林琦峰,陳勇,宋雪萍

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速增長，各大城市矗立起眾多的電線桿、路燈桿和斜拉橋等高層桿狀建筑. 這些高層桿狀建筑的高度通常是3～30 m，有的甚至高達(dá)百米，金屬桿件的表面通常采用油漆噴涂，由于常年的日光暴曬和風(fēng)吹雨打，加快金屬桿件的氧化腐蝕，縮短使用壽命，需要定期進(jìn)行清潔維護(hù). 傳統(tǒng)的高層桿狀建筑清洗維護(hù)方式：①人工攜帶清洗維護(hù)裝置爬桿作業(yè)，存在很大的危險(xiǎn)性；②使用大型長臂作業(yè)車將工人與清洗維護(hù)裝置送到制定位置進(jìn)行人工作業(yè)，操作復(fù)雜，成本較高，使用不便. 長期以來，如何高效、低成本、綠色環(huán)保地清洗和維護(hù)高層桿狀建筑，一直是一個(gè)難題. 爬桿機(jī)器人可以替代人工進(jìn)行清洗和維護(hù)高層桿狀建筑，減少危險(xiǎn)性，降低操作難度和維護(hù)成本.

現(xiàn)有的爬桿機(jī)器人[1-6]可以分為三種：輪式爬桿機(jī)器人[7-8]、爪式爬桿機(jī)器人[9-11]和吸附式爬桿機(jī)器人[12-13]. 輪式爬桿機(jī)器人具有重量輕、安全、響應(yīng)快速等特點(diǎn)，適用于攀登圓柱形的階梯式桿件，但是越障能力有限[14]. 爪式爬桿機(jī)器人的腿部末端采用鉤爪結(jié)構(gòu)，可以牢固地攀附于物體表面，適用于平面及曲面結(jié)構(gòu)，但是抓取方式比較復(fù)雜[15]. 吸附式爬桿機(jī)器人采用磁吸附式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，可吸附在任意曲面，三角形的萬向輪布置方式，可以實(shí)現(xiàn)在曲面任意方向的運(yùn)動(dòng)攀爬，但是負(fù)載能力比較差[16].

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，根據(jù)樹袋熊的攀爬特性，利用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)一種爬桿機(jī)器人，用于清洗和維護(hù)電線桿、路燈桿和斜拉橋等高層桿狀建筑.本文設(shè)計(jì)的仿樹袋熊爬桿機(jī)器人，攜帶清洗與維護(hù)裝置，代替人工對高層桿狀建筑進(jìn)行清洗與維護(hù)，減少了爬桿作業(yè)的危險(xiǎn)性，降低了操作難度和維護(hù)成本. 該機(jī)器人采用上下兩層機(jī)械手的抱緊結(jié)構(gòu)，采用齒輪齒條的升降結(jié)構(gòu)代替以往的連桿結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的爬桿機(jī)器人相比，彌補(bǔ)了輪式爬桿機(jī)器人的越障能力缺陷，突破了爪式爬桿機(jī)器人的抓取方式瓶頸，解決了吸附式爬桿機(jī)器人的負(fù)載能力薄弱. 本文設(shè)計(jì)的仿樹袋熊爬桿機(jī)器人，優(yōu)勢在于滿足攀爬要求的同時(shí)，能夠?qū)Σ煌睆降母邔訔U狀建筑可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)夾持力，具有較好的攀爬運(yùn)動(dòng)靈活性.

1 樹袋熊的攀爬特性

在自然界中，樹袋熊經(jīng)過億萬年的自然進(jìn)化，在攀爬步態(tài)、適應(yīng)環(huán)境和運(yùn)動(dòng)功能等方面具有精巧的合理性，可以滿足不同的步態(tài)需求，具有特殊的攀爬能力，能夠適應(yīng)不同直徑的樹木.

1.1 樹袋熊的攀爬步態(tài)

成年雄性樹袋熊的攀爬步態(tài)，如圖1所示. 攀爬速度為1.16 m/s，在攀爬過程中，0 s時(shí)，樹袋熊的四肢抱緊樹木，軀體處于收縮狀態(tài)；0.11 s時(shí)，樹袋熊逐漸伸展軀體、前肢準(zhǔn)備向上抱緊樹木、后肢逐漸展開；0.22 s時(shí)，樹袋熊軀體伸展達(dá)到最大，前肢抱緊上方樹木，后肢完全展開；0.33s時(shí)，樹袋熊逐漸收縮軀干，前肢抱緊樹木，后肢逐漸收縮；0.44 s時(shí)，樹袋熊軀干完全收縮，前肢抱緊樹木，后肢進(jìn)一步收縮；0.55 s時(shí)，樹袋熊軀干完全收縮，前肢抱緊樹木，后肢完全收縮，完成一個(gè)步態(tài)周期.

在攀爬過程中，樹袋熊軀體的收縮與伸展，配合四肢有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，樹袋熊在后肢發(fā)力時(shí)，軀體后部短暫離開樹木，為后肢活動(dòng)發(fā)力提供足夠的空間，樹袋熊后肢完成發(fā)力后，軀體緊貼樹木，減輕前肢的負(fù)重.

圖1 樹袋熊的攀爬步態(tài)周期圖

1.2 樹袋熊的關(guān)節(jié)角度

樹袋熊的關(guān)節(jié)角度如圖2所示，α1是大臂與軀干之間的肩關(guān)節(jié)夾角，β1是大臂與小臂之間的肘關(guān)節(jié)夾角，γ1是小臂與手掌之間的腕關(guān)節(jié)夾角，α2是大腿與軀干之間的髖關(guān)節(jié)夾角，β2是大腿與小腿之間的膝關(guān)節(jié)夾角，γ2是小腿與腳掌之間的踝關(guān)節(jié)夾角，圓點(diǎn)表示關(guān)節(jié)，直線表示肢體. 測量樹袋熊攀爬過程的關(guān)節(jié)角度，使用Origin軟件繪制曲線圖，如圖3.

圖2 樹袋熊的關(guān)節(jié)角度示意圖

樹袋熊前肢的關(guān)節(jié)角度如圖3(a)所示，曲線出現(xiàn)了三次波峰與波谷，說明運(yùn)動(dòng)了三個(gè)步態(tài)周期. 0～0.15 s，α1逐漸減小，此時(shí)樹袋熊軀干在向上運(yùn)動(dòng)，前肢未運(yùn)動(dòng)；0.15～0.24 s，α1急劇增大，達(dá)到最大值135°，此時(shí)樹袋熊前肢瞬間向上伸展；0.24～0.47 s，α1緩慢減小，此時(shí)樹袋熊前肢運(yùn)動(dòng)幅度較?。?.47～0.55 s，α1急劇減小，此時(shí)樹袋熊軀干在收縮，軀體靠近前肢大臂，完成一個(gè)攀爬步態(tài)周期.β1與γ1變化較小，手掌和小臂跟隨大臂進(jìn)行擺動(dòng).

(a) 前肢

(b) 后肢

樹袋熊后肢的關(guān)節(jié)角度如圖3(b)所示，曲線出現(xiàn)了三次波峰與波谷，說明運(yùn)動(dòng)了三個(gè)步態(tài)周期. 0～0.1s，α2緩慢增大，此時(shí)樹袋熊軀干在向上運(yùn)動(dòng)，后肢未運(yùn)動(dòng)；0.1～0.3s，α2急劇增大，達(dá)到最大值150°，此時(shí)樹袋熊后肢瞬間展開；0.3～0.4 s，α2急劇減小，達(dá)到最小值12°，此時(shí)樹袋熊后肢瞬間收縮；0.4～0.55 s，α2進(jìn)行小范圍變化，此時(shí)樹袋熊調(diào)整身體，準(zhǔn)備下一次攀爬，完成一個(gè)攀爬步態(tài)周期.α2、β2和γ2的變化趨勢相似，β2和γ2的變化滯后于α2，樹袋熊的髖關(guān)節(jié)首先轉(zhuǎn)動(dòng)，然后膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng). 比較圖3(a)、(b)可以表明樹袋熊在后肢展開的時(shí)候，前肢也展開，后肢收縮時(shí)，前肢也保持收縮狀態(tài).

1.3 樹袋熊的攀爬機(jī)理

通過分析樹袋熊的攀爬步態(tài)和關(guān)節(jié)角度，獲得樹袋熊的攀爬機(jī)理：

在攀爬過程中，樹袋熊至少有兩條腿與樹木接觸，保證軀體的平衡穩(wěn)定；樹袋熊的肩關(guān)節(jié)是主動(dòng)關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)的角度變化空間87.4°，進(jìn)行大范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，為樹袋熊的前肢提供爬升動(dòng)力，樹袋熊的肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)是隨動(dòng)關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)的角度變化空間48.4°，腕關(guān)節(jié)的角度變化空間27.2°，進(jìn)行小范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，用來保持樹袋熊軀體的平衡穩(wěn)定；樹袋熊髖關(guān)節(jié)的角度變化空間143.9°，膝關(guān)節(jié)的角度變化空間136.1°，踝關(guān)節(jié)的角度變化空間103.2°，樹袋熊的后肢可以進(jìn)行大幅度的折疊與伸展，為樹袋熊的軀體提供爬升動(dòng)力，樹袋熊的后肢折疊時(shí)，髖關(guān)節(jié)角度達(dá)到最小值10.3°，膝關(guān)節(jié)角度達(dá)到最小值25.4°，踝關(guān)節(jié)角度達(dá)到最小值20.9°，樹袋熊的后肢伸展時(shí)，髖關(guān)節(jié)角度達(dá)到最大值150°，膝關(guān)節(jié)角度達(dá)到最大值165°，踝關(guān)節(jié)角度達(dá)到最大值90°.

2 爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)樹袋熊的攀爬特性，利用仿生學(xué)原理，進(jìn)行爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 參考樹袋熊的前肢與后肢， 爬桿機(jī)器人分成上層抱緊結(jié)構(gòu)與下層抱緊

圖4 爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)，參考樹袋熊后肢的折疊與伸展，采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)為爬桿機(jī)器人的收縮與伸展提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的升降,爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.

3 爬桿機(jī)器人的仿真分析

3.1 仿真運(yùn)動(dòng)過程

利用三維建模軟件Creo，建立爬桿機(jī)器人的三維模型，如圖5所示.

圖5 爬桿機(jī)器人的三維模型

將爬桿機(jī)器人的三維模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，根據(jù)爬桿機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)置各個(gè)構(gòu)件的物理特性和約束關(guān)系，添加驅(qū)動(dòng)元件，設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)完成仿真運(yùn)動(dòng).

桿狀圓柱體的直徑150 mm、長度2 000 mm，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中，爬桿機(jī)器人的約束關(guān)系如表1所示，設(shè)置動(dòng)力學(xué)仿真的邊界條件.

表1 爬桿機(jī)器人的約束關(guān)系

根據(jù)爬桿機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，在運(yùn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)元件，使用STEP函數(shù)設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)：

齒輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為STEP(time, 2, 0 d, 4, 600 d)+STEP(time, 7, 0 d, 9, -600 d)；

上層左側(cè)機(jī)械手平移的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為STEP(time, 0, 0, 2, -20)+STEP(time, 6, 0, 7, 10)；

上層右側(cè)機(jī)械手平移的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為STEP(time, 0, 0, 2, 20)+STEP(time, 6, 0, 7, -10)；

下層左側(cè)機(jī)械手平移的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為STEP(time, 4, 0, 6, -20)；

下層右側(cè)機(jī)械手平移的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為STEP(time, 4, 0, 6, 20).

爬桿機(jī)器人的總體質(zhì)量15 kg(未安裝清洗與維護(hù)裝置)，仿真時(shí)間9 s，步數(shù)180，一個(gè)步態(tài)周期的仿真運(yùn)動(dòng)過程如圖6所示.

圖6 爬桿機(jī)器人的仿真運(yùn)動(dòng)過程

爬桿機(jī)器人沿著桿狀建筑向上攀爬的工作原理和運(yùn)動(dòng)過程：

(1)如圖6(a)，將爬桿機(jī)器人放置在地面，上層機(jī)械手和下層機(jī)械手都處于張開狀態(tài)，環(huán)抱在需要清洗或維護(hù)的桿狀建筑周圍;

(2)如圖6(b)，啟動(dòng)上層絲杠電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上層絲杠旋轉(zhuǎn)，由于上層絲杠兩側(cè)螺紋的旋向相反，驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的上層機(jī)械手向中間運(yùn)動(dòng)，上層機(jī)械手夾緊桿狀建筑后，停止上層絲杠電機(jī);

(3)如圖6(c)，啟動(dòng)升降電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪的嚙合帶動(dòng)齒條向上運(yùn)動(dòng)，由于齒條的下端與下層底板固定，從而帶動(dòng)下層底板沿著豎直導(dǎo)向桿向上運(yùn)動(dòng)，爬桿機(jī)器人移動(dòng)到指定距離，停止升降電機(jī);

(4)如圖6(d)，啟動(dòng)下層絲杠電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)下層絲杠旋轉(zhuǎn)，由于下層絲杠兩側(cè)螺紋的旋向相反，驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的下層機(jī)械手向中間運(yùn)動(dòng)，下層機(jī)械手夾緊桿狀建筑后，停止下層絲杠電機(jī);

(5)如圖6(e)，啟動(dòng)上層絲杠電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上層絲杠旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的上層機(jī)械手向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，上層機(jī)械手松開桿狀建筑后，停止上層絲杠電機(jī);

(6)如圖6(f)，啟動(dòng)升降電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，由于下層機(jī)械手夾緊桿狀建筑，導(dǎo)致下層底板處于固定位置，齒條位置固定，齒輪向上運(yùn)動(dòng)，由于齒輪連接在升降電機(jī)上，升降電機(jī)通過支座固定在上層底板，從而帶動(dòng)上層底板沿著豎直導(dǎo)向桿向上運(yùn)動(dòng)，爬桿機(jī)器人移動(dòng)到指定距離，停止升降電機(jī). 如此循環(huán)運(yùn)動(dòng)，爬桿機(jī)器人可以沿著桿狀建筑向上攀爬到需要清洗或維護(hù)的位置.

爬桿機(jī)器人沿著桿狀建筑向下攀爬的工作原理和運(yùn)動(dòng)過程：

(1)完成清洗或維護(hù)的任務(wù)以后，爬桿機(jī)器人處于桿狀建筑的頂端，上層機(jī)械手和下層機(jī)械手都夾緊桿狀建筑. 啟動(dòng)下層絲杠電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)下層絲杠旋轉(zhuǎn)，由于下層絲杠兩側(cè)螺紋的旋向相反，驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的下層機(jī)械手向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，下層機(jī)械手松開桿狀建筑后，停止下層絲杠電機(jī);

(2)啟動(dòng)升降電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪的嚙合帶動(dòng)齒條向下運(yùn)動(dòng)，由于齒條的下端固定在下層底板，從而帶動(dòng)下層底板沿著豎直導(dǎo)向桿向下運(yùn)動(dòng)，爬桿機(jī)器人移動(dòng)到指定距離，停止升降電機(jī);

(3)啟動(dòng)下層絲杠電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)下層絲杠旋轉(zhuǎn)，由于下層絲杠兩側(cè)螺紋的旋向相反，驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的下層機(jī)械手向中間運(yùn)動(dòng)，下層機(jī)械手夾緊桿狀建筑后，停止下層絲杠電機(jī);

(4)啟動(dòng)上層絲杠電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上層絲杠旋轉(zhuǎn)，由于上層絲杠兩側(cè)螺紋的旋向相反，驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的上層機(jī)械手向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，上層機(jī)械手松開桿狀建筑后，停止上層絲杠電機(jī);

(5)啟動(dòng)升降電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，由于下層機(jī)械手夾緊桿狀建筑，導(dǎo)致下層底板處于固定位置，齒條的嚙合帶動(dòng)齒輪向下運(yùn)動(dòng)，齒輪連接在升降電機(jī)支座，升降電機(jī)支座固定在上層底板，從而帶動(dòng)上層底板沿著豎直導(dǎo)向桿向下運(yùn)動(dòng)，爬桿機(jī)器人移動(dòng)到指定距離，停止升降電機(jī);

(6)啟動(dòng)上層絲杠電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上層絲杠旋轉(zhuǎn)，由于上層絲杠兩側(cè)螺紋的旋向相反，驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的上層機(jī)械手向中間運(yùn)動(dòng)，上層機(jī)械手夾緊桿狀建筑，停止上層絲杠電機(jī). 如此循環(huán)運(yùn)動(dòng)，爬桿機(jī)器人可以沿著桿狀建筑向下攀爬到地面;

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)束后，通過ADAMS軟件的后處理獲得仿真結(jié)果曲線.

在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，爬桿機(jī)器人的下層底板在豎直方向的位移如圖7所示. 0 s時(shí)，位移曲線保持水平，表明下層底板沒有開始運(yùn)動(dòng)；2 s時(shí)，爬桿機(jī)器人的下層底板開始在豎直方向移動(dòng)；4 s時(shí)，爬桿機(jī)器人的下層底板提升到最頂端，移動(dòng)距離150 mm；4 s后，位移曲線保持水平狀態(tài)，表明下層底板保持不動(dòng).

圖7 下層底板在豎直方向的位移

在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，爬桿機(jī)器人的下層底板在豎直方向的速度如圖8所示. 0 s時(shí)，速度曲線保持為零，表明下層底板沒有開始運(yùn)動(dòng)；2 s時(shí)，速度開始逐漸變大；3 s時(shí)，速度達(dá)到最大值122 mm/s；3 s后，速度開始逐漸減??；4 s時(shí)，速度為零. 正常情況下，4 s后下層底板停止運(yùn)動(dòng)，速度應(yīng)該為零，但是速度曲線并未為零，而是在5.2 s后才逐漸歸零，這說明，在下層底板停止運(yùn)動(dòng)后，下層機(jī)械手的移動(dòng)會(huì)對下層底板產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致速度不為零，同時(shí)由于爬桿機(jī)器人提升階段齒輪與齒條的接觸力產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致速度發(fā)生波動(dòng).

圖8 下層底板在豎直方向的速度

在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，爬桿機(jī)器人的上層底板在豎直方向的位移如圖9所示. 0 s時(shí)，位移曲線保持水平，表明上層底板沒有開始運(yùn)動(dòng)；7 s時(shí)，爬桿機(jī)器人的上層底板開始在豎直方向移動(dòng)；9 s時(shí)，爬桿機(jī)器人的上層底板提升到最頂端，移動(dòng)距離150 mm.

圖9 上層底板在豎直方向的位移

在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，爬桿機(jī)器人的上層底板質(zhì)心在豎直方向的速度如圖10所示. 0 s時(shí)，速度曲線保持為零，表明上層底板沒有開始運(yùn)動(dòng)；7 s時(shí)，速度開始逐漸變大；8s時(shí)，速度達(dá)到最大值120 mm/s；8 s后，速度開始減小，由于齒輪與齒條的接觸力產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致速度發(fā)生波動(dòng)；9 s時(shí)，速度為零.

圖10 上層底板在豎直方向速度

在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，爬桿機(jī)器人齒輪與齒條的接觸力如圖11所示. 0～2 s，齒輪與齒條的接觸力一直處于最大值950 N，表明齒輪與齒條沒有發(fā)生相對移動(dòng)；2 s時(shí)，齒輪與齒條的接觸力急劇減小，此時(shí)處于上層底板夾緊、下層底板松開的狀態(tài)；2～4 s，齒輪與齒條的接觸力產(chǎn)生波動(dòng)，此時(shí)處于爬桿機(jī)器人提升階段；4～5 s，齒輪與齒條的接觸力產(chǎn)生波動(dòng)，此時(shí)處于下層機(jī)械手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；5～6 s， 齒輪與齒條的接觸力逐 漸 變大， 此時(shí)上層底板和下層底板都處于夾緊狀態(tài)；6～6.5 s，齒輪與齒條的接觸力逐漸變小， 此 時(shí)處于上層底板

圖11 齒輪與齒條的接觸力

松開、下層底板夾緊的狀態(tài)；6.5～7 s，齒輪與齒條的接觸力產(chǎn)生波動(dòng)，此時(shí)處于上層機(jī)械手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；7～9 s，齒輪與齒條的接觸力產(chǎn)生波動(dòng)，此時(shí)處于爬桿機(jī)器人提升階段.

4 結(jié)論

(1)通過分析樹袋熊的攀爬步態(tài)和關(guān)節(jié)角度，獲得樹袋熊的攀爬特性，為爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供仿生基礎(chǔ)；

(2)通過三維建模和仿真分析，獲得爬桿機(jī)器人上層底板與下層底板在豎直方向的移動(dòng)距離均為150 mm，爬桿機(jī)器人上層底板與下層底板在豎直方向的速度變化范圍均為0～20 mm/s，爬桿機(jī)器人齒輪與齒條的最大接觸力950 N，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考.