劉興宇

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

在浩瀚的生物演變過(guò)程中，生物體精妙的運(yùn)動(dòng)方式為科學(xué)家發(fā)明新的機(jī)器人提供了重要靈感。科學(xué)家就是通過(guò)模仿大自然中各種生物的運(yùn)動(dòng)方式，發(fā)明出了許多仿生機(jī)器人，如機(jī)器魚(yú)[1]、壁虎[2]等。因?yàn)楸诨⒃谪Q直壁面上運(yùn)動(dòng)的獨(dú)特方式，壁虎的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)被越來(lái)越多地引入到小型爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)中。美國(guó)克利夫蘭通過(guò)模仿小汽車(chē)的結(jié)構(gòu)原理，研發(fā)出了一款輪腿式爬壁機(jī)器人MiniWheg[3]；南京理工大學(xué)曾經(jīng)通過(guò)研究螳螂爬行的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了一款模仿蟑螂的爬壁機(jī)器人[4]；華北電力大學(xué)研發(fā)出了負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人[5]，其主要是通過(guò)負(fù)壓將機(jī)器人緊緊壓附在壁面上，適用于各種粗糙的壁面。

隨著爬壁機(jī)器人研究的不斷深入發(fā)展，其在應(yīng)用中所暴露出來(lái)的問(wèn)題也日趨明顯，如爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)壁面的要求比較高等，所以未來(lái)爬壁機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)該著重于解決這一類(lèi)問(wèn)題，合理選擇吸附裝置的材料，減小體積、降低質(zhì)量等。

1 總體設(shè)計(jì)方案

壁虎是日常生活中的一種常見(jiàn)生物，它可以輕松自由地穿梭在地面、豎直墻壁、天花板等各種復(fù)雜曲面上。根據(jù)壁虎的爬行特點(diǎn)，我們可以模擬其運(yùn)動(dòng)過(guò)程和吸附原理構(gòu)思出仿生爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型。

1.1 設(shè)計(jì)思路

如圖1 所示，通過(guò)觀察壁虎實(shí)物圖不難發(fā)現(xiàn)，在仿生壁虎機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，頭部和尾巴對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響不大，可以將其忽略。根據(jù)壁虎的外形，可以簡(jiǎn)要畫(huà)出壁虎的結(jié)構(gòu)原理圖。壁虎的身軀可以看成是一個(gè)整體的塊，4 個(gè)頂點(diǎn)分別與四肢相連，每一條腿分別由大腿、小腿構(gòu)成，身軀和大腿、大腿和小腿之間分別由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。大腿部分旋轉(zhuǎn)角度在軀體部分外側(cè)，防止形成過(guò)定位，小腿部分可以在平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)角度，但不可以形成周轉(zhuǎn)，也不可與大腿在同一條直線，否則會(huì)引起欠定位，使小腿部分運(yùn)動(dòng)不確定。

圖1 壁虎及壁虎結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of gecko and gecko structure

本振動(dòng)吸附式爬壁機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括主體設(shè)計(jì)、行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和吸附裝置設(shè)計(jì)。壁虎的主體可以假想為壁虎爬行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，可以通過(guò)在爬壁機(jī)器人之間放置一塊電池板以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，電池板通過(guò)簡(jiǎn)易的上下蓋來(lái)實(shí)現(xiàn)安置。

行走機(jī)構(gòu)由4 條機(jī)械腿組成，每一條機(jī)械腿均由球關(guān)節(jié)、脛骨、股關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和將其連接的3 個(gè)舵機(jī)組成。在髖關(guān)節(jié)與主體的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的工作下，實(shí)現(xiàn)肢體在水平面內(nèi)橫向轉(zhuǎn)動(dòng)。在股關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)和脛骨與股關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的作用下，分別驅(qū)動(dòng)股關(guān)節(jié)和脛骨在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)?；谶@兩者的基本運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壁虎爬行的仿真步態(tài)。其中脛骨末端的球關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)連接吸附裝置，可使吸附裝置在較大的空間角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了爬行時(shí)對(duì)不同壁面的適應(yīng)能力。吸附裝置里通過(guò)安裝一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)的上下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到振動(dòng)吸附的效果。

1.2 振動(dòng)吸附的工作原理

通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹螚U的上下移動(dòng)，從而產(chǎn)生一個(gè)變化的力，支撐桿帶動(dòng)吸盤(pán)做不斷循環(huán)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，讓吸盤(pán)按照一定振幅和頻率做上下振動(dòng)。

1.2.1 負(fù)壓過(guò)程

如圖2 所示，從（a）到（b）的過(guò)程中，吸盤(pán)處在一個(gè)被向上拉起的狀態(tài)，吸盤(pán)內(nèi)部的體積逐漸增大，而且由于存在壓力差，外界空氣將通過(guò)縫隙流進(jìn)吸盤(pán)，但是體積增大和進(jìn)入吸盤(pán)的氣體對(duì)密度的影響，顯然前者影響更大，所以吸盤(pán)內(nèi)部的壓強(qiáng)P比大氣壓強(qiáng)Pa小，然后隨著氣壓將持續(xù)降低，直至吸盤(pán)運(yùn)動(dòng)到位置（b），吸盤(pán)內(nèi)部的氣壓達(dá)到了最低值；從（b）到（c）的過(guò)程，吸盤(pán)在一個(gè)向下運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，吸盤(pán)內(nèi)部體積逐漸減小而且氣體持續(xù)不斷進(jìn)入吸盤(pán)，但是因?yàn)樵谖恢茫╞）時(shí)P＜Pa，所以在位置（c）前盡管P逐漸增大，但是仍然小于Pa。到達(dá)平衡點(diǎn)（c）時(shí)，吸盤(pán)內(nèi)部壓強(qiáng)P=Pa。

圖2 負(fù)壓過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of negative pressure process

1.2.2 正壓過(guò)程

如圖3 所示，其中從（c）到（a）的過(guò)程，吸盤(pán)處于下壓狀態(tài)，吸盤(pán)內(nèi)空間開(kāi)始減少，壓強(qiáng)差開(kāi)始增大，吸盤(pán)內(nèi)氣體更加容易溢出，當(dāng)空氣對(duì)氣壓的影響占主導(dǎo)因素時(shí)，吸盤(pán)內(nèi)部的壓強(qiáng)差開(kāi)始逐漸減小，這時(shí)吸盤(pán)的邊緣與被吸附的表面之間就相當(dāng)于構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的單向閥，可以將空氣排出吸盤(pán)。

圖3 正壓過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagram of positive pressure process

2 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4 所示，爬壁機(jī)器人的主體主要由上蓋和下蓋構(gòu)成，它們?cè)谡麄€(gè)爬壁機(jī)器人中主要起連接4 條腿和安裝電池板的作用，其4 個(gè)頂角分別與舵機(jī)配合，配合尺寸取決于舵機(jī)的尺寸。下蓋中凸起的幾塊擋板主要是用來(lái)固定電池板，防止電池板在行走過(guò)程中滑出。擋板旁邊一側(cè)通過(guò)設(shè)計(jì)支撐板，防止擋板在與底板之間形成壓力集中。在爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于電池板工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生出一定的熱量，所以在上下蓋上打各種形狀的孔，主要是為了散發(fā)熱量，同時(shí)還減輕爬壁機(jī)器人的質(zhì)量，節(jié)省了材料，提高了移動(dòng)時(shí)的靈活度，也使爬壁機(jī)器人變得更加美觀。

圖4 主體上蓋和下蓋Fig.4 Upper cover and lower cover of main body

2.2 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要由球關(guān)節(jié)、脛骨、股關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)以及將其連接的3 個(gè)舵機(jī)組成，各零件結(jié)構(gòu)作用見(jiàn)表1。

圖5 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Leg structure design

表1 腿部結(jié)構(gòu)零件列表Tab.1 Leg structure parts

2.3 吸附裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖6 所示為爬壁機(jī)器人的吸附裝置。吸附裝置主要由6 個(gè)零件構(gòu)成，即橡膠吸盤(pán)、支撐桿、上蓋、球關(guān)節(jié)、電動(dòng)機(jī)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。吸盤(pán)頂部通過(guò)球關(guān)節(jié)與脛骨相連，內(nèi)部電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與支撐桿相連，將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為支撐桿的上下運(yùn)動(dòng)，支撐桿與橡膠吸盤(pán)相連，帶動(dòng)吸盤(pán)的上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)吸盤(pán)的上下運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到對(duì)壁面的吸附和松開(kāi)。

圖6 吸附裝置Fig.6 Adsorption plant

2.3.1 支撐桿的設(shè)計(jì)

如圖7 所示為吸附裝置的支撐桿。支撐桿主要是用來(lái)連接吸盤(pán)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為支撐桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為吸盤(pán)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。支撐桿沿中心桿60°等分向外伸出6 根桿再加上中心桿一共7根桿分別與橡膠吸盤(pán)相連，在中間圓臺(tái)下沿挖出一個(gè)小圓柱面與連桿配合，支撐桿總體高度決定了吸附裝置的總體高度。

圖7 支撐桿Fig.7 Strut

2.3.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖8 所示為吸附裝置的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)用來(lái)連接支撐桿和電機(jī)之間的機(jī)構(gòu)，電機(jī)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為支撐桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的一側(cè)與支撐桿通過(guò)孔配合進(jìn)行連接，另一側(cè)通過(guò)鍵槽傳遞扭矩。

圖8 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)Fig.8 Crank rocker mechanism

2.4 爬壁機(jī)器人總結(jié)構(gòu)圖

如圖9 所示為振動(dòng)吸附式爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)圖。爬壁機(jī)器人的主體即爬壁機(jī)器人上下蓋分別與腿部一側(cè)的舵機(jī)相連，電池板安裝固定在下蓋中，腿部的另一側(cè)通過(guò)球關(guān)節(jié)配合與吸附裝置相連。

圖9 總體結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Overall structure diagram

3 運(yùn)動(dòng)仿真

圖10 所示為爬壁機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。出于對(duì)實(shí)際情況的考慮，對(duì)該步態(tài)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷?，即右前、左后、左前、右? 步。該移動(dòng)方式既能保證繼承壁虎行走步態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，又能增加爬壁機(jī)器人移動(dòng)肢體時(shí)的平穩(wěn)性。

圖10 步態(tài)設(shè)計(jì)Fig.10 Gait design

第1 步：抬起右前肢并向前伸出一定的步幅，此時(shí)其余三肢保持不動(dòng)，使機(jī)構(gòu)能保持足夠的吸附力；

第2 步：抬起左后肢向前伸出與右前肢相等步幅，此時(shí)其余三肢保持不動(dòng)，使機(jī)構(gòu)能保持足夠的吸附力；

第3 步：抬起左前肢并向前伸出與之前相同的步幅，此時(shí)其余三肢保持不動(dòng)，使機(jī)構(gòu)能保持足夠的吸附力；

第4 步：抬起右后肢并向前伸出與之前相同的步幅，此時(shí)完成一次的步態(tài)循環(huán)。此時(shí)其余三肢保持不動(dòng)，使機(jī)構(gòu)能保持足夠的吸附力。

通過(guò)模型的運(yùn)動(dòng)仿真，確定了本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，使用各種仿生物類(lèi)的機(jī)器人得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，機(jī)器人的出現(xiàn)極大地提高了工人的生產(chǎn)效率，還能幫助人們進(jìn)行乏味、疲勞和危險(xiǎn)性的工作，因此在世界范圍內(nèi)掀起了一股探索機(jī)器人的熱潮，各種類(lèi)型的機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。本文以三維軟件SolidWorks 為基礎(chǔ)，采用三維軟件對(duì)零件開(kāi)發(fā)成熟技術(shù)，從生活中壁虎的爬行過(guò)程中獲得啟發(fā)，設(shè)計(jì)出仿壁虎的四足爬壁機(jī)器人。