孫招陽，安卓，杜偉明，尹建成，趙冉

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

0 引言

目前，機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)、國防、農(nóng)業(yè)、辦公自動化、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭服務(wù)及社會服務(wù)等各個方面，而工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是我國高新前沿重要技術(shù)之一，在我國城鎮(zhèn)化建設(shè)高速發(fā)展的背景下，各種不同尺寸大小的桿狀結(jié)構(gòu)和建筑得到了廣泛的應(yīng)用，諸如電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告立柱、風(fēng)力發(fā)電桿等，需要攀爬此類桿件進(jìn)行的高空作業(yè)有刷油漆，噴涂料，檢查、維護(hù)電力系統(tǒng)，架設(shè)電纜等，欲完成這些工作主要由人工和大型設(shè)備配合，所以危險(xiǎn)系數(shù)較高。

1 現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展

圖1

市場上已擁有多種設(shè)計(jì)成型的攀爬機(jī)器人，這些機(jī)器人多數(shù)采用尺蠖蠕動的形式來實(shí)現(xiàn)爬桿動作，如圖1（a）至1（c）所示，首先，前爪110 固定，第二關(guān)節(jié)140 推動后爪120 沿桿100 向上滑動，同時滑竿150 在第二關(guān)節(jié)140 的帶動下穿過第一關(guān)節(jié)130；然后，第一關(guān)節(jié)130 推動前爪110 沿桿100 向上滑動，直至前爪110 和后爪120 之間的相對位置恢復(fù)初始狀態(tài)，完成一步行走，以此類推，完成攀爬動作。受這種攀爬動作原理的限制，這種機(jī)器人只能夠低速攀爬豎直的桿且無法攀爬有一定弧度的桿，此外，仿尺蠖蠕動式攀爬機(jī)器人只能在光滑的桿體上進(jìn)行攀爬，無法跨越障礙物，在實(shí)際應(yīng)用中存在不便。當(dāng)然，在很多精密儀器領(lǐng)域中，也出現(xiàn)了仿人形的機(jī)器人，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且它們都集中表現(xiàn)出效率低、勞動強(qiáng)度大、耗能高、二次污染嚴(yán)重等的問題?，F(xiàn)在市場已有的爬桿設(shè)備也大多受到工作條件和能源輸送的限制，大大制約了其在社會上的推廣和普及應(yīng)用。

基于此，我們希望通過改變傳統(tǒng)爬桿機(jī)器圖1 的攀爬方式，從根本上來改善其所存在的種種不足。傳統(tǒng)的爬桿機(jī)器人大都采用仿尺蠖蠕動形式或滾輪驅(qū)動式來實(shí)現(xiàn)爬桿動作，而我們的研究方案采用的是交替翻轉(zhuǎn)式步態(tài)攀爬原理。整臺機(jī)器分為4 個部分——2 個機(jī)械手和2 個連桿。全新的攀爬方式不僅能夠使機(jī)器人攀爬不同弧度的桿，而且其結(jié)構(gòu)簡單，裝備容易，操作方便，工作效率高，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠使機(jī)器人獲得快速攀爬以及翻越障礙物的能力。

2 步態(tài)爬桿機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種靠步態(tài)方式攀爬的機(jī)器人，如圖2所示，這種步態(tài)爬桿機(jī)器人主要由上夾持手、下夾持手、上腕部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、下腕部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、臂部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成。

圖2

該步態(tài)爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)以5 個舵機(jī)作為傳動與行走的主要動力，其中夾持驅(qū)動電機(jī)安裝在夾持手的夾持手架上。

3 步態(tài)行走方式

如圖3 所示。第一步：下夾持手松開所爬桿件；第二步：下腕部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)90°；第三步：上腕部關(guān)節(jié)逆時針轉(zhuǎn)動180°，與此同時，臂部關(guān)節(jié)順時針轉(zhuǎn)動90°～145°（臂部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動需與上腕部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動同時開始并同時結(jié)束）；第四步：下夾持手夾緊所爬桿件；至此一次邁步（即半個周期行走）完成。第五步：上夾持手松開所爬桿件；第六步：上腕部關(guān)節(jié)逆時針轉(zhuǎn)動90°；第七步：臂部關(guān)節(jié)順時針轉(zhuǎn)動90°～145°（臂部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動需與所述下腕部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動同時開始并同時結(jié)束）；第八步：上夾持手夾緊所爬桿件，此時狀態(tài)與初始狀態(tài)相同；至此二次邁步（即一個周期行走）完成。然后，重復(fù)第一步～第八步，直至機(jī)器人到達(dá)指定位置。

圖3

4 結(jié)語

本文提出的裝置及運(yùn)動方式通過改變傳統(tǒng)爬桿機(jī)器人的攀爬方式，可從根本上改善其所存在的種種不足。采用了交替翻轉(zhuǎn)式步態(tài)攀爬原理，整臺機(jī)器分為4 個部分——2 個機(jī)械手和2 個連桿。全新的攀爬方式不僅能夠使機(jī)器人攀爬不同弧度的桿，而且其結(jié)構(gòu)簡單，裝備容易，操作方便，工作效率高，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠使機(jī)器人獲得快速攀爬以及翻越障礙物的能力。因此本爬桿運(yùn)動方式及設(shè)備具有較高的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

［1］濮良貴，陳國定.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［2］陸明炯.實(shí)用機(jī)械工程材料手冊［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

［3］于慧力.機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)指導(dǎo)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［4］郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)［M］.2 版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［5］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

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