北航26屆馮如杯新型輪式爬桿機(jī)器人

1、北京航空天大學(xué)第二十六屆“馮如杯 ”學(xué)生學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽參賽作品項(xiàng)目名稱：新型輪式爬桿機(jī)器人2016年3月29日摘要： 隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人已經(jīng)日趨廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程的加快，城市中有著大量的如鋼索、電線桿等高空桿繩狀建筑，如何對(duì)這些建筑進(jìn)行高效安全的維修和清潔已然成為當(dāng)下的一個(gè)重要課題；同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)中，單純只能在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)傳輸也已經(jīng)無(wú)法滿足要求，我們需要有著能夠在豎直空間方向上移動(dòng)的機(jī)器人加入到工業(yè)生產(chǎn)中來(lái)，而建立豎直方向的桿軌道，使機(jī)器人在桿軌道上運(yùn)行，就能夠簡(jiǎn)單直接地解決這個(gè)問(wèn)題?；诖?，本文主要提出一種既能陸地行走又能以長(zhǎng)桿作為軌道行進(jìn)的機(jī)器人

2、。這種機(jī)器人是具有穩(wěn)定的地面運(yùn)行能力和可靠爬桿能力的運(yùn)動(dòng)裝置。該裝置可以迅速?gòu)牡孛孢\(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為爬桿狀態(tài)。其中最具特色的設(shè)計(jì)是該裝置在爬桿過(guò)程中的重心并不與桿的幾何中心線重合；與此同時(shí)行進(jìn)方式也是與傳統(tǒng)的爬桿裝置的蠕動(dòng)式不同，此裝置采用同地面運(yùn)行相似的輪式行進(jìn)，這樣就有效提高了爬桿的速度，使得該裝置在運(yùn)行過(guò)程中有著絕對(duì)的時(shí)間效率優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：爬桿 機(jī)器人 輪式行進(jìn) As the development of technology is speeding up, robots have been broadly applied in not only industrial manufacturi

3、ng but also daily life. There are a number of cable wires and telegraph poles in the cities due to the growth of economic and the acceleration of urbanization. How to carry out overhead work effectively and safely is becoming a current issue. As a result, robots which are capable of moving towards p

4、erpendicular direction are severely in need for industrial manufacturing. Based on the above background, this article is going to provide a solution conceiving a robot with the ability to move both on the plat ground and on the pole vertically. The robot can quickly converts from horizontal motion t

5、o vertical motion climbing the pole. What make the robot unique are summed up to two points below: a. The center of gravity of the robot does not overlap with the geometric center line of the pole during the climbing; b. This robot is moving on wheels just like on the ground, climbing faster than th

6、ose traditional crawling robots.Keywords: climbing poles, robot, traveling wheel.目錄第一章 緒論51.1 研究背景51.2 研究現(xiàn)狀51.3小結(jié)6第二章 輪式爬桿機(jī)器人的關(guān)鍵問(wèn)題和解決方案62.1 抱緊力62.2 摩擦力62.3 平衡性62.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度6第三章 新型輪式爬桿機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)73.1 整體結(jié)構(gòu)73.2 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)8第四章 總結(jié)和前景展望94.1項(xiàng)目總結(jié)與優(yōu)勢(shì)94.2應(yīng)用前景展望9參考文獻(xiàn)10第一章 緒論1.1 研究背景隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，高空建筑日益增多，使得人們需要在高空工作的情況也越來(lái)越多，例如

7、橋梁維護(hù)和路燈檢修，而在高空作業(yè)時(shí)，工作人員常常需要預(yù)先進(jìn)行復(fù)雜的安全保護(hù)，同時(shí)還要求保護(hù)具有較高的可靠性，增加了作業(yè)成本，留下了安全隱患，不能保證工作效率1-3；同時(shí)，在工業(yè)生產(chǎn)中，單一的平面運(yùn)輸也不能滿足現(xiàn)今高效快捷的生產(chǎn)要求。因此，具有攀爬能力的機(jī)器人近些年逐漸成為國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。1.2 研究現(xiàn)狀爬桿機(jī)器人與在地面運(yùn)行的裝置有著很大的不同，因?yàn)榈孛孢\(yùn)行可以近似看作是在一個(gè)平面上的運(yùn)動(dòng)，而爬桿機(jī)器人則是在豎直方向多出了一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，在此方向上不僅需要克服摩擦力，同時(shí)還需要克服重力。由于桿件形狀的特殊性，使得要在桿件上克服重力只能讓桿件提供升力4。從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是否連續(xù)，可以將現(xiàn)

8、有的攀爬機(jī)器人分為連續(xù)攀爬式和步進(jìn)式。其中連續(xù)攀爬式的機(jī)器人主要是通過(guò)輪式行進(jìn)或者是蛇形盤繞，把摩擦力作為升力，往往運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定；步進(jìn)式則運(yùn)行不如連續(xù)攀爬式穩(wěn)定。目前，攀爬機(jī)器人大多都存在整體質(zhì)量較重的問(wèn)題，在動(dòng)力一定的情況下，質(zhì)量過(guò)大將導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法完成攀爬動(dòng)作，還會(huì)出現(xiàn)重心不穩(wěn)的問(wèn)題，甚至在攀爬過(guò)程中發(fā)生傾覆，這對(duì)于進(jìn)行高空作業(yè)的攀爬機(jī)器人來(lái)說(shuō)是十分危險(xiǎn)的，而且現(xiàn)有的機(jī)器人大多設(shè)計(jì)為專門攀爬用，使得這類機(jī)器人的應(yīng)用前景具有相當(dāng)?shù)木窒扌?。另一方面，快速、精確地到達(dá)作業(yè)點(diǎn)是機(jī)器人的一大優(yōu)勢(shì)，而現(xiàn)有的攀爬機(jī)器人普遍存在攀爬速度較慢的缺陷，部分攀爬速度較快的機(jī)器人又在運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性上有明顯缺陷，如何

9、在運(yùn)行速度和運(yùn)行平穩(wěn)之間尋找平衡點(diǎn)是一個(gè)重要的課題。1.3 小結(jié)隨著社會(huì)的發(fā)展，為了解決高空作業(yè)和豎直運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題，攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)改進(jìn)至關(guān)重要。此爬桿機(jī)器人在小車的基礎(chǔ)，克服了以往爬桿機(jī)器人重心無(wú)法外懸的問(wèn)題，通過(guò)巧妙的機(jī)構(gòu)使起具有了相對(duì)理想的運(yùn)行速度和運(yùn)行穩(wěn)定性。第二章 輪式爬桿機(jī)器人的關(guān)鍵問(wèn)題和解決方案欲采用輪式爬桿方案需要解決的幾大關(guān)鍵問(wèn)題是：抱緊力、摩擦力、平穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。2.1 抱緊力為了產(chǎn)生足夠的摩擦力以克服重力，我們需要給抱桿裝置提供足夠大的抱緊力。擬采用帶推桿的氣缸作為動(dòng)力源，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)放大，從而產(chǎn)生足夠的抱緊力。2.2 摩擦力有了足夠的抱緊力之后，我們還需要有較大的摩擦系

10、數(shù)來(lái)產(chǎn)生較大的摩擦力。根據(jù)爬桿對(duì)象選擇合適的與它能產(chǎn)生足夠大摩擦系數(shù)的材料，我們預(yù)設(shè)的爬桿對(duì)象為PVC材質(zhì)的桿，通過(guò)查閱資料得知，硅膠皮能與PVC材料產(chǎn)生較大的摩擦系數(shù)。2.3 平衡性由于機(jī)器人的重心與所抱的桿體的幾何中心并不重合，在爬桿的過(guò)程中容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況。通過(guò)提供足夠的抱緊力和選用合適的輪寬，以及設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助結(jié)構(gòu)來(lái)克服可能產(chǎn)生的不平穩(wěn)的情況。2.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度爬桿機(jī)構(gòu)幾乎要承擔(dān)機(jī)器人全部的重量，這對(duì)爬桿機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度有很高的要求。擬采用支撐架加強(qiáng)的榫接板材結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理結(jié)構(gòu)布局即可滿足要求。第三章 新型輪式爬桿機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 整體結(jié)構(gòu)此機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)主要由路面行走裝置、抱桿裝置

11、和上爬裝置三部分組成。路面行走裝置由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪加兩個(gè)萬(wàn)向輪構(gòu)成。路面行走階段，由兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。抱桿裝置由兩對(duì)三排共六個(gè)摩擦輪、推桿和氣缸組合而成。每三個(gè)摩擦輪成一豎排，安裝在摩擦輪機(jī)架上，推桿與摩擦輪機(jī)架連接，氣缸安裝在抱桿裝置側(cè)板內(nèi)側(cè)，與推桿連接，通過(guò)推桿向摩擦輪架傳遞推力。側(cè)板與主機(jī)架之間采用角鋁多層架的方式固定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。推桿由氣缸驅(qū)動(dòng)，可推動(dòng)摩擦輪機(jī)架，使兩個(gè)摩擦輪機(jī)架靠近。在路面行走階段，兩個(gè)摩擦輪機(jī)架彼此在水平方向相距一定距離，推桿位于原始位置。抱桿階段，氣缸動(dòng)作，推桿推動(dòng)兩個(gè)機(jī)架遠(yuǎn)離氣缸，兩對(duì)摩擦輪之間的距離減小，抱桿裝置整體展開(kāi)，摩擦輪逐漸貼近立柱，直到抱緊立柱。

12、上爬裝置由六個(gè)摩擦輪及驅(qū)動(dòng)它們的電動(dòng)機(jī)組成。在立柱被抱緊后，開(kāi)始上爬階段，六個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，六個(gè)摩擦輪在沿著桿上滾動(dòng)，向著桿頂運(yùn)動(dòng)，達(dá)到爬桿的目的。每個(gè)輪子都有一個(gè)單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，六個(gè)摩擦輪以相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)。摩擦輪采用了質(zhì)量較輕的空心輪，外面在套上一層3M硅膠皮，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得它與PVC材料的柱面之間的摩擦系數(shù)高達(dá)4.3。摩擦輪與立柱之間的摩擦系數(shù)足夠大，為克服重力提供了足夠的摩擦力，保證了整個(gè)機(jī)器不會(huì)在上爬階段從桿上滑落；同時(shí)空心輪有利于減輕整個(gè)機(jī)構(gòu)的重量，更利于攀爬。機(jī)架板全部采用玻璃纖維板，強(qiáng)度足夠的同時(shí)，質(zhì)量也相對(duì)較輕。板與板之間采用榫接結(jié)構(gòu)，AB膠粘接固定，提供了充足的強(qiáng)度，保證了結(jié)

13、構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)在主體底板上還裝有一個(gè)小輪，起支撐作用，防止機(jī)器人在爬升過(guò)程中，在前后方向失去平衡。爬桿部分與車體連接采用層架角鋁連接方式，保證了裝配精度的同時(shí)也保證了連接強(qiáng)度。3.2 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)本機(jī)器人和傳統(tǒng)的爬桿機(jī)器人相比主要有三大優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新點(diǎn)：（1）機(jī)器人重心與桿的幾何中心不重合；現(xiàn)有的大多數(shù)爬桿機(jī)器人都采用機(jī)器人重心與桿重合的機(jī)構(gòu)，如蛇形爬桿機(jī)器人，通過(guò)蠕動(dòng)上升。當(dāng)機(jī)器人重心與桿的幾何中心重合時(shí)，實(shí)現(xiàn)爬桿相對(duì)簡(jiǎn)單，爬桿過(guò)程中保持平衡的難度相對(duì)較低。而本機(jī)器人的創(chuàng)新之處正在于，在使機(jī)器人重心與桿的幾何中心不重合的前提下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定爬桿。（2）采用輪式爬桿機(jī)構(gòu)，爬桿動(dòng)作平穩(wěn)，速度更快；蠕動(dòng)式爬

14、桿機(jī)器人，由于自身上升方式的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致此類機(jī)器人上升速度比較緩慢；而本機(jī)器人采用輪式機(jī)構(gòu)直接爬桿，上升速度基本上取決于輪子滾動(dòng)的速度，所以上升速度十分迅速。（3）能攜帶一定的重物進(jìn)行爬桿。本機(jī)器人在選擇材料過(guò)程中，主要保證兩點(diǎn)：足夠的強(qiáng)度和相對(duì)輕的質(zhì)量。這兩點(diǎn)保證了攀爬過(guò)程中機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)也是本機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)攜帶重物進(jìn)行攀爬的基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)诟呖者M(jìn)行作業(yè)的情況也越來(lái)越多，如果實(shí)采摘、路燈更換、管道檢修、軍事偵察等。在高空作業(yè)時(shí)，工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)程度高，其人身安全難以得到可靠的保證，同時(shí)勞動(dòng)效率也不高。因此，本爬桿機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)提供了基礎(chǔ)。第四章 總結(jié)和前景展

15、望4.1項(xiàng)目總結(jié)與優(yōu)勢(shì)與目前國(guó)際上現(xiàn)有的爬桿裝置設(shè)計(jì)方案相比，這款爬桿機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：一、可以同時(shí)在地面和桿件上運(yùn)行，具有更為廣泛的應(yīng)用前景，同時(shí)也具有對(duì)不同環(huán)境不同情況更好的適應(yīng)性。二、對(duì)整個(gè)裝置重心位置沒(méi)有特別的要求，使得該裝置具有可觀的裝載能力，以及具有繼續(xù)添加外部設(shè)備改造為擁有更多功能的機(jī)器人的可能性。4.2應(yīng)用前景展望與大多數(shù)現(xiàn)有的爬桿機(jī)器人的功能相同，此款爬桿機(jī)器人完全具有在桿狀物體表面運(yùn)行的能力，由于其運(yùn)行方式使得在速度和穩(wěn)定性兩方面得以兼顧。本裝置可以直接作為運(yùn)輸器，在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行前往各個(gè)方向的運(yùn)輸工作，同時(shí)在添加簡(jiǎn)單的外部設(shè)備后也可以改造為高空建筑的清潔機(jī)器人或者是檢修機(jī)器人。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，此裝置可以作為很多桿狀機(jī)器人的原型載體，從而使得在各種桿狀物體上的工作都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的外部設(shè)備添加得以實(shí)現(xiàn)，這也符合當(dāng)今生產(chǎn)中日益重要的柔性生產(chǎn)的根本理念。參考文獻(xiàn)1蔡傳武. 爬