项目名称：新型轮式爬杆机器人
2016年3月29日
摘要：
随着科技的进步，机器人已经日趋广泛应用于工业生产和日常生活中。随着经济的增长，城市化进程的加快，城市中有着大量的如钢索、电线杆等高空杆绳状建筑，如何对这些建筑进行高效安全的维修和清洁已然成为当下的一个重要课题；同时在工业生产中，单纯只能在平面内运动传输也已经无法满足要求，我们需要有着能够在竖直空间方向上移动的机器人加入到工业生产中来，而建立竖直方向的杆轨道，使机器人在杆轨道上运行，就能够简单直接地解决这个问题。
基于此，本文主要提出一种既能陆地行走又能以长杆作为轨道行进的机
器人。这种机器人是具有稳定的地面运行能力和可靠爬杆能力的运动装置。该装置可以迅速从地面运行状态转换为爬杆状态。其中最具特色的设计是该装置在爬杆过程中的重心并不与杆的几何中心线重合；与此同时行进方式也是与传统的爬杆装置的蠕动式不同，此装置采用同地面运行相似的轮式行进，这样就有效提高了爬杆的速度，使得该装置在运行过程中有着绝对的时间效率优势。
关键词：爬杆机器人轮式行进
As the development of technology is speeding up, robots have been broadly applied in not only industrial manufacturing but also daily life. There are a number of cable wires and telegraph poles in the cities due to the growth of economic and the acceleration of urbanization. How to carry out overhead work effectively and safely is becoming a current issue. As a result, robots which are capable of moving towards perpendicular direction are severely in need for industrial manufacturing.
Based on the above background, this article is going to provide a solution
conceiving a robot with the ability to move both on the plat ground and on the pole vertically. The robot can quickly converts from horizontal motion to vertical motion climbing the pole. What make the robot unique are summed up to two points below: a. The center of gravity of the robot does not overlap with the geometric center line of the pole during the climbing; b. This robot is moving on wheels just like on the ground, climbing faster than those traditional crawling robots.
Keywords: climbing poles, robot, traveling wheel.
目录
第一章绪论............................................................................................................ 5
1.1 研究背景........................................................................................................ 5
1.2 研究现状........................................................................................................ 5
1.3小结 ................................................................................................................. 6
第二章轮式爬杆机器人的关键问题和解决方案................................................ 6
2.1 抱紧力 ............................................................................................................ 6
2.2 摩擦力 ............................................................................................................ 6
2.3 平衡性 ............................................................................................................ 6
2.4 结构强度 ........................................................................................................ 6
第三章新型轮式爬杆机器人的机构设计............................................................ 7
3.1 整体结构 ........................................................................................................ 7
3.2 机构特点 ........................................................................................................ 8
第四章总结和前景展望........................................................................................ 9
4.1项目总结与优势 ............................................................................................. 9
4.2应用前景展望 ................................................................................................. 9
参考文献.............................................................................................................. 10
第一章绪论
1.1研究背景
随着现代社会的发展，高空建筑日益增多，使得人们需要在高空工作的
情况也越来越多，例如桥梁维护和路灯检修，而在高空作业时，工作人员常常需要预先进行复杂的安全保护，同时还要求保护具有较高的可靠性，增加了作业成本，留下了安全隐患，不能保证工作效率[1-3]；同时，在工业生产中，单一的平面运输也不能满足现今高效快捷的生产要求。因此，具有攀爬能力的机器人近些年逐渐成为国内外机器人领域的研究热点。
1.2研究现状
爬杆机器人与在地面运行的装置有着很大的不同，因为地面运行可以近
似看作是在一个平面上的运动，而爬杆机器人则是在竖直方向多出了一个方向的运动，在此方向上不仅需要克服摩擦力，同时还需要克服重力。由于杆件形状的特殊性，使得要在杆件上克服重力只能让杆件提供升力[4]。从机器人运动是否连续，可以将现有的攀爬机器人分为连续攀爬式和步进式。其中连续攀爬式的机器人主要是通过轮式行进或者是蛇形盘绕，把摩擦力作为升力，往往运行相对稳定；步进式则运行不如连续攀爬式稳定。
目前，攀爬机器人大多都存在整体质量较重的问题，在动力一定的情况
下，质量过大将导致机器人无法完成攀爬动作，还会出现重心不稳的问题，甚至在攀爬过程中发生倾覆，这对于进行高空作业的攀爬机器人来说是十分危险的，而且现有的机器人大多设计为专门攀爬用，使得这类机器人的应用前景具有相当的局限性。
另一方面，快速、精确地到达作业点是机器人的一大优势，而现有的攀
爬机器人普遍存在攀爬速度较慢的缺陷，部分攀爬速度较快的机器人又在运动的稳定性上有明显缺陷，如何在运行速度和运行平稳之间寻找平衡点是一个重要的课题。
1.3 小结
随着社会的发展，为了解决高空作业和竖直运输的问题，攀爬机器人的
设计改进至关重要。此爬杆机器人在小车的基础，克服了以往爬杆机器人重心无法外悬的问题，通过巧妙的机构使起具有了相对理想的运行速度和运行稳定性。
第二章轮式爬杆机器人的关键问题和解决方案
欲采用轮式爬杆方案需要解决的几大关键问题是：抱紧力、摩擦力、平稳性和结构强度。
2.1 抱紧力
为了产生足够的摩擦力以克服重力，我们需要给抱杆装置提供足够大的抱紧力。拟采用带推杆的气缸作为动力源，通过连杆机构放大，从而产生足够的抱紧力。
2.2 摩擦力
有了足够的抱紧力之后，我们还需要有较大的摩擦系数来产生较大的摩擦力。根据爬杆对象选择合适的与它能产生足够大摩擦系数的材料，我们预设的爬杆对象为PVC材质的杆，通过查阅资料得知，硅胶皮能与PVC材料产生较大的摩擦系数。
2.3 平衡性
由于机器人的重心与所抱的杆体的几何中心并不重合，在爬杆的过程中容易产生不稳定的情况。通过提供足够的抱紧力和选用合适的轮宽，以及设计相应的辅助结构来克服可能产生的不平稳的情况。
2.4结构强度
爬杆机构几乎要承担机器人全部的重量，这对爬杆机构的强度有很高的要求。拟采用支撑架加强的榫接板材结构，通过合理结构布局即可满足要求。
第三章新型轮式爬杆机器人的机构设计
3.1 整体结构
此机器的整体结构主要由路面行走装置、抱杆装置和上爬装置三部分组成。 路面行走装置由两个驱动轮加两个万向轮构成。路面行走阶段，由两个直流电动机提供动力。
抱杆装置由两对三排共六个摩擦轮、推杆和气缸组合而成。每三个摩擦轮成一竖排，安装在摩擦轮机架上，推杆与摩擦轮机架连接，气缸安装在抱杆装置侧板内侧，与推杆连接，通过推杆向摩擦轮架传递推力。侧板与主机架之间采用角铝多层架的方式固定，结构稳定性好。推杆由气缸驱动，可推动摩擦轮机架，使两个摩擦轮机架靠近。在路面行走阶段，两个摩擦轮机架彼此在水平方向相距一定距离，推杆位于原始位置。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。
上爬装置由六个摩擦轮及驱动它们的电动机组成。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。
摩擦轮采用了质量较轻的空心轮，外面在套上一层3M硅胶皮，经实验测得它与PVC材料的柱面之间的摩擦系数高达4.3。摩擦轮与立柱之间的摩擦系数足够大，为克服重力提供了足够的摩擦力，保证了整个机器不会在上爬阶段从杆上滑落；同时空心轮有利于减轻整个机构的重量，更利于攀爬。
机架板全部采用玻璃纤维板，强度足够的同时，质量也相对较轻。板与板之间采用榫接结构，AB胶粘接固定，提供了充足的强度，保证了结构的稳定性。同时在主体底板上还装有一个小轮，起支撑作用，防止机器人在爬升过程中，在前后方向失去平衡。
爬杆部分与车体连接采用层架角铝连接方式，保证了装配精度的同时也保证了连接强度。
3.2机构特点
本机器人和传统的爬杆机器人相比主要有三大优势和创新点：
（1）机器人重心与杆的几何中心不重合；
现有的大多数爬杆机器人都采用机器人重心与杆重合的机构，如蛇形爬杆机器人，通过蠕动上升。当机器人重心与杆的几何中心重合时，
实现爬杆相对简单，
爬杆过程中保持平衡的难度相对较低。而本机器人的创新之处正在于，在使机器人重心与杆的几何中心不重合的前提下实现了稳定爬杆。
（2）采用轮式爬杆机构，爬杆动作平稳，速度更快；
蠕动式爬杆机器人，由于自身上升方式的设计，导致此类机器人上升速度比较缓慢；而本机器人采用轮式机构直接爬杆，上升速度基本上取决于轮子滚动的速度，所以上升速度十分迅速。
（3）能携带一定的重物进行爬杆。
本机器人在选择材料过程中，主要保证两点：足够的强度和相对轻的质量。这两点保证了攀爬过程中机构的稳定性，同时也是本机器人能够实现携带重物进行攀爬的基础。
随着现代社会的发展，人们在高空进行作业的情况也越来越多，如果实采摘、路灯更换、管道检修、军事侦察等。在高空作业时，工作人员的劳动强度大、危险程度高，其人身安全难以得到可靠的保证，同时劳动效率也不高。因此，本爬杆机器人为实现高空作业提供了基础。
第四章总结和前景展望
4.1项目总结与优势
与目前国际上现有的爬杆装置设计方案相比，这款爬杆机器人的优势主要体现在：
一、可以同时在地面和杆件上运行，具有更为广泛的应用前景，同时也具有对不同环境不同情况更好的适应性。
二、对整个装置重心位置没有特别的要求，使得该装置具有可观的装载能力，以及具有继续添加外部设备改造为拥有更多功能的机器人的可能性。
4.2应用前景展望
与大多数现有的爬杆机器人的功能相同，此款爬杆机器人完全具有在杆状物体表面运行的能力，由于其运行方式使得在速度和稳定性两方面得以兼顾。本装
置可以直接作为运输器，在工业生产中进行前往各个方向的运输工作，同时在添加简单的外部设备后也可以改造为高空建筑的清洁机器人或者是检修机器人。长远来看，此装置可以作为很多杆状机器人的原型载体，从而使得在各种杆状物体上的工作都可以通过简单的外部设备添加得以实现，这也符合当今生产中日益重要的柔性生产的根本理念。
参考文献
[1]蔡传武. 爬杆机器人的攀爬控制[D]. 广州：华南理工大学硕士学位，2011.
[2]李楠，纪小刚，徐凯. 一种适应不同导杆直径的多姿态爬杆机器人[J]. 现代制造工程，2011（9）：58-61.
[3]吴伟国，徐峰琳. 空间桁架用双臂手移动机器人设计与仿真分析[J]. 机械设计与制造，2007（3）：110-112.
[4]石先杰，史冬岩，邓波，等. 基于TRIZ 理论的攀爬机器人创新设计[J]. 应用科技，2011，38（3）：61-64.
[5]陈明森. 爬杆机器人运动原理及动力学研究[D]. 武汉理工大学 2009
项目名称：新型轮式爬杆机器人
2016年3月29日
摘要：
随着科技的进步，机器人已经日趋广泛应用于工业生产和日常生活中。随着经济的增长，城市化进程的加快，城市中有着大量的如钢索、电线杆等高空杆绳状建筑，如何对这些建筑进行高效安全的维修和清洁已然成为当下的一个重要课题；同时在工业生产中，单纯只能在平面内运动传输也已经无法满足要求，我们需要有着能够在竖直空间方向上移动的机器人加入到工业生产中来，而建立竖直方向的杆轨道，使机器人在杆轨道上运行，就能够简单直接地解决这个问题。
基于此，本文主要提出一种既能陆地行走又能以长杆作为轨道行进的机
器人。这种机器人是具有稳定的地面运行能力和可靠爬杆能力的运动装置。该装置可以迅速从地面运行状态转换为爬杆状态。其中最具特色的设计是该装置在爬杆过程中的重心并不与杆的几何中心线重合；与此同时行进方式也是与传统的爬杆装置的蠕动式不同，此装置采用同地面运行相似的轮式行进，这样就有效提高了爬杆的速度，使得该装置在运行过程中有着绝对的时间效率优势。
关键词：爬杆机器人轮式行进
As the development of technology is speeding up, robots have been broadly applied in not only industrial manufacturing but also daily life. There are a number of cable wires and telegraph poles in the cities due to the growth of economic and the acceleration of urbanization. How to carry out overhead work effectively and safely is becoming a current issue. As a result, robots which are capable of moving towards perpendicular direction are severely in need for industrial manufacturing.
Based on the above background, this article is going to provide a solution
conceiving a robot with the ability to move both on the plat ground and on the pole vertically. The robot can quickly converts from horizontal motion to vertical motion climbing the pole. What make the robot unique are summed up to two points below: a. The center of gravity of the robot does not overlap with the geometric center line of the pole during the climbing; b. This robot is moving on wheels just like on the ground, climbing faster than those traditional crawling robots.
Keywords: climbing poles, robot, traveling wheel.
目录
第一章绪论............................................................................................................ 5
1.1 研究背景........................................................................................................ 5
1.2 研究现状........................................................................................................ 5
1.3小结 ................................................................................................................. 6
第二章轮式爬杆机器人的关键问题和解决方案................................................ 6
2.1 抱紧力 ............................................................................................................ 6
2.2 摩擦力 ............................................................................................................ 6
2.3 平衡性 ............................................................................................................ 6
2.4 结构强度 ........................................................................................................ 6
第三章新型轮式爬杆机器人的机构设计............................................................ 7
3.1 整体结构 ........................................................................................................ 7
3.2 机构特点 ........................................................................................................ 8
第四章总结和前景展望........................................................................................ 9
4.1项目总结与优势 ............................................................................................. 9
4.2应用前景展望 ................................................................................................. 9
参考文献.............................................................................................................. 10
第一章绪论
1.1研究背景
随着现代社会的发展，高空建筑日益增多，使得人们需要在高空工作的
情况也越来越多，例如桥梁维护和路灯检修，而在高空作业时，工作人员常常需要预先进行复杂的安全保护，同时还要求保护具有较高的可靠性，增加了作业成本，留下了安全隐患，不能保证工作效率[1-3]；同时，在工业生产中，单一的平面运输也不能满足现今高效快捷的生产要求。因此，具有攀爬能力的机器人近些年逐渐成为国内外机器人领域的研究热点。
1.2研究现状
爬杆机器人与在地面运行的装置有着很大的不同，因为地面运行可以近
似看作是在一个平面上的运动，而爬杆机器人则是在竖直方向多出了一个方向的运动，在此方向上不仅需要克服摩擦力，同时还需要克服重力。由于杆件形状的特殊性，使得要在杆件上克服重力只能让杆件提供升力[4]。从机器人运动是否连续，可以将现有的攀爬机器人分为连续攀爬式和步进式。其中连续攀爬式的机器人主要是通过轮式行进或者是蛇形盘绕，把摩擦力作为升力，往往运行相对稳定；步进式则运行不如连续攀爬式稳定。
目前，攀爬机器人大多都存在整体质量较重的问题，在动力一定的情况
下，质量过大将导致机器人无法完成攀爬动作，还会出现重心不稳的问题，甚至在攀爬过程中发生倾覆，这对于进行高空作业的攀爬机器人来说是十分危险的，而且现有的机器人大多设计为专门攀爬用，使得这类机器人的应用前景具有相当的局限性。
另一方面，快速、精确地到达作业点是机器人的一大优势，而现有的攀
爬机器人普遍存在攀爬速度较慢的缺陷，部分攀爬速度较快的机器人又在运动的稳定性上有明显缺陷，如何在运行速度和运行平稳之间寻找平衡点是一个重要的课题。
1.3 小结
随着社会的发展，为了解决高空作业和竖直运输的问题，攀爬机器人的
设计改进至关重要。此爬杆机器人在小车的基础，克服了以往爬杆机器人重心无法外悬的问题，通过巧妙的机构使起具有了相对理想的运行速度和运行稳定性。
第二章轮式爬杆机器人的关键问题和解决方案
欲采用轮式爬杆方案需要解决的几大关键问题是：抱紧力、摩擦力、平稳性和结构强度。
2.1 抱紧力
为了产生足够的摩擦力以克服重力，我们需要给抱杆装置提供足够大的抱紧力。拟采用带推杆的气缸作为动力源，通过连杆机构放大，从而产生足够的抱紧力。
2.2 摩擦力
有了足够的抱紧力之后，我们还需要有较大的摩擦系数来产生较大的摩擦力。根据爬杆对象选择合适的与它能产生足够大摩擦系数的材料，我们预设的爬杆对象为PVC材质的杆，通过查阅资料得知，硅胶皮能与PVC材料产生较大的摩擦系数。
2.3 平衡性
由于机器人的重心与所抱的杆体的几何中心并不重合，在爬杆的过程中容易产生不稳定的情况。通过提供足够的抱紧力和选用合适的轮宽，以及设计相应的辅助结构来克服可能产生的不平稳的情况。
2.4结构强度
爬杆机构几乎要承担机器人全部的重量，这对爬杆机构的强度有很高的要求。拟采用支撑架加强的榫接板材结构，通过合理结构布局即可满足要求。
第三章新型轮式爬杆机器人的机构设计
3.1 整体结构
此机器的整体结构主要由路面行走装置、抱杆装置和上爬装置三部分组成。 路面行走装置由两个驱动轮加两个万向轮构成。路面行走阶段，由两个直流电动机提供动力。
抱杆装置由两对三排共六个摩擦轮、推杆和气缸组合而成。每三个摩擦轮成一竖排，安装在摩擦轮机架上，推杆与摩擦轮机架连接，气缸安装在抱杆装置侧板内侧，与推杆连接，通过推杆向摩擦轮架传递推力。侧板与主机架之间采用角铝多层架的方式固定，结构稳定性好。推杆由气缸驱动，可推动摩擦轮机架，使两个摩擦轮机架靠近。在路面行走阶段，两个摩擦轮机架彼此在水平方向相距一定距离，推杆位于原始位置。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。
上爬装置由六个摩擦轮及驱动它们的电动机组成。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。
摩擦轮采用了质量较轻的空心轮，外面在套上一层3M硅胶皮，经实验测得它与PVC材料的柱面之间的摩擦系数高达4.3。摩擦轮与立柱之间的摩擦系数足够大，为克服重力提供了足够的摩擦力，保证了整个机器不会在上爬阶段从杆上滑落；同时空心轮有利于减轻整个机构的重量，更利于攀爬。
机架板全部采用玻璃纤维板，强度足够的同时，质量也相对较轻。板与板之间采用榫接结构，AB胶粘接固定，提供了充足的强度，保证了结构的稳定性。同时在主体底板上还装有一个小轮，起支撑作用，防止机器人在爬升过程中，在前后方向失去平衡。
爬杆部分与车体连接采用层架角铝连接方式，保证了装配精度的同时也保证了连接强度。
3.2机构特点
本机器人和传统的爬杆机器人相比主要有三大优势和创新点：
（1）机器人重心与杆的几何中心不重合；
现有的大多数爬杆机器人都采用机器人重心与杆重合的机构，如蛇形爬杆机器人，通过蠕动上升。当机器人重心与杆的几何中心重合时，
实现爬杆相对简单，
爬杆过程中保持平衡的难度相对较低。而本机器人的创新之处正在于，在使机器人重心与杆的几何中心不重合的前提下实现了稳定爬杆。
（2）采用轮式爬杆机构，爬杆动作平稳，速度更快；
蠕动式爬杆机器人，由于自身上升方式的设计，导致此类机器人上升速度比较缓慢；而本机器人采用轮式机构直接爬杆，上升速度基本上取决于轮子滚动的速度，所以上升速度十分迅速。
（3）能携带一定的重物进行爬杆。
本机器人在选择材料过程中，主要保证两点：足够的强度和相对轻的质量。这两点保证了攀爬过程中机构的稳定性，同时也是本机器人能够实现携带重物进行攀爬的基础。
随着现代社会的发展，人们在高空进行作业的情况也越来越多，如果实采摘、路灯更换、管道检修、军事侦察等。在高空作业时，工作人员的劳动强度大、危险程度高，其人身安全难以得到可靠的保证，同时劳动效率也不高。因此，本爬杆机器人为实现高空作业提供了基础。
第四章总结和前景展望
4.1项目总结与优势
与目前国际上现有的爬杆装置设计方案相比，这款爬杆机器人的优势主要体现在：
一、可以同时在地面和杆件上运行，具有更为广泛的应用前景，同时也具有对不同环境不同情况更好的适应性。
二、对整个装置重心位置没有特别的要求，使得该装置具有可观的装载能力，以及具有继续添加外部设备改造为拥有更多功能的机器人的可能性。
4.2应用前景展望
与大多数现有的爬杆机器人的功能相同，此款爬杆机器人完全具有在杆状物体表面运行的能力，由于其运行方式使得在速度和稳定性两方面得以兼顾。本装
置可以直接作为运输器，在工业生产中进行前往各个方向的运输工作，同时在添加简单的外部设备后也可以改造为高空建筑的清洁机器人或者是检修机器人。长远来看，此装置可以作为很多杆状机器人的原型载体，从而使得在各种杆状物体上的工作都可以通过简单的外部设备添加得以实现，这也符合当今生产中日益重要的柔性生产的根本理念。
参考文献
[1]蔡传武. 爬杆机器人的攀爬控制[D]. 广州：华南理工大学硕士学位，2011.
[2]李楠，纪小刚，徐凯. 一种适应不同导杆直径的多姿态爬杆机器人[J]. 现代制造工程，2011（9）：58-61.
[3]吴伟国，徐峰琳. 空间桁架用双臂手移动机器人设计与仿真分析[J]. 机械设计与制造，2007（3）：110-112.
[4]石先杰，史冬岩，邓波，等. 基于TRIZ 理论的攀爬机器人创新设计[J]. 应用科技，2011，38（3）：61-64.
[5]陈明森. 爬杆机器人运动原理及动力学研究[D]. 武汉理工大学 2009