姚洪平，尚曉新

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 輕工學(xué)院，唐山 063009；2.河南省開封市技師學(xué)院，開封 475000）

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機(jī)器人類別眾多，分類方式多樣，其中爬壁機(jī)器人是一種將地面機(jī)械移動(dòng)機(jī)器人與吸附技術(shù)有機(jī)相結(jié)合的機(jī)器人[1]。實(shí)現(xiàn)對(duì)高空搶險(xiǎn)救災(zāi)作業(yè)，墻體清洗，石化管道外壁檢測(cè)等，是一種新型的機(jī)器人[2,3]。

爬壁機(jī)器人的研究主要可分為：多體柔性永磁爬壁機(jī)器人，磁隙式爬壁機(jī)器人，小型吸附式爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及平衡性以及柔性靜電吸附技術(shù)的爬壁機(jī)器人[4～6]。柔性爬壁機(jī)器人的吸附系統(tǒng)的課調(diào)節(jié)性等多類問(wèn)題得到了較好的解決[2]。國(guó)外，美國(guó)某大學(xué)已經(jīng)成功研制出具有4個(gè)“腿輪”的爬壁機(jī)器人樣機(jī)，日本宮崎大學(xué)也研制出具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的“飛行機(jī)器人”等[1]，該類研究對(duì)機(jī)器人的研究具有一定的積極作用，使得爬壁機(jī)器人的研究迅速成為國(guó)際熱點(diǎn)問(wèn)題[7]。然而,爬壁機(jī)器人涉及的問(wèn)題較多，學(xué)科交叉復(fù)雜，需要解決和完善的工作還很漫長(zhǎng)。因此，本文基于爬壁機(jī)器人的發(fā)展需求，并通過(guò)章魚腕足上的吸盤有助于章魚身體的固定的類比，本文設(shè)計(jì)了“章魚”爬壁機(jī)器人。通過(guò)“章魚”爬壁機(jī)器人的研究，將對(duì)爬壁機(jī)器人的研究具有一定的參考作用。

1 設(shè)計(jì)原理及工作流程

吸附方式包括負(fù)壓吸附、磁吸附、推力吸附等，結(jié)合每類吸附方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇靈活性高、可靠性強(qiáng)且適合本機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的電磁式吸附[1,8]。電磁鐵利用電磁感應(yīng)原理，通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，在鐵芯上產(chǎn)生電磁力。本文選用吸盤電磁鐵，具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，吸力大，全密封，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[9]。

“章魚”爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是信息采集系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中信息采集系統(tǒng)主要由傳感器模塊和通訊模塊組成；主控系統(tǒng)由主控板（STM32單片機(jī)）組成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電磁鐵、關(guān)節(jié)電機(jī)與液壓系統(tǒng)工作，工作流程如圖1所示。因此，爬壁機(jī)器人采用吸盤電磁鐵作為機(jī)器人吸盤的動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)電磁鐵的通斷電來(lái)達(dá)到對(duì)被吸附平面吸附與否的控制，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制提供固定約束依據(jù)。

圖1 工作流程圖

2 “章魚”爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

如圖2所示為“章魚”爬壁機(jī)器人的示意圖。

圖2 “章魚”爬壁機(jī)器人的示意圖

該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：身體、左右足（包括由吸盤電磁鐵等零件構(gòu)成的吸附機(jī)構(gòu)）和工作機(jī)構(gòu)（機(jī)械手爪、攝像機(jī)、探照燈等）。

2.1 吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人的左右足的結(jié)構(gòu)借鑒了章魚腕足的結(jié)構(gòu)，整體呈流線型，能有效減小粘滯阻力，吸盤電磁鐵的靈感來(lái)源于章魚肉質(zhì)吸盤，電磁鐵可在彈簧和液壓系統(tǒng)的控制下伸縮。

電磁鐵吸附的表面要求盡可能平整，則電磁鐵的吸力會(huì)隨著電磁鐵與被吸附平面之間氣隙的增加而顯著降低，工作穩(wěn)定性降低，甚至導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人從被吸附平面滑落[10]。所以減小電磁鐵與被吸附平面之間的氣隙大小是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)中，利用了平面曲率自由伸縮的彈簧與主動(dòng)伸縮的液壓桿兩大機(jī)構(gòu)來(lái)減小電磁鐵與吸附平面的氣隙，從而保證吸附的穩(wěn)定。如圖3所示為平面曲率自由伸縮的彈簧的示意圖。

圖3 自由伸縮彈簧的示意圖

如圖3所示，平面有一定的弧度，但由于吸附機(jī)構(gòu)上有兩排各六個(gè)彈簧，能夠根據(jù)平面弧度自動(dòng)調(diào)節(jié)伸縮長(zhǎng)度，并最大限度的貼合被吸附平面，以減小電磁鐵與平面之間的氣隙，從而保證機(jī)器人的穩(wěn)定性。如圖4所示為主動(dòng)伸縮的液壓桿，液壓桿的設(shè)計(jì)主要是彌補(bǔ)彈簧不能主動(dòng)貼近被吸附平面的缺陷。對(duì)于彈簧不能緊密貼合的位置，可以采用液壓主動(dòng)伸縮的方式，使電磁鐵與平面緊緊貼合，進(jìn)而達(dá)到減小氣隙的目的。

圖4 液壓桿

根據(jù)理論設(shè)計(jì)，保證足夠數(shù)量的電磁鐵吸附磁導(dǎo)性平面，再結(jié)合吸盤電磁鐵吸力大的特點(diǎn)，能夠滿足機(jī)器人吸附穩(wěn)定性的要求。

2.2 爬壁機(jī)器人分析

通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析，電磁鐵通電后能產(chǎn)生足夠的磁力吸住被吸附平面，使機(jī)器人的左足或者右足固定在被吸附平面上。機(jī)器人工作時(shí)，通電固定的吸附機(jī)構(gòu)是受力矩最大的部位，同時(shí)由于尺寸較小，是應(yīng)力最大的部位。因此，很有必要對(duì)吸附機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，以確定機(jī)器人關(guān)鍵部位各零件的尺寸和材料。論文假設(shè)在液壓筒的一端施以大小為50N的力，同時(shí)將電磁鐵的一端端面固定，如圖5所示。

圖5 吸附機(jī)構(gòu)受力圖

在確定了約束等條件后，利用Inventor的有限元分析功能得到吸附機(jī)構(gòu)的Mises等效應(yīng)力圖如圖6所示。

圖6 Mises等效應(yīng)力圖

為了增加應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性和更加全面的了解機(jī)構(gòu)在受力情形下的位移情況，同時(shí)得出機(jī)構(gòu)的第一個(gè)主應(yīng)力圖、第三個(gè)主應(yīng)力圖、位移圖、安全系數(shù)圖分別如圖7～圖10所示。

圖7 第一個(gè)主應(yīng)力圖

圖9 位移圖

從有限元的分析中我們看到吸附機(jī)構(gòu)在液壓桿的過(guò)渡處應(yīng)力最大，安全系數(shù)也最低，最容易發(fā)生強(qiáng)度破壞。因此，對(duì)于液壓桿在過(guò)渡處直徑的大小設(shè)計(jì)和材料選擇就比較重要，其機(jī)械結(jié)構(gòu)材料選擇牌號(hào)為Q345E的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，并能夠滿足液壓桿的強(qiáng)度需要，但同時(shí)應(yīng)該適當(dāng)增大液壓桿過(guò)渡處的直徑大小。

3 機(jī)器人的控制系統(tǒng)

爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)，主控系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。

3.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)是爬壁機(jī)器人收集信息的主要途徑，機(jī)器人配有攝像頭傳感器，而其他的傳感器可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要增加，例如需要在深海探測(cè)時(shí)可加上聲納傳感器等。

該機(jī)器人的通訊模塊采用短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)（Zigbee）。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。該機(jī)器人的Zigbee模塊如圖11所示。

圖11 Zigbee通訊模塊

3.2 主控系統(tǒng)

該機(jī)器人的主控系統(tǒng)采用STM32系列單片機(jī)。STM32系列單片機(jī)具有低成本、低能耗和高性能等優(yōu)點(diǎn)[10,11]。其中CAN總線易于增加節(jié)點(diǎn)，從而使得增加傳感器相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于改進(jìn)機(jī)器人的工作機(jī)構(gòu)非常有利。而STM32單片機(jī)多達(dá)一百個(gè)引腳和高速度的處理能力足以控制整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與工作。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

如圖12所示為吸盤電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊電路，由于電磁鐵只有開和關(guān)，兩種狀態(tài)，所以使用三極管組成電子開關(guān)作為電磁鐵的驅(qū)動(dòng)模塊。

圖12 電磁鐵吸盤驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)定位的精度要求，因此，圖13所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，此驅(qū)動(dòng)方式與STM32主控機(jī)能很好地兼容，可以控制速度、方向并且體積小，重量輕。圖13為兩肩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。

圖13 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4 結(jié)論

論文借鑒章魚腕足的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了仿生爬壁機(jī)器人，對(duì)其機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行了概述。同時(shí)對(duì)爬壁機(jī)械足的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，該分析結(jié)果有助于爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的選擇。

同時(shí)對(duì)機(jī)器人的控制部分的組成進(jìn)行了分析，其結(jié)果能夠有效的滿足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。該爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)為爬壁機(jī)器人的研究提供了參考作用。

[1]付宜利,李志海.爬壁機(jī)器人的研究進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2008,25(4):1-4.

[2]桂仲成,陳強(qiáng),孫振國(guó).多體柔性永磁爬壁機(jī)器人[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(6):177-182.

[3]Santos,D.；Heyneman,B.；SangbaeKim；Esparza,N.；Cutkosky,M.R.；“Geckoinspiredclimbing behaviors on vertical and overhanging surfaces”,2008.ICRA,2008:1125-1131.

[4]黃之峰,王鵬飛,李滿天,等.基于柔性靜電吸附技術(shù)的爬壁機(jī)器人研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,6(6):166-168.

[5]Yamamoto,A.；Nakashima,T.；Higuchi,T.；“Wall Climbing Mechanisms sing Electrostatic Attraction Generated by Flexible Electrodes”,Micro Nano Mechatronics and Human Science,2007:389-394.

[6]薛勝雄,任啟樂(lè),陳正文,等.磁隙式爬壁機(jī)器人的研制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(21):37-42.

[7]劉明芹,戴永雄,黃文攀,等.小型吸附式爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及平衡性[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,5(5):146-148.

[8]崔旭明,孫英飛,何富君.壁面爬行機(jī)器人研究與發(fā)展[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(11):2672-2676.

[9]張培鋒,王洪光,房立金,等.一種新型爬壁機(jī)器人機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].機(jī)器人,2007,29(1):12-17.

[10]武麗君,吳善強(qiáng).間隙式單吸盤爬壁機(jī)器人動(dòng)力特性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(31):8271-8274.

[11]張國(guó)平,楊杰,高婧宇.爬壁機(jī)器人真空吸附及運(yùn)動(dòng)方式探討[J].液壓氣動(dòng)與密封,2007,1(1):11-13.