爬墙机器人研究与制作.doc

爬墙机器人研究与制作第19卷第2期2010年6月淮海工学院(自然科学版)JournalofHuaihaiInstituteofTechnology(NaturalScienceEdition)VoI.19Jun.No.22O1O0DOI:10.3969/j.issn.16726685.2010.02.004爬墙机器人研究与制作黄文攀,戴永雄,范茂飞,乔斌,刘明芹(淮海工学院机械工程学院,江苏连云港222005)摘要:随着高层建筑的日益增多,高空作业需求越来越大,催生了对攀壁机器人的市场需求.设计制作了一种爬墙机器人,它能够到达垂直平面的任何地方,其机械结构合理,紧凑,重量轻,行动灵活,可靠性高,有良好的人机交互接口,可进行远程遥控及自动运行.分析了爬墙机器人在墙壁上灵活运动需解决的关键问题,设计了机器人的结构及吸附和运动的方式,并基于PRO/E三维软件的模拟仿真,制作了采用真空吸附系统的多自由度壁面灵活运行机器人.实现了爬墙机器人在墙壁上可靠吸附与灵活运动的功能.关键词:爬墙机器人;真空吸附;分层结构中图分类号:TP242.3文献标识码:A文章编号:16726685(2010)02001204StudyontheMakingofWallClimbingRobotsHUANGWenpan,DAIYongxiong,FANMaofei,QIAOBin,LIUMingqin(SchoolofMechanicalEngineering,HuaihaiInstituteofTechnology,Lianyungang222005,China)Abstract:Theincreaseofhighrisebuildingsandhigh-altitudeoperationsgiverisetothedemandofwallclimbingrobots.Inthispaper,wedesignedawallclimbingrobotwhichcanreachany-whereintheverticalplane.Thewallclimingrobothasareasonableandcompactmechanicalstructurewithasmallweight,highflexibilityandreliability,andagoodhumancomputerinter-actioninterfaceforremotecontrolandautomaticoperation.Weanalyzedthekeyissuesfortheflexiblemovementoftherobot,itsstructureanditspatternofadsorption.BasedonthesimulationusingPRO/E3Dsoftwareandthevacuumadsorptionsystem,wedesignedamobilerobotwithamultidegreeoffreedom.Itcanmoveflexiblyonthewallwithagoodreliabilityofvacuumadsorption.Keywords:wallclimbingrobot;vacuum;layeredstructure引言爬墙机器人(wallclimbingrobot)是一种移动式服务机器人,它可以在垂直壁面或顶部移动,是极限作业机器人的一个分支.现代城市高楼林立,大厦壁面大多采用瓷砖结构或玻璃幕结构,常年裸露在外,需要进行许多维护工作,迄今为止,这类工作仍由人工搭乘吊篮进行高空作业来完成,这种作业方式对人身安全和大楼壁面构成很大威胁,并且效率低,成本高.基于此,笔者研究并制作了一种爬墙机器人,该爬墙机器人由气缸推进机构,舵机旋转机构和舵机翻转机构构成.吸附系统由相对独立的两收稿日期:20100510;修订日期;20100527基金项目:2009年江苏省高等学校大学生实践创新训练计戈项目作者简介:黄文攀(1986一),男,湖南郴州人,淮海工学院机械工程学院学生,主要从事机械设计制造及其自动化方面的研究,(E-mail)lmql91163.corn.第2期黄文攀等:爬墙机器人研究与制作13组真空吸盘构成,它们交替吸附完成步进式移动,每组吸盘都可通过调节来适应墙面垂直度的变化.采用分层吸附,吸附可靠,运行灵活.该爬墙机器人行动灵活,移动精度较高,能在墙壁上进行直线移动或按要求的轨迹任意方向移动或停留,可以翻越内直角墙壁,同时可以携带其它工具来完成诸如擦玻璃,喷漆,消防等作业.该机器人还有摄像及信息传递功能,能将所吸附壁面的状态和周围情况传递给监测者并可通过终端显示.1机器人结构设计该机器人是利用真空吸附方式来实现爬墙功能,其真空吸盘对墙壁的平整度和光滑度要求相对较高.壁面上的缝隙及凹凸会使吸盘不能形成真空吸附最终导致机器人爬墙失败.因此,如何有效解决真空吸盘可靠吸附的问题成为爬墙机器人完成爬墙任务的关键技术问题.为此,不能一味地追求盘径大,吸力强的大吸盘,大吸盘的吸力强固然有利于保障机器人在墙壁上的可靠吸附,但其盘径大,遭遇壁面裂纹等瑕疵的几率也相对较大.同时,鉴于机器人体质量和尺寸等一系列因素,可采取减小吸盘直径,增加吸盘数量的措施并合理布置吸盘之间的相对位置,使吸盘不在同一直线上,一旦遇墙壁缝隙及凹凸等问题时,能够保证其中一定数量的真空吸盘可靠吸附,从而最终保证机器人在墙壁上的可靠行走.该爬墙机器人采用了四足步进机构,仿真图如图1所示.图1机器人仿真Fig1Robotsimulation利用真空吸盘的吸附原理,采用脚步式移动机构.机器人采用3层结构.第1,2层之间通过连杆机构进行连接,控制第一层进行直角翻转以实现机器人在墙壁直角处的结构转换,第2,3层之间构成壁面移动机构,分别由两组吸盘构成,它们之间用具有若干相对自由度的机构连接,当第2层上的吸盘吸附工作时,第3层结构移动,然后第3层上的吸盘吸附工作,第2层结构移动,以此往复运动以实现机器人在平面内的直线运动,结构图如图2所示.同时,在第2,3层之间设旋转机构,以保证机器人在平面内全方位移动.1一腿部连接杆;2一真空吸盘;3一主体旋转轴;4一上层立体板图2机器人结构Fig.2Robotchart爬墙机器人的前后移动的驱动方式是比较难确定的,笔者最初拟订了3种方式,第1种方式为步进电机驱动,即是将步进电机的转动通过蜗轮蜗杆机构转换成直线运动,但是经过实验发现能带动机器人身体移动的步进电机的体积比较大,而且由于行程必须在50ITIITI左右,导致整个前后移动机构比较长,超出了身体的设计范围,再加上步进电机的转动限制上下两部分身体的作用点只有一个,这样就很容易引起机器人在移动的时候发生歪斜.第2种方式为电磁吸附结构,即是在上下身体之间装上电磁铁和弹簧.电磁铁固定在下部身体上,被吸附装置固定在上部身体上(被吸附装置是弹簧).当通电时,电磁铁产生吸力,将上部身体吸过来;当断电时,弹簧将上部身体弹出去.但是实验发现电磁铁的吸附距离非常有限,而且弹簧的存在导致前后移动不平稳.第3种方式采用双气缸推动,此种结构不仅简单,而且移动方式平稳,移动速度快,缺点是冲击力比较大,通过实验最终发现控制气体压力可以减小冲击力,得到较好的效果,因此前后移动采用第3种双气缸方案.该机器人的结构设计能翻越内直角墙壁,图3为机器人爬内直角面的示意图,由上层先行吸附到另一侧的直角壁,然后下层吸盘翻转过来再由1层l4淮海工学院(自然科学版)2010年6月拖拽过去.吸附过程为:伸缩臂3伸出,把上层主体板2抬起呈垂直状态,上层主体板2上的吸盘腿1翻转,使吸盘靠近墙壁并吸附伸缩臂收缩,带动下层主体板4翻转到垂直位置,下层主体板4上吸盘腿翻转,使吸盘吸附在墙壁上,翻转结束.机器人腿部仿真图如图4所示./1真空吸盘腿2上层主体板3伸缩臂4下层主体板5腿部连接杆茸=,图3墙壁直角正交行走Fig.3Wallright-angleorthogonalwalkingmap图4单条腿部仿真Fig.4Simulationdiagramofasingleleg2电路及气路设计由于机器人的前进,转弯,翻墙等动作全部靠舵机完成,根据舵机的控制特点是精确PWM波,所需舵机数目较多,因此采用单片机内部中断0和在程序中设置变量进行比较产生多路PWM波,控制电路原理如图5所示.舵机的控制电路相对简单,为了净化PWM波,控制电路采用光电耦合开关加反相器.在气动控制中主要用了电磁阀和调速阀,其气动回路原理如图6所示.图5电路原理Fig.5Circuitdiagram第2期黄文攀等:爬墙机器人研究与制作l53机器人的实物调试图6气动回路原理Fig.6Pneumaticcircuitdiagram最终根据仿真图作出实物如图7所示,实验结果表明该机器人能很好地吸附在墙壁上,并能实现平面内360.转动与内直角墙壁翻越功能,能较准确地实现腿部动作及前后移动,该机器人实现了最初的设计目的.但是实验过程中也发现了一些不足之处,例如所需气源装置的压力较大,整个身体结构不够紧凑.这些有待后续工作中改进.4结论图7机器人实物Fig.7Robotphysicalmap本文所设计的爬壁机器人是利用真空发生器使气泵产生的气压转化为吸盘的吸力,较好地实现了对墙壁的吸附.利用气缸的伸缩实现了机器人的前后移动,方便而且稳定,利用舵机的转动与机械结构相结合实现了机器人的各种腿部动作与翻转动作.但该设计方案还存在一些不足之处,如选用的零部件较重,导致机器人质量太大,重心不稳;气管过长,气压的利用率太低,导致需求气压很大;不能实现气源自带功能等,这些问题还有待于进一步的讨论和研究.参考文献:I-1-1张铁,谢存禧.机器人学M.广州:华南理工大学出版社,2005.成大先,王德夫,姬奎生.机械设计手册单行版气压传动I-M.北京:化学工业出版社,2004.刘文涛.单片机语言一C51典型应用设计M-I.北京:人民邮电出版社.孙恒,陈左模.机械原理M.6版.北京:高等教育