董　寒，崔登祺，李方興，高學(xué)山DONG Han，　CUI Deng-qi，　LI Fang-xing，　GAO Xue-shan（北京理工大學(xué) 機電學(xué)院，北京 100081）

多吸盤框架式爬壁機器人系統(tǒng)的設(shè)計與分析

董寒，崔登祺，李方興，高學(xué)山
DONG Han，CUI Deng-qi，LI Fang-xing，GAO Xue-shan
（北京理工大學(xué) 機電學(xué)院，北京 100081）

為實現(xiàn)在非磁性壁面上的檢測與修護工作，同時滿足高效、無損、自動化的要求，設(shè)計一種框架式爬壁機器人。根據(jù)壁面特征及爬行要求，確定機器人的機械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)構(gòu)成，采用電機與氣動結(jié)合的驅(qū)動方式。對關(guān)鍵元件吸盤進行密封處理，分析機器人的吸附穩(wěn)定性，機器人的運動控制策略及機器人在吸盤切換時的策略選取。

爬壁機器人；密封處理；吸附穩(wěn)定性；運動規(guī)劃；吸附切換

0　引言

爬壁機器人從吸附方式上分為真空吸附、磁吸附、推力吸附等［1］。對于非磁性表面，真空吸附是一種比較理想的方式。爬壁機器人從運動方式上主要分為車輪式、履帶式、多足步行式和框架式四種［2，3］。壁面檢測常需要搭載雷達檢測儀等設(shè)備進行無損檢測，需保證其平穩(wěn)運動，框架結(jié)構(gòu)是一種比較平穩(wěn)的結(jié)構(gòu)。同時，為了獲取更大的吸附力，常采用多吸盤結(jié)構(gòu)，增大機器人與壁面的接觸面積［4，5］。為適應(yīng)在非磁性壁面上的檢測工作，設(shè)計一種多吸盤框架式爬壁機器人，采取真空吸附方式。

本文的組織結(jié)構(gòu)如下：1）介紹爬壁機器人系統(tǒng)核心部分——機器人本體的機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成；2）對機器人結(jié)構(gòu)的吸附穩(wěn)定性進行分析；3）對機器人的吸附及運動策略進行分析；4）對機器人的實際運動效果進行實驗驗證。

1　機器人本體的結(jié)構(gòu)

如圖1和圖2所示，機器人總體呈“十字”框架式結(jié)構(gòu)，包括兩個正交的總體移動關(guān)節(jié)、四個可伸縮的末端移動關(guān)節(jié)及對應(yīng)的吸盤組末端執(zhí)行部分。機器人在壁面上的移動包含X軸和Y軸兩個方向，互相垂直，互不干涉，機器人本體是一個真空吸附式直角坐標機器人。機器人在水平和垂直方向上運動的實現(xiàn)靠兩個直流伺服電機驅(qū)動，并帶動與中間支撐架固聯(lián)的同步帶實現(xiàn)吸盤組與支撐臺相對位置的移動。吸盤組與壁面垂直距離的改變由推桿式直線電機實現(xiàn)，吸盤對壁面的吸引與釋放由真空泵和單向電磁閥實現(xiàn)。中心支撐架內(nèi)外分別有兩對直線軸承引導(dǎo)兩組直線導(dǎo)軌在其中運動。X軸與Y軸方向上的兩個吸盤組與壁面吸附是同步完成的，在其中一個軸向上吸附時，由于吸盤的柔性，與其正交方向上的兩個吸盤組相對于中心支撐架會發(fā)生偏斜，故同步伸縮的兩個推桿直線電機的兩側(cè)分別安裝了萬向支撐輪，防止吸盤組過度傾斜，同時使吸盤組上的距離傳感器能夠有效檢測到與壁面之間的距離信息。

為應(yīng)對壁面上出現(xiàn)少量細小坑洼這種情況下的吸取，調(diào)研滿足質(zhì)量輕、強度大、柔性大的密封材料，將兩種液體硅膠原料按照一定的配比混合后做成與吸盤內(nèi)表面相符的形狀，粘貼在吸盤內(nèi)表面，如圖3所示在真空泵抽氣時，硅膠密封墊能將墻面凸起和凹陷的部分充分的包覆，有效改善粗糙表面的吸附效果［6］。如圖4所示，實驗證明經(jīng)密封處理后能在比較粗糙的磚面上承受超過10kg的拉力，超過單個吸盤在光滑表面產(chǎn)生吸附力的80%。

圖2　機器人的正視圖和俯視圖

圖3　吸盤的柔性處理示意圖

圖4　柔性處理后的吸盤吸附試驗圖

由于爬壁機器人工作環(huán)境的特殊性，要求控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強、易于功能擴展等特點［7］?？刂葡到y(tǒng)由機器人本體控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)工作時，地面監(jiān)控系統(tǒng)完成機器人的任務(wù)下達及狀態(tài)顯示功能，操作人員通過人機接口輸入控制指令，基于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至機器人本體控制系統(tǒng)，機器人在本體控制器的控制下完成吸附、爬行、越障等動作。機器人本體帶有雷達等檢測設(shè)備對壁面情況進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)及自身狀態(tài)信息實時傳回地面監(jiān)控系統(tǒng)。

機器人本體系統(tǒng)以嵌入式主機作為核心控制器，實現(xiàn)電氣控制及氣動伺服控制功能。根據(jù)模塊化設(shè)計的原則，硬件電路的主控芯片選用ARM系列stm32f103vet6；電機的運行通過CAN總線實現(xiàn)微控制器與伺服驅(qū)動器之間的通信，通過伺服驅(qū)動器可以對電機實現(xiàn)速度與位置控制；遙控器與主控制器之間的通信靠2.4G無線收發(fā)模塊來實現(xiàn)，避免與檢測設(shè)備的頻率發(fā)生干擾；推桿式直線電機行程信息由距離傳感器來讀??；推桿式直線電機和電磁閥的控制通過I/O口輸出給對應(yīng)的繼電器模塊帶動相應(yīng)的執(zhí)行器件來實現(xiàn)；機器人狀態(tài)信息的給出也是通過通用I/O口發(fā)送出去，顯示機器人本體的運動狀態(tài)及接收到的運動控制指令。機器人控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖5所示。

圖5　機器人的控制及執(zhí)行部分

2　機器人的吸附可靠性分析

機器人在工作時主要有以下三種情況：1）X軸方向的吸盤組抬起，Y軸方向的洗盤組吸附；2）Y軸方向的吸盤組抬起，X軸方向的吸盤組吸附；3）吸盤交替吸附時，X軸和Y軸方向上的兩組吸盤同時吸附。即機器人工作時至少有一個方向上的兩組吸盤，共6只同時吸附在壁面上［8，9］。而機器人的工作環(huán)境又主要分為與地面平行和與地面垂直的壁面兩種情況。其中，當壁面與地面垂直是最惡劣的情況，予以重點討論。

當Y軸方向上的吸盤組抬起，X軸方向上的吸盤組吸附的時候，會因Y軸方向上的吸盤組及中心支撐架相對于X軸方向上的直線導(dǎo)軌運動，機器人本體上的應(yīng)力分布也會有所不同。下面分析當支撐架運動到導(dǎo)軌末端時的情況，如圖6所示。

圖6　Y軸吸附，X軸抬起

圖6中GY表示Y軸部分的重力，GX表示X軸部分的重力，F(xiàn)i表示第i個吸盤的吸附力，Ni表示壁面對吸盤產(chǎn)生的正壓力，fi表示壁面與第i個吸盤與壁面之間的摩擦力，LX表示X軸兩吸盤組之間的距離，L表示X軸方向一個吸盤組的縱向間距，SX表示X軸方向上的行程，H表示機器人重心到壁面的距離，h表示X軸方向上的導(dǎo)軌重心到壁面的距離。假定墻面處在Z軸方向，若要使機器人保持平衡，則應(yīng)滿足如下方程組：

其中：

μ表示滑動摩擦系數(shù)；fh表示滑動摩擦力；

fs表示最大靜摩擦力。

為避免機器人傾覆，應(yīng)當滿足Ni＞0，以Y軸方向上的吸盤組中的吸盤5和吸盤6中心的連線為參考線，可以得到扭矩平衡方程：

以Y軸方向上的吸盤組中的吸盤1和吸盤2中心的連線為參考線，可以得到扭矩平衡方程：

為了便于分析，假定壁面施加到X軸方向上的每個吸盤組上三個吸盤的力是相同的，得到如下方程組：

其中，Nt表示壁面對離中心支撐架比較近的一組吸盤產(chǎn)生的反作用力，Nb表示壁面對離中心支撐架比較遠的一組吸盤產(chǎn)生的作用力。由Ni＞0可以得到：

由圖6可知，右側(cè)吸盤組的集合中心位置位于右側(cè)參考線上，根據(jù)扭矩平衡可以得到方程。

類似的，當X軸上的吸盤組被抬起，Y軸上的吸盤組吸附時，可以得到如下約束方程：

其中，LY表示Y軸上的吸盤組兩端的間距，SY表示Y軸方向上的行程，其余各變量與上述情況下的含義相同。

圖7　機器人控制系統(tǒng)總體框圖

原理樣機中各變量的具體尺寸如下：

LY=8 5 0 m m，SY=7 0 0 m m，LX=8 0 0 m m，SX=700mm，L=100mm，吸盤的半徑r=77mm，H=300mm，h=220mm，GX=160N，GY=120N。

將各變量的值代入方程和后，都能滿足穩(wěn)定吸附的條件。

3　機器人的吸附及運動控制策略

圖8　機器人位姿初始化流程圖

控制系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)流如所示。為保證后續(xù)的運動控制穩(wěn)定性，當系統(tǒng)上電后，機器人首先完成姿態(tài)的初始化，使機器人處于一個“正十字”狀態(tài)。如圖9所示，無論機器人置于壁面上的初始狀態(tài)如何，都要使水平方向的電機運行在速度模式下到達右端，當位置開關(guān)檢測到支撐架到達右極限位置時，電機工作在位置模式下，支撐架以平穩(wěn)的速度回到導(dǎo)軌的水平中間位置。此后，在垂直方向上電機也按照類似規(guī)律運行，使支撐架在垂直位置上到達導(dǎo)軌的中心，姿態(tài)初始化完成。

機器人搭載設(shè)備執(zhí)行具體的作業(yè)任務(wù)需要經(jīng)過的位置由地面工作人員通過2.4G無限遙控器發(fā)出，該頻率能夠有效避免與雷達監(jiān)測系統(tǒng)之間產(chǎn)生信號干涉。串口指令集的格式為：起始符，指令字節(jié)數(shù)（包括起止符），指令代號，指令具體內(nèi)容，結(jié)束符。地面工作人員通過遙控器發(fā)送的命令主要包括沿各個方向的運動、臨時停止命令、重新啟動命令等。

為使機器人在運動的時候吸盤能夠穩(wěn)定的吸附在壁面上，必須對吸盤的吸附性能進行分析。當中心支撐架到達某導(dǎo)軌上的極限位置需要對吸盤組是吸附還是抬起進行切換的時候，采取何種切換策略對吸附的成敗起著關(guān)鍵的作用。吸附切換策略主要分為兩種：直接切換和有過渡過程的切換［3］。直接切換方式在一組吸盤脫離的同時，另一組吸盤開始吸附，這樣的優(yōu)點是操作簡便，缺點是在切換時可能會出現(xiàn)總氣壓下降過多有吸附失效的風(fēng)險，如圖10所示，縱軸的高位表示吸附狀態(tài)，低位表示釋放狀態(tài)。如圖11所示為帶有過渡過程的切換方式，在一組吸盤釋放前，另一組吸盤就已經(jīng)處于吸附狀態(tài)，之后需要抬起的吸盤組對應(yīng)的單向電磁閥才將氣路關(guān)閉，保證了吸附的可靠性，但導(dǎo)致機器人的運動節(jié)奏變慢。

圖9　機器人位姿初始化示意圖

圖10　直接切換方式

采用相同的平臺對兩種切換策略下的吸附情況進行實驗，采用氣壓計收集兩組吸盤周圍的氣壓情況。如圖12所示，在直接切換方式下，當不同的兩組吸盤同時釋放與吸附的時候，兩組吸盤內(nèi)的氣壓平穩(wěn)的上升與下降，但總氣壓在一段較短的時間內(nèi)會出現(xiàn)先下降，當觸底后又上升，最后恢復(fù)到切換前穩(wěn)定的狀態(tài)，少量的氣壓下降是由緩慢的漏氣導(dǎo)致的。帶有過渡過程的切換方式如圖13所示，在前半段，兩組吸盤內(nèi)的總氣壓也出現(xiàn)了一個下降的過程，但之后迅速升高，最后到達一個穩(wěn)定值，這個穩(wěn)定值要大于直接切換時兩組吸盤內(nèi)氣壓的總和。為更加保證吸附的穩(wěn)定性，原理樣機采用的是帶有過渡過程的吸附切換策略。

圖11　帶有過渡過程的切換方式

圖12　直接切換方式下的氣壓變化

圖13　帶有過渡過程的氣壓變化

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4　原理樣機實驗

為驗證原理樣機的運動性能、搭載負載能力及吸附穩(wěn)定性和吸盤切換策略的可靠性，在并不光滑的壁面上進行試驗。試驗表明機器人樣機能夠搭載3kg的負載完成預(yù)定的運動指令，吸盤的吸附效果良好，吸盤的密封增強策略切實可行，在進行吸附切換時穩(wěn)定可靠。圖14為機器人在水平方向上的運動，圖15為機器人在垂直方向上的運動。

圖14　水平方向上的運動

圖15　垂直方向上的運動

5　結(jié)論

根據(jù)在非磁性壁面上的吸附要求，提出一種多吸盤“十字”框架式爬壁機器人設(shè)計方案。針對真空吸附式爬壁機器人吸附的關(guān)鍵問題——密封提出了一種柔性密封增強方案。機器人的吸附可靠性進行了理論分析。在吸盤的切換策略上對比了直接切換和帶有過渡過程的切換方案，并通過試驗證明了后者在可靠性上的優(yōu)勢。最后通過實際的原理樣機實驗證明了設(shè)計方案是可行的。

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TP242

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1009-0134（2016）06-0059-06

2016-03-28

中國鐵道科學(xué)院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所重點項目（2014YJ054）

董寒（1991 -），男，山東人，碩士研究生，研究方向為機器人技術(shù)。