一种步态爬杆机器人的运动分析

孙招阳，安卓，杜伟明，尹建成，赵冉

（上海电机学院 机械学院，上海 200245）

0 引言

目前，机器人已经应用于工业、国防、农业、办公自动化、医疗卫生、家庭服务及社会服务等各个方面，而工业机器人技术是我国高新前沿重要技术之一，在我国城镇化建设高速发展的背景下，各种不同尺寸大小的杆状结构和建筑得到了广泛的应用，诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告立柱、风力发电杆等，需要攀爬此类杆件进行的高空作业有刷油漆，喷涂料，检查、维护电力系统，架设电缆等，欲完成这些工作主要由人工和大型设备配合，所以危险系数较高。

1 现有技术发展

图1

市场上已拥有多种设计成型的攀爬机器人，这些机器人多数采用尺蠖蠕动的形式来实现爬杆动作，如图1（a）至1（c）所示，首先，前爪110 固定，第二关节140 推动后爪120 沿杆100 向上滑动，同时滑竿150 在第二关节140 的带动下穿过第一关节130；然后，第一关节130 推动前爪110 沿杆100 向上滑动，直至前爪110 和后爪120 之间的相对位置恢复初始状态，完成一步行走，以此类推，完成攀爬动作。受这种攀爬动作原理的限制，这种机器人只能够低速攀爬竖直的杆且无法攀爬有一定弧度的杆，此外，仿尺蠖蠕动式攀爬机器人只能在光滑的杆体上进行攀爬，无法跨越障碍物，在实际应用中存在不便。当然，在很多精密仪器领域中，也出现了仿人形的机器人，但其结构非常复杂，而且它们都集中表现出效率低、劳动强度大、耗能高、二次污染严重等的问题。现在市场已有的爬杆设备也大多受到工作条件和能源输送的限制，大大制约了其在社会上的推广和普及应用。

基于此，我们希望通过改变传统爬杆机器图1 的攀爬方式，从根本上来改善其所存在的种种不足。传统的爬杆机器人大都采用仿尺蠖蠕动形式或滚轮驱动式来实现爬杆动作，而我们的研究方案采用的是交替翻转式步态攀爬原理。整台机器分为4 个部分——2 个机械手和2 个连杆。全新的攀爬方式不仅能够使机器人攀爬不同弧度的杆，而且其结构简单，装备容易，操作方便，工作效率高，工作状态稳定，能够使机器人获得快速攀爬以及翻越障碍物的能力。

2 步态爬杆机器人的总体设计

本项目设计了一种靠步态方式攀爬的机器人，如图2所示，这种步态爬杆机器人主要由上夹持手、下夹持手、上腕部转动关节、下腕部转动关节、臂部转动关节组成。

图2

该步态爬杆机器人设计以5 个舵机作为传动与行走的主要动力，其中夹持驱动电机安装在夹持手的夹持手架上。

3 步态行走方式

如图3 所示。第一步：下夹持手松开所爬杆件；第二步：下腕部转动关节逆时针旋转90°；第三步：上腕部关节逆时针转动180°，与此同时，臂部关节顺时针转动90°～145°（臂部关节的转动需与上腕部关节的转动同时开始并同时结束）；第四步：下夹持手夹紧所爬杆件；至此一次迈步（即半个周期行走）完成。第五步：上夹持手松开所爬杆件；第六步：上腕部关节逆时针转动90°；第七步：臂部关节顺时针转动90°～145°（臂部关节的转动需与所述下腕部关节的转动同时开始并同时结束）；第八步：上夹持手夹紧所爬杆件，此时状态与初始状态相同；至此二次迈步（即一个周期行走）完成。然后，重复第一步～第八步，直至机器人到达指定位置。

图3

4 结语

本文提出的装置及运动方式通过改变传统爬杆机器人的攀爬方式，可从根本上改善其所存在的种种不足。采用了交替翻转式步态攀爬原理，整台机器分为4 个部分——2 个机械手和2 个连杆。全新的攀爬方式不仅能够使机器人攀爬不同弧度的杆，而且其结构简单，装备容易，操作方便，工作效率高，工作状态稳定，能够使机器人获得快速攀爬以及翻越障碍物的能力。因此本爬杆运动方式及设备具有较高的推广价值和应用前景。

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