基于SolidWorks 的振動吸附式四足爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)

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程中，生物體精妙的運(yùn)動方式為科學(xué)家發(fā)明新的機(jī)器人提供了重要靈感?？茖W(xué)家就是通過模仿大自然中各種生物的運(yùn)動方式，發(fā)明出了許多仿生機(jī)器人，如機(jī)器魚[1]、壁虎[2]等。因?yàn)楸诨⒃谪Q直壁面上運(yùn)動的獨(dú)特方式，壁虎的運(yùn)動特點(diǎn)被越來越多地引入到小型爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)中。美國克利夫蘭通過模仿小汽車的結(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)通過研究螳螂爬行的特點(diǎn)，開發(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)用中所暴露出來的問題也日趨明顯，如爬壁機(jī)器人運(yùn)動時對壁面的要求比較高等，所以未來爬壁機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)該著重于解決這一類問題，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)動過程和吸附原理構(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)動時，頭部和尾巴對運(yùn)動的影響不大，可以將其忽略。根據(jù)壁虎的外形，可以簡要畫出壁虎的結(jié)構(gòu)原理圖。壁虎的身軀可以看成是一個整體的塊，4 個頂點(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，否則會引起欠定位，使小腿部分運(yùn)動不確定。

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)動的動力源，可以通過在爬壁機(jī)器人之間放置一塊電池板以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，電池板通過簡易的上下蓋來實(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 個舵機(jī)組成。在髖關(guān)節(jié)與主體的驅(qū)動舵機(jī)的工作下，實(shí)現(xiàn)肢體在水平面內(nèi)橫向轉(zhuǎn)動。在股關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動舵機(jī)和脛骨與股關(guān)節(jié)的驅(qū)動舵機(jī)的作用下，分別驅(qū)動股關(guān)節(jié)和脛骨在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動?；谶@兩者的基本運(yùn)動，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，提高了爬行時對不同壁面的適應(yīng)能力。吸附裝置里通過安裝一個電機(jī)實(shí)現(xiàn)吸盤的上下運(yùn)動，達(dá)到振動吸附的效果。

1.2 振動吸附的工作原理

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

1.2.1 負(fù)壓過程

如圖2 所示，從（a）到（b）的過程中，吸盤處在一個被向上拉起的狀態(tài)，吸盤內(nèi)部的體積逐漸增大，而且由于存在壓力差，外界空氣將通過縫隙流進(jìn)吸盤，但是體積增大和進(jìn)入吸盤的氣體對密度的影響，顯然前者影響更大，所以吸盤內(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，直至吸盤運(yùn)動到位置（b），吸盤內(nèi)部的氣壓達(dá)到了最低值；從（b）到（c）的過程，吸盤在一個向下運(yùn)動的狀態(tài)，吸盤內(nèi)部體積逐漸減小而且氣體持續(xù)不斷進(jìn)入吸盤，但是因?yàn)樵谖恢茫╞）時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，吸盤內(nèi)部壓強(qiáng)P=Pa。

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

1.2.2 正壓過程

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

圖3 正壓過程示意圖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，它們在整個爬壁機(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固定電池板，防止電池板在行走過程中滑出。擋板旁邊一側(cè)通過設(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)動過程中，由于電池板工作時會產(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，同時還減輕爬壁機(jī)器人的質(zhì)量，節(jié)省了材料，提高了移動時的靈活度，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 個舵機(jī)組成，各零件結(jié)構(gòu)作用見表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 個零件構(gòu)成，即橡膠吸盤、支撐桿、上蓋、球關(guān)節(jié)、電動機(jī)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。吸盤頂部通過球關(guān)節(jié)與脛骨相連，內(nèi)部電動機(jī)作為動力源帶動曲柄搖桿機(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)動轉(zhuǎn)化為支撐桿的上下運(yùn)動，支撐桿與橡膠吸盤相連，帶動吸盤的上下運(yùn)動，通過吸盤的上下運(yùn)動可以達(dá)到對壁面的吸附和松開。

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。支撐桿主要是用來連接吸盤與曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為支撐桿的上下往復(fù)運(yùn)動，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為吸盤的上下往復(fù)運(yùn)動。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相連，在中間圓臺下沿挖出一個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)用來連接支撐桿和電機(jī)之間的機(jī)構(gòu)，電機(jī)帶動曲柄搖桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為支撐桿的上下往復(fù)運(yùn)動。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的一側(cè)與支撐桿通過孔配合進(jìn)行連接，另一側(cè)通過鍵槽傳遞扭矩。

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)動仿真

圖10 所示為爬壁機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)簡圖。出于對實(shí)際情況的考慮，對該步態(tài)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷模从仪?、左后、左前、右? 步。該移動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)器人移動肢體時的平穩(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，此時其余三肢保持不動，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，此時其余三肢保持不動，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，此時其余三肢保持不動，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，此時完成一次的步態(tài)循環(huán)。此時其余三肢保持不動，使機(jī)構(gòu)能保持足夠的吸附力。

通過模型的運(yùn)動仿真，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

伴隨著自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，使用各種仿生物類的機(jī)器人得到了越來越多的應(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)，采用三維軟件對零件開發(fā)成熟技術(shù)，從生活中壁虎的爬行過程中獲得啟發(fā)，設(shè)計(jì)出仿壁虎的四足爬壁機(jī)器人。