一种气缸反推爬梯子装置

李巧全

摘 要：随着科学技术的快速发展，人们对于机器人的研发越来越深入。目前，许多领域都出现了机器人代劳的场景。该文介绍的是一种气缸反推爬梯子装置，通过控制电磁阀实现气流换向，进而使气缸推动装置在梯子上爬动。经试验验证，该装置可以在梯子上快速爬动。

关键词：爬梯子 反推 气缸爬梯子

中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（c）-0068-01

随着人类对机器人的研发越来越深入，机器人已经成为人们日常生活不可分割的一部分。它们可以代替人在环境恶劣、高危险的地方工作，并能取得可观的效益。比如消防员在了解灾情，营救被困人员时，经常受高空、浓烟等一系列恶劣因素的影响，工作进展缓慢。对此，该文设计了一种快速爬梯子装置，用双作用气缸作为动力源，通过控制电磁阀，实现气流换向，使气缸循环地做伸出、收缩动作，推动装置向上快速移动。

1 设计方案及结构组成

该装置设计的主要立足点在于尽可能减轻机身自重，并能够在梯子上快速地爬动。该装置由机架、自动复位钩子和气缸动力机构三部分组成。气缸动力机构位于机架下方内部。装置在梯子上爬动时，机架直接与横杆接触，气缸动力机构与横杆不接触。下图为实物模型。

1.1 机架

装置在爬行时，对重量有一定的限制，想要携带更重的物体意味着装置本身重量要尽可能轻。对此，在保证装置强度的前提下，与梯子直接接触的两根杆用20×20×1.5的铝方管，上方斜角支架用25×15×1.5的铝合金，其他杆用30×30×1的铝方管。在满足强度要求的前提下，分别在30×30×1和25×25×1.5的铝方管上加工一排?15的减重孔，进一步减轻重量。两根20×20×1.5铝方管的前端加工成30 °的斜面。管与管之间用铝焊连接，其优点是：不会和螺栓连接方式一样产生间隙，影响装置的爬动。

1.2 自动复位钩子

在装置爬行时，不采用机械机构使钩子复位。我们在钩子上加工一个?2.5的孔，装上橡皮筋，将橡皮筋另一端固定在钩子支座的螺栓上（图中为显示出）。在装置静止时，钩子处于图中位置。分析钩子运动状态知，钩子在此位置能顺时针转动，逆时针运动应被限制。对此，我们巧妙地将钩子顶端两直角进行处理：左边直角加工出一个合适的圆角，右边直角保持不变。此时，钩子安装在支座上，钩子转动时支座对右边直角限位，而对左边圆角没有限制，即钩子在此位置能够顺时针转动，收回机身内部，逆时针运动受到限制，保持原状态。

1.3 气缸动力机构

猫用后腿蹬的动作来给爬梯子提供动力，从中得到启发，我们用气缸推动钩子向后伸出的动作来模仿猫的动作。气缸的行程要根据梯子的间距来选择。实验时，我们所用的横杆间距是200 mm，气缸行程是200 mm，前端钩子与后端钩子的最近距离为200 mm。气缸杆在伸缩时会随机转动，对此我们设计了导向机构，所用材料为10×10 mm的碳纤维方管和?8的碳纤维圆管。使用AB胶将碳纤维圆管与固定件粘合在一起。经验证，其强度满足爬行要求。另外，用扎带将缸体的无固定端与上方机架固定，避免缸体向下倾斜干扰装置正常爬行。

2 工作原理

所谓气缸反推爬梯子装置，即是依靠气缸反推提供动力，推动装置爬行。其工作过程如下：

将装置放在梯子上，打开气源，气缸杆带动钩子向后快速伸出，钩子碰到横杆，根据作用力与反作用力原理，装置向前快速移动；在气缸杆完全伸出后，前端钩子碰到下级横杆，并顺时针旋转，收回到机身内部。此时装置具有动能，依靠惯性继续移动，前端钩子最终越过横杆，在橡皮筋作用下复位，钩住横杆。在这个过程中控制电磁阀使气流换向，气缸杆带动后端钩子快速收回，最终装置恢复初始状态。控制电磁阀使气流循环换向，装置即可快速爬上梯子。

3 装置创新点

经试验验证，我们发现该装置的主要特点为：加工制作容易，成本较低，爬行速度快。

本装置的创新点在于气缸的作用方式和钩子的设计，模仿猫的动作，气缸推动装置前行的方式节省掉气缸杆收回过程的时间消耗，使装置爬行更迅速。钩子上的限位处理和橡皮筋的使用看似简单，却巧妙的解决了装置爬行过程所遇到的问题，也不失为亮点之一。

4 结语

该文所设计的方案利用气缸杆反向推出来模仿猫的动作，方便地实现了装置的快速爬动。该设计制作简单，成本较低，其运动达到了设计要求。但该方案还存在一些不足，如不能自由爬下梯子，只能爬上梯子，自带气源太小等问题，这些还有待于进一步的讨论和研究。更进一步的研究方向包括上下均可爬动和提高装置使用范围。总的来说，该装置运动迅速，成本低廉，对进一步研究爬梯子机器人具有一定的价值。

参考文献

[1] 闻邦椿，宋锦春.机械设计手册[M].5版.机械工业出版社，2010.

[2] 刘鸿文.简明材料力学[M].高等教育出版社，2008.

[3] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社，2006.

[4] 徐昭光，欧珠光.理论力学[M].武汉大学出版社，2005.

[5] 李兆铨，周明研.机械制造技术（上册）[M].中国水利水电出版社，2005.endprint

摘 要：随着科学技术的快速发展，人们对于机器人的研发越来越深入。目前，许多领域都出现了机器人代劳的场景。该文介绍的是一种气缸反推爬梯子装置，通过控制电磁阀实现气流换向，进而使气缸推动装置在梯子上爬动。经试验验证，该装置可以在梯子上快速爬动。

关键词：爬梯子 反推 气缸爬梯子

中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（c）-0068-01

随着人类对机器人的研发越来越深入，机器人已经成为人们日常生活不可分割的一部分。它们可以代替人在环境恶劣、高危险的地方工作，并能取得可观的效益。比如消防员在了解灾情，营救被困人员时，经常受高空、浓烟等一系列恶劣因素的影响，工作进展缓慢。对此，该文设计了一种快速爬梯子装置，用双作用气缸作为动力源，通过控制电磁阀，实现气流换向，使气缸循环地做伸出、收缩动作，推动装置向上快速移动。

1 设计方案及结构组成

该装置设计的主要立足点在于尽可能减轻机身自重，并能够在梯子上快速地爬动。该装置由机架、自动复位钩子和气缸动力机构三部分组成。气缸动力机构位于机架下方内部。装置在梯子上爬动时，机架直接与横杆接触，气缸动力机构与横杆不接触。下图为实物模型。

1.1 机架

装置在爬行时，对重量有一定的限制，想要携带更重的物体意味着装置本身重量要尽可能轻。对此，在保证装置强度的前提下，与梯子直接接触的两根杆用20×20×1.5的铝方管，上方斜角支架用25×15×1.5的铝合金，其他杆用30×30×1的铝方管。在满足强度要求的前提下，分别在30×30×1和25×25×1.5的铝方管上加工一排?15的减重孔，进一步减轻重量。两根20×20×1.5铝方管的前端加工成30 °的斜面。管与管之间用铝焊连接，其优点是：不会和螺栓连接方式一样产生间隙，影响装置的爬动。

1.2 自动复位钩子

在装置爬行时，不采用机械机构使钩子复位。我们在钩子上加工一个?2.5的孔，装上橡皮筋，将橡皮筋另一端固定在钩子支座的螺栓上（图中为显示出）。在装置静止时，钩子处于图中位置。分析钩子运动状态知，钩子在此位置能顺时针转动，逆时针运动应被限制。对此，我们巧妙地将钩子顶端两直角进行处理：左边直角加工出一个合适的圆角，右边直角保持不变。此时，钩子安装在支座上，钩子转动时支座对右边直角限位，而对左边圆角没有限制，即钩子在此位置能够顺时针转动，收回机身内部，逆时针运动受到限制，保持原状态。

1.3 气缸动力机构

猫用后腿蹬的动作来给爬梯子提供动力，从中得到启发，我们用气缸推动钩子向后伸出的动作来模仿猫的动作。气缸的行程要根据梯子的间距来选择。实验时，我们所用的横杆间距是200 mm，气缸行程是200 mm，前端钩子与后端钩子的最近距离为200 mm。气缸杆在伸缩时会随机转动，对此我们设计了导向机构，所用材料为10×10 mm的碳纤维方管和?8的碳纤维圆管。使用AB胶将碳纤维圆管与固定件粘合在一起。经验证，其强度满足爬行要求。另外，用扎带将缸体的无固定端与上方机架固定，避免缸体向下倾斜干扰装置正常爬行。

2 工作原理

所谓气缸反推爬梯子装置，即是依靠气缸反推提供动力，推动装置爬行。其工作过程如下：

将装置放在梯子上，打开气源，气缸杆带动钩子向后快速伸出，钩子碰到横杆，根据作用力与反作用力原理，装置向前快速移动；在气缸杆完全伸出后，前端钩子碰到下级横杆，并顺时针旋转，收回到机身内部。此时装置具有动能，依靠惯性继续移动，前端钩子最终越过横杆，在橡皮筋作用下复位，钩住横杆。在这个过程中控制电磁阀使气流换向，气缸杆带动后端钩子快速收回，最终装置恢复初始状态。控制电磁阀使气流循环换向，装置即可快速爬上梯子。

3 装置创新点

经试验验证，我们发现该装置的主要特点为：加工制作容易，成本较低，爬行速度快。

本装置的创新点在于气缸的作用方式和钩子的设计，模仿猫的动作，气缸推动装置前行的方式节省掉气缸杆收回过程的时间消耗，使装置爬行更迅速。钩子上的限位处理和橡皮筋的使用看似简单，却巧妙的解决了装置爬行过程所遇到的问题，也不失为亮点之一。

4 结语

该文所设计的方案利用气缸杆反向推出来模仿猫的动作，方便地实现了装置的快速爬动。该设计制作简单，成本较低，其运动达到了设计要求。但该方案还存在一些不足，如不能自由爬下梯子，只能爬上梯子，自带气源太小等问题，这些还有待于进一步的讨论和研究。更进一步的研究方向包括上下均可爬动和提高装置使用范围。总的来说，该装置运动迅速，成本低廉，对进一步研究爬梯子机器人具有一定的价值。

参考文献

[1] 闻邦椿，宋锦春.机械设计手册[M].5版.机械工业出版社，2010.

[2] 刘鸿文.简明材料力学[M].高等教育出版社，2008.

[3] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社，2006.

[4] 徐昭光，欧珠光.理论力学[M].武汉大学出版社，2005.

[5] 李兆铨，周明研.机械制造技术（上册）[M].中国水利水电出版社，2005.endprint

摘 要：随着科学技术的快速发展，人们对于机器人的研发越来越深入。目前，许多领域都出现了机器人代劳的场景。该文介绍的是一种气缸反推爬梯子装置，通过控制电磁阀实现气流换向，进而使气缸推动装置在梯子上爬动。经试验验证，该装置可以在梯子上快速爬动。

关键词：爬梯子 反推 气缸爬梯子

中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（c）-0068-01

随着人类对机器人的研发越来越深入，机器人已经成为人们日常生活不可分割的一部分。它们可以代替人在环境恶劣、高危险的地方工作，并能取得可观的效益。比如消防员在了解灾情，营救被困人员时，经常受高空、浓烟等一系列恶劣因素的影响，工作进展缓慢。对此，该文设计了一种快速爬梯子装置，用双作用气缸作为动力源，通过控制电磁阀，实现气流换向，使气缸循环地做伸出、收缩动作，推动装置向上快速移动。

1 设计方案及结构组成

该装置设计的主要立足点在于尽可能减轻机身自重，并能够在梯子上快速地爬动。该装置由机架、自动复位钩子和气缸动力机构三部分组成。气缸动力机构位于机架下方内部。装置在梯子上爬动时，机架直接与横杆接触，气缸动力机构与横杆不接触。下图为实物模型。

1.1 机架

装置在爬行时，对重量有一定的限制，想要携带更重的物体意味着装置本身重量要尽可能轻。对此，在保证装置强度的前提下，与梯子直接接触的两根杆用20×20×1.5的铝方管，上方斜角支架用25×15×1.5的铝合金，其他杆用30×30×1的铝方管。在满足强度要求的前提下，分别在30×30×1和25×25×1.5的铝方管上加工一排?15的减重孔，进一步减轻重量。两根20×20×1.5铝方管的前端加工成30 °的斜面。管与管之间用铝焊连接，其优点是：不会和螺栓连接方式一样产生间隙，影响装置的爬动。

1.2 自动复位钩子

在装置爬行时，不采用机械机构使钩子复位。我们在钩子上加工一个?2.5的孔，装上橡皮筋，将橡皮筋另一端固定在钩子支座的螺栓上（图中为显示出）。在装置静止时，钩子处于图中位置。分析钩子运动状态知，钩子在此位置能顺时针转动，逆时针运动应被限制。对此，我们巧妙地将钩子顶端两直角进行处理：左边直角加工出一个合适的圆角，右边直角保持不变。此时，钩子安装在支座上，钩子转动时支座对右边直角限位，而对左边圆角没有限制，即钩子在此位置能够顺时针转动，收回机身内部，逆时针运动受到限制，保持原状态。

1.3 气缸动力机构

猫用后腿蹬的动作来给爬梯子提供动力，从中得到启发，我们用气缸推动钩子向后伸出的动作来模仿猫的动作。气缸的行程要根据梯子的间距来选择。实验时，我们所用的横杆间距是200 mm，气缸行程是200 mm，前端钩子与后端钩子的最近距离为200 mm。气缸杆在伸缩时会随机转动，对此我们设计了导向机构，所用材料为10×10 mm的碳纤维方管和?8的碳纤维圆管。使用AB胶将碳纤维圆管与固定件粘合在一起。经验证，其强度满足爬行要求。另外，用扎带将缸体的无固定端与上方机架固定，避免缸体向下倾斜干扰装置正常爬行。

2 工作原理

所谓气缸反推爬梯子装置，即是依靠气缸反推提供动力，推动装置爬行。其工作过程如下：

将装置放在梯子上，打开气源，气缸杆带动钩子向后快速伸出，钩子碰到横杆，根据作用力与反作用力原理，装置向前快速移动；在气缸杆完全伸出后，前端钩子碰到下级横杆，并顺时针旋转，收回到机身内部。此时装置具有动能，依靠惯性继续移动，前端钩子最终越过横杆，在橡皮筋作用下复位，钩住横杆。在这个过程中控制电磁阀使气流换向，气缸杆带动后端钩子快速收回，最终装置恢复初始状态。控制电磁阀使气流循环换向，装置即可快速爬上梯子。

3 装置创新点

经试验验证，我们发现该装置的主要特点为：加工制作容易，成本较低，爬行速度快。

本装置的创新点在于气缸的作用方式和钩子的设计，模仿猫的动作，气缸推动装置前行的方式节省掉气缸杆收回过程的时间消耗，使装置爬行更迅速。钩子上的限位处理和橡皮筋的使用看似简单，却巧妙的解决了装置爬行过程所遇到的问题，也不失为亮点之一。

4 结语

该文所设计的方案利用气缸杆反向推出来模仿猫的动作，方便地实现了装置的快速爬动。该设计制作简单，成本较低，其运动达到了设计要求。但该方案还存在一些不足，如不能自由爬下梯子，只能爬上梯子，自带气源太小等问题，这些还有待于进一步的讨论和研究。更进一步的研究方向包括上下均可爬动和提高装置使用范围。总的来说，该装置运动迅速，成本低廉，对进一步研究爬梯子机器人具有一定的价值。

参考文献

[1] 闻邦椿，宋锦春.机械设计手册[M].5版.机械工业出版社，2010.

[2] 刘鸿文.简明材料力学[M].高等教育出版社，2008.

[3] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社，2006.

[4] 徐昭光，欧珠光.理论力学[M].武汉大学出版社，2005.

[5] 李兆铨，周明研.机械制造技术（上册）[M].中国水利水电出版社，2005.endprint