一種具有全面防護功能的爬壁機器人平臺設計

劉 榮，李 揚，張子博，陳 浩

(北京航空航天大學 機器人研究所，北京 100191)

一種具有全面防護功能的爬壁機器人平臺設計

劉 榮，李 揚，張子博，陳 浩

(北京航空航天大學 機器人研究所，北京 100191)

開發并研制了一種具有全面防護功能的爬壁機器人，介紹了機器人基本的抗摔裝置，詳細闡述了其主要結構支撐架的設計理念及設計過程，支撐架仿照龜殼形狀設計，并將負壓板、風扇架、行走裝置固定架設計為一體，減少了成本，簡化了機器人的裝配過程。機器人控制系統采用DSP作為主控芯片，通訊方式為WIFI通訊，上位機界面由Android開發，操作簡單，控制方便。測試結果表明該樣機工作性能良好，具有一定的抗摔性，為以后對爬壁機器人抗摔等方面的研究提供了一種思路。

防護；爬壁機器人平臺；支撐架；控制系統

0 引言

爬壁機器人的研制需要較高成本，再加上其工作多為高處負載作業，極有可能從壁面滑下或者傾覆，故機器人的防護裝置顯得極為重要。目前，爬壁機器人的防護裝置主要有三種：①安全繩，即機器人前端連接防墜器，當機器人因故墜落時，防墜器可以在較短時間內自鎖，防止墜落，宮崎大學開發的一款旋翼式爬壁機器人[1]和北航開發的幕墻檢測爬壁機器人[2]，均采取安全繩作為防護裝置；②保護桿，文獻[3]中設計保護桿的出發點是防止機器人傾覆失效，主要原理是在機器人尾部加一個支撐桿，該支撐桿可以提供一個與傾覆力矩相反的力矩；③氣球，德國的Fraunhofer Institute IFF提出了一種基于氣球的機器人系統，氣球體積為200 m3，和電纜絞車配合來實現防護功能[4]。

以上三種防護裝置各有優缺點，其中應用范圍最廣的是安全繩，但是當機器人失控墜落時，盡管有安全繩的保護，仍無法避免與壁面發生碰撞或低空墜落與地面發生撞擊。針對此種情況，本文將介紹一種具有全面防護功能的爬壁機器人，并主要對其總體結構和控制系統做出詳細敘述，最后通過實驗對機器人的性能進行了測試。

1 爬壁機器人總體結構設計

爬壁機器人的結構主要包括行走機構、吸附裝置、密封裝置和支撐結構，在本文中增加了防護裝置。本文介紹的機器人是作為一個爬壁機器人研究平臺來開發的，基本功能要求是工作壁面為一般墻面(如粉墻、玻璃、門等)，機器人能夠實時返回拍攝畫面，能夠實現一定的防護功能，所以其吸附裝置采取壁面適應能力較強的負壓吸附，行走方式采用控制簡單、轉向簡單、壁面適應能力較強的車輪。如圖1所示，吸附裝置由無刷電機和徑流式風扇組成，無刷電機高速轉動帶動風扇將密封腔內部的氣體排出，從而使密封腔內形成一定的負壓；行走機構為四輪機構，四個輪子均為驅動輪以保證具有足夠克服重力的驅動力，同一側的兩輪采用同步帶傳動，兩個主動輪分別由伺服電機進行驅動，轉向方式為左右車輪差速轉向。

圖1 吸附裝置和行走機構

機器人的密封裝置采用內部具有一定壓力的氣囊，氣囊和支撐架底板(負壓板)形成負壓腔，可以通過改變氣囊充氣量來調節其剛度。機器人的防護裝置由氣囊和EVA殼子組成，氣囊負責周邊和底部的防護，EVA殼負責頂部防護。機器人的支撐架集風機架、負壓底板、EVA殼支撐和氣囊支撐于一體，由3D打印而成。

機器人的總體結構如圖2所示。在機器人的前方安裝攜帶攝像頭的機械臂，可以根據工作需要抬起或放下。在機器人上還裝有安全繩和柔性把手。

2 支撐架設計

支撐架是整個機器人設計的重中之重，因為其他結構部分都要安裝在支撐架上，并且在機器人撞擊過程中支撐架要保護所有零部件，以減少對它們的沖擊。

圖2 機器人的總體結構

2.1 形狀確定

機器人損傷最嚴重的跌落方式是傾覆下落，即機器人頂部著地，這對頂部殼體會產生巨大的沖擊，而且由沖擊產生的振動也會對內部零部件造成損傷。所以防護裝置首先是頂部需采用緩沖材料，然后支撐架盡量將振動沖擊降到最小。

文獻[5]對龜殼進行靜力學、動態和模態分析，得出以下結論：龜殼具有良好的抗壓抗沖擊能力，載荷從中心向四周傳遞，應力在傳遞過程中沒有應力集中現象，分布基本均勻；在碰撞過程中，龜殼首尾兩端相對于原來位置上下擺動，將整體的動能轉變成局部的應變能，通過局部振動耗散能量。文獻[6]計算研究了龜殼的承力特點，表明在頂部小面積壓力載荷下，有加強筋的龜殼結構在保證結構強度的條件下能夠增大內腔面積，并對減輕質量有很大的幫助。因此，支撐架結構采取龜殼狀結構，機器人的跌落姿態及支撐架形狀如圖3所示。機器人觸地后仰，由于支撐架任意過其底面中心且垂直底面的截面都為拱形，所以它會繞中心做上下擺動，保護機器人不受損傷或只受到可恢復性損傷。

圖3 機器人的跌落姿態及支撐架形狀

2.2 支撐架布局及輕量化設計

2.2.1 抗傾覆性能分析

爬壁機器人對其本身的抗傾覆性能要求較高，假設機器人以速度v勻速向上運動，吸附力為Fp，前、后輪受到的支持力和摩擦力分別為N1、f1和N2、f2，作用在氣囊密封圈上的支持力和摩擦力等效為與吸附力共線的Na和fa，重力為G。機器人的受力情況如圖4所示。

圖4 機器人受力圖

傾覆軸設置在后輪與壁面的兩個接觸點所在的直線軸，重心位置為Z，可以得出抗傾覆條件為：

其中：MO為抗傾覆力矩；L1為前輪與壁面接觸點與吸附力作用線之間的距離；L2為O點與吸附力作用線的垂直距離，L1+L2等于前后輪距離；h為重心Z與壁面的垂直距離。

由抗傾覆條件可以得出：輪距應該在滿足運動條件下盡可能減??；機器人總重量要在保證強度的情況下盡量減小，重心盡量降低；增大L2即將吸附裝置前置，會增大吸附力力矩，但分配到前輪的壓力N1也會相應增大，綜合考慮，將吸附裝置布置在中心，即L1=L2，這樣也使得機器人受力均勻，有利于運動的實現。

2.2.2 支撐架布局

支撐架布局如圖5所示。行走裝置安裝的位置向龜形殼體內部嵌入10 mm來降低機器人的重心，減小需要克服的傾覆力。在龜形支撐架內的負壓板上設置了各個零部件的位置，攝像頭與控制其運動的舵機放在機器人的最前端，方便攝像頭獲取前方環境；電源采用三塊鋰電池串聯結構，重量較大，故而安排在機器人靠后端位置，以提高機器人的平穩性，避免上重下輕的布局；最后綜合空間剩余以及機器人中部兩側受摔落沖擊較小的情況，選擇把電路板和無線模塊、負壓傳感器等帶電部件安置在支撐架中部兩側，以提高機器人的安全性能。

2.2.3 支撐架輕量化設計

本文中支撐架采用了幾種加大強度的結構來實現它的功能：①拱形支撐，用來增強較長橫梁的剛度和強度，使其能夠承受一定的沖擊力；②三角形支架，在減重的同時，保證上層橫梁的強度；③傳力支撐，當沖擊作用在頂部時，可以將一部分通過傳力支撐傳遞到支撐架的四周以分擔這些沖擊，進而減少傳到易損零部件上的沖擊；④蜂窩狀結構，支撐架中有一塊大平面，通過對比發現，在剛度相當的情況下，蜂窩狀結構比桁架結構質量更小，同時蜂窩結構的吸震特性也有利于抗摔性能的提高。此外，在支撐架背面還設有氣囊支撐結構及加強筋結構，并對這些結構進行了減重設計，如圖6所示。

圖5 支撐架布局 圖6 支撐架加強結構

3 控制系統設計

爬壁機器人的控制系統采取上位機和下位機兩級分布式控制，主要實現風機轉速控制、機器人直線前進、差速轉向、位置伺服和視頻傳輸等功能。

機器人下位機主控芯片為DSP 系列的TMS320F2812，兩路PWM波輸出分別控制風機無刷電機和攝像頭伸縮桿舵機，無刷電機采用電調進行驅動；一路PWM波輸出和方向信號輸出控制行走裝置電機，并采用H橋作為其驅動電路，芯片內置正交編碼脈沖電路即QEP電路用于獲取其位置和速率信息；三路A/D采集分別用于捕獲壓差傳感器的數據值、驅動電路電流值和機器人總電源值；一路SCI(串行通訊)用于與上位機進行數據傳輸。行走電機的閉環控制通過PID算法來實現。下位機控制流程如圖7所示。

圖7 下位機控制流程圖

機器人上位機界面采用Eclipse軟件進行開發，通訊模塊為WIFI模塊，通訊協議為TCP/IP協議，與下位機之間的通訊接口使用的是Socket套接字，開發程序可以應用于所有基于Android系統的設備中。機器人攜帶的攝像頭為USB紅外夜視攝像頭，720P高清，通過USB線與WIFI模塊連接，WIFI模塊給攝像頭供電，攝像頭采集到的數據流會通過WIFI進行無線傳輸。此外，該模塊還設有TTL電平的串行通訊接口，可以與主控板連接進行控制指令傳輸，波特率設為9 600 Bd。圖8為上位機界面，圖9為攝像頭在光亮處和黑暗處采集到的視頻圖像。

圖8 上位機界面

4 樣機測試及實驗

爬壁機器人的樣機如圖10所示。該機器人能夠實現爬壁和實時返回視頻功能，經實驗表明，當機器人在高空中撤掉吸附力后，防墜器在一定的距離內能夠阻止機器人下落，且高空懸掛會出現搖晃并與壁面撞擊，但由于機器人的全面防護裝置，所有零部件均沒有受損。機器人低空跌落實驗是在1.5 m處傾覆跌落，可以保證主要零部件不受到損傷或者受到可修復損傷，基本實現了機器人抗摔防護功能。表1給出了機器人性能測試參數。數據顯示，本機器人相較同類型的樣機性能上有了進一步提高。

圖9 攝像頭在光亮處和黑暗處采集到的圖像

圖10 爬壁機器人樣機

參數參數值備注質量(kg)3最大速度(mm/s)100目前測試值最大負載(kg)6受限于風機轉速續航時間(min)30加負載3kg通訊距離(m)50空曠地段負壓值(kPa)1.5受限于風機轉速低空抗摔(m)1.5

5 總結

本文設計并研制了一種具有全面防護功能的爬壁機器人系統平臺，機器人能夠實現基本的抗摔功能，能夠實現視頻的實時傳輸，但是仍有很多需改進的部分，例如抗摔高度有待進一步提高，視頻的顯示具有一定的遲滯性等。

[1] Nishi A. Development of wall-climbing robots[J]. Computers & Electrical Engineering，1996，22(2)：123-149.

[2] Liang R, Altaf M, Ahmad E, et al. A low-cost, light-weight climbing robot for inspection of class curtains[J].International Journal of Advanced Robotic Systems，2014，11：106.

[3] 張守慧.小型雙體負壓機器人軟硬件設計[D].濟南：山東大學，2008：62-64.

[4] Elkmann N, Felsch T, Sack M,et al. Innovative service robot systems for facade cleaning of difficult-to-access areas[C]//Proceeding of IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems.[s.l.]:IEEE,2002：756-762.

[5] 李想.龜殼殼體的結構反求與分析[D].秦皇島：燕山大學，2007：59-63.

[6] 周佑君.烏龜殼結構的承力特點研究及應用探討[J].機械設計，2006，23(3):37-40.

(英文摘要Design of Climbing Robot Platform with Universal Protection Device

LIU Rong, LI Yang, ZHANG Zi-bo, CHEN Hao

(Robotics Institute of Beihang University, Beijing 100191, China)

A kind of climbing robot with universal protection device was developed. This paper introduced the basic anti-thrown device of the robot and elaborates the design concept and progress of support frame, the main structure of the robot. The support frame was designed after the shape of turtle shell and as a collection of negative pressure plate, fan frame and fixed mount of travelling mechanism, which reduced the cost and also simplified assembly process of the robot. The control system used DSP as main control chip and WIFI module as communication module, and the user interface was developed in Android system. These made the operation simple, easy to control. The platform was tested after successful establishment. The result shows that the prototype works very well and has a certain resistance to impact, which provides a kind of thought and a reference for the research of the properties of climbing robot.

protection; climbing robot platform; support frame; control system

1672- 6413(2015)06- 0130- 03

2015- 01- 28；

2015- 09- 10

劉榮(1968-)，男，重慶人，教授，工學博士，研究方向為機器人技術，微電機技術。

TP242.6

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