爬杆作业机器人设计
1．选题背景及其意义
随着国民经济的飞速增长，人民生活水平的提高，城镇中随之矗立起无数电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索等高层建筑。这些高层建筑壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等，长期以来会形成灰尘层，酸污染影响城市的美观，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，并缩短它们的使用寿命，需要定期进行壁面维护工作。它们通常高5-30米，有的甚至高达百米，会给操作人员带来不便和危险。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，代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。具有良好的经济效益和社会效益。
2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）
机器人技术是近30年来迅速发展起来的一门综合学科。它综合了力学、机构学、机械设计学、计算机工程、自动控制、传感技术、电液驱动技术、人工智能、仿生学等学科的有关知识和最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。尤其是进入80年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。移动机器人作为机器人学的一个重要分枝，其研究工作始于20世纪60年代。移动机器人的最成功应用是自动化生产系统中的物料搬运，用于完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件工具传送。移动机器人的运动灵活性能，大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。现在，移动式机器人的研究开发除上述应用外，还涉及许多其他应用领。如在建筑领域完成混凝土的铺平、壁面的装修、检查和清洗：采矿业中行隧道的掘进和矿藏的开采、农林业中从事水果采摘、树枝修剪、圆木搬运；军事上用于探测侦察、爆炸物处理。福利方面进行盲人引导，病员护理等。
爬行机器人是机器人大家族中的一员，爬升机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业，区别于平面移动机器人，故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。从动力源进行划分，主要分为机械式和气动式两大类。从有无控制系统的层面进行划分，主要分为普通型和智能型两大类。普通型就是只有动力源、执行机构，智能型相比普通型还有(反馈)控制机构。
最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人，适于高层建筑、水力发电大坝等
垂直壁面和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面，已有车轮移动形、姿态可变形、尺蠖形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵引力较小。
爬行机器人并不少见，但是通常来说，这类规器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。更主要的是，平常的机器人，因为体积或行动方式的影响，不能到一些特殊的地方进行工作，比如说管道，壁面等等特种用途的领域。
国内外很早就对爬行机器人进行研究工作，获得了丰硕的成果。目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器入、电动液压式爬秆机器入和气动蠕行式爬杆机器人。电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬升器沿杆体上升下降。螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定角度，这样轮子转动时它在杆体上形成的是螺旋轨迹，沿此轨迹通过电动机的正反转，该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部汽缸夹紧，上部汽缸松开，提升汽缸活塞杆伸出，上部上升；上部汽缸夹紧，下部汽缸松开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动由实现由气压控制，需要气源和气动控铡系统，因此其设备成本较高。日本是机器人制造王国，它拥有世界上最多的机器人。在2005年5月10日展出的日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO技术开发机构)机器人周(2005年6月9日～19日)期间，在长久会场内的Morizo kiccoro会展中心举办的“机器人样机展”，其中实机演示的5种机器人中有三种是移动机器人：分别是移动跳跃机器人、脚轮式移动机器人和水陆两用蛇形机器人。
国内有苏州工业职业技术学院的曹建东等发明的气动爬杆机器人（如图1、2所示），其工作台上分别设有左，右轨道固定支架，固定支架之间设有运行轨道杆，其特点是：运行轨道杆上穿设有左，右滑动导向固定块，两滑动导向固定块上各安装双杆伸缩爬行气缸，由此可实现机器人在轨道上自动来回爬行运动。
图1 气动爬杆机器人的构造示意图
图2 气动爬杆机器人的俯视图。
图中标记为：1左轨道固定支架；2缓冲块；3左推紧气缸；4压紧块；5左滑动导向块；6方形固定块；7双杆伸缩爬行气缸；8右滑动导向固定块；9推紧缸固定块；10方形运行轨道杆；11固定三角件；12左限位固定块；13滚轮式行程开关；14导条；15传感器固定块；16定位传感器；17右限位固定块；18电磁阀组合；19 I/O信号接口；20工作台；21导线传输链；22导条固定块；23右推紧气缸；24右轨道固定支架
此外还有山东建筑大学机电学院于复生的“一种气动爬杆机器人”（如图3所示）。这种气动机器人，属于机械制造领域。该爬杆机器人是由水平夹紧气缸，汇流板和电磁阀组件，加强支架，连接块，后顶杆，侧杆，前顶杆，垂直气缸，支架组成。水平夹紧气缸其外筒的前端牢靠地安装在支架上，其活塞的前端通过联接块与后顶杆相连，后顶杆的两端有销子插在侧杆的中间，在水平夹紧气缸的带动下，后顶杆可前后移动。前顶杆通过螺钉和销钉与侧杆联接，其一端可方便地拆卸，以把机器人要爬的杆件包揽入内。加强支架通过螺钉与上下四根侧杆。汇流板及电磁阀组件，支架紧固地联接起来，构成了机器人的整体结构。这种气动爬杆机器人具有结构简单，可爬杆直径适用范围大，使用方便等优点。
