王振秋+薛建琪+張宇崴+狄海廷

摘 要：針對(duì)變直徑桿件，設(shè)計(jì)一種爬桿清潔機(jī)器人。該機(jī)器人由上機(jī)械手、下機(jī)械手、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等組成。上機(jī)械手和下機(jī)械手分別模擬人的上肢和下肢，輪流夾緊桿體，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的攀爬運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人本體上安裝有清潔刷，在機(jī)器人攀爬過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清潔。通過(guò)控制上機(jī)械手和下機(jī)械手夾緊和松開(kāi)桿體的順序，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的攀爬方向。利用Solid Works對(duì)該爬桿清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析。仿真結(jié)果表明，該機(jī)器人不僅可實(shí)現(xiàn)變直徑桿件的攀爬清潔，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)桿件某一部位的反復(fù)清潔。

關(guān)鍵詞：爬桿機(jī)器人；變直徑桿件攀爬；仿生機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0015-02

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，城市中出現(xiàn)了更多的集實(shí)用性與美觀性于一體的路燈桿、電線桿、廣告牌立柱及大橋鋼索等桿件物體，它們常年裸露在空氣中，會(huì)受到酸性物質(zhì)的腐蝕，縮短使用壽命，影響美觀，所以需要定期進(jìn)行維護(hù)。但高空作業(yè)存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、危險(xiǎn)性大、成本高等問(wèn)題。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行了很多研究，郭志東等人發(fā)明了一種道路燈桿擦洗清洗設(shè)備，該裝置機(jī)構(gòu)龐大笨重，造價(jià)很高，而且在使用過(guò)程中所消耗的能源很大，制約了在實(shí)際工程中的應(yīng)用。李楠等人提出一種多姿態(tài)爬桿機(jī)器人，可在一定程度上適應(yīng)變徑桿的三角攀爬，但該裝置需要7個(gè)電機(jī)進(jìn)行協(xié)同操作，機(jī)構(gòu)繁瑣笨重，適用性不強(qiáng)。本文設(shè)計(jì)了一種可以適應(yīng)不同直徑的仿生爬桿清潔機(jī)器人，它不僅可以實(shí)現(xiàn)高效環(huán)保地對(duì)桿件進(jìn)行清潔，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外，該機(jī)器人還可以用于桿件類(lèi)外表面的噴漆美化等。

1 爬桿清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 爬桿清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)由上機(jī)械手，下機(jī)械手，曲柄連桿機(jī)構(gòu)、清潔刷、以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。上機(jī)械手部分固定在套筒上，套筒套在導(dǎo)桿上，并且可以沿導(dǎo)桿滑動(dòng)；下機(jī)械手部分固定在導(dǎo)桿上。機(jī)械人模擬人爬樹(shù)的動(dòng)作，上機(jī)械手和下機(jī)械手分別模擬人的上肢和下肢，輪流夾緊桿體；上機(jī)械手和下機(jī)械手部分通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。電機(jī)帶動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿擺動(dòng)，推動(dòng)機(jī)器人上下移動(dòng)；同時(shí)手爪控制電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)使上機(jī)械手爪及下機(jī)械手爪水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)桿件的抓緊和松開(kāi)。在機(jī)器人本體上安裝有清潔刷，清潔刷在機(jī)器人攀爬過(guò)程中始終保持與桿件的緊密接觸，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清潔。

1.2 機(jī)器人各部分結(jié)構(gòu)

1.2.1 爬升結(jié)構(gòu)

機(jī)器人模仿人爬樹(shù)的動(dòng)作，上端機(jī)械手和下端機(jī)械手分別模擬人的手腳輪流夾緊桿體，以曲柄連桿機(jī)構(gòu)代替人的軀干產(chǎn)生伸縮動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬桿動(dòng)作。曲柄連桿機(jī)構(gòu)將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連桿的直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)曲柄在電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，機(jī)器人便爬行一個(gè)步長(zhǎng)；在爬桿過(guò)程中，清潔頭處于工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)桿件的清潔。

1.2.2 變直徑結(jié)構(gòu)

機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在機(jī)械手處安裝壓力傳感器，當(dāng)控制主動(dòng)錐齒輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)主動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)錐齒輪帶動(dòng)從動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)錐齒輪與齒輪軸連接，齒輪軸內(nèi)加工有通軸的平鍵槽；圖1中的絲杠上有平鍵與螺紋，其平鍵與齒輪軸相連，并可沿著齒輪軸內(nèi)的平鍵槽左右滑動(dòng)，該螺紋與從動(dòng)錐齒輪支架上的通孔螺紋相連接，當(dāng)從動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲杠左右滑動(dòng)，絲杠前端安裝有機(jī)械手爪；絲杠的左右滑動(dòng)可帶動(dòng)機(jī)械手爪左右滑動(dòng)，內(nèi)層機(jī)械手處的壓力傳感器反饋壓力信號(hào)，當(dāng)達(dá)到一定夾緊壓力值時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪對(duì)不同桿徑的桿件進(jìn)行夾緊和松開(kāi)，實(shí)現(xiàn)攀爬功能。

1.2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

整個(gè)爬桿清潔機(jī)器人由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一個(gè)電機(jī)對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，另外兩個(gè)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，帶動(dòng)上端機(jī)械手和下端機(jī)械手運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)其夾緊和松開(kāi)的動(dòng)作。

2 爬桿機(jī)器人動(dòng)作過(guò)程

機(jī)器人爬桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示：（1）在初始狀態(tài)1時(shí)，下機(jī)械手抓緊、上機(jī)械手松開(kāi)。（2）上機(jī)械手控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，使上機(jī)械手爪夾緊桿體；同時(shí)，下機(jī)械手控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，使下機(jī)械手松開(kāi)桿體。在此過(guò)程中，曲柄連桿電機(jī)持續(xù)回轉(zhuǎn)，即狀態(tài)2。（3）曲柄連桿電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)曲柄連桿控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180度角時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)180度角，機(jī)器人下機(jī)械手部分在曲柄連桿的帶動(dòng)下，向上爬行半個(gè)步距，即狀態(tài)3。（4）下機(jī)械手控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，使下機(jī)械手夾緊桿體；同時(shí)，上機(jī)械手控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，使上機(jī)械手松開(kāi)桿體。在此過(guò)程中，曲柄連桿電機(jī)持續(xù)回轉(zhuǎn)，即狀態(tài)4。（5）曲柄連桿電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)。當(dāng)曲柄再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)180度角時(shí)，機(jī)器人上機(jī)械手部分在曲柄連桿的帶動(dòng)下，向上爬行半個(gè)步距，即狀態(tài)5。

曲柄每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，機(jī)器人整體向上爬行一個(gè)步距，重復(fù)狀態(tài)1到5就可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體的向上爬行。整個(gè)爬行過(guò)程中，清潔刷一直處于抱緊桿體的狀態(tài)，從而對(duì)桿件進(jìn)行清潔。改變上機(jī)械手和下機(jī)械手控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)順序，就可改變機(jī)器人的爬行方向。

在對(duì)桿件某一部位進(jìn)行反復(fù)清潔時(shí)，控制下機(jī)械手一直處于夾緊桿體狀態(tài)，控制上機(jī)械手處于松開(kāi)桿體狀態(tài)，控制曲柄連桿控制電機(jī)處于持續(xù)工作狀態(tài)，上清潔刷就會(huì)在該桿件的相應(yīng)部位進(jìn)行反復(fù)上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)反復(fù)清潔。

3 爬桿機(jī)器人的仿真

爬桿機(jī)器人變直徑及局部反復(fù)清潔仿真示圖如圖3所示。

通過(guò)變直徑及局部反復(fù)清洗的仿真，驗(yàn)證了該爬桿清潔機(jī)器人可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)變直徑桿件的清洗，并且還可對(duì)桿件的某一局部進(jìn)行反復(fù)清洗，很好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的適用不同直徑的仿生爬桿機(jī)器人具有如下特點(diǎn)。（1）設(shè)計(jì)提出了一種仿生機(jī)器人自動(dòng)爬桿機(jī)構(gòu)，利用上、下端機(jī)械手輪流夾緊桿體，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)使機(jī)器人軀干產(chǎn)生伸縮動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬桿動(dòng)作，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)；（2）當(dāng)桿徑發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)機(jī)械手處的壓力傳感器的反饋信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳給滾珠絲杠，使絲杠前進(jìn)或后退，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同桿徑的桿件進(jìn)行夾緊和松開(kāi)，從而解決了機(jī)器人對(duì)不同直徑桿件的攀爬這一問(wèn)題；（3）該機(jī)器人還可以通過(guò)控制上下機(jī)械手的電機(jī)，控制機(jī)械手狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)桿件的反復(fù)清洗。

在對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)并闡明原理的基礎(chǔ)上，利用Solid Works建立了機(jī)器人樣機(jī)模型，并對(duì)裝配體進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人變直徑結(jié)構(gòu)及局部反復(fù)清潔原理的合理性。

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