【正文】 圖 所示 , 它包括上體、下體、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和噴涂機(jī)構(gòu)。上體和下體都由變剛度彈性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、 平行式自動(dòng)對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)及支撐板組成 , 其中平行式自動(dòng)對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙 , 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 如圖 所示 。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí) , 移動(dòng)機(jī)構(gòu)配合上、下體夾緊氣缸的不同動(dòng)作組合 , 可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人蠕動(dòng)式間歇上升或下降。機(jī)器人在下降過(guò)程中 , 由噴涂機(jī)構(gòu)來(lái)完成纜索防腐噴涂任務(wù)。針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中間歇運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) , 設(shè)計(jì)一種能夠使噴涂厚度均勻一致的噴涂機(jī)構(gòu)是本文重點(diǎn) , 關(guān)鍵問(wèn)題是得出噴涂機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)噴涂的條件。 圖 氣動(dòng)蠕動(dòng)式纜索噴涂機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖 夾緊機(jī)構(gòu)示意圖 清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人采用自重式鎖緊機(jī)構(gòu) 如圖 a 所示 ，機(jī)器人靠自重壓迫鋼球使滑塊 機(jī)械手 鎖緊在桿壁 上，可以爬行較小范圍的變直徑桿，但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行 從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行 。該機(jī)構(gòu)改進(jìn)后可爬升和返回，如圖 b、 c 所示，由小氣缸推動(dòng)鋼球解鎖，便可雙向爬行，但需要加上一套氣動(dòng)控制設(shè)備。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來(lái)解決 如圖 、 所示 ，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。 圖 鋼球自鎖類(lèi)爬桿機(jī)器人 哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或繩索爬行的機(jī)器人，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人是由兩個(gè)形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對(duì)活動(dòng) V 型卡爪、一對(duì)槽 型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測(cè)儀、電機(jī)等零部件構(gòu)成，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖 所示。 圖 爬纜機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個(gè)滑塊 即作為自鎖套 作為機(jī)器人末端執(zhí)行裝置，使兩個(gè)滑塊分別作為機(jī)架交替上升，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿桅桿爬行；其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機(jī)構(gòu)具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，下自鎖套因受到自鎖機(jī)構(gòu)的限制而固定不動(dòng)，把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為向上反作用力，推動(dòng)機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)。 目前存在的主要問(wèn)題 由上面敘述及調(diào)研可知目前國(guó)內(nèi)外所設(shè)計(jì)制造的各種電 機(jī)機(jī)械式爬行器均有一個(gè)缺陷：它們大多采用凸輪機(jī)構(gòu)夾緊，由于凸輪機(jī)構(gòu)的不可伸縮性，一個(gè)爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來(lái)解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。綜合文獻(xiàn)顯示，目前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有在此類(lèi)爬行機(jī)構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的主題，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡(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)程中可攜帶其它清潔能源實(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，這正是本 課題所要解決的。 研究主要內(nèi)容和研究對(duì)象 在閱讀國(guó)內(nèi)外有關(guān)爬桿機(jī)器人的文獻(xiàn)后，總結(jié)出適合爬桿機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)路燈桿等桿狀城市建筑的測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)考察，提出爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案并設(shè)計(jì)出滿足條件的立柱清洗機(jī)器人。在該課題的研究過(guò)程中，提出一些此類(lèi)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想，可供其他設(shè)計(jì)人員參考。 ①建立爬桿機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型； ②展開(kāi)爬桿機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)研究； ③提出此類(lèi)爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題：功能的實(shí)現(xiàn)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 研究對(duì)象：變直徑桿爬行機(jī)器人。 本章小結(jié) 本章節(jié)首先從市場(chǎng)需求和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，引出了爬桿機(jī)器人的概念。通過(guò)大量的事例案例，說(shuō)明爬桿機(jī)器人所具備的非人力可以取代的功能。從而催生出人們對(duì)研制出一套完整的、可靠的爬桿機(jī)器人的強(qiáng)烈愿望，證明了爬桿機(jī)器人在中國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中的重大作用。然后列舉大量國(guó)內(nèi)有關(guān)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)案例，闡述其原理，分析利弊。最后在以上閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，說(shuō)明本課題的研究方法和研究?jī)?nèi)容。 2 爬桿機(jī)器人仿生的設(shè)計(jì)理論研究 仿生機(jī)器人概述 生物在經(jīng)過(guò)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)等多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)于高精確度、高靈活性、高可靠性、高魯棒性、高智能性的目標(biāo)需求則是仿生機(jī)器人提出和發(fā)展的客觀動(dòng)力。人爬樹(shù)時(shí)，兩腳夾緊樹(shù)桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹(shù)桿上移，然后兩手抱緊樹(shù)桿，收腿提腳上移，一步一步向上爬行。人爬樹(shù)姿勢(shì)如圖 所示。 圖 爬樹(shù)姿勢(shì) “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”?！?2021 年 8 月在沈陽(yáng)舉行的 2021IEEE 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(zhuān)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(lèi)服務(wù)。所以，仿生機(jī)器人必將是超出人類(lèi)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)特征從而可以在未知的非結(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)。 總體方案分析 欲使機(jī)器人在壁面上自由地移動(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，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。吸附方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、鉆、鎳等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點(diǎn)和比較如表 所示。 表 爬行機(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)生的摩擦力是機(jī)械手夾緊在桿體上 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，由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，其周周?chē)纬烧婵?，吸?在壁面上上 能效低、噪音大，且需要供供氣裝置，但可以達(dá)到高真空空度，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)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壁面上 吸附時(shí)需要電能，也只適用用上上于導(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 所示。 表 爬行機(jī)器人移動(dòng)方案的比較 移動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 輪式 移動(dòng)速度快，控制方便，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。 要求所要設(shè) 計(jì)的這種爬行機(jī)器人，它的工作對(duì)象為各種型號(hào)的城市桿狀建筑，要求承載能力大、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能力強(qiáng)，能越障礙物。通過(guò)比較各種方案，我設(shè)計(jì)了一種尺蠖式蠕動(dòng)爬行結(jié)構(gòu)形式，這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基本滿足我們?cè)O(shè)定的工作狀況。在爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)中用尺蠖蠕動(dòng)式爬行具有很多優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向上任意長(zhǎng)的距離提升重物，較同功能的其它機(jī)構(gòu)，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，還可以根據(jù)使用要求，作各種變形設(shè)計(jì)，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 蠕 動(dòng)式仿生爬行方案研究 既然是仿生尺蠖式蠕動(dòng)，那么在本機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，將以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軀干的伸縮為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)幼鳛槟繕?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。 由上可知，尺蠖運(yùn)動(dòng)具有以下特點(diǎn)： ①尺蠖運(yùn)動(dòng)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； ②運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少； ③依靠摩擦力傳遞運(yùn)動(dòng)； ④尺蠖運(yùn)動(dòng)是一種周期性動(dòng)作。 如果把尺蠖運(yùn)動(dòng)在一個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)的蠕動(dòng)分開(kāi)，可分為四步： ①上部松開(kāi)，軀干靜止 最長(zhǎng) ，下部夾緊； ②軀干縮短，上部夾緊，下部夾緊； ③ 下部松開(kāi)，上部夾緊，軀干縮短 最短 ； ④下部夾緊，軀干靜止，上部夾緊； ①上部松開(kāi)，軀干伸長(zhǎng) 最長(zhǎng) ，下部夾緊。 經(jīng)過(guò)上述四步，在一個(gè)動(dòng)作周期中尺蠖向上爬一步。 上述的幾種往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，其中曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以很好的協(xié)調(diào)好機(jī)器人的整體工作。綜上所述，當(dāng)我們選取曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)時(shí)，該機(jī)器人的爬行動(dòng)作原理示意如圖 所示。 圖 機(jī)器人爬行動(dòng)作原理示意圖 該機(jī)器人是模仿人的爬樹(shù)動(dòng)作而設(shè)計(jì)的。爬樹(shù)時(shí)，兩腳夾緊樹(shù)桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹(shù)桿 ,人向上移，然后兩手抱緊樹(shù)桿，收腿 提腳上移，一步步向上爬行。在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，人的手臂和腿演化成機(jī)器人的上下機(jī)械臂，手和腳演化成上下機(jī)械手。曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為收縮的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu) 下并聯(lián)盤(pán)形凸輪、上移動(dòng)凸輪 作為上下機(jī)械手的協(xié)調(diào)連接部件。 本章小結(jié) 本章從仿生機(jī)器人的角度出發(fā)，介紹了仿生機(jī)器人對(duì)機(jī)器人研究的巨大貢獻(xiàn)。從而確定，本課題的爬桿機(jī)器人的攀爬動(dòng)作是模仿人或者動(dòng)物的爬樹(shù)動(dòng)作。機(jī)器人在壁面上自由地移動(dòng)，必須具備兩種功能：貼附功能與移動(dòng)功能。通過(guò)比較各種貼附方案和移動(dòng)方案確定本課題的貼附及移動(dòng)方式。 3 機(jī)器人爬行部分的結(jié)構(gòu)方案 尺蠖式爬桿機(jī)器人的主要用途是作為桿上傳送的載體，本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是爬行機(jī)器人的核心部分，要求承受一定的負(fù)載并能保持穩(wěn)定的爬行動(dòng)作。因此首要的目標(biāo)是使機(jī)器人能夠在較長(zhǎng)的爬行距離內(nèi)安全可靠的爬行，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的使機(jī)器人移動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，滿足一定的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求。 爬行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 尺蠖式爬行機(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)爬行機(jī)器人進(jìn)行 設(shè)計(jì)。 模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)