浅谈简易爬杆机器人的研究与设计

袁陆伟

摘 要：本文主要根据机械设计的原理论述爬杆机器人的简易设计，机械设计时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。爬杆机器人的研究与设计符合机械设计原理，本文阐述了爬杆机器人的设计过程，利用机械设计原理对爬杆机器人的结构设计进行了研究，并完成了简易爬杆机器人的设计工作。

关键词：爬杆机器人;机构设计;曲柄滑块

一、简易爬杆机器人的设计条件和设计要求

简易爬行机器人以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，这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。本次设计的简易爬行机器人功能要求是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。本次设计运用应用软件CAXA进行运动模拟和运动仿真，最终确定使用三维动画模拟出该机器人的运动。

二、简易爬行机器人的功能原理设计

设计的爬行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，爬行杆使用圆杆。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，可以采用曲柄滑块机构带动和气压元件直接驱动，通过分析实验最终决定采用曲柄滑块机构带动。

1.曲柄滑块机构带动工作原理。曲柄是指在平面连杆机构中能够绕定轴或定点作整周回转的构件。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，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。

2.曲柄滑块机构运动规律设计。设计中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。这样把电机与曲柄固接作为驱动装置，连杆作为传动装置，两滑块作为自锁装置。完成简易爬杆机器人装配工作。

3.自锁装置的工作原理。设计了两个构件，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，也利于在调试过程中不断调整内部结构的具体尺寸。在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了，使其能恰好卡在梯形的空间里。形成自锁。

当电机固接的曲柄逆时针转动时的两个过程分别是曲柄在底端转至顶端和由顶端向底端逆时针转动。从力学角度分析，底端转至顶端时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，它将无阻碍地由连杆往上拉，与此同时，上自锁套受往下的拉力，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，小球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。而顶端向底端逆时针转动时上下滑块的受力情况恰与上述情况相反，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上述情况。于是，两滑块周而复始交替向上爬，完成爬行过程。

三、简易爬行机器人的运动方案设计

一般考虑设计的爬杆过程都是在理想状态下，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因素都未考虑。本设计中如果采用气缸驱动，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。另外，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。实际上在实验中曲柄滑块结构属于平面连杆机构，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。本设计中的简易爬行机器人的机构是由电机经减速直接驱动的，和气动驱动相比它具有一套传动和连接机构，该机构运用的原理简单，设计合理，即能在直杆上爬行，也能在弯曲的管道外爬行。因此本设计才采用曲柄滑块机构作为该简易爬杆机器人的运动方案。

四、简易爬行机器人的硬件结构设计

简易爬行机器人的硬件构件的材料、尺寸和规格选择很重要，本设计中选择爬行机器人的机构名称主要由两大部分组成，一部分是曲柄滑块，它由曲柄、连杆和锥管组成，其中曲柄部分由2mm铝板材料制作而成，选择60mm轴距尺寸，连杆部分也由2mm铝板材料制作而成，选择150mm轴距尺寸，锥管部分由2mm铝板材料制作而成，使用4个锥管。另一部分是自锁机构，圆球是其主要构件，选用成品橡胶球作为主要材料来源，尺寸为50mm的橡胶圆球4个。

所有构件都采用钣金造型，由焊接连接，使其加工制造简单，易保证较高配合精度。设计了自锁套这样的连接装置，在两个形状对称的锥管对接处装上铰链，使自锁套就能开合，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。

设计机构过程中，一定的摩擦力也是保证自锁发生作用的关键。因此各构件的材料要求标准很高。本设计中使用曲柄、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，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現象，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，并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。

五、结语

本次设计的简易爬行机器人运用了简单的曲柄滑块机构，动力来源采用电机作为驱动，选用材质较轻的铝材作为结构材料，减轻了该机器人的重量，使其更大效率的发挥电机的功率，提高了机器人的爬行速度。此外，该简易爬杆机器人的设计易于安装和调试，便于及时修改。本设计中的机器人充分运用曲柄滑块机构即能在直杆外爬行，也能在圆杆上爬行，能够在提高机械运动效率的前提下克服不同弯曲度的圆杆，使其像爬直杆一样爬行过弯曲的管道。本设计仍存在不足，例如本次设计简易爬行机器人无法适应爬性各种杆，爬杆直径发生改变机器人不能随之改变自锁套的大小，圆球球的大小也不能随之改变，所有今后会努力设计出能适应各类爬杆的爬行机器人。

参考文献：

[1]王玉新.《机构创新设计方法学》.天津：天津大学出版社.1996年.

[2]罗洪量.《机械原理课程设计指导书》.北京：高等教育出版社.1986年.

[3]孙恒、陈作模.《机械原理》.北京：高等教育出版社.2001.