劉曰，王林平

（煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264000）

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基于UG的小型爬壁機器人的建模與仿真

劉曰，王林平

（煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264000）

摘 要：本爬壁機器人是仿照壁虎攀爬原理設計的，依據大壁虎的生理結構設計了爬壁機器人的理論模型。為滿足機器人攀爬時對吸附力的要求，按照仿生的壁虎生物體腳掌設計爬壁機器人的腳掌，材料是用聚氨酯硅的橡膠材料。依據大壁虎運動的實體模型，規(guī)劃了爬壁機器人的兩類運動步態(tài)，即在地平面運動的步態(tài)（對角步態(tài)）和在天花板上運動的步態(tài)（三角步態(tài)）。為驗證設計方案的可行性，利用UG軟件對各種運動步態(tài)進行了運動仿真，仿真結果表明，設計方案能夠完成預定的動作并且具有吸附力強的特點。

關鍵詞：爬壁機器人；步態(tài)規(guī)劃；運動仿真；UG

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.018

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-53-04

研究背景

爬壁機器人是可以在垂直壁面上工作的一類機器人，是一種能夠高速運作、效率和精度非常高的自動化設施，由于其可在高空極限條件下完成作業(yè)受到人們越來越多的重視。

經過多年的發(fā)展，爬壁機器人技術已經在全球范圍內有了較為廣泛的應用。美國斯坦福大學研制的最新仿壁虎爬壁機器人Stickbot[1]，該爬壁機器人是有四個呈對稱分布的腳掌構成，每個腳掌可通過拉線機構控制內收與外翻動作，以完成機器人足端與墻體表面的吸附和脫附。

與國外機器人發(fā)展對比，我國開始研制爬壁機器人相對較晚，我國科學家經過30多年的努力，在爬壁機器人領域已開始出現一個個驚人的成績，尤其是90年代以后，我國在爬壁機器人技術研制方面進步非常迅速。我國早期研發(fā)機器人技術的是北京航空航天機器人所宗光華教授等人研發(fā)出的“藍天潔士”等爬壁機器人[2]；北航的劉榮教授[3]在 2005 年研發(fā)的利用車輪式運動的爬壁機器人；北航于 2006 年研發(fā)出具有正壓吸附功能的機器人[4]。上述機器人的吸附能力較差、體積較大等缺點。

本文提出的小型爬壁機器人在頭部增加了舵機，并利用拉線結構與機器人腳掌相連，這種結構類似于機器人腳掌的“腳筋”，以幫助機器人完成腳掌的內收與外翻動作，實現與壁面的帖附、脫離。

1、機器人的結構設計

1.1 機械結構設計

依據大壁虎的生理構造，可初步建立壁虎機器人的理論模型（如下圖1所示）。該仿壁虎爬壁機器人是利用四腿對稱排列的方法，串聯的轉動關節(jié)是腿部的具體結構，機器人每個腿共有3個轉動自由度。完成腿部的抬、放運動工作的電機1和其關節(jié)直接連接于機器人主體；機器人在物體表面的爬行主要由舵機2及舵機3負責完成。

圖1　仿壁虎爬壁機器人的理論模型

結合大壁虎生物體構造和運動形式，可知大壁虎的四足呈現對稱分布。另外，大壁虎具有柔軟的軀體，它在壁面進行爬動時身體會左右扭動，所以說壁虎的軀體在運動過程中也參加了爬行，如圖2所示。

圖2　仿壁虎機器人的運動簡圖

依據對壁虎機器人研究的一般規(guī)律，然后綜合其機械結構對重量要求高，機構小巧的特征，也考慮到控制方便、計算簡潔，下文主要設計出了如圖3所示的對稱的壁虎機器人機械結構。

圖3　仿壁虎機器人整體機械結構圖

1.2 機器人的驅動及性能參數

仿壁虎機器人的驅動形式是機器人系統(tǒng)的重要組成部分之一，電氣驅動是如今應用最廣泛的驅動形式[5]，因為它控制方便、精度高、驅動力大，可采用各種靈活的方案。該仿壁虎機器人的驅動動力源采用電機驅動，這種驅動方式相對容易，同時它的控制也相對容易完成。

其中機器人每個自由度可由一個電機來實現驅動，平行四邊形結構可保證壁虎機器人在剛開始運動時自身質量盡可能聚集在其身體內部，如此以來可以把驅動電機內置，還能起到美觀的效果，同時減小了每個腿部關節(jié)處相對自身的轉動慣量，減小了每個舵機的驅動負載，增加了運動能力，也提升了腿部的強度。舵機和各個機構部件間的排列方式可減少各構件之間的運動干涉，使機器人足端可以向上提升的最大距離以及腳趾在運動面間的活動范圍達到了最大限度。

壁虎爬壁機器人的性能和主要參數如表1、表2所示：

（1）具體技術指標

表1

（2）舵機的主要性能參數

表2

1.3 機器人的腳掌設計

仿壁虎爬壁機器人的腳掌是仿生的壁虎生物體腳掌，材料是用聚氨酯硅的橡膠材料。所制備的腳掌分級結構如下圖4所示，在一級結構的末端又有無數的分支，如此實際上減小了分子間的間距，范德華力增大，保證了足端與接觸表面有足夠的吸附力，使機器人在爬行表面穩(wěn)定運行[6]。

圖4　壁虎足端剛毛的分級結構

由已知實驗結果可得：相對符合要求的是直徑大約為 30毫米的腳掌；假設四只腳趾都帖附于壁面可形成的理想范德華力為16.5N，機器人運動時，三只腳趾與壁面接觸可形成的理想范德華力為 12.5N。吸附粘力是在吸附過程中剛毛進入接觸表面的縫隙中形成，所以當機器人的腳趾在吸附過程時，應該盡量減少腳趾在接觸表面上切向滑移，不然可能剪斷剛毛，影響壁虎機器人的正常運動。所以在進行仿壁虎機器人的腳掌設計時應注意，運行構件要避免運動時位于吸附過程的支持腿與支持表面間出現沿切向的相對滑移。

圖5　壁虎機器人的腳掌模型

圖5中所設計的仿壁虎機器人，在腳掌裝有2 維力傳感器，球鉸鏈式的連接為足部與力傳感器間的連接方式。爬壁機器人正是由力傳感器感受到地面的凹凸狀況，這種功能得益于具有力感知作用的仿生腿結構，把檢測到的力反饋給機器人的控制中心，通過控制板塊計算出所需的吸附力，由驅動模塊執(zhí)行，及時調節(jié)機器人的運動步態(tài)，可以迅速躲過或跨過障礙物，在墻壁面運動時擁有更強大的地面適應性。

2、機器人的步態(tài)規(guī)劃

運動步態(tài)是足式機器人的走步形式，是足式機器人各條腿協(xié)調運動的一種規(guī)律，也就是每條腿的抬、放腿順序，它是分析足式運動構件的重要參數[7]。對大壁虎在不同表面爬行的觀察，可知它在壁面、天花板爬行的步態(tài)是不同的。壁虎在壁面上爬行時用兩只腳同時著地，在天花板上運動時，是三只腳同時吸附在墻面上，也就是只有一只腳離地[8]。由常識可知，壁虎吸附在墻體表面上足的個數越多，壁虎所受的總吸附力就會越大。依據大壁虎運動的實體模型，下文規(guī)劃了兩類運動步態(tài)，即在地平面運動的步態(tài)（對角步態(tài)）和在天花板上運動的步態(tài)（三角步態(tài)）。以左前腿為例，其運動系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　爬壁機器人左前腿運動系統(tǒng)圖

2.1 對角步態(tài)

觀察壁虎的運動規(guī)律可知，在任何時刻，壁虎在垂直壁面爬行運動中都至少有兩個腳趾與壁面接觸，支持和平衡身體。下圖7是壁虎機器人運動時的抬、放腿順序。由此啟示可研制出該爬壁機器人在壁面運動的對角步態(tài)，在圖8中關節(jié)1的抬、放腿順序和壁虎在墻面運動是一致的。以下步態(tài)運動中，壁虎機器人本體一共向前運動了 3 次，壁虎機器人預備爬行階段為圖9-a和9-b ，一個步態(tài)周期由圖9-c、9-d、9-e 共同完成。

圖7　壁虎在垂直面上的爬行

圖8　壁虎機器人運動時的抬、放腿順序

圖9　壁虎機器人的對角步態(tài)

2.2 三角步態(tài)

在天花板上運動的步態(tài)中，機器人爬行時有3只腳同時接地，此時的占地系數是75%。依據理論模型壁虎機器人機構排布的特征，機器人在爬行過程前，要由最初的狀態(tài)進入步態(tài)準備狀態(tài)，實現一系列的準備活動。

在下圖10的步態(tài)序列中，動作a、b、c是準備活動，從圖d開始進行步態(tài)周期運動。在這個運動周期中，該爬壁機器人共向前運動了2次。

圖10　壁虎機器人的三角爬行步態(tài)

3、運動仿真與分析

3.1 仿真模型建立

依據爬壁機器人的實際結構在UG軟件中的運動仿真環(huán)境下建立機器人控制系統(tǒng)模型，如下圖10所示。

圖10　爬壁機器人的整體系統(tǒng)圖

上圖10中的環(huán)境模塊用來預設爬壁機器人的運動仿真環(huán)境，而其4條腿的運動模型分別安裝于4個系統(tǒng)中，并利用2自由度的鉸鏈結構與機架間連接。在以上內容對運動步態(tài)規(guī)劃設計時，已設計了機器人運動的三角步態(tài)，利用已設計的運動步態(tài)完成天花板運動仿真，并對仿真過程進行分析，運動仿真實驗結果對將來機器人在負表面爬動有非常大的指導作用。

實際仿壁虎爬壁機器人每個機構的具體的重量、尺寸大小、質心位置如下表3所示。

表3　實際仿壁虎爬壁機器人的參數

仿真模型創(chuàng)建后依據實際的仿壁虎爬壁機器人運動情況設置模型的運動環(huán)境，主要工作包括依據以上對動力學的分析，分析仿真機構，創(chuàng)建運動仿真界面。

圖11　機器人運動環(huán)境設置

3.2 步態(tài)的描述

運動仿真前的 1s為機器人步態(tài)預備階段，接著完成四個運動步態(tài)周期，其中每步態(tài)周期2s，如圖12所示為爬壁機器人利用三角步態(tài)在天花板上運動圖。爬壁機器人沿壁面向上運動的方式是先以加速然后減速的運動方式，如果構件可以沿預設方向穩(wěn)定爬行，說明波動和偏移不存在。

圖12　機器人運用三角步態(tài)在天花板爬動

3.3 運動仿真結果分析

經過 UG軟件的運動仿真，如圖13所示，發(fā)現了機器人在運動過程中存在著運動范圍小、越障能力差的問題。對以往的機器人結構進行了改進，改變了電機2的排布位置，避免了各機構間的運動干涉，增加了腳掌的提升高度和運動范圍。

圖13　對機器人動畫仿真

機器人需要不斷地與接觸壁面貼附、分離，所以在它的頭部增加了電機4，該電機通過拉線結構連接于機器人腳掌，每個腳掌可通過拉線機構控制內收與外翻動作，以完成機器人足端與墻體表面的吸附和脫附。在這個爬壁機器人運動仿真模型中，壁面和單個腳掌接觸面積可以接受，該仿壁虎爬壁機器人的腳掌采用的粘附矩陣需給予的粘附力達到要求。

4、結論

在壁虎機器人建模仿真的過程中，也發(fā)現了模型存在的爬行速度低、跨過障礙能力差等問題，并提出了解決問題的途徑，對相應的機械結構進行改動，體現了虛擬樣機技術的優(yōu)勢，在減小實際物理樣機制造風險方面有非同尋常的作用，虛擬樣機技術著實解決了仿真模擬的難題[9]。

設計的仿壁虎爬壁機器人是開環(huán)控制系統(tǒng)，依靠電機角度的控制完成定位，可完善腳掌力反饋系統(tǒng)，利用中斷方式采集傳感器信號。在控制系統(tǒng)方式上利用上位機與下位機的方法[10]，其中上位機用來處理數據，而下位機負責驅動關節(jié)，以完成閉環(huán)系統(tǒng)精確控制。

參考文獻

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[10] 張昊.大壁虎運動行為研究及仿壁虎機器人研制[D].2007-06-19.

The Modeling and Simulation of Small Climbing Robot Based on UG

Liu Yue, Wang Linping
( School of Mechatronics and Automobile Engineering, Yantai University, Shandong Yantai 264000 )

Abstract:This robot is designed to the simulate gecko climb principle, on the basis of large gecko the physiological structure of the theoretical model of robot is designed.To meet the requirements of climbing robot for adsorption force, in accordance with biomimetic gecko organisms sole design of robot paw, The material is made of polyurethane silicone rubber material.On the basis of large gecko's movement of the entity model, planning the gait, the two kinds of robot movement in the gait of a ground plane motion (diagonal gait) and on the ceiling movement gait gait (triangle).To test and verify the feasibility of design scheme, using UG software to all kinds of sports gait motion simulation, the simulation results show that the design scheme to accomplish the action and has the characteristics of strong adsorption force.

Keywords:climbing robot; gait planning; Kinematics; UG

作者簡介：劉曰，碩士研究生，就讀于煙臺大學機電汽車工程學院。

中圖分類號：U462.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-53-04