摘要：丘陵地区地势较为复杂， 传统交通工具难以实现运输要求。基于此， 设计一种履带式爬绳机器人。该机器人整体采用双绳 结构， 从结构上解决了机器人在绳索上运行过程中的倾斜和侧翻问题。基于连续式爬绳装置原理， 设计了履带式爬绳机构， 实现 了爬绳机器人在绳索上的稳定运行。履带式爬绳机构采用链传动和爬绳足相结合的结构， 将爬绳足安装在带耳片的链条上。完成 了爬绳机器人整体的结构设计和控制系统的开发， 并对爬绳机器人关键零部件和整体框架开展有限元分析， 验证了爬绳机器人结 构的可靠性。该履带式爬绳机器人解决了复杂地形运输问题， 为丘陵地区运输等领域提供了新方案。

　　关键词：履带式爬绳机器人；爬绳机构； 有限元分析

　　0    引言

　　爬绳机器人是一种能够在绳索上往复运动的特种装  备， 主要应用于丘陵地区运输、电力电缆检测和灾害救  援等领域， 具有较为广阔的应用市场和前景[1-2]。根据机  构原理和结构的不同， 爬绳机器人可以分为轮式爬绳机  器人、仿生式爬绳机器人和连续式爬绳机器人。轮式爬  绳机器人通过自动化摩擦轮和绳索之间的摩擦实现机器  人的运动， 行进速度快， 但对绳索环境要求高， 多应用  于高空提升作业和救援等场合。加拿大魁北克水电研究  院的 Montambault 等[3] 研制的 Linescount 巡线爬绳机器人  最初设计是用于清除架空地线的覆冰， 后来经过多代改  良， 变成了集巡检、维修、清障等用途于一体的移动机  器人。仿生式爬绳机器人基于仿生学原理， 模仿猿类动  物的攀爬原理，对于绳索的尺寸和环境有较好的适应性， 但负载能力差。 Suyang Yu 等[4]基于仿生类结构， 结合轮  式结构的特点提出了一种应用于电线的模块化新型指轮  机构的爬绳机器人， 巧妙的指轮机构和模块化结构使机器人在绳索上能实现平稳快速的移动和良好的过障能  力， 采用基于空间并联机构的连杆模块， 进一步提高  机器人对绳索环境的适应性。连续式爬绳机器人基于  摩擦传动的连续滚动式机构， 运行平稳， 但对机器人  结构要求较高， 且负载能力与摩擦传动界面息息相关。 赵轶惠等[5] 开发了一种应用于大跨度救援场景的基于  凸轮式上升器工作机构的爬绳机器人。爬绳机器人通  过两个绳索导向轮悬挂在钢丝绳上， 而在两个导向轮  之间的钢丝绳为夹持段， 在电机的拖动下依次通过直  线夹持通道的释放区与夹持区。该机器人能够在预设  的水平索道上自由往复运动， 并在绳索的任意位置双  向自锁， 且抓绳机构抓取界面无相对滑移， 具有良好  的抓绳特性。

　　为解决丘陵山地等地区重物运输问题， 本文基于连 续式爬绳机构开发一款履带式爬绳机器人。

　　考虑爬绳机器人主要用于丘陵山地等相对恶劣的环 境，对其提出相应的功能设计目标如表 1 所示。

　　1   履带式爬绳机器人原理

　　1.1   爬绳机器人

　　爬绳机器人的工作原理是将爬绳装置与绳索之间的摩 擦力转化为爬绳机器人运动的驱动力，所以爬绳装置的结 构设计和分析一直是爬绳机器人装备开发的重要方向[6-10]。

　　图 1 所示为爬绳机器人爬绳机构原理。爬绳机构以履带式结构为基础， 履带上安装有多个爬绳足。上下对称设置有两个履带式结构， 绳索从两个履带结构中间穿过， 在上下履带式结构与绳索 接触位置安装压紧装置。压紧装置上部分将机器自重转 化为压紧力，作用在绳索上，压紧装置下部分通过压紧装 置提供压紧力， 通过重力和压紧力挤压履带式结构上的 爬绳足和绳索接触部分。驱动履带式结构时，爬绳足交替 压紧绳索，实现爬绳机器人沿绳索方向的平稳运动[11-16] 。 

　　1.2   整体结构

　　传统爬绳机器人往往采用单绳的形式， 运行过程中 容易出现倾斜和脱轨等问题，本文基于两条绳索并行的形 式，采用双爬绳机构的结构，整体结构原理如图 2 所示。

　　结合所设计的爬绳机构原理，爬绳机器人设置有 4 个  链传动结构。每一侧均安装有基于图 1 所示的结构装置。 两侧同步运转，实现爬绳机器人在两条绳索的正常运行。   

　　2   爬绳机器人整体结构设计

　　基于爬绳机器人爬绳机构、传动结构的原理和机构原理图， 利用SolidWorks 完 成 爬 绳 机器人整体样机的设计和建模。爬绳机器人整体结构和样机如图 3 所示。

　　爬绳机器人整体采用中心对称结构， 两个爬绳机构  设置在机器人两侧， 整体框架采用拼装式结构， 框架整  体采用铝板， 降低机器人质量。机器人中间左右两侧框  架采用底板和承重杆连接， 两侧框架与底板形成机器人  中间的腔体， 电池、电机、传动机构设置在中间腔体内， 整体结构简单， 实现了爬绳机构与机器人内部机构相隔离，避免两者相互干涉，便于安装维修。

　　2.1   履带式爬绳机构设计

　　基于履带式爬绳机构原理， 采用链传动为基础设计  了一种履带式爬绳机构， 如图 4 所示。履带式爬绳机构  采用带耳链条作为运动履带， 将爬绳足固定在链条的耳  片上， 爬绳足之间相互距离为 2P（链节距）。通过带耳  链条传动带动爬绳足循环连续式运动， 实现机器人沿绳  索方向的运动。将履带式爬绳运动机构在绳索上下对称  安装两个， 上下运动机构的主动链轮轴采用轴系传动， 保证上下运动的同步性， 每个连续式爬绳运动机构包括  主动链轮、从动链轮和压紧装置。

　　爬绳机器人运动的驱动力 F 由爬绳足和绳索之间产  生的摩擦力的反作用力提供。绳索为钢缆包芯编制而成， 外形轮廓截面可视为半圆形， 平面形履带与绳索接触面  积较小， 因此设计如图 5 所示的弧形面爬绳足结构， 以  扩大绳索与爬绳足的接触面积。爬绳足采用与绳索摩擦  因数较大的橡胶材质， 提高机器人整体负载能力。

　　在连续式爬绳机构前后设置有导向轮， 解决机器在 运动过程中的导向问题， 避免跳出爬绳足， 并通过前后 4 个上导向轮悬挂于预设的绳索上， 导向轮承载了一部 分机器自重， 又能形成了一段位于前后导向轮之间的爬 绳区间，保证了爬绳运动过程的稳定性。

　　为避免链条运动过程中振动和倾斜等影响， 压紧装 置即可以实现链传动的张紧以降低链传动的振动， 又能 作为链传动爬绳区间的导向轨道， 保证了爬绳区间的稳 定运行， 确保爬绳足和绳索较好的接触。压紧装置上部 分将机器自重转化为压紧力使爬绳足压紧绳索， 压紧装 置下部分可通过螺栓调整链条张紧力和爬绳足对绳索的 夹紧力[17-20]。

　　2.2   传动装置结构设计

　　由于采用双绳并行的形式， 所设计的爬绳机器人爬 绳机构中有 4 个链传动需要同时驱动， 爬绳机器人整体传动机构需要满足 4 个链传动同步性的要求。

　　传动方案如图 6 所示。采用单电机的驱动、轴系传动的传动结构； 减速器布置在上主动链轮轴， 电机驱动减速器后， 减速器采用双输出口连接上主动链轮轴左右两侧轴； 上主动链轮轴与下主动链轮轴通过齿轮进行连接传动， 实现 4 个链传动的同步性。

　　3   爬绳机器人控制系统设计

　　依据功能要求， 设计了爬绳机器人的控制系统， 系统总体框架如图 7 所示。考虑爬绳机器人实际工况以及功能需求， 该系统采用 STM32 作为主控芯片， 锂电池为动力源， 步进电机为驱动装置， 用户端为主机， 爬绳机器人为从机， 从机采用外接按键可以进行有线控制， 主机采用 NRF2401 蓝牙通信模块进行通信和无线控制。

　　爬绳机器人主体程序主要分为无线通信、电机驱动 控制、 LCD 显示、按键检测四大模块。

　　无线通信模块的软件设计主要包括 nRF24L01 与单 片机串行外设接口（SPI） 之间的通信程序， nRF24L01 之间的收发程序。其工作流程框图如图 8 所示。

　　4   关键零部件有限元分析

　　所设计的爬绳机器人主要用于丘陵山地等工况恶劣的地方，要求设备具有较好的强度， 因此运用 SolidWorks的 Simulink 对关键零部件进行有限元仿真分析。爬绳机器人主要零部件有主动链轮轴、夹紧装置以及整体框架。

　　4.1    主动链轮轴

　　图 9 所示为主动链轮 轴 静 应 力 分 析 结 果 ，链轮轴在实际传动过程链轮轴在实际传动过程矩、齿轮传动扭矩以及链轮传动扭矩作用。所采用的材料为 45 号钢，其屈服极限为 300 MPa。当电机最大输出力矩为 12 N·m 时，输出轴 1 承受的扭矩最大，最大应力约为 127.1 MPa ，应力值满足 45 号钢材料的应力要求。

　　4.2   夹紧装置

　　夹紧装置作为爬绳机构正常运转的核心部件， 需要  为抓绳足提供夹紧力，从而保证爬绳机器人在运行过程中  不发生打滑。夹紧装置分为上下两部分， 考虑轻量化问  题， 大部分采用 1060 铝合金，少部分采用 45 号钢。其上  半部分固定，下部分通过调节螺栓顶紧链条，进而对抓绳  足进行压紧，下半部分受力情况相对复杂，应对其进行仿  真分析。通过对驱动力以及摩擦力的相关计算，得知当爬  绳机器人满负载运行时，压紧装置需要提供至少1 230 N的  压紧力。图10~11所示分别为下部分夹紧装置的应力、应变  图。由图可知，应力最大处为底部支撑筋处，为 320 MPa， 最大应变为 0.001 mm，故整体满足设计及使用要求。

　　4.3   整体框架

　　整体框架是机器人主要受力部件， 主要完成爬绳机 器人零部件固定和承重工作。为提高设备的安全性和稳 定性。机器人整体框架采用 45 号钢钢板， 当爬绳机器人 最大负载运行时， 取安全系数 S = 10， 在机器人整体框 架上加 10 kN 的载荷， 整体静应力以及位移分别如图 12~ 13 所示。由图可知， 框架上半部分所受应力普遍大于下 半部分，最大应力为 470 MPa，符合强度及功能要求。

　　5    结束语

　　为解决丘陵山地等地区重物运输问题， 本文基于连续式爬绳机构设计了一款履带式爬绳机器人。通过在丘陵山地搭建的索道上往复运动来完成运输工作。和其他同类机器人相比， 该机器人可以广泛应用于丘陵地区复杂地形和曲折路段的货物运输。履带式爬绳机器人基于双绳条件， 采用两个爬绳机构中心堆成布置的结构， 从结构上避免了机器人运动过程中侧翻和倾斜问题。该机器人采用单个电机驱动爬绳机构提供爬升动力； 基于连续式爬绳机构原理， 设计了一款带耳链条上安装爬绳足的履带式爬绳机构， 能够实现机器人沿绳索的稳定爬行。完成了爬绳机器人整体结构和控制系统的设计， 对关键足了数控机床应有的切削加工要求，而且还能完成上下料、 清洗和检测等任务，大大降低了劳动强度，提高了工作效  率，实现了数控机床的智能化生产功能，在减少劳动强度  的同时大幅缩短了生产周期，提高了生产效率和产品质量。

　　本次改造的智能协作机器人 CNC 上下料系统是继 FANUC 数控机床自动上下料系统开发实践探索后的又一 次创新与实力跃迁， 研究成果可为智能制造领域的发展 提供参考。

　　参考文献：

　　[1] 薛桥, 惠慧 . 智能制造技术在工业自动化生产中的应用研究 [J]. 造纸装备及材料, 2023, 52(2): 99-101.

　　[2] 赵剑庆 . 智能机器人数控技术在机械制造中的应用分析[J].中 国机械,2021(4):51,53.

　　[3] 段好运 . 机床数控技术在智能制造中的应用探讨[J]. 中国设 备工程, 2021(14): 257-258.

　　[4] 霍淑珍, 何志超 . 协作机器人在智能制造中的应用[J].机床与 液压, 2021, 49(9): 62-66.

　　[5] 杨超 . 智能制造领域协作机器人的应用分析[J]. 产业与科技 论坛, 2022, 21(2): 35-36.

　　[6] 王皓 . 新一代柔性协作机器人引领智能制造数字化的创新之 路[J]. 机器人产业, 2021(5): 56-57.

　　[7] 申红娇,邱继红,徐方 . 基于多项式螺旋线的智能叉车路径规 划研究[J].机电工程,2022,39(10):1477-1483.

　　[8] 刘泽双, 韩金, 王一帆 . 智能制造人机协作运行功能标准模型 研究[J]. 科技进步与对策, 2022, 39(20): 21-31.

　　[9] 朴永杰, 朱振友, 陈善本 . 机器人焊接柔性制造系统的多智能体协调控制[J]. 系统仿真学报, 2004, 16(11): 2571-2574.

　　[10] 谢朋霖 . 基于直角坐标机器人的数控车床自动上下料控制系统设计[J]. 机电工程技术, 2020, 49(6): 85-87.

　　[11] 钟德钧 . 基于 PowerMill Robot 结合 Roboguide 的机器人数控 加工方法[J]. 机电工程技术, 2023, 52(4): 227-230.

　　[12] 蔡启培, 朱东霞 . 数控机床智能化改造技术案例探讨[J]. 现 代制造技术与装备, 2020(6): 189-190.

　　[13] 刘志彪, 徐天舒 . 我国制造业数字化改造的障碍、决定因素 及政策建议[J]. 浙江工商大学学报, 2023(2): 92-105.

　　[14] 吴冬燕 . 智能化改造与数字化转型背景下高职电子信息类 专业改革[J]. 工业和信息化教育, 2022(12): 56-60.

　　[15]柳青黄 . 先进制造业高质量发展新引擎[J]. 中国新时代,2023 (1):34-39.

　　[16] 程楠 . 培育先进制造业集群 推进制造业高质量发展[J]. 中国 工业和信息化, 2021(11): 60-63.

　　[17] 高巍, 郭茜 . "智改数转" 背景下智能制造实训基地改造提升 的研究与实践[J]. 智能制造, 2022(6): 120-123.

　　[18] 申宾德, 李玉荣 . 基于 " 学历教育+职业培训 " 融合下的智能 制造专业群课程体系的构建与运行[J].装备制造技术, 2022 (12): 193-196.

　　[19] 陈奎, 朱晓瑛 . FANUC 数控机床自动上下料系统开发[J]. 电 工技术, 2021(16): 6-8.

　　[20]王慧东 . 基于 FANUC 数控系统的机器人自动上下料应用研 究[J]. 内燃机与配件,2021(2):53-54.