王立明，張臻臻，童章印，沈俊睿，譚 鵬，李洪斌，曲建華，楊 通

(北京航空航天大學寧波創(chuàng)新研究院，浙江 寧波 315800)

對于爬壁機器人來說，其所具備的最基本的功能是能夠在各種壁面上可靠地吸附，因此吸附技術(shù)成為爬壁機器人設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前采用的表面吸附方式主要有磁吸附、真空吸附及特種吸附等。其中磁吸附只能應(yīng)用在磁性材料的表面，其應(yīng)用場所受到限制[1-3]。特種吸附法是一種在特種環(huán)境下使用的吸附方法，對環(huán)境及材料的要求較高，不具有一般性[4-5]。真空吸附法是目前應(yīng)用最廣泛的方法，但需要連接管路或者裝備真空泵等，機器人很難做到小型化、輕量化，而且不能應(yīng)用于壁面粗糙的場所。

振動是一種有規(guī)律的運動，其能夠使物體保持動態(tài)平衡。文獻[6]基于振動吸附法原理建立了振動吸盤的數(shù)學模型，并通過壁面吸力實驗驗證了模型的正確性，得到了振動過程中負壓隨振幅和頻率的增大而增大、振動中存在正壓過程等結(jié)論。本文將振動吸附法應(yīng)用于小型多關(guān)節(jié)爬壁機器人，在設(shè)計了一種新型吸附模塊的基礎(chǔ)上進行了機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行了樣機試驗。

1 振動吸附模塊的設(shè)計

對單個吸盤施加振動激勵，很難達到穩(wěn)定吸附的目的，因此一般采用兩組吸盤交替振動，如圖1所示，用一個偏置的曲柄滑塊機構(gòu)，當電機旋轉(zhuǎn)時，上、下基座反向移動，與這兩個基座相連的吸盤交替吸附，從而達到兩組吸盤交替振動吸附的目的。吸盤材質(zhì)選擇耐老化、性能穩(wěn)定的硅橡膠。

1—上吸盤底座；2—下吸盤底座；3—與振動電機相連的偏心輪

振動吸附機構(gòu)如圖2所示，根據(jù)三點確定一個平面的原理，每組采用3個吸盤，各組吸盤均勻分布固定在吸盤座上，為了穩(wěn)固，相鄰兩個吸盤固定在不同的基座上，振動電機固定在電機基座上，并與上吸盤座固連，偏心輪與下吸盤座固連，在電機的帶動下，偏心輪在曲柄滑塊機構(gòu)上做旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)下吸盤組和上吸盤組的相對振動。

1—振動電機；2—下吸盤組件；3—上吸盤組件;4—曲柄滑塊機構(gòu)

在兩個吸盤座之間需要一個導(dǎo)向機構(gòu)，以確保振動的穩(wěn)定性，并提高模塊的抗傾覆能力。本文方案采用在下吸盤座上安裝直線軸承和鋼柱來完成導(dǎo)向工作，鋼柱上端與上吸盤座固連，直線軸承與鋼柱配合，具有摩擦力小、質(zhì)量輕、易于安裝等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—鋼柱;2—上吸盤座；3—下吸盤座；4—直線軸承

在設(shè)計機器人時必須解決一個問題：如何在不影響機器人穩(wěn)定性的情況下，利用振動產(chǎn)生吸力。因此需要設(shè)計一個穩(wěn)定保持座來緩沖振動吸附模塊產(chǎn)生的力，使振動不會影響機器人的穩(wěn)定性。穩(wěn)定保持座與振動吸附機構(gòu)之間安裝有減震彈簧，以使振動吸附機構(gòu)在下推過程中產(chǎn)生的力可以傳遞給穩(wěn)定保持座，而在上拉過程中產(chǎn)生的力不傳遞到穩(wěn)定保持座，通過彈簧的減震作用，達到機器人穩(wěn)定的目的。穩(wěn)定保持座如圖4所示，其中上面的孔用于與其他零件連接，其余面上均布排列的孔,其作用是減重。

圖4 穩(wěn)定保持座 圖5 振動吸附模塊樣機

振動吸附模塊樣機如圖5所示，模塊參數(shù)為：質(zhì)量250 g，直徑114 mm，高度30 mm。

2 振動吸附模塊試驗

對振動吸附模塊進行吸附試驗，以獲得其在不同振動參數(shù)及不同吸附材料上的性能指標。

振動吸附模塊在壁面上的失效形式主要有3種：1)受拉力作用而滑動脫落；2)受傾覆力彎矩作用而脫落；3)受扭轉(zhuǎn)力矩作用而脫落。故采用測力計分別測試3種不同受力狀態(tài)下振動吸附模塊的性能，如圖6所示。

圖6 吸附性能測試

不同壁面的吸力效果不同，本文選擇玻璃作為壁面進行測試。振動的振幅由偏心距決定，振動的頻率由電機電壓決定。本次試驗采用PWM方法控制電機速度，通過使用不同脈沖寬度調(diào)節(jié)占空比進行測試。

失效拉力、失效傾覆彎矩和失效扭矩隨偏心距和占空比的變化如圖7所示。從圖中可以看出，當偏心距增大時，彎曲扭矩增大，這一現(xiàn)象與前人試驗的結(jié)論一致，即負壓隨振幅增大而增大。失效拉力和失效扭矩不僅與負壓有關(guān)，而且與吸盤的裙邊有關(guān)，雖然吸盤負壓增大，但失效拉力和失效扭矩減小。在參數(shù)合理的情況下，該模塊的最大吸力不小于30 N，可用于爬壁機器人。

3 爬壁機器人設(shè)計

3.1 爬壁機器人基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有爬壁機器人的移動方式大多為輪式、履帶式等，這些移動方式結(jié)構(gòu)比較笨重且不能實現(xiàn)多維壁面之間的爬行，本文設(shè)計的機器人采用足式結(jié)構(gòu)，能夠靈活輕巧行走，且能完成內(nèi)直角壁面之間的切換。

為了使機器人質(zhì)量盡量輕，機器人采用雙足結(jié)構(gòu)，用兩個振動吸附模塊作為其雙足。根據(jù)實現(xiàn)的功能將機器人分為兩部分: 吸附部分和行走部分，吸附部分采用振動吸附模塊，行走部分采用3個關(guān)節(jié)機構(gòu)，前后兩個關(guān)節(jié)實現(xiàn)機器人的行走，中間關(guān)節(jié)負責機器人轉(zhuǎn)彎。機器人機械結(jié)構(gòu)模型如圖8所示，其主要由驅(qū)動電機、連接桿、前腿、后腿、安裝座等組成。由于機器人質(zhì)量較輕，因此驅(qū)動電機采用適合小型機器人的金屬齒輪舵機。

1—前振動吸附模塊；2—機器人前腿；3—前腿驅(qū)動電機；4—安裝座；5—前腿連接桿；6—中間電機；7—后腿連接板；8—后腿驅(qū)動電機；9—機器人后腿；10—后振動吸附模塊

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

該機器人的控制系統(tǒng)由兩部分組成：主控部分和子控部分。主控部分安裝在中間電機上，完成以下功能：與上位機通信、分析指令、向吸附模塊發(fā)送指令、控制中間電機。子控部分固定在前、后腿驅(qū)動電機上，實現(xiàn)對前后關(guān)節(jié)電機的控制。主控部分和兩個子控部分通過I2C總線進行通信。主控部分使用ATmega16L單片機作為控制單元，子控部分使用Aemeag8L單片機?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)框圖

4 機器人試驗

通過試驗驗證了機器人的吸附性能，機器人可在玻璃、木櫥及瓷磚壁面上行走，如圖10所示。機器人在3種不同的壁面上均能穩(wěn)定行走，且能在有一點縫隙的瓷磚上穩(wěn)定行走，說明振動吸附模塊能夠較好地適應(yīng)有一定粗糙度的壁面。

圖10 在不同壁面上行走

通過試驗驗證了機器人的轉(zhuǎn)彎性能，通過動作設(shè)定，經(jīng)過以下7個步驟可完成轉(zhuǎn)彎動作：1)設(shè)定機器人的初始狀態(tài)為前腿吸附在壁面上，后腿未吸附；2)后腿抬起30°，以便旋轉(zhuǎn)；3)中間關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，也就是后腿及后吸附模塊旋轉(zhuǎn)；4)放下后腿并吸附；5)前腿抬起30°；6)中間關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)；7)放下前腿并吸附，至此完成轉(zhuǎn)彎動作。各步動作實物圖如圖11所示。

圖11 機器人轉(zhuǎn)動時的步態(tài)圖

通過試驗驗證了機器人爬行時的壁面切換功能，通過動作設(shè)定，經(jīng)過以下5個步驟可完成面面切換：1)設(shè)定機器人的初始狀態(tài)為前腿吸附在水平壁面上，后腿未吸附；2)后腿抬至90°并旋轉(zhuǎn)，使吸盤正對垂直壁面；3)后腿吸附在垂直壁面上；4)前腿脫離并旋轉(zhuǎn)；5)前腿吸附在垂直壁面上，至此完成面面切換動作。各步動作實物圖如圖12所示。

圖12 機器人面面切換時的步態(tài)圖

5 結(jié)束語

本文根據(jù)振動吸附原理設(shè)計了一種基于振動吸附法的吸附模塊，并對吸附模塊進行了性能試驗。應(yīng)用吸附模塊設(shè)計了一種小型多關(guān)節(jié)爬壁機器人，試驗結(jié)果表明，該機器人可以完成直線行走、轉(zhuǎn)彎和面面切換，且能在有一定粗糙度的壁面上穩(wěn)定行走。本文的研究為爬壁機器人進一步優(yōu)化設(shè)計提供了有益的參考。