爬杆作业机器人设计

摘要

在市政工程中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。因此本文设计了一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行，对人工攀爬较难的作业具有较大的现实意义。

本文设计的爬杆机器人由曲柄滑块机构、并联盘形凸轮机构、移动凸轮机构以及上下机械手爪等组成，通过弹簧的预紧力来实现机器人手爪对杆的抱紧，通过曲柄滑块机构、凸轮机构等实现攀爬动作，同时机器人只需一个驱动源就能带动整个机器人的运动，能攀爬变直径的杆，工作简单可靠，运动灵活，可以广泛应用于各种高空作业。

关键字：爬杆机器人，变直径杆，夹紧，攀爬

ABSTRACT

In the municipal engineering, there are a large number of installation and repair work needed to climb rod operation, For the coarse bar,artificial climbing and vehicle operation is convenient, artificial climbing is difficultfor for some small diameter low strength member such as a road lamp pole,so this paper designs a pole climbing robot,which can crawl on no obstacle bar,it has great practical significance for artificial climbing

The pole climbing robot consist of songCrank slider mechanism, parallel plate cam mechanism.moving cam mechanism, the robot tight the wallHold by the spring pretightening force.so as to realize Climbing action. at the same time the robot can drive by a robot motion and at the same time all devices were designed perfectl. In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of high-altitude operation.

Key words：pole-climbing robot，variable-diameter pole sepal，pole-climbing

1绪论 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1

1.1研究目的 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1

1.2国内外研究现状 --------------------------------------------------------------------------------------------- 1

1.3研究内容 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

1.4设计要求 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 2爬杆作业机器人总体方案设计 ------------------------------------------------------------------------- 5

2.1机械方案设计------------------------------------------------------------------------------------------------- 5

2.2电气控制系统设计------------------------------------------------------------------------------------------ 7

2.3小结 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 3机械系统设计------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9

3.1减速机构设计------------------------------------------------------------------------------------------------- 9

3.2曲柄滑块机构设计-----------------------------------------------------------------------------------------17

3.3凸轮机构的设计 --------------------------------------------------------------------------------------------23

3.4机械手爪设计------------------------------------------------------------------------------------------------24

3.5电动机选择 ---------------------------------------------------------------------------------------------------26 4电气控制 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------28

4.1系统论述 -------------------------------------------------------------------------------------------------------28

4.2直流电机单元电路设计与分析-----------------------------------------------------------------------29

4.3直流电机PWM控制系统的实现-----------------------------------------------------------------------36 5结论与展望----------------------------------------------------------------------------------------------------------43 参考文献 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------44 致谢 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------45

1.1研究目的

目前全国日益加快的现代化建设步伐随着我国经济的快速增长、人民生活水平日益不断提高，城镇中随之矗立起无数的高层建筑，各类集实用性 与美观性一体的市政、商业工程诸如电灯杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等，它们的直径通常在5—30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因此而形成灰尘层，酸类物质污染从而影响城市的美观，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，加快它们的生锈过程，并缩短它们的使用寿命，因此需要定期进行壁面维护工作 。

在市政工作中，主要是通过人工工作的因此，存在着很多问题，特别市政工作中的清洗工作许多都要人工清洗，在一些高空建筑上的清洗如果人工清洗就会造成很大的危险性，而在一些具有化学试剂或者有毒物质的工作环境中，就会对人产生很大的危险性，这无形中增大了市政工作的成本，而且有可能对坏境造成二次污染，对周边环境造成影响，而如果使用高压水枪，其成本更加高，而其使用范围也不宽，只局限于一些高空无遮挡的物体，同时水枪必须安置在空旷的位置否则会影响周边的日常生活。

另外，对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。应用带升降机的工程车进行作业，作业成本较高，而且对于狭窄的胡同，工程车难以进入，造成作业困难，因此本课题拟设计一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行。对人工攀爬较难的作业具有较大的实际意义。 1.2国内外研究现状

从功能上讲，爬杆机器人无非包含基本的行走功能和辅助的作业功能 (例：喷涂、检测、缠绕和修复等)，纵观这些国内外管道外机器人的行走工作原理，不外乎以下几种：基于自锁或静摩擦原理的气动蠕动式机构；基于滚动摩擦原理的螺旋爬升机构；基于克服动摩擦直线行走的机构；基于移动副和转动副的关节式爬行机构；基于并联机构的并联式爬行机构。下面将介绍几种典型的爬杆机器人 。 ]

1[]

2[

图1-1螺旋式爬杆机器人

图1-2自动喷涂爬杆机器人

(1)螺旋式爬杆机器人如图1-1所示

机器人抱紧在管壁上，通过驱动导轮实现在管壁上的运动，其抱紧力即预紧力是通过用专用螺母扳手调节螺母，从而实现调节抱紧弹簧的压力，使机器人获得足够的抱紧力，如果机器人的工作坏境发生了变化，可以根据不同的管径，选择支撑架上不同的连接孔，从而可以得到要求的抱紧力 。

该机器人的载荷量比较大，运行也较为平稳，同时可以适合不同的管径，但他的不足之处就在于，只能够运行在连续性的管道上，而对于非连续性的管道，该机器人就无法工作。

(2)自动喷涂爬杆机器人

工作时，先必须调节机器人的下体位置，把机器人全部放在要进行工作的管道上，当完成了机器人的连接固定后启动机器人行走机构，机器人在管道上开始行走，同时配合喷枪的往复运动，实现对管道的自动化喷涂 。 ]

3[]4[

该机器人的特点：结构较为简单，而且可靠性较高，能够代替人工操作，这样可以实现对管道的自动化喷涂，但由于其结构的局限性，并适合变直径的管道。

1.3研究内容

经过仔细研究分析后认为，人在爬杆或爬树的过程中，人的运动具有很好的参考价值，如图1-3所示，人在爬升的过程中，一般是先两脚夹紧，然后身体上移，再收腿，

]5[

整体上移，往复动作，从而爬升的过程。

图1-3人爬树的姿势

本文设计的爬杆机器人就是仿照人爬树的原理，其结构组成包括夹持机构，由上下机械手爪组成，实现对杆的抱紧，通过上、下机械手爪的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动；移动机构，由连杆机构，凸轮机构，实现攀爬动作；驱动机构，整个机器人采用一个电机驱动，既减轻了重量，又满足了运动要求。结构示意图如图1-4所示。

图1-4 爬杆机器人结构示意图

1.4设计要求

该机器人攀爬直径为100~140mm变直径杆，载重5kg，机器人在全负载情况下应该能够保持 100mm/s 的运行速度，且直立爬行机器人的传动系统应该具有自锁机构以克服重力的影响。

2爬杆作业机器人总体方案设计

2.1机械方案设计

本文设计的爬杆机器人攀爬的是100~140mm的变直径杆，本文设计的机器人仿照人爬树的原理，其结构组成包括夹持机构，由上下机械手爪组成，实现对杆的抱紧，通过上、下机械手爪的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动；移动机构，由连杆机构，凸轮机构，实现攀爬动作；驱动机构，整个机器人采用一个电机驱动，既减轻了重量，又满足了运动要求。结构示意图如图2-1所示。整个机体长约250mm，宽约150mm，高约400mm，总重不超过5kg（包括电机重3kg），爬行部分主体结构为2根长为400mm的铝合金钢管（可以用硬塑料管或者其他轻型材料代替），作为机架和机器人上部滑动的导轨，同时作为旋转部分的轴，结构紧凑、零件的功能得到了扩展。在导轨和固定支架，分别设置有上、下机械手连接臂，两对机械臂以导轨为转动轴，其上装有上、下机械手爪。在上、下机械臂的另一端分别设置有弹簧，弹簧的作用是使机械手产生足够的摩擦力抱紧立柱。

在导轨的下部安装电动机，在减速机构的输出轴上安装有并联盘形凸轮和曲柄，曲柄通过连杆与移动凸轮相连，通过曲柄连杆机构带动机器人上部和移动凸轮机构运动，来实现机构的上升和相对运动。

凸轮联动机构由两套凸轮摆杆机构构成，其中一套由上机械臂和移动凸轮构成另一套由下机械臂和并联盘形凸轮构成，它们分别装在导轨的上、下部。通过曲柄、连杆将并联盘形凸轮、移动凸轮连接起来，使整个机构形成一个整体，上部的摆杆机构在曲柄连杆机构的作用下可以沿导杆上下移动。在电机的驱动下，上、下部机械臂摆动并带动机械手依次实现夹紧和放松的联动。

图2-1机构图以及机器人简图

机器人的运动原理可分为以下几个部分：

1)在初始状态1时，机器人下机械手夹紧，同时上机械手松开；

2)电机回转，驱带动曲柄及和曲柄固接在一起的下并联盘形凸轮顺时钟转动，并推动下机械臂摆动，当下并联盘形凸轮转过升程角时，下机械手松开；与此同时上移动凸轮向下走过空行程，在此过程上机械手抓紧，即状态2.；

3)电机继续回转，此时机器人上机械手夹紧，下机械手开始松开，机器人下部被运动到极限位置，即状态3.；

4)电机继续回转，当下并联盘形凸轮转过回程角时，下机械手夹紧；与此同时上移动凸轮向上走过空行程，在此过程上机械手开始松开，即状态4.；

5)电机继续回转，因为下机械手夹紧，上机械手松开，所以机器人上部在电机的提升推力下向上移动，当曲柄和连杆拉直共线时，机器人上部提升到极限位置，即状态5；

从图中可以看出机器人每运行一周上升一次。

图2-2机器人运动周期图

2.2电气控制系统设计

考虑到机器人的驱动部分只有一个电机，而机器人的在运动过程中只有加速，减速，停止，启动几个状态，因此只需对电动机进行控制即可。

控制部分拟采用直流电机PWM控制方案，在设计中采用AT89C51单片机作为整个控制系统的核心，单片机在程序控制下不断给光电隔离电路发送PWM波形在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比来改变电动机的电枢电压，进而实

]6[

现对电动机的调速。

直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速和电机的正转和反转，并且同时可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。同时，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD 液晶显示模块组成; LED数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。