新型爬壁機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

徐邦國(guó)，張博宇，吳華貴，杜新宇，劉 露

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350）

引言

人工智能技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代研究的重點(diǎn)內(nèi)容，是代替?zhèn)鹘y(tǒng)行業(yè)和極限領(lǐng)域行業(yè)的重要手段。樓體清潔工是極限環(huán)境下，應(yīng)用爬壁機(jī)器人的重要領(lǐng)域。而機(jī)器人自身的核心技術(shù)也需要不斷優(yōu)化與改進(jìn)，爬壁機(jī)器人自身需要具備良好的移動(dòng)功能與吸附功能。因此，機(jī)器人可以分為負(fù)壓吸附、磁吸附、正吸附和干粘吸附四類(lèi)。

1 新型爬壁機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 新型爬壁機(jī)器人開(kāi)發(fā)技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于新型爬壁機(jī)器人的研究，機(jī)器安全性方面需要有所保障。在設(shè)計(jì)方面需要逐步提高機(jī)器人跨越障礙的能力，自身體積也需要朝著輕量化方向發(fā)展，使之具備更高的使用價(jià)值[1]。對(duì)此，本研究探究爬壁機(jī)器人開(kāi)發(fā)技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)機(jī)器人工作速度在5～20 m/min，跨越障礙的能力為45 mm，機(jī)器人自身重量20 kg，負(fù)載強(qiáng)度15 kg，作業(yè)范圍0～100 m。

1.2 新型爬壁機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

1.2.1 移動(dòng)方式分析

在移動(dòng)方式方面，靜態(tài)步行狀態(tài)下需要強(qiáng)化機(jī)器人與墻面之間接觸點(diǎn)。因而，需要至少保證機(jī)器人四條腿能夠吸附在墻面之上[2]。在部分時(shí)間內(nèi)，能夠有八條腿與墻面保持吸附狀態(tài)，穩(wěn)定重心。在動(dòng)態(tài)步行狀態(tài)下，移動(dòng)與吸附兩種狀態(tài)是同時(shí)進(jìn)行的，因而需要強(qiáng)化重心控制，通過(guò)內(nèi)外框架相鄰的兩條腿的連線構(gòu)成平行四邊形區(qū)域。而在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行的狀態(tài)下，為確保機(jī)器人的形體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要機(jī)器人以八條腿支撐，形成結(jié)構(gòu)對(duì)稱性框架[3]。

1.2.2 吸附方式的分析

本研究所設(shè)計(jì)的新型爬壁機(jī)器人選擇負(fù)壓式吸附方式，負(fù)壓式吸附通常是利用真空泵或真空發(fā)生器，使機(jī)器人的吸盤(pán)內(nèi)腔形成真空地帶，利用大氣壓強(qiáng)使機(jī)器人能夠貼附于墻面之上。本研究設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人，利用負(fù)壓吸附方式組成的多吸盤(pán)，比單個(gè)吸盤(pán)具有更高的優(yōu)勢(shì)性能，吸附穩(wěn)定性高，且抗傾覆能力對(duì)于提高機(jī)器人自身的吸附能力與跨越障礙的能力有很大幫助。通過(guò)調(diào)整摩擦力與吸附力吸盤(pán)之間的組合配置，從而提高機(jī)器人對(duì)不同材質(zhì)的壁面適應(yīng)能力。

2 新型爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析

2.1 新型吸附吸盤(pán)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

在新型爬壁機(jī)器人的吸盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)，選用Festo 公司出產(chǎn)的75 mm 波紋吸盤(pán)，其材質(zhì)為丁青橡膠吸盤(pán)重量為76 g。在吸盤(pán)內(nèi)部涂抹封閉材料，彌補(bǔ)了丁青橡膠吸盤(pán)的不足之處，實(shí)現(xiàn)較好的密封效果。以拉力實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)測(cè)試，新型的吸盤(pán)在墻面的吸附效果，能夠在較為粗糙的壁面上承受10 kg 以上的拉力[4]。

2.2 新型腿部設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析

氣動(dòng)肌肉分析：將氣動(dòng)肌肉用于模擬爬壁機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)具有較大優(yōu)勢(shì)，能夠減輕機(jī)器人的整體重量。通過(guò)氣動(dòng)肌肉與平行四邊形的組合，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的抬腿與跨越障礙能力的提高。本研究所選用的氣動(dòng)機(jī)電產(chǎn)品為DMSP 這一產(chǎn)品，內(nèi)徑在10 mm。如若拉力在100 N 的條件下，氣源壓力5 bar 時(shí)，收縮比能夠達(dá)到12%，氣源壓力為6 bar 時(shí)，收縮比能夠達(dá)到15%，氣源壓力為8 bar 時(shí)，收縮比能夠達(dá)到19%。

2.3 新型爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析

2.3.1 新型機(jī)器人十字動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)分析

從動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行爬壁機(jī)器人的研究，對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行與傳動(dòng)機(jī)制的分布進(jìn)行探究。利用十字動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬壁機(jī)器人內(nèi)部框架與外部框架縱向、橫向與斜向的運(yùn)動(dòng)，從而讓機(jī)器人能夠在爬壁過(guò)程中靈活運(yùn)轉(zhuǎn)，控制驅(qū)動(dòng)。采取單獨(dú)電機(jī)與同步齒輪帶的方式，能夠讓機(jī)器人獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，相互之間不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。以坐標(biāo)軸的方式闡釋機(jī)器人的坐標(biāo)位置運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)器人橫向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)帶輪1 會(huì)運(yùn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)帶輪2 靜止，此時(shí)坐標(biāo)輸出為△x1=γ·△θ1。

2.3.2 新型機(jī)器人內(nèi)外框架的動(dòng)力學(xué)分析

以十字形框架基礎(chǔ)，當(dāng)內(nèi)框架吸附于壁面時(shí)，外框架進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬壁。當(dāng)機(jī)器人處于xoy 坐標(biāo)系當(dāng)中時(shí)，橫向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪1 開(kāi)始行動(dòng)。此時(shí)，輸入角位移為θ1，當(dāng)縱向電機(jī)開(kāi)啟時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪2 開(kāi)始移動(dòng)，此時(shí)輸入角位移為θ2。因而，當(dāng)機(jī)器人的內(nèi)框架吸附于壁面，而外框架在進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以將位移表示為x=γ·θ1，y=γ·θ2，而此時(shí)，動(dòng)能公式為外框架質(zhì)量·（x2+y2），或十字動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量·γ2·（）。

3 新型爬壁機(jī)器人仿真研究

3.1 新型機(jī)器人虛擬模型仿真

3.1.1 ADAMS 模型的建立

新型爬壁機(jī)器人在模型建立的過(guò)程當(dāng)中，需要利用三維軟件搭建簡(jiǎn)化版的三維模型[5]。利用中間格式導(dǎo)入到ADAMS 當(dāng)中，進(jìn)行爬壁機(jī)器人腿部系統(tǒng)的搭建，并根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際受力情況，在模型當(dāng)中進(jìn)行模擬。將機(jī)器人腿部與壁面之間的約束力進(jìn)行固定，腳鏈旋轉(zhuǎn)副將小腿與大腿相連接，并將移動(dòng)平面副、盤(pán)底座，以同樣方式連接在小腿上，安裝圓柱副與安裝座。勁度系數(shù)通常為2 N/mm。

3.1.2 腿部動(dòng)力學(xué)仿真

本研究針對(duì)新型爬壁機(jī)器人腿部仿真進(jìn)行訓(xùn)練，主要是進(jìn)行腿部的抬腿動(dòng)作與放下動(dòng)作。利用平行四邊形這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人抬腳動(dòng)作與放下動(dòng)作。都能夠同時(shí)處于同一平面，保障機(jī)器人的穩(wěn)定性能。并且在吸附方式上，采取的是吸附盤(pán)三角形的布置方式，具有穩(wěn)固性能。在仿真訓(xùn)練進(jìn)行時(shí)，以氣源壓力5 bar 為例，構(gòu)建模擬仿真情景，腿部抬腿的位移距離在218～262 mm 之間。在仿真模擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中，能夠看出機(jī)器人在腿部運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，所受到的沖擊力較小，機(jī)器人行走的較為平穩(wěn)。

3.2 新型機(jī)器人減重改進(jìn)分析

為使新型爬壁機(jī)器人自身重量能夠有所降低，因此需要對(duì)機(jī)器人的自身重量進(jìn)行控制，使其不會(huì)受太大的重力影響，這就需要在材料選擇方面進(jìn)行優(yōu)化。機(jī)器人的主要部件可以選擇鋁合金2Al2。該材料的性能需要參考表1。

表1 材料性能參數(shù)表

在對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行減重分析時(shí)，利用減重拓?fù)鋵?duì)其進(jìn)行分析。采取選中30%的情況進(jìn)行分析，將能夠更改替換的部分挖孔，進(jìn)行實(shí)際情況加載受力分析，能夠達(dá)到材料自身所承擔(dān)的各種力的極限。由此證明，通過(guò)合理減重30%是能夠達(dá)到材料承受應(yīng)力的預(yù)期數(shù)值。

4 新型爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 新型爬壁機(jī)器人氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人吸附于壁面之上，是利用真空泵或者是真空發(fā)生器，使之產(chǎn)生真空區(qū)域，通過(guò)外部壓強(qiáng)使機(jī)器人能夠貼附在壁面之上。

通過(guò)對(duì)真空發(fā)生器和真空泵的數(shù)據(jù)對(duì)比（見(jiàn)表2），本文選取真空發(fā)生器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，氣壓在0.4～0.5 Mpa。該機(jī)器人吸盤(pán)組是由多個(gè)吸盤(pán)組合排列而成的，以正三角形為基礎(chǔ)的構(gòu)造，切實(shí)保障機(jī)器人的吸附能力。同時(shí)，對(duì)每個(gè)吸盤(pán)組安裝真空壓力開(kāi)關(guān)，保障吸盤(pán)能夠獨(dú)立工作，并檢測(cè)吸盤(pán)是否處于工作狀態(tài)。

表2 真空發(fā)生器和真空泵數(shù)據(jù)對(duì)比表

4.1.2 新型爬壁機(jī)器人氣動(dòng)系統(tǒng)集成

本研究在進(jìn)行新型機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，為了進(jìn)一步減輕機(jī)器人的自身重量，將空壓機(jī)和氣源組件放置在樓頂上利用，樓頂?shù)腟UV隨動(dòng)小車(chē)確保記錄的通暢。利用氣動(dòng)肌肉進(jìn)行氣動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)安全控制閥和控制傳感器對(duì)各吸附系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用電磁閥對(duì)氣動(dòng)肌肉進(jìn)行單獨(dú)管理。

4.1.3 新型爬壁機(jī)器人系統(tǒng)模塊流程圖

本研究所設(shè)計(jì)的新型爬壁機(jī)器人，利用DSP 嵌入式系統(tǒng)，完成機(jī)器人的總控裝置?？刂葡到y(tǒng)包含CPU、通信模塊、存儲(chǔ)系統(tǒng)、人機(jī)模塊、傳感檢測(cè)模塊與外圍器件驅(qū)動(dòng)模塊等。

爬壁機(jī)器人在系統(tǒng)初始化時(shí)需要對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行反饋，根據(jù)系統(tǒng)所反饋回的橫向、縱向、斜向等傳感器信息進(jìn)行方向決策。觀察是否有障礙物，如果有障礙，則通過(guò)調(diào)整行進(jìn)距離或腿部抬升跨越障礙的方式進(jìn)行處理。如果沒(méi)有障礙物，則依照常規(guī)速度前進(jìn)。通過(guò)系統(tǒng)流程圖，能夠更加清楚了解機(jī)器人工作過(guò)程當(dāng)中，系統(tǒng)指令的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。圖1 為系統(tǒng)工作流程圖。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

4.2 新型爬壁機(jī)器人路徑規(guī)劃分析

4.2.1 測(cè)控系統(tǒng)分析

本次測(cè)控系統(tǒng)所選取的測(cè)控工具是超聲波傳感器。機(jī)器人自身以四邊形架構(gòu)為主，行程在200～300 mm 之間，測(cè)控距離為50～500 mm。利用距離傳感器對(duì)機(jī)器人腿部到障礙物之間的距離進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)距離信息與機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，觀察機(jī)器人是否做出跨越障礙的決策信息。利用高度傳感器探測(cè)機(jī)器人在遇到障礙時(shí)，是否提前做出轉(zhuǎn)彎避開(kāi)障礙物的判定，從而考量是否需要在機(jī)器人內(nèi)部，增加視覺(jué)障礙物識(shí)別系統(tǒng)[6]。

4.2.2 狹義路徑規(guī)劃分析

由于機(jī)器人工作是處于某一平面的，因此選取矩形柵格模型，進(jìn)行機(jī)器人的路徑規(guī)劃。爬壁機(jī)器人的工作環(huán)境通常是玻璃或瓷磚的壁面，工作區(qū)域也是矩形。該測(cè)試環(huán)境探究爬壁機(jī)器人利用傳感系統(tǒng)對(duì)障礙物的探測(cè)能力，從而對(duì)柵格環(huán)境模擬信息結(jié)果的傳輸。機(jī)器人在進(jìn)行墻面清洗時(shí)，需要確保清洗到每一個(gè)地方，因此對(duì)其路徑進(jìn)行設(shè)定，需要利用遍歷搜索法，使機(jī)器人按照起始坐標(biāo)依次出發(fā)并進(jìn)行訪問(wèn)，最終達(dá)到終點(diǎn)。圖2 為機(jī)器人行徑路線模擬圖。

圖2 機(jī)器人行徑路線模擬圖

5 結(jié)論

綜上所述，新型爬壁式機(jī)器人利用十字形架構(gòu)，使內(nèi)框架與外框架在移動(dòng)過(guò)程當(dāng)中形成相對(duì)位移，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向、斜向的移動(dòng)，同時(shí)，在腿部肌肉收縮與拉伸方面進(jìn)行了優(yōu)化。并針對(duì)機(jī)器人自身驅(qū)動(dòng)所帶來(lái)的振動(dòng)進(jìn)行了探究，確保細(xì)微的振動(dòng)不會(huì)影響機(jī)器人的正常運(yùn)行。采取驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與機(jī)械電氣控制系統(tǒng)，共同完成爬壁機(jī)器人的總裝。