一種新型壁面攀爬機器人的研究

陳少帥 陳奎儒 馬千里

摘要：本文介紹了一種新型壁面攀爬機器人，其設計旨在設計出一種全新的機器人墻壁攀爬機械構造及機械運動方式。它的結構主要分為壁面吸附部分、驅動行進部分和主體控制部分三個主要部分組成。該壁面攀爬機器人結構較簡單，攀爬時較平穩(wěn)，行進時安全性良好，且能夠在凹形垂直壁面間靈活移動。

關鍵詞：攀爬機器人；偏心距導軌；合頁式

1、攀爬機器人的研究背景

攀爬機器人是近代電子技術與傳統的機構學相結合的產物，是計算機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多種學科綜合性高科技產物，是一種仿人操作、高速運行、重復操作和精度較高的自動化設備。以攀爬機器人代替人類從事各種危險、繁重、重復、單調及消毒等有害的工作是社會發(fā)展的一個趨勢。

攀爬機器人的出現將人類從繁重單一的勞動中解放出來，而且還能夠從事一些不適合人類甚至超越人類的勞動，實現生產的自動化，避免工傷事故和提高生產效率。

2、攀爬機器人的分類及功能特點

三個基本功能：吸附功能、移動功能、載物功能。類別（按移動方式）：車輪式壁面攀爬機器人、履帶式壁面攀爬機器人、框架式攀爬機器人、足腳式壁面攀爬機器人、軌道行進式攀爬機器人、抓持式壁面攀爬機器人、鋼索行進式壁面攀爬機器人等.使用功能：維護、檢查、消防、救援、清洗、情報、國防等。

3、現有技術及其缺點車輪式壁面攀爬機器人——一個或多個輪子在電機等驅動裝置的驅動下，帶動機器人行走。優(yōu)點：移動速度較快，行走控制簡單。缺點：著地面積小，維持吸附力困難。

履帶式攀爬機器人——由兩個或多個無軌道履帶推動機器人行走。優(yōu)點：接觸面積大，對于壁面的適應性強。缺點：體積大，結構復雜，重量重且不易轉彎。

足腳式攀爬機器人——通過多個腳按照一定的次序對壁面進行吸附與脫離，從而實現機器人的移動。優(yōu)點：機動性能好，可以適應不同形狀的壁面，有較強的越障礙能力。缺點：行走速度較慢，多足協調有一定的困難。

軌道行進式攀爬機器人——用車輪加緊在壁面軌道兩側，當驅動輪旋轉時，依靠車輪與軌道間的摩擦力實現上下移動：優(yōu)點：運行可靠、容易。缺點：對墻壁有鋪設導軌的要求。

4、該設計的科學性先進性

該機器人驅動行進部分采用的偏距導軌式構造，結構較簡單，攀爬時較平穩(wěn)（主要與六足式弧形機器人比較）；該機器人在攀爬行進時，至少有三個不共線的吸盤吸附在墻壁上，極大的保證其安全性；該機器人能夠在凹型垂直墻壁面間靈活移動。

5、該設計的技術特點及優(yōu)勢

該機器人攀爬部分采用偏距導軌式機構；吸附部分主要采用真空泵與軟吸盤組成的真空吸附構造；主體控制部分為合葉式構造，為凹型垂直壁面間的移動創(chuàng)造結構基礎。該機器人較以往的攀爬機器人提供一種全新攀爬方式，較足式弧形機器人來說，結構簡單，成本低，功能性強。而且該機器人的凹型垂直壁面間移動主要為室內攀爬機器人提供了技術基礎。該機器人可以為室內墻壁清洗機器、室內墻壁懸掛取用機器提供了一種新技術。

6、該設計的功能實現

攀爬機器人裝配體結構圖：

整個裝配體主要部分分為兩部分：一個是負責行進的偏距導軌3和4；一個是負責控制與翻轉的主體箱1和2

當機器處于行進狀態(tài)時，先是兩側導軌中間的吸盤組合體脫離墻壁，并通過導軌下面的絲杠移動達到一定偏距，然后中間的吸盤吸附墻壁；控制主體移動直到行進連接塊與中間吸盤同軸線時停止（依靠紅外線傳感器）；然后先是一邊的導軌兩側的吸盤組合體脫離壁面，此時連接處的電機驅動此導軌繞連接處的軸旋轉180度，最后兩側吸盤吸附。第一導軌完成后，第二導軌重復以上工作，如此循環(huán)下去，這樣機器就可以以一定距離（可調節(jié)）攀爬行進。