黃渝淞 李波 謝箭 吳勇 曾琳

摘 要：近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展，城市的規(guī)模不斷擴(kuò)展，機(jī)器人技術(shù)也不斷提高，本文設(shè)計(jì)一種吸附壁面完成自動(dòng)爬行的機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、壁障等常見(jiàn)地面機(jī)器人功能，分析了吸附原理、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，使機(jī)器人能夠在地面和垂直壁面自動(dòng)爬行完成作業(yè)，針對(duì)目前該領(lǐng)域現(xiàn)狀進(jìn)行相關(guān)分析與研究，有一定的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：壁面作業(yè); 真空吸附; 自動(dòng)爬行; 機(jī)器人

1 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的人力工作被機(jī)器代替，機(jī)器人的發(fā)展作為一種新型生產(chǎn)工具，已經(jīng)進(jìn)入了各行各業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人是結(jié)合移動(dòng)、轉(zhuǎn)向、避障功能于一體的全方位爬行機(jī)器人，不僅可以在地面行走，也能夠在垂直壁面自動(dòng)爬行，該作業(yè)機(jī)器人在工業(yè)、建筑行業(yè)、消防等領(lǐng)域可以廣泛的應(yīng)用，在需要人力進(jìn)行作業(yè)的地方使用機(jī)器人代替，下面針對(duì)壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)研究，為機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究爬行機(jī)器人早在19世紀(jì)都有涉及，日本、美國(guó)先后研究雙足爬行機(jī)器人、四足爬行機(jī)器人、六足爬行機(jī)器人。日本在加拿大駐日大使館研制出了頂棚玻璃清洗爬壁機(jī)器人，它是由縱向直線氣缸和左右氣缸組成，能夠完成縱向、橫向直線運(yùn)動(dòng)，但不能跨越障礙和轉(zhuǎn)向。英國(guó)在壁面移動(dòng)機(jī)器人吸附裝置研究中，研制成功用螺旋槳驅(qū)動(dòng)的飛行壁面移動(dòng)機(jī)器人，這是壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)上的一個(gè)飛躍，主要是采用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生向上推動(dòng)及推向壁面的壓力達(dá)到吸附功能。

國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)與院校在研究爬行機(jī)器人時(shí)，針對(duì)機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)功能做深入研究，先后有擦窗機(jī)器人的研究、玻璃幕墻的清洗、高空檢查、管道爬行等等結(jié)合壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)。

3 壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人要完成作業(yè)，必須具備兩個(gè)功能，吸附裝置與移動(dòng)裝置，而實(shí)現(xiàn)這兩種基本功能又能以多種方式呈現(xiàn)，目前移動(dòng)裝置的實(shí)現(xiàn)有車(chē)輪履帶式、足狀式。吸附裝置有真空吸附、磁性吸附、反向推力吸附。吸附功能是壁面自動(dòng)爬行的特殊功能，在運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)中，吸附力與移動(dòng)的推力又存在著相互影響，要想在吸附過(guò)程中又進(jìn)行移動(dòng)，必須找到機(jī)器人與壁面之間產(chǎn)生的一個(gè)正壓力，保證機(jī)器人能夠在吸附壁面的同時(shí)可以有效的移動(dòng)。

3.1 吸附裝置

利用大氣壓強(qiáng)原理，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)力使機(jī)器人與壁面接觸產(chǎn)生氣壓差，達(dá)到真空吸附壁面，其中需要注意的是吸力與機(jī)器本身的重力，也涉及到壁面的角度、坡度以及壁面的粗糙程度也會(huì)影響機(jī)器人的吸附。由此，可以知道要實(shí)現(xiàn)壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)，吸附裝置尤為重要，吸附功能的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足作業(yè)功能帶來(lái)的影響，從多個(gè)方面的影響考慮，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的需求。

3.2 移動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，完成爬行功能，可以有效的實(shí)現(xiàn)跨越障礙、不同角度、坡地、粗糙程度的壁面進(jìn)行爬行。自動(dòng)爬行功能需要在機(jī)器人自身安裝傳感器檢測(cè)障礙物，通過(guò)微處理器完成信號(hào)的檢測(cè)與處理。針對(duì)壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案中，吸附裝置與移動(dòng)裝置是需要同時(shí)進(jìn)行的，相應(yīng)的系統(tǒng)處理都是為了機(jī)器人能夠在壁面進(jìn)行作業(yè)的目的，達(dá)到工作效率的提高，或是代替人工作業(yè)，實(shí)踐中還需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行詳細(xì)的內(nèi)部設(shè)計(jì)，根據(jù)作業(yè)功能完成整體機(jī)器人的設(shè)計(jì)，從而更好的推動(dòng)壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人的研究與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

4 結(jié)論

壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析，到功能的設(shè)計(jì)，必須針機(jī)器人的作業(yè)功能、作業(yè)環(huán)境、作業(yè)性質(zhì)，提出開(kāi)展壁面自動(dòng)爬行機(jī)器人的功能要求，并針對(duì)這些性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面上穩(wěn)定吸附、自動(dòng)爬行、可靠作業(yè)。

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