樊明，梁鵬，高學(xué)山，張清芳，黎銘康

（1. 32180 部隊(duì)，北京 100072；2. 北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081）

近年來，人們對民用、軍事和工業(yè)領(lǐng)域的爬壁機(jī)器人越來越感興趣，它能夠代替人類從事一些如橋墩檢測、玻璃外墻清洗、反恐偵察、船舶焊接清洗和火災(zāi)危險(xiǎn)品檢測等重要工作[1]. 擬以地面無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)為研究背景，探索能夠協(xié)助士兵在復(fù)雜的作戰(zhàn)空間探測敵人，擴(kuò)大作戰(zhàn)視野，有效在偵察、核生化武器探測、障礙突破、反狙擊和直接射殺等任務(wù)時(shí)避免人員損傷，大幅度提高士兵的生存率、靈活性和戰(zhàn)斗力，并滿足城市、山地等復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境和高危環(huán)境作戰(zhàn)需求的特征機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，通過開展爬壁特種移動(dòng)機(jī)器人研究，為未來城市巷戰(zhàn)偵查，定點(diǎn)爆破等提供技術(shù)支撐.

爬壁機(jī)器人根據(jù)吸附方式可以分為：真空負(fù)壓式、磁吸附、反推力和仿生等，根據(jù)移動(dòng)方式可以分為輪式、履帶、足式和輪足復(fù)合式移動(dòng). 真空負(fù)壓式爬壁機(jī)器人[2-3]大多數(shù)用在壁面比較光滑的墻面，廣泛用于玻璃壁面進(jìn)行清理工作，但吸附接觸面容易產(chǎn)生氣體泄漏，壁面平整度要求高，幾乎無越障能力. 磁吸附爬壁機(jī)器人[4-7]多用于大型金屬器皿內(nèi)外表面檢查，具備較高的負(fù)載和多壁面間切換移動(dòng)的能力，但由于只適用于導(dǎo)磁材料壁面，壁面適應(yīng)性較差. 仿生爬壁移動(dòng)機(jī)器人利用仿生吸附原理制作黏附[8-10]（鉤掛[11-12]）材料，貼附（鉤掛）在接觸壁面，采用仿生黏附材料，足底無法實(shí)現(xiàn)自清潔；采用絨毛掛鉤，驅(qū)動(dòng)控制較為復(fù)雜. 近年來不少學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)在旋翼氣動(dòng)效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上[13]，采用反推力作為壁面吸附[14-17]開展了很多工作，ALKALLA 等[18-19]先后研制了使用螺旋槳反推力的同軸雙槳EJBotⅠ、EJBotⅡ機(jī)器人，它們適合在多種垂直壁面進(jìn)行快速攀爬移動(dòng)；MYEONG 等[20]、KAWASAKI 等[21]利用多軸旋翼飛行器，從地面起飛后轉(zhuǎn)身90°貼附于墻面上，貼附過程控制較為復(fù)雜；王建中等[22]、王正杰等[23]以螺旋槳為動(dòng)力開展研制地空多維度空間移動(dòng)機(jī)器人.

目前已經(jīng)研制出的爬壁機(jī)器人移動(dòng)速度和壁面適應(yīng)性相對較差，為滿足爬壁機(jī)器人快速穩(wěn)定在多種接觸壁面運(yùn)動(dòng)，擬采用雙螺旋槳反推力結(jié)構(gòu)作為吸附力，輪式作為移動(dòng)方式進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析螺旋槳反推力作為動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的合理性，開展機(jī)器人在水平狀態(tài)和垂直壁面牽引力及吸附力測試實(shí)驗(yàn)，探索其運(yùn)動(dòng)及控制最優(yōu)方式，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證爬壁機(jī)器人在小斜坡和垂直壁面吸附穩(wěn)定性.

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)及動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速、靈活和高效在不同粗糙壁面間移動(dòng)，機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易操作、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定等特點(diǎn). 機(jī)器人由旋翼動(dòng)力裝置、支撐平臺(tái)、前后輪系統(tǒng)、控制模塊、通信模塊等組成. 機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1 所示. 旋翼動(dòng)力裝置由無刷電機(jī)、槳葉、旋翼固定圓盤等構(gòu)成，反推力通過槳葉反裝在無刷電機(jī)上來提供，同時(shí)改變旋翼動(dòng)力裝置傾斜角度來控制機(jī)器人前進(jìn)和后退，旋翼動(dòng)力裝置通過舵機(jī)實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn). 機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示.

圖1 爬壁機(jī)器人樣機(jī)Fig. 1 Wall mobile robot prototype

表1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Robot structure parameters

為實(shí)現(xiàn)在多種垂直接觸面間進(jìn)行切換移動(dòng)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成雙旋翼結(jié)構(gòu). 在壁面間切換時(shí)，前旋翼起提升作用，后旋翼起推動(dòng)作用；在壁面穩(wěn)定吸附移動(dòng)時(shí)，前旋翼提供主要吸附力，后旋翼提供前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力. 為避免旋翼產(chǎn)生氣動(dòng)擾動(dòng)影響，機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制過程中，前后旋翼轉(zhuǎn)向相反. 在運(yùn)動(dòng)過程中，為保證機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定且具有較低的功耗，槳葉選用二葉槳，支撐平臺(tái)架為碳纖維加芳綸窩峰材料復(fù)合而成，結(jié)構(gòu)支撐強(qiáng)度高，本體質(zhì)量輕. 前后輪系統(tǒng)采用骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以高性能樹脂材料通過3D打印制作而成.

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了得到機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際反推力大小，需要對旋翼動(dòng)力進(jìn)行測試. 旋翼反推力是由控制器進(jìn)行脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM），并由電子調(diào)速器根據(jù)脈寬來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而槳葉安裝在電機(jī)輸出軸上，直接產(chǎn)生反推力. 忽略螺旋槳的阻力和側(cè)向力矩，單個(gè)動(dòng)力單元產(chǎn)生的主要反推力F、扭矩Q. 反推力和扭矩均與轉(zhuǎn)速的平方成正比[24].

為簡化模型做出如下假設(shè)：①機(jī)器人是絕對的剛體，重心位置不變，質(zhì)量為常數(shù)，忽略其結(jié)構(gòu)和彈性形變；②空氣是沒有黏性不可壓縮的理想流體；③旋翼在旋轉(zhuǎn)時(shí)是一個(gè)均勻作用于空氣的無限薄的圓盤；④假設(shè)地面為慣性參考系，即假設(shè)地面坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系.

式中：CF，CQ分別為旋翼的拉力系數(shù)和扭矩系數(shù)；ρ為空氣密度；A=πR2為螺旋槳面積；ρ，A，CF，CQ，R均為定值；k為升力系數(shù)；d為扭矩系數(shù). 由上述公式可知，旋翼反推力與電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比，而轉(zhuǎn)速的平方與脈寬成正比關(guān)系，螺旋槳輸出反推力與控制器輸出脈寬也成正比關(guān)系.

為得到真實(shí)的反推力大小，參考旋翼推力測量方法[25-26]，對反推力吸附裝置進(jìn)行測量. 測試裝置如圖2 所示，主要包括：電池、數(shù)字顯示拉力測試儀、無刷電機(jī)、槳葉、電子調(diào)速器、接收器、遙控器等，通過該裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測到不同槳葉轉(zhuǎn)速下的反推力大小.

圖2 電機(jī)反推力測試實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 2 Experimental device for testing motor thrust

圖3 和圖4 所示分別為9060 槳葉（槳葉半徑為114.3 mm，螺距152.4 mm）及1070 槳葉（槳葉半徑為127.0 mm，螺距177.8 mm）反推力拉力測試曲線，通過調(diào)節(jié)無刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和槳葉正反安裝方式，可以使得螺旋槳均產(chǎn)生反推力.

從圖3、圖4 可以清晰看出反推力的大小隨著電流值的增加而增加，從圖中可以看出，1070 槳葉拉力明顯優(yōu)于9060 槳葉拉力；圖4 中當(dāng)電流值為50 A 時(shí)，反推力最大為25 N，繼續(xù)改變PWM 值，已無法增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，該動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力輸出值達(dá)到峰值. 在電流調(diào)節(jié)最大量程范圍內(nèi)，機(jī)器人動(dòng)力裝置搭配1070槳葉.

圖3 9060 槳反推力曲線Fig. 3 9060 propeller reverse thrust curve

圖4 1070 槳反推力曲線Fig. 4 1070 propeller reverse thrust curve

2 機(jī)器人受力分析

機(jī)器人從地面到壁面運(yùn)動(dòng)過程主要分為地面到斜面運(yùn)動(dòng)和壁面吸附移動(dòng)兩種狀態(tài). 為分析機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受力情況，對上述兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行受力分析，機(jī)器人在上坡時(shí)受力分析如圖5所示.

圖5 機(jī)器人地-壁受力分析Fig. 5 Robot floor-wall force analysis

當(dāng)斜坡傾斜角度β=0°時(shí)，在不同旋翼傾角改變狀態(tài)下，機(jī)器人以不同運(yùn)動(dòng)速度前進(jìn)；當(dāng)β＞0°，機(jī)器人為爬坡運(yùn)動(dòng)，當(dāng)β較小時(shí)，機(jī)器人能以一定初速度在地面和小斜面間切換移動(dòng)；當(dāng)β較大時(shí)，由于出現(xiàn)較大過渡角，機(jī)器人依靠初速度很容易造成機(jī)器人結(jié)構(gòu)性損失，為使機(jī)器人能夠柔順地從地面移動(dòng)到壁面，在壁面間切換時(shí)，前旋翼起提升作用，后旋翼起推動(dòng)作用，在兩者共同作用下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人壁面間切換，機(jī)器人的上坡時(shí)靜力學(xué)模型為：

式中：FNi為作用在i輪上的法向力；Ffi為作用在i輪上的摩擦力；F1和F2分別為前、后旋翼產(chǎn)生的反推力；α1和α2分別為前、后旋翼傾角；β為小斜面傾斜角；γ為機(jī)器人平面與水平面的夾角；m為機(jī)器人總質(zhì)量；R為車輪半徑；C為機(jī)器人質(zhì)心位置；LC為機(jī)器人質(zhì)心到后輪軸心的距離；L為前后輪中心軸距離輪子.

當(dāng)為β=0°時(shí)，機(jī)器人在水平地面移動(dòng)，旋翼傾角α1和α2設(shè) 計(jì) 為-90°～180°，F(xiàn)fi=FNiμ(i=1,2)，式（3）（4）可寫成：

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力與旋翼傾斜角之間關(guān)系，如圖6所示，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力與旋翼角度變化之間的關(guān)系為：α=0.329 2 時(shí)，F(xiàn)能夠達(dá)到最大. 即旋翼角度為59.256°.

圖6 驅(qū)動(dòng)力與旋翼傾角之間關(guān)系圖Fig. 6 Relationship between driving force and rotor inclination angle

當(dāng)機(jī)器人后輪完全移動(dòng)到斜面上時(shí)，前后旋翼均產(chǎn)生吸附力和前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，機(jī)器人能穩(wěn)定吸附在壁面上，機(jī)器人壁面上受力分析如圖7 所示.

圖7 機(jī)器人斜面受力分析Fig. 7 Force analysis on the inclined plane of the robot

在斜坡上時(shí)的靜力學(xué)模型為：

當(dāng)斜面傾角β為90°時(shí)，機(jī)器人在前后雙旋翼作用下吸附在垂直壁面，此時(shí)，反推力既要保證機(jī)器人牢牢吸附在壁面上，又要克服重力作用使機(jī)器人向上移動(dòng).

3 牽引力和吸附力測量

3.1 牽引力與旋翼傾斜角度關(guān)系

為研究不同旋翼傾斜角度對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響，通過拉力計(jì)測量機(jī)器人在不同旋翼傾角下的水平拉力值，不同拉力大小能夠表示出不同運(yùn)動(dòng)性能. 機(jī)器人牽引力測量實(shí)驗(yàn)如圖8 所示，通過軟繩拉力計(jì)能夠?qū)崟r(shí)測量牽引力大小，軟繩懸掛在后輪輪軸處.

圖8 不同旋翼傾斜角下牽引力值Fig. 8 Traction value under different rotor tilt angles

在測試過程中，調(diào)整旋翼傾斜角度和無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制機(jī)器人前進(jìn)和后退，為測量不同旋翼傾斜角度下機(jī)器人所表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)性能，實(shí)驗(yàn)設(shè)置旋翼傾斜角度為30°、45°、60°、90°時(shí)，測量機(jī)器人水平牽引力大小，水平牽引力曲線如圖9 所示.

圖9 9060 槳水平拉力曲線Fig. 9 9060 propeller horizontal pull curve

圖9（a）9（b）分別為機(jī)器人安裝9060 槳葉時(shí)，旋翼傾角為30°、45°、60°、90°情況下，機(jī)器人水平牽引拉力測量曲線，圖9（a）為在擋位不變情況下，改變旋翼傾斜角度所測量出來的數(shù)據(jù)，圖9（b）為旋翼傾斜角度不變情況下，改變機(jī)器人擋位所測量得到的數(shù)據(jù)（考慮安全和實(shí)驗(yàn)室場地限制，實(shí)際測量時(shí)機(jī)器人擋位最大到6 擋，設(shè)計(jì)10 擋位）. 從圖9（a）9（b）可以看出不同旋翼傾角下，機(jī)器人水平牽引力隨擋位增加而增加，同等擋位下，旋翼傾角為60°時(shí)，機(jī)器人水平牽引力值大于其他旋翼傾角拉力值. 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與機(jī)器人水平面數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致，同時(shí)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的正確性.

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，圖10（a）10（b）分別為機(jī)器人安裝1070 槳葉時(shí)，旋翼傾角為15°、30°、45°、60°、75°、90°情況下水平牽引拉力測量曲線，從圖中可以看出，水平牽引力隨擋位增加而增加，同樣擋位下，旋翼傾角為60°時(shí)所測得的水平牽引力值由于其他擋位下水平牽引力. 同時(shí)對比圖10（a）10（b）45°、60°、75°數(shù)據(jù)曲線可以看出，擋位不變情況下，通過改變旋翼傾斜角度變化得到的結(jié)果，優(yōu)于旋翼角度不變擋位變化曲線值，旋翼傾角為60°時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能最優(yōu).

圖10 1070 槳水平拉力曲線Fig. 10 1070 propeller horizontal pull curve

3.2 牽引力與旋翼傾角頻副關(guān)系

從機(jī)器人水平牽引力測試實(shí)驗(yàn)可以看出，機(jī)器人采用不同的操作方式，機(jī)器人所表現(xiàn)出來的水平牽引力有所不同，為研究機(jī)器人旋翼傾角調(diào)節(jié)方式對機(jī)器人牽引力性能的影響，采用旋翼單度調(diào)節(jié)和成5 倍數(shù)調(diào)節(jié)的方式，使旋翼傾角逐步遞增到5°，分別測量機(jī)器人在水平地面上的牽引力，為降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)測量過程中機(jī)器人動(dòng)力擋位設(shè)置3/10 擋.

不同頻副旋翼傾角變化下，機(jī)器人水平牽引力曲線如圖11 所示，從圖中可以看出，水平牽引力均隨旋翼傾角的增加而變大，旋翼傾斜角度單度增加到測量角度時(shí)，水平牽引力值明顯優(yōu)于旋翼成5 倍增加拉力值. 由于在實(shí)際操作控制過程中，旋翼傾角單度變化機(jī)器人性能優(yōu)于旋翼傾角成倍變化，為后續(xù)機(jī)器人壁面實(shí)驗(yàn)操作合理性和可行性奠定良好的基礎(chǔ).

圖11 不同頻副拉力曲線Fig. 11 Tensile curve of different frequency pairs

3.3 垂直壁面吸附力測試

在豎直狀態(tài)下，反推力作為機(jī)器人壁面穩(wěn)定吸附主要作用力，還需對其能夠獲得最大反推力進(jìn)行測量分析. 機(jī)器人與接觸壁面無接觸狀態(tài)下，雙旋翼壁面移動(dòng)機(jī)器人反推力測試平臺(tái)如圖12所示，該平臺(tái)中雙旋翼機(jī)器人通過兩側(cè)軟繩整體懸掛在豎直狀態(tài)，從機(jī)器人4 個(gè)輪軸處引出4 條軟繩集結(jié)在拉力傳感器的側(cè)兩端. 在旋翼傾斜為0°狀態(tài)時(shí)，同時(shí)調(diào)整前后螺旋槳電機(jī)轉(zhuǎn)速，將電機(jī)從0 開始啟動(dòng)到最大值，通過在線測量得到拉力傳感器實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，垂直狀態(tài)下反推力吸附測試曲線如圖13 所示.

圖12 反推力測試平臺(tái)Fig. 12 Reverse thrust test platform

從圖13 可以看出在水平狀態(tài)下，測量出的反推力值最大為35.96 N；在豎直狀態(tài)下，反推力值最大只有27.99 N；從圖4 可以得出2 個(gè)1070 槳真實(shí)最大反推力能夠達(dá)到50 N. 從圖13 可以得出，不同狀態(tài)下，機(jī)器人反推力吸附性能發(fā)生很大變化，當(dāng)機(jī)器人處于水平狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)參數(shù)對機(jī)器人氣動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生很大影響，氣動(dòng)擾流和渦旋作用下，降低了無刷電機(jī)產(chǎn)生反推力吸附效率；當(dāng)機(jī)器人處于豎直狀態(tài)下，氣動(dòng)效應(yīng)的影響更加顯著，未來如何減小結(jié)構(gòu)參數(shù)對機(jī)器人氣動(dòng)效應(yīng)和提高無刷電機(jī)有效吸附功率，將是研究的關(guān)鍵.

圖13 反推力測量曲線Fig. 13 Reverse thrust measurement curve

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 小斜坡實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可行性及是否能穩(wěn)定吸附在壁面上，首先對機(jī)器人在20°斜坡和垂直壁面進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 壁面移動(dòng)機(jī)器人20°斜面運(yùn)動(dòng)如圖14 所示，由于在小角度斜面狀況下，機(jī)器人從地面到墻面運(yùn)動(dòng)過程，可以直接靠機(jī)器人在地面初始速度高速運(yùn)動(dòng)到斜面上，當(dāng)?shù)装鍍A斜角度增大到一定程度時(shí)，機(jī)器人從地面接觸斜坡板時(shí)，巨大的沖擊力容易導(dǎo)致機(jī)器人結(jié)構(gòu)損壞，所以該實(shí)驗(yàn)直接將機(jī)器人斜吊在小角度斜面上，進(jìn)行斜坡起步運(yùn)動(dòng)前進(jìn)及后退.

圖14 機(jī)器人小斜坡爬坡運(yùn)動(dòng)Fig. 14 Robot climbing on a small slope

機(jī)器人在小斜面上，通過改變旋翼傾斜角度和電機(jī)轉(zhuǎn)速來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，圖14(a)～14(f)為機(jī)器人在小斜坡上前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，圖14(g)～14(h)為機(jī)器人在小斜坡上后退運(yùn)動(dòng). 從圖中可以看出，當(dāng)旋翼傾角調(diào)節(jié)到一定角度時(shí)，通過控制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，來驅(qū)動(dòng)控制機(jī)器人前進(jìn)和后退. 實(shí)驗(yàn)表明機(jī)器人能夠在小斜坡上穩(wěn)定前進(jìn)和后退.

4.2 垂直壁面實(shí)驗(yàn)

在無風(fēng)狀態(tài)下，機(jī)器人壁面吸附及運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)如圖15 所示，為防止機(jī)器人沖出壁面，在機(jī)器人下方安裝一定長度的軟繩，機(jī)器人可以在壁面一定范圍內(nèi)移動(dòng)，在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出不同的狀態(tài)和行程. 隨著轉(zhuǎn)速和前后旋翼傾角的變化，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸發(fā)生變化. 圖15(a)為運(yùn)動(dòng)起始初始狀態(tài)；15(b)為無刷電機(jī)啟動(dòng)，前后旋翼傾斜角度調(diào)整到60°；15(c)隨著無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷增加，開始向上移動(dòng)，啟動(dòng)后機(jī)身平臺(tái)出現(xiàn)一定側(cè)滑；15(d)～15(g)機(jī)器人持續(xù)向上移動(dòng)；15(h)～15(l)隨著無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，機(jī)器人從垂直壁面緩慢向下后退.

圖15 機(jī)器人壁面穩(wěn)定吸附運(yùn)動(dòng)過程Fig. 15 The robot wall surface stable adsorption movement process

由于實(shí)驗(yàn)是在室內(nèi)墻壁上進(jìn)行的，在有限的移動(dòng)行程里，移動(dòng)速度大于0.24 m/s. 在墻體運(yùn)動(dòng)測試中，螺旋槳實(shí)際轉(zhuǎn)速為最大速度的60%，機(jī)器人已經(jīng)能夠穩(wěn)定地附著在垂直墻上. 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該機(jī)器人在室內(nèi)垂直墻壁上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的吸附和運(yùn)動(dòng).

在上述實(shí)驗(yàn)中，由于機(jī)器人前后旋翼反推力吸附分配不均，造成機(jī)器人本體出現(xiàn)向右傾斜. 通過調(diào)整旋翼傾斜角度和前后槳葉轉(zhuǎn)速大小，能夠極大解決機(jī)器人在初始階段出現(xiàn)的傾斜問題. 在室內(nèi)垂直墻面吸附優(yōu)化測試實(shí)驗(yàn)如圖16 所示，實(shí)驗(yàn)中前旋翼傾角為55°，后旋翼傾角為60°，其中16(a)機(jī)器人初始狀態(tài)，16(b)～16(c)前后旋翼調(diào)整，16(d)～16(f)沿垂直壁向上移動(dòng)，16(g)～16(h)沿垂直壁緩慢向下移動(dòng). 從機(jī)器人在垂直壁面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以看出，機(jī)器人可以在垂直壁面牢牢吸附并穩(wěn)定向上和向下移動(dòng).通過調(diào)整前后旋翼的傾角，大幅改善了機(jī)器人沿垂直壁的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，左右前輪以近似水平的直線向前移動(dòng)，而主體幾乎沒有發(fā)生側(cè)滑，表面通過調(diào)整前后旋翼姿態(tài)角和槳葉轉(zhuǎn)速能夠極大地改善機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能.

圖16 壁面吸附優(yōu)化實(shí)驗(yàn)Fig. 16 Wall adsorption optimization experiment

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種能夠穩(wěn)定吸附在多種不同壁面的雙螺旋槳式爬壁機(jī)器人，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定吸附在垂直壁面，開展了機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和真實(shí)動(dòng)力系統(tǒng)測試分析，得出單個(gè)反推力最高能達(dá)到25 N；對機(jī)器人在多種情況下進(jìn)行受力分析，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)器人旋翼傾角為60°時(shí)，機(jī)器人能夠獲得更大的前驅(qū)動(dòng)力.

通過實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)得到機(jī)器人在操作過程中，旋翼傾角單度變化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)于旋翼傾角成倍變化；通過垂直壁面下吸附力測試得出，機(jī)器人在壁面狀態(tài)下吸附力最大可達(dá)到27.99 N，初步滿足雙旋翼機(jī)器人壁面穩(wěn)定吸附的設(shè)計(jì)要求，但在壁面穩(wěn)定吸附時(shí)需要較高的螺旋槳轉(zhuǎn)速；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器人在小斜坡和垂直壁面具備較高的移動(dòng)性能和穩(wěn)定吸附能力，并通過操作方式和控制方式的調(diào)整，優(yōu)化了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效果.