涂郅偉，李博達(dá)，劉陽杰，汪 志，劉 淼，王玉琳

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

近年來，爬壁機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅猛，在高空、高危作業(yè)中已獲得許多應(yīng)用。爬壁機(jī)器人不僅能夠在地面上完成各種動作，還可以在垂直墻面或天花板上憑借自身吸附力爬行并完成預(yù)期操作。爬壁機(jī)器人可代替人從事高空、化工和勘察救援等危險領(lǐng)域的作業(yè)，從而大大降低了人員意外傷亡的風(fēng)險。

爬壁機(jī)器人依照其驅(qū)動方式通常分為輪式、履帶式和足式三類[1-3]，其中多足式爬壁機(jī)器人相對于履帶式和輪式具有更靈活的行動能力和更強(qiáng)的攀爬能力，可適應(yīng)多種工況[4]。爬壁機(jī)器人的吸附方式大致可分為負(fù)壓真空吸附、磁力吸附、靜電吸附和仿生吸附四類[5,6]。西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院研發(fā)的六足式幕墻清洗機(jī)器人采用負(fù)壓真空吸附技術(shù)，但該機(jī)器人體積較大且翻越能力不足[7]；西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院研發(fā)的仿生爪刺式雙足爬壁機(jī)器人采用仿生吸附原理，可攀爬不同類別的平面，但受結(jié)構(gòu)限制吸附不穩(wěn)定且運(yùn)動能力不足[8]。

綜上所述可以看出，目前爬壁機(jī)器人大多存在越障能力較差、空間移動能力不足的問題。因此，本文設(shè)計了一種基于正四面體結(jié)構(gòu)的空間四足爬壁機(jī)器人，采用真空吸附方式，利用其特殊布置的四只爬行足，可以實(shí)現(xiàn)空間垂直墻面間的連續(xù)攀爬，提高了其越障能力。

1 空間四足爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 空間四足爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)形式

圖1為空間四足爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人包括第一足1、第二足2、第三足3、第四足4、球殼5和電機(jī)減速器6。

如圖1所示，球殼5作為載體的球形主體，在球殼5內(nèi)設(shè)置陀螺儀和電子眼，以球形主體為機(jī)器人的運(yùn)動中心；在球殼5上設(shè)有四只爬行足，各爬行足具有相同的結(jié)構(gòu)形式，均由大腿、伸長腿和小腿分三段組成；各爬行足中大腿的上端連接電機(jī)變速器6，由電機(jī)驅(qū)動的電機(jī)變速器6固定安裝在球殼5的外表面，與各爬行足一一對應(yīng)的四個電機(jī)變速器在球殼5的外表面按空間正四面體分布，以空間正四面體的各頂點(diǎn)方向?yàn)槌?，各爬行足的方向和長度均可調(diào)；足部為機(jī)械爪，在機(jī)械爪底部設(shè)置吸盤實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的固定；陀螺儀用于維持機(jī)器人運(yùn)動過程中球殼中電子眼的穩(wěn)定性，電子眼用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的可視化操控，可附加視覺識別、自動避障等功能。

1-第一足；2-第二足；3-第三足；4-第四足；5-球殼；6-電機(jī)減速器

1.2 空間四足爬壁機(jī)器人爬行足的機(jī)構(gòu)形式

圖2為該機(jī)器人爬行足結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)包括大腿腿殼7、斜撐氣缸活塞桿8、斜撐氣缸9、伸長腿10、長桿氣缸11、小腿氣缸活塞桿12、足部13、大腿腿殼氣缸14和小腿氣缸15。

7-大腿腿殼；8-斜撐氣缸活塞桿;9-斜撐氣缸;10-伸長腿;11-長桿氣缸;12-小腿氣缸活塞桿;13-足部;14-大腿腿殼氣缸;15-小腿氣缸

如圖2所示，機(jī)器人爬行足分別由大腿、伸長腿、小腿和足部四部分組成。

大腿具有大腿腿殼7，并在大腿腿殼7中設(shè)置有大腿腿殼氣缸14，其大腿上端通過聯(lián)軸器與對應(yīng)位置上的電機(jī)變速器6的輸出軸相連接，由電機(jī)變速器6驅(qū)動大腿轉(zhuǎn)動形成第一轉(zhuǎn)動副，為爬行足提供動力；大腿下端的側(cè)部鉸接伸長腿上端的端頭，在大腿下端的端頭與伸長腿上端的側(cè)部之間鉸接上段斜撐，上段斜撐為可調(diào)長度的伸縮氣缸，由斜撐氣缸9和斜撐氣缸活塞桿8構(gòu)成，由于上段斜撐所需驅(qū)動的結(jié)構(gòu)較為繁重，設(shè)置大腿腿殼氣缸14，以其氣缸活塞為上段斜撐提供充足的動力。

伸長腿10主要由一可伸縮的長桿氣缸11構(gòu)成，伸長腿下端即長桿氣缸11的活塞桿端頭鉸接在小腿上端的側(cè)部，在小腿上端的端頭與伸長腿下端的側(cè)部之間鉸接下段斜撐；伸長腿和下段斜撐為可調(diào)長度的伸縮氣缸；調(diào)整上段斜撐的長度用于控制大腿與伸長腿之間的夾角；調(diào)整下段斜撐的長度用于控制小腿與伸長腿之間的夾角。

小腿為一氣缸，小腿的下端是小腿氣缸15中小腿氣缸活塞桿12的端桿，小腿氣缸活塞桿12連接足部13，利用小腿氣缸活塞桿12的伸縮調(diào)整小腿長度，小腿氣缸15為小腿氣缸活塞桿12提供動力。

圖3(a)為該機(jī)器人足部結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)主要包括爪帽16、爪中心殼17、吸盤氣缸18、吸盤鏈接器19、吸盤20、伸展肢21和上齒輪22。

16-爪帽；17-爪中心殼；18-吸盤氣缸；19-吸盤鏈接器；20-吸盤；21-伸展肢；22-上齒輪；23-吸盤氣缸活塞

圖3(b)為本發(fā)明中吸盤氣缸活塞局部示意圖，該結(jié)構(gòu)圖相較于圖3(a)表達(dá)出了吸盤氣缸活塞23。

參見圖2、圖3，足部13為機(jī)械爪，機(jī)械爪的爪殼頂部通過爪帽16與小腿氣缸活塞桿12相連接，在爪殼內(nèi)配置作業(yè)工具，包括乙炔噴槍和高壓水槍，在機(jī)械爪底部設(shè)置吸盤20，真空吸盤20通過吸盤鏈接器19與吸盤氣缸18相連通，由吸盤氣缸活塞23提供驅(qū)動力產(chǎn)生負(fù)壓，機(jī)器人利用吸盤20的吸附功能實(shí)現(xiàn)固定；在各機(jī)械爪上，圍繞爪中心殼17均布有三只吸盤20，三只吸盤氣缸18與三只吸盤20一一對應(yīng)設(shè)置并圍繞在爪中心殼17的外周，由各吸盤氣缸18為吸盤20一一對應(yīng)提供負(fù)壓。

圖4為該機(jī)器人伸展肢收攏和展開狀態(tài)示意圖，該結(jié)構(gòu)包括齒輪爪節(jié)24、中間關(guān)節(jié)25、前段桿26、爪尖27和關(guān)節(jié)電機(jī)28。

24-齒輪爪節(jié)；25-中間關(guān)節(jié)；26-前段桿；27-爪尖；28-關(guān)節(jié)電機(jī)

在爪中心殼17的外圍一一均勻間隔設(shè)置有三只伸展肢21與三只吸盤氣缸18；伸展肢21通過電機(jī)收攏在爪中心殼17的外圍，呈現(xiàn)為如圖4(a)所示的靜止?fàn)顟B(tài)；或在爪中心殼17的外圍展開,呈現(xiàn)為如圖4(b)所示的三爪形，用于抓取和支撐。伸展肢21是由后段桿和前段桿26構(gòu)成，后段桿的一端設(shè)置為齒輪爪節(jié)24，后段桿的另一端與前段桿26的尾端相接，并形成中間關(guān)節(jié)25，在中間關(guān)節(jié)25中設(shè)置關(guān)節(jié)電機(jī)28，利用關(guān)節(jié)電機(jī)28進(jìn)行驅(qū)動，將前段桿26收折在后段桿的桿腔中，或?qū)⑵鋸暮蠖螚U的桿腔中伸展出；在前段桿26的前端固連一段爪尖27，前段桿26連同爪尖27一同進(jìn)行收折和展開。

圖3所示的伸展肢21是利用齒輪爪節(jié)24與爪中心殼17相連接，在爪中心殼17中設(shè)置驅(qū)動機(jī)構(gòu)，利用驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過傳動使齒輪爪節(jié)24中的齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而帶動伸展肢21或收攏在爪中心殼17的外圍或伸展出成懸臂，配合關(guān)節(jié)電機(jī)28驅(qū)動伸展肢21中的前段桿連同爪尖27展形，形成三爪形結(jié)構(gòu)。

2 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)平面爬行和垂直墻面反轉(zhuǎn)不同的工作模式

2.1 平面爬行中爬行方向和距離的控制

初始狀態(tài)：機(jī)器人四條爬行足中的第一足1呈懸空，為懸空足；第二足2、第三足3和第四足4呈吸附，為吸附足，三條吸附足在平面上的投影為等邊三角形，機(jī)器人穩(wěn)定。

移動方式：將第一足1的落點(diǎn)選擇在與第四足4吸附點(diǎn)關(guān)于第二足2與第三足3吸附點(diǎn)連線的對稱點(diǎn)上，四只爬行足的吸附點(diǎn)形成四邊長度相等的菱形，將第一足1由懸空足轉(zhuǎn)為吸附足，隨后將第四足4由吸附足轉(zhuǎn)為懸空足，機(jī)器人達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 垂直墻面間爬行方向和距離的控制

本文中設(shè)計的機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在兩垂直平面間(設(shè)為第一墻面和第二墻面)的爬行，其運(yùn)動方式如下：

初始狀態(tài)：機(jī)器人處于第一墻面上，并靠近第二墻面；在第一墻面中，四只爬行足中的第一足1呈懸空，為懸空足；第二足2、第三足3和第四足4呈吸附，為吸附足，三只吸附足在平面上的投影為等邊三角形，并且第二足2和第三足3吸附點(diǎn)連線平行于第一墻面和第二墻面的交界線，第一墻面和第二墻面為相接的相互垂直的墻面，機(jī)器人將從第一墻面翻轉(zhuǎn)上第二墻面。

翻轉(zhuǎn)方式：將第一足1的落點(diǎn)選擇在第二墻面上，通過控制使第一足1垂直跨過第一墻面中第二足2和第三足3的吸附點(diǎn)連線，并吸附在第二墻面上，第一足1由懸空足轉(zhuǎn)為吸附足；隨后，保持第四足4為吸附足，使第二足2和第三足3均松開成為懸空足；再通過控制將懸空的第二足2和第三足3吸附在第二墻面上，與吸附在第二墻面上的第一足1共同構(gòu)成三點(diǎn)吸附，此后將第四足4在第一墻面上松開，并進(jìn)一步調(diào)整第一足1、第二足2和第三足3的長度使其呈三點(diǎn)吸附的穩(wěn)定狀態(tài)；第四足4轉(zhuǎn)而繼續(xù)在第二墻面上選擇新的落點(diǎn)，完成第一墻面向第二墻面的翻轉(zhuǎn)。

3 結(jié)束語

(1) 本文所設(shè)計的空間四足爬壁機(jī)器人采用四足結(jié)構(gòu)，爬行過程中能夠保持有3只吸附足吸附于墻面，穩(wěn)定可靠。

(2) 本文所設(shè)計的空間四足爬壁機(jī)器人每爬行一步之后，下一步的落腳點(diǎn)具有三個方向可以選擇，爬行軌跡可以遍歷整個墻面。

(3) 本文所設(shè)計的空間四足爬壁機(jī)器人以桿件的形式進(jìn)行連接，任意兩只腳之間呈109°28′排布，預(yù)留空間大，攀爬時角度跨越范圍寬，具有較強(qiáng)的越障能力，既可以爬行在單一平面，也可以在相互垂直的兩個平面之間進(jìn)行跨越，甚至實(shí)現(xiàn)360°空間爬行。

(4) 本文所設(shè)計的空間四足爬壁機(jī)器人在吸附過程中只需控制3只爬行足移動副的線位移即可控制機(jī)器人的運(yùn)動軌跡；在翻轉(zhuǎn)過程中通過協(xié)調(diào)爬行足的角位移和線位移即可完成機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，控制方式簡單、快捷、準(zhǔn)確。

(5) 本文所設(shè)計的空間四足爬壁機(jī)器人借助視覺傳感器還能實(shí)現(xiàn)自動避障的功能。