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《机械创新设计》课程读书报告
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蠕行式仿生变直径杆爬行机器人的创新设计
择要：设计研发了一种利用电机驱动凸轮机构、曲柄连杆机构、摆杆机构等实现在变直径杆上攀爬的非智能的蠕行式仿生爬杆机器人。在对机器人灵巧的结构和工作原理作出说明的基础上，进行了运动学建模和仿真分析。实验表明，该机器人爬行稳定，工况好。
关键词：爬杆机器人变直杆曲柄连杆凸轮
一、仿生机器人设计需求
现代生活中，高空作业不断增加，市场上少量使用的气动蠕行式爬行器，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，能量损耗大，并且一般伴有较大的噪声。因为连接了大量的支持设备，气动蠕行式爬行器的体积和活动范围都受到限制，而且设备成本较高。
二、仿生设计原理
这是一种新颖的变直径杆仿生爬行机构设计方案，该方案能基本满足我们设定的工作状况。该机器人是模仿人的爬树动作而设计的。人爬树时，两脚夹紧树杆，两腿一蹬，两手抱住树杆，人向上移，然后两手抱紧树杆，收腿提脚上移，一步步向上爬行。该机器人的爬行动作原理示意如下图1所示。
图1 机器人爬行动作原理示意图
图2 机器人结构原理图
既然是仿生尺蠖式蠕动，那么在本机器人的设计中，将以实现机器人躯干的伸缩为往复运动的主要动作为目标。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歇机构、曲柄连杆机构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等。这几种机构各有自己的优缺点，曲柄连杆机构可以很好地协调好机器人的整体工作。
从图1中可以看出，机器人的爬行动作原理可分为以下5步： 1）在初始状态1时，下机械手夹紧、上机械手松开见图2所示)
2）电机回转，驱动曲柄及和曲柄固接在一起的下并联盘形凸轮顺时针转动，推动下机械臂摆动，与此同时带动和连杆固接在一起的上移动凸轮向下移动，推 动上机械臂摆动，当下并联盘形凸轮转过升程角时，下机械手松开；与此同时上移动凸轮向下移动过空行程，上机械手抓紧，即状态2。
3）电机继续回转，此时上机械手夹紧、下机械手松开，机器人下部在电机的提升拉力作用下向上移动，当曲柄和连杆重叠共线时，机器人下部被提升到极限位置，即状态3。
4）电机继续回转，当下并联盘形凸轮转过回程角时，下机械手夹紧；与此同时上移动凸轮向上滑过空行程，上机械手松开，即状态4。
5）电机继续回转，因为下机械手夹紧、上机械手松开，所以机器人上部在电机的提升推力作用下向上移动，当曲柄和连杆拉直共线时，机器人上部提升到极限位置，即状态5。
从图2和图1可看出，减速电机每转动一圈，机器人整体向上爬行一次，重复状态1~5就可以准确实现机器人机械手之间的协调动作和机器人整体的蠕行爬行。通过实验，证明了该机器人的可用性和稳定性。
由该例我们可以发现，在机械设计中，只有具有创新性的思维方式，才能克服目前机械产品的缺陷，实现既定的设计目的，承载能力大、接触面积小、速度适中，适应能力强，能越障碍物，机构方案选择才能合理、经济。
三、参考文献
《蠕行式仿生变直径杆爬行机器人的设计》 王晓光 陈明森 文献标识码：A
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