涂郅伟，李博达，刘阳杰，汪 志，刘 淼，王玉琳
(合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009)
近年来，爬壁机器人技术发展迅猛，在高空、高危作业中已获得许多应用。爬壁机器人不仅能够在地面上完成各种动作，还可以在垂直墙面或天花板上凭借自身吸附力爬行并完成预期操作。爬壁机器人可代替人从事高空、化工和勘察救援等危险领域的作业，从而大大降低了人员意外伤亡的风险。
爬壁机器人依照其驱动方式通常分为轮式、履带式和足式三类[1-3]，其中多足式爬壁机器人相对于履带式和轮式具有更灵活的行动能力和更强的攀爬能力，可适应多种工况[4]。爬壁机器人的吸附方式大致可分为负压真空吸附、磁力吸附、静电吸附和仿生吸附四类[5,6]。西南科技大学制造科学与工程学院研发的六足式幕墙清洗机器人采用负压真空吸附技术，但该机器人体积较大且翻越能力不足[7]；
西安理工大学机械与精密仪器工程学院研发的仿生爪刺式双足爬壁机器人采用仿生吸附原理，可攀爬不同类别的平面，但受结构限制吸附不稳定且运动能力不足[8]。
综上所述可以看出，目前爬壁机器人大多存在越障能力较差、空间移动能力不足的问题。因此，本文设计了一种基于正四面体结构的空间四足爬壁机器人，采用真空吸附方式，利用其特殊布置的四只爬行足，可以实现空间垂直墙面间的连续攀爬，提高了其越障能力。
1.1 空间四足爬壁机器人的总体结构形式
图1为空间四足爬壁机器人的总体结构。该机器人包括第一足1、第二足2、第三足3、第四足4、球壳5和电机减速器6。
如图1所示，球壳5作为载体的球形主体，在球壳5内设置陀螺仪和电子眼，以球形主体为机器人的运动中心；
在球壳5上设有四只爬行足，各爬行足具有相同的结构形式，均由大腿、伸长腿和小腿分三段组成；
各爬行足中大腿的上端连接电机变速器6，由电机驱动的电机变速器6固定安装在球壳5的外表面，与各爬行足一一对应的四个电机变速器在球壳5的外表面按空间正四面体分布，以空间正四面体的各顶点方向为朝向，各爬行足的方向和长度均可调；
足部为机械爪，在机械爪底部设置吸盘实现机器人的固定；
陀螺仪用于维持机器人运动过程中球壳中电子眼的稳定性，电子眼用于实现机器人的可视化操控，可附加视觉识别、自动避障等功能。
1-第一足；
2-第二足；
3-第三足；
4-第四足；
5-球壳；
6-电机减速器
1.2 空间四足爬壁机器人爬行足的机构形式
图2为该机器人爬行足结构示意图，该结构包括大腿腿壳7、斜撑气缸活塞杆8、斜撑气缸9、伸长腿10、长杆气缸11、小腿气缸活塞杆12、足部13、大腿腿壳气缸14和小腿气缸15。
7-大腿腿壳；
8-斜撑气缸活塞杆;9-斜撑气缸;10-伸长腿;11-长杆气缸;12-小腿气缸活塞杆;13-足部;14-大腿腿壳气缸;15-小腿气缸
如图2所示，机器人爬行足分别由大腿、伸长腿、小腿和足部四部分组成。
大腿具有大腿腿壳7，并在大腿腿壳7中设置有大腿腿壳气缸14，其大腿上端通过联轴器与对应位置上的电机变速器6的输出轴相连接，由电机变速器6驱动大腿转动形成第一转动副，为爬行足提供动力；
大腿下端的侧部铰接伸长腿上端的端头，在大腿下端的端头与伸长腿上端的侧部之间铰接上段斜撑，上段斜撑为可调长度的伸缩气缸，由斜撑气缸9和斜撑气缸活塞杆8构成，由于上段斜撑所需驱动的结构较为繁重，设置大腿腿壳气缸14，以其气缸活塞为上段斜撑提供充足的动力。
伸长腿10主要由一可伸缩的长杆气缸11构成，伸长腿下端即长杆气缸11的活塞杆端头铰接在小腿上端的侧部，在小腿上端的端头与伸长腿下端的侧部之间铰接下段斜撑；
伸长腿和下段斜撑为可调长度的伸缩气缸；
调整上段斜撑的长度用于控制大腿与伸长腿之间的夹角；
调整下段斜撑的长度用于控制小腿与伸长腿之间的夹角。
小腿为一气缸，小腿的下端是小腿气缸15中小腿气缸活塞杆12的端杆，小腿气缸活塞杆12连接足部13，利用小腿气缸活塞杆12的伸缩调整小腿长度，小腿气缸15为小腿气缸活塞杆12提供动力。
图3(a)为该机器人足部结构示意图，该结构主要包括爪帽16、爪中心壳17、吸盘气缸18、吸盘链接器19、吸盘20、伸展肢21和上齿轮22。
16-爪帽；
17-爪中心壳；
18-吸盘气缸；
19-吸盘链接器；
20-吸盘；
21-伸展肢；
22-上齿轮；
23-吸盘气缸活塞
图3(b)为本发明中吸盘气缸活塞局部示意图，该结构图相较于图3(a)表达出了吸盘气缸活塞23。
参见图2、图3，足部13为机械爪，机械爪的爪壳顶部通过爪帽16与小腿气缸活塞杆12相连接，在爪壳内配置作业工具，包括乙炔喷枪和高压水枪，在机械爪底部设置吸盘20，真空吸盘20通过吸盘链接器19与吸盘气缸18相连通，由吸盘气缸活塞23提供驱动力产生负压，机器人利用吸盘20的吸附功能实现固定；
在各机械爪上，围绕爪中心壳17均布有三只吸盘20，三只吸盘气缸18与三只吸盘20一一对应设置并围绕在爪中心壳17的外周，由各吸盘气缸18为吸盘20一一对应提供负压。
图4为该机器人伸展肢收拢和展开状态示意图，该结构包括齿轮爪节24、中间关节25、前段杆26、爪尖27和关节电机28。
24-齿轮爪节；
25-中间关节；
26-前段杆；
27-爪尖；
28-关节电机
在爪中心壳17的外围一一均匀间隔设置有三只伸展肢21与三只吸盘气缸18；
伸展肢21通过电机收拢在爪中心壳17的外围，呈现为如图4(a)所示的静止状态；
或在爪中心壳17的外围展开,呈现为如图4(b)所示的三爪形，用于抓取和支撑。伸展肢21是由后段杆和前段杆26构成，后段杆的一端设置为齿轮爪节24，后段杆的另一端与前段杆26的尾端相接，并形成中间关节25，在中间关节25中设置关节电机28，利用关节电机28进行驱动，将前段杆26收折在后段杆的杆腔中，或将其从后段杆的杆腔中伸展出；
在前段杆26的前端固连一段爪尖27，前段杆26连同爪尖27一同进行收折和展开。
图3所示的伸展肢21是利用齿轮爪节24与爪中心壳17相连接，在爪中心壳17中设置驱动机构，利用驱动机构通过传动使齿轮爪节24中的齿轮进行转动，从而带动伸展肢21或收拢在爪中心壳17的外围或伸展出成悬臂，配合关节电机28驱动伸展肢21中的前段杆连同爪尖27展形，形成三爪形结构。
2.1 平面爬行中爬行方向和距离的控制
初始状态：机器人四条爬行足中的第一足1呈悬空，为悬空足；
第二足2、第三足3和第四足4呈吸附，为吸附足，三条吸附足在平面上的投影为等边三角形，机器人稳定。
移动方式：将第一足1的落点选择在与第四足4吸附点关于第二足2与第三足3吸附点连线的对称点上，四只爬行足的吸附点形成四边长度相等的菱形，将第一足1由悬空足转为吸附足，随后将第四足4由吸附足转为悬空足，机器人达到新的稳定状态。
2.2 垂直墙面间爬行方向和距离的控制
本文中设计的机器人可实现在两垂直平面间(设为第一墙面和第二墙面)的爬行，其运动方式如下：
初始状态：机器人处于第一墙面上，并靠近第二墙面；
在第一墙面中，四只爬行足中的第一足1呈悬空，为悬空足；
第二足2、第三足3和第四足4呈吸附，为吸附足，三只吸附足在平面上的投影为等边三角形，并且第二足2和第三足3吸附点连线平行于第一墙面和第二墙面的交界线，第一墙面和第二墙面为相接的相互垂直的墙面，机器人将从第一墙面翻转上第二墙面。
翻转方式：将第一足1的落点选择在第二墙面上，通过控制使第一足1垂直跨过第一墙面中第二足2和第三足3的吸附点连线，并吸附在第二墙面上，第一足1由悬空足转为吸附足；
随后，保持第四足4为吸附足，使第二足2和第三足3均松开成为悬空足；
再通过控制将悬空的第二足2和第三足3吸附在第二墙面上，与吸附在第二墙面上的第一足1共同构成三点吸附，此后将第四足4在第一墙面上松开，并进一步调整第一足1、第二足2和第三足3的长度使其呈三点吸附的稳定状态；
第四足4转而继续在第二墙面上选择新的落点，完成第一墙面向第二墙面的翻转。
(1) 本文所设计的空间四足爬壁机器人采用四足结构，爬行过程中能够保持有3只吸附足吸附于墙面，稳定可靠。
(2) 本文所设计的空间四足爬壁机器人每爬行一步之后，下一步的落脚点具有三个方向可以选择，爬行轨迹可以遍历整个墙面。
(3) 本文所设计的空间四足爬壁机器人以杆件的形式进行连接，任意两只脚之间呈109°28′排布，预留空间大，攀爬时角度跨越范围宽，具有较强的越障能力，既可以爬行在单一平面，也可以在相互垂直的两个平面之间进行跨越，甚至实现360°空间爬行。
(4) 本文所设计的空间四足爬壁机器人在吸附过程中只需控制3只爬行足移动副的线位移即可控制机器人的运动轨迹；
在翻转过程中通过协调爬行足的角位移和线位移即可完成机器人的步态规划，控制方式简单、快捷、准确。
(5) 本文所设计的空间四足爬壁机器人借助视觉传感器还能实现自动避障的功能。
猜你喜欢球壳悬空活塞杆BOG压缩机活塞杆的优化沈阳理工大学学报(2022年3期)2022-08-11含凹坑球壳剩余强度的试验研究和安全评定石油化工设备(2021年6期)2021-11-20含腐蚀海底悬空管道的安全研究装备制造技术(2020年1期)2020-12-25静水压力下小开孔球形壳体强度分析科学技术创新(2020年27期)2020-09-05大宝小神探·山涧悬空城琴童(2018年2期)2018-03-06点电荷和介质球壳系统的电势分布河北建筑工程学院学报(2017年3期)2017-12-15悬空的水学苑创造·A版(2017年8期)2017-06-24基于活塞杆沉降位移信号的活塞杆断裂故障诊断方法的研究流体机械(2017年9期)2017-02-06薄壁球壳受刚性平面压缩的连续变形测量光学精密工程(2016年5期)2016-11-07基于ADINA的大型隔膜泵活塞杆的优化设计中国新技术新产品(2014年21期)2014-03-28