一种多姿态爬杆机器人的三维设计文献综述

文献综述

前言：

现代生活中，随着高空作业的不断增加，如高楼清洗、喷涂、油漆、对大桥的缆绳进行维护和检查，还有电力系统中假设电缆等等工作。这些工作给高空作业的工作人员带来了很大的危险和不安全因素。爬杆机器人是解决这一状况的有效方法之一。国内外的很多学者针对各种特定的工作环境，展开了大量的研究。

机器人是一种典型的机构和电控制结合的产物。爬杆机器人与一般在地面上移动的机构有着很大的不同，因为它要克服重力的作用，并依靠圆柱杆的表面上升，进行自主移动，完成特定条件下的工作。爬杆机器人是个庞大的家族，种类繁多，目前大多数研究的爬杆机器人从动力源上划分可分为：机械式和气动式两个大类；如果从有无控制系统的层面进行划分，主要可分为普通型和智能型两大类。普通型就是只有动力源、执行机构,智能型相比普通型还有(反馈)控制机构。智能型在实现运动的难度上比普通型要低，可是其控制系统就要相对复杂得多。

研究现状：

攀爬机器人主要由攀爬机构和夹持机构两部分组成，攀爬机构很大程度上是决定了爬杆机器人的运动速度和承载能力，夹持机构则是影响机器人的运动范围。近年来，研究人员都投入了大量的精力进行了研究和探索，根据自己的研究目的和方向的不同，列举了下面几种比较有代表性的攀爬机器人。

1.连续运动式攀爬机器人

连续运动式攀爬机器人利用轮子或履带与被爬杆件表面的摩擦力来完成快速攀爬运动，德黑兰大学的M.NiliAhmadabad等人对该类攀爬机器人进行了深入地研究，目前已研制三代样机：UT-PCR1，UT-PCR2和UT-PCR3。研究者的设计初衷是在降低机器人复杂程度的同时增加其承载能力，摩擦轮式攀爬机器人相对于大部分仿生式攀爬机器人的优势在于其为连续运动方式，攀爬效率更高。第一代摩擦轮式攀爬机器人UT-PCR1的主体结构为三对轮子呈圆周均布，下部三个轮子为主动轮，上部三个轮子为从动轮，起导向作用并提高机器人运动稳定性，上下两组轮子通过弹簧相连，使机器人始终紧贴杆件。该机器人具备自锁功能，当电机停止工作时不至于滑落[9-10]。此外，UT-PCR1还能完成绕杆件旋转运动，其缺点是机械结构和控制部分比较复杂。UT-PCR2的研发受人爬树杆的启发，其机械结构为主动轮与从动轮上下分布在杆件两70侧，通过连杆连接，机器人的重心落在上部从动轮上，故将工作平台加装在主动轮侧从而保持机器人平衡，主动轮为橡胶材料以增大与杆件表面的摩擦力。为增大主动轮上的接触力，在从动轮下方再增加一个从动轮，通过弹簧与连杆相连，进一步提高整个装置的稳定性，防止意外滑落，并使机器人具备攀爬变直径杆的能力。实验表明该机器人能安全承受5倍于自身重量的载荷[11]。总结UT-PCR2的优势是运动稳定性好，控制简单，攀爬速度快，机械系统精简，舍去了在实际应用中不常用的绕杆旋转运动，承载能力高。UT-PCR3用履带代替了UT-PCR2中的主动轮，增加了与杆件的接触面积，从而大大提高运动稳定性和承载能力，并省去UT-PCR2中后来加上去的从动轮，简化了机械结构。总的来说，该系列机器人满足设计目的，具备快速攀爬与良好的承载能力，但是对于非圆杆件或圆形杆件表面存在较大障碍物或者树木等复杂攀爬对象时则显得无能为力。