爬桿機器人爬升裝置間歇機構設計與運動特性分析

龔 楠，張敏良，謝 浩，史春光，柴寧生

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引 言

隨著中國經濟和自動化水平的高速發展，許多具有高空危險性作業，對于“機器代人”的需求日益明顯［1］。例如，高空電線桿的維護、路邊燈的維修、樹木的修剪等工作。目前，傳統檢測工作主要是由人工觀察以及無人機進行圖像采集。而維修工作需要工作人員攀爬到相應位置進行維修和檢測，這對于人身安全產生較大的危害。為此，許多學者對攀爬機器人領域進行了深入研究。爬桿機器人爬升機構的原理主要分為行星輪式、履帶式、足腿式等［2－4］。行星輪爬升載體波動較大，在沒有外力的輔助時會降低安全性；履帶式機構，在攀爬過程中對壁面損害較大；足腿式機構較復雜，穩定性差，價格昂貴?，F有的攀爬機器人大部分采用多個驅動機構分別對上升、下降交替夾持單獨控制，成本較高且結構復雜［5－6］。基于上述考慮，本文提出一種基于間歇齒輪的爬升機構，使其通過一個齒輪驅動，完成對爬升和抓取功能的實現。

1 攀爬機構結構設計與工作原理

1.1 整體結構設計

該研究設計的攀爬機器人，使用蠕動式爬行的運動形式，主要由間歇齒輪、升降凸輪和平移桿3 部分組成，整體結構如圖1 所示。使用第一個間歇機構（如圖3）與升降凸輪實現上升與下降的功能；使用第二個間歇機構（如圖4）與往復機構實現機械手夾持的功能。通過間歇齒輪齒數的設計來協調兩功能的連貫運動，并且能夠調節上下夾持的順序。

圖1 攀爬機器人整體結構Fig.1 Overall structure of climbing robot

在設計時，通過改變間歇機構中兩齒輪的外緣尺寸和齒數的修整，來控制夾持機構和爬升機構的交替運作，同時調整與上下夾持機構配合的間歇機構初始位置，來進行交替夾持的動作。為了避免機器人在運動過程中掉落，上下夾持手中至少有一個處于夾緊狀態?？紤]到機器人質量，選擇機械式夾緊機構來夾持。

1.2 各部位運動狀態圖

根據其結構特點，將一個運動周期分成7 份，機器人在攀爬時處于6 種不同的運動狀態，如圖2 所示。

圖2 攀爬機器人運動狀態圖Fig.2 Movement state diagram of climbing robot

從中可以看出，攀爬機構一個周期占據夾持機構的4／7，則夾持機構與攀爬機構的傳動比為4∶7。其中，狀態1 為初始狀態，此時下夾持機構夾緊在燈桿上，上夾持機構處于松開狀態，兩夾持手的軸向距離最短；狀態2 啟動電機，在1／7 周期內，使得電機帶動凸輪旋轉180°，此時兩夾持爪距離隨之增加；狀態3 電機持續運轉，間歇齒輪使得爬升運動停止，配合齒輪帶動上夾持爪的間歇機構在1／7 周期內夾持物體，并保持夾持動作；狀態4 時，當上夾持爪抓緊燈桿后收回下夾持爪，并且維持一定時間；狀態5 時，當下夾持爪收回后，攀爬機構間歇齒輪使得凸輪旋轉180°，下夾持爪上升一定的行程；狀態6，機構穩定后，在1／7 周期內伸出下夾持爪夾緊燈桿，此時上夾持手與下夾持手都處于夾緊狀態，且縱向距離最短。上述動作重復循環，爬桿機器人能夠自動進行向上爬桿動作，并且使用一個電機和齒輪實現夾持和上升的動作。

1.3 間歇齒輪設計

為了滿足上述運動配合，爬升機構需要在1／7周期內實現爬升，在3／7 周期內停止運動。考慮180°的間歇機構設計，爬升機構齒輪的形狀如圖3所示。在設計時，選擇齒輪1 原齒輪數為10，齒輪2原齒輪數為16。齒輪1 旋轉180°時經過的齒數為3。

圖3 攀爬機構間歇齒輪Fig.3 Intermittent gear of climbing mechanism

夾持機構的間歇機構與攀爬機構類似，根據需求上夾持機構初始處于未夾持狀態。按照上述狀態的描述來設計如圖4 所示的3 齒輪的齒形，將上夾持手與爬升機構相互配合。

圖4 上夾持機構間歇齒輪Fig.4 Intermittent gear of upper clamping mechanism

下夾持機構初始處于夾持狀態，設計如圖5 所示的4 齒輪齒形。將上下夾持手夾持節奏集中到一個運動周期不同節拍中，實現在相同轉速情況下，合理配合夾持機構的運動并保證在運動過程中至少有一端處于加緊狀態。

圖5 下夾持機構間歇齒輪Fig.5 Intermittent gear of lower clamping mechanism

齒輪1 選用與爬升機構相同的齒輪，設計齒輪3與齒輪4 的齒數為28 齒。根據齒輪嚙合的條件，具體參數見表1。

表1 間歇齒輪參數Tab.1 Intermittent gear parameters

1.4 往復機構設計

為使得180°間歇機構實現夾持功能，在1 齒輪中加入回轉往復機構，如圖6 所示。為了保證夾持機構平穩的夾持壁面，要求對直線型往復機構偏心距尺寸大小進行設定。

圖6 夾持手往復機構Fig.6 Gripper reciprocating mechanism

如圖7 所示，基于實際情況，夾持爪夾持橫向跨度h的最小值應略小于0，這里?。?.12 mm，其目的使得機構更加緊實，并且不會破壞內部結構。夾持機構能較好的完成夾持工作需要滿足以下條件：

圖7 夾持手結構圖Fig.7 Structure of gripper

因此，將往復機構偏心距取4.05 mm。當1 齒輪旋轉半周時，使得夾持手牢固夾持壁面。

2 運動學仿真分析

對攀爬機器人進行運動學仿真，可以檢測爬升動作是否存在干涉，并且檢查其穩定性和可靠性。將SolidWorks 建立簡化模型導入Adams 軟件，進行步態分析，檢驗爬升機構是否滿足爬升的要求。燈桿材質選為冷鍍鋅鋼；爬桿機器人夾持機構材料選用鋼，重量為150 kg；兩者接觸摩擦因子設置為0.45。

2.1 攀爬過程位移分析

通過對爬桿機器人爬桿動作進行仿真，測得爬桿機器人上夾持機構質心縱向位移變化曲線如圖8 所示。

圖8 上夾持爪縱向位移變化曲線Fig.8 Longitudinal displacement curve of upper clamping claw

由圖8 可知，由于偏心凸輪使機器人的攀爬距離固定，攀爬機器人在一個周期內爬行了14 mm，并且曲線較為平滑。說明該機器人攀爬過程較為平穩，能夠使其在預定的方向進行攀爬。由圖9 可知，瞬時速度最大為11.1 mm／s。在仿真過程中，爬桿機器人上升過程的平均速度約為6.4 mm／s，并且未出現下滑現象。

圖9 上夾持爪縱向速度變化曲線Fig.9 Longitudinal velocity change curve of upper clamping claw

2.2 夾持手夾持力分析

通過對爬桿機器人攀爬過程中夾持動作仿真分析，測得單側夾持力與桿件平均接觸力約為200 N。如圖10 所示，由于受間歇凸輪的影響，夾持機構會在接觸之后受到整體收緊，所以圖像在接觸瞬間會受到輕微的波動，但整體保持穩定的狀態。最大夾持力為417.7 N。

圖10 上夾持爪單側夾持力變化曲線Fig.10 Variation curve of unilateral clamping force of upper clamping claw

2.3 攀爬機器人可靠性分析

爬桿機器人通過齒輪的配合，能確保上下夾持機構在運動過程中，始終保持有一端夾緊。180°的往復機構可以盡可能確保在設備故障之后能達到夾持的作用，避免掉落之后損壞。由圖8、9 可知，根據爬桿機器人運動仿真分析，攀爬運動軌跡平滑，并沒有劇烈的震動，保證各零件的使用期限。

3 結束語

本文提出的新型爬桿機器人結構，采用間歇齒輪與往復機構的配合，達到依靠簡單驅動下實現爬桿的效果。對其進行結構設計及其仿真分析，結果表明：

（1）該結構參數合理。通過3 個間歇齒輪的相互配合能完成爬升動作，設計第一個間歇機構與凸輪的配合實現爬升效果，設計第二個間歇齒輪與往復機構的配合實現夾持效果。設計第三個間歇齒輪與第二個間歇齒輪實現夾持手的開合。

（2）爬升過程運動平穩。通過對爬桿機器人運動仿真后，對其爬升行程、速度及夾持力進行分析，爬桿機器人能夠按照預定方向完成平穩的運動，夾持力也沒有產生較大的波動。