郝彧　楊云濤　張寶文

摘 要：“方寸”爬壁機器人是操控人員可以遠程控制的、可在垂直壁面上平穩(wěn)吸附、靈活行進且搭載特種設備進行相關作業(yè)的壁面移動平臺。設備的機身為方形設計，體積小巧，結構精妙，功能強大，因此，將其命名為“方寸”壁面移動機器人。機器人的主體結構包括真空吸附系統(tǒng)、直線行進系統(tǒng)、定點轉向系統(tǒng)和設備負載系統(tǒng)等4大部分，它是融合了機器人技術、機械結構、運動機構、電子電路和程序控制等技術于一身的吸盤式壁面作業(yè)平臺。因為“方寸”機器人具有爬壁優(yōu)勢和轉向靈活的特點，再加上搭載相應的功能設備，所以，它可以實現(xiàn)壁面清潔和探測攝影等傳統(tǒng)民用功能，同時，它還適用于高層傳送搜救、設備探傷修復等消防、化工領域的危險作業(yè)。另外，在偵查和毀傷等軍用領域中，它也將會大顯身手。

關鍵詞：壁面攀爬；真空吸附；機電控制；數(shù)字建模

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.003

1 項目研究背景

隨著經(jīng)濟和科學技術的迅猛發(fā)展，社會各界對軍事偵查、工程探測和消防救援等方面的要求越來越提高，導致各種特殊工況下的高難、高危工作急劇增加，比如，清洗高樓外壁面、檢測和維護石化企業(yè)中的儲料罐外壁、對大面積的鋼板進行噴漆、在高樓事故中搶險救災等工作。與越來越高的工作需求相對應的是傳統(tǒng)的人工壁面作業(yè)方式，但是，這種工作方式危險性高、保障低、耗時耗力。

基于改變現(xiàn)有工作模式的客觀要求，爬壁機器人呈現(xiàn)出了因應用不同而多元化的狀態(tài)。但是，各類設計都試圖利用自身的運動結構去適應復雜多變的壁面環(huán)境，從而獨立完成盡可能繁雜的任務。這樣做，不僅增加了機器人的質(zhì)量，還使控制系統(tǒng)變得復雜化——移動載體的復雜程度與壁面工作可靠度之間的矛盾一直是阻礙壁面機器人實用化的主要矛盾。

經(jīng)過反復研究，我團隊將壁面移動功能和基于壁面移動的其他附加功能徹底分離，專注于平臺單體的設計研發(fā)，力求該平臺行進穩(wěn)、負載強、質(zhì)量輕、結構緊，并留出了搭載設備的空間和控制接口，在其上搭建探測、消防等微型功能裝置后，可將其廣泛推廣、應用于軍事、消防、工程、石化和船舶等領域。該平臺在工作環(huán)境中的狀態(tài)如圖1所示。

2 基本功能和工作過程

2.1 基本功能概述

游壁平臺在工作過程中，吸附系統(tǒng)可以保證游壁平臺緊貼壁面而不出現(xiàn)打滑和脫落的現(xiàn)象；行進機構和轉向機構可以使游壁平臺在壁面上穩(wěn)定前行并自由轉向；外接的功能系統(tǒng)在游壁平臺行進的過程中可以獨立完成相應的工作。

機體基本設計參數(shù)為：長350 mm，寬210 mm，工作高度80 mm；凈重1.5 kg，行進速度為1.0 m/min。

適用作業(yè)范圍：玻璃壁面、瓷磚幕墻、油漆漆面等光滑的垂直壁面。

基本功能：壁面吸附、直線行進、定點轉向、設備搭載和遠程控制等。

2.2 工作過程一覽

“方寸”壁面移動平臺的外觀如圖2所示。

為了確保能夠生動、形象地闡述相關內(nèi)容，以下簡稱游壁平臺主體為“主體”，稱前后兩組外吸附架分別為“前爪”“后爪”（兩組平行雙曲柄機構）；主體搭載的4個減速電機記為“A組”，前后爪搭載的4個減速電機稱為“B組”；設定初始狀態(tài)為主體附著于壁面，前后爪懸空。

圖1 平臺在工作環(huán)境中 圖2 “方寸”壁面移動平臺外觀示意圖

2.2.1 壁面直線動作分解

一個完整的壁面直線行進動作可分解為以下幾步：①四爪行進。使用者通過控制器（藍牙模塊實現(xiàn)通信）輸出預設PWM信號（正/反轉），驅(qū)動A組電機同步啟動，進而帶動前后爪與主體形成的平行雙曲柄機構（主體為機架）等速運轉，前后爪以主體上鉸接點為軸做圓周運動，直至前后爪吸盤輕觸壁面。②四爪吸附。前后爪輕觸壁面后，中斷對A組電機的PWM信號輸出，控制電磁閥令前后爪吸附機構快速排出吸盤內(nèi)的氣體，從而完成四爪的吸附動作。③主體脫離。主體吸附裝置快速吸氣，主體脫離墻體。④主體行進。控制器輸出預設PWM信號（正/反轉），驅(qū)動B組電機同步啟動。此時，變換前后爪與主體形成的平行雙曲柄機構的機架（前后爪變?yōu)闄C架），主體以鉸接點為軸做與①中四爪行進同向的圓周運動，直至主體吸盤輕觸壁面（軌跡為完整的半圓）。⑤主體吸附。主體吸盤輕觸壁面后，中斷對B組電機的PWM信號輸出，主體吸附裝置快速排出吸盤內(nèi)的氣體，進而完成主體的吸附。⑥四爪脫離，復位。前后爪吸附裝置快速排氣，四爪脫離墻體。此時，主體附著于壁面，前后爪懸空，機體完成一個周期的壁面直線行進過程，恢復到初始狀態(tài)。

2.2.2 定點轉向動作分解

一個完整的轉向動作可分解為以下幾步：①主體轉向。控制器輸出一定周期的預設PWM信號，驅(qū)動舵機向預設方向轉動固定的角度，進而帶動主體和前后爪實現(xiàn)定角度轉向。②四爪行進?？刂破鬏敵鲱A設PWM信號（正/反轉），驅(qū)動A組電機同步啟動，進而帶動前后爪與主體形成的平行雙曲柄機構（主體為機架）等速運轉（此時，前后爪仍處于懸空狀態(tài)），前后爪以主體上鉸接點為軸做圓周運動，直至前后爪吸盤輕觸壁面。③四爪吸附。前后爪輕觸壁面后，中斷對A組電機的PWM信號輸出，前后爪吸附機構快速排出吸盤內(nèi)氣體，從而完成四爪的吸附。④舵機復位?？刂破鬏敵雠c①中等大反向的PWM信號，驅(qū)動舵機反向運轉，使主體吸附裝置回正。⑤主體行進。控制器輸出預設PWM信號，驅(qū)動B組電機同步啟動。此時，變換前后爪與主體形成的平行雙曲柄機構的機架（前后爪變?yōu)闄C架），主體以鉸接點為軸做與②中四爪行進同向的圓周運動，直至主體吸盤輕觸壁面（軌跡為完整的半圓）。⑥主體吸附，復位。主體吸盤輕觸壁面后，中斷了對B組電機的PWM信號輸出，主體吸附裝置快速排出吸盤內(nèi)的氣體，實現(xiàn)吸附。此時，主體附著于壁面，前后爪懸空，機體完成了轉向動作，恢復到初始狀態(tài)。

3 “方寸”壁面移動平臺系統(tǒng)設計

3.1 真空吸附系統(tǒng)

微型直流真空泵（抽氣泵）、電磁閥和柔性吸盤利用柔性導管連結在一起，實現(xiàn)真空吸附。

3.1.1 吸附力來源

微型的直流真空泵（抽氣泵）一個泵體連結一個腳爪的一組吸盤，供電電源的電流需在1.5 A 以上。真空泵有出氣口和進氣口，在通電狀態(tài)下持續(xù)吸氣，抽氣量基本滿足吸附需要。負壓吸盤與壁面所產(chǎn)生的摩擦力要大于平臺自身加搭載設備的重力乘以安全系數(shù)，使游壁平臺能夠安全、平穩(wěn)地吸附在壁面上，不會打滑和脫落；柔性吸盤也可以彌補粗糙壁面的輕微漏氣。

相關參數(shù)包括：電機規(guī)格為15.4 mm×20 mm（180電機），高度為32 mm，電壓為3 V，電流為1.1 A（電池供電，或者1.5 A以上的電源適配器），質(zhì)量為45 g。

3.1.2 吸附力改變

在壁面工作的過程中，隨著機器人腳步的變化，需要吸盤吸氣、放氣動作同步進行，如果靠通斷電來控制吸氣、放氣，不僅反應時間過長，而且還會對機器造成嚴重的損傷，因此，可選擇電磁閥作為改變吸盤吸力的調(diào)解器。電磁閥有3條相對獨立的通道，當電磁閥未通電時，通道2與通道3連通，但是，都不與通道1連通，通道1被密封（不妨設此時為爪不吸氣狀態(tài)，中央吸盤吸氣）；當電磁閥通電時，通道2被封堵，通道1和通道3 連通（此時，爪成為吸氣狀態(tài)，中央吸盤放空），通過控制電路控制電磁閥通斷即可。

相關參數(shù)包括：介質(zhì)為氣體；額定電壓為DC6；額定電流為170 mA；額定工作壓力約為40 kPa。

3.1.3 吸附力校核

當吸盤吸附墻面時，吸附力公式為：

F吸=n×μ×P×S. （1）

式（1）中：n為吸附墻面的吸盤個數(shù)；μ為墻面與吸盤的摩擦因數(shù)，取0.2；P為大氣壓強；S為單一吸盤面積，即S=π×r2.

這時，則應保證在最少吸盤吸附的情況下，仍然可以滿足：

F吸min≥G. （2）

爬壁機器人的總重力為：

G=mg. （3）

式（3）中：m為爬壁機器人質(zhì)量，約為5 kg；g為當?shù)刂亓?/p>

速度，取g= .

代入相關數(shù)據(jù)得：F吸=6×0.2×100 000×3.14×r2≥50.

解得：r≥0.011 5 m=1.15 cm。

吸盤半徑為4 cm，明顯滿足相關要求，并且具有一定的裕度，可允許一定的非真空度。

3.1.4 吸盤布局

四腳吸附，4個吸盤為1組，平臺單體共計4組吸盤，共同組成平臺外吸附架；中央吸附，6個吸盤為1組，型號比外吸附架所用吸盤大，吸附作用更強。中央吸附和四腳吸附在協(xié)同控制下，共同組成了移動平臺的真空吸附系統(tǒng)。

3.2 直線行進系統(tǒng)

壁面移動平臺的行進機構是由電機帶動轉軸，其提供的轉矩可以使平臺主體和外架進行相應的運動，如此，平臺即可在壁面上吸附的同時自由前行。其中，四組平行雙曲柄機構實現(xiàn)了交替步進式的行進方式；驅(qū)動電機的傳動比為1∶4，1∶4，1∶4，1∶4，實現(xiàn)了四級減速。

當吸盤吸附于墻面時，將吸盤桿件看作懸臂梁，它需要承受機器人重力所帶來的彎曲，因此，需要校核彎曲強度。

初選吸盤處的電機功率P=0.75 kW，二級電動機的轉速n=1 500 r/min。桿件為一般用途鋼，選用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。查表得：Rm=640 MPa，ReL=355 MPa，σ-1=275 MPa，τ-1=155 MPa，[σ-1]=60 MPa。這些是鋼材各類強度數(shù)據(jù)。

利用扭轉強度法：

d≥ . （4）

代入數(shù)據(jù)得到：d≥9.52 mm。

經(jīng)過圓整，取軸頸d=10 mm，桿長度為0.05 m。

根據(jù)公式可知桿件所受轉矩為：

T≥ . （5）

解得：T=4.774 5 N·m。

當設備靜止附著在墻面上時，只有垂直方向的彎矩，無水平方向的彎矩。因此，只需校核垂直方向彎矩M垂直即可。

機器人質(zhì)量m=5 kg，重力G=50 N，桿件長度l=0.05 m，則有M垂直=G×l=2.5 N·m.

當危險截面出現(xiàn)在桿件與機器人主體連接處時，則有：

. （6）

式（6）中：W為抗彎截面系數(shù)， .

將具體數(shù)據(jù)代入式（6）得：

=38.02 MPa。

在吸盤附著最少的情況下，也至少有6只吸盤吸附在墻面上，因此，平均每根桿件所承受的彎扭強度最大為：

MPa。

由此可得：σca_max<[σ-1]，設計符合強度要求。

3.3 定點轉向系統(tǒng)

舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成。平臺用中央舵機實現(xiàn)轉向，中央吸盤組吸附壁面，外吸附架懸空，中央舵機在遠程控制下完成特定轉角；轉向完成后，外吸附架下落，吸附壁面，進入直線行進狀態(tài)。

3.4 設備搭載系統(tǒng)

空闊的主體架既減輕了移動平臺的質(zhì)量，又為設備搭載留下了充足的空間。將中央控制器直接固連在方形架上，事先設計預留的布線槽，使控制系統(tǒng)后期的加入變得簡單易行。此外，平臺預留的設備接口較為通用，便于不同元件接入，例如，紅外模塊實現(xiàn)測速測距，蜂鳴器模塊實現(xiàn)遇障報警，微型攝錄儀實現(xiàn)壁面信息采集等。

4 機電控制簡述

為了使“方寸”平臺更好地與現(xiàn)代化科技相結合，更便于推廣和應用，擬采用基于Arduino 開源平臺的單片機嵌入式控制系統(tǒng)。平臺內(nèi)可選用的硬件種類豐富，可根據(jù)需要選擇基于AVR、ARM Cortex-M3的處理內(nèi)核。由此，增強了“方寸”壁面移動平臺的功能適應性和外載系統(tǒng)的負載性，使其被應用于更多的領域，滿足多功能的工作要求。

4.1 直線運動控制

為了實現(xiàn)遠程控制，游壁平臺將采用無線信號傳輸。對于藍牙無線控制系統(tǒng)，藍牙模塊（底板3.3 V LDO，輸入電壓為3.6～6 V，未配對時的電流約為30 mA，配對后約為10 mA）利用杜邦線與Arduino連接，可實現(xiàn)藍牙傳輸。

運動控制步驟為：①上位機發(fā)出指令信號。②藍牙模塊接收信號，并將其傳輸至中央控制I/O接口。③中央控制端處理信號。④如果是轉向信號，則要向舵機發(fā)出符合要求的數(shù)字信號；如果是前進信號，則要向直流電機驅(qū)動板L298N發(fā)出信號。

4.2 定點轉向控制

控制中央舵機實現(xiàn)轉向，通過發(fā)送信號指定輸出軸旋轉的角度。在轉向控制系統(tǒng)中，舵機電源獨立于中央控制系統(tǒng)，單獨供電，以保證其工作性能。Arduino控制端I/O口產(chǎn)生持續(xù)的脈沖來控制轉向角度，即脈沖調(diào)制，而脈沖決定了舵機轉動的角度。

舵機控制流程是：①上位機發(fā)出轉向指令；②Arduino控制端處理；③輸出符合條件的方波；④舵機按照一定角度轉向。

4.3 真空吸附控制

微型氣泵組采用大功率高轉速直流電機驅(qū)動。采用大功率電機專用驅(qū)動芯片L298N可以直接驅(qū)動2路直流電機，驅(qū)動電流達2 A，而電機輸出端采用高速肖特基二極管作為保護。

“方寸”壁面移動平臺需要驅(qū)動四路直流電機，使用2塊L298N共同工作。當控制端收到前進信號后，向2塊L298N驅(qū)動板發(fā)送指令信號，使其驅(qū)動直流電機工作，進而完成相應的動作。

4.4 搭載設備控制

4.4.1 紅外測距模塊

使用夏普GP2D12紅外測距傳感器與Arduino核心控制板串口連接。GP2D12是一款Sharp公司生產(chǎn)的紅外線測距傳感器，它被廣泛應用在各個領域?！胺酱纭迸辣跈C器人就是使用它來完成測距測速功能的。

4.4.2 超聲波定位模塊

超聲波測距模塊能提供2～450 cm的非接觸式感測距離，測距精度高達3 mm，能很好地滿足正常要求。其工作過程是：①發(fā)射超聲波；②遇到障礙物返回聲波；③將距離相關信息轉化為數(shù)字量輸出；④信號輸入核心控制端；⑤實現(xiàn)測距和避障。

4.4.3 蜂鳴器報警模塊

小型蜂鳴器因其體積?。ㄖ睆街挥? mm）、質(zhì)量輕、價格低、結構牢靠，被廣泛應用于各種需要發(fā)聲的電器設備、電子制作和單片機等電路中。蜂鳴器管腳分別與GND和制訂數(shù)字信號的I/O接口相連，當遇到障礙需要停止前進時，由Arduino擴展板控制蜂鳴器以500 Hz的頻率鳴叫。

5 項目總結

基于改變傳統(tǒng)人工壁面作業(yè)模式的客觀需求，我團隊初步研發(fā)完成了“方寸”壁面平臺——遠程控制的可在垂直壁面上平穩(wěn)吸附、靈活行進，并且可搭載特種設備完成相關作業(yè)的壁面移動平臺。

該平臺主要從結構、運動和功能3方面創(chuàng)新，在結構設計上，設計了微型氣泵和電磁閥的組合，將爬壁負壓需求分散到中央和四足吸盤組，增加了機械的可靠度；在運動方式上，依據(jù)仿生原理，模仿肉食蜘蛛捕食的方式，采用四足和軀體交替式前進，以增強平臺的穩(wěn)度；中央轉向裝置工作靈活，有效地解決了爬壁機器人轉向難的問題；在功能實現(xiàn)上，留有功能模塊的傳感器接口，給予平臺更大的負載空間和負載能力。

對于平臺本身，避開了“多功能”的復雜性，只專注于壁面移動，有效地解決了平臺運動復雜度與結構可靠性之間的矛盾，能初步替代人力從事高空壁面工作。此平臺的開發(fā)能在未來軍事、消防和工業(yè)生產(chǎn)等領域中起到舉足輕重的作用——夢想何不千里之外，精彩盡在方寸之間！

參考文獻

[1]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]劉旭輝，金沛.高樓外墻游壁平臺的功能與外形設計[J].河南機電高等專科學校學報，2010，18（6）.

[3]梅燕民，彭光正，范偉.氣動爬墻機器人[J].液壓氣動與密封，2002（1）.

[4]楊建元.吸附型壁面攀爬游壁平臺研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2007.

[5]熊則男，喬宗亮.壓縮機中的力學分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

〔編輯：白潔〕