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带电作业爬杆机器人的设计与研究发布时间：2023-07-10T07:57:01.331Z 来源：《科技潮》2023年12期作者：周迪[导读] 在电力线路的检修过程中，需要将杆塔进行停电，并对杆塔进行检修和维护工作。
国网瑞嘉（天津）智能机器人有限公司 300450摘要：介绍了一种带电作业爬杆机器人，并对其运动控制系统和安全保护系统进行了分析研究。
采用多模块并联组合方式设计了爬杆机器人的运动控制系统，该系统可以实现对爬杆机器人的精确控制和安全保护。
对所设计的爬杆机器人进行了物理样机试验，试验结果表明，该爬杆机器人可以在多种不同材质的悬臂式结构上运动，并能够实现悬臂式结构的上下升降、平移和旋转功能。
研究结果表明，所设计的爬杆机器人可以在悬臂式结构上实现各种功能，能够很好地完成带电作业工作；研究结果对电力线路检修工作具有重要的应用价值。
关键词：带电作业；机器人；设计引言在电力线路的检修过程中，需要将杆塔进行停电，并对杆塔进行检修和维护工作。
带电作业是指在不停电的情况下，利用绝缘工具、绝缘物品或其他绝缘工具对线路上的杆塔进行检修和维护，以保证电网运行的安全。
目前国内带电作业发展较为缓慢，在国内一些城市和地区已经出现了带电作业机器人。
其中一些机器人具有控制灵活、适应性强等特点，但也存在体积较大、重量较重等不足；另外一些机器人虽然可以实现自动化操作，但在空间狭小的环境下无法有效地完成工作任务。
因此，研制一种能在恶劣环境下工作、能够在空间狭小的环境中工作的带电作业爬杆机器人显得尤为重要。
本文主要研究了一种能够在悬臂式结构上实现各种功能的带电作业爬杆机器人。
该爬杆机器人主要由运动控制系统和安全保护系统两部分组成。
在运动控制系统方面，采用模块化组合方式设计了爬杆机器人的运动控制系统，该运动控制系统包括运动控制器、传感器采集单元和数据处理单元三个部分。
其中，运动控制器主要完成对机器人运动方向的控制；传感器采集单元负责检测爬杆机器人当前位置以及姿态数据；数据处理单元主要完成对采集到的数据进行分析处理，并将结果反馈给运动控制器；数据处理单元主要完成对机器人当前位置和姿态数据的分析处理。
爬杆机器人 课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解爬杆机器人的基本构造和原理，掌握相关的物理和机械知识。
2. 学生能描述爬杆机器人的功能和应用，了解其在现实生活中的重要性。
3. 学生能解释爬杆机器人设计中涉及的科学概念，如力、运动、能量等。
技能目标：1. 学生能运用所学的知识，设计并制作一个简单的爬杆机器人。
2. 学生能在团队中合作，进行问题分析、方案设计和实验操作。
3. 学生能通过实际操作，掌握基本的编程和控制技巧，使爬杆机器人完成特定任务。
情感态度价值观目标：1. 学生能培养对科学技术的兴趣和好奇心，激发创新意识和探索精神。
2. 学生能在设计和制作过程中，体会到团队合作的力量，增强沟通与协作能力。
3. 学生能认识到科技对社会进步的推动作用，培养热爱科学、服务社会的情感。
课程性质：本课程为实践性较强的综合课程，结合物理、机械、编程等多学科知识，注重培养学生的动手能力、创新能力和团队协作能力。
学生特点：六年级学生具有较强的观察力、动手能力和好奇心，对新鲜事物充满兴趣，但注意力集中时间较短，需要激发学习兴趣和参与度。
教学要求：教师应注重理论与实践相结合，采用启发式教学，引导学生主动探索，提高学生的实践操作能力和解决问题的能力。
同时，关注学生的个体差异，给予个性化指导，确保课程目标的实现。
通过课程学习，学生能够将所学知识转化为具体的学习成果，为后续学习奠定基础。
二、教学内容本课程以《科学》教材中“机械世界”单元为基础，结合以下内容进行教学：1. 爬杆机器人原理介绍：讲解爬杆机器人的基本构造、运动原理和功能应用，涉及教材中“简单机械”和“力的作用”等章节内容。
2. 爬杆机器人设计制作：a. 材料选择：介绍爬杆机器人制作所需的材料，如塑料、木材、金属等，与教材中“材料分类”章节相关。
b. 结构设计：引导学生学习爬杆机器人的结构设计，包括传动系统、控制系统等，涉及教材中“机械结构”章节内容。
c. 编程控制：教授爬杆机器人的基本编程方法，使学生在实际操作中掌握编程技巧，与教材中“计算机编程”章节相关。
方案一：鉴于蜗轮蜗杆具有：传动比和承载能力高，平稳、振动小、噪音低，具有自锁功能等优点，因此在对于需要很强自锁功能的机械中得到广泛应用。
机器人爬升部分的设计方案采用蜗轮蜗杆与四杆机构的组合机构作为执行元件，通过控制电机的正反转带动蜗轮蜗杆的正反转，蜗轮带动四杆机构摆动，从而实现上下爬行动作。
如图1所示，由电机反转带动蜗杆作为原动件，由蜗杆带动蜗轮（按通常情况下右旋判断旋转方向）旋转，再由蜗轮带动四杆机构作摆动，通过四杆机构机构的摆动实现爬升机器人的下半部分的爬升运动，同时带动下半部分的夹紧机构向上运动并且夹紧杆,为下一步爬升运动作好准备；然后电机反转，实现推动爬升机器人的上半部分攀爬动作，为机器人下半部分的爬升作好准备。
如果需要反相运动，改变电机正反转的顺序，即可实现机器人的下降运动。
方案二：爬杆机器人总体结构应分为三部分：上端加紧机构，下端夹紧机构和行进机构。
运动基本步骤：上端加紧——行进机构收缩——下端加紧——行进机构伸张——上端加紧。
如此循环完成前进动作。
为了简化结构，将上端加紧机构和下夹紧机构设计成能够实现向下自锁功能的机构，则只需要一个行进机构就能够实现。
方案三利用气压装置如图1所示，爬杆机器人分上部10和底部1两个部分，通过两个部分的有规律的分离和合拢实现升降。
攀升循环在上部10和底部1上，各装有一对套在直杆上的爪子(机器人可在地面上方便地作水平移动，使两爪轻套在杆子上)，每对爪子由一固定爪和活动爪组成，固定爪13和15分别固定安装在上部10和底部1上，依靠活动爪的压紧和松开实现对直杆的抱紧和松开。
而活动爪12和14的紧松则由各自的气缸实现，如图中的上夹气缸11和下夹气缸16。
攀升运动的动力由升降气缸6提供，升降气缸26的缸体固定在底部1上，而球头活塞杆7的球头则安装在上部10上。
当上夹气缸11松开，下夹气缸16夹紧时，升降气缸6下腔进气，上腔排气，则活塞和球头活塞杆7推动上部10沿着导柱8向上移动，到达行程终了位置时，上夹气缸11夹紧，然后下夹气缸16松开，即上爪紧，下爪松，与此同时，升降气缸6上腔进气，下腔排气，从而使升降气缸的缸体连同安装的底部1一起沿着导柱8上升到与上部10相合止，至此，完成了攀升的一个循环。
爬杆机器人
一．设计背景
现在大多数高压电线杆是不容易检测器损坏程度的。
于是我们设计了一种爬行机器人，可以沿电力电线自主行走、跨越障碍，装上携带的传感仪器可以对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测。
二．方案构思
爬杆机器人这要分为两个动作，一是加紧，二是向上的爬升或下降。
我们通过两个手臂来抓紧杆件再通过手臂上的电机来实现机器人的爬升和下降。
三．整体的结构
1.总装图
爬行机器人分为两个部分，分别为上下手臂和中间的上升机构
2.机械的手臂
我们设计的机械手臂采用的是曲柄滑块机构，通过电机带动齿轮转动，齿轮和滑块之间用丝杠螺母连接从而使滑块运动，当滑块向上移动时，杆子将向内移动，最终实现两个手臂的夹持。
松开时，齿轮反转，滑块向下移动，杆子向外，实现松开。
3.上升装置
上升的装置，我们还是采用了丝杠螺母机构，丝杠用电机通过齿轮带动，正转时，上手臂上升，反转时下手臂上升。
下降时，就反之。
4.运动流程
5.运动过程的各个阶段
1、上手臂A和下手臂B位置离的较近
2.下手臂B夹紧不动，丝杠转动使A上升
3、上手臂A夹紧，丝杠反转使下手臂B上升
这样就实现了向上爬行。
四、电机选择
我们的爬杆机器人一共有3个电机，分别是控制手臂的两个和上升或下降部分的电机，由于每个电机都需要正反转，且运动要能控制，所以，控制部分我们选用了单片机来控制。
由于我们的爬杆机器人是全封闭的，电机控制方面的用电问题是个麻烦，经过讨论，我们决定用干电池来提供电。
五．渲染图。
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ABSTRACTIn 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 climbingThe 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-climbing1绪论 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.1研究目的 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.2国内外研究现状 --------------------------------------------------------------------------------------------- 11.3研究内容 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31.4设计要求 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 2爬杆作业机器人总体方案设计 ------------------------------------------------------------------------- 52.1机械方案设计------------------------------------------------------------------------------------------------- 52.2电气控制系统设计------------------------------------------------------------------------------------------ 72.3小结 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 3机械系统设计------------------------------------------------------------------------------------------------------- 93.1减速机构设计------------------------------------------------------------------------------------------------- 93.2曲柄滑块机构设计-----------------------------------------------------------------------------------------173.3凸轮机构的设计 --------------------------------------------------------------------------------------------233.4机械手爪设计------------------------------------------------------------------------------------------------243.5电动机选择 ---------------------------------------------------------------------------------------------------26 4电气控制 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------284.1系统论述 -------------------------------------------------------------------------------------------------------284.2直流电机单元电路设计与分析-----------------------------------------------------------------------294.3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 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------451.1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 。
++ 爬杆机器人理论方案设计说明书学校名称：中国计量学院学生队长：学生队员：指导教师：联系方式：二0 0五年一月目录一．方案构思---------------------------------------------1 二．机械部分---------------------------------------------3 三. 电控部分---------------------------------------------17 四．设计小结---------------------------------------------19一方案构思我们通过三个手臂来抓紧杆件再通过手臂上的电机来实现机器人的爬升和下降。
原理上两个就能实现,但三个手臂是一作联结,二可起稳定作用。
手臂上升下降是通过齿轮齿条来实现的。
二．机械部分1．机器人的整体装配图如下：图1我们是通过三个手臂爬杆的，上手臂装在一个齿条的最上端，并且固定，在具体设计时我们可以使上手臂有一定的上下和左右转动范围,具体的设计将在下面介绍。
下手臂装在下杆C上齿条的下端,中间手臂固定在滑槽上,上手臂的上升和下降是通过装在滑槽上端的电动机带动齿轮啮合齿条来实现的.下手臂的上升和下降是通过装在滑槽下端的电动机带动齿轮啮合齿条来实现的,中间手臂的升降是通过上下两对齿轮齿条反转来实现的。
2．路面行走结构在地上行走，我们通过装在下手臂上的三个车轮来实现地面上的行走，动力由后车轮上的两个电机来提供，用两个电机主要是为了能实现走弯路，具体的三视图形如下：图2 底部车轮结构2 机器手臂的设计图3 机械手的结构我们设计的这个机器手采用了曲柄滑块机构，A，B，C点处安装了橡胶皮，1，2两点固定在支撑板上，当滑块W向前移动时，根据杆子的结构，A，B，C点将向中心收缩，产生一个收缩的趋势，就抓紧杆件。
当滑块W 向后移动时，A，B，C点会张开，即松开杆件。
再配合机构的移动构件，机械手就能很好的实现上升和下降。
机电一体化装置设计与控制》任务书一、课程名称机电一体化装置设计—小型气动爬杆机器人设计二、设计目的通过设计与制作爬杆机器人，熟悉机电一体化装置的设计、制作、装配、编程控制及调试过程，从中学习到典型机电一体化装置的设计方法，掌握PLC或单片机的控制系统的设计方法，包括电气线路设计、气动回路设计、程序设计，并能够结合所学专业知识，掌握零部件加工及装配、接线、设备控制编程及现场调试方法，能够进行设备故障的分析及故障排除。
将所学理论知识与实践相结合，较全面地提高动手能力和分析解决问题能力。
三、使用设备1. 三菱可编程控制器FX-1S；2. MCS-51单片机；3. 安装WINDOWS操作系统的PC机（配备GXDEVELOP、Keil-C51软件）；4. PC与PLC的通信电缆；5. 气动综合实验台。
四、设计要求小型气动爬杆机器人模仿人爬杆的动作，采用气缸作为执行元件，通过时间控制和行程顺序控制，实现机械手、机械脚的放松和夹紧、身体的伸缩和协调；机器人向上、向下和上下往复运动。
小型爬杆机器人在结构及控制上大量采用气动元件，减少了设计、加工时间，保证设备工作的可靠性和维护的方便性。
设计内容由爬杆机器人的机械结构设计、控制系统硬件设计、软件设计以及设计说明书这四个部分组成。
具体要求如下：1. 机械结构的设计要求设计机器人的导向，夹紧机构。
画出加工件的零件图，并在老师的指导下尝试自行加工。
选择所使用的气缸、电磁阀以及机器人所爬杆的形状与材料。
2. 控制系统硬件设计控制系统硬件一般包括系统电源配置、可编程控制器（PLC）或单片机、通讯模块、触摸屏等。
要求完成接线盒的设计，画出接线盒的电气线路图；完成PLC或单片机盒的设计，画出接线图；完成I/O地址分配表的设计工作；完成气动回路的设计。
3. 控制系统软件设计选择PLC控制的同学，要求完成PLC程序设计及系统调试。
选择单片机控制的同学，要求完成单片机控制程序的设计及进行系统调试。
灵巧轻量化轮式爬杆机构设计摘要本文研究了轮式爬杆机构原理，设计并制作一种轻量化轮式爬杆机构作为2016 Robocon北航参赛A机器人的爬杆机构。
并实现承载15kg以上总重爬杆，爬升1.5m自璇角度小于3°的技术指标。
结合本次比赛的设计要求以及当前可用的资源，本方案最终采用轮式爬杆，抱杆装置由两对三排共六个摩擦轮、连杆和气缸组合而成。
抱杆阶段，气缸动作，推杆推动两个机架远离气缸，两对摩擦轮之间的距离减小，抱杆装置整体展开，摩擦轮逐渐贴近立柱，直到抱紧立柱。
在立柱被抱紧后，开始上爬阶段，六个电动机同时工作，六个摩擦轮在沿着杆上滚动，向着杆顶运动，达到爬杆的目的。
每个轮子都有一个单独的电动机驱动，六个摩擦轮以相同的转速运动，带动机器人上爬到指定高度。
本文设计制作的爬杆机构最终可承载28kg总重并以0.3m/s速度爬杆，已达到了已经达到了预期指标，同时满足了本次比赛要求。
关键词：爬杆机器人，轮式爬杆机构，机械设计Design of a flexible lightweight wheel type climbing rod mechanismAuthor: Zijian ZhangTutor: Tianmiao WangAbstractIn this paper, the principle of wheel type climbing mechanism is studied., Design and make a lightweight wheel type climbing mechanism as the climbing mechanism in the robot of BUAA in the 2016 Robocon robot competition. And to achieve the above 15kg weight bearing pole climbing, climbing from the technical index of 1.5m with less than 3 degrees angle.According to the design requirements and the current available resources, this project adopts the wheel climbing pole, which consists of three pairs of two rows of six friction wheels, connecting rods and cylinders. Holding pole stage, the motion of the cylinder, the push rod push two frame away from the cylinder, reduce the distance between the two pairs of friction wheel, lock rod device for overall development, friction wheel gradually close to the column until hold column. In the column is hold and began to climb to the top of the stage, six electric motors work simultaneously, six wheel friction roll along the rod, toward the top of the pole movement to climbing rod. Each wheel has a separate motor drive, the six friction wheels at the same speed of motion, to drive the robot to climb to the specified height.The design and production of the climbing rod mechanism ultimately bearing 28KG weight and the velocity of 0.3m/s pole climbing has reached the has reached the expected target, at the same time to meet the requirements of the tournament.Key words: Climbing robot, Climbing agencies，Mechanical design目录目录 (III)1绪论 .............................................................................................................................. 错误!未定义书签。
新型爬杆清洁机器人的设计与仿真针对变直径杆件，设计一种爬杆清洁机器人。
该机器人由上机械手、下机械手、曲柄连杆机构等组成。
上机械手和下机械手分别模拟人的上肢和下肢，轮流夹紧杆体，在曲柄连杆机构的驱动下，实现机器人的攀爬运动。
在机器人本体上安装有清洁刷，在机器人攀爬过程中实现自动清洁。
通过控制上机械手和下机械手夹紧和松开杆体的顺序，即可实现机器人的攀爬方向。
利用Solid Works对该爬杆清洁机器人的结构进行三维建模和运动仿真分析。
仿真结果表明，该机器人不仅可实现变直径杆件的攀爬清洁，还可实现对杆件某一部位的反复清洁。
标签：爬杆机器人；变直径杆件攀爬；仿生机器人；运动仿真随着经济的不断增长，城市中出现了更多的集实用性与美观性于一体的路灯杆、电线杆、广告牌立柱及大桥钢索等杆件物体，它们常年裸露在空气中，会受到酸性物质的腐蚀，缩短使用寿命，影响美观，所以需要定期进行维护。
但高空作业存在劳动强度大、效率低、危险性大、成本高等问题。
因此国内外学者对爬杆机器人进行了很多研究，郭志东等人发明了一种道路灯杆擦洗清洗设备，该装置机构庞大笨重，造价很高，而且在使用过程中所消耗的能源很大，制约了在实际工程中的应用。
李楠等人提出一种多姿态爬杆机器人，可在一定程度上适应变径杆的三角攀爬，但该装置需要7个电机进行协同操作，机构繁琐笨重，适用性不强。
本文设计了一种可以适应不同直径的仿生爬杆清洁机器人，它不仅可以实现高效环保地对杆件进行清洁，而且具有结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点。
另外，该机器人还可以用于杆件类外表面的喷漆美化等。
1 爬杆清洁机器人结构设计1.1 爬杆清洁机器人的结构组成机器人整体结构由上机械手，下机械手，曲柄连杆机构、清洁刷、以及驱动机构等组成。
上机械手部分固定在套筒上，套筒套在导杆上，并且可以沿导杆滑动；下机械手部分固定在导杆上。
机械人模拟人爬树的动作，上机械手和下机械手分别模拟人的上肢和下肢，轮流夹紧杆体；上机械手和下机械手部分通过曲柄连杆机构进行连接。
爬杆机器人班级：自动化08-1姓名：李刚学号：目录1.设计题目……………………………………………１设计目的………………………………………………１设计题目简介…………………………………………１设计条件及设计要求…………………………………１2.运动方案设计……………………………………２机械预期的功能要求…………………………………２功能原理设计…………………………………………２运动规律设计…………………………………………３2.3.1工艺动作分解……………………………………………３2.3.2运动方案选择……………………………………………５2.3.3执行机构形式设计………………………………………６2.3.4运动和动力分析…………………………………………７2.3.5执行系统运动简图………………………………………８3.计算内容……………………………………………８4.应用前景 (10)5.个人小结 (11)6.参考资料 (12)附录 (13)１.设计题目１.１设计目的机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。
机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。
为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。
１.２设计题目简介我们此次做的课程设计名为爬杆机器人。
该机器人模仿虫蠕动的形式向上爬行，其爬行运用简单的曲柄滑块机构。
其中电机与曲柄固接，驱动装置运动。
曲柄与连杆铰接，其另一端分别铰接一自锁套（即上下两个自锁套），它们是实现上爬的关键结构。
当自锁套有向下运动的趋势时，由力的传递传到自锁套，球、锥管与圆杆之间形成可靠的自锁，阻止构件向下运动，而使其运动的方向始终向上（运动示意见右图）。
１.３设计条件及设计要求首先确定机器人运动的机构原理及所爬行管道的有关数据，制定多套运动方案。
再查阅相关资料，通过精确的计算和运用相关应用软件（例如CAXA，Solidworks，ADAMS等造型、分析软件）进行运动模拟，对设计题目进行创新设计和运动仿真，最后在多方面的考虑下确定一套方案并完成整套课程设计说明书及相关的软件分析图表和文件并由三维动画模拟出该机器人的运动。
２.运动方案设计该机器人模仿的动作是沿杆向上爬行，整个机构为曲柄滑块机构，而且我们目前所设计机器人爬行的杆是圆杆。
２.１机械预期的功能要求通过电机的驱动和减速，给予曲柄一个绕定轴旋转的主动力，在该力的驱使下带动连杆及相应的自锁装置，由两个自锁套的先后自锁和曲柄连杆机构带动机器人向上爬行。
２.２功能原理设计通常情况下，一部的机器需要通过电机带动一系列复杂的机构使其正常运转，这其中涉及到很多简单且基本的机械机构。
当然，也可以直接通过电机带动整部机器的运转，这完全取决于机器所需完成的工作以及设计该机器时所面临的种种实际情况。
针对该爬杆机器人，我们小组通过讨论提出了两套设计方案，分别是：由曲柄滑块机构带动和由气压元件直接驱动。
首先，让我们来看一下曲柄滑块机构是如何工作的。
在平面连杆机构中，能绕定轴或定点作整周回转的构件被称为曲柄。
而通过改变平面四杆机构中构件的形状和运动尺寸能将其演化为不同的机构形式，就曲柄滑块机构而言，它是通过增加铰链四杆机构中摇杆的长度至无穷大而演变过来的。
改机构实际上是由一曲柄一端铰接在机架上，另一端铰接一连杆，连杆的另一端联结一滑块，在曲柄为主动件运动时带动连杆，连杆又带动滑块，使其在平面某一范围内做直线往复运动（图１）。
其次是气动的原理。
该运动原理与上述的曲柄滑块机构相比，在保留两滑块作为自锁装置的前提下，省略了联结两滑块的传动装置，转而用两个汽缸直接带动两个滑块的上下移动。
这样的设计更直接也更简洁，至于两者到底哪个更合理呢２.３运动规律设计２.３.１工艺动作分解首先，我们基于曲柄滑块机构的启示，想到了在曲柄与连杆的两端分别铰接上两个滑块（即作为自锁套），使两个滑块分别作为机架交替上升，从而实现爬杆动作。
其中上滑块与曲柄相连，相应的连杆接下滑块。
当机构具有向下运动的趋势时，下自锁套因受到自锁机构的限制而固定不动，把其受到的向下的力转化为向上的动力，推动机构反而向上运动。
于是，我们就把电机与曲柄固接作为驱动装，连杆作为传动，两滑块作为自锁装置。
该爬杆机器人的设计装配图如图２：那上下自锁套又是怎样自锁的呢我们做成了如图３所示的形状（主视、俯视）：我们设计了两个如图３所示的构件，两者用铰链铰接，能使其自如地打开或收拢，再在它们套住圆杆之后用销钉在铰支端对边销住，这样方便装配和安装到圆杆上，也方便我们在调试过程中不断调整内部结构的具体尺寸。
可这仅仅只是一个滑块，那要怎样才能实现它所要起到的自锁作用呢其实很简单，想想为什么当初要把一个原本简简单单的矩形滑块做成如我们上图示的这样的形状：套住圆杆的两端多出了两个梯形状的“耳朵”，而且这“耳朵”还是中空的。
玄机就在于此，我们在这中空的空间里分别放置两个小球，此小球的直径小于梯形底边而大于梯形顶边（l梯顶<d球<l梯底）。
言外之意，此小球是能够卡在这梯形的空间里的。
这样也就形成了真正意义上的自锁。
若电机固接的曲柄是逆时针转动。
1）曲柄在底端转至顶端的过程中，经力的分析，下自锁套受到向上的拉力，自锁套内的两小球因重力掉至梯形底部，d球<l梯底，它将无阻碍地由连杆往上拉；与此同时，上自锁套受的却是往下的拉力，与上面的相反，其具有向下运动的趋势，内部的小球脱离自锁套的底部，又因d球>l梯顶，那么小球就被卡在了梯形空间中，此时由于小球的被固定而使整个自锁套看作是一个机架铰接曲柄一般。
（见左下图）2）曲柄由顶端向底端逆时针转动时，上下滑块的受力情况恰与第一种情况相反，下自锁套因受力自锁而被固定，此时上自锁套仍向上运动，在曲柄过最底端时又出现了第一种情况。
于是，两滑块周而复始交替向上爬。
（见中下图）在气动方面，由于没有联结用的传动机构，因而直接由气动元件带动两自锁套往上移动。
我们选用两个汽缸作为主要的气动元件，利用作用力与反作用力的原理，由其带动上下两个自锁套分别自锁，达到机器人爬杆的最终目的。
（见右上图）２.３.２运动方案选择上面所设计的爬杆过程都是在理想的情况下，很多实际因素都没有考虑进去：如摩擦力的大小（即管壁与小球接触面的摩擦系数），在曲柄过上下两滑块极限位置时，自锁套内由于小球在内部运动的关系，自锁套所要进行的向下运动的位移，以及上下自锁套、曲柄和连杆的质量，还有电机的功率、转动速度，汽缸的推程大小、自重，所需气包的容量及连接方式等等。
现在我们结合两者的利弊，着重分析一下各自的优缺点。
就采用汽缸驱动而言，它形式简单、结构简便，从机械设计角度而言讲究尽量采用基本机构，设计的机构要简单、可靠。
而汽缸则融会了上述的优点，它由驱动机构直接带动两个自锁滑块，避免了两者间的连接机构，精简了构件之间的连接。
此外，该机构具有环保等特点，它利用空气作为动力源，无污染、运动时无噪音，而且运行速度快，可以在短时间内使机器人爬到杆的顶端，它还能够随身携带气包作为动力源，可以做到无线操作。
就采用曲柄滑块结构而言，它属于平面连杆机构，具有结构简单、制造方便、运动副为低副，能承受较大载荷；但平衡困难，不易用于高速。
我们设计的机构是由电机经减速直接驱动的，和利用气动原理相比它多了一套传动和连接机构，但该机构运用的原理简单，设计合理，而且它不仅能在自杆上爬行，更能在弯曲的管道外爬行，具体的示意图见下。
综上所述，我们小组经讨论决定：选取“曲柄滑块机构”作为该爬杆机器人的最终运动方案。
２.３.３执行机构形式设计针对上述的种种实际情况，我们小组在设计此爬杆机器人的时候就全面考虑了各方面的因素，从而确定各构件的尺寸与制造构件的材料。
祥见下表上述构件全部采用钣金造型，然后由焊接连接，使其加工制造简单，易保证较高配合精度。
可是这样一个爬杆机构是一个封闭的机构，那怎样才能把机器人安装到所要爬的管壁上呢由此，我们设计的自锁套就多了一个连接装置，我们在两个形状对称的锥管对接处装上铰链，就像在ADAMS里给两构件用一个铰链连接，然后在屏幕上显示的那种铰链装置一样，这样自锁套就能开合，自如地包拢住爬杆，然后在自锁零件的对面接口处插上一个联结销，完整的一个自锁套就套在了圆杆上。
联结销的形状见图4。
对于此类机构，一定的摩擦力也是保证自锁发生作用的关键。
因此对各构件的材料也是有相当的要求。
经过筛选，我们决定曲柄、连杆与锥管用铝板来制造，小球的材料则用橡胶。
橡胶的表面比较粗糙，且弹性性能较好，那么小球在自锁套作用时能卡得比较牢靠，不会发生自转等打滑现象，使整个机构下滑而影响上爬的效果。
在自锁套需解锁时，由于橡胶具有很高的韧性，它能立刻恢复原来的形状，不会因无法恢复形变而使下一步上爬动作失效。
２.３.4运动和动力分析在我们设定了曲柄与连杆的长度后，每一步机构各构件的上升位移便也能自然而然地计算出来了。
当曲柄逆时针由最底端转至最顶端时，下滑块上升2倍曲柄的长度位移，即120mm。
同样，曲柄逆时针由最顶端转动到底端时，上滑块也走过120mm（自锁套在自锁时的下滑距离不计）。
下面我们就该机构运动一周的情况列表作一下分析（此时曲柄处于顶端）：当然，这样的机构绝非完美无缺的。
首先，我们设计的自锁套的形状还无法适应此机构爬各种杆。
若所要爬的杆直径大小稍有变化，随着它的变动自锁套也必须相应地改变它外伸包拢杆部分的形状大小。
但是，我们设计的自锁套可以根据不同需要换取不同大小、材质的小球。
上文中我们还提到了软件的运用，特别是ADAMS运动分析软件。
我们使用该软件对爬杆机器人进行造型，并在连接处添加了一定的转动副和移动副，并固定了机架，在这个基础上，我们使用软件中的各种插件对我们的爬杆机器人进行了运动模拟和运动分析。
下面就是我们所截取各构件的速度位移图。
图5——曲柄位移速度图图6——连杆位移速度图图7——锥管（上）位移速度图２.３.5执行系统运动简图自由度F的计算：n=3 Pl=4 Ph=0×3-(2×4-0)=13.解析法设计铰链四杆机构：实现两连架杆对应位置的铰链四杆机构设计：a×cos（φ+φ）+b×cosδ=d+c×cos（Ψ+Ψ）a×sin（φ+φ）+b×cosδ=d+c×sin（Ψ+Ψ）将上式移项后平方相加，消去δ得：-b2+d2+c2+a2+2cd×cos（Ψ+Ψ）-2ad×cos（φ+φ）=2ac×cos[（φ+φ）-（Ψ+Ψ）]令R1=（a2-b2+c2+d2）/2ac R2=d/c R3=d/c 则：R 1+R2cos（Ψ+Ψ）-R3cos（φ+φ）=cos[（φ+φ）-（Ψ+Ψ）]将给定的五个对应位置代入：R 1+R2cosΨ-R3cosφ=cos[φ-Ψ]R 1+R2cos（Ψ+Ψ1）-R3cos（φ+φ1）=cos[（φ+φ1）-（Ψ+Ψ1）]R 1+R2cos（Ψ+Ψ2）-R3cos（φ+φ2）=cos[（φ+φ2）-（Ψ+Ψ2）]R 1+R2cos（Ψ+Ψ3）-R3cos（φ+φ3）=cos[（φ+φ3）-（Ψ+Ψ3）]R 1+R2cos（Ψ+Ψ4）-R3cos（φ+φ4）=cos[（φ+φ4）-（Ψ+Ψ4）]求出R1、R2、R3、Ψ0、φ若已知Ψ0、φ，则只需三对对应位置。
