安 邦

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

0 引言

隨著中國經濟高速發(fā)展，至2022年末，我國已擁有公路橋梁103.32萬座，居世界前列，在這些橋梁中特大橋梁達8 816座，而大橋數量則達到15.96萬座。橋梁在長期使用過程中，由于自然腐蝕、外力因素作用等原因，其安全受到了相當大的挑戰(zhàn)。近年來，全世界因橋梁坍塌造成的交通安全事故數量不斷上升，如何有效、快速、準確地進行橋梁健康檢查，保證橋梁運輸的安全性和可靠性，已經成為世界范圍內交通運輸共同關注和研究的課題。同時，人工橋梁檢測中充斥著大量的高空作業(yè)場景，傳統的人工高空作業(yè)存在窗口期短[1]、安全風險高、作業(yè)周期長等問題。而隨著高空行業(yè)自動化的快速發(fā)展[2]，人們對機器人的需求量不斷提高，使用爬壁機器人代替人來執(zhí)行高空作業(yè)是一個必然趨勢，這也對爬壁機器人的設計提出了更高的要求。

因此，針對混凝土為主的橋梁壁面檢測作業(yè)，本文設計了一種比黏附能密度[3]高的足式真空吸附爬壁機器人，結合實際工況對機器人進行靜力學分析，使用SolidWorks聯合ADAMS進行機器人關鍵機構的動力學仿真分析。該機器人能夠在混凝土壁面攀爬行走，并且擁有高負重比特性。

1 爬壁機器人結構組成

1.1 機器人整體方案

爬壁機器人采用六足真空吸附[4]的方式。足式機器人靈活度高、越障能力強[5]，且六足爬壁機器人可以實現移動過程中多足的同時吸附，安全性、穩(wěn)定性高。

1.2 機器人結構設計

本文設計的爬壁機器人，整體由機身、機械腿和吸盤足三部分組成，如圖1所示。

圖1 爬壁機器人實驗樣機

1.2.1 機身結構設計

機身結構分為三部分，上機身包含上機架、硬件控制系統及元器件、微型真空泵和三條機械腿，下機身包含下機架、步進電機、滾珠絲杠機構和三條機械腿。上下機身由滑車轉向機構連接，如圖2所示。

圖2 機器人機身主要組成部分

1.2.2 機械腿結構設計

機械腿由舵機、舵機支架組成，兩舵機旋轉軸平行串聯構成兩自由度機械腿[6]，實現機器人足端運動結構，如圖3所示。

圖3 機械腿和吸盤足組成部分

1.2.3 吸盤足結構設計

吸盤足由球頭關節(jié)軸承、彈簧、電磁閥、吸盤、釘刺摩擦片組成，實現壁面吸附功能。足端由球頭關節(jié)軸承配合彈簧與機械腿連接，如圖3所示。

2 爬壁機器人工作原理及構型分析

2.1 壁面攀爬原理分析

爬壁機器人共有六條機械腿，機身兩側各三條機械腿。其中一側前后兩條機械腿固定在下機架，中間一條機械腿固定在上機架，另一側與之相反（圖2）。爬壁機器人在工作時，機械腿被分為兩組，連接在上機架的機械腿為一組，連接在下機架的機械腿為一組。在直行動作中，其中一組機械腿落下作為吸附相，同時吸盤吸附固定在墻面，另外一組機械腿抬起作為移動相，如圖4所示。

圖4 吸附、抬腿動作

機器人固定相相當于一個靜平臺，故采用三足一組的方式增加穩(wěn)定性。移動相機械腿抬起后通過步進電機結合滾珠絲杠帶動滑車轉向機構進行直線運動。當絲杠移動到末端，步進電機剎車，之前抬起的一組機械腿落向墻面，使得吸盤吸附在墻面。待吸附完成，之前作為固定相的一組吸盤停止吸附脫離墻面并抬高轉變?yōu)橐苿酉?，滾珠絲杠移動向另一端。如此采用三角步態(tài)交替往復運動實現機器人在墻面上的直線攀爬功能，如圖5所示。

圖5 直行動作、三角步態(tài)

六個吸盤的吸附和脫離分別由上機身的六個微型真空泵配合電磁閥通斷獨立控制。同理，機器人中間的轉向機構配合兩組機械腿可以控制機器人在墻面上的轉向，如圖6所示。

圖6 旋轉動作

由以上動作的組合可以實現機器人在平面壁面任意方向的攀爬。吸盤與機械腿之間以球頭軸承關節(jié)和彈簧相連，確保了機器人在吸附時足末端吸盤與真實墻面有一定的角度補償。吸盤與墻面脫離后在彈簧的作用下可以回到原位。以上描述的機器人攀爬原理滿足了大部分隧道橋梁的壁面作業(yè)條件。

2.2 混聯構型分析

根據爬壁機器人的工作原理，一個攀爬周期機器人具有兩種構型狀態(tài)，下面對機器人的構型進行分析。

如圖5、圖6所示，當爬壁機器人一組機械腿作為固定相吸附在墻面固定不動時，假設一個吸盤為一個接觸點，其固定相的三個接觸點在同一理想面上，那么此時這部分機身可視為并聯結構的靜平臺，機器人另一半機身可視為并聯機構的動平臺，固定相的三條機械腿可視為靜連接，移動相的三條機械腿在此過程中懸空，可視為以機器人移動相主體為基座的串聯機構。因此，在直行或者轉向階段機器人為混聯機構。

3 爬壁機器人靜力學分析

爬壁機器人需克服重力在壁面上運動，為不發(fā)生墜落或滑移現象，要求腿部對于墻面有足夠的吸附力，保證穩(wěn)定性和可靠性。下面對機器人進行簡化受力分析。

3.1 基于腿部整體結構的靜力學分析

由于三個不在同一條直線上的點形成一個平面，每組三個吸盤采用三角形布置方式提高安全系數。上下兩組機械腿分別作為靜平臺吸附在墻面時作為支撐，機器人在吸附時重心高度相同，因此選擇下機身機械腿關節(jié)進行受力分析。靜態(tài)吸附時機械腿由兩個舵機提供保持扭矩，由于舵機本身結構強度高，故主要分析所提供的力矩是否滿足要求。

圖7為腿部整體結構簡易受力模型。W為機器人機身，G為機器人的重力，H為機器人重心與壁面的距離，L1為與機身相連的機械腿長度，L2為與吸盤相連的機械腿長度，與機身相連的為上腿，與吸盤相連的為下腿。選擇腿部受力較大的極限位置進行分析，即機器人頭尾與地面平行吸附在墻壁上。機身一側兩條機械腿的布置前后對稱與機身成45°角。與機身成45°的機械腿兩個旋轉關節(jié)軸線與重力方向成45°，兩個旋轉關節(jié)所需力矩部分變?yōu)檩S向力和徑向力。機身另一側一條機械腿與機身垂直，機械腿旋轉關節(jié)軸線均與重力方向垂直。故主要分析單腿受力情況。

圖7 腿部受力分析正、俯視簡圖

在此極限位置，與機身相連的旋轉關節(jié)為關節(jié)1，所受力矩為M1，上腿與下腿相連旋轉關節(jié)為關節(jié)2，所受力矩為M2。吸附時關節(jié)1連接的上腿與機身水平，故旋轉關節(jié)1主要受軸向力和徑向力。關節(jié)2連接上腿與下腿成90°，下腿垂直壁面，此關節(jié)2為最大受力處，所受力矩為：

已知舵機保持力矩為6 N·m，機器人自重12 kg，機械腿L2長度為0.09 m，經計算，舵機提供的力矩滿足要求。

3.2 吸盤受力分析

機器人吸盤采用多唇邊式密封圈結構，并添加釘刺摩擦片抓捕結構增加摩擦力，實現機器人在墻面上的吸附。

圖8中，F為吸盤在壁面上的吸附力，N為壁面對吸盤的支撐力，G為機器人的重力，O為吸盤中心，r為吸盤半徑，H為機器人重心與壁面的距離，f靜為吸盤與壁面間的靜摩擦力，f動為使吸盤移動的最大摩擦力。由于每組步態(tài)三個吸盤工況相同，所以計算一個吸盤的受力。

圖8 吸盤受力分析正、側視簡圖

吸盤設計半徑為r=0.065 m，真空泵提供的負壓為P=80 kPa，由此可以得出單個吸盤吸附力為：

靜摩擦力等于重力：

吸盤吸附達到滑落臨界狀態(tài)為：

式中：μ為摩擦系數。

爬壁機器人的重力G和吸盤吸附力F是常數，聯合以上公式求得：

由以上各式可以得出吸盤最大的負重為μF，滿足機器人抗滑落的條件。

4 爬壁機器人動力學分析

確定機器人具有足夠的吸附力后，對關鍵部位進行動力學分析：直行機構中滾珠絲杠所需的力矩，并使用ADAMS軟件進行動力學仿真驗證。

4.1 步進電機力矩計算

機器人在墻面上的直線攀爬功能主要由步進電機帶動滾珠絲杠旋轉實現。步進電機不同的型號力矩和重量都不同，本款爬壁機器人要求體積小、重量輕，因此求得機器人運動中所需的力矩值尤為重要。

滾珠絲杠產生推力所需的扭矩為：

式中：T為力矩；Fa為滾珠絲杠所受的軸向力；Ph為進給絲杠的導程；σ1為進給絲杠的正效率；m為運送物的質量；g為重力加速度（9.8 m/s2）。

已知，機器人本體重量為12 kg，絲杠導程為5 mm，絲杠進給的正效率為0.96，絲杠進給速度為30 mm/s。經計算，絲杠所需力矩約為99.5 N·mm。

4.2 步進電機力矩仿真及驗證

為驗證驅動絲杠的力矩大小是否準確，將SolidWorks中建立的三維模型簡化，再導入ADAMS中進行動力學分析仿真。由于簡化了機器人模型（圖9），只保留要分析的滾珠絲杠部分，機器人的自重會減小，為不影響仿真結果，對絲杠螺母上螺母座的質量按照機器人實際重量12 kg進行參數修改。對模型添加的約束有：將BK固定座設為固定副約束，在絲杠和BK固定座之間添加旋轉副，在絲杠和SFS螺母之間添加螺旋副并設置旋轉方向、移動方向和螺距，在SFS螺母與螺母座之間添加固定副，在螺母座與地面之間添加平移副，在絲杠端頭添加力矩，設置重力方向。絲杠動力學仿真環(huán)境如圖9所示。仿真計算得出所需的力矩為99.15 N·mm，與理論計算值吻合。

圖9 滾珠絲杠動力學仿真

5 結論

針對橋梁壁面攀爬作業(yè)，本文設計了一款足式負壓爬壁機器人，詳細論述了機器人組成及原理，并完成了機器人混聯的構型分析，對機器人的運動方式做了詳細闡述，計算出機器人正常工作所需要的吸附力。運用SolidWorks與ADAMS軟件對爬壁機器人直行運動所需的力矩進行運動學仿真實驗分析，驗證了爬壁機器人設計方案可行。