可變形爬壁機器人研究及對我國機器人標準制定工作的建議

寧思衡 金揚皓 劉凌

（清華大學附屬中學）

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可變形爬壁機器人研究及對我國機器人標準制定工作的建議

寧思衡 金揚皓 劉凌

（清華大學附屬中學）

摘要：根據我國目前爬壁機器人研究的進程，參照機器人現行國家標準，設計出一種能在光滑平面上采用真空吸附方式靈活移動的爬壁機器人，介紹了爬壁機器人的研究背景、分類、技術路線與參數定義、詳細設計過程，研制了上位機程序與控制系統軟件，經組裝試驗驗證了爬壁的可能性，結合爬壁機器人的研制，對我國機器人標準的制定進行了探討并提出建議。

關鍵詞：爬壁機器人 真空吸附 可變形 機器人標準

1　課題研究背景與意義

爬壁機器人廣泛用于國民經濟生產等各個領域，在核工業可用于對核廢液儲罐進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷；在石化企業可用于對圓柱形大罐或球形罐的內外壁面進行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐；在建筑行業可用于噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃；在消防部門可用于傳遞救援物資；在造船業可用于噴涂船體的內、外壁等，因此目前世界各國都投入大量的人力、物力進行爬壁機器人的基礎和應用研究［1］。

而機器人產業的發展與相關企業標準、行業標準、國家標準和國際標準密不可分，隨著機器人產業的發展，國內和國際上針對機器人相關標準的制定也在不斷深入，為機器人的產業化研制和應用提供了參考和借鑒，但是，目前我國并未建立完善的機器人標準體系，在具體標準的制定上具備廣闊的發展空間［2］。

課題組在參照現行國家機器人標準研制基于真空吸附的框架式移動爬壁機器人的同時，深刻體會到制定并完善我國機器人標準的重要性。

2　爬壁機器人與我國機器人標準概況

2.1爬壁機器人

自1966年日本大阪府立大學上學部任西亮講師利用電風扇產生的負壓吸附制作了第一臺壁面移動機器人原理樣機以來，爬壁機器人技術在世界范圍內得到了迅速發展，也相繼研制出了各種不同種類的樣機。我國已有哈爾濱工業大學、上海交通大學、清華大學精儀系機器人及其自動化研究室、北京航空航天大學等高校及科研院所致力于相關方面的研究，也取得了豐碩的成果。

爬壁機器人最重要的特點是吸附在壁面上，吸附產生機理的不同爬壁機器人的特點也大有不同。通過近20年的發展，爬壁機器人的吸附方式主要有靜電吸附、真空吸附、負壓吸附、旋翼吸附、磁力吸附以及一些比較特殊方式的吸附等；爬壁機器人的移動機構可以模仿地面移動機器人的方式，目前主要有輪式、履帶式、框架移動式以及關節腿足式。

相關文獻對爬壁機器人的關鍵技術、性能指標、關鍵系統的設計進行了詳細的描述［3-5］。

2.2我國機器人標準概況

我國已有的工業機器人國際標準是多年前綜合和兼容發達國家已有國家標準（美國、日本等）、區域標準（歐盟）等的基礎上制定的，沒有充分考慮到發展的新興市場的現狀和需求，國家并未建立針對爬壁機器人的專用標準，課題組在爬壁機器人研究的過程中主要參考和借鑒了我國在工業機器人方面的主流標準，如GB/T 12644—2001《工業機器人特性表示》、GB/T 12642—2013《工業機器人性能規范及其試驗方法》、GB/T 19399—2003《工業機器人編程和操作圖形用戶接口》、GB/T 16977—2005《工業機器人坐標系和運動命名原則》等。

3　可變形爬壁機器人設計

3.1外形設計

參照GB/T 12644—2001中“5.4 機械結構”“5.7外形尺寸和質量”的要求［6］，利用Solid Works繪制了三個主體的三維圖形，其載物板大小為280mm×100mm×5mm，其上搭載了電磁閥，真空泵，ARDUINO控制板與繼電器，在外形設計時考慮到移動方式的符合性要求。

3.2吸附裝置及其原理

吸附裝置主要由兩部分構成：負壓發生裝置；吸附腔體。

3.2.1負壓發生裝置

本機器人選用真空泵作為負壓發生裝置，一是為了獲得更穩定的吸附力，二是為了減少噪音。

參照GB/T 12642—2013中“6 性能測試條件與性能檢測方法”的要求［7］，在選用真空泵的時候主要考慮的因素為3個：抽氣速度、真空度、體積。抽氣速度越快，氣體泄漏的影響會越小；真空度越大，提供的吸力越大；體積越小，越好安裝在載物板上。通過對比，最終選定了一款大功率真空泵，其具體參數如下：

型號：VN-C4；工作電壓：DC9V-14V；真空度：-85kPa；流量：40L/min；額定電壓：DC12V；功率：42W。

3.2.2吸附腔體

參照GB/T 12642—2013中“4 單位”“6.8.6.2試驗軌跡的形狀和尺寸”要求，吸附腔體選用的是機械手上吸取用的吸盤，分為兩種不同大小的吸盤，一個半徑為30mm，一個為40mm，其中：30mm的吸盤應用于中間部分，共4個；40mm的吸盤應用于兩邊主體，每邊各兩個。通過實踐，吸盤與真空泵配合可以適應比較常見的墻面，如粉墻、玻璃等。

3.2.3電磁閥

本機器人用真空電磁閥控制吸盤的開關，通電時聯通氣管，斷電時聯通大氣，達到一個快速抬起的效果。

參照GB/Z 19397—2003《工業機器人電磁兼容性試驗方法和性能評估準則指南》中“6.5 與機器人應用有關的推薦測試指標”［8］，選用的電磁閥為SQW的QVT307，其參數如下：

型號：QVT307；工作電壓：12V；壓力：0-0.9MPa；功率：5.8W。

3.2.4吸附力

吸附力的大小取決于吸附面積以及真空度決定，本機器人所選用的真空泵可以提供-85kPa的真空度，由8個吸盤提供的吸附面積大約為300cm2，其提供的吸力約為223N。

3.2.5 吸附原理

吸附原理見圖1?？勺冃闻辣跈C器人將吸附系統改進得更加簡單，節約能源?？勺冃闻辣跈C器人利用1個真空泵配合3個電磁閥控制8個吸盤，減少了能量損耗，控制更加簡便。真空泵使一級氣管不斷抽氣，而電磁閥則控制二級氣管的開啟關閉，兩者配合，達到一個控制多個的目的。而其他負壓式爬壁機器人多是采用一個氣泵控制一組吸盤的設計，使程序復雜，能量損耗大。

圖1　吸附原理圖

3.3移動裝置和舵機

參照GB/T 12642—2013中“6 性能測試條件與性能檢測方法”“7 位姿特性”“8 軌跡特性”及“11面向應用的特殊性能規范”的要求，本機器人所選用的舵機為Power HD 的1501MG型號，主要參數如下：

重量：60g；尺寸：40.7mm×20.5mm×39.5mm；電壓6V；力矩17kg/cm；轉速0.14s/60°。

移動裝置由舵機和機械臂零件組成，每個主體之間都由兩個機械臂鏈接，舵機的選用需要考慮其轉速快慢，與力矩大小、轉速與舵機之間的配合，以及舵機的穩定性有關，力矩則與舵機的負載重量有關。

3.4控制方式與控制系統設計

參照GB/T 19399—2003中“5 GUI-R元素的定義”及“6 功能和圖標”［9］、GB/T 16977—2005中“4坐標系和旋轉運動的定義”［10］，設計了基于PC機的上位機控制程序和機器人嵌入式控制程序。

控制模塊由上位機控制程序以及ARDUINO控制程序組成，將真空泵、舵機控制板、電磁閥、遙控器連接在ARDUINO控制板上，上位機向ARDUINO發送指令，ARDUINO通過相應函數，給這幾個模塊發送信息，達到控制機器人前進的目的。

本程序總共有兩種控制方式，一為執行固定動作組，二為自由控制。

（1）固定動作組

固定動作組分為4個，分別是前進、后退、向左、向右。當鼠標按下相應按鈕后，發送數字“1～4”給ARDUINO串口監視器，再由ARDUINO調用已編好的程序，從而控制機器人上下左右移動。

（2）自由控制

在自由操控中，可以控制的是兩個信息：吸盤的吸附或張開、單個主體的位置。

控制的方法為鼠標單擊一個主體時，發送電磁閥關閉的命令，并將主體定義為可移動，鼠標移動主體隨之移動，在結束后發送舵機角度，以及電磁閥開啟的命令。最后將中間部分還原到中點。

如：移動中間部分，鼠標單擊第一個主體，發送電磁閥關閉命令021（“02”第一個主題，“1”關閉）；鼠標移動，主體隨之移動到該位置，將舵機角度顯示在控制系統上；鼠標放開，發送舵機位置和電磁閥開啟命令020?？刂平缑嬷邪谡{試工具，8個舵機的角度，以及機器人控制人機界面，見圖2。

圖2　機器人控制人機界面

4　應用驗證與機器人標準化工作的建議

4.1應用驗證

參照GB/T 12642—2013中“6 性能測試條件與性能檢測方法”的要求，經過反復驗證，二代可變形爬壁機器人可以在垂直面與平行面上穩定攀爬，如圖3。

圖3　機器人運行圖——黑板垂直面與地板水平面測試

該設計在2015年4月獲北京市FTC機器人專項比賽一等獎，2015年7月獲中國科協組織的第十五屆中國青少年機器人創意競賽一等獎，并獲得清華大學附中獎學金。

4.2對我國機器人標準制定工作的建議

爬壁機器人有著潛在的廣闊的應用前景，在不遠的將來，爬壁機器人必將給國家和社會帶來巨大的利益，但同時我們也必須清醒地認識到，目前國內大部分機器人市場份額已由國外大公司占領，我國機器人標準的制定主要有等效采用相關國際標準和國內相關標準委員會組織編撰等方式，現有的機器人相關國家標準多針對工業機器人，隨著中國制造2025國家戰略與“互聯網加+”進程的逐步推進，研制具有自主知識產權的機器人并配套制定專項標準將具有極大的發展空間，專業領域的各類機器人標準的制定也是擺在機器人產業發展面前的一個無法回避的問題，據此提出如下建議：

（1）將機器人研制技術和標準的制定納入國家戰略規劃體系，注重產研結合，加大對研制具有自主知識產權機器人科研機構、企業的投入。

（2）建立健全國家機器人標準體系并細化專項標準的目錄，本著面向急需、分步制定、配套實施的原則，穩扎穩打，合理推進國家機器人標準制定工作進程。

（3）國家機器人標準體系的建立和完善建議采用上下結合的方式進行：建議采用自上而下的方式建立國家機器人標準體系，即由國家組織專業的技術委員會在廣泛深入調研的基礎上，結合國家發展戰略要求編制、規范具體標準的目錄和范圍；具體標準的制定采用自下而上的方式，由國內機器人專業科研機構和機器人先進制造企業牽頭編制，并逐步上行填充到國家機器人標準體系中。

參考文獻

［1］肖立，佟仕忠，丁啟敏，等. 爬壁機器人的現狀與發展［J］. 自動化博覽，2005（1）：81-84.

［2］顧冬雷，王碩，王穎. 機器人相關國際和國家標準研究［J］. 機器人技術與應用，2013（5）：21-23.

［3］郭成，談士力，翁盛隆. 微型爬壁機器人研究的關鍵技術［J］. 制造業自動化，2004，26（7）：4-6.

［4］［4］ 邵浩，趙言正，王炎.單吸盤爬壁機器人的吸附穩定性的分析及計算［J］.機械設計，2000（3）：41-43.

［5］張春元，黃威，邵容平. 真空系統的設計［J］. 中國空間科學技術，2002（3）：44-48.

［6］GB/T 12644—2001 工業機器人 特性表示

［7］GB/T 12642—2013 工業機器人 性能規范及其試驗方法

［8］GB/Z 19397—2003 工業機器人 電磁兼容性試驗方法和性能評估準則指南

［9］GB/T 19399—2003 工業機器人 編程和操作圖形用戶接口

［10］GB/T16977—2005 工業機器人 坐標系和運動命名原則

Research on Deformable Wall Climbing Robot and the Suggestions on China's Robot Standards Development Work

Ning Siheng，Jin Yanghao，Liu Ling
（ The Affi liated High School of Tsinghua University ）

Abstract:According to the process of wall climbing robot research in our country，we designed a type of flexible mobile climbing robot adopted vacuum adsorption method on the smooth plane. This paper introduces the research background and classification，technical route and parameter definition，detailed design process of the robot. We developed PC and control system software and verified the possibility of climbing after assembly tests. We also discussed and put forward the suggestions on robot standards in China combined with the development of wall climbing robot.

Key words:wall climbing robot，vacuum adsorption，deformable，robot standard