爬杆作业机器人设计

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------------------------------------------------------------------------------------------------- 93.2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 。 ]

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图1-1螺旋式爬杆机器⼈