爬壁機(jī)器人防仰防溜研究*

袁曉洲，朱志強(qiáng)

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西 鷹潭 335424）

爬壁機(jī)器人防仰防溜研究*

袁曉洲，朱志強(qiáng)

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西 鷹潭 335424）

爬壁機(jī)器人在高樓救援、偵察、幕墻清洗等危險(xiǎn)性工作中應(yīng)用非常廣泛。但面臨著很多技術(shù)性的難題，如壁虎腳吸盤(pán)自動(dòng)吸附和自動(dòng)解除吸附的問(wèn)題、履帶式吸盤(pán)機(jī)器人無(wú)法小半徑轉(zhuǎn)彎的難題、機(jī)器人在前進(jìn)過(guò)程中車(chē)身前端后仰的問(wèn)題、機(jī)器人在前進(jìn)過(guò)程中車(chē)身側(cè)滑的問(wèn)題、機(jī)器人溜車(chē)的問(wèn)題、機(jī)器人爬壁時(shí)越障和越溝槽的問(wèn)題等。文章重點(diǎn)研究爬壁機(jī)器人爬升時(shí)車(chē)身前端后仰和下降時(shí)溜車(chē)問(wèn)題。

履帶式機(jī)器人；爬壁；防后仰；防下溜

21 世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越重視。機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是對(duì)未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義的高技術(shù)之一。歐盟在第七框架計(jì)劃（FP7）中規(guī)劃了“認(rèn)知系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)”研究、美國(guó)啟動(dòng)了“美國(guó)國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃”、日本、韓國(guó)在服務(wù)型機(jī)器人方面也制定了相應(yīng)的研究計(jì)劃[1]，我國(guó)在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技重大專項(xiàng)等規(guī)劃中對(duì)機(jī)器人技術(shù)研究給予極大的重視。國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界對(duì)機(jī)器人技術(shù)引領(lǐng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也寄予厚。由此可見(jiàn)，機(jī)器人技術(shù)是未來(lái)高技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)之一，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)具有重要意義[2]。

近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)研究與應(yīng)用取得了突破式進(jìn)展，尤其是履帶式移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用更為廣泛。如歐洲航天局的固定履帶式機(jī)器人 Nanokhod、美國(guó) iRobot 公司生產(chǎn)的 Packbot 系列機(jī)器人[3]、本千葉工業(yè)大學(xué)研制的搜救機(jī)器人“木槿”[4]等，主要運(yùn)用在惡劣環(huán)境之中，有較強(qiáng)的爬坡、越障和跨溝能力。隨著高樓林立，高樓救援、偵察、幕墻清洗等危險(xiǎn)性工作需要機(jī)器人來(lái)代替。爬壁機(jī)器人的研究開(kāi)始受到重視，但面臨著很多技術(shù)性的難題，如壁虎腳吸盤(pán)自動(dòng)吸附和自動(dòng)解除吸附的問(wèn)題、履帶式吸盤(pán)機(jī)器人無(wú)法小半徑轉(zhuǎn)彎的難題、機(jī)器人在前進(jìn)過(guò)程中車(chē)身前端后仰的問(wèn)題、機(jī)器人在前進(jìn)過(guò)程中車(chē)身側(cè)滑的問(wèn)題、機(jī)器人溜車(chē)的問(wèn)題、機(jī)器人爬壁時(shí)越障和越溝槽的問(wèn)題等。文章重點(diǎn)研究爬壁機(jī)器人爬升時(shí)車(chē)身前端后仰和下降時(shí)溜車(chē)問(wèn)題。

1 履帶式爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶式爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)三維總裝如圖1所示。履帶式爬壁機(jī)器人主要由動(dòng)力裝置，傳動(dòng)裝置，執(zhí)行裝置及輔助部分（鏈條鏈輪，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，離合器，推力軸承等）等組成。爬動(dòng)前，小吸盤(pán)吸附壁面，動(dòng)力裝置通過(guò)鏈輪帶動(dòng)固定在鏈條之間的小吸盤(pán)運(yùn)動(dòng)，與主軸相連的摩擦片之間產(chǎn)生的摩擦力通過(guò)連桿傳遞給前軸，以使機(jī)器人與壁面受力均勻，機(jī)器人平穩(wěn)向上爬動(dòng)。當(dāng)爬行到既定的距離需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，主電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)輔助電機(jī)，由輔助電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連的蝸桿帶動(dòng)渦輪軸上的大凸輪向內(nèi)推動(dòng)大吸盤(pán)，使大吸盤(pán)接觸壁面，大凸輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，凸槽撥動(dòng)撥桿，大吸盤(pán)吸住壁面。此時(shí)，拉簧向外拉開(kāi)小吸盤(pán)撥桿擋塊，在彈簧的拉力作用下，撥桿彈開(kāi)，小吸盤(pán)對(duì)壁面的吸附力消除。轉(zhuǎn)軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，與軸相連的錐齒輪帶動(dòng)演變的卡當(dāng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎動(dòng)作完成后，小凸輪向內(nèi)推動(dòng)小吸盤(pán)擋塊，擋塊撥動(dòng)其撥桿，小吸盤(pán)吸附在壁面上，大吸盤(pán)在拉簧的回復(fù)拉力作用下脫離壁面，然后主電機(jī)啟動(dòng)，至此機(jī)器人即可按照轉(zhuǎn)過(guò)的角度繼續(xù)爬行。向下返程時(shí)，主電機(jī)主軸反轉(zhuǎn)，在離合器的作用下，主軸上的摩擦片不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，前后軸間的作用力失效，從而機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)的上下爬行和轉(zhuǎn)彎的全能運(yùn)動(dòng)。

圖1 履帶式爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)三維總裝圖

2 履帶式爬壁機(jī)器人車(chē)身前端防后仰技術(shù)方案

具體技術(shù)方案如圖2所示。向上勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)。運(yùn)用摩擦力恒定打滑原理，當(dāng)小車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)利用單向軸承6的單向超越性使主動(dòng)摩擦片5與主動(dòng)軸8的運(yùn)動(dòng)同步，帶動(dòng)從動(dòng)摩擦片4作圓周運(yùn)動(dòng)，并將兩摩擦片產(chǎn)生的摩擦力通過(guò)壓桿7傳到小車(chē)前端，從而防止車(chē)身后仰。通過(guò)調(diào)整調(diào)距螺母1調(diào)節(jié)彈簧2的彈簧力，進(jìn)而可隨意調(diào)節(jié)主從摩擦片間的傳動(dòng)摩擦力。

圖2 防后仰裝置

3 履帶式爬壁機(jī)器人防溜車(chē)技術(shù)方案

當(dāng)機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在重力作用下車(chē)身會(huì)加速運(yùn)動(dòng)，使主動(dòng)軸上的動(dòng)力成為主動(dòng)件，從圖2機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看出，設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可使機(jī)構(gòu)向下加速運(yùn)動(dòng)時(shí)自動(dòng)鎖死，實(shí)現(xiàn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的勻速，保持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止溜車(chē)事件的發(fā)生，使前端壓桿壓力自動(dòng)失效。

4 履帶式爬壁機(jī)器人性能分析

設(shè)計(jì)的該套裝置，在光滑墻面上自由移動(dòng)時(shí)，有很好的操作性和和安全可靠性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)利用手動(dòng)裝置的攀爬速度可達(dá)2m/s，機(jī)動(dòng)裝置可載人在傾角為0～360℃的范圍內(nèi)的光滑墻壁或玻璃上隨意移動(dòng)，移動(dòng)速度可用控制器在0～10m/min之間隨意調(diào)節(jié)，可承受最大負(fù)載80kg，可實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎（轉(zhuǎn)彎半徑為車(chē)身長(zhǎng)度的一半），并可輕松跨越20mm以內(nèi)溝槽，且性能穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生溜車(chē)事故。

[1]徐揚(yáng)生.智能機(jī)器人引領(lǐng)高新技術(shù)發(fā)展[N].科學(xué)時(shí)報(bào),2010-08-12.

[2]譚民,王碩.機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào).2013,(7).

[3]朱曉光.雙足機(jī)器人步態(tài)與路徑規(guī)劃研究[D].華北電力大學(xué),2012.

[4]吳大華.四足仿生機(jī)器人狀態(tài)感知系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].中南大學(xué),2013.

TP242.2

A

2096-2789（2016）11-0010-02

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014CFC1060）；湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（2013B320）。

袁曉洲（1964-），男，湖北漢川人，教授，碩士，研究方向：機(jī)械工程與高等教育研究。

朱志強(qiáng)（1981-），男，河南周口人，碩士研究生，副教授，研究方向：機(jī)械工程研究。