新型变角攀升机构设计与性能分析

谢浩，张敏良，龚楠，柴宁生，史春光

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

随着城市发展，工程设施中会用到很多高杆设施，例如电线杆、路灯杆、广告牌杆、风力发电杆等，因此需要进行清洗与维护[1]。目前此项工作多由人力完成，而人工高空作业具有效率低、成本高、安全性低等缺点，因此采用爬杆机器人代替人工进行高空作业成为了今后发展的趋势。在此类装备方面，鲍秀兰等[2]设计的攀升机构采用凸轮结构，上下平台采用2 个不同形状的凸轮，由2 根自由连杆联接，通过对运动时间的计算可实现上平台的上升及下平台的拉升，但是当凸轮出现磨损时会破坏计算好的两平台上升动作时间，导致运动位移出现偏差；王才东等[3]的攀升机构采用滚轮式爬升方式，依靠重力自锁，采用锁紧轮进行滚动攀升，但此机构对锁紧轮的消耗过大，需经常对锁紧轮进行保养修复；杨书建等[4]的攀升机构亦采用滚动式攀升方式，通过滚轮转动带动机构进行攀升，采用1 个主动轮、3 个从动轮，当负载过大时可能会出现滑落现象，导致攀升机构失去平衡。

本文设计了一种新型攀升机构，采用双头电机，改变输出轴可实现不同平台的上升动作。在简析攀升机构设计与工作原理的基础上，对平台上升位移参数进行计算，对攀升机构进行运动仿真，分析了工作平台位移曲线以及攀升性能和变角性能。

1 攀升机构的设计与原理

1.1 攀升机构的设计

攀升机构采取蠕动形式的攀升步态，自上而下可分为3 个部分：上工作平台，中间过渡平台，下推升平台，整体机构如图1 所示。上工作平台通过过渡平台上的锥齿轮的配合，转动螺纹杆，推动螺纹滑块，使得连杆推动平台的上升。居中的过渡平台则起到串联上下平台作用。过渡平台上有推动装置，可带动传动轴上下移动，通过伸缩装置连接输出轴与下工作平台上的齿轮，电机可以完成主动齿轮的正、反转，主动齿轮与丝杠螺母螺纹配合带动下平台完成上升动作。

图1 攀升机构整体示意图Fig.1 Overall schematic diagram of climbing mechanism

本文的攀升机构最主要的零部件均处于过渡平台，2 根锥齿轮螺纹杆与过渡平台左右2 个板相连接，保证锥齿轮轴可以转动，并且可以随着过渡平台进行上下移动。主动锥齿轮与过渡平台下平台转动固定，主动锥齿轮与输出轴通过键连接可以进行转动。双头锥齿轮与过渡平台上平台转动固定，上下两平台与锥齿轮轴之间有轴承存在，减小锥齿轮轴的磨损。在过渡平台右侧安装一个推进装置，推进装置外接一个惰轮，通过推进装置的推动可以将惰轮与主动锥齿轮与双头锥齿轮啮合，从而进行齿轮传动。根据冗余自由度理论[5～6]，下工作平台有4 组齿轮与丝杠螺母的配合机构，通过主动齿轮的转动，带动从动齿轮，进而使得丝杠螺母进行转动。丝杠螺母与过渡平台通过螺纹进行配合，当下工作平台上的齿轮动作时，通过过渡平台上的气缸伸缩装置，推动输出轴与齿轮进行键连接，从而推动过渡平台进行上升动作。当过渡平台上升至指定位置后，对电机进行反转，在丝杠螺母的作用下带动下工作平台完成上升动作。对称的连杆以及丝杠螺母都可以保护零部件的损坏，防止负载过大导致整体机构的损坏，影响机构攀升过程中的稳定性。

1.2 步态分析

（1）步态1 如图2 所示。此步态为初始状态，双头锥齿轮与惰轮分离，此时上平台处于初始位置，下工作平台与过渡平台处于静止不动的状态。

图2 步态1Fig.2 Gait 1

（2）步态2 如图3 所示。此步态是上工作平台上升动作。此时，惰轮与双头锥齿轮、主动锥齿轮相啮合，随着电机的转动，电机输出轴与主动锥齿轮通过键连接，通过移动锥齿轮的运动传递，带动双头锥齿轮转动，由此带动锥齿轮轴转动，而螺纹滑块因螺杆的转动会向中心做直线运动，滑块与上工作平台通过连杆连接，会推动平台稳步上升。

图3 步态2Fig.3 Gait 2

（3）步态3 如图4 所示。此步态为过渡平台上升动作，此时惰轮与双头锥齿轮、过渡锥齿轮分离，上、下工作平台处于静止状态，伸缩装置推动输出轴与下工作台主动齿轮连接；电机正转带动主动齿轮转动，从动齿轮与主动齿轮啮合带动丝杠螺母转动，丝杠螺母与过渡平台螺纹孔配合，因此可以推动过渡平台上升。压缩连杆，螺纹滑块将做反向运动回至初始步态，便于下一个循环的开始。

图4 步态3Fig.4 Gait 3

（4）步态4 如图5 所示。此步态为下工作平台上升动作。此时惰轮与2 组锥齿轮处于分离状态，上工作平台与过渡平台处于固定状态，通过控制电机的正反转，利用丝杠螺母与过渡平台的螺纹配合，带动下工作平台上升，由4 根螺纹杆与过渡平台的螺纹配合，保证了上升循环时机构运动的稳定性。

图5 步态4Fig.5 Gait 4

2 参数确定

2.1 推升高度的确定

根据初始步态绘制上升示意图，如图6 和图7所示，可以得到上工作平台上升的距离公式为

图6 初始步态示意图Fig.6 Initial gait diagram

图7 步态2 示意图Fig.7 Gait 2 Schematic

根据式（1）可以通过改变电机的转数，根据锥齿轮间的传动，从而改变锥齿轮螺纹杆的转数，得到不同的进给距离Δb，再由式（2）可得不同的上升距离Δh：

通过式（2）可以看出，对于上升距离的选取，主要影响因素为螺纹滑块在螺纹杆上的进给距离，而螺纹滑块的进给距离即是

式中：n——螺纹杆转动的圈数即锥齿轮螺纹杆在上升阶段的转数；p——螺纹的螺距，本文采用的均是M16×1.5 的公制标准牙的牙距，即p=1.5。

因此影响到上升距离的主要因素又可转化为锥齿轮的转数。由于主动齿轮的转数与电机输出轴的转数相同，因此要通过改变锥齿轮的转数改变上升距离即需要对锥齿轮传动过程中的传动比进行设计计算，这样既保证了输出的固定转数，也可以使得锥齿轮螺纹杆的转数得到保证，因此需要对锥齿轮传动过程中的传动比进行设计计算。

2.2 锥齿轮传动比的确定

通过图8 中的锥齿轮传动示意图可以计算出从锥齿轮1 到锥齿轮5 和6 的传动比i15和 i16，通过对传动比的计算[7]，可以计算出螺纹滑块的进给距离，进一步计算出上工作平台在一个周期内上升的距离数值。

图8 锥齿轮传动示意图Fig.8 Schematic diagram of bevel gear transmission

传动比公式为

式中：nx，ny——锥齿轮转速；Zx，Zy——锥齿轮齿数。

因为锥齿轮3 和4 在同一根转动轴上，锥齿轮5 与锥齿轮轴6 在同一根轴上，即n3=n4，n5=n6，因此最终的传动比公式为

2.3 过渡平台推升参数

因为输出轴要有分离与连接的时间段，所以需要保证在完成运动动作后还可以完成输出轴与齿轮、锥齿轮之间的配合关系，因此需对机构整体运动进行设计计算。

当过渡平台推升时，如图9 所示。因为输出轴的存在，主动锥齿轮与主动齿轮同时转动，因此2个齿轮有相同的转数。在过渡平台上升时，因为上平台固定会导致螺纹滑块离心运动，如图10 所示。因此为保证移动锥齿轮可以与双头锥齿轮和主动锥齿轮啮合，需要对齿轮的转数进行计算，保证齿轮啮合稳定性。

图9 过渡平台上升示意图Fig.9 Rising diagram of transition platform

图10 螺纹滑块移动示意图Fig.10 Schematic diagram of movement of threaded slider

假设当主动齿轮转动n 圈，螺纹杆的螺距为p，则齿轮转动推动过渡平台上升距离为c=np，则根据上平台固定可得螺纹滑块移动的距离为：

根据螺纹滑块的移动距离可计算锥齿轮螺纹杆的转动圈数，从而计算双头锥齿轮的转动圈数为：

由式（8）、式（9）可计算过渡平台上升对双头锥齿轮初始相位的影响程度，从而通过改变齿轮转数保证整体攀升机构运动的稳定性与连贯性。

3 攀升仿真验证

使用SolidWorks 软件进行零部件绘制，根据机构的运动原理进行装配配合，设置零部件的材料、阻尼与摩擦系数。本文主要研究机构的攀升性能与攀升的位移参数，因此没有设置引力。使用SolidWorks 中的Motion 分析[8～10]插件对整体攀升机构进行运动学分析，由机构的运动位循环动作，研究攀升机构一个周期的上升位移。由于移动锥齿轮的存在，需控制锥齿轮转动的圈数为保下一周期可以继续啮合，因此仿真转动限制了转动的角度均为1 440 °=4 圈。

3.1 上工作平台上升位移

使用Motion 分析插件，首先移动锥齿轮水平与上下锥齿轮啮合，电机转动带动输出轴，输出轴与锥齿轮通过键联接，完成运动传递。通过螺纹杆与螺纹滑块的配合推升上工作平台，位移曲线如图11 所示。上工作平台从原本高度的386 上升至390，上升距离为4 mm，此过程曲线光滑平稳，未出现抖动，说明上工作平台上升过程平稳。

图11 上工作平台上升位移曲线Fig.11 Upward displacement curve of upper working platform

3.2 过渡平台上升位移

固定上、下工作平台，输出轴与下工作平台主动齿轮通过键联接，通过电机转动带动主动齿轮转动，螺纹杆与从动轮通过键配合、与过渡平台通过螺纹配合，推动过渡平台的上升。位移曲线如图12 所示，过渡平台初始位置为277.3 mm，通过推升上升至281.3 mm，推升距离为4 mm，曲线光滑平稳无波动。

图12 过渡平台上升位移曲线Fig.12 Rising displacement curve of transition platform

3.3 下工作平台上升位移

固定上工作平台、过渡平台，输出轴与下工作平台主动齿轮通过键联接，通过控制电机反转，带动齿轮转动。因为过渡平台处于固定状态，因此下工作平台在螺纹杆的作用下向上竖直攀升。位移曲线如图13 所示，下工作平台初始位置为7.7 mm，推升至15.8 mm，因此下工作平台实际的推升距离为7.8 mm，曲线光滑平稳。

图13 下工作平台上升位移曲线Fig.13 Rising displacement curve of lower working platform

过渡平台与下工作平台的上升位移有较小差距，因此在过渡平台上安装伸缩装置，伸缩装置尾部外焊连杆用来推动输出轴，控制输出轴与主动锥齿轮、主动齿轮的联接，可以完成不同平台的推升动作。保证了攀升机构可以循环完成攀升动作，到达最终目标地点。

3.4 攀升机构角度变化

通过Motion 分析对上升平台进行变角测试，设定转动时间为10 s，转速设定为60 r/min，观察、测量上升平台倾斜角度，如图14 所示。通过对位移曲线的分析可以发现，角度偏转最高达到9°，在进行角度改变时，上平台的角度变化趋势平缓，没有强烈抖动，变角机构性能较好，如图15 所示。

图14 上平台变角测试结果图Fig.14 Diagram of angle change test results of upper platform

图15 角度变化曲线图Fig.15 Angle change curve

3.5 攀升机构可靠性分析

本文设计的攀升机构采用单电机驱动，输出轴可分别控制主动锥齿轮与主动齿轮，从而完成3组平台的攀升任务。本文设计的机构均采用冗余理论，通过对称的零部件设计保证机构在攀升过程中的稳定性，采用堆成的锥齿轮螺纹杆与螺纹滑块完成上平台的平稳推升，4 根对称的螺纹杆也保证了过渡平台与下平台的推升，采用冗余自由度是为了减少单个零部件负载过大引起零部件损伤，导致机构运动过程出现抖动与破损。从图11—图13 可以看出，机构在攀升过程中上升曲线平滑，攀升机构平稳性较好，没有明显抖动。

4 结语

本文提出的攀升机构使用锥齿轮螺纹杆、螺纹滑块与连杆的配合进行上工作平台的推升。通过学习冗余自由度理论，设计4 组齿轮-螺纹杆结构，与过渡平台使用螺纹配合，转动螺纹杆推升过渡平台上升。下工作平台通过齿轮传动带动螺纹杆转动，过渡平台此时处于固定状态，因螺纹配合的存在，螺纹杆做竖直进给运动带动下平台上升，控制电机的正反转可以实现攀升机构的上升与下降。

根据对攀升机构各部分参数的计算，可以得到各个平台在攀升过程中的位移参数以及各平台之间的位移关系，防止各平台推升时产生干涉。对攀升机构进行运动学仿真，得到3 个平台的位移运动曲线。仿真结果表明，攀升机构能够平稳完成攀升动作，各平台之间无干涉，运动连贯性较好，可以完成指定的攀升动作。变角机构仿真测试显示，上平台可完成10°以内的左右倾斜，偏转性能较好，稳定性较高，可满足一些特殊工作场景的需求。