摘    要

    随着科学的发展和科技的进步，机器人越来越成为人们生活中不可或缺的一部分，而本次毕业设计我们主要研究了机器人家族中的爬杆机器人，希望能创造出一种既简单又实用的爬杆机器人以满足人们相应的需要。

本论文首先主要介绍了爬杆机器人的相关背景、目前国内外某些爬杆机器人的发展状况和相应存在的一些问题，其次对爬杆机器人方案的选择进行了相应的比较和分析，之后进入机器人的实体设计阶段。

    其次，论文的重点主要是对爬杆机器人进行相应的设计，其中包括爬杆机器人摆臂的设计，主框架的设计和旋转轴的设计等等，同时对驱动方案的选择也做了相应的分析和比较。

    最后，对本次设计进行了总结和展望。

关键词：爬杆机器人；设计；驱动方案

ABSTRACT

    With the development of science and technology advances, the robot has increasingly become an integral part of people’s 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 background of the climbing pole robot in our own country and abroad some thing of the robot’s climbing pole position and the corresponding number of problems, followed by the choice of climbing pole robot program comparison and analysis, after entering the robot’s physical design stage.

    Secondly, the 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 and outlook on the design.

Key words: climbing pole robot; design; driven program

目    录

    第一章    绪论………………………………………………

      1.1  背景

      1.2  国内外发展现状及其存在的问题

第一章    绪论

1.1  背景

“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化”。这是宋健院士对机器人在上个世纪所取得的成就的精辟概括。同时机器人技术也是20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。

所以我们必须走进它，了解它。近年来，在我国大学，机器人作为机械电子学、计算机技术、人工智能等的典型载体被广泛地用来作为工科本科生的讲授课程之一；在中学，模型机器人则逐渐成为素质教育，技能实践的选题之一，各种机器人比赛正方兴未艾。进入21世纪，人们也愈来愈亲身感受到机器人深入产业、深入生活、深入社会的坚实步伐。这些都说明了机器人技术离我们越来越近了。

但大家是否可以给耳熟能详的机器人一个准确的定义呢？有人认为机器人无所不能，有人认为机器人必须像人。那么，何为机器人？虽然很难给机器人下准确的定义，但是通常的理解就是：机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的环境和作业的需要，它具有至少一项或多项拟人功能，如抓取功能或移动功能，或两者兼而有之，另外还可能程度不等地具有某些环境感知功能（如视觉、力觉、触觉、接近觉等）以及语音功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在要求的环境中代替人进行作业。

如今进入二十一世纪，随着科技的迅速发展，现代化进程的日益加快，机器人的创新与研究越来越成为一个国家科技力量的具体体现，越来越多的机器人已成为各个领域重要的组成部分，因此机器人的发展也日益成熟，为人们的生活提供了更多的方便与快捷。在世界经济快速发展的前提下，我国国民经济也有着飞速的增长，人民生活水平日益提高，伴随着城市和乡村矗立起无数的高层建筑和无数的高高的杆类，如电线杆、路灯杆等等。这些杆类长年累月的暴露在空气中，很容易受到腐蚀和污染，不仅影响着城市的美观，而且缩短了它们的寿命，也大大提高的它的危险性，对人们造成诸多不便与危险。

然而，如果人工的对这些杆类进行清洗与保养，由于其条件所致，势必需要清洗工人高空作业完成，这样不仅工作效率低下，耗资巨大，而且安全系数低，很容易造成危险。如果采取高压水枪清洗，则太浪费人力物力，得不偿失了。这时，人们通过设想，能不能设计一种机器人，使得它能够代替人类进行对杆类的清洗或进行相关工作，用这些机器人代替人工进行高空危险作业，从而把工人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来，不仅提高的工作效率，同时也保护了工人的生命安全。

因此，我们需要设计一种爬杆机器人，使得它代替工人进行高空作业，改善工人的工作环境，提高工作效率，大大降低高层杆状的清洗成本，或许将带来清洗业的一次创新与革命。这种机器人的研制必将有很大的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。本课题旨在设计一种新型的、结构简单、经济适用、价格便宜、操作简便的使用与路灯杆等杆类的可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人，以解决当前城镇中存在的杆状清洗等问题。该机构要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。

1.2  国内外发展现状及其存在的问题

1.2.1  爬杆机器人的分类

爬杆机器人的种类多种多样。

按仿生学角度来分爬杆机器人可分为：螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、足蠖式爬行机器人等。

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、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、球面爬行机器人、陆地移动爬行机器人、水下机器人、空间机器人等。

按功能用途来分可分为：焊弧爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、巡线爬行机器人等。

根据不同的驱动方式和功能等可以设计不同结构和用途的爬行机器人，如气动爬行机器人，电磁吸附多足式爬行机器人、电驱动壁面焊弧爬行机器人等。

1.2.2  发展现状

爬杆机器人是机器人大家族的一员，爬杆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，区别于平面

移动机器人，故爬杆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。

爬杆机器人并不少见，但是通常来说，这类机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。

最早开始研究且研究最多的是帕比机器人，适于高层建筑、水里发电大坝等垂直壁面和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面，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，且牵引力较小。

国内外的学者很早就对爬杆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于杆体表面的自动爬行机构主要由电动机械式爬杆机器人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人等等。

电动机械式爬杆机器人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，依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬杆机器人沿杆体上升下降。螺旋运动爬杆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一定角度，这样轮子转动时它在杆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和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，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，其向上爬行是气缸动作一个周期的过程为下部气缸夹紧，上部气缸松开，提升气缸活塞杆伸出，上部上升；上部气缸夹紧，下部气缸松开，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，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，因此其设备成本较高。

国外有代表性的有东京大学研制的关节型行走机器人，宾夕法尼亚州大学研制的Rise系列攀爬机器人，德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬杆微机器人。国内比较典型的有上海交通大学研究所研发的一种斜拉桥缆索涂装维护用气动蠕动式爬缆机器人，国防科技大学设计的摩擦轮式爬杆机器人，吉林大学机械学院基于钢球自锁装置设计的爬杆机器人，浙江大学陈俊龙教授设计的气动爬杆机器人等。

1.2.3  目前存在的问题

由上面叙述及调研知目前国内外所设计制造的各种电机机械式爬杆器有一个缺陷：它们大多只能依靠气动蠕行式爬杆器来解决变直径杆的爬行，其上升和下降由气压控制，还需要气动控制系统，因此其设备成本和维护费用较高。

因此，有必要设计一种利用简单的机械结构来替代繁琐的气动设备实现变直径杆的攀爬，同时在爬行过程中可携带其他清洁能源实现对路灯杆等杆状城市建筑的清洗作业的设备。

1.3  仿生机器人概述

    生物在经历了千百万年的进化之后，由于遗传和变异的原因，已经形成了从执行、感知、控制方式，一直到信息加工处理、组织方式等诸多方面的优势和长处。仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于，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、自主学习等方面具有高度的合理性、科学性和进步性。而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能型的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力。

    “模仿生物的身体结构和功能，从事生物特点工作的仿生机器人，有望代替传统的工业机器人，成为未来机器人领域的发展方向。”2004年8月在沈阳举行的“2004IEEE机器人学与仿生学国际学术会议”上，与会的机器人学专家这样表示。

    日本东京工业大学教授广濑茂男曾获得IEEE颁发的领先成就奖，是世界机器人研究领域的权威科学家。在他看来，模仿生物活动机能和身体结构的仿生机器人，应当是机器人研究领域未来的发展方向。他说，很多生物为了生存，在进化过程中具备适应大自然的独特功能，科学界在机器人的发明制造上，就应当借鉴一些生物的独特本领为人类服务。所以，仿生机器人必将是超出人类一般需求之前探索的一门真正的前沿科学。

仿生机器人是机器人发展的最高阶段，它既是机器人研究的最初目的，也是机器人发展的最终目标之一。

仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。从仿生学的角度来看，仿生机器人是仿生学技术的完美综合与全面应用。从本质上来讲，所谓“仿生机器人”就是指利用各种光、机、电、液等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未来的非结构化环境下精确的、灵活的、可靠的、高效的完成各种复杂任务的机器人系统。按照所模仿的运动机理、感知机理、控制机理及能量代谢和材料组成的不同，划分仿生机器人的主要研究内容如图2-1所示。其中运动仿生下的划分也可看作基于不同运动机理的仿生机器人分类。

图1-3  仿生机器人的主要研究内容及分类

第二章    爬杆机器人方案选择

2.1  总体方案分析

欲使机器人在杆上自由地移动，必须具备两种功能：贴附功能与移动功能。贴附方式有吸附式和夹持式两种，运动方式有轮式、履带式、腿式及蠕动式四种。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格的机器人。

吸附式是通过面接触方式紧贴于壁面上，夹持式是靠点夹紧在杆上。吸附式又有真空吸附和电磁吸附之分，其中真空吸附式用得比较多，因为它对壁面的要求不十分严格；电磁吸附承载能力大，有很强的适应能力，但其应用范围窄，需要杆件壁面含有电磁场可吸附的含铁、钴、镍等材料。各种贴附方式的优缺点和比较如表2-1所示。

表2-1    爬杆机器人贴附方案的比较

在设计移动机器人系统时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。此外，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。作为杆件爬行机器人，根据现有的技术方案，有很多种移动方式可供选择。各种移动方案的比较见表2-2所示。

表2-2    爬行机器人移动方案的比较

    根据设计本课题所提的要求，及考虑现实生活中的实用性与结构简单的原则，要求承载能力始终，控制方面，接触面积小等设计原则，通过对比各种方案，对于本课题我选择了轮式爬杆机器人的结构形式，这种方案能基本满足我们设定和要求的工作状况。对于轮式爬杆机器人，它具备以下优点：结构简单，可操作性强，控制方面，移动速度快，接触面积小，而且易采用电动机驱动的方式，这种驱动方式运动精度高，方便，成本低，驱动效率高。

2.2  轮式爬杆机器人

    在本方案的设计中，采取轮式爬杆机器人设计，主要以实现机器人沿杆向上做往复运动为主要目标。往复运动的实现有很多种，常见的机构有：不完全齿轮齿条双侧停息机构、曲柄连杆机构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等。

    在本方案的设计中，我采取的是圆柱齿轮齿条机构，它具有以下特点：

（1）圆柱齿轮齿条机构的结构简单；

（2）依靠摩擦力传递运动；

（3）运动所需机构和驱动器数目少。

而对于它所存在的缺点，像轮式爬杆器易打滑这点，我们可以通过选择与电线杆等杆状物接触的材料如橡胶材料来改善其易打滑的缺点。

第三章    爬杆机器人结构方案设计

3.1  设计任务

3.1.1  设计要求

1、爬杆直径： 10cm≤d≤35cm；

2、爬杆高度： h≥15cm；

3、爬杆速度： v≥15cm/s；

4、最小负重：≥6kg；

5、可以在电线杆上悬停，悬停时间≥5小时；

6、爬杆器成品的直径尽量小；

7、爬杆器留有开口，使用是先将爬杆器扣于电线杆上锁紧，再进行控制操作。

3.1.2  设计任务

1、设计爬杆机器人，使其能完成所要求的相关任务；

2、绘制主要零件图，绘图量不少于3张零号图；

3、编写设计说明书20000字以上；

4、参考文献15篇以上；

5、翻译外文资料5000汉字以上。

3.2  爬杆机器人结构设计准则

    轮式爬杆机器人的本体结构设计是本论文的关键，在此采用模块化设计方法对机器人本体进行模块化设计，模块化设计方法分为基于结构特征的设计方法和侧重功能分解的设计方法，将根据功能划分方法对爬杆机器人进行设计。

3.2.1  模块化设计基础理论

    模块化设计是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成，是一种设计方法。而模块化设计思想却由来已久，其基本思想是以产品（系统）的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的模块，然后通过模块的不同组合，可以得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。模块化又称模件化，模块化的定义有很多种，但是按其概念有如下的定义：由若干个具有不同用途（或性能）并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需要的这种方法称之为模块化。

    由此可见模块化应具有四个基本含义：

    （1）必须具有一定数量的模块；

    （2）应用系统组合原理；

    （3）最终要获得能基本满足各种不同功能的需要；

    （4）模块化的可分性。

    进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。因此，模块合理划分与否将直接影响产品的性能、外观以及模块通用化的程度和成本。模块化产品，通常按功能将产品划分为若干单元，并使功能单元独立化，这些单元被称为功能模块，然后由功能模块系统实现产品的总功能。

3.2.2  爬杆机器人的模块化设计要求

我们按照功能划分的模块化设计方法，将爬杆机器人划分为夹紧模块和传动模块。模块之间除标准化的机械与电气连接接口外，其设计相互独立。

模块之间在模块化设计中应遵循如下基本原则：

    （1）模块应具有自身的独立性；

    （2）可用有限数目的模块构成不同组合的产品；

    （3）模块的稳定性；

    （4）模块的经济型。

模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重新设计或变异设计得到新的产品。根据此思想，我们可以对爬杆机器人进行各种变形设计，满足不同使用要求和应用环境要求。

轮式爬杆机器人的本体是执行爬行运动的驱动平台和清洗维护设备的搭载平台，因此本体机构是整个系统的重要组合部分。为使机器人能够安全、方便的完成工作任务，要求本体移动灵活，安全可靠，小巧轻便，本体机构设计的优劣是评价整个系统性能的首要指标。由于爬行设备的特殊性，所以设计时需要考虑的主要问题有：

（1）从机器人爬杆动作的特殊性及提高运动型和安全性方面考虑，需尽量使爬杆机器人的体积小、重量轻。

    （2）从系统的工作性能上考虑，应尽量使爬杆机器人的工作冲击较小，运行平稳，提高工作时的稳定性。

    （3）从机器人的作业环境来看，由于在杆上爬行，在结构设计时应该充分考虑空间对结构尺寸的限制，力求机构简单可靠。

    （4）由于机器人的体积受限，所以在设计和布置时需要在尽量保证机构功能、强度和性能的条件下，尽量减小零部件的体积。在布置各部件时，除考虑部件自身占据的空间地位外，还要给予检查、维修及更换部件时所必要的空间。

    （5）从系统的成本以及各零部件的加工难度和加工时间考虑，各零件和材料的加工和选取，尽量采用市场上可采购的材料和已有小零部件（如螺栓、弹簧等），减少自行设计和加工的原件，以减少设计难度和提高系统的可靠性，降低机械制造成本。

3.2.3  对环境进行分析

面对爬杆器人的设计这个课题，我们首先要做的是把这个课题简化，希望所设计的结构越简单越好，而不是让它复杂起来。

第一，虽然爬杆机器人所处的环境是室外。但是我们不需要额外考虑诸如灰尘、雨雪、低温以及强烈震动等恶劣环境下机器人的设计问题，即使在以后的实际应用中这些是必须的，所以，在本设计中，将不会有这些功能模块。

    第二，对特定环境的分析。我所设计制作的是爬杆机器人，所以这个杆是非常重要的。初步的设定是这样的：（1）杆的直径在20-30mm之间，也就是说本课题设计的机器人是在20-30mm的杆上爬，也许这不是很重要的。但至少可以在某一种杆上顺利爬行，它的直径可以使25mm或者是市场上现成的在20-30mm之间的杆。（2）杆并不是竖直摆放的。它在空间的位置时任意的，所以重力对于机器人来说既不能拿来利用，也不能视而不见，要将它的影响降低至最小。不过有一点是肯定的，那就是杆在空间是牢固的。不会来回摆动，也不会倒下。还有杆是悬空的，只有它的两端是固定在地面或者桌面上的。（3）杆的表面是什么样的。这就好比制作移动机器人时的地面情况，基于第一条的设想，整个杆的材质是一样的，它的表面也是一样的，而且是常用的表面情况，至少它不是两种极端，即它不是光滑的，也不是黏糊糊的。在它的上面也没有钉子、口香糖等障碍。总之，是比较理想的。

    第三，爬杆机器人的功能设定。丹尼斯·克拉克和迈克尔·欧文斯曾说过：“企图设计出一个多功能的机器人，既在室内又在室外，既是足球机器人，也是清洁机器人，而且还能战斗，那么这肯定是不切实际的，只能是纸上谈兵，根本无法把它制作起来。”那我的机器人的功能是什么呢？很简单，爬杆机器人，只要能在杆上爬来爬去，并能实现一定的功能，那么我就是比较成功的。

    综上所述，我所制作的机器人是能在室外环境下运动，沿常用杆做运动，爬杆机器人体积不会太大，而且不会脱离杆，同时在移动过程中是靠自身的动力系统提供动力的。

3.3  爬杆机器人总体方案设计

3.3.1  爬杆机器人摆臂的设计

在本次爬杆机器人摆臂的设计中，爬杆机器人摆臂需要与电线杆的立柱直接接触，原理则是利用摩擦力使得爬杆机器人能够在电线杆等杆类形状的立柱上不至于滑落并且能够向上运动或静止在杆类形状的立柱上。

    因此在设计爬杆机器人摆臂之前，我们需要先选择我们所设计的爬杆机器人固定的杆的直径大小，以便我们设计各个部分的尺寸大小。

    在这里，根据实际的具体情况和现实生活中存在的杆类立柱来看，我选择的是金属材质圆柱形电杆。其中一种金属材质圆柱形电杆的具体尺寸是：直径为25cm，高度为20m。

    在本次设计总体方案摆臂部分中，它的简体如下，电动机启动，通过链传动带动链轮和旋转轴旋转，旋转轴的旋转再带动另一个链轮转动，再通过链传动传递到与金属材质圆柱形电杆接触的轮上，轮式机械手这样可实现上、下移动，从而实现我们所要求的运动。

图3-1  爬杆机器人摆臂部分简图

    在本次爬杆机器人摆臂的设计过程中，在两摆臂之间必须加上一个拉伸弹簧。此拉伸弹簧的作用：一是拉伸弹簧对上摆臂提供一个向下的拉力，对下摆臂提供一个向上的拉力，这样上下两轮都有一个对金属材质圆柱形电杆的正压力，产生的摩擦力使得爬杆机器人紧固在杆上；二是弹簧具有活动性，当圆柱形电杆的直径不为25cm时，整个爬杆机器人可以通过对弹簧的调节使得所设计的爬杆机器人能作用于大部分杆上，使其具备很大的实用性。

    在选择传动连接上，参考相关资料，杆与杆连接不推荐铰接，因为此设计项目选用球铰会产生上下径向运动，影响运动的准确性。为了得到更好的运动准确性，杆与杆连接采用打孔定位轴连接，即满足转动即可。

关于杆的材料的选择，由于此爬杆机器人大多数是在空中完成操作，长期处于高空状态，我们可以选择45号钢，45号钢不仅便宜，常用，应用范围广，而且在退火、淬火和热态下的可塑性好，可热处理强化、在淬火或自然失效状态下使用，点焊焊接性良好。用作中等强度的零件非常适合。

    通过上面对圆柱形立柱的选择，我们知道立柱的直径为250mm，在我们设计的过程中，由于三角形具有稳定性等等一系列优点，我们选择的是在立柱的三个方向都设计一个带轮的摆臂与立柱接触，利用摆臂与立柱之间产生的摩擦力使得爬杆机器人固定在立柱上，甚至能沿着立柱向上运动，因此我们选择的方案是

机器人框架上下边框上沿圆周均匀安装三套主动爬行机构，相互夹角120等间距布置，构成两个各包含三套主动爬行机构且上下平行的驱动截面，使牵引力分散产生，增强行走时的自定心功能，有利于稳定检测。首先我们需要选择与圆柱形立柱接触的轮的直径大小、厚度和材料。

    考虑到立柱的直径大小为250mm，同时考虑到整个爬杆机器人的总体大小，我们在选择与圆柱形立柱接触的滚轮的直径为75mm，同时取滚轮的厚度大小为32.5mm，在材料的选择方面，考虑到选择的材料在与金属圆柱形立柱接触的时候所需的摩擦力越大越好，因此我们对于滚轮的材料方面的选择为硬质橡胶材料，一是硬质橡胶材料普遍、经济实惠、应用范围广，而且作为橡胶材料它与其它物体接触是的摩擦系数高。下图为滚轮的一些图片。

在确定了滚轮的材料、直径和厚度后，我们则需要设计一摆臂，使得电动机能通过摆臂运动传递到滚轮上，使得爬杆机器人能够实现沿立柱的上、下运动。通过对整体形状的把握，我设计一个直径为10mm，长度为110mm的圆柱形材料穿过滚轮的中心以带动滚轮运动。在这个长为110mm，直径为10mm的圆柱形材料上，需要在滚轮的一边安装一个链轮，通过链传动使得电动机的力能够通过链传动传递到滚轮上。不仅如此，在该轴的两边，我们需要设计简单机构使得这个机构不仅与滚轮有所接触，而且能够通过一些零件固定在主框架上。

    综合以上考虑，我所设计的摆臂机构大致图形如下所示：

对于构件1，参考相关资料和考虑到杆件的长度与整个构件的尺寸，构件1的具体尺寸如下图所示：

对于构件2，它的具体尺寸如下图所示：

对于构件3，它的具体尺寸如下图：

3.3.2  爬杆机器人主框架的设计

    在设计爬杆机器人主框架的过程中，应考虑它对负载的方便性、负荷能力和整体架构方面。设计时应该注意以下问题：

    1.  刚度

刚度是指机身在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量之比来度量的。变形越小，则刚度越大。爬杆机器人的主框架的刚度方面是一个突出的问题。为提高刚度，应注意以下几点：

    （1）根据受力情况，合理选择框架形状和轮廓尺寸。主框架通常需要承受弯曲力和扭转力，应选用抗弯和抗扭刚度较大的截面形状。

    （2）提高支承刚度和接触刚度。机身的变形量不仅与结构刚度有关，而且于支承刚度及支承物和框架的接触刚度有很大关系。要提高支承刚度，一方面要从支座的结构形状、底板的连接形式等方面考虑；另一方面，要特别注意提高配合面间的接触刚度，即保证配合表面的加工精度和表面粗糙度。

    2.  精度

    爬杆机器人在主框架的精度也是非常重要。影响整个爬杆机器人的精度不仅体现在摆臂上，在主框架的设计中也需非常重视，而且就导向装置而言，其导向精度、刚度和耐磨性等对爬杆机器人的精度和其他工作性影响很大，在设计时同样得时刻注意。

    3.  平稳性

    为了提高爬杆机器人工作时的平稳性，应该注意摆臂和主框架的运动部件应力求紧凑、质量轻，减少惯性力。

    在上述设计的基础上，再根据所设计的摆臂的尺寸和简单的原则，我所设计的主框架的大致图形如下所示：

其具体尺寸大致如下：

    在本次主框架的设计中，每隔一条边变设计一个长方形状小框架，使得主框架方便与摆臂安装或和旋转轴安装，而对于另外的三条边则可以作为承载所需要承载的物件或机械等等，使得其能满足所要求的相关操作以达到相关机构能够高空作业。

3.3.3  爬杆机器人旋转轴的设计

轴是机械设备中重要的零件之一，对于轴而言，它的主要功能是支承旋转零件，并传递运动和动力。在本课题设计中，我们需要采用一传动轴，用来传递转矩。同时，我们还需要考虑轴的材料选择方面，轴的常用材料及其主要力学性能见表3-4。

表3-4    轴的常用材料及其主要力学性能

    从这个表格中我们可以看出轴的一些常用材料及其主要力学性能，根据这个表格，再者考虑我们所需要设计的轴，我选择的材料是45优质碳素钢，因为45优质碳素钢通过调质和正火等处理，材料力学性能已经得到改善，使得轴具有较高的强度和耐磨性，而且它对应力集中的敏感性较低，其机械加工性好，价格低廉，市场供应充足，取材比较方便。

其次，在设计爬杆机器人旋转轴尺寸的时候，我们需要考虑摆臂和主框架的尺寸。因为旋转轴不仅需要将电动机输出的动力传递到爬杆器摆臂上，而且在设计的过程中，旋转轴还需要固定在主框架上，使之形成一个整体。

    从之前设计的摆臂的尺寸中，我们可以知道摆臂的最大宽度可以从各个部件的尺寸得出，设摆臂的最大宽度为x，那么：

x=110-10×2+85.1÷2×2=175.1 mm

    对于主框架而言，它的边长为323mm。

    因此，我们在设计旋转轴的长度时，不仅需要设计合理，而且如设旋转轴的长度y，则y需满足y ≤ x=175.1mm。

    综上因素，我们设计的旋转轴的大致图形如下所示：

    其主视图主要尺寸如下图所示：

3.3.4  链传动的选择

在本次设计过程中，需要通过中间挠性曳引元件传递运动和动力，而其传递方式的选择有带传动和链传动。

对于带传动而言，它的主要优点是：有缓冲和吸振作用；运行平稳，噪声小；结构简单，制造成本低；可通过增减带长以适应不同的中心距要求；普通带传动过载时会在带轮上打滑，对其他机件有保护作用。它的主要缺点是：传动带的寿命较短；传递相同圆周力时，外廓尺寸和作用在轴上的载荷比啮合传动大；带与带轮接触面间有相对滑动，不能保证准确的传动比。

对于链传动而言，链传动通过链轮的轮齿与链条的链节相互啮合实现传动，依据链条结构的不同，有套筒链传动、滚子链传动和齿形链传动。它具有以下特点：可以得到准确的平均传动比，并可用于较大的中心距；传动效率高，最高可达98%；不需要张紧力，作用在轴上的载荷较小；容易实现多轴传动；能在恶劣的环境（高温、多灰尘等）下工作；由于瞬时传动比不等于常数，所以链的瞬时速度是变化的，故传动平稳性较差，速度高时噪声较大。而且链传动主要用于两轴中心距较大的动力和运动的传递。

根据实际情况，再者分别考虑带传动和链传动的优缺点，在这里我们选择的是链传动作为传动方式。在本设计的过程当中，我们采用的链传动为齿数相同的链轮，并且在链传动的形式中我们选择的是滚子链传动。由于在链传动中，一般链轮的寿命远大于链条的寿命。因此，链传动传动能力的设计主要针对链条进行。在链轮材料的选择上，链轮材料应保证轮齿有足够的强度和耐磨性，故链轮齿面一般都经过热处理，要求达到一定的硬度要求。而且在传动过程中，符合小链轮轮齿的受载次数比大链轮轮齿多，磨损和冲击比较严重，因此在设计的过程中，因保证小链轮的材料较好，齿面硬度较高。选择链传动的步骤如下所示。

已知：电动机功率P=0.12kw、转速=720r/min，单班工作，水平布置，中心距可以调节。

第四章    驱动系统方案的选择

4.1  驱动方式的比较与选择

    目前对于机器人的动力系统有多种不同的选择方案，可以采用电气驱动、液压驱动、气压驱动等不同的方式。不同的动力系统具有不同的特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照具体的要求来选择最适合的动力系统可以达到预定的目标。表4-1为不同的驱动方式的性能对照表。

表4-1    驱动方式性能对照表

气压驱动以高空空气作为工作介质，输出功率和使用范围：气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大只适合中小型快速驱动；控制性能和安全性：压缩性大，对速度、位置精确控制困难。阻尼效果差，低速不易控制，排气有噪声，泄露对坏境无影响；结构性能：结构体积较大，结构易于标准化，易实现直接驱动，密封问题不突出；安装和维护要求：安装要求不高，能在恶劣环境中工作，维护方便；效率与成本：效率低，为0.15～0.2，气源方便，结构简单，成本低。在这里气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本爬行机器人的工作空间的要求，不合适在本系统中使用。

液压驱动以高压油作为工作介质，输出功率和使用范围：油压高，可获得较大的输出功率，使用于重型系统，低速驱动；控制性能和安全性：液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无极调速，能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏会对环境造成污染；结构性能：结构较气压驱动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题重要；安装和维护要求：安装要求高（防泄漏），要配置液压源设备，安装面积大，维护要求较高；效率与制造成本：效率中等为0.3～0.6，管路结构较复杂，成本高。由于液压大多用于特大功率机器人系统，在工作过程中有漏油的问题，也不适合在本系统中使用。

电气驱动是利用各种电击产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为最普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。所以选择电气驱动的方案。

4.2  电动机的选择

    在机器人的设计中，电机的选择很重要，对于爬杆机器人而言，电机的结构和传动形式都是机构设计所需要考虑的重要方面。作为一个爬杆机器人，在满足设计要求的前提下，机器人各部件的相关参数如尺寸、形状等对机器人的整体的稳定性都有着至关重要的影响。电动机作为机器人攀爬的动力源和主要部件之一，它的尺寸、形状也影响到机器人其它相关部件的尺寸。

电动机是根据车老师给的资料和提的建议选用的是声光电机有限公司的SGMADA系列单相异步电动机。机身上采用的电动机是5IK120RGU-CF单相异步电动机，其相关参数为：最大转速n=1400r/min,额定转速n=720r/min，额定功率P=6kw，额定电压U=220v，额定扭矩T=2.64N·m。

4.3  电动机位置的确定

    由于我所设计的爬杆机器人的主框架为正六边形，再考虑摆臂的形状和位置的确定，我们把电动机位于与主框架相接触的固定板上，且为了使得三个方向的摆臂都有动力，我们选择在与摆臂相接触的边都放一个电动机以通过链传动将力传到摆臂上使得它有动力沿着杆运动。

    在选择完使用哪一种电动机并且确定电动机的位置后，我们就将我所设计的爬杆机器人设计完成了，以下为爬杆机器人的一些视图。

第五章    爬杆机器人部分零件的校核

5.1  电动机驱动的校核

    从我们所选择的电动机我们得知此电动机的相关参数如下。

    额定转速n=720r/min，额定功率P=6kw，额定电压U=220v。额定扭矩T=

2.64N·m

    我们知道，电动机扭矩的计算公式为T=9550P/n。

    则有T=9550P/n=9550×6/（720×60）=1.33N·m。

    所以电动机驱动能力满足要求。

5.2  旋转轴抗弯强度的校核

    根据我们所设计的旋转轴，我们知道该旋转轴为传动轴，对该传动轴而言，它在工作中主要传递转矩而所承受的弯矩非常之小，所承受的弯矩可以忽略不计。

    因此该轴的抗弯强度是满足要求的。

5.3  旋转轴刚度的校核

    轴受到载荷作用后，就会产生弯曲或扭转变形，变形的大小与轴的刚度有关，如果刚度不足，或者变形过大，往往会影响零件的正常工作。因此我们需要对轴的刚度进行校核。其中轴的刚度分为弯曲刚度和扭转刚度，在此次校核中，由于弯曲刚度很明显是满足要求的，因此只需要验证轴的扭转刚度是否在允许的控制范围内。

    由于本轴属于光轴，在轴受到转矩作用时，其扭转刚度条件是

    式中，为轴单位长度的扭角（°/m）；T为轴所受的转矩（N·mm）；G为轴材料的切变弹性模量（MPa），该轴的材料采用的是45号钢，查找相关资料，我们得知对于钢材，G=8.1×MPa；为轴截面的极惯性矩（），对于实心圆轴===981.25。为许用扭角（°/m）,与轴的使用场合有关，见表5-1。

表5-1    轴的许用扭角

    在这里我取=0.5-1。

    由上可知=0.17<0.5。

    因此该轴的刚度满足要求。

第六章    总结与展望

6.1  工作总结

    进过一个学期的努力，爬杆机器人的设计也将告一段落，在这次爬杆机器人的设计中，运用了非常简单的结构，采用了电机作为驱动，这两者在现实生活中的取材也是十分方便的，而且在设计的过程中，选用的材质大多也是现实生活中非常普通的45号硬质钢。在这次设计中，研究的方案不仅较好的保证了爬杆机器人整体的协调动作，而且在应用功能上有着很强的创新意识，应用区域为路灯杆等杆状的高空作业。

    在结构设计方面，也有着以下一些优点：

    （1）该结构简单，实现性强，可应用范围广。 

    （2）我们可以根据实际工作要求，在爬杆机器人上搭载不同的工作机构，能在杆上完成多种高空作业，实现一些复杂的功能，具有使用价值高，可推广型也强。

    （3）采用电动机作为驱动使得该机构节能、不污染环境，可持续发展性强。

    （4）造价低，节约人力和清洗成本，使用简便。

6.2  今后展望

    本次毕业设计的题目是爬杆机器人的设计，我认为本课题所涉及的领域是一个比较新颖的领域，是一个现今还需要大量新的思想进入的领域，是一个有着远大发展前景的领域，在工业、信息处理、通讯、航空航天、医学和生物工程都有着潜在的巨大应用前景的领域。而且我认为有必要在以下几个方面继续研究，以使得该领域获得更好的发展。

    （1）设计出更好的简单结构以完成既定的所需求的功能。

    （2）在条件所允许的情况下，考虑现实因素，增加试验过程中的试验因素，比如路灯杆的清洗功能测试、抗振测试、以及故障测试等等，同时以经济性、实用性作为试验指标，设计优化试验。

    （3）选择更加合适的橡胶，使机器人在攀爬的时候获得更大的摩擦力和抗老化能力，以及改善夹爪橡胶的安装方式，使之更加方便。

    （4）能够设计出一种爬杆机器人，使之能在攀爬不同类型的路灯杆时，也可以完成相应的功能。

    （5）选择更加合适的电动机或者说使用搭配的电动机驱动，从而提升机器人的搭载能力。

    （6）完善搭载平台结构的设计，使之成为一个能够搭载各种功能设备的搭载平台，为高空作业提供支持。

    （7）将来我们说设计的爬杆机器人中，不仅是通过电动机驱动控制爬杆机器人的运动，而且还存在智能控制部分，使之成为一个智能型机器人，可以适应复杂工况的要求。

参考文献

[1] 费仁元，张惠惠.机械人机械设计和分析[M]. 北京：北京工业大学出版社，1998.

[2]方建军. 智能机械人[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[3]赵松年. 机电一体化系统设计[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

[4]黄真. 空间机构学[M]. 北京：机械工业出版社，1991.

[5]徐元昌. 机电系统设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[6]Dennis Clark, Mocharl Owings. Building robot drive trains [M]. 北京：科学技术出版社，2004.

[7]张海洪，龚振邦. 壁面自动清洗机器人清洗工艺分析[J].机电一体化，2001.

[8]蒋新松. 机器人学导论[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，1994.

[9]宗光华. 机器人的创意设计与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[10]吴宗泽. 机械设计禁忌1000例[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

[11]朱世强，王宣银.机器人技术及其应用.浙江大学出版社，2001.

[12]赵兴飞，周忆，石崇辉.气驱爬壁机器人设计与计算[J].机床与液压，2003.

[13]杨存智.爬杆机器人的研制[J].机电一体化，2003.

[14]于复生，沈孝芹.一种气动爬杆机器人[P].中国专利，206620088771.1.

[15]Elkm ann NeFelsch T.Modular Climbing Robot for Service Sector Applications[J].Industrial Robot,1991,K26(6)：460-465.

[16]Toshio F, Hidemi H. iant Magnetostrictive Alloy (GMA) Application to Micro Mobile Robot as a Micro Actuctor without Power Supply Cables. IEEEE Micro Electro Mechanical System, 1991: 210-215.

[17]Bahr B, Wu F. Design and afety analysis of a portable climbing robot[J]. International Journal of Robotics and Automation, 1995, 9(4): 235-347.

[18]刘桂珍，王怀奥，王立权. 高空爬杆机器人的结构设计[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版），2007.9,25(5):2-4.

毕业设计（论文）任务书

题目：无线遥控爬杆器的设计

学生姓名    

学院名称  机械工程学院   

专    业 机械设计制造及其自动化

学    号    

指导教师      

职    称  副教授         

一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。）

爬杆器（或爬杆机器人）多用于替代人工进行高空作业。本设计课题针对直立电线杆，设计一台既可作沿杆轴线方向的直线动，又可作围绕杆轴线的旋转运动的爬竿机器，用来清洗、喷涂或安装杆上部件。该爬杆器由人工手动安装在电线杆底部，其操作结构和方法要直观易于理解，且操作简单安装方便。在结构方面要尽量简便以利于制造和降低制造成本。爬杆器向上升时，采取干电池和有线电缆方式，爬升到理想高度（≥12m）时，有线电缆可自由脱离爬杆器。爬杆器应设计有旋转平台能够水平旋转。爬杆器上升或下降均应平稳、安全，应适应具有一定锥度的电线杆。

二、参考文献

[1]张策. 机械原理与机械设计[M]. 北京：机械工业出版社，2010

[2]成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2003

[3]Dennis Clark, Mocharl Owings. Building robot drive trains [M]. 北京：科学技术出版社，2004

[4]宗光华. 机器人的创意设计与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004

[5]费仁元，张惠惠. 机械人机械设计和分析[M]. 北京：北京工业大学出版社，1998

[6]吴宗泽. 机械设计禁忌1000例[M]. 北京：机械工业出版社，2011

[7]方建军. 智能机械人[M]. 北京：化学工业出版社，2004

[8]赵松年. 机电一体化系统设计[M]. 北京：机械工业出版社，2004

[9]黄真. 空间机构学[M]. 北京：机械工业出版社，1991

[10]徐元昌. 机电系统设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005

三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。）

1、设计内容

本设计主要进行爬杆器的方案与机械结构设计，包括爬杆器的行走方案与结构设计、水平旋转平台方案与结构设计、动力及传动系统方案与结构设计、便捷安装结构设计等。

2、主要指标与技术参数

爬杆直径 10cm≤d≤35cm ；爬杆高度 h≥15m； 爬杆速度 v≥15m/s；水平旋转范围：180°≤旋转角度≤360°； 最小负重 ≥6kg； 可以在电线杆上悬停，悬停时间≥5小时；爬杆器成品的直径≤60cm。

3、具体要求

完成不少于2000字开题报告；设计并绘制爬杆器装配图和主要零件图（累计3张零号图）；编写设计说明书20000字以上；翻译外文资料；参考文献15篇以上。

指导教师（签字）

年   月   日

审题小组组长（签字）

年   月   日

天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告

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