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气动软体爬杆机器人的设计与实验研究

摘要

爬杆机器人是移动机器人的一种，主要用于杆状物或管道外的清洗、检修

等工作。使用爬杆机器人代替人工进行作业可以大大提高工作效率，降低人工

成本以及人员安全事故的发生几率。传统的刚性爬杆机器人往往具有较大的体

积和自重及较高的制造成本。而新兴的软体类爬杆机器人大多为气压驱动，自

重和体积较小，制造成本较低，由于其具备着软体机器人柔顺和灵活等特性，

在狭小空间内的攀爬以及越障等方面具有巨大的应用潜力，此设计并实现一款

气动软体爬杆机器人对于杆状物设备的清洗和检修等行业具有重大意义。本课

题将在实验室的环境下，从关键技术入手开展气动软体爬杆机器人的设计与实

验研究。主要包括以下研究内容：

首先，提出了气动软体爬杆机器人的总体结构。通过对应用环境以及设计

要求的分析提出机器人总体设计方案，根据总体方案进行各个执行器的结构设

计。基于机器人的总体结构特点，确定爬杆机器人的运动步态。

其次，建立了机器人各个软体执行器的理论模型。使用欧拉法表示外部缠

绕式软体执行器的末端位姿。从单气囊形变角度分析梯形双向软体执行器气压

与弯曲角的关系，确立了稳定夹杆的末端接触力约束条件。

再次，进行了各个软体执行器的有限元仿真分析及实物制作。基于Yeoh

本构模型对执行器进行充气加压模拟仿真，模拟工作气压下执行器的形变状况。

对爬杆机器人的执行器进行充气试验，验证形变效果，并与有限元仿真结果进

行比较，分析误差存在的原因。

最后，搭建爬杆机器人实验平台，基于STM32单片机设计了气动控制系

统，完成下位机软件设计，通过控制PWM脉宽的方式实现对软体执行器气压

的控制，并基于Qt设计机器人上位机应用程序。对气动软体爬杆机器人的攀

爬步态和攀爬性能进行实验，验证设计合理性。

关键词爬杆机器人；气压驱动；软体机器人；有限元仿真；软体执行器

I

DesignandExperimentalResearchofPneumatic

SoftPole-climbingRobot

Abstract

Thepole-climbingrobotisakindofmobilerobot,whichismainlyusedfor

cleaningandmaintenanceofrodsorpipes.Theuseofpole-climbingrobotsinsteadof

manualoperationscangreatlyimproveworkefficiency,reducelaborcostsandthe

probabilityofpersonnelsafetyaccidents.Traditionalrigidclimbingrobotsoftenhave

largevolumeandweightandhighmanufacturingcosts.Theemergingsoftpole-

climbingrobotismostlydrivenbyairpressure,withsmallweightandvolume,and

lowmanufacturingcost.Becauseofitssoftrobotsflexibilityandflexibility,ithas

greatapplicationpotentialinclimbingandobstacleclimbinginnarrowspace.This

designandimplementationofapneumaticsoftclimbingrobotisofgreatsignificance

forthecleaningandmaintenanceofrod-shapedequipment.Thistopicwillcarryout

thedesignandexperimental