仿树袋熊爬杆机器人的结构设计与仿真分析

林琦峰,陈勇,宋雪萍

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)*

随着经济的飞速增长，各大城市矗立起众多的电线杆、路灯杆和斜拉桥等高层杆状建筑. 这些高层杆状建筑的高度通常是3～30 m，有的甚至高达百米，金属杆件的表面通常采用油漆喷涂，由于常年的日光暴晒和风吹雨打，加快金属杆件的氧化腐蚀，缩短使用寿命，需要定期进行清洁维护. 传统的高层杆状建筑清洗维护方式：①人工携带清洗维护装置爬杆作业，存在很大的危险性；②使用大型长臂作业车将工人与清洗维护装置送到制定位置进行人工作业，操作复杂，成本较高，使用不便. 长期以来，如何高效、低成本、绿色环保地清洗和维护高层杆状建筑，一直是一个难题. 爬杆机器人可以替代人工进行清洗和维护高层杆状建筑，减少危险性，降低操作难度和维护成本.

现有的爬杆机器人[1-6]可以分为三种：轮式爬杆机器人[7-8]、爪式爬杆机器人[9-11]和吸附式爬杆机器人[12-13]. 轮式爬杆机器人具有重量轻、安全、响应快速等特点，适用于攀登圆柱形的阶梯式杆件，但是越障能力有限[14]. 爪式爬杆机器人的腿部末端采用钩爪结构，可以牢固地攀附于物体表面，适用于平面及曲面结构，但是抓取方式比较复杂[15]. 吸附式爬杆机器人采用磁吸附式转轮结构，可吸附在任意曲面，三角形的万向轮布置方式，可以实现在曲面任意方向的运动攀爬，但是负载能力比较差[16].

为了解决现有技术存在的上述问题，根据树袋熊的攀爬特性，利用仿生学原理，设计一种爬杆机器人，用于清洗和维护电线杆、路灯杆和斜拉桥等高层杆状建筑.本文设计的仿树袋熊爬杆机器人，携带清洗与维护装置，代替人工对高层杆状建筑进行清洗与维护，减少了爬杆作业的危险性，降低了操作难度和维护成本. 该机器人采用上下两层机械手的抱紧结构，采用齿轮齿条的升降结构代替以往的连杆结构，与现有的爬杆机器人相比，弥补了轮式爬杆机器人的越障能力缺陷，突破了爪式爬杆机器人的抓取方式瓶颈，解决了吸附式爬杆机器人的负载能力薄弱. 本文设计的仿树袋熊爬杆机器人，优势在于满足攀爬要求的同时，能够对不同直径的高层杆状建筑可以自适应调节夹持力，具有较好的攀爬运动灵活性.

1 树袋熊的攀爬特性

在自然界中，树袋熊经过亿万年的自然进化，在攀爬步态、适应环境和运动功能等方面具有精巧的合理性，可以满足不同的步态需求，具有特殊的攀爬能力，能够适应不同直径的树木.

1.1 树袋熊的攀爬步态

成年雄性树袋熊的攀爬步态，如图1所示. 攀爬速度为1.16 m/s，在攀爬过程中，0 s时，树袋熊的四肢抱紧树木，躯体处于收缩状态；0.11 s时，树袋熊逐渐伸展躯体、前肢准备向上抱紧树木、后肢逐渐展开；0.22 s时，树袋熊躯体伸展达到最大，前肢抱紧上方树木，后肢完全展开；0.33s时，树袋熊逐渐收缩躯干，前肢抱紧树木，后肢逐渐收缩；0.44 s时，树袋熊躯干完全收缩，前肢抱紧树木，后肢进一步收缩；0.55 s时，树袋熊躯干完全收缩，前肢抱紧树木，后肢完全收缩，完成一个步态周期.

在攀爬过程中，树袋熊躯体的收缩与伸展，配合四肢有规律的运动，树袋熊在后肢发力时，躯体后部短暂离开树木，为后肢活动发力提供足够的空间，树袋熊后肢完成发力后，躯体紧贴树木，减轻前肢的负重.

图1 树袋熊的攀爬步态周期图

1.2 树袋熊的关节角度

树袋熊的关节角度如图2所示，α1是大臂与躯干之间的肩关节夹角，β1是大臂与小臂之间的肘关节夹角，γ1是小臂与手掌之间的腕关节夹角，α2是大腿与躯干之间的髋关节夹角，β2是大腿与小腿之间的膝关节夹角，γ2是小腿与脚掌之间的踝关节夹角，圆点表示关节，直线表示肢体. 测量树袋熊攀爬过程的关节角度，使用Origin软件绘制曲线图，如图3.

图2 树袋熊的关节角度示意图

树袋熊前肢的关节角度如图3(a)所示，曲线出现了三次波峰与波谷，说明运动了三个步态周期. 0～0.15 s，α1逐渐减小，此时树袋熊躯干在向上运动，前肢未运动；0.15～0.24 s，α1急剧增大，达到最大值135°，此时树袋熊前肢瞬间向上伸展；0.24～0.47 s，α1缓慢减小，此时树袋熊前肢运动幅度较小；0.47～0.55 s，α1急剧减小，此时树袋熊躯干在收缩，躯体靠近前肢大臂，完成一个攀爬步态周期.β1与γ1变化较小，手掌和小臂跟随大臂进行摆动.

(a) 前肢

(b) 后肢

树袋熊后肢的关节角度如图3(b)所示，曲线出现了三次波峰与波谷，说明运动了三个步态周期. 0～0.1s，α2缓慢增大，此时树袋熊躯干在向上运动，后肢未运动；0.1～0.3s，α2急剧增大，达到最大值150°，此时树袋熊后肢瞬间展开；0.3～0.4 s，α2急剧减小，达到最小值12°，此时树袋熊后肢瞬间收缩；0.4～0.55 s，α2进行小范围变化，此时树袋熊调整身体，准备下一次攀爬，完成一个攀爬步态周期.α2、β2和γ2的变化趋势相似，β2和γ2的变化滞后于α2，树袋熊的髋关节首先转动，然后膝关节转动，最后踝关节转动. 比较图3(a)、(b)可以表明树袋熊在后肢展开的时候，前肢也展开，后肢收缩时，前肢也保持收缩状态.

1.3 树袋熊的攀爬机理

通过分析树袋熊的攀爬步态和关节角度，获得树袋熊的攀爬机理：

在攀爬过程中，树袋熊至少有两条腿与树木接触，保证躯体的平衡稳定；树袋熊的肩关节是主动关节，肩关节的角度变化空间87.4°，进行大范围的转动，为树袋熊的前肢提供爬升动力，树袋熊的肘关节和腕关节是随动关节，肘关节的角度变化空间48.4°，腕关节的角度变化空间27.2°，进行小范围的转动，用来保持树袋熊躯体的平衡稳定；树袋熊髋关节的角度变化空间143.9°，膝关节的角度变化空间136.1°，踝关节的角度变化空间103.2°，树袋熊的后肢可以进行大幅度的折叠与伸展，为树袋熊的躯体提供爬升动力，树袋熊的后肢折叠时，髋关节角度达到最小值10.3°，膝关节角度达到最小值25.4°，踝关节角度达到最小值20.9°，树袋熊的后肢伸展时，髋关节角度达到最大值150°，膝关节角度达到最大值165°，踝关节角度达到最大值90°.

2 爬杆机器人的结构设计

根据树袋熊的攀爬特性，利用仿生学原理，进行爬杆机器人的结构设计. 参考树袋熊的前肢与后肢， 爬杆机器人分成上层抱紧结构与下层抱紧

图4 爬杆机器人的结构示意图

结构，参考树袋熊后肢的折叠与伸展，采用齿轮齿条结构为爬杆机器人的收缩与伸展提供动力，实现爬杆机器人的升降,爬杆机器人的结构示意图如图4所示.

3 爬杆机器人的仿真分析

3.1 仿真运动过程

利用三维建模软件Creo，建立爬杆机器人的三维模型，如图5所示.

图5 爬杆机器人的三维模型

将爬杆机器人的三维模型导入动力学仿真软件ADAMS，根据爬杆机器人的运动特性，设置各个构件的物理特性和约束关系，添加驱动元件，设置驱动函数完成仿真运动.

杆状圆柱体的直径150 mm、长度2 000 mm，在动力学仿真软件ADAMS中，爬杆机器人的约束关系如表1所示，设置动力学仿真的边界条件.

表1 爬杆机器人的约束关系

根据爬杆机器人的运动特性，在运动副上添加驱动元件，使用STEP函数设置相应的驱动函数：

齿轮旋转的驱动函数设置为STEP(time, 2, 0 d, 4, 600 d)+STEP(time, 7, 0 d, 9, -600 d)；

上层左侧机械手平移的驱动函数设置为STEP(time, 0, 0, 2, -20)+STEP(time, 6, 0, 7, 10)；

上层右侧机械手平移的驱动函数设置为STEP(time, 0, 0, 2, 20)+STEP(time, 6, 0, 7, -10)；

下层左侧机械手平移的驱动函数设置为STEP(time, 4, 0, 6, -20)；

下层右侧机械手平移的驱动函数设置为STEP(time, 4, 0, 6, 20).

爬杆机器人的总体质量15 kg(未安装清洗与维护装置)，仿真时间9 s，步数180，一个步态周期的仿真运动过程如图6所示.

图6 爬杆机器人的仿真运动过程

爬杆机器人沿着杆状建筑向上攀爬的工作原理和运动过程：

(1)如图6(a)，将爬杆机器人放置在地面，上层机械手和下层机械手都处于张开状态，环抱在需要清洗或维护的杆状建筑周围;

(2)如图6(b)，启动上层丝杠电机进行正转，带动上层丝杠旋转，由于上层丝杠两侧螺纹的旋向相反，驱动左右两侧的上层机械手向中间运动，上层机械手夹紧杆状建筑后，停止上层丝杠电机;

(3)如图6(c)，启动升降电机进行正转，带动齿轮旋转，齿轮的啮合带动齿条向上运动，由于齿条的下端与下层底板固定，从而带动下层底板沿着竖直导向杆向上运动，爬杆机器人移动到指定距离，停止升降电机;

(4)如图6(d)，启动下层丝杠电机进行正转，带动下层丝杠旋转，由于下层丝杠两侧螺纹的旋向相反，驱动左右两侧的下层机械手向中间运动，下层机械手夹紧杆状建筑后，停止下层丝杠电机;

(5)如图6(e)，启动上层丝杠电机进行反转，带动上层丝杠旋转，驱动左右两侧的上层机械手向左右两侧运动，上层机械手松开杆状建筑后，停止上层丝杠电机;

(6)如图6(f)，启动升降电机进行反转，带动齿轮旋转，由于下层机械手夹紧杆状建筑，导致下层底板处于固定位置，齿条位置固定，齿轮向上运动，由于齿轮连接在升降电机上，升降电机通过支座固定在上层底板，从而带动上层底板沿着竖直导向杆向上运动，爬杆机器人移动到指定距离，停止升降电机. 如此循环运动，爬杆机器人可以沿着杆状建筑向上攀爬到需要清洗或维护的位置.

爬杆机器人沿着杆状建筑向下攀爬的工作原理和运动过程：

(1)完成清洗或维护的任务以后，爬杆机器人处于杆状建筑的顶端，上层机械手和下层机械手都夹紧杆状建筑. 启动下层丝杠电机进行反转，带动下层丝杠旋转，由于下层丝杠两侧螺纹的旋向相反，驱动左右两侧的下层机械手向左右两侧运动，下层机械手松开杆状建筑后，停止下层丝杠电机;

(2)启动升降电机进行反转，带动齿轮旋转，齿轮的啮合带动齿条向下运动，由于齿条的下端固定在下层底板，从而带动下层底板沿着竖直导向杆向下运动，爬杆机器人移动到指定距离，停止升降电机;

(3)启动下层丝杠电机进行正转，带动下层丝杠旋转，由于下层丝杠两侧螺纹的旋向相反，驱动左右两侧的下层机械手向中间运动，下层机械手夹紧杆状建筑后，停止下层丝杠电机;

(4)启动上层丝杠电机进行反转，带动上层丝杠旋转，由于上层丝杠两侧螺纹的旋向相反，驱动左右两侧的上层机械手向左右两侧运动，上层机械手松开杆状建筑后，停止上层丝杠电机;

(5)启动升降电机进行反转，带动齿轮旋转，由于下层机械手夹紧杆状建筑，导致下层底板处于固定位置，齿条的啮合带动齿轮向下运动，齿轮连接在升降电机支座，升降电机支座固定在上层底板，从而带动上层底板沿着竖直导向杆向下运动，爬杆机器人移动到指定距离，停止升降电机;

(6)启动上层丝杠电机进行正转，带动上层丝杠旋转，由于上层丝杠两侧螺纹的旋向相反，驱动左右两侧的上层机械手向中间运动，上层机械手夹紧杆状建筑，停止上层丝杠电机. 如此循环运动，爬杆机器人可以沿着杆状建筑向下攀爬到地面;

3.2 仿真结果

仿真结束后，通过ADAMS软件的后处理获得仿真结果曲线.

在一个步态周期内，爬杆机器人的下层底板在竖直方向的位移如图7所示. 0 s时，位移曲线保持水平，表明下层底板没有开始运动；2 s时，爬杆机器人的下层底板开始在竖直方向移动；4 s时，爬杆机器人的下层底板提升到最顶端，移动距离150 mm；4 s后，位移曲线保持水平状态，表明下层底板保持不动.

图7 下层底板在竖直方向的位移

在一个步态周期内，爬杆机器人的下层底板在竖直方向的速度如图8所示. 0 s时，速度曲线保持为零，表明下层底板没有开始运动；2 s时，速度开始逐渐变大；3 s时，速度达到最大值122 mm/s；3 s后，速度开始逐渐减小；4 s时，速度为零. 正常情况下，4 s后下层底板停止运动，速度应该为零，但是速度曲线并未为零，而是在5.2 s后才逐渐归零，这说明，在下层底板停止运动后，下层机械手的移动会对下层底板产生振动，导致速度不为零，同时由于爬杆机器人提升阶段齿轮与齿条的接触力产生振荡，导致速度发生波动.

图8 下层底板在竖直方向的速度

在一个步态周期内，爬杆机器人的上层底板在竖直方向的位移如图9所示. 0 s时，位移曲线保持水平，表明上层底板没有开始运动；7 s时，爬杆机器人的上层底板开始在竖直方向移动；9 s时，爬杆机器人的上层底板提升到最顶端，移动距离150 mm.

图9 上层底板在竖直方向的位移

在一个步态周期内，爬杆机器人的上层底板质心在竖直方向的速度如图10所示. 0 s时，速度曲线保持为零，表明上层底板没有开始运动；7 s时，速度开始逐渐变大；8s时，速度达到最大值120 mm/s；8 s后，速度开始减小，由于齿轮与齿条的接触力产生振荡，导致速度发生波动；9 s时，速度为零.

图10 上层底板在竖直方向速度

在一个步态周期内，爬杆机器人齿轮与齿条的接触力如图11所示. 0～2 s，齿轮与齿条的接触力一直处于最大值950 N，表明齿轮与齿条没有发生相对移动；2 s时，齿轮与齿条的接触力急剧减小，此时处于上层底板夹紧、下层底板松开的状态；2～4 s，齿轮与齿条的接触力产生波动，此时处于爬杆机器人提升阶段；4～5 s，齿轮与齿条的接触力产生波动，此时处于下层机械手运动状态；5～6 s， 齿轮与齿条的接触力逐 渐 变大， 此时上层底板和下层底板都处于夹紧状态；6～6.5 s，齿轮与齿条的接触力逐渐变小， 此 时处于上层底板

图11 齿轮与齿条的接触力

松开、下层底板夹紧的状态；6.5～7 s，齿轮与齿条的接触力产生波动，此时处于上层机械手运动状态；7～9 s，齿轮与齿条的接触力产生波动，此时处于爬杆机器人提升阶段.

4 结论

(1)通过分析树袋熊的攀爬步态和关节角度，获得树袋熊的攀爬特性，为爬杆机器人的结构设计提供仿生基础；

(2)通过三维建模和仿真分析，获得爬杆机器人上层底板与下层底板在竖直方向的移动距离均为150 mm，爬杆机器人上层底板与下层底板在竖直方向的速度变化范围均为0～20 mm/s，爬杆机器人齿轮与齿条的最大接触力950 N，为后续的结构优化提供参考.