新型智能攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)

夏江洲,王 健,王鑫茹,孟凡召,王國慶

(山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,山東 德州 253000)

0 引言

高層建筑的出現(xiàn)緩解了人口增長帶來的住房緊張問題,提高了土地利用率,但其外圍清潔工作量較大,只能依靠人力。如一棟占地400 m2、高約70 m的寫字樓需要10個(gè)工人每天清洗9 h,花費(fèi)10 d,可見人力、物力消耗很大。而人員密集地方通常建筑物較多、較高,故研發(fā)一種攀爬墻面的移動(dòng)機(jī)器人勢(shì)在必行,這有助于完成高難度的救援及探測(cè)任務(wù)[1]。攀爬機(jī)器人主要有以下幾類:滾動(dòng)式攀爬機(jī)器人、夾持式攀爬機(jī)器人、仿生式攀爬機(jī)器人及吸附式攀爬機(jī)器人[2]。吸附式攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單,能夠提供穩(wěn)定的磁吸附力,但無法克服永磁吸附機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性與吸附力之間的矛盾[3]。本研究設(shè)計(jì)了一種智能攀爬機(jī)器人,介紹了技術(shù)方案與裝置、控制方法及應(yīng)用實(shí)例,包括機(jī)械結(jié)構(gòu)及機(jī)器人操縱手等部分[4]。采用模塊化設(shè)計(jì)方案,結(jié)構(gòu)緊湊,通用性強(qiáng),可適應(yīng)各種地形環(huán)境,用于高層建筑清潔、救援搶險(xiǎn)等,代替人工處理緊急事故(如火災(zāi)、地震、爆炸等)。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.1 外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置主要由本體與遙控器組成。本體包括攀爬臂、吸附裝置、感應(yīng)器、壓力傳感器、太陽能板、繩盒、電機(jī)、滾輪及消防繩。其中機(jī)身、攀爬臂等結(jié)構(gòu)采用柔性材料,增強(qiáng)了機(jī)器人在垂直框架運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性及靈活性,可滿足實(shí)際使用要求。

本體的前后兩面均鉸接兩個(gè)攀爬臂Ⅰ,左右兩面均鉸接兩個(gè)攀爬臂Ⅱ。攀爬臂Ⅰ和Ⅱ的末端均鉸接吸附裝置,采用抽吸方式吸附在墻面上,吸盤的吸氣口通過PU管與真空泵相連,抽取吸盤內(nèi)的空氣,使機(jī)身牢牢固定在玻璃面上并行走。前端固定安裝感應(yīng)器,可在工作時(shí)對(duì)前方障礙或情況做出反映。上方機(jī)身固定安裝太陽能板,后端固定安裝繩索裝置,包括繩盒、電機(jī)、壓力傳感器、滾輪及消防繩。繩盒下方開口,電機(jī)固定安裝在繩盒內(nèi)部,滾輪上方固定嵌有壓力傳感器,滾輪固定套在電機(jī)軸上,消防繩纏繞在滾輪上,均勻固定設(shè)置若干繩結(jié),消防繩末端固定設(shè)置重物及繩套,可在發(fā)生火災(zāi)時(shí)運(yùn)輸重物,減少人力消耗。

本體內(nèi)部固定安裝控制器、遙感器、儲(chǔ)能電池、備用電池及8個(gè)驅(qū)動(dòng)器?？刂破鳌⑦b感器、儲(chǔ)能電池、備用電池、吸附裝置、太陽能板、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器之間為電性連接,8個(gè)驅(qū)動(dòng)器分別為電性連接,有4攀爬臂Ⅰ及4個(gè)攀爬臂Ⅱ。攀爬臂Ⅰ與攀爬臂Ⅱ擁有3個(gè)自由度。攀爬臂Ⅰ與攀爬臂Ⅱ均由關(guān)節(jié)Ⅰ、長臂、關(guān)節(jié)Ⅱ、中臂、關(guān)節(jié)Ⅲ及短臂組成,關(guān)節(jié)Ⅰ鉸接在本體上,關(guān)節(jié)Ⅰ、長臂、關(guān)節(jié)Ⅱ、中臂、關(guān)節(jié)Ⅲ及短臂依次鉸接,關(guān)節(jié)Ⅰ、關(guān)節(jié)Ⅱ及關(guān)節(jié)Ⅲ上均安裝了驅(qū)動(dòng)器,短臂末端鉸接吸附裝置。遙控器上設(shè)有顯示燈及若干按鈕,分別為向上鍵、向下鍵、向左鍵、向右鍵、停止鍵、固定鍵、恢復(fù)鍵、放繩鍵及收繩鍵。

圖1 攀爬機(jī)器人設(shè)計(jì)方案三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of climbing robot design scheme

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)身內(nèi)部主要以STM32單片機(jī)作為主控芯片,是垂直攀爬機(jī)器人的控制系統(tǒng),針對(duì)傳統(tǒng)接觸式驗(yàn)電器費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題,利用一種基于STM32單片機(jī)的非接觸式電壓檢測(cè)器硬件系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)包括信號(hào)放大調(diào)理電路及電源模塊、無線收發(fā)模塊、顯示報(bào)警模塊等。為了減少人為測(cè)量造成的電場(chǎng)畸變,采用無線收發(fā)模塊裝置,結(jié)構(gòu)簡單,能滿足輸電線路非接觸式電力巡檢的工程要求。STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)安裝在機(jī)器人本體內(nèi)部,對(duì)整個(gè)垂直攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。采用手動(dòng)控制方式時(shí),2.4 GHz無線遙控器發(fā)送指令到STM32單片機(jī)上,單片機(jī)輸出信號(hào)給繼電器組,控制三位五通電磁閥的打開與閉合,從而控制氣缸與吸盤的動(dòng)作。當(dāng)STM32單片機(jī)輸出信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí),步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn),控制繩索伸縮及攀爬臂運(yùn)動(dòng)。

圖2 攀爬機(jī)器人運(yùn)行方式流程Fig.2 Flow of climbing robot operation mode

2 工作運(yùn)行設(shè)計(jì)

攀爬機(jī)器人通過一種可主動(dòng)改變自身狀態(tài)的自適應(yīng)機(jī)械臂來適應(yīng)不同的地形條件,機(jī)械臂上搭載了多種傳感器,對(duì)攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),末端裝有真空吸盤,運(yùn)動(dòng)時(shí)始終有一端緊貼接觸面,以確保安全。通過傳感系統(tǒng)提取攀爬機(jī)器人周圍的環(huán)境信息,將這些信息發(fā)送給無線圖像傳輸系統(tǒng)進(jìn)行處理。當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí),控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境信息確定移動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式及路徑。智能控制系統(tǒng)通過無線圖像傳輸系統(tǒng)將采集到的視頻圖像信息傳輸給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境信息做出相應(yīng)的決策,驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂相應(yīng)的運(yùn)動(dòng),令攀爬機(jī)器人順利到達(dá)攀爬位置。這種方法提高了機(jī)器人與外界環(huán)境交互時(shí)的靈活程度,增強(qiáng)了其適應(yīng)不同地形的能力。具體操作如下:使用遙控器上的向上鍵、向下鍵、向左鍵及向右鍵遠(yuǎn)程操控機(jī)器人移動(dòng)到指定位置后,點(diǎn)擊停止鍵,此時(shí)攀爬臂Ⅰ與攀爬臂Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),令8個(gè)吸附裝置都按壓在墻壁上,點(diǎn)擊固定鍵,令吸附裝置的吸附能力增強(qiáng),機(jī)器人抓牢墻壁,此時(shí)點(diǎn)擊放繩鍵,電機(jī)啟動(dòng),帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng),釋放消防繩,由于重物的作用,消防繩保持豎直,再次點(diǎn)擊放繩鍵,停止放繩,將繩套固定在某處后,消防員借助繩結(jié)沿著消防繩向上攀爬,此時(shí)壓力傳感器感應(yīng)到額外的重量,自動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)緩慢反向轉(zhuǎn)動(dòng),滾輪緩慢反向轉(zhuǎn)動(dòng),輔助消防員向上攀爬,爬到指定位置時(shí),破窗解救被困人員,點(diǎn)擊放繩鍵,使消防員及被解救人員安全降落到地面上,點(diǎn)擊收繩鍵,使消防繩重新纏繞在滾輪上,點(diǎn)擊恢復(fù)鍵,使吸附裝置的吸附能力恢復(fù)到便于攀爬的強(qiáng)度,通過向上鍵、向下鍵、向左鍵及向右鍵操控機(jī)器人返回地面。

1.攀爬臂Ⅰ;2.吸附裝置;3.繩索裝置;4.攀爬臂Ⅱ;5.備用電池;6.驅(qū)動(dòng)器;7.控制器;8.遙感器;9.儲(chǔ)能電池; 10.本體;11.感應(yīng)器;12.太陽能板;13.遙控器;101.關(guān)節(jié)Ⅰ;102.長臂;103.關(guān)節(jié)Ⅱ;104.中臂;105.關(guān)節(jié)Ⅲ; 106.短臂;131.顯示燈;132.向上鍵;133.向左鍵;134.向右鍵;135.向下鍵;136.停止鍵;137.固定鍵;138.恢復(fù)鍵; 139.放繩鍵;140.收繩鍵;301.繩盒;302.電機(jī);303.消防繩;304.滾輪;305.壓力傳感器;313.繩結(jié);323.重物;333.繩套圖3 攀爬機(jī)器人設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of climbing robot design scheme

3 攀爬機(jī)器人可靠性分析

該新型智能攀爬機(jī)器人在本體上安裝繩索等裝備,可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取及搬運(yùn),對(duì)建筑結(jié)構(gòu)損傷小,安全性高,成本低,使用方便,實(shí)用性強(qiáng),具有廣闊的應(yīng)用前景。其吸附裝置在攀附過程中始終保持一端處于吸附狀態(tài),防止出現(xiàn)意外。為保證上升過程的穩(wěn)定性,利用相關(guān)冗余理論在支架中加入支架裝置,保證平臺(tái)上升下降的平穩(wěn)性,吸附及支撐裝置不會(huì)因負(fù)載過大而損壞,但爪部的磨損是最大的,需定期對(duì)爪部進(jìn)行維護(hù)。其主要應(yīng)用于消防安全培訓(xùn)、建筑外墻維護(hù)與清潔及結(jié)構(gòu)檢測(cè)、高空作業(yè)人員安全防護(hù)、大型設(shè)施檢測(cè)等。適用于復(fù)雜環(huán)境及狹窄空間作業(yè),在消防安全培訓(xùn)中發(fā)揮著重要作用。還可用于高層建筑火災(zāi)、地震等災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),代替人工,起到很好的安全保障作用。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種智能攀爬機(jī)器人,采用傳感器與控制單元實(shí)現(xiàn)攀爬機(jī)器人的自動(dòng)路徑規(guī)劃,當(dāng)人為操作出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),自動(dòng)暫停移動(dòng),防止機(jī)器人撞上障礙物而損壞。在本體上方設(shè)有太陽能板,通過太陽能進(jìn)行發(fā)電,大大延長了續(xù)航時(shí)間,可完成高難度、危險(xiǎn)性大的高空作業(yè)。通過抓線機(jī)構(gòu)及進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),提高了經(jīng)濟(jì)性及工作效率。工作前由操作人員舉至高壓線處,故對(duì)重量有要求。不能選擇重型材料,可優(yōu)先選擇塑料、尼龍等輕質(zhì)材料。