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基于三角步态的六足爬壁机器人的设计与实现摘要:近年来,随着机器人产业的发展,爬壁机器人逐渐被发现可应用于高层建筑清洗、救援、墙体探测等人工成本高昂的领域。然而,在技术和成本的制约下,爬壁机器人仍然不能广泛应用于日常生活中。本文尝试将仿生六足和三角步态等地面机器人研究理论,迁移到爬壁机器人的应用中,成功设计了一种基于三角步态的六足爬壁机器人。样机主体采用轻质合金材料以及PCB板,增加了吸附系统同时配以电路系统、控制系统、传感系统,并优化了机器人的移动步态。目前机器人可实现在垂直于地面的不同材料的光滑表面上进行越障爬行。关键词:爬壁机器人仿生六足结构三角步态引言爬壁机器人是移动机器人领域的重要分支。目前,爬壁机器人主要用于核工业、石化工业、造船业、消防部门和调查活动,如清理高层建筑外墙,石化领域检查储罐外墙等。爬壁机器人的应用取得了良好的社会效益和经济效益。近年来,小型爬壁机器人已成为机器人领域的研究热点。将地面移动机器人技术与吸附技术相结合,可贴到不同坡度的墙壁上,携带所需工具完成一定任务,大大扩展了机器人的应用范围。我们的团队将地面机器人的算法和结构设计,巧妙的应用于爬壁机器人,提高其稳定性的同时还能通过更改一定参数使其具备转向和越障功能,使其拥有更加广泛的应用场景。1988年中国首次成功研制采用磁吸附和真空吸附的两个系列机器人,随后上海大学、北京航空航天大学等相继开始关于爬壁机器人的研究研发,成功利用真空吸附设计制造出壁面清洗机器人、全自动擦窗机器人等爬壁机器人[1,2,3]。近年来,爬壁机器人在油罐检测、船舶除锈等工业用途上进展巨大。1996年日本成功研制出利用真空吸附技术的垂直壁面机器人,随后数十年,俄罗斯、美国、日本相继利用吸盘真空吸附研制出多款爬壁机器人[4,5,6]。20世纪90年代初,英国研制出了一种多足行走式的爬壁机器人,日本、美国、西班牙等国家也随后研制出不同形态的“多足”爬壁机器人[7]。多足爬壁机器人有着更好的灵活性和可控性,因此对爬壁机器人的研究重心逐渐转向多足机器人领域。地面多足爬行机器人往往采取三角步态,其具有较好的行走灵活性和重心稳定性,缺点在于爬行步长较短、速度较慢。我们选择让三角步态应用于爬壁机器人,既保证了爬壁时的重心稳定,也保持了翻越障碍时的灵活性。同时,相对于地面爬行机器人而言,爬壁机器人往往不需要太快的速度,特别是针对高空作业的机器人,稳定性、安全性才是第一要素。因此,三角步态被应用于爬壁机器人,也减小了其速度慢的劣势,有着更科学合理的利用。目前多数爬壁机器人存在着如下问题:对攀爬平面材料有着特殊要求,体型太小无法负重,吸附不稳定易滑落等。本论文设计了一种采用三角步态的六足爬壁机器人,适用于各种材料的光滑平面,攀爬时重心稳定吸附牢固,可以进行小规模负载,有利于进行高空作业,如高楼玻璃清洗等。通过添加红外传感器等模块,可使机器人实现避障行走。六足爬壁机器人系统设计2.1机械结构设计在现有条件下我们采用仿生技术,通过模仿可爬壁生物进行结构设计,模型如图1所示。图示的六足机器人的原型每条腿都有3个自由度,六条腿共有18个自由度。该样机原型的具体参数如表1所示。图1机器人结构示意图表格1样机参数完全展开尺寸/m重量/kg速度/(m*min-1)自由度长0.3自重30.4共18宽0.2高0.1负重3该结构主要通过仿生六足,实现机器人的多向稳定移动,每条仿生足配备三个数字舵机,通过控制数字舵机的转向实现每条腿三个关节的运动,以模拟腿部抬升、腿部伸直、腿部前摆三个基本动作。同时,通过降低主体的高度,简化机身,扩大腿部的折叠长度,可以实现更稳定、更快的运动状态。此外,可以为机器人添加功能部件,例如可抓握的机械夹持器和可用于远程观察和控制的摄像机。机器人主体部分采用了合金材料,使其能够在负重强度较大的情况下稳定移动,各组件之间通过螺丝连接,通过多孔舵盘将数字舵机与机器人主体框架相连接实现机器人主体结构的搭建。吸附结构与主体的连接件通过吸盘的螺栓实现固定。2.2吸附系统设计现有的机器人的吸附方式大致分为电磁吸附和真空吸附两种,其中电磁吸附对吸附面的材料有着严苛的要求,不利于在普通墙壁上作业,因此我们选择利用传统的真空泵和吸盘方式进行真空吸附。如图2(a)所示,爬壁机器人的足部分由橡胶吸盘作为主体,同时利用连杆将吸盘、真空管、机器人机身相连。如图2所示,通过3D打印连接件,将吸盘装置与机器人的腿部相连接(a),然后利用真空发生器、真空管和电磁阀组成可控的气路装置(b),再将气路两端分别与气泵和吸盘相连(c),从而实现一个稳定高效可控的吸附装置。(a)(b)(c)图2吸附结构示意图对机器人进行受力分析,F是吸附力产生的摩擦力,由摩擦系数μ,吸盘的吸附面积A(cm2),真空压力P(-kPa)决定。G是机器人的重