毕业设计论文和开题报告任务书1郑浩

1、毕业设计（论文）任务书题目：无线遥控爬杆器的设计学生姓名 郑 浩 学院名称 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化学 号 3008201091 指导教师 车建明 职 称 副教授 一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。）爬杆器（或爬杆机器人）多用于替代人工进行高空作业。本设计课题针对直立电线杆，设计一台既可作沿杆轴线方向的直线动，又可作围绕杆轴线的旋转运动的爬竿机器，用来清洗、喷涂或安装杆上部件。该爬杆器由人工手动安装在电线杆底部，其操作结构和方法要直观易于理解，且操作简单安装方便。在结构方面要尽量简便以利于制造和降低制造成本。爬杆器向上升时，采取干电池和

2、有线电缆方式，爬升到理想高度（12m）时，有线电缆可自由脱离爬杆器。爬杆器应设计有旋转平台能够水平旋转。爬杆器上升或下降均应平稳、安全，应适应具有一定锥度的电线杆。二、参考文献1张策. 机械原理与机械设计M. 北京：机械工业出版社，20102成大先. 机械设计手册M. 北京：化学工业出版社，20033Dennis Clark, Mocharl Owings. Building robot drive trains M. 北京：科学技术出版社，20044宗光华. 机器人的创意设计与实践M. 北京：北京航空航天大学出版社，20045费仁元，张惠惠. 机械人机械设计和分析M. 北京：北京工业大学出版

3、社，19986吴宗泽. 机械设计禁忌1000例M. 北京：机械工业出版社，20117方建军. 智能机械人M. 北京：化学工业出版社，20048赵松年. 机电一体化系统设计M. 北京：机械工业出版社，20049黄真. 空间机构学M. 北京：机械工业出版社，199110徐元昌. 机电系统设计M. 北京：化学工业出版社，2005三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。）1、设计内容本设计主要进行爬杆器的方案与机械结构设计，包括爬杆器的行走方案与结构设计、水平旋转平台方案与结构设计、动力及传动系统方案与结构设计、便捷安装结构设计等。2、主要

4、指标与技术参数爬杆直径 10cmd35cm ；爬杆高度 h15m； 爬杆速度 v15m/s；水平旋转范围：180°旋转角度360°； 最小负重 6kg； 可以在电线杆上悬停，悬停时间5小时；爬杆器成品的直径60cm。3、具体要求完成不少于2000字开题报告；设计并绘制爬杆器装配图和主要零件图（累计3张零号图）；编写设计说明书20000字以上；翻译外文资料；参考文献15篇以上。指导教师（签字）年 月 日审题小组组长（签字）年 月 日天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称无线遥控爬杆器学院名称机械学院专业名称机械设计制造及其自动化学生姓名郑浩指导教师车建明（内容包括：课

5、题的来源及意义，国内外发展状况，本课题的研究目标、研究内容、研究方法、研究手段和进度安排，实验方案的可行性分析和已具备的实验条件以及主要参考文献等。）1. 课题的来源及意义目前全国日益加快的现代化建设步伐，并且随着我国国名经济的飞速增长、人民生活水平日益提高，城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等，它们通常530米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃钢结构等，但是同时也产生了许许多多的问题，比如由于电杆或线杆常年裸露在大气中，长年累月会形成灰尘层，缩短它们的使用寿命，需要定期进行维护工作。这是就存在着

6、许多高空作业诸如：各种杆状城市建筑的油漆、喷涂料、检查、维护等工作主要由人工和大型设备来完成，但它们都集中表现出效率低、劳动强度大、耗能高等问题。随着机器人技术的出现和发展以及人们自我安全保护意思的增强，迫切希望能用机器人代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。因此研制出一套高效可靠的爬杆机器人以替代人工进行高空作业将是很有意义的，必具有良好的经济效益和社会效益。2. 国内外发展状况2.1 爬杆机器人的分类爬杆机器人的种类多种多样。按仿生学角度来分爬杆机器人可分为：螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、足蠖式爬行机器人等。按驱动方式来分可分为：气

7、动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等。按行走方式可分为：轮式、履带式、蠕动式、多足式等。按工作空间来分可分为：管道爬行机器人、壁面爬行机器人、球面爬行机器人、陆地移动爬行机器人、水下机器人、空间机器人等。按功能用途来分可分为：焊弧爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、巡线爬行机器人等。根据不同的驱动方式和功能等可以设计不同结构和用途的爬行机器人，如气动爬行机器人，电磁吸附多足式爬行机器人、电驱动壁面焊弧爬行机器人等。2.2 国内外爬杆机器人发展现状爬杆机器人是机器人大家族的一员，爬杆机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件

8、下的作业，区别于平面移动机器人，故爬杆机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。爬杆机器人与一般地面移动机构的最明显不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业。目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人等。（1）气动蠕动式爬杆机器人上海交通大学机器人研究所研制的气动蠕动式爬杆机器人，如图1所示，可在各种斜度的斜拉桥缆索上爬行，能完成斜拉锁的检测、清洗、喷涂油漆等工作。图1 气动蠕动式爬杆机器人气动蠕动式爬缆机器人运动中至少保证上下两组夹

9、紧爪中有一组夹紧于缆索上。爬杆机构向上爬升时,首先下体夹紧爪夹紧于缆索上,上体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆伸出,上体向上运动；然后上体夹紧爪夹紧,下体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆缩回,下体向上运动；重复以上运动，机器人实现不断向上爬行。改变气缸动作顺序,爬杆机构则可以完成下降功能。对于气动蠕动式爬缆机器人，其上升和下降运动由气压控制，需要气源和气动控制系统，设备成本较高。（2）摩擦轮式爬杆机器人国防科技大学设计的摩擦轮式爬杆机器人如图2所示。机器人框架上下边框上沿圆周均匀安装三套主动爬行机构，相互夹角120等间距布置，构成两个各包含三套主动爬行机构且上下平行的驱动截面，使牵引力分散产生，增强行走时

10、的自定心功能，有利于稳定检测。1-缆索； 2-主动爬行机构； 3-机器人框架图2 摩擦轮式爬杆机器人此类爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。（3）钢球自锁式爬杆机器人吉林大学机械学院基于钢球自锁装置设计的爬杆机器人如图3所示。图3 钢球自锁式爬杆机器人构造及爬行步态该机器人结构简单，主体部分仅为曲柄连杆和钢球自锁装置，曲柄每转一圈机器人整体向上爬行一次，重复状态1至5就可以实现机器人不断向上爬行。缺点是钢球自锁机构束缚机器人只能向一个方向爬行，影响了实用性。（4）气动爬杆机器人浙

11、江大学陈俊龙教授设计的气动爬杆机器人，如图4所示。 图4 气动爬杆机器人其结构是:在上部（10）和底部（1）上，各装有一对套在直杆上的爪子（机器人可在地面上方便地作水平移动，使两爪轻套在杆子上），每对爪子由固定爪和活动爪组成，固定爪（13）和（15）分别固定安装在上部（10）和底部（1）上，而球头活塞杆（7）的球头则安装在上部（10）上。当上夹气缸（11）松开，下夹气缸（16）夹紧时，升降气缸（6）下腔进气，上腔排气，则活塞和球头活塞杆（7）推动上部（10）沿着导柱（8）向上移动，到达行程终了位置时，上夹气缸（11）夹紧，然后下夹气缸（16）松开，即上爪紧，下爪松，与此同时，升降气缸（6）上腔

12、进气，下腔排气，从而使升降气缸的缸体连同安装的地步（1）一起沿着导柱（8）上升到与上部（10）相合止，至此，完成了攀升的一个循环。这样，机器人一步一步往上攀升。（5）攀爬机器人国外有代表性的有宾夕法尼亚州大学研制的Rise系列攀爬机器人。该机器人是一款四足机器人，除了能够在地面上奔跑外，还能够爬树，其脚部位置使用了外科手术针作为材料，这样就可以在垂直物体上进行移动国内比较典型的有吉林大学机械学院研究开发的仿尺蠖步态的爬杆机器人。该机器人主要由头部、尾部与躯干3部分组成，其中头部和尾部分别为一套单向自锁机构，躯干则为曲柄摇杆机构，作为整个机器人的动力源，通过各个部分的协调配合来完成爬杆机器人的伸

13、缩，进而实现爬杆机器人的爬杆动作。上海交通大学研发了一种新型的、在垂直外攀爬方面有较大优势的攀爬蛇形机器人。该机器采用一种具有万向节功能的PR(pitch-roll)模块，使得该蛇形机器人能够轻松和灵活地附着于攀爬对象外壁。（6）仿蜘蛛的爬杆微机器人德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬杆微机器人，这类机器人有4、6、8只脚三种类型，可在各种类型的管内移动，其运动原理是利用腿推压杆来获得驱动力，多腿可以很方便地在各种形状的杆上移动作业，但其控制较复杂。3. 本课题的研究目标通过对路灯杆等各种杆状的测量和考察，提出爬杆机器人的设计方案并设计制造出满足条件的爬杆机器人。通过对爬杆机器人的结构设计以实现其能

14、在各种杆上多自由度的移动或转动，从而实现爬杆机器人在高空作业的技术性，以代替人类进行高空危险作业，满足人们要求。4. 本课题的研究内容本课题的研究内容主要是进行爬杆机器人的方案和机械结构设计，其中包括爬杆机器人的行走方案与结构设计、水平旋转方案与结构设计、动力及传动系统方案与结构设计、便捷安装结构设计等。5. 本课题的研究方法和研究手段根据空间机构学原理设计、机械原理与机械设计、机电系统设计和机器人机械系统设计等原理进行设计分析，完成相关任务。6. 进度安排2012.02.272012.03.09:阅读相关资料，书写开题报告。2012.03.102012.03.12:翻译外文资料。2012.0

15、3.132012.04.11:参考相关资料，完成爬杆器主框架和摆臂的零件图。2012.04.122012.05.01:完成爬杆器旋转轴的零件图，并完成装配图。2012.05.022012.06.01:进行校核，完善零件图和装配图，完成设计说明书。2012.06.022012.06.08:整理设计说明书，准备答辩。7. 方案的可行性分析和已具备的条件爬杆机器人的高效性和安全性使得人们迫切希望其替代人工高空操作带来多方面的好处，就此国内外也已经有了很多相关方面的研究，如上海交通大学设计的气动蠕动式爬杆机器人，国防科技大学设计的摩擦轮式爬杆机器人和宾夕法尼亚州大学研制的Rise系列攀爬机器人等等。通

16、过大学中对机械原理与机械设计的学习，以及机械制造技术基础和控制工程基础等学科的实习，再者在科研团队老师的指导下，我相信自己能完成此课题。采取的方案实施路线：首先对比选择爬杆机器人的类型和其参数的选择，如自由度的选择、驱动方式的选择等；其次进行爬杆机器人主框架的设计，再者进行爬杆机器人摆臂和旋转轴的设计，最后完成其装配图。8. 主要参考文献1费仁元，张惠惠.机械人机械设计和分析M. 北京：北京工业大学出版社，1998.2方建军. 智能机械人M. 北京：化学工业出版社，2004.3赵松年. 机电一体化系统设计M. 北京：机械工业出版社，2004.4黄真. 空间机构学M. 北京：机械工业出版社，19

17、91.5徐元昌. 机电系统设计M. 北京：化学工业出版社，2005.6Dennis Clark, Mocharl Owings. Building robot drive trains M. 北京：科学技术出版社，2004.7张海洪，龚振邦. 壁面自动清洗机器人清洗工艺分析J.机电一体化，2001.8蒋新松. 机器人学导论M.辽宁：辽宁科学技术出版社，1994.9宗光华. 机器人的创意设计与实践M. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.10吴宗泽. 机械设计禁忌1000例M. 北京：机械工业出版社，2011.11朱世强，王宣银.机器人技术及其应用.浙江大学出版社，2001.12赵兴飞，周忆

18、，石崇辉.气驱爬壁机器人设计与计算J.机床与液压，2003.13杨存智.爬杆机器人的研制J.机电一体化，2003.14于复生，沈孝芹.一种气动爬杆机器人P.中国专利，206620088771.1.15Elkm ann NeFelsch T.Modular Climbing Robot for Service Sector ApplicationsJ.Industrial Robot,1991,K26(6)：460-465.选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能指导教师（签字）年 月 日选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能审题小组组长（签字）年 月 日摘 要 随着科学的发展和科

19、技的进步，机器人越来越成为人们生活中不可或缺的一部分，而本次毕业设计我们主要研究了机器人家族中的爬杆机器人，希望能创造出一种既简单又实用的爬杆机器人以满足人们相应的需要。本论文首先主要介绍了爬杆机器人的相关背景、目前国内外某些爬杆机器人的发展状况和相应存在的一些问题，其次对爬杆机器人方案的选择进行了相应的比较和分析，之后进入机器人的实体设计阶段。 其次，论文的重点主要是对爬杆机器人进行相应的设计，其中包括爬杆机器人摆臂的设计，主框架的设计和旋转轴的设计等等，同时对驱动方案的选择也做了相应的分析和比较。 最后，对本次设计进行了总结和展望。关键词：爬杆机器人；设计；驱动方案ABSTRACT Wit

20、h the development of science and technology advances, the robot has increasingly become an integral part of peoples lives, in this graduation project, we study the pole climbing robot in the Robot family, hopes to create both simple and practical climbing pole robots to meet the corresponding needs.

21、 Firstly, this paper introduces the background of the climbing pole robot in our own country and abroad some thing of the robots climbing pole position and the corresponding number of problems, followed by the choice of climbing pole robot program comparison and analysis, after entering the robots p

22、hysical design stage. Secondly, the paper focuses mainly on the corresponding design of the robot climbing pole, including the robot arm of the climbing pole design, the design of the main frame and the design of the rotation axis, and drive program selection made the corresponding analysis and comp

23、arison. Finally, I have a summary and outlook on the design.Key words: climbing pole robot; design; driven program目 录 第一章 绪论 1.1 背景 1.2 国内外发展现状及其存在的问题第一章 绪论1.1 背景“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化”。这是宋健院士对机器人在上个世纪所取得的成就的精辟概括。同时机器人技术也是20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。走向成熟的工业机器人，各种用途的特

24、种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。所以我们必须走进它，了解它。近年来，在我国大学，机器人作为机械电子学、计算机技术、人工智能等的典型载体被广泛地用来作为工科本科生的讲授课程之一；在中学，模型机器人则逐渐成为素质教育，技能实践的选题之一，各种机器人比赛正方兴未艾。进入21世纪，人们也愈来愈亲身感受到机器人深入产业、深入生活、深入社会的坚实步伐。这些都说明了机器人技术离我们越来越近了。但大家是否可以给耳熟能详的机器人一个准确的定义呢？有人认为机器人无所不能，有人认为机器人必须像人。那么，何为机器人？虽然很难给机器人下准确的定义，但是通常的理解就是：机器人是一种在计算机控制下的可编程的自

25、动机器，根据所处的环境和作业的需要，它具有至少一项或多项拟人功能，如抓取功能或移动功能，或两者兼而有之，另外还可能程度不等地具有某些环境感知功能（如视觉、力觉、触觉、接近觉等）以及语音功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在要求的环境中代替人进行作业。如今进入二十一世纪，随着科技的迅速发展，现代化进程的日益加快，机器人的创新与研究越来越成为一个国家科技力量的具体体现，越来越多的机器人已成为各个领域重要的组成部分，因此机器人的发展也日益成熟，为人们的生活提供了更多的方便与快捷。在世界经济快速发展的前提下，我国国民经济也有着飞速的增长，人民生活水平日益提高，伴随着城市和乡村矗立起无数的高层建

26、筑和无数的高高的杆类，如电线杆、路灯杆等等。这些杆类长年累月的暴露在空气中，很容易受到腐蚀和污染，不仅影响着城市的美观，而且缩短了它们的寿命，也大大提高的它的危险性，对人们造成诸多不便与危险。然而，如果人工的对这些杆类进行清洗与保养，由于其条件所致，势必需要清洗工人高空作业完成，这样不仅工作效率低下，耗资巨大，而且安全系数低，很容易造成危险。如果采取高压水枪清洗，则太浪费人力物力，得不偿失了。这时，人们通过设想，能不能设计一种机器人，使得它能够代替人类进行对杆类的清洗或进行相关工作，用这些机器人代替人工进行高空危险作业，从而把工人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来，不仅提高的工作效率，同时

27、也保护了工人的生命安全。因此，我们需要设计一种爬杆机器人，使得它代替工人进行高空作业，改善工人的工作环境，提高工作效率，大大降低高层杆状的清洗成本，或许将带来清洗业的一次创新与革命。这种机器人的研制必将有很大的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。本课题旨在设计一种新型的、结构简单、经济适用、价格便宜、操作简便的使用与路灯杆等杆类的可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人，以解决当前城镇中存在的杆状清洗等问题。该机构要保证良好的运行效果，低耗能高效率，绿色环保，节省人力物力。1.2 国内外发展现状及其存在的问题 爬杆机器人的分类爬杆机器人的种类多种多样。按仿生学角度来分爬杆机器人可分为：螳螂式爬行机器人

28、、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、足蠖式爬行机器人等。按驱动方式来分可分为：气动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等。按行走方式可分为：轮式、履带式、蠕动式、多足式等。按工作空间来分可分为：管道爬行机器人、壁面爬行机器人、球面爬行机器人、陆地移动爬行机器人、水下机器人、空间机器人等。按功能用途来分可分为：焊弧爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、巡线爬行机器人等。根据不同的驱动方式和功能等可以设计不同结构和用途的爬行机器人，如气动爬行机器人，电磁吸附多足式爬行机器人、电驱动壁面焊弧爬行机器人等。 发展现状爬杆机器人是机器人大家族的一员，爬杆机器人因为需要克服重力

29、的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业，区别于平面移动机器人，故爬杆机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。爬杆机器人并不少见，但是通常来说，这类机器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。更主要的是，平常的机器人，因为体积或行动方式的影响，不能到一些特殊的地方进行工作，比如说管道，壁面等等特种用途的领域。爬升机器人与一般地面移动机构的最明显不同是需克服重力的作用可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业。最早开始研究且研究最多的是帕比机器人，适于高层建筑、水里发电大坝等垂直壁面和大球形表

30、面上的危险作业。对于管道外壁表面，已有车轮移动形、姿态可变形、尺蠖形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵引力较小。国内外的学者很早就对爬杆机器人进行研究工作，获得了丰硕的成果。目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要由电动机械式爬杆机器人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人等等。电动机械式爬杆机器人是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬杆机器人沿杆体上升下降。螺旋运动爬杆机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定角度，这样轮子转动时它在杆体上形成的是螺旋轨迹

31、，沿此轨迹通过电动机的正反转该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行是气缸动作一个周期的过程为下部气缸夹紧，上部气缸松开，提升气缸活塞杆伸出，上部上升；上部气缸夹紧，下部气缸松开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，因此其设备成本较高。国外有代表性的有东京

32、大学研制的关节型行走机器人，宾夕法尼亚州大学研制的Rise系列攀爬机器人，德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬杆微机器人。国内比较典型的有上海交通大学研究所研发的一种斜拉桥缆索涂装维护用气动蠕动式爬缆机器人，国防科技大学设计的摩擦轮式爬杆机器人，吉林大学机械学院基于钢球自锁装置设计的爬杆机器人，浙江大学陈俊龙教授设计的气动爬杆机器人等。 目前存在的问题由上面叙述及调研知目前国内外所设计制造的各种电机机械式爬杆器有一个缺陷：它们大多只能依靠气动蠕行式爬杆器来解决变直径杆的爬行，其上升和下降由气压控制，还需要气动控制系统，因此其设备成本和维护费用较高。因此，有必要设计一种利用简单的机械结构来替代繁琐的气

33、动设备实现变直径杆的攀爬，同时在爬行过程中可携带其他清洁能源实现对路灯杆等杆状城市建筑的清洗作业的设备。1.3 仿生机器人概述 生物在经历了千百万年的进化之后，由于遗传和变异的原因，已经形成了从执行、感知、控制方式，一直到信息加工处理、组织方式等诸多方面的优势和长处。仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于，生物经过了长期的自然选择进化而来，在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等方面具有高度的合理性、科学性和进步性。而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能型的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力。 “模仿生物的

34、身体结构和功能，从事生物特点工作的仿生机器人，有望代替传统的工业机器人，成为未来机器人领域的发展方向。”2004年8月在沈阳举行的“2004IEEE机器人学与仿生学国际学术会议”上，与会的机器人学专家这样表示。 日本东京工业大学教授广濑茂男曾获得IEEE颁发的领先成就奖，是世界机器人研究领域的权威科学家。在他看来，模仿生物活动机能和身体结构的仿生机器人，应当是机器人研究领域未来的发展方向。他说，很多生物为了生存，在进化过程中具备适应大自然的独特功能，科学界在机器人的发明制造上，就应当借鉴一些生物的独特本领为人类服务。所以，仿生机器人必将是超出人类一般需求之前探索的一门真正的前沿科学。仿生机器人

35、是机器人发展的最高阶段，它既是机器人研究的最初目的，也是机器人发展的最终目标之一。仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。从仿生学的角度来看，仿生机器人是仿生学技术的完美综合与全面应用。从本质上来讲，所谓“仿生机器人”就是指利用各种光、机、电、液等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未来的非结构化环境下精确的、灵活的、可靠的、高效的完成各种复杂任务的机器人系统。按照所模仿的运动机理、感知机理、控制机理及能量代谢和材料组成的不同，划分仿生机器人的主

36、要研究内容如图2-1所示。其中运动仿生下的划分也可看作基于不同运动机理的仿生机器人分类。仿生机器人运动仿生位移运动仿生陆地生物运动仿生水中生物运动仿生空中生物仿生执行运动仿生如仿生手等感知仿生听觉仿生视觉仿生嗅觉仿生其他感知仿生仿生耳仿生眼仿生鼻控制仿生定向导航仿生计算推理仿生群体控制仿生如仿蜜蜂定位等如神经网络等如蚁群通信控制仿真等能量仿生如分解碳水化合物驱动等材料仿生如仿生皮肤等图1-3 仿生机器人的主要研究内容及分类第二章 爬杆机器人方案选择2.1 总体方案分析欲使机器人在杆上自由地移动，必须具备两种功能：贴附功能与移动功能。贴附方式有吸附式和夹持式两种，运动方式有轮式、履带式、腿式及蠕

37、动式四种。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格的机器人。吸附式是通过面接触方式紧贴于壁面上，夹持式是靠点夹紧在杆上。吸附式又有真空吸附和电磁吸附之分，其中真空吸附式用得比较多，因为它对壁面的要求不十分严格；电磁吸附承载能力大，有很强的适应能力，但其应用范围窄，需要杆件壁面含有电磁场可吸附的含铁、钴、镍等材料。各种贴附方式的优缺点和比较如表2-1所示。表2-1 爬杆机器人贴附方案的比较贴附方式概要特点夹持式机械手由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在干提上能适应任何壁面吸附式真空吸附真 空泵设置许多吸盘，由真空泵装置产生吸附力，使机器人吸附在壁面可实现小型、轻量化，无需附加供气装置，但要求壁

38、面有一定平滑度喷射器在本体上安装喷嘴，由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，其周围形成真空，吸附在避免上能效低、噪音大，且需要供气装置，但可以达到高真空度，对壁面适应性强电磁吸附永磁体由永磁体产生吸附力，吸在壁面上吸附时不需外部能量，但只适用于导磁性壁面的吸附电磁铁电磁铁通电将其吸附在避免上吸附时需要电能，也只适用于导磁性壁面的吸附在设计移动机器人系统时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。此外，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。作为杆件爬行机器人，根据现有的技术方案，有很多种移动方式可供选择。各种移动方案的比较见

39、表2-2所示。表2-2 爬行机器人移动方案的比较移动方式优点缺点轮式移动速度快，控制方便，结构简单，转弯容易。接触面积小，越障能力差，易打滑。履带式接触面积大，承载能力大，移动速度快，适应能力强。履带磨损大，结构复杂，机动性差。腿式越障能力强，承载能力大，机动性好，具有很强的壁面适应能力。结构复杂，间歇移动，速度慢，关节和足数多，控制复杂。蠕动式承载能力大，运动平稳，控制简便，适应能力比较强。运动速度慢，结构复杂。 根据设计本课题所提的要求，及考虑现实生活中的实用性与结构简单的原则，要求承载能力始终，控制方面，接触面积小等设计原则，通过对比各种方案，对于本课题我选择了轮式爬杆机器人的结构形式，

40、这种方案能基本满足我们设定和要求的工作状况。对于轮式爬杆机器人，它具备以下优点：结构简单，可操作性强，控制方面，移动速度快，接触面积小，而且易采用电动机驱动的方式，这种驱动方式运动精度高，方便，成本低，驱动效率高。2.2 轮式爬杆机器人 在本方案的设计中，采取轮式爬杆机器人设计，主要以实现机器人沿杆向上做往复运动为主要目标。往复运动的实现有很多种，常见的机构有：不完全齿轮齿条双侧停息机构、曲柄连杆机构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等。 在本方案的设计中，我采取的是圆柱齿轮齿条机构，它具有以下特点：（1）圆柱齿轮齿条机构的结构简单；（2）依靠摩擦力传递运动；（3）运动所需机构和驱动器数目少。而

41、对于它所存在的缺点，像轮式爬杆器易打滑这点，我们可以通过选择与电线杆等杆状物接触的材料如橡胶材料来改善其易打滑的缺点。第三章 爬杆机器人结构方案设计3.1 设计任务 设计要求1、爬杆直径： 10cmd35cm；2、爬杆高度： h15cm；3、爬杆速度： v15cm/s；4、最小负重：6kg；5、可以在电线杆上悬停，悬停时间5小时；6、爬杆器成品的直径尽量小；7、爬杆器留有开口，使用是先将爬杆器扣于电线杆上锁紧，再进行控制操作。 设计任务1、设计爬杆机器人，使其能完成所要求的相关任务；2、绘制主要零件图，绘图量不少于3张零号图；3、编写设计说明书20000字以上；4、参考文献15篇以上；5、翻译

42、外文资料5000汉字以上。3.2 爬杆机器人结构设计准则 轮式爬杆机器人的本体结构设计是本论文的关键，在此采用模块化设计方法对机器人本体进行模块化设计，模块化设计方法分为基于结构特征的设计方法和侧重功能分解的设计方法，将根据功能划分方法对爬杆机器人进行设计。 模块化设计基础理论 模块化设计是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成，是一种设计方法。而模块化设计思想却由来已久，其基本思想是以产品（系统）的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的模块，然后通过模块的不同组合，可以得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。模块化又称模件化，模块化的定义有很多种，但是按其概

43、念有如下的定义：由若干个具有不同用途（或性能）并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需要的这种方法称之为模块化。 由此可见模块化应具有四个基本含义： （1）必须具有一定数量的模块； （2）应用系统组合原理； （3）最终要获得能基本满足各种不同功能的需要； （4）模块化的可分性。 进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。因此，模块合理划分与否将直接影响产品的性能、外观以及模块通用化的程度和成本。模块化产品，通常按功能将产品划分为若干单元，并使功能单元独立化，这些单元被称为功能模块，然后由功能模块系统实现产品的总功能。3.2.2 爬杆机器人的模块化设计要求我

44、们按照功能划分的模块化设计方法，将爬杆机器人划分为夹紧模块和传动模块。模块之间除标准化的机械与电气连接接口外，其设计相互独立。模块之间在模块化设计中应遵循如下基本原则： （1）模块应具有自身的独立性； （2）可用有限数目的模块构成不同组合的产品； （3）模块的稳定性； （4）模块的经济型。模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重新设计或变异设计得到新的产品。根据此思想，我们可以对爬杆机器人进行各种变形设计，满足不同使用要求和应用环境要求。轮式爬杆机器人的本体是执行爬行运动的驱动平台和清洗维护设备的搭载平台，因此本体机构是整个系统的重要组合部分。为使机器人能够安全、方便的

45、完成工作任务，要求本体移动灵活，安全可靠，小巧轻便，本体机构设计的优劣是评价整个系统性能的首要指标。由于爬行设备的特殊性，所以设计时需要考虑的主要问题有：（1）从机器人爬杆动作的特殊性及提高运动型和安全性方面考虑，需尽量使爬杆机器人的体积小、重量轻。 （2）从系统的工作性能上考虑，应尽量使爬杆机器人的工作冲击较小，运行平稳，提高工作时的稳定性。 （3）从机器人的作业环境来看，由于在杆上爬行，在结构设计时应该充分考虑空间对结构尺寸的限制，力求机构简单可靠。 （4）由于机器人的体积受限，所以在设计和布置时需要在尽量保证机构功能、强度和性能的条件下，尽量减小零部件的体积。在布置各部件时，除考虑部件自

46、身占据的空间地位外，还要给予检查、维修及更换部件时所必要的空间。 （5）从系统的成本以及各零部件的加工难度和加工时间考虑，各零件和材料的加工和选取，尽量采用市场上可采购的材料和已有小零部件（如螺栓、弹簧等），减少自行设计和加工的原件，以减少设计难度和提高系统的可靠性，降低机械制造成本。 对环境进行分析面对爬杆器人的设计这个课题，我们首先要做的是把这个课题简化，希望所设计的结构越简单越好，而不是让它复杂起来。第一，虽然爬杆机器人所处的环境是室外。但是我们不需要额外考虑诸如灰尘、雨雪、低温以及强烈震动等恶劣环境下机器人的设计问题，即使在以后的实际应用中这些是必须的，所以，在本设计中，将不会有这些功

47、能模块。 第二，对特定环境的分析。我所设计制作的是爬杆机器人，所以这个杆是非常重要的。初步的设定是这样的：（1）杆的直径在20-30mm之间，也就是说本课题设计的机器人是在20-30mm的杆上爬，也许这不是很重要的。但至少可以在某一种杆上顺利爬行，它的直径可以使25mm或者是市场上现成的在20-30mm之间的杆。（2）杆并不是竖直摆放的。它在空间的位置时任意的，所以重力对于机器人来说既不能拿来利用，也不能视而不见，要将它的影响降低至最小。不过有一点是肯定的，那就是杆在空间是牢固的。不会来回摆动，也不会倒下。还有杆是悬空的，只有它的两端是固定在地面或者桌面上的。（3）杆的表面是什么样的。这就好比

48、制作移动机器人时的地面情况，基于第一条的设想，整个杆的材质是一样的，它的表面也是一样的，而且是常用的表面情况，至少它不是两种极端，即它不是光滑的，也不是黏糊糊的。在它的上面也没有钉子、口香糖等障碍。总之，是比较理想的。 第三，爬杆机器人的功能设定。丹尼斯·克拉克和迈克尔·欧文斯曾说过：“企图设计出一个多功能的机器人，既在室内又在室外，既是足球机器人，也是清洁机器人，而且还能战斗，那么这肯定是不切实际的，只能是纸上谈兵，根本无法把它制作起来。”那我的机器人的功能是什么呢？很简单，爬杆机器人，只要能在杆上爬来爬去，并能实现一定的功能，那么我就是比较成功的。 综上所述，我所制作的

49、机器人是能在室外环境下运动，沿常用杆做运动，爬杆机器人体积不会太大，而且不会脱离杆，同时在移动过程中是靠自身的动力系统提供动力的。3.3 爬杆机器人总体方案设计3.3.1 爬杆机器人摆臂的设计在本次爬杆机器人摆臂的设计中，爬杆机器人摆臂需要与电线杆的立柱直接接触，原理则是利用摩擦力使得爬杆机器人能够在电线杆等杆类形状的立柱上不至于滑落并且能够向上运动或静止在杆类形状的立柱上。 因此在设计爬杆机器人摆臂之前，我们需要先选择我们所设计的爬杆机器人固定的杆的直径大小，以便我们设计各个部分的尺寸大小。 在这里，根据实际的具体情况和现实生活中存在的杆类立柱来看，我选择的是金属材质圆柱形电杆。其中一种金属

50、材质圆柱形电杆的具体尺寸是：直径为25cm，高度为20m。 在本次设计总体方案摆臂部分中，它的简体如下，电动机启动，通过链传动带动链轮和旋转轴旋转，旋转轴的旋转再带动另一个链轮转动，再通过链传动传递到与金属材质圆柱形电杆接触的轮上，轮式机械手这样可实现上、下移动，从而实现我们所要求的运动。图3-1 爬杆机器人摆臂部分简图 在本次爬杆机器人摆臂的设计过程中，在两摆臂之间必须加上一个拉伸弹簧。此拉伸弹簧的作用：一是拉伸弹簧对上摆臂提供一个向下的拉力，对下摆臂提供一个向上的拉力，这样上下两轮都有一个对金属材质圆柱形电杆的正压力，产生的摩擦力使得爬杆机器人紧固在杆上；二是弹簧具有活动性，当圆柱形电杆的

51、直径不为25cm时，整个爬杆机器人可以通过对弹簧的调节使得所设计的爬杆机器人能作用于大部分杆上，使其具备很大的实用性。 在选择传动连接上，参考相关资料，杆与杆连接不推荐铰接，因为此设计项目选用球铰会产生上下径向运动，影响运动的准确性。为了得到更好的运动准确性，杆与杆连接采用打孔定位轴连接，即满足转动即可。关于杆的材料的选择，由于此爬杆机器人大多数是在空中完成操作，长期处于高空状态，我们可以选择45号钢，45号钢不仅便宜，常用，应用范围广，而且在退火、淬火和热态下的可塑性好，可热处理强化、在淬火或自然失效状态下使用，点焊焊接性良好。用作中等强度的零件非常适合。 通过上面对圆柱形立柱的选择，我们知

52、道立柱的直径为250mm，在我们设计的过程中，由于三角形具有稳定性等等一系列优点，我们选择的是在立柱的三个方向都设计一个带轮的摆臂与立柱接触，利用摆臂与立柱之间产生的摩擦力使得爬杆机器人固定在立柱上，甚至能沿着立柱向上运动，因此我们选择的方案是机器人框架上下边框上沿圆周均匀安装三套主动爬行机构，相互夹角120等间距布置，构成两个各包含三套主动爬行机构且上下平行的驱动截面，使牵引力分散产生，增强行走时的自定心功能，有利于稳定检测。首先我们需要选择与圆柱形立柱接触的轮的直径大小、厚度和材料。 考虑到立柱的直径大小为250mm，同时考虑到整个爬杆机器人的总体大小，我们在选择与圆柱形立柱接触的滚轮的直

53、径为75mm，同时取滚轮的厚度大小为32.5mm，在材料的选择方面，考虑到选择的材料在与金属圆柱形立柱接触的时候所需的摩擦力越大越好，因此我们对于滚轮的材料方面的选择为硬质橡胶材料，一是硬质橡胶材料普遍、经济实惠、应用范围广，而且作为橡胶材料它与其它物体接触是的摩擦系数高。下图为滚轮的一些图片。 在确定了滚轮的材料、直径和厚度后，我们则需要设计一摆臂，使得电动机能通过摆臂运动传递到滚轮上，使得爬杆机器人能够实现沿立柱的上、下运动。通过对整体形状的把握，我设计一个直径为10mm，长度为110mm的圆柱形材料穿过滚轮的中心以带动滚轮运动。在这个长为110mm，直径为10mm的圆柱形材料上，需要在滚轮的一边安装一个链轮，通过链传动使得电动机的力能够通过链传动传递到滚轮上。不仅如此，在该轴的两边，我们需要设计简单机构使得这个机构不仅与滚轮有所接触，而且能够通过一些零件固定在主框架上。 综合以上考虑，我所设计的摆