2019.10科学技术创新-179--种新型爬杆机器人的结构设计与分析
邹佳航秦梦瑶王帅洋
(河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003)
摘要：随着科学的进步和时代的发展，高空工作的高度在逐步增加，人工作业也愈发困难；本文设计了一款爬杆机器人来解决现实生活中人工作业中遇到的问题。
通过对目前国内外爬杆机器人的现状进行调查研究，我们提出了一种新型爬杆机器人的方案并进入实体设计阶段。
本文对这种爬杆机器人的结构设计、力学分析，动力装置进行了介绍「
关键词：爬杆机器人；结构设计；力学分析
中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:2096-4390(2019)10-0179-02
1绪论
随着科技的进步.机器人技术的发展也在不断地提高,越来越多的高危性、高重复性工作被机器人取代,甚至一些人类无法完成的任务，在机器人看来却是轻而易举。
无论是大城市或是乡村，我们都可以看到无数的电线杆、路灯杆等杆类，电线杆上的电气设备、路灯杆上的灯经过长时间的风吹日晒，极容易损坏，需要定期的维修和保养。
由于目前仍是以人工作业为主，导致高空作业不仅效率低下.人工成本昂贵而且安全系数很低。
为了解决这些难题我们设计了一种爬杆机器人，用于代替维修工人爬杆进行高空作业。
目前,虽然国内外已经设计出了多种爬杆机器人.但都具有各n的局限性例如采用气动蠕行式爬杆器来解决变直径杆的爬行,由气压控制其上升和下降，对气缸要求较高。
导致更高的设备成本和维护成本;双手爪爬机器人具有较强的攀爬功能,但因为需要交替两爪攀爬,爬行速度较低；仿尺镀步态的爬杆机器人结构简单、成本低廉.由于采用了摩擦自锁，所以只能上升无法下降。
2结构方案设计
如果想实现机器人可以在杆上自由上下移动，必须要具备两种功能:贴附功能和移动功能。
H前所了解的贴附方式有两种，分别为吸附式和夹持式,而运动方式有履带移动、轮式移动、爬行移动及蠕动移动四种根据这些不同的方式我们可以进行多种结合,来设计出功能多样的机器人。
本次方案设计主要采用轮式爬杆机器人的结构形式如图1所示,采用圆柱环抱式结构，三条手臂夹持,保证平稳性,且具有6个滚轮驱动,分上下两个独立的驱动体系,并通过气动弹簧将滚轮与杆体的表面夹紧，使机器人在杆上作业时受力相对更均匀、合理利用滚轮和杆体之间的摩擦力，再通过电机正反转带动滚轮转动,以达到机器人能在杆体表面上下移动的目的。
轮式爬杆机器人具有结构简单、可操作性强、控制方便、移动速度快、接触面积小、电机驱动、成本低、效率高、精度高等优点。
3结构设计与分析
3.1爬杆机器人的手臂设计
此款机器人的单侧手臂设计如图2所示。
为了爬行的稳定性,此款机器人设有三个夹紧臂,每只手臂由两个滚轮和两个气压弹簧组成.根据一般情况可知杆的直径范围为100mm~200m m,利用机械结构和气圧弹簧的巧妙结合，气压弹簧能够使此款机器人适应一定直径的杆,并且能够很好地贴附在杆上，电机带动与杆接触的轮子，使得整个爬杆机器人可以在杆上移动。
考虑到与杆接触的材料所需的摩擦系数越大越好，所以我们选择硬橡胶材料作为滚轮的材料硬橡胶材料经济实惠、应用范围广，并且摩擦系貂艮高。
同时为了增大摩擦.还要使滚轮与杆的接触面积达到最大,对滚轮的形状也有一定的要求
3.2机器人夹紧力的分析
机器人在杆上运动时，需要克服外力进行运动,外力包括自身的重力及负载的重力木次设计中，机器人的动力由6个电机提供,其中比较关键的是滚轮的摩擦系数卩和夹紧力R。
滚轮表面与杆表面的聚乙烯材料接触.我们取其静摩擦系数g).7,设机器人所加负载后的总质量m=10Kg。
通过夹紧臂的夹紧力使滚轮对杆产生一定的斥力，从而产生有益的摩擦力，我们对其中一对滚轮进行分析可得：
f=G.(1)
$=1/3mg(2)
f=叭⑶可得：F>mg/3//(4)
式中:f—滚轮与杆之间的静摩擦力:G,—
—三对(转下页
)
-180-科学技术创新2019.10
DSG5型降水现象仪在实际气象观测中准确性浅析
刘非田世芹孙亚丽
(山东省滨州市气象局，山东滨州256600)
摘要：本文通过结合滨州国家气象站安装的DSG5型降水现象仪平行观测实际，介绍了DGS5型降水现象仪设备工作原理，并对DSG5型降水现象仪的自动观测资料与人工观测资料进行对比，分析出DSG5型降水现象仪在实际观测应用中的准确性。
关键词：降水现象仪；工作原理；准确性
中图分类号:P415.1文献标识码:A
1概述
随着社会技术的进步，气象站自动化的程度逐渐加快，降水现象观测实现自动化.将有效提高观测的质量和频次，为预报服务提供更多有价值的气象观测信息。
本文介绍了DSG5型降水现象仪的工作原理，对比了滨州国家气象站2017年12月至2018年4月降水现象自动观测数据与人工观测数据，比较出DSG5型降水现象仪观测实际应用的准确性。
2DSG5型降水现象仪工作原理
DSG5型降水现象仪的工作原理是一个能够发射水平光束的激光传感器，激光器大小为47.4mm*41mm*12mm(长*宽*高),其发射器和接收器集成在密闭的机壳中。
当激光束里没有降水粒子降落穿过时，接收器的输岀电压最大。
降水粒子穿过水平光束时以其相应的直径遮挡部分光束，因而降低了输出电压，从而可以确定降水粒子的直径大
文章编号：2096-4390(2019)10-0180-02
小。
3DSG5降水现象仪自动观测数据准确性分析
DSG5型降水现象仪由于是初次投入业务运行，其在地面观测中的实际效果仍需进一步确认。
本次数据准确性分析的数据来源为滨州国家气象站降水天气现象的人工与自动观测数据。
数据选取17年12月1日-18年4月30日的资料。
3.1参考标准的确定
由于滨州站为一般站，无24小时值班，为了保证天气现象记录的准确性，本次选取的观测时次为每日()8时至当日20时，参考标准以人工观测记录为准。
3.2数据准确性分析方法
DSG5降水现象仪对降水天气的记录与人工记录不同，DSG5降水现象仪每分钟记录的现象都是实际观测到的，如果前后两次记录之间无现象且小于15分钟,天气现象时间不合并记录。
这样导致无法通过具体的数据来定量分析自(转下页)
滚轮其中一对滚轮分担的重力;M—
—机器人加负载后的总质量; 2—杆与滚轮接触的静摩擦系数凤—
—滚轮作用在杆上的压力。
经过计算可知，我们必须选择恰为的弹簧撑杆，使得夹紧力Fi2mg/3/i。
经过计算，所需弹簧长度为llOmm.K值至少为1.6N/mm,因为杆体表面会有凸起或者下陷，影响机器人的爬升性能，因此需要适当提高K值。
3.3电机的选择
我们取滚轮表面与杆表面的静摩擦系数日.7,机器人所加负载后的总质量m=10Kg,电机的转矩为M,滚轮的半径为r,因为每个电机带动一个滚轮转动，所以我们对单个滚轮进行分析,可得：
M=y(5)
f=码(6)式中:I一滚轮半径;M—
—电机的转矩；
根据各个参数的估值，可以得岀上升所需要的转矩为0.5N-m,所以根据相关资料，我们需要选取相应的直流电机来满足转矩条件。
最大转速n”额定转速N,额定扭矩T,额定功率P,额定电压U。
电动机扭矩的计算公式为：
T=9550P//V(7)式中:T------电机实际扭矩;----电机额定功率;N------电机额定转速；
综上可得，若想使机器能够上下来回移动,电机所需要的转矩应该大于0.5N・m,从而实现电机的选取。
4结论
本次设计的爬杆机器人利用机械和气压弹簧的巧妙结合使滚轮与杆的表面构成一定的压力,通过静摩擦力来实现夹紧。
同时,我们用电机作为驱动装置来驱动滚轮旋转，从而实现机器人上下移动。
所设计的夹紧装置和驱动装置结构简单，通过添加不同的结构,可以在不同的杆体上，完成不同的作用,且两者在材料的选择上都《方便，应用范围广、实用价值高、可推广性强.成本低廉。
用电机作为驱动,使该机构节能、不污染环境,并具有很强的可持续性。
本次设计只是一个基础的设计,许多地方还很不完善，需要在以后的研究中进行不断的改进。
还需要优化承载平台的结构设计，使其能够成为承载各种功能设备的承载平台.为高空作业提供支撑。
另外,还需要继续研究该机器的控制系统，在现有的机器人机构基础上，添加智能控制部分，使之可以适应更复杂的工作要求。
参考文献
［1］贾海明.基于ADAMS的爬杆机器人动力学仿真研究［I)|.
［2］陈明森.爬杆机器人运动原理及动力学研究［D］.武汉：武汉理工大学2009.
［3］束方耀，戴丽华,邹壮志，等.声控自平衡小车的设计与研究［J］.电子制作2018(17).
项目资助：河南科技大学2018年度大学生研究训练计划(SRTP)项目编号：2018018。
作者简介：邹佳航(1997-),男，汉族，吉林省吉林人，河南科技大学机电工程学院本科在读生。