劉 榮，李 揚(yáng)，張子博，陳 浩

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)器人研究所，北京 100191)

一種具有全面防護(hù)功能的爬壁機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉 榮，李 揚(yáng)，張子博，陳 浩

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)器人研究所，北京 100191)

開(kāi)發(fā)并研制了一種具有全面防護(hù)功能的爬壁機(jī)器人，介紹了機(jī)器人基本的抗摔裝置，詳細(xì)闡述了其主要結(jié)構(gòu)支撐架的設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)過(guò)程，支撐架仿照龜殼形狀設(shè)計(jì)，并將負(fù)壓板、風(fēng)扇架、行走裝置固定架設(shè)計(jì)為一體，減少了成本，簡(jiǎn)化了機(jī)器人的裝配過(guò)程。機(jī)器人控制系統(tǒng)采用DSP作為主控芯片，通訊方式為WIFI通訊，上位機(jī)界面由Android開(kāi)發(fā)，操作簡(jiǎn)單，控制方便。測(cè)試結(jié)果表明該樣機(jī)工作性能良好，具有一定的抗摔性，為以后對(duì)爬壁機(jī)器人抗摔等方面的研究提供了一種思路。

防護(hù)；爬壁機(jī)器人平臺(tái)；支撐架；控制系統(tǒng)

0 引言

爬壁機(jī)器人的研制需要較高成本，再加上其工作多為高處負(fù)載作業(yè)，極有可能從壁面滑下或者傾覆，故機(jī)器人的防護(hù)裝置顯得極為重要。目前，爬壁機(jī)器人的防護(hù)裝置主要有三種：①安全繩，即機(jī)器人前端連接防墜器，當(dāng)機(jī)器人因故墜落時(shí)，防墜器可以在較短時(shí)間內(nèi)自鎖，防止墜落，宮崎大學(xué)開(kāi)發(fā)的一款旋翼式爬壁機(jī)器人[1]和北航開(kāi)發(fā)的幕墻檢測(cè)爬壁機(jī)器人[2]，均采取安全繩作為防護(hù)裝置；②保護(hù)桿，文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)保護(hù)桿的出發(fā)點(diǎn)是防止機(jī)器人傾覆失效，主要原理是在機(jī)器人尾部加一個(gè)支撐桿，該支撐桿可以提供一個(gè)與傾覆力矩相反的力矩；③氣球，德國(guó)的Fraunhofer Institute IFF提出了一種基于氣球的機(jī)器人系統(tǒng)，氣球體積為200 m3，和電纜絞車配合來(lái)實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能[4]。

以上三種防護(hù)裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中應(yīng)用范圍最廣的是安全繩，但是當(dāng)機(jī)器人失控墜落時(shí)，盡管有安全繩的保護(hù)，仍無(wú)法避免與壁面發(fā)生碰撞或低空墜落與地面發(fā)生撞擊。針對(duì)此種情況，本文將介紹一種具有全面防護(hù)功能的爬壁機(jī)器人，并主要對(duì)其總體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)做出詳細(xì)敘述，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)機(jī)器人的性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要包括行走機(jī)構(gòu)、吸附裝置、密封裝置和支撐結(jié)構(gòu)，在本文中增加了防護(hù)裝置。本文介紹的機(jī)器人是作為一個(gè)爬壁機(jī)器人研究平臺(tái)來(lái)開(kāi)發(fā)的，基本功能要求是工作壁面為一般墻面(如粉墻、玻璃、門等)，機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)返回拍攝畫面，能夠?qū)崿F(xiàn)一定的防護(hù)功能，所以其吸附裝置采取壁面適應(yīng)能力較強(qiáng)的負(fù)壓吸附，行走方式采用控制簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)向簡(jiǎn)單、壁面適應(yīng)能力較強(qiáng)的車輪。如圖1所示，吸附裝置由無(wú)刷電機(jī)和徑流式風(fēng)扇組成，無(wú)刷電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)扇將密封腔內(nèi)部的氣體排出，從而使密封腔內(nèi)形成一定的負(fù)壓；行走機(jī)構(gòu)為四輪機(jī)構(gòu)，四個(gè)輪子均為驅(qū)動(dòng)輪以保證具有足夠克服重力的驅(qū)動(dòng)力，同一側(cè)的兩輪采用同步帶傳動(dòng)，兩個(gè)主動(dòng)輪分別由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向方式為左右車輪差速轉(zhuǎn)向。

圖1 吸附裝置和行走機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的密封裝置采用內(nèi)部具有一定壓力的氣囊，氣囊和支撐架底板(負(fù)壓板)形成負(fù)壓腔，可以通過(guò)改變氣囊充氣量來(lái)調(diào)節(jié)其剛度。機(jī)器人的防護(hù)裝置由氣囊和EVA殼子組成，氣囊負(fù)責(zé)周邊和底部的防護(hù)，EVA殼負(fù)責(zé)頂部防護(hù)。機(jī)器人的支撐架集風(fēng)機(jī)架、負(fù)壓底板、EVA殼支撐和氣囊支撐于一體，由3D打印而成。

機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在機(jī)器人的前方安裝攜帶攝像頭的機(jī)械臂，可以根據(jù)工作需要抬起或放下。在機(jī)器人上還裝有安全繩和柔性把手。

2 支撐架設(shè)計(jì)

支撐架是整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的重中之重，因?yàn)槠渌Y(jié)構(gòu)部分都要安裝在支撐架上，并且在機(jī)器人撞擊過(guò)程中支撐架要保護(hù)所有零部件，以減少對(duì)它們的沖擊。

圖2 機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

2.1 形狀確定

機(jī)器人損傷最嚴(yán)重的跌落方式是傾覆下落，即機(jī)器人頂部著地，這對(duì)頂部殼體會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊，而且由沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)對(duì)內(nèi)部零部件造成損傷。所以防護(hù)裝置首先是頂部需采用緩沖材料，然后支撐架盡量將振動(dòng)沖擊降到最小。

文獻(xiàn)[5]對(duì)龜殼進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)態(tài)和模態(tài)分析，得出以下結(jié)論：龜殼具有良好的抗壓抗沖擊能力，載荷從中心向四周傳遞，應(yīng)力在傳遞過(guò)程中沒(méi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，分布基本均勻；在碰撞過(guò)程中，龜殼首尾兩端相對(duì)于原來(lái)位置上下擺動(dòng)，將整體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成局部的應(yīng)變能，通過(guò)局部振動(dòng)耗散能量。文獻(xiàn)[6]計(jì)算研究了龜殼的承力特點(diǎn)，表明在頂部小面積壓力載荷下，有加強(qiáng)筋的龜殼結(jié)構(gòu)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下能夠增大內(nèi)腔面積，并對(duì)減輕質(zhì)量有很大的幫助。因此，支撐架結(jié)構(gòu)采取龜殼狀結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的跌落姿態(tài)及支撐架形狀如圖3所示。機(jī)器人觸地后仰，由于支撐架任意過(guò)其底面中心且垂直底面的截面都為拱形，所以它會(huì)繞中心做上下擺動(dòng)，保護(hù)機(jī)器人不受損傷或只受到可恢復(fù)性損傷。

圖3 機(jī)器人的跌落姿態(tài)及支撐架形狀

2.2 支撐架布局及輕量化設(shè)計(jì)

2.2.1 抗傾覆性能分析

爬壁機(jī)器人對(duì)其本身的抗傾覆性能要求較高，假設(shè)機(jī)器人以速度v勻速向上運(yùn)動(dòng)，吸附力為Fp，前、后輪受到的支持力和摩擦力分別為N1、f1和N2、f2，作用在氣囊密封圈上的支持力和摩擦力等效為與吸附力共線的Na和fa，重力為G。機(jī)器人的受力情況如圖4所示。

圖4 機(jī)器人受力圖

傾覆軸設(shè)置在后輪與壁面的兩個(gè)接觸點(diǎn)所在的直線軸，重心位置為Z，可以得出抗傾覆條件為：

其中：MO為抗傾覆力矩；L1為前輪與壁面接觸點(diǎn)與吸附力作用線之間的距離；L2為O點(diǎn)與吸附力作用線的垂直距離，L1+L2等于前后輪距離；h為重心Z與壁面的垂直距離。

由抗傾覆條件可以得出：輪距應(yīng)該在滿足運(yùn)動(dòng)條件下盡可能減?。粰C(jī)器人總重量要在保證強(qiáng)度的情況下盡量減小，重心盡量降低；增大L2即將吸附裝置前置，會(huì)增大吸附力力矩，但分配到前輪的壓力N1也會(huì)相應(yīng)增大，綜合考慮，將吸附裝置布置在中心，即L1=L2，這樣也使得機(jī)器人受力均勻，有利于運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 支撐架布局

支撐架布局如圖5所示。行走裝置安裝的位置向龜形殼體內(nèi)部嵌入10 mm來(lái)降低機(jī)器人的重心，減小需要克服的傾覆力。在龜形支撐架內(nèi)的負(fù)壓板上設(shè)置了各個(gè)零部件的位置，攝像頭與控制其運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)放在機(jī)器人的最前端，方便攝像頭獲取前方環(huán)境；電源采用三塊鋰電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)，重量較大，故而安排在機(jī)器人靠后端位置，以提高機(jī)器人的平穩(wěn)性，避免上重下輕的布局；最后綜合空間剩余以及機(jī)器人中部?jī)蓚?cè)受摔落沖擊較小的情況，選擇把電路板和無(wú)線模塊、負(fù)壓傳感器等帶電部件安置在支撐架中部?jī)蓚?cè)，以提高機(jī)器人的安全性能。

2.2.3 支撐架輕量化設(shè)計(jì)

本文中支撐架采用了幾種加大強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)它的功能：①拱形支撐，用來(lái)增強(qiáng)較長(zhǎng)橫梁的剛度和強(qiáng)度，使其能夠承受一定的沖擊力；②三角形支架，在減重的同時(shí)，保證上層橫梁的強(qiáng)度；③傳力支撐，當(dāng)沖擊作用在頂部時(shí)，可以將一部分通過(guò)傳力支撐傳遞到支撐架的四周以分擔(dān)這些沖擊，進(jìn)而減少傳到易損零部件上的沖擊；④蜂窩狀結(jié)構(gòu)，支撐架中有一塊大平面，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在剛度相當(dāng)?shù)那闆r下，蜂窩狀結(jié)構(gòu)比桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量更小，同時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)的吸震特性也有利于抗摔性能的提高。此外，在支撐架背面還設(shè)有氣囊支撐結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖5 支撐架布局 圖6 支撐架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)采取上位機(jī)和下位機(jī)兩級(jí)分布式控制，主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、機(jī)器人直線前進(jìn)、差速轉(zhuǎn)向、位置伺服和視頻傳輸?shù)裙δ堋?/p>

機(jī)器人下位機(jī)主控芯片為DSP 系列的TMS320F2812，兩路PWM波輸出分別控制風(fēng)機(jī)無(wú)刷電機(jī)和攝像頭伸縮桿舵機(jī)，無(wú)刷電機(jī)采用電調(diào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；一路PWM波輸出和方向信號(hào)輸出控制行走裝置電機(jī)，并采用H橋作為其驅(qū)動(dòng)電路，芯片內(nèi)置正交編碼脈沖電路即QEP電路用于獲取其位置和速率信息；三路A/D采集分別用于捕獲壓差傳感器的數(shù)據(jù)值、驅(qū)動(dòng)電路電流值和機(jī)器人總電源值；一路SCI(串行通訊)用于與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。行走電機(jī)的閉環(huán)控制通過(guò)PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)控制流程如圖7所示。

圖7 下位機(jī)控制流程圖

機(jī)器人上位機(jī)界面采用Eclipse軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通訊模塊為WIFI模塊，通訊協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，與下位機(jī)之間的通訊接口使用的是Socket套接字，開(kāi)發(fā)程序可以應(yīng)用于所有基于Android系統(tǒng)的設(shè)備中。機(jī)器人攜帶的攝像頭為USB紅外夜視攝像頭，720P高清，通過(guò)USB線與WIFI模塊連接，WIFI模塊給攝像頭供電，攝像頭采集到的數(shù)據(jù)流會(huì)通過(guò)WIFI進(jìn)行無(wú)線傳輸。此外，該模塊還設(shè)有TTL電平的串行通訊接口，可以與主控板連接進(jìn)行控制指令傳輸，波特率設(shè)為9 600 Bd。圖8為上位機(jī)界面，圖9為攝像頭在光亮處和黑暗處采集到的視頻圖像。

圖8 上位機(jī)界面

4 樣機(jī)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)

爬壁機(jī)器人的樣機(jī)如圖10所示。該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)爬壁和實(shí)時(shí)返回視頻功能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)機(jī)器人在高空中撤掉吸附力后，防墜器在一定的距離內(nèi)能夠阻止機(jī)器人下落，且高空懸掛會(huì)出現(xiàn)搖晃并與壁面撞擊，但由于機(jī)器人的全面防護(hù)裝置，所有零部件均沒(méi)有受損。機(jī)器人低空跌落實(shí)驗(yàn)是在1.5 m處傾覆跌落，可以保證主要零部件不受到損傷或者受到可修復(fù)損傷，基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人抗摔防護(hù)功能。表1給出了機(jī)器人性能測(cè)試參數(shù)。數(shù)據(jù)顯示，本機(jī)器人相較同類型的樣機(jī)性能上有了進(jìn)一步提高。

圖9 攝像頭在光亮處和黑暗處采集到的圖像

圖10 爬壁機(jī)器人樣機(jī)

參數(shù)參數(shù)值備注質(zhì)量(kg)3最大速度(mm/s)100目前測(cè)試值最大負(fù)載(kg)6受限于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速續(xù)航時(shí)間(min)30加負(fù)載3kg通訊距離(m)50空曠地段負(fù)壓值(kPa)1.5受限于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低空抗摔(m)1.5

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并研制了一種具有全面防護(hù)功能的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)基本的抗摔功能，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)傳輸，但是仍有很多需改進(jìn)的部分，例如抗摔高度有待進(jìn)一步提高，視頻的顯示具有一定的遲滯性等。

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(英文摘要Design of Climbing Robot Platform with Universal Protection Device

LIU Rong, LI Yang, ZHANG Zi-bo, CHEN Hao

(Robotics Institute of Beihang University, Beijing 100191, China)

A kind of climbing robot with universal protection device was developed. This paper introduced the basic anti-thrown device of the robot and elaborates the design concept and progress of support frame, the main structure of the robot. The support frame was designed after the shape of turtle shell and as a collection of negative pressure plate, fan frame and fixed mount of travelling mechanism, which reduced the cost and also simplified assembly process of the robot. The control system used DSP as main control chip and WIFI module as communication module, and the user interface was developed in Android system. These made the operation simple, easy to control. The platform was tested after successful establishment. The result shows that the prototype works very well and has a certain resistance to impact, which provides a kind of thought and a reference for the research of the properties of climbing robot.

protection; climbing robot platform; support frame; control system

1672- 6413(2015)06- 0130- 03

2015- 01- 28；

2015- 09- 10

劉榮(1968-)，男，重慶人，教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)，微電機(jī)技術(shù)。

TP242.6

A