【摘 要】
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电线杆、路灯杆、交通信号灯杆、广告牌杆等杆状物遍布各处,随着国内城乡现代化建设的步伐逐渐加快,此类杆状物的数量及种类也大幅增加。为了确保这些杆式建筑能够正常使用,需要经常对其进行检测、清洗或维护等工作,此前大多是依靠人工攀爬去完成,有些还属于高空作业,存在一定的安全风险,且效率较低;若采用高空作业车,或搭建高架对杆件进行作业,又会使成本较高,缺少机动性。本课题拟研发一款专用于攀爬杆式建筑的机器人,
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电线杆、路灯杆、交通信号灯杆、广告牌杆等杆状物遍布各处,随着国内城乡现代化建设的步伐逐渐加快,此类杆状物的数量及种类也大幅增加。为了确保这些杆式建筑能够正常使用,需要经常对其进行检测、清洗或维护等工作,此前大多是依靠人工攀爬去完成,有些还属于高空作业,存在一定的安全风险,且效率较低;若采用高空作业车,或搭建高架对杆件进行作业,又会使成本较高,缺少机动性。本课题拟研发一款专用于攀爬杆式建筑的机器人,能自如攀爬杆件且可以作为移动平台,搭载特定的作业装置,完成检测、清洗或维护工作。本文研究的爬杆机器人基于模块化设计,在评估已有的多种爬杆机构及爬杆机器人基础上,根据对机器人工作对象和工作性质进行分析,确定了新颖的机器人主体结构和工作方式。该机器人选用曲柄连杆作为爬升机构,用圆柱凸轮控制一对机械抱爪交替夹持杆件配合曲柄连杆运动,实现机器人的攀爬功能。后对机器人模型进行运动学、动力学及有限元分析,验证了其结构的合理性和运动可行性,并以此为基础进行结构优化设计,实现了整体的轻量化。主要研究内容如下:（1）爬杆机器人的结构设计方案。对比各类爬杆机器人的移动方式、步态和贴附方式,根据机器人工作环境和基本性能要求,确定机器人的爬行步态,选择合适的机构方案进行结构设计,并建立起爬杆机器人的三维模型。（2）爬杆机器人运动学和动力学分析。利用Adams软件模拟爬杆机器人的爬行动作,得到机器人一个周期内攀爬杆件的位移、速度、加速度的变化曲线,同时观察了抱爪的对杆件的夹紧情况,提取出抱爪对杆件的夹紧力、摩擦力,以及转轴和曲柄连杆机构所受力矩。（3）爬杆机器人静力学特性分析。运用ANSYS有限元法对爬杆机器人进行模态分析,计算出机器人的前六阶模态,验证结构合理性;分析在攀爬过程中转轴、曲柄连杆机构以及机械抱爪抱紧杆件状态下的静力学特性,得到应力和总体变形最大值分布的区域,验证爬杆机器人机构的刚度和强度是否符合功能要求。（4）爬杆机器人结构的拓扑优化。在有限元分析的基础上使用Topology Optimization模块对核心零部件进行拓扑优化,根据优化结果重新设计建模,校核了新零部件的应力和变形情况。虽然整体的强度和刚度有所减弱,但机器人仍可以稳定可靠工作,实现了结构的合理化与整体的轻量化目标。
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