5）攀爬機(jī)器人國(guó)外有代表性的有賓夕法尼亞州大學(xué)研制的Rise系列攀爬機(jī)器人。該機(jī)器人是一款四足機(jī)器人，除了能夠在地面上奔跑外，還能夠爬樹(shù)，其腳部位置使用了外科手術(shù)針作為材料，這樣就可以在垂直物體上進(jìn)行移動(dòng)國(guó)內(nèi)比較典型的有吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院研究開(kāi)發(fā)的仿尺蠖步態(tài)的爬桿機(jī)器人。該機(jī)器人主要由頭部、尾部與軀干3部分組成，其中頭部和尾部分別為一套單向自鎖機(jī)構(gòu)，軀干則為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，作為整個(gè)機(jī)器人的動(dòng)力源，通過(guò)各個(gè)部分的協(xié)調(diào)配合來(lái)完成爬桿機(jī)器人的伸縮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的爬桿動(dòng)作。上海交通大學(xué)研發(fā)了一種新型的、在垂直外

13、攀爬方面有較大優(yōu)勢(shì)的攀爬蛇形機(jī)器人。該機(jī)器采用一種具有萬(wàn)向節(jié)功能的PR(pitch-roll)模塊，使得該蛇形機(jī)器人能夠輕松和靈活地附著于攀爬對(duì)象外壁。（6）仿蜘蛛的爬桿微機(jī)器人德國(guó)西門(mén)子公司研制出仿蜘蛛的爬桿微機(jī)器人，這類機(jī)器人有4、6、8只腳三種類型，可在各種類型的管內(nèi)移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)原理是利用腿推壓桿來(lái)獲得驅(qū)動(dòng)力，多腿可以很方便地在各種形狀的桿上移動(dòng)作業(yè)，但其控制較復(fù)雜。3. 本課題的研究目標(biāo)通過(guò)對(duì)路燈桿等各種桿狀的測(cè)量和考察，提出爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案并設(shè)計(jì)制造出滿足條件的爬桿機(jī)器人。通過(guò)對(duì)爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)其能在各種桿上多自由度的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人在高空作業(yè)的技術(shù)性，以

14、代替人類進(jìn)行高空危險(xiǎn)作業(yè)，滿足人們要求。4. 本課題的研究?jī)?nèi)容本課題的研究?jī)?nèi)容主要是進(jìn)行爬桿機(jī)器人的方案和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中包括爬桿機(jī)器人的行走方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水平旋轉(zhuǎn)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、便捷安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。5. 本課題的研究方法和研究手段根據(jù)空間機(jī)構(gòu)學(xué)原理設(shè)計(jì)、機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)等原理進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，完成相關(guān)任務(wù)。6. 進(jìn)度安排2012.02.272012.03.09:閱讀相關(guān)資料，書(shū)寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。2012.03.102012.03.12:翻譯外文資料。2012.03.132012.04.11:參考相關(guān)資料，完成爬桿器主框架和擺臂的零件

15、圖。2012.04.122012.05.01:完成爬桿器旋轉(zhuǎn)軸的零件圖，并完成裝配圖。2012.05.022012.06.01:進(jìn)行校核，完善零件圖和裝配圖，完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。2012.06.022012.06.08:整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備答辯。7. 方案的可行性分析和已具備的條件爬桿機(jī)器人的高效性和安全性使得人們迫切希望其替代人工高空操作帶來(lái)多方面的好處，就此國(guó)內(nèi)外也已經(jīng)有了很多相關(guān)方面的研究，如上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)的氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬桿機(jī)器人，國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)的摩擦輪式爬桿機(jī)器人和賓夕法尼亞州大學(xué)研制的Rise系列攀爬機(jī)器人等等。通過(guò)大學(xué)中對(duì)機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，以及機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)和控制工程基礎(chǔ)等

16、學(xué)科的實(shí)習(xí)，再者在科研團(tuán)隊(duì)老師的指導(dǎo)下，我相信自己能完成此課題。采取的方案實(shí)施路線：首先對(duì)比選擇爬桿機(jī)器人的類型和其參數(shù)的選擇，如自由度的選擇、驅(qū)動(dòng)方式的選擇等；其次進(jìn)行爬桿機(jī)器人主框架的設(shè)計(jì)，再者進(jìn)行爬桿機(jī)器人擺臂和旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)，最后完成其裝配圖。8. 主要參考文獻(xiàn)1費(fèi)仁元，張惠惠.機(jī)械人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析M. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.2方建軍. 智能機(jī)械人M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.3趙松年. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.4黃真. 空間機(jī)構(gòu)學(xué)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.5徐元昌. 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.6D

17、ennis Clark, Mocharl Owings. Building robot drive trains M. 北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2004.7張海洪，龔振邦. 壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人清洗工藝分析J.機(jī)電一體化，2001.8蔣新松. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論M.遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.9宗光華. 機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.10吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌1000例M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.11朱世強(qiáng)，王宣銀.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用.浙江大學(xué)出版社，2001.12趙興飛，周憶，石崇輝.氣驅(qū)爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與計(jì)算J.機(jī)床與液壓，2003.13楊存智.

18、爬桿機(jī)器人的研制J.機(jī)電一體化，2003.14于復(fù)生，沈孝芹.一種氣動(dòng)爬桿機(jī)器人P.中國(guó)專利，206620088771.1.15Elkm ann NeFelsch T.Modular Climbing Robot for Service Sector ApplicationsJ.Industrial Robot,1991,K26(6)：460-465.選題是否合適： 是 否課題能否實(shí)現(xiàn)： 能 不能指導(dǎo)教師（簽字）年 月 日選題是否合適： 是 否課題能否實(shí)現(xiàn)： 能 不能審題小組組長(zhǎng)（簽字）年 月 日摘 要 隨著科學(xué)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，機(jī)器人越來(lái)越成為人們生活中不可或缺的一部分，而本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們

19、主要研究了機(jī)器人家族中的爬桿機(jī)器人，希望能創(chuàng)造出一種既簡(jiǎn)單又實(shí)用的爬桿機(jī)器人以滿足人們相應(yīng)的需要。本論文首先主要介紹了爬桿機(jī)器人的相關(guān)背景、目前國(guó)內(nèi)外某些爬桿機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和相應(yīng)存在的一些問(wèn)題，其次對(duì)爬桿機(jī)器人方案的選擇進(jìn)行了相應(yīng)的比較和分析，之后進(jìn)入機(jī)器人的實(shí)體設(shè)計(jì)階段。 其次，論文的重點(diǎn)主要是對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，其中包括爬桿機(jī)器人擺臂的設(shè)計(jì)，主框架的設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)等等，同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)方案的選擇也做了相應(yīng)的分析和比較。 最后，對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詞：爬桿機(jī)器人；設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)方案ABSTRACT With the development of science and tec

20、hnology advances, the robot has increasingly become an integral part of peoples lives, in this graduation project, we study the pole climbing robot in the Robot family, hopes to create both simple and practical climbing pole robots to meet the corresponding needs. Firstly, this paper introduces the

21、background of the climbing pole robot in our own country and abroad some thing of the robots climbing pole position and the corresponding number of problems, followed by the choice of climbing pole robot program comparison and analysis, after entering the robots physical design stage. Secondly, the

22、paper focuses mainly on the corresponding design of the robot climbing pole, including the robot arm of the climbing pole design, the design of the main frame and the design of the rotation axis, and drive program selection made the corresponding analysis and comparison. Finally, I have a summary an

23、d outlook on the design.Key words: climbing pole robot; design; driven program目 錄 第一章 緒論 1.1 背景 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題第一章 緒論1.1 背景“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動(dòng)控制最有說(shuō)服力的成就，是當(dāng)代最高意義的自動(dòng)化”。這是宋健院士對(duì)機(jī)器人在上個(gè)世紀(jì)所取得的成就的精辟概括。同時(shí)機(jī)器人技術(shù)也是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷40余年的發(fā)展已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。走向成熟的工業(yè)機(jī)器人，各種用途的特種機(jī)器人的實(shí)用化，昭示著機(jī)器人技術(shù)燦爛的明天。所以我們必須走進(jìn)它，了解它

24、。近年來(lái)，在我國(guó)大學(xué)，機(jī)器人作為機(jī)械電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等的典型載體被廣泛地用來(lái)作為工科本科生的講授課程之一；在中學(xué)，模型機(jī)器人則逐漸成為素質(zhì)教育，技能實(shí)踐的選題之一，各種機(jī)器人比賽正方興未艾。進(jìn)入21世紀(jì)，人們也愈來(lái)愈親身感受到機(jī)器人深入產(chǎn)業(yè)、深入生活、深入社會(huì)的堅(jiān)實(shí)步伐。這些都說(shuō)明了機(jī)器人技術(shù)離我們?cè)絹?lái)越近了。但大家是否可以給耳熟能詳?shù)臋C(jī)器人一個(gè)準(zhǔn)確的定義呢？有人認(rèn)為機(jī)器人無(wú)所不能，有人認(rèn)為機(jī)器人必須像人。那么，何為機(jī)器人？雖然很難給機(jī)器人下準(zhǔn)確的定義，但是通常的理解就是：機(jī)器人是一種在計(jì)算機(jī)控制下的可編程的自動(dòng)機(jī)器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)的需要，它具有至少一項(xiàng)或多項(xiàng)擬人功能，如抓取

25、功能或移動(dòng)功能，或兩者兼而有之，另外還可能程度不等地具有某些環(huán)境感知功能（如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等）以及語(yǔ)音功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。如今進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著科技的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化進(jìn)程的日益加快，機(jī)器人的創(chuàng)新與研究越來(lái)越成為一個(gè)國(guó)家科技力量的具體體現(xiàn)，越來(lái)越多的機(jī)器人已成為各個(gè)領(lǐng)域重要的組成部分，因此機(jī)器人的發(fā)展也日益成熟，為人們的生活提供了更多的方便與快捷。在世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的前提下，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)也有著飛速的增長(zhǎng)，人民生活水平日益提高，伴隨著城市和鄉(xiāng)村矗立起無(wú)數(shù)的高層建筑和無(wú)數(shù)的高高的桿類，如電線桿、路燈桿等等。這些桿類長(zhǎng)年累月的暴露在空氣

26、中，很容易受到腐蝕和污染，不僅影響著城市的美觀，而且縮短了它們的壽命，也大大提高的它的危險(xiǎn)性，對(duì)人們?cè)斐芍T多不便與危險(xiǎn)。然而，如果人工的對(duì)這些桿類進(jìn)行清洗與保養(yǎng)，由于其條件所致，勢(shì)必需要清洗工人高空作業(yè)完成，這樣不僅工作效率低下，耗資巨大，而且安全系數(shù)低，很容易造成危險(xiǎn)。如果采取高壓水槍清洗，則太浪費(fèi)人力物力，得不償失了。這時(shí)，人們通過(guò)設(shè)想，能不能設(shè)計(jì)一種機(jī)器人，使得它能夠代替人類進(jìn)行對(duì)桿類的清洗或進(jìn)行相關(guān)工作，用這些機(jī)器人代替人工進(jìn)行高空危險(xiǎn)作業(yè)，從而把工人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的勞動(dòng)環(huán)境中解脫出來(lái)，不僅提高的工作效率，同時(shí)也保護(hù)了工人的生命安全。因此，我們需要設(shè)計(jì)一種爬桿機(jī)器人，使得它代替工人

27、進(jìn)行高空作業(yè)，改善工人的工作環(huán)境，提高工作效率，大大降低高層桿狀的清洗成本，或許將帶來(lái)清洗業(yè)的一次創(chuàng)新與革命。這種機(jī)器人的研制必將有很大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。本課題旨在設(shè)計(jì)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)便的使用與路燈桿等桿類的可搭載清洗、維護(hù)設(shè)備的爬桿機(jī)器人，以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的桿狀清洗等問(wèn)題。該機(jī)構(gòu)要保證良好的運(yùn)行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)保，節(jié)省人力物力。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題1.2.1 爬桿機(jī)器人的分類爬桿機(jī)器人的種類多種多樣。按仿生學(xué)角度來(lái)分爬桿機(jī)器人可分為：螳螂式爬行機(jī)器人、蜘蛛式爬行機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、足蠖式爬行機(jī)器人等。按驅(qū)動(dòng)方式

28、來(lái)分可分為：氣動(dòng)爬行機(jī)器人、電動(dòng)爬行機(jī)器人和液壓驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)器人等。按行走方式可分為：輪式、履帶式、蠕動(dòng)式、多足式等。按工作空間來(lái)分可分為：管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)爬行機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等。按功能用途來(lái)分可分為：焊弧爬行機(jī)器人、檢測(cè)爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人、提升爬行機(jī)器人、巡線爬行機(jī)器人等。根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式和功能等可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機(jī)器人，如氣動(dòng)爬行機(jī)器人，電磁吸附多足式爬行機(jī)器人、電驅(qū)動(dòng)壁面焊弧爬行機(jī)器人等。1.2.2 發(fā)展現(xiàn)狀爬桿機(jī)器人是機(jī)器人大家族的一員，爬桿機(jī)器人因?yàn)樾枰朔亓Φ淖饔枚煽康匾栏接谂郎砻嫔喜⒆灾饕苿?dòng)，完成特定條

29、件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人，故爬桿機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支，從運(yùn)動(dòng)方式上來(lái)表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。爬桿機(jī)器人并不少見(jiàn)，但是通常來(lái)說(shuō)，這類機(jī)器人大多采用多足來(lái)進(jìn)行移動(dòng)或是使用腹部的摩擦表層來(lái)左右扭動(dòng)前進(jìn)。更主要的是，平常的機(jī)器人，因?yàn)轶w積或行動(dòng)方式的影響，不能到一些特殊的地方進(jìn)行工作，比如說(shuō)管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。爬升機(jī)器人與一般地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最明顯不同是需克服重力的作用可靠地依附于爬升表面上并自主移動(dòng)，完成特定條件下的作業(yè)。最早開(kāi)始研究且研究最多的是帕比機(jī)器人，適于高層建筑、水里發(fā)電大壩等垂直壁面和大球形表面上的危險(xiǎn)作業(yè)。對(duì)于管道外壁表面，已有車輪移動(dòng)形、姿

30、態(tài)可變形、尺蠖形和多關(guān)節(jié)形機(jī)器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者很早就對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行研究工作，獲得了豐碩的成果。目前，國(guó)內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人等等。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬桿機(jī)器人沿桿體上升下降。螺旋運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人的爬行動(dòng)作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動(dòng)方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過(guò)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)該機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)上升和下降

31、運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋線運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作，且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動(dòng)，其向上爬行是氣缸動(dòng)作一個(gè)周期的過(guò)程為下部氣缸夾緊，上部氣缸松開(kāi)，提升氣缸活塞桿伸出，上部上升；上部氣缸夾緊，下部氣缸松開(kāi)，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機(jī)器人就可以連續(xù)爬行。對(duì)于氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。國(guó)外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機(jī)器人，賓夕法尼亞州大學(xué)研制的R

32、ise系列攀爬機(jī)器人，德國(guó)西門(mén)子公司研制出仿蜘蛛的爬桿微機(jī)器人。國(guó)內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)研究所研發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人，國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)的摩擦輪式爬桿機(jī)器人，吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院基于鋼球自鎖裝置設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人，浙江大學(xué)陳俊龍教授設(shè)計(jì)的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人等。1.2.3 目前存在的問(wèn)題由上面敘述及調(diào)研知目前國(guó)內(nèi)外所設(shè)計(jì)制造的各種電機(jī)機(jī)械式爬桿器有一個(gè)缺陷：它們大多只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬桿器來(lái)解決變直徑桿的爬行，其上升和下降由氣壓控制，還需要?dú)鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。因此，有必要設(shè)計(jì)一種利用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)替代繁瑣的氣動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時(shí)在爬行過(guò)程中

33、可攜帶其他清潔能源實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備。1.3 仿生機(jī)器人概述 生物在經(jīng)歷了千百萬(wàn)年的進(jìn)化之后，由于遺傳和變異的原因，已經(jīng)形成了從執(zhí)行、感知、控制方式，一直到信息加工處理、組織方式等諸多方面的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處。仿生機(jī)器人這門(mén)學(xué)科產(chǎn)生和存在的前提就在于，生物經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的自然選擇進(jìn)化而來(lái)，在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等方面具有高度的合理性、科學(xué)性和進(jìn)步性。而非結(jié)構(gòu)化的、未知的工作環(huán)境、復(fù)雜的精巧的高難度的工作任務(wù)和對(duì)于高精度、高靈活性、高可靠性、高魯棒性、高智能型的目標(biāo)需求則是仿生機(jī)器人提出和發(fā)展的客觀動(dòng)力。 “模仿生物的身體結(jié)構(gòu)和功能，從事生物特點(diǎn)工作的仿生機(jī)器

34、人，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，成為未來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展方向?！?004年8月在沈陽(yáng)舉行的“2004IEEE機(jī)器人學(xué)與仿生學(xué)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議”上，與會(huì)的機(jī)器人學(xué)專家這樣表示。 日本東京工業(yè)大學(xué)教授廣瀨茂男曾獲得IEEE頒發(fā)的領(lǐng)先成就獎(jiǎng)，是世界機(jī)器人研究領(lǐng)域的權(quán)威科學(xué)家。在他看來(lái)，模仿生物活動(dòng)機(jī)能和身體結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)器人，應(yīng)當(dāng)是機(jī)器人研究領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。他說(shuō)，很多生物為了生存，在進(jìn)化過(guò)程中具備適應(yīng)大自然的獨(dú)特功能，科學(xué)界在機(jī)器人的發(fā)明制造上，就應(yīng)當(dāng)借鑒一些生物的獨(dú)特本領(lǐng)為人類服務(wù)。所以，仿生機(jī)器人必將是超出人類一般需求之前探索的一門(mén)真正的前沿科學(xué)。仿生機(jī)器人是機(jī)器人發(fā)展的最高階段，它既是機(jī)器人研究的

35、最初目的，也是機(jī)器人發(fā)展的最終目標(biāo)之一。仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)。從仿生學(xué)的角度來(lái)看，仿生機(jī)器人是仿生學(xué)技術(shù)的完美綜合與全面應(yīng)用。從本質(zhì)上來(lái)講，所謂“仿生機(jī)器人”就是指利用各種光、機(jī)、電、液等各種無(wú)機(jī)元器件和有機(jī)功能體相配合所組建起來(lái)的在運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計(jì)算推理、能量代謝和材料結(jié)構(gòu)等多方面具有高級(jí)生命形態(tài)特征從而可以在未來(lái)的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下精確的、靈活的、可靠的、高效的完成各種復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。按照所模仿的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、感知機(jī)理、控制機(jī)理及能量代謝和材料組成的不同，劃分仿生機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容如圖2-1所示。其中運(yùn)動(dòng)仿生下的

36、劃分也可看作基于不同運(yùn)動(dòng)機(jī)理的仿生機(jī)器人分類。仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿生位移運(yùn)動(dòng)仿生陸地生物運(yùn)動(dòng)仿生水中生物運(yùn)動(dòng)仿生空中生物仿生執(zhí)行運(yùn)動(dòng)仿生如仿生手等感知仿生聽(tīng)覺(jué)仿生視覺(jué)仿生嗅覺(jué)仿生其他感知仿生仿生耳仿生眼仿生鼻控制仿生定向?qū)Ш椒律?jì)算推理仿生群體控制仿生如仿蜜蜂定位等如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等如蟻群通信控制仿真等能量仿生如分解碳水化合物驅(qū)動(dòng)等材料仿生如仿生皮膚等圖1-3 仿生機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容及分類第二章 爬桿機(jī)器人方案選擇2.1 總體方案分析欲使機(jī)器人在桿上自由地移動(dòng)，必須具備兩種功能：貼附功能與移動(dòng)功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，運(yùn)動(dòng)方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動(dòng)式四種。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，

37、構(gòu)成多種風(fēng)格的機(jī)器人。吸附式是通過(guò)面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點(diǎn)夾緊在桿上。吸附式又有真空吸附和電磁吸附之分，其中真空吸附式用得比較多，因?yàn)樗鼘?duì)壁面的要求不十分嚴(yán)格；電磁吸附承載能力大，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場(chǎng)可吸附的含鐵、鈷、鎳等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點(diǎn)和比較如表2-1所示。表2-1 爬桿機(jī)器人貼附方案的比較貼附方式概要特點(diǎn)夾持式機(jī)械手由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)械手夾緊在干提上能適應(yīng)任何壁面吸附式真空吸附真 空泵設(shè)置許多吸盤(pán)，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機(jī)器人吸附在壁面可實(shí)現(xiàn)小型、輕量化，無(wú)需附加供氣裝置，但要求壁面有一定平滑度噴射器在本體上安裝噴嘴，由噴

38、射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，其周圍形成真空，吸附在避免上能效低、噪音大，且需要供氣裝置，但可以達(dá)到高真空度，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)電磁吸附永磁體由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上吸附時(shí)不需外部能量，但只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附電磁鐵電磁鐵通電將其吸附在避免上吸附時(shí)需要電能，也只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)椴煌挠猛?，移?dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機(jī)器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。作為桿件爬行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動(dòng)方式可供選擇。各種移動(dòng)方案的比較見(jiàn)表2-2所示。表2-2 爬行機(jī)器人移動(dòng)方案

39、的比較移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)輪式移動(dòng)速度快，控制方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)彎容易。接觸面積小，越障能力差，易打滑。履帶式接觸面積大，承載能力大，移動(dòng)速度快，適應(yīng)能力強(qiáng)。履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性差。腿式越障能力強(qiáng)，承載能力大，機(jī)動(dòng)性好，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動(dòng)，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。蠕動(dòng)式承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，適應(yīng)能力比較強(qiáng)。運(yùn)動(dòng)速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 根據(jù)設(shè)計(jì)本課題所提的要求，及考慮現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)用性與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的原則，要求承載能力始終，控制方面，接觸面積小等設(shè)計(jì)原則，通過(guò)對(duì)比各種方案，對(duì)于本課題我選擇了輪式爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，這種方案能基本滿足我們?cè)O(shè)定和要求的工作狀況

40、。對(duì)于輪式爬桿機(jī)器人，它具備以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，控制方面，移動(dòng)速度快，接觸面積小，而且易采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，這種驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)精度高，方便，成本低，驅(qū)動(dòng)效率高。2.2 輪式爬桿機(jī)器人 在本方案的設(shè)計(jì)中，采取輪式爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)，主要以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿桿向上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)為主要目標(biāo)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有很多種，常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停息機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)、螺旋絲桿機(jī)構(gòu)等。 在本方案的設(shè)計(jì)中，我采取的是圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)，它具有以下特點(diǎn)：（1）圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（2）依靠摩擦力傳遞運(yùn)動(dòng)；（3）運(yùn)動(dòng)所需機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少。而對(duì)于它所存在的缺點(diǎn)，像輪式爬桿器易打滑這點(diǎn)

41、，我們可以通過(guò)選擇與電線桿等桿狀物接觸的材料如橡膠材料來(lái)改善其易打滑的缺點(diǎn)。第三章 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)3.1.1 設(shè)計(jì)要求1、爬桿直徑： 10cmd35cm；2、爬桿高度： h15cm；3、爬桿速度： v15cm/s；4、最小負(fù)重：6kg；5、可以在電線桿上懸停，懸停時(shí)間5小時(shí)；6、爬桿器成品的直徑盡量??；7、爬桿器留有開(kāi)口，使用是先將爬桿器扣于電線桿上鎖緊，再進(jìn)行控制操作。3.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)爬桿機(jī)器人，使其能完成所要求的相關(guān)任務(wù)；2、繪制主要零件圖，繪圖量不少于3張零號(hào)圖；3、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)20000字以上；4、參考文獻(xiàn)15篇以上；5、翻譯外文資料5000漢字以

42、上。3.2 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 輪式爬桿機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本論文的關(guān)鍵，在此采用模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)方法分為基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)方法和側(cè)重功能分解的設(shè)計(jì)方法，將根據(jù)功能劃分方法對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.2.1 模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論 模塊化設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過(guò)程中逐步形成，是一種設(shè)計(jì)方法。而模塊化設(shè)計(jì)思想?yún)s由來(lái)已久，其基本思想是以產(chǎn)品（系統(tǒng)）的總功能為對(duì)象，以功能分析為基礎(chǔ)，將整個(gè)產(chǎn)品分解為若干特定的模塊，然后通過(guò)模塊的不同組合，可以得到不同品種、不同功能的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的各種需求。模塊化又稱模件化，模塊化的定義有很多種，但是按其概念有如下的定

43、義：由若干個(gè)具有不同用途（或性能）并可互換的模塊，經(jīng)不同的組合，以滿足不同需要的這種方法稱之為模塊化。 由此可見(jiàn)模塊化應(yīng)具有四個(gè)基本含義： （1）必須具有一定數(shù)量的模塊； （2）應(yīng)用系統(tǒng)組合原理； （3）最終要獲得能基本滿足各種不同功能的需要； （4）模塊化的可分性。 進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先把產(chǎn)品劃分為若干模塊，然后以模塊為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，模塊合理劃分與否將直接影響產(chǎn)品的性能、外觀以及模塊通用化的程度和成本。模塊化產(chǎn)品，通常按功能將產(chǎn)品劃分為若干單元，并使功能單元獨(dú)立化，這些單元被稱為功能模塊，然后由功能模塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的總功能。3.2.2 爬桿機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)要求我們按照功能劃

44、分的模塊化設(shè)計(jì)方法，將爬桿機(jī)器人劃分為夾緊模塊和傳動(dòng)模塊。模塊之間除標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械與電氣連接接口外，其設(shè)計(jì)相互獨(dú)立。模塊之間在模塊化設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循如下基本原則： （1）模塊應(yīng)具有自身的獨(dú)立性； （2）可用有限數(shù)目的模塊構(gòu)成不同組合的產(chǎn)品； （3）模塊的穩(wěn)定性； （4）模塊的經(jīng)濟(jì)型。模塊化設(shè)計(jì)的核心思想是將產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分后，通過(guò)對(duì)某些模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或變異設(shè)計(jì)得到新的產(chǎn)品。根據(jù)此思想，我們可以對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行各種變形設(shè)計(jì)，滿足不同使用要求和應(yīng)用環(huán)境要求。輪式爬桿機(jī)器人的本體是執(zhí)行爬行運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和清洗維護(hù)設(shè)備的搭載平臺(tái)，因此本體機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組合部分。為使機(jī)器人能夠安全、方便的完成工作任務(wù)

45、，要求本體移動(dòng)靈活，安全可靠，小巧輕便，本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)性能的首要指標(biāo)。由于爬行設(shè)備的特殊性，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題有：（1）從機(jī)器人爬桿動(dòng)作的特殊性及提高運(yùn)動(dòng)型和安全性方面考慮，需盡量使爬桿機(jī)器人的體積小、重量輕。 （2）從系統(tǒng)的工作性能上考慮，應(yīng)盡量使爬桿機(jī)器人的工作沖擊較小，運(yùn)行平穩(wěn)，提高工作時(shí)的穩(wěn)定性。 （3）從機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境來(lái)看，由于在桿上爬行，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮空間對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，力求機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。 （4）由于機(jī)器人的體積受限，所以在設(shè)計(jì)和布置時(shí)需要在盡量保證機(jī)構(gòu)功能、強(qiáng)度和性能的條件下，盡量減小零部件的體積。在布置各部件時(shí)，除考慮部件自身占據(jù)的空間

46、地位外，還要給予檢查、維修及更換部件時(shí)所必要的空間。 （5）從系統(tǒng)的成本以及各零部件的加工難度和加工時(shí)間考慮，各零件和材料的加工和選取，盡量采用市場(chǎng)上可采購(gòu)的材料和已有小零部件（如螺栓、彈簧等），減少自行設(shè)計(jì)和加工的原件，以減少設(shè)計(jì)難度和提高系統(tǒng)的可靠性，降低機(jī)械制造成本。3.2.3 對(duì)環(huán)境進(jìn)行分析面對(duì)爬桿器人的設(shè)計(jì)這個(gè)課題，我們首先要做的是把這個(gè)課題簡(jiǎn)化，希望所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越好，而不是讓它復(fù)雜起來(lái)。第一，雖然爬桿機(jī)器人所處的環(huán)境是室外。但是我們不需要額外考慮諸如灰塵、雨雪、低溫以及強(qiáng)烈震動(dòng)等惡劣環(huán)境下機(jī)器人的設(shè)計(jì)問(wèn)題，即使在以后的實(shí)際應(yīng)用中這些是必須的，所以，在本設(shè)計(jì)中，將不會(huì)有這些功能

47、模塊。 第二，對(duì)特定環(huán)境的分析。我所設(shè)計(jì)制作的是爬桿機(jī)器人，所以這個(gè)桿是非常重要的。初步的設(shè)定是這樣的：（1）桿的直徑在20-30mm之間，也就是說(shuō)本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人是在20-30mm的桿上爬，也許這不是很重要的。但至少可以在某一種桿上順利爬行，它的直徑可以使25mm或者是市場(chǎng)上現(xiàn)成的在20-30mm之間的桿。（2）桿并不是豎直擺放的。它在空間的位置時(shí)任意的，所以重力對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)既不能拿來(lái)利用，也不能視而不見(jiàn)，要將它的影響降低至最小。不過(guò)有一點(diǎn)是肯定的，那就是桿在空間是牢固的。不會(huì)來(lái)回?cái)[動(dòng)，也不會(huì)倒下。還有桿是懸空的，只有它的兩端是固定在地面或者桌面上的。（3）桿的表面是什么樣的。這就好比制

48、作移動(dòng)機(jī)器人時(shí)的地面情況，基于第一條的設(shè)想，整個(gè)桿的材質(zhì)是一樣的，它的表面也是一樣的，而且是常用的表面情況，至少它不是兩種極端，即它不是光滑的，也不是黏糊糊的。在它的上面也沒(méi)有釘子、口香糖等障礙?？傊?，是比較理想的。 第三，爬桿機(jī)器人的功能設(shè)定。丹尼斯克拉克和邁克爾歐文斯曾說(shuō)過(guò)：“企圖設(shè)計(jì)出一個(gè)多功能的機(jī)器人，既在室內(nèi)又在室外，既是足球機(jī)器人，也是清潔機(jī)器人，而且還能戰(zhàn)斗，那么這肯定是不切實(shí)際的，只能是紙上談兵，根本無(wú)法把它制作起來(lái)?！蹦俏业臋C(jī)器人的功能是什么呢？很簡(jiǎn)單，爬桿機(jī)器人，只要能在桿上爬來(lái)爬去，并能實(shí)現(xiàn)一定的功能，那么我就是比較成功的。 綜上所述，我所制作的機(jī)器人是能在室外環(huán)境下運(yùn)動(dòng)

49、，沿常用桿做運(yùn)動(dòng)，爬桿機(jī)器人體積不會(huì)太大，而且不會(huì)脫離桿，同時(shí)在移動(dòng)過(guò)程中是靠自身的動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力的。3.3 爬桿機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)3.3.1 爬桿機(jī)器人擺臂的設(shè)計(jì)在本次爬桿機(jī)器人擺臂的設(shè)計(jì)中，爬桿機(jī)器人擺臂需要與電線桿的立柱直接接觸，原理則是利用摩擦力使得爬桿機(jī)器人能夠在電線桿等桿類形狀的立柱上不至于滑落并且能夠向上運(yùn)動(dòng)或靜止在桿類形狀的立柱上。 因此在設(shè)計(jì)爬桿機(jī)器人擺臂之前，我們需要先選擇我們所設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人固定的桿的直徑大小，以便我們?cè)O(shè)計(jì)各個(gè)部分的尺寸大小。 在這里，根據(jù)實(shí)際的具體情況和現(xiàn)實(shí)生活中存在的桿類立柱來(lái)看，我選擇的是金屬材質(zhì)圓柱形電桿。其中一種金屬材質(zhì)圓柱形電桿的具體尺寸是

50、：直徑為25cm，高度為20m。 在本次設(shè)計(jì)總體方案擺臂部分中，它的簡(jiǎn)體如下，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)鏈輪和旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)再帶動(dòng)另一個(gè)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞到與金屬材質(zhì)圓柱形電桿接觸的輪上，輪式機(jī)械手這樣可實(shí)現(xiàn)上、下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)我們所要求的運(yùn)動(dòng)。圖3-1 爬桿機(jī)器人擺臂部分簡(jiǎn)圖 在本次爬桿機(jī)器人擺臂的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在兩擺臂之間必須加上一個(gè)拉伸彈簧。此拉伸彈簧的作用：一是拉伸彈簧對(duì)上擺臂提供一個(gè)向下的拉力，對(duì)下擺臂提供一個(gè)向上的拉力，這樣上下兩輪都有一個(gè)對(duì)金屬材質(zhì)圓柱形電桿的正壓力，產(chǎn)生的摩擦力使得爬桿機(jī)器人緊固在桿上；二是彈簧具有活動(dòng)性，當(dāng)圓柱形電桿的直徑不為25cm時(shí)，整個(gè)爬

51、桿機(jī)器人可以通過(guò)對(duì)彈簧的調(diào)節(jié)使得所設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人能作用于大部分桿上，使其具備很大的實(shí)用性。 在選擇傳動(dòng)連接上，參考相關(guān)資料，桿與桿連接不推薦鉸接，因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)項(xiàng)目選用球鉸會(huì)產(chǎn)生上下徑向運(yùn)動(dòng)，影響運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。為了得到更好的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性，桿與桿連接采用打孔定位軸連接，即滿足轉(zhuǎn)動(dòng)即可。關(guān)于桿的材料的選擇，由于此爬桿機(jī)器人大多數(shù)是在空中完成操作，長(zhǎng)期處于高空狀態(tài)，我們可以選擇45號(hào)鋼，45號(hào)鋼不僅便宜，常用，應(yīng)用范圍廣，而且在退火、淬火和熱態(tài)下的可塑性好，可熱處理強(qiáng)化、在淬火或自然失效狀態(tài)下使用，點(diǎn)焊焊接性良好。用作中等強(qiáng)度的零件非常適合。 通過(guò)上面對(duì)圓柱形立柱的選擇，我們知道立柱的直徑為250mm，

52、在我們?cè)O(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于三角形具有穩(wěn)定性等等一系列優(yōu)點(diǎn)，我們選擇的是在立柱的三個(gè)方向都設(shè)計(jì)一個(gè)帶輪的擺臂與立柱接觸，利用擺臂與立柱之間產(chǎn)生的摩擦力使得爬桿機(jī)器人固定在立柱上，甚至能沿著立柱向上運(yùn)動(dòng)，因此我們選擇的方案是機(jī)器人框架上下邊框上沿圓周均勻安裝三套主動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)，相互夾角120等間距布置，構(gòu)成兩個(gè)各包含三套主動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)且上下平行的驅(qū)動(dòng)截面，使?fàn)恳Ψ稚a(chǎn)生，增強(qiáng)行走時(shí)的自定心功能，有利于穩(wěn)定檢測(cè)。首先我們需要選擇與圓柱形立柱接觸的輪的直徑大小、厚度和材料。 考慮到立柱的直徑大小為250mm，同時(shí)考慮到整個(gè)爬桿機(jī)器人的總體大小，我們?cè)谶x擇與圓柱形立柱接觸的滾輪的直徑為75mm，同時(shí)取滾輪的

53、厚度大小為32.5mm，在材料的選擇方面，考慮到選擇的材料在與金屬圓柱形立柱接觸的時(shí)候所需的摩擦力越大越好，因此我們對(duì)于滾輪的材料方面的選擇為硬質(zhì)橡膠材料，一是硬質(zhì)橡膠材料普遍、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、應(yīng)用范圍廣，而且作為橡膠材料它與其它物體接觸是的摩擦系數(shù)高。下圖為滾輪的一些圖片。 在確定了滾輪的材料、直徑和厚度后，我們則需要設(shè)計(jì)一擺臂，使得電動(dòng)機(jī)能通過(guò)擺臂運(yùn)動(dòng)傳遞到滾輪上，使得爬桿機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)沿立柱的上、下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)整體形狀的把握，我設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為10mm，長(zhǎng)度為110mm的圓柱形材料穿過(guò)滾輪的中心以帶動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)長(zhǎng)為110mm，直徑為10mm的圓柱形材料上，需要在滾輪的一邊安裝一個(gè)鏈輪，通過(guò)鏈傳動(dòng)使得電動(dòng)機(jī)的力能夠通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞到滾輪上。不僅如此，在該軸的兩邊，我們需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)使得這個(gè)機(jī)構(gòu)不僅與滾輪有所接觸，而且能夠通過(guò)一些零件固定