一种多吸盘爬壁机器人原型的研制

吸盘 " 吸盘提升装置 # 撑板弹簧 ! ! ! ! 条连接板 ( 连杆 吸盘支撑板 ! ) ! 图" 导向支 $ ! 导轮 % ! 链 ’ !
" 6 6 #年 )月
孟宪超， 等： 一种多吸盘爬壁机器人原型的研制
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吸盘组导向和提升装置
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安全性分析
爬壁机器人携带设备进行工作时， 如果负载太大超过其允
6 7 ? = L > < P ’ ： ； + $ ( . / 0 K 8 = J O = > <; < = SQ < < ; L > S SD = O I L > < K L D 8 ; = ? L 6 > 9 96 ,； = > = ; K L K T L J ? 8 = ; 6 J ? I 6 6 > = ; < R < J L D < > ? M 9 Q V L = 7+0 < S ( 9($ “ ” W L R L <" I < L & ( H / X
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! ! " 吸附机构 吸附机构由安装在链条上的! # 组吸盘及真空发生器等组 成， 如图!和图#所示， 一系列链条连接板依次等间距安装在链 条上， 吸盘安装在吸盘支撑板上， 吸盘支撑板和链条连接板之 间通过连杆和弹簧相连， 由于连杆和链条连接板间可以滑动， 因此， 吸盘组在有比较小的障碍的墙面上， 可以象蠕虫一样产 生避让动作， 使机器人可以越过障碍， 每组吸盘由$个! % %& & 的吸盘组成， 由单独的机械阀控制其动作。 随着机器人的运动， 当一组吸盘完全接触工作表面到达吸附状态时， 对应的机械阀 打开， 与之相连的真空发生器工作产生真空， 吸盘吸附在玻璃 上， 反之， 随着机器人前进， 当一组吸盘即将要离开平面时， 对 应的机械阀关闭， 则吸盘的吸附力逐渐降到零， 而可以脱离工 作表面， 在设计中， 任何时刻都至少保证有 $ 组吸盘同时吸附 在工作表面上， 以产生足够的吸附力， 防止机器人从墙壁上滑 下或倾翻。 因为每一个机械阀和真空发生器都要与气源连接， 要确保 它们随着链条的转动而不缠绕， 用一旋转接头实现气的供给并 能防止缠绕。 ! ! # 吸盘组导向和提升装置 机器人在墙上或一定坡度的坡面上爬行时， 吸附在工作平 面上的吸盘连杆相当于一柔性悬臂梁， 由于受重力 （主要是机 器人重力） 作用会向下倾斜， 这样， 当下一组吸盘组切入吸附状 态时， 此时吸盘连杆在工作面法线方向， 将不能保证这组吸盘 组与已经吸附的吸盘组相互平行的姿态要求， 这在实验中证明 会造成几组作用吸盘组的相互干涉而影响机器人的爬行， 因此 必须保证吸盘组在垂直于工作面进入吸附状态， 并能够维持垂 直 （近似） 姿态直到吸盘组脱离， 因此设计了吸盘组导向装置 （见图"和图#所示） ， 在框架两侧安装了纵向的导向支撑板 （导 轨） ， 链条连接板的两端安装有三导轮， 吸盘组的导轮进入导向 支撑板后， 在导向支撑板、 链条及直线轴承的作用下， 保证吸附 状态的吸盘连杆在机器人爬行时能保持相互姿态。 为了避免吸盘在前轮下方切入时卷褶漏气， 设计了相应的 吸盘提升装置 （图# ） 。 在一吸盘组进入吸附状态前， 吸盘支撑板 上的滚轮作用在提升轨道上， 提升轨道将吸盘支撑板连同吸盘 相对于链条连接板提升一段距离， 到达吸附位置时， 在弹簧作 用下将吸盘弹回， 吸盘组进入吸附状态。
许负载， 它可能从工作墙面上滑下或倾翻， 因此， 安全性分析对 爬壁机器人十分重要。 " ! ! 安全吸附的条件 为了确定 * 分析机器 + , . / 0 1 4 的负载能力和安全性能， 23 人所受的力。 当机器人吸附在墙壁表面 （这里以玻璃幕墙为例 分析） 上时， 受力情况如图$所示， 各符号意义如下：
框架 & 气源 . 转向气缸 + 前轮 ( 链条 : 导向凸轮 @ ! & & & & & & & 伺服电机 ) 谐波减速器 / 吸盘 H 导向滚轮 ! 后轮 （驱动轮） & & ) & 图! " # $ % & ’ ( ) * ! 的构成图
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第& )卷第/期 & )). 年 / 月
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； 修订日期： ! 收稿日期： & ) ) & ) @ & ) & ) ) . ) & & ! 基金项目： 香港政府工程研究基金 （5 ） 和科技创新署科技创新基金 （ ） 共同资助项目。 4 0 G" H ) + ) + ) @ 2 " V " H . ( ) ) ) : 万方数据 作者简介： 孟宪超 （ ） ， 男， 山东青岛人， 助理研究员， 博士研究生， 专业方向： 机器人机构及控制技术。 ! H @ ! -
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构和吸附装置构成， 通过 ! 轴和" 轴的交替移动， 配合两轴上 对应的吸盘# 实现机器人本体的移动， 该 $ 和# % 相应交替吸附， 机器人稳定性好， 但由于机构所限， 移动不是连续的。 为了提高 工作效率， 受坦克履带爬行方式的启发， 继而研制了这种可以 连续爬行的多吸盘单链爬壁机器人 5 该机器人的 ; < = > 7 6 ?-2 C， 优点是能够跨越一定的障碍， 并且能够连续爬行。
— — 墙壁对第# 组吸盘的法向支撑力 （垂直于墙面） ， ， …， " # $! #— ； % — — 作用在第# 组吸盘上的真空吸力， ， …， ； % # $! % #— — — 墙壁作用在第# 吸盘上的摩擦力， ， …， ； # $! % & #— — — — 作用在机器人上的重力 （包括外设） ； ’ — — 相邻两组吸盘之间的距离； (— — — 机器人的等效重心到玻璃幕墙的距离。 )—
0 6 7 8 2 2: ， 5 ; < = > 7 6 ? 2@ 等。 0 % 1 2 3 " * 4 5( ， 9 在过去几年中， 香港城市大学智能设计、 制造及控制中心 （5 和内地大学合作， 致力于爬壁服务机器人的研制， 开 2 A ,B）
［ ］ @ ， 该机器人由平移机 始研制了一种笛卡尔坐标式爬壁机器人
图# $ % & ’ ( ) * + , ! 受力示意图
当机器人在玻璃幕墙上爬行时， 两种危险的情况可能发 生： 一种它可能从墙面上滑下； 另一种情况是由于最上方接触 的吸盘由于受倾翻力矩太大脱离墙面， 引起机器人的倾翻。 设 计中， 机器人的机构受力应满足避免下滑和避免倾翻两个条 件， 为了简化， 这里只考虑了静态吸附情况。 （ ） 为了避免机器人从墙面上滑下， 根据摩擦力的特性， 同 ! 样工况下， 最大静摩擦力要大于滑动摩擦力， 所以有：
一种多吸盘爬壁机器人原型的研制
&， 孟宪超!， 王祖温!， 包钢!， 邵浩& "#$ " %
（ 哈尔滨工业大学 机电学院， 黑龙江 哈尔滨 ! ； ! ’ ( ) ) ) ! & ’香港城市大学）
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摘要： 介绍了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计， 该机器人新颖之处在于采用多个吸盘组成的吸附机构和单链条爬 行及转向机构， 它可以在玻璃幕墙和船壳等墙面上连续爬行， 并有一定的越障能力。主要阐述了爬壁机器人关键结构的 设计、 安全性分析、 转弯技术和越障实现的设计思想， 并简要对其控制系统进行了介绍。 关键词： 爬壁； 爬行机器人； 吸盘； 链条 中图分类号： $ * & + 文献标识码： , 文章编号： （ ） ! ) ) ! & . ( + & ) ) . ) / ) ) . ) ) + 行走机构模仿坦克履带结构。 坦克采用双履带行走和转 向， 对于爬壁机器人， 爬行中底部的履带要通过吸盘吸附在工 作面上， 如果采用双履带， 机器人转向理论上不易实现， 因此决 定采用单履带模式。 在一封闭链条上安装吸盘形成一条行走履 带， 通过前后两个直径为 ! 来支撑驱动履带， 并 & &D D 的链轮， 象坦克一样， 在链轮上方设置支撑张紧轮。 前轮用来控制爬行 的方向， 一个双作用气缸用来控制前轮转向， 后轮用于驱动爬 行， 由一交流伺服电机通过减速机构来驱动， 减速机构的核心 是一谐波减速器 （ ） ， 电机选的是三菱的交流伺服电机 !’! & : （F ） ， 体积小， 单位体积功率大。 电机驱动后轮驱使 5-# G " ! & 1 机器人向前运动， 当转向气缸驱动前轮偏转一定角度， 前部链 条会随之转动一定的角度， 因而， 机器人会改变其前进方向， 所 以， 链条具有一定的柔性对系统的转向很重要， 链条的每一关 节可偏转& 转向的实现问题在下面进一步探讨。 & + (。
表面检测和清洁等工作对于高层建筑物或大型结构的安 全使用和寿命非常必要， 而传统的吊篮人工操作方式既危险， 劳动强度又高， 在世人对生命越来越尊重、 对生活质量追求越 来越高的同时， 在过去的& 科研人员研制了多种类型 )多年中， 的爬壁机器人， 希望借此能将人从危险和枯燥的工作中解放出 来。目前为止， 根据机器人吸附在工作墙面上的方式， 爬壁机
万方数据
ห้องสมุดไป่ตู้
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导向凸轮机构
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系统概况和关键结构
5 ; < = > 7 6 ? 2 C 能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬 行， 主要由行走及转向机构、 吸附机构、 吸盘组导向和提升装置 以及控制系统组成， 主要部件如图 ! 所示。 该机器人长约 @ & ) 宽. 高约. 重约& 。 D D、 @ )D D、 @ )D D、 )E 9 ! & ! 行走机构 ， ? I < J < J < K K L 6 >= > = ; K L KN = K O = J J L < P6 8 ?8 6 >? I << R < J L D < > ? ? I 8 K 9 M Q Q ? I <6 ? L D 8 DQ = J = D < ? < J K6 S; < = SQ < < ; L > 6 D 6 > < > ?N < J <S 6 8 > P Q 9O Q ， J = L P ; = > P< S S < O ? L T < ; ’ $ I J 6 8 I= K K < D 7 ; S ? I <N I 6 ; <D = O I L > < Q M M 9 M6 ， K L D 8 ; = ? L 6 >= > = ; K L K= > P D 6 P L S L O = ? L 6 > 8 6 >? I << R < J L D < > ? ? I < M Q Q P L L ? L U < PD P 6 < ;6 SQ J 6 P 8 O ?; < T < ; < P; < = SQ < < ; L > S SD = O I L > <N = K 9 96
［ ］ ［ ， ， ］ ! ! / ! & . 器人大体上分为三类： 真空吸附型 、 磁力吸附型 和推 ［ ］ ! 。现阶段应用最多的就是真空吸附型爬壁机器人， 这种 力型 ［ ， ， ］ ! & + 类型的机器人又分为单吸盘爬壁机器人 和多吸盘机器人， ［ ］ & 前者如 哈 工 大 王 炎 教 授 主 持 研 制 的 清 洗 机 器 人 ； 后者如