I直立细长杆快速爬升摩托车结构设计摘 要随着科学的发展和科技的进步，机械设备越来越成为人们生活中不可或缺的一部分，而本次毕业设计我们主要研究了机械设备家族中的爬杆机械设备，希望能创造出一种既简单又实用的爬杆机械设备以满足人们相应的需要本论文首先主要介绍了有关爬杆机械设备的相关背景、目前国内外某些爬杆机械设备的发展状况和相应存在的一些问题，其次对爬杆机械设备方案的选择进行了相应的比较和分析，之后进入设备的实体设计阶段其次，论文的重点主要是对爬杆机械设备进行相应的设计，其中包括爬杆机械设备摆臂的设计，主框架的设计、旋转轴的设计以及链轮传动设计等等，同时对施工人员安全问题进行考虑和选择最后，对本次设计进行了总结和展望关键词：爬升，机器，设计，安全，三维建模Structure Design of Vertical Fine Long Rod Fast Climbing MotorcycleAbstractWith the development of science and technology, mechanical equipment has become an indispensable part of people's life, and this graduation project we mainly studied the climbing rod mechanical equipment in the mechanical equipment family, hoping to create a simple and practical climbing rod mechanical equipment to meet the corresponding needs of people.In this paper, the background of the climbing rod mechanical equipment, the development of some climbing rod mechanical equipment at home and abroad and some problems are introduced. Secondly, the paper focuses on the corresponding design of climbing rod mechanical equipment, including the design of swing arm of climbing rod mechanical equipment, the design of main frame, the design of rotating shaft and the design of sprocket transmission, etc. At the same time, the safety problems of construction personnel are considered and selected. Finally, this design is summarized and prospected.Key words: Climbing, Machine, Design, Safety , 3D ModeIII目 录摘 要 IAbstract II1 绪论 11.1 背景 11.2 爬杆机器人的分类 11.3 国内外现状 21.3.1 气动爬升机构 21.3.2管外螺旋爬升机构 31.3.3电机转轮爬升机构 41.3.4弹性黏着爬升机构 51.4 课题研究目的、内容及其意义 62 爬杆机器方案的选择 72.1 总体方案分析 72.2 个人轮式爬杆机械设备分析 82.3 爬升机构设计时应考虑得问题 92.4 环境分析 103 主要零部件设计、选用及校核 113.1 爬杆机械设备摆臂及滚轮的设计 113.2 爬杆机械设备主框架的设计 133.3发动机的选择 153.4主旋转轴的设计及校核 163.5 链传动的设计与选择 183.6 拉力弹簧的设计 203.7 加紧装置的设计 223.8 座椅的设计 233.9 三维模型 254 总结与展望 284.1 总结 284.2展望 28致 谢 30参考文献 3133 直立细长杆快速爬升摩托车结构设计1 绪论1.1 背景“机器人工程的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成果，是我们这个时代最重要的自动化。
这是上世纪机器人学者宋智安对成果的概括同时，机器人技术也是20世纪人类最伟大的发明之一自20世纪60年代初期以来，经过40多年的发展取得了巨大的发展成熟的工业机器人和为各种目的而设计的特殊机器人的实用性应用，代表着机器人技术灿烂的未来所以我们必须去了解它近年来，在中国大学里，机器人、机械电子作为典型的载体，电脑技术、人工智能等，已被广泛用于工程系学生的教学课程模特机器人逐渐成为优质教育和技术实习的主题之一，正在举行各种机器人大赛在21世纪，人们在工业，生活和社会中已经越来越多地体验到机器人的坚固的速度所有这些都表明机器人的技术越来越接近我们但我们能给机器人下个具体的定义吗?有人认为机器人什么都能做，有人认为机器人应该和人一样(什么是机器人?)机器人虽然很难给出正确的定义，但一般来说，电脑控制机器人是一种可以根据环境和工作需要进行编程的自动机器，在划伤或移动功能等人物化功能中至少会有一个以上，或者对特定环境的认识程度也会有所不同(例如:从视觉上、力量等)，触摸、关闭及声音功能、逻辑思考、判断、议事决定功能等环境中对作业的要求事项，可以代替人类在21世纪，随着科学技术的迅猛发展，现代化进程也加快了，机器人的创新和研究越来越成为国家科技的力量，机器人也越来越成为各领域的重要组成部分，因此机器人的开发越来越方便，越来越快，越来越成熟。
在世界经济快速发展的前提下，中国的国家经济实现了快速增长，人民的生活水平日新月异，城乡连同无数的高楼大厦，电线杆，油灯等高楼大厦，日新月异这根木棍长时间暴露在空气中，容易受到腐蚀和污染，影响城市美丽，缩短寿命，大大提高风险，给人带来诸多不便和危险但是，这种清洗和维护的条件，使得无效率，高昂的成本，低成本的安全系数和高清晰度的工作必须完成，容易造成危险如果使用高压水枪清理，就会造成比损失更多的人力和材料资源的浪费你可以想象，机器可以被设计来帮助人类进行清洁或者工作从而降低人们工作的风险，提高工作效率1.2 爬杆机器人的分类爬杆机器人的种类有很多：按驱动方式来分有：气动爬行机器人、电动爬行机器人、管外摩擦式[1]和液压驱动爬行机器人[2]等按照仿生学来分有：螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人[3]等按行走方式可分为：轮式[4]、履带式、蠕动式、多足式等按工作空间来分可以分为：管道爬行机器人、壁面爬行机器人[5]、球面爬行机器人、陆地移动机器人、水下机器人、空间机器人等按功能用途可分为：焊接爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、巡线爬行机器人等根据不同的驱动方式和功能等要求可以设计适应不同环境的爬行机器人，以供生产生活需要。
1.3 国内外现状爬杆机器人只是众多机器人当中的一种，爬杆机器人以为需要克服重力的作用而可靠地附着在爬升表面之上并自主移动，完成特定条件的作业，区别于平面作业的机器人，故爬杆机器人是非常重要的一个研究分支国内外的学者很早就对爬杆机器人进行研究，获得了丰硕的成果目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要由电动机械爬杆机器人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人等电动机械式爬杆机器人是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杆体的摩擦是爬杆机器人沿杆体上升下降螺旋于东爬杆机器人的爬行是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定的角度，这样轮子转动时它在杆体上形成的便是螺旋轨迹，通过电机的正反转控制机器的上升与下降电动机械式爬杆机器人，均是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动机器沿杆体完成上升与下降的动作工作阻力和重力之和大于摩擦力就并不能安全工作，并且机器的结构很是复杂[6]气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机器实现交替夹紧和移动，其向上爬行是气缸动作一个周期的过程为下部气缸夹紧，上部气缸松开，提升气缸活塞杆伸出，上部上升；上部气缸夹紧，下部气缸松开，提升气缸体上身，下部上升。
不断重复这样的运动，便可以实现连续爬行对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降的动作的实现全是由气压控制，需要起源和气动控制系统，因此设备的成本比较高以下是有代表性的几种有代表性的爬升装置[7]1.3.1 气动爬升机构 机构分上体、下体两部分,上、下体安装板由铝板制成,其间由两个提升气缸 和三组导向轴副连接,可相对移动一个行程距离,见图1-1上、下体安装板上沿圆周方向均布有三个安装块,用于夹紧缸、夹紧爪、导向轮总成的安装提升气缸上部的活塞杆端头通过浮动接头与上体安装板联接,缸体由中央轴与下体安装板联接.导向轴承座及气阀安装板等安装于下体安装板上,气阀安装板上布置着大部分气动元件导向轴随上体安装板沿轴承座内的直线运动轴承移动时,能沿轴线作轻微的摆动,使整体结构可以沿变异弯曲管件爬升上、下体安装板上开有安装缺口,为使机构方便安装于管件上用[8]如图1-1所示根据仿生学原理,采用蠕动的方式前进和后退,动作简单可靠机构动作由气缸驱动，运动中至少保证上、下夹紧气缸组有一组夹紧管件,防止机构因自重作用而下滑机构向上爬升时：（1）下体夹紧气缸夹紧；（2）上体夹紧气缸松开；（3）提升气缸活塞杆伸出，上体上升；（4）上体夹紧气缸夹紧；（5）下体夹紧气缸松开；（6）提升气缸缸体上升，下体上升。
如此重复,机构就可以连续爬升机器人下降时改变动作节拍循环导向气缸一直处于工作状态1.上体安装板 2.导向轮总成 3.加紧装置 4.下体安装板5.气阀安装板 6.提升气缸 7.导向轴 8.导向轴 9.安装板10.导向气缸 11.加紧气缸 12.浮动接头图1-1 气动管外爬升机构这种方式的优点有：机构自重轻、可负荷量大、速度调节范围宽和通用性强；它的缺点有：气动控制成本较大1.3.2管外螺旋爬升机构绝缘套管清洗机器人爬升机构的设计要求是：机器人能顺利爬升和下降绝缘套管，并且结构简单、可靠性高、运行稳定绝缘套管的材料为陶瓷，外形如图1-2所示，表面由一个个伞盘构成，且大小伞盘交替出现考虑到套管的特殊外表面齿形，本文提出采用多个螺旋轮与伞盘啮合来完成机器人的爬升运动如图1-2（a）为伞盘与螺旋状处于啮合状态，亦可看成蜗杆传动在驱动装置的驱动下，螺旋轮转动，并受到套管伞盘给它的向上的轴向力，从而推动整个装置以平行于套管轴线的方向向上运动螺旋轮在与套管伞盘啮合传动时具有自锁性，在机器人停机时，不会因为自身重力而向下运动开始曾设想用三只螺旋轮子来完成爬升运动，但经过分析，在这种方案的切向受力不平衡，会使整个爬升平台产生绕套管的旋转。
最后确定用三对左右旋搭配的6只主动轮驱动，这样可以使各轮的切向力抵消，使平台运转平稳三对驱动轮沿周向120°均匀布置，每对驱动轮中的两轮旋向相反整个的机架也做成圆形，并分成两部分装配在一起，可以张开与闭合，以完成机器人在套管上的安装与拆下，见图1-2（b）所示[9]a）螺旋轮与伞盘啮合 （b）六轮分布机构图1-2 套管清洗机器人爬升机构它的优点有：该机构爬升稳点，不会有很大的偏移；它的缺点有：使用环境单一，只能在特定的直立杆上运用1.3.3电机转轮爬升机构斜拉桥上缆索的倾斜度一般为为了能顺利爬升大倾斜度的缆索，必须尽可能减少各种阻力，增加爬升力另外，无论对于圆柱形或螺旋六棱柱缆索，轮式爬升机构都会由于重力或轮子与缆索的受力情况而发生旋转现象而清洗应工作在稳定(非旋转)状态，因此研制了缆索I号机器人样机，其机构简图见图1-3所示该样机采用了内外框架结构，内框架设置爬升机构，可随缆索螺旋上升，外框架联接维护机构．由外加重力保持稳定位姿，内外框架之间由转动活的垂直轮和水平轮联接动力源是采用3重驱动，并在3个蜗轮蜗杆减速器的输出轴上分别装上编码器，通过反馈回路控制3个电机转速同步。
为了适应不同直径的缆索，该样机设计了粗调和细调2档压紧机构，粗调用于大变径的缆索，而细调用于小变径的缆索另外，该样机设有安全机构，在停电或发生其它意外情况下，样机能从高空缆索缓缓滑回地面[10]图1-3 缆索爬升机构它的优点有：安全性高，动力稳定；它的缺点有：只能在特定条件下进行使用，而且只用于缆索的安装1.3.4弹性黏着爬升机构机器人动力学的实现灵感来自壁虎攀爬如图1-4(a)平衡倾覆力矩的策略，前肢产生较小的正常粘合力，后肢推开图1-4(b)通过仿生尾巴、弹性胶黏效应、静电力同时作用对前滚轮施加正常的粘合力图1-4(c) ELADs的自由体图[11]图1-4 爬壁机器人该机构主要是仿造壁虎来研究的，该机构的核心就是履带上的材料，这是通过很多次的反复试验研制出来的，还有一个特殊之处就是，他的轨道是特制的，与它履带上的材质相匹配，履带移动时会与轨道产生很大的吸附力，从而达到不会掉落的目的图1-5所示是它在不同时刻的状态图1-5 爬壁机器人在不同时刻的状态它的优点有：不需要外界挤压力，运动稳定；它的缺点有：特定性，履带和轨道都是特质材料，成本高，难批量生产1.4 课题研究目的、内容及其意义随着我国国民经济的飞速增长、人民生活水平日益提高，城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等，它们通常5-30m，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃钢结构等，由于常年裸露在大气之中，风沙常年累月的积累会形成灰尘层，会污染和影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑，特别是金属杆件造成损坏，加快它们的生锈，并且也会缩短它们的使用寿命，需要定期进行壁面维护和保养工作。
为保持清洁，许多国际性城市诸如厦门、深圳、香港等地规定，每年至少清洗数次目前传统的清洗技术主要分为人工清洗（化学药剂清洗）和高压水枪清洗等方法其中人工清洗是由清洁人员搭乘吊篮，进行高空作业来完成，工人们的工作环境恶劣，具有很大程度的危险性，工作效率也很低，耗资巨大；高压水枪清洗耗能比较大、成本高，且对周围环境有很大的影响在利用高压水枪进行清洗时，它的周边不能有车辆、行人通过，而且也不能有过近的建筑物其他的高空作业诸如：各类杆状建筑的油漆、喷涂料、检修、维护、电力系统架设电缆等工作，主要是由人工和大型设备来完成，但它们都集中表现出效率低、劳动强度大、耗能高等问题所以设计一种爬升立杆机构[12]，协助人们完成相应的工作是非常有必要的快速爬升摩托车的使用将大大的降低高层杆状建筑的清洗成本，改善工人们劳动的环境，提高劳动生产效率这种机器的研制设计必将有很大的社会效益、经济效益和广泛的应用前景该课题只在设计一种新型的，结构简单的、经济适用、价格便宜、操作简单的直立细长杆爬升机构2 爬杆机器方案的选择2.1 总体方案分析欲使机器在赶上自由的移动，必须具备两种功能：贴附功能与移动功能贴附的方式有吸附式和加持式两种，移动方式有轮式、履带式、腿式以及蠕动式四种[13]。
这些不同的方式可以进行多种组合，形成多种风格的机械机构或机器吸附式是通过面接触的方式紧贴于壁面上，夹持式是靠点加紧在立杆或者立柱上吸附式又有真空吸附和电磁吸附之分，其中真空吸附式用的比较多，因为它对壁面的要求不是十分的严格；电磁吸附承载能力大，有很强的适应能力，但是其应用范围窄，需要立杆或则立柱的壁面里含有电磁场，及可吸附的含铁、钴、镍等材料各种贴附方式的优缺点如表2-1所示：表2-1 爬杆机器贴附方式的比较贴附方式概要特点夹持式机械手由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在立杆上能适应任何杆体吸附式真空吸附真空泵设置许多吸盘，由真空泵装置产生吸附力，是机器人吸附在杆面可实现小型、轻量化，无需附加供气装置，但要求壁面有一定平滑度喷射器在本体上安装喷嘴，有喷射器经喷嘴将压缩气喷出，其周围形成真空，吸附在壁面上能效低、噪音大，且需要供气装置，但可以达到较高的真空度，对壁面适应性强电磁吸附永磁体由永磁体产生吸附力，吸在壁面上吸附时不需要外部能量，但只适用于导磁壁面的吸附电磁铁电磁铁通电将其吸附在壁面上吸附时需要电能，只适用于导磁壁面在设计移动机械或机器时，首先应考虑该机械设备的用途，因为根据不用的用途需求，移动机器人的移动机构也会有所不同。
此外，还应考虑该机械设备的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外形尺寸及制作成本费用等因素作为杆件爬升机械设备，根据现有的技术方案，有很多种移动方式可以选择各种移动方案[14]的比较如表2-2所示：表2-2 爬行机械设备移动方式比较移动方式优点缺点轮式移动速度快，控制方便，结构简单接触面积小，越障能力差，易打滑履带式接触面积大，承载能力大，移动速度快，适应能力强履带磨损大，结构复杂，机动性差腿式越障能力强，承载能力大，机动性好，具有 很强的壁面的适应能力结构复杂，间歇移动，速度慢，关节和足数多，控制复杂蠕动式承载能力大，运动平稳，控制简便，适应能力强运动速度慢，结构复杂根据本课题设计所应用的环境，以及考虑系那是生活中的实用性与结构简单的原则，要求有一定的承载能力，快速爬升，操控方便等要求，通过对比各种方案，我选择了轮式爬杆机器的结构设计，这种方案基本能够满足课题要求及工作状况对于轮式爬杆机器[15]，它具备以下优点：结构简单，可操作性强，控制方便，移动速度快的特点为了达到载人及快速上升的要求，我采用发动机的驱动方式，该驱动方式的运动精度高，方便，成本较低切驱动效率高2.2 个人轮式爬杆机械设备分析在本方案的设计中，采取轮式爬杆机械设备的设计，主要以实现机器沿立杆向上爬升为主。
主要动力源则是由发动机带动链轮，通过一系列的链传动给轮子提供动力，实现向上爬升的作用因为是在竖直方向的运动，所以只要是摩擦力提供的向上爬升的动力，只要摩擦力大于沿轮子表面的驱动力，就可以实现向上爬升运动的功能为了满足摩擦力的大小，以及轮式移动方式打滑的缺点，我们可以通过选择与电线杆等杆状物接触的材料，如橡胶材料来改善其容易打滑的特点，同时也能增大滚轮与立杆间的摩擦力初步方案简图如下图所示2-3：1.发动机 2.轮子轴连架杆杆 3.座椅 4.立杆 5.滚轮6.轮子轴上的链轮 7.链条 8.主旋转轴 9.拉力弹簧图2-3 爬升机构原理简图该爬升机构的基本工作原理就是：由发动机1通过链条带动与主旋转轴8相连的链轮，使主旋转轴8转动起来然后，主旋转轴8通过链条7的链轮链条传动是的轮子轴上的链轮6旋转，从而给滚轮5提供逆时针旋转的动力拉力弹簧9主要是限制轮子轴连架杆2的上下转动，提供一个预紧力同时拉力弹簧9也为滚轮5提供一个正压力，从而更好地贴合立杆壁面，产生比滚轮旋转更大的动力能够让该爬升机构实现上升运动的关键因素就是，拉力弹簧所产生的垂直于壁面的正压力与滚轮和壁面间的摩擦因素的乘积是否大于滚轮所产生的旋转力。
2.3 爬升机构设计时应考虑得问题由于爬行设备的特殊性，所以设计时需要考虑的主要问题有：（1）从机械设备爬杆动作的特殊性及提高运动型和安全性方面考虑，需尽量使爬杆机械设备的体积小、重量轻2）从系统的工作性能上考虑，应尽量使爬杆机械设备的工作冲击较小，运行平稳，提高工作时的稳定性 （3）从机械设备的作业环境来看，由于机械设备是在杆上爬行，在结构设计时应该充分考虑空间对结构尺寸的限制，力求机构简单可靠4）由于机械设备的体积受限，所以在设计和布置时需要在尽量保证机构功能、强度和性能的条件下，尽量减小零部件的体积在布置各部件时，除考虑部件自身占据的空间地位外，还要给予检查、维修及更换部件时所必要的空间5）从系统的成本以及各零部件的加工难度和加工时间考虑，各零件和材料的加工和选取，尽量采用市场上可采购的材料和已有小零部件（如螺栓、弹簧等），减少自行设计和加工的原件，以减少设计难度和提高系统的可靠性，降低机械制造成本2.4 环境分析面对爬杆机械设备的设计这个课题，我们首先要做的是把这个课题简化，希望所设计的结构越简单越好，而不是让它复杂起来第一，虽然爬杆机械设备所处的环境是在室外即使在以后的实际应用中这些诸如灰尘、雨雪、低温以及强烈震动等恶劣环境是必须的，但是我们不需要额外考虑机械设备在这些情况下的设计问题，第二，对特定环境的分析。
因为我所设计的是爬杆机械设备，所以这个立杆或则立柱是非常重要的初步的设定是这样的：（1）立杆或则立柱的直径在150-300mm之间，也许这不是很重要的但至少可以在某一种杆上顺利爬行，它的直径可以是250mm或者是市场上现成的在150-300mm之间的杆，以实现变径杆的爬升[16]2）杆在空间是牢固的，不会来回摆动，也不会倒下，主要是针对直立杆或直立的树3）立杆或立柱的表面是什么样的，这就好比制作移动机械设备时的地面情况，基于第一条的设想，整个杆的材质是一样的，它的表面也基本是一样的，而且是常用的表面情况，至少它不是两种极端情况，即它不是光滑的，也不是黏糊糊的在它的上面也没有钉子、口香糖等障碍总之，是比较理想的综上所述，我所制作的机器是能在室外环境下运动，沿常用杆做爬升运动，爬杆机器体积不会太大，而且不会脱离杆，同时在移动过程中是靠自身的动力系统提供动力的而且在运动的情况下，能始终保证承载人员的安全，不会造成对人员的伤害3 主要零部件设计、选用及校核 3.1 爬杆机械设备摆臂及滚轮的设计在本次爬杆机械设备摆臂（与轮子轴相连的连架杆）的设计中，爬杆机械设备摆臂需要与电线杆的立柱直接接触，原理则是利用摩擦力使得爬杆设备能够在电线杆等杆类形状的立柱上不至于滑落并且能够向上运动或静止在杆类形状的立柱上。
因此在设计爬杆机械设备摆臂之前，我们需要先选择我们所设计的爬杆机器人固定的杆的直径大小，以便我们设计各个部分的尺寸大小在这里，根据实际的具体情况和现实生活中存在的杆类立柱来看，我选择的是水泥材质圆柱形电杆[17]其中一种水泥材质圆柱形电杆的具体尺寸是：直径是，高度为在本课题设计里主要以直径为的立杆为主在本次设计总体方案摆臂部分中，它的简体如图3-1所示发动机启动，通过链传动带动链轮和旋转轴旋转，旋转轴的旋转再带动另一个链轮转动，再通过链传动传递到与圆柱形电杆接触的滚轮上，轮式机械手这样可实现上、下移动，从而实现我们所要求的运动图3-1 爬杆机械设备摆臂部分简图在本次爬杆机械设备摆臂的设计过程中，在两摆臂之间必须加上一个拉伸弹簧此拉伸弹簧的作用：一是拉伸弹簧对上摆臂提供一个向下的拉力，对下摆臂提供一个向上的拉力，这样上下两轮都有一个对金属材质圆柱形电杆的正压力，产生的摩擦力使得爬杆机器人紧固在杆上；二是弹簧具有活动性，当圆柱形电杆的直径不为25cm时，整个爬杆机器人可以通过对弹簧的调节使得所设计的爬杆机器人能作用于大部分杆上，使其具备很大的实用性，能满足不同立杆的需求在选择传动连接上，杆与杆连接使用铰接，因此设计为了得到更好的运动准确性，杆与杆连接采用打孔定位轴连接，即满足转动即可。
关于杆的材料的选择，由于此爬杆机械设备大多数是在空中完成操作，长期处于高空状态，可以选择45号钢[18]，45号钢不仅便宜，常用，应用范围广，而且在退火、淬火和热态下的可塑性好，可热处理强化、在淬火或自然失效状态下使用，点焊焊接性良好用作中等强度的零件非常适合上下摇臂杆的图形如图3-2所示a）上摇臂杆 （b）下摇臂杆图3-2 摇臂杆通过上面对圆柱形立柱的选择，知道立柱的直径为250mm，在我们设计的过程中，由于三角形具有稳定性等等一系列优点，同时三点可以确定一个圆所以我选择在立柱的三个方向都设计一个带轮的摆臂与立柱接触，利用摆臂与立柱之间产生的摩擦力使得爬杆机器人固定在立柱上，甚至能沿着立柱向上运动，因此我们选择的方案是爬升机械框架上下边框上沿圆周均匀安装三套爬行机构，相互夹角120°等间距布置，构成两个各包含三套爬行机构且上下平行的驱动截面，使牵引力分散产生，增强行走时的自定心功能，有利于稳定检测[19]三套爬行机构只有一套为主驱动，另外两套只是其辅助支撑和分力作用首先我们需要选择与圆柱形立柱接触的轮的直径大小、厚度和材料考虑到立柱的直径大小为250mm，同时考虑到整个爬杆机器人的总体大小，而且与滚轮相连的旋转轴上还得装轴承及轴承座，所以选择与圆柱形立柱接触的滚轮的直径为140mm，同时取滚轮的厚度大小为32mm，在材料的选择方面，考虑到选择的材料在与水泥立柱接触的时候所需的摩擦力越大越好，因此我们对于滚轮的材料方面的选择为硬质橡胶材料，主要是因为硬质橡胶材料普遍、经济实惠、应用范围广，而且作为橡胶材料它与其它物体接触时的摩擦系数高[20]，μ=0.85。
下面是一些滚轮以及滚轮与立杆接触的图片，如图3-3所示 （a）滚轮 （b）滚轮与立柱图3-3 滚轮及其接触关系3.2 爬杆机械设备主框架的设计在设计爬杆机器人主框架的过程中，应考虑它对负载的方便性、负荷能力和整体架构方面设计时应该注意以下问题：1.刚度：是指机身在外力作用下抵抗变形的能力[21]它是用外力和在外力作用方向上的变形量之比来度量的变形越小，则刚度越大爬杆机械设备的主框架的刚度方面是一个突出的问题为提高刚度，应注意以下几点：（1）根据受力情况，合理选择框架形状和轮廓尺寸主框架通常需要承受弯曲力和扭转力，应选用抗弯和抗扭刚度较大的截面形状2）提高支承刚度和接触刚度机身的变形量不仅与结构刚度有关，而且于支承刚度及支承物和框架的接触刚度有很大关系要提高支承刚度，一方面要从支座的结构形状、底板的连接形式等方面考虑；另一方面，要特别注意提高配合面间的接触刚度，即保证配合表面的加工精度和表面粗糙度2.精度：爬杆机械设备在主框架的精度也是非常重要影响整个爬杆机械设备的精度不仅体现在摆臂上，在主框架的设计中也需非常重视，而且就导向装置而言，其导向精度、刚度和耐磨性等对爬杆机器人的精度和其他工作性影响很大，在设计时应注意。
3.平稳性：为了提高爬杆机械设备工作时的平稳性，应该注意摆臂和主框架的运动部件应力紧凑、质量轻，减少惯性力在上述设计的基础上，再根据所设计的摆臂的尺寸和简单的原则，我所设计的主框架的大致图形如图3-4所示a）主框架闭合 （b）主框架打开图3-4 主框架在图3-4中，左边的框架主要是因为需要载人，并且还需要设计一个供工作人员坐下的椅子，所以需要设计成实心的而右边只是承载发动的重量，只要能将发动机固定在上固定杆上就行设计成可打开式的形式主要是为了能够方便施工人员将爬升机械设备装在立杆之外，同时也能够便于调节使爬升机械设备的滚轮密切与立杆接触开口闭合处，使用光滑圆柱铰链连接，这样既方便又可靠，大大提高施工人员的安装效率，从而缩短工期，提高生产效率主体框架结构为了满足刚度的要求采用45号钢材料3.3发动机的选择本课题就是摩托车爬升机构，所以采用摩托车发动机，这样能更好地提供动力参数，也能呼应课题题目发动机又因燃烧的燃料不同，又可分为汽油发动机和柴油发动机汽油发动机（Gasoline Engine ）是以汽油作为燃料，将内能转化成动能的的发动机由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。
汽油机的特点是转速高、结构简单、质量轻、造价低廉、运转平稳、使用维修方便柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机，优点主要是因为喷油泵和喷油器加工精度要求高综合以上两种发动机的对比，选用汽油发动机比较合适，虽然他的价格相对较贵，但是它能够提供稳定的动力源，以及它的质量轻最为关键[21]在设计时设定最大转速,额定转速，额定功率，额定扭矩如图3-5发动机图图3-5 发动机模型3.4主旋转轴的设计及校核因为链轮传动的传动比设计为，以主旋转轴的转速，由于链轮传动的机械效率，因此主旋转轴的传递功率1.按抗扭强度计算：按抗扭强度条件计算[23]，是旋转轴强度计算以及初步估算转轴的直径，以便进行结构设计对于转轴，结构设计前，零件的位置未定，则轴上载荷作用点和支撑点的位置未定，无法计算弯矩，为此可按抗扭强度条件初步估算直径，采取降低许用扭应力的方法来考虑弯矩的影响轴的抗扭强度条件为： (3-1)式中：——扭应力，单位；——轴所受的转矩，单位；——轴的抗扭截面系数，单位为对于实心轴：——轴的转速，单位为； ——轴传递的功率，单位； ——计算截面处轴的直径，单位为； ——许用扭切应力，单位，见表3-1。
表3-1 轴常用几种材料[τT]及C值轴的材料Q235-A3，20Q235，351Cr18Ni9Ti4540Cr,35SiMn,38SiMnMo,3Cr13 15～2520～3525～4535～55C149～126135～112126～103112～97由此可得实心轴的最小直径为： （3-2）式中 C-许用扭应力系数，对于本设计，选取45钢[22]，由表3-1取C=112.所以由（3-2）得：所以，取最小轴径为，图3-5是旋转轴的三维图及各段轴长度的设计图3-5 主轴尺寸及三维模2.按扭转刚度校核轴受转矩作用时，对于钢制实心阶梯轴，其扭转角（单位为°）的计算公式为： （3-3）式中：——第段所传递的转矩，单位为； ——阶梯轴第段的长度，单位为；——阶梯轴福段的直径，单位为;——阶梯轴计算长度内的轴段数； ——材料的剪切弹性模量，对于钢； ——许应扭转角，单位为°又因为 （3-4）所以 表3-2 许用扭转角应用场合扭转角/（°/m）一般传动0.5-1较精密传动0.25-0.5重要传动<0.25由表3-2可知，所设计的主旋转轴满足刚度要求，符合使用标准。
3.5 链传动的设计与选择在本次设计过程中，需要通过中间挠性曳引元件传递运动和动力，而其传递方式的选择有带传动和链传动对于带传动而言，它的主要优点是：有缓冲和吸振作用；运行平稳，噪声小；结构简单，制造成本低；可通过增减带长以适应不同的中心距要求；普通带传动过载时会在带轮上打滑，对其他机件有保护作用它的主要缺点是：传动带的寿命较短；传递相同圆周力时，外廓尺寸和作用在轴上的载荷比啮合传动大；带与带轮接触面间有相对滑动，不能保证准确的传动比对于链传动而言，链传动通过链轮的轮齿与链条的链节相互啮合实现传动，依据链条结构的不同，有套筒链传动、滚子链传动和齿形链传动它具有以下特点：可以得到准确的平均传动比，并可用于较大的中心距；传动效率高，最高可达98%；不需要张紧力，作用在轴上的载荷较小；容易实现多轴传动；能在恶劣的环境（高温、多灰尘等）下工作；由于瞬时传动比不等于常数，所以链的瞬时速度是变化的，故传动平稳性较差，速度高时噪声较大而且链传动主要用于两轴中心距较大的动力和运动的传递根据实际情况，再者分别考虑带传动和链传动的优缺点，在这里我们选择的是链传动作为传动方式在本设计的过程当中，我们采用的链传动为齿数相同的链轮，并且在链传动的形式中我们选择的是滚子链传动。
由于在链传动中，一般链轮的寿命远大于链条的寿命因此，链传动传动能力的设计主要针对链条进行在链轮材料的选择上，链轮材料应保证轮齿有足够的强度和耐磨性，故链轮齿面一般都经过热处理，要求达到一定的硬度要求而且在传动过程中，符合小链轮轮齿的受载次数比大链轮轮齿多，磨损和冲击比较严重，因此在设计的过程中，因保证小链轮的材料较好，齿面硬度较高选择链传动的步骤如下所示已知：发动机的功率，,水平布置1、 确定链轮齿数和传动比：假设链速，由表3-3的取=25，传动比i=1所以=25表3-3 小链轮齿数的选择链轮v(m/s)齿数z12、确定计算功率：由《机械设计基础》表9-10得 ，由 （3-5） 则2、 确定链节数:初选中心距，由： （3-6）则，取 3、 确定链节距p和排数n:由《机械设计基础》图9-15按小链轮转速估计，链工作在功率曲线顶点的左侧时，可能会出现链板疲劳破坏。
同上，由表9-11可查的小链轮齿数系数： 链长系数： 选取单排链n=1,由《机械设计基础》表9-12查得多排链系数,故得所需传递的功率 （3-7）所以根据小链轮转速及功率，查《机械设计基础》图9-15，选取单排10A型滚子链实际工作点在功率曲线顶点的左侧，与估计一致，不需重新计算P0值同样的文献里，查表9-1得链节距4、 验算链速： （3-8）所以，因此选择合适5、 确定链长及中心距： （3-9） （3-10）所以， 6、 计算作用在轴上的压轴力由： （3-11）得：。
3.6 拉力弹簧的设计通过静力学分析，整个爬杆设备主要就是承受向下的重力，轮子与壁面间的摩擦力就可以达到平衡状态而且，整个爬杆设备在上升过程中始终保持匀速的工作状态，中间的拉力弹簧只是构件的内力，在整体力学分析里上下两个拉力抵消所以拉力弹簧就只是限制上下摆臂的移动，使滚轮更好地贴合壁面所以，拉力弹簧所产生的拉力，只要大于摇臂杆的重量即可满足条件a）直径为的杆上（b）直径为的杆上（c）直径为的杆上图3-6 弹簧的长度变化图由图3-6可知，弹簧在与立杆接触后会随着立杆直径的变大而被拉长，此设计中采用立即弹簧从工作初到工作结束，弹簧会经历由短变长，由长变短的过程在立杆上由图3-6可知，弹簧的长度变化为因为在装杆前，弹簧没有受力，所以弹簧是原始状态设定弹簧的总体变化选用合金弹簧钢丝，他有着弹性好，回火稳定性好，易脱碳，用于承受较大载荷的弹簧弹簧的劲度系数可以由式（3-12）获得 （3-12）在我的设计中，还给它增加了一个气压装置，这样就使他变得像一个气压减震一样，可根据不同的使用情况，来调节他的弹力大小。
如图3-7所示图3-7 弹簧3.7 加紧装置的设计因为在本设计中，用到了滚轮，并且在使用过程中需要设备的停止，以及悬停在空中，所以需要一种加紧装置来保证它的悬停状态我所采用的就是类似于自行车的刹车装置——线拉式刹车，通过拉线拉动装置，使它们紧加紧滚轮和立杆如图3-8所示，自行车刹车装置的基本原理图图3-8 自行车刹车装置下面就是我结合自行车的刹车装置，所设计的类似机构如图3-9，图3-10所示图3-9 滚轮加紧装置图3-9 立杆加紧装置3.8 座椅的设计本设计主要是为了能够承载施工人员，达到相应的施工段所以为了使工人能够安全的，舒适的进行工作，就需要加设一个座椅来满足人们及设备的要求座椅的基本样式就是和普通靠椅一样，只不过是增加了一个汽车安全带的装置系统，以满足安全性的要求用为这种装置已经普遍存在，所以该部分就不用设计，直接采用即可下面是汽车安全带系统的简介，了解它的制动原理汽车安全带原理：安全带能够拉伸和收回——当安全带未拉紧时，身体可以轻松地前倾但在车辆撞击，人体急速前倾时,安全带会突然收紧并将人体紧紧固定好传统安全带的装置里面有一个卡轮，如果快速的拉动安全带，比如说发生车祸的情形下，里面的卡子会由于安全带滚轮的快速转动而被离心力带出，迅速将安全带锁死，把座位上的人员固定在椅子上。
待冲击峰值过去，或者人已经能受到安全气囊的保护时安全带就会放松以免压伤人的肋骨从以上一系列的动作来达到保证驾乘人员安全的目的汽车安全带拉得快会锁，是因为安全带里面有一个惯性块当加速度大于等于2.0G的时候，惯性块里面的一个簧片随着惯性力往下动，使得棘爪跟内齿轮锁住这种锁我们称带动敏感还有一种叫做车动敏感，那种锁的方式以车的上下坡或者翻车时起做用如图3-10所示图3-10 安全带系统安全带系统中，安全带与一个卷收器相连 卷收器中的核心元件是卷轴，它与安全带的一端相连 在卷收器内部，一个弹簧为卷轴提供旋转作用力（或扭矩），旋转卷轴，卷起松弛的安全带拉出安全带时，卷轴将逆时针旋转，并使相连的弹簧也沿相同方向旋转 此时旋转的卷轴反扭弹簧 如果松开安全带，弹簧力顺时针旋转卷轴，使安全带张紧卷收器有锁定机构，可在汽车发生碰撞时停止卷轴的旋转有两种常用的锁定系统:汽车运动触发的卷收器锁定机构和安全带运动触发的卷收器锁定系统1）汽车运动触发的卷收器锁定机构该锁紧机构在汽车迅速减速（如当汽车撞上某物体）时锁定卷轴图3-11是工作原理图当汽车突然停止时，惯性会导致摆锤向前摆动摆锤另一端的棘爪被顶起，棘爪卡住了带齿棘轮的一个轮齿，因而齿轮便无法逆时针旋转，从而使与之相连的卷轴也无法旋转。
当撞击后松开安全带时，齿轮会顺时针旋转，重锤复位，棘爪与棘轮分开a）正常行驶状态 （b）碰撞时状态图3-112）安全带运动触发的卷收器锁定系统：该系统在猛拉安全带时，利用卷轴旋转的速度作为激活动力锁定卷轴图3-12为工作示意图图3-12在旋转卷轴上安装了一个加重摆杆 当卷轴缓慢旋转时，摆杆并不摆动 一个弹簧使它保持在原来的位置但当猛拉安全带时，卷轴将快速旋转，离心力驱使摆杆的加重端向外摆动伸长的摆杆会推动卷收器壳上的凸轮凸轮通过滑动销与一个旋转棘爪相连当凸轮移到左侧时，滑动销会沿着棘爪的槽口移动这会将棘爪逆时针移动插入与卷轴相连的旋转棘轮 棘爪锁入轮齿，禁止棘轮逆时针旋转所以在本次设备的设计中，座椅部分可以直接采用现有的汽车座椅系统以达到工作人员在使用设备时的安全可靠性3.9 三维模型在此次设计中我使用了UG三维软件来进行三维模型的绘制从而更清楚的表达自己的设计，及内部结构同时也能够，及时的查看各零部件的尺寸以及配合关系是否正确以下是一些三维模型的展示：图3-13 装配图主视图图3-14 装配图主视图图3-15 装配图主视图图3-16 装配图主视图图3-17 装配图主视图图3-18 装配图主视图4 总结与展望4.1 总结进过一个学期的努力，直立快速爬升摩托车的设计也将告一段落，在这次爬杆摩托车的设计中，运用了非常简单的结构，采用了发动机作为驱动，这两者在现实生活中的取材也是十分方便的，而且在设计的过程中，选用的材质大多也是现实生活中非常普通的45号硬质钢。
在这次设计中，研究的方案不仅较好的保证了爬杆摩托车整体的协调动作，而且在应用功能上有着很强的创新意识，应用区域为路灯杆等杆状的高空作业，以及热带地区采摘椰子和蜂蜜在结构设计方面，也有着以下一些优点：（1）该结构简单，实现性强，可应用范围广不仅仅是通径杆，变径杆也是非常的实用 （2）我们可以根据实际工作要求，在爬杆机器人上搭载不同的工作机构，能在杆上完成多种高空作业，实现一些复杂的功能，具有使用价值高，可推广型也强3）采用发动机作为驱动使得该机构能够高效率的协助人们完后相应的工作任务4）造价低，节约人力和清洗成本，使用简便还有就是制备装置设计过程对对环境、社会可持续发展的影响有下面几个方面，机械设计制造及其自动化对其他技术领域起着支撑性作用，成为国民经济各行业的基础机械工业的发展也必将带动其他技术及行业的发展在机械设计制造的过程中要考虑到很多方面的问题，首先要考虑安全性的问题，机械安全性是指避免机械装置对作业者、装置本身和设备带来的危害，包括装卸安全性、作业安全性和储运安全性等内容装卸安全性指夹具与装配生产线的安全性，包括安装方式、安装夹具和辅助工具等安全可靠，易于操作作业安全性指装置工作过程中的安全性，包括人机之间、和装置自身的安全性，同时还要注意设计的机器对环境的影响，注意设计环境友好型机械装置，在加工装置零件的过程中要考虑废弃料的后处理不要对环境造成影响。
其次是机械装置的质量问题，在设计制造零部件的时候要按照设计的要求来加工制造，要保证零件的加工质量和设计质量包括制品展开图、工艺制定及排样图、标准化、零件材料及热处理、标准件选用和符合设计规范等内容本次设计对装置安装、清洗要求及零件尺寸形位公差、毛刺大小、表面粗糙度、热处理等方面作有相关要求成本方面要考虑经济优先型的零部件，在满足装置达到要求的前提下尽量选择经济实用性的标准件或者选择容易加工的加工路线或方式，设计过程中的模具结构选材，设备的合理运用是节约成本的关键因素本次设计装置除工作零件采用较高硬度材料外，其余部分均选用普通钢，从选材上大大降低成本；根据制件工艺要求合理排样可以有效提高材料利用率，从而降低成本4.2展望本次毕业设计的题目是直立细长杆快速爬升摩托车结构的设计，我认为本课题所涉及的领域是一个比较新颖的领域，是一个现今还需要大量新的思想进入的领域，是一个有着远大发展前景的领域，在工业、通讯和生物工程都有着潜在的巨大应用前景的领域而且我认为有必要在以下几个方面继续研究，以使得该领域获得更好的发展1）设计出更好的简单结构以完成既定的所需求的功能2）在条件所允许的情况下，考虑现实因素，增加试验过程中的试验因素，比如路灯杆的清洗功能测试、抗振测试、以及故障测试等等，同时以经济性、实用性作为试验指标，设计优化试验。
3）选择更加合适的橡胶，使机器在攀爬的时候获得更大的摩擦力和抗老化能力，以及改善橡胶轮的安装方式，使之更加方便4）选择更加合适的发动机或者是使用搭配的电动机驱动，从而提升机器人的搭载能力大大减轻机械设备的重量5）完善搭载载人平台的结构设计，使之成为一个能够搭载各种功能设备的人性化搭载平台，为高空作业提供支持6）将来我们所设计的爬杆机器中，不仅是通过人为控制爬杆机器的运动，而且还存在智能控制部分，使之成为一个智能型机械设备，可以适应复杂工况的要求7）最好是能够将其缩小化，在不载人的情况下完成相应的工作任务，从而大大的降低不安全事故的发生率偏向机器人方向发展 致 谢 首先，我要感谢我的导师李海涛，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，给了起到了指明灯的作用；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行此次毕业设计历时三个月，是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计用老师的一句话概括就是这次毕业设计相当如是把以前的小课程设计综合在一起的过程，只要把握住每个小课设的精华、环环紧扣、增强逻辑，那么这次的任务也就不难了。
虽说老师说的话让此次的毕业设计看起来不是那么的可怕，但是当我真的开始着手时，还的确是困难重重俗话说的好，“磨刀不误砍柴工”，当每次遇到不懂得问题时，我都会第一时间记在本子上面，然后等答疑的时候询问老师，老师对于我提出来的问题都一一解答，从来都不会因为我的问题稍过简单加以责备，而是一再的告诫我做设计该注意的地方，从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，他们真正起到了“传道授业解惑疑”的作用，让人油然而生的敬佩除此之外，我们组和老师还有另外的交流途径：网上视频，为此老师还特意建立一个群，以便大家第一时间接收到毕业设计的最新消息和资料，每次大家都在群不亦乐乎的讨论着毕业设计的事情多少个日日夜夜，老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩老师们的专业水平外，他们的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作在此谨向李海涛老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢机电工程学院和学校校四年来对我的栽培。
参考文献[1] 张家梁,吕恬生,罗均,马钢.管外摩擦轮自爬升机构的研究[J].现代机械,1999(03):33-32.[2] 赵玉章.液压自动爬模技术[J].建筑工人,2006(12):4-7.[3] 廖冰,臧红彬,朱娜娜,。