新型智能攀爬機器人的設計

夏江洲,王 健,王鑫茹,孟凡召,王國慶

(山東華宇工學院 機械工程學院,山東 德州 253000)

0 引言

高層建筑的出現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個工人每天清洗9 h,花費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,故研發一種攀爬墻面的移動機器人勢在必行,這有助于完成高難度的救援及探測任務[1]。攀爬機器人主要有以下幾類:滾動式攀爬機器人、夾持式攀爬機器人、仿生式攀爬機器人及吸附式攀爬機器人[2]。吸附式攀爬機器人結構簡單,能夠提供穩定的磁吸附力,但無法克服永磁吸附機器人運動靈活性與吸附力之間的矛盾[3]。本研究設計了一種智能攀爬機器人,介紹了技術方案與裝置、控制方法及應用實例,包括機械結構及機器人操縱手等部分[4]。采用模塊化設計方案,結構緊湊,通用性強,可適應各種地形環境,用于高層建筑清潔、救援搶險等,代替人工處理緊急事故(如火災、地震、爆炸等)。

1 機器人結構設計原理

1.1 外部結構設計

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、感應器、壓力傳感器、太陽能板、繩盒、電機、滾輪及消防繩。其中機身、攀爬臂等結構采用柔性材料,增強了機器人在垂直框架運動中的穩定性及靈活性,可滿足實際使用要求。

本體的前后兩面均鉸接兩個攀爬臂Ⅰ,左右兩面均鉸接兩個攀爬臂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,抽取吸盤內的空氣,使機身牢牢固定在玻璃面上并行走。前端固定安裝感應器,可在工作時對前方障礙或情況做出反映。上方機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、壓力傳感器、滾輪及消防繩。繩盒下方開口,電機固定安裝在繩盒內部,滾輪上方固定嵌有壓力傳感器,滾輪固定套在電機軸上,消防繩纏繞在滾輪上,均勻固定設置若干繩結,消防繩末端固定設置重物及繩套,可在發生火災時運輸重物,減少人力消耗。

本體內部固定安裝控制器、遙感器、儲能電池、備用電池及8個驅動器。控制器、遙感器、儲能電池、備用電池、吸附裝置、太陽能板、電機及驅動器之間為電性連接,8個驅動器分別為電性連接,有4攀爬臂Ⅰ及4個攀爬臂Ⅱ。攀爬臂Ⅰ與攀爬臂Ⅱ擁有3個自由度。攀爬臂Ⅰ與攀爬臂Ⅱ均由關節Ⅰ、長臂、關節Ⅱ、中臂、關節Ⅲ及短臂組成,關節Ⅰ鉸接在本體上,關節Ⅰ、長臂、關節Ⅱ、中臂、關節Ⅲ及短臂依次鉸接,關節Ⅰ、關節Ⅱ及關節Ⅲ上均安裝了驅動器,短臂末端鉸接吸附裝置。遙控器上設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、恢復鍵、放繩鍵及收繩鍵。

圖1 攀爬機器人設計方案三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of climbing robot design scheme

1.2 控制系統結構設計

機身內部主要以STM32單片機作為主控芯片,是垂直攀爬機器人的控制系統,針對傳統接觸式驗電器費時費力的問題,利用一種基于STM32單片機的非接觸式電壓檢測器硬件系統。硬件設計包括信號放大調理電路及電源模塊、無線收發模塊、顯示報警模塊等。為了減少人為測量造成的電場畸變,采用無線收發模塊裝置,結構簡單,能滿足輸電線路非接觸式電力巡檢的工程要求。STM32單片機控制系統安裝在機器人本體內部,對整個垂直攀爬機器人的運動進行控制。采用手動控制方式時,2.4 GHz無線遙控器發送指令到STM32單片機上,單片機輸出信號給繼電器組,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作。當STM32單片機輸出信號給步進電機驅動器時,步進電機旋轉,控制繩索伸縮及攀爬臂運動。

圖2 攀爬機器人運行方式流程Fig.2 Flow of climbing robot operation mode

2 工作運行設計

攀爬機器人通過一種可主動改變自身狀態的自適應機械臂來適應不同的地形條件,機械臂上搭載了多種傳感器,對攀爬機器人的運動進行實時監測,末端裝有真空吸盤,運動時始終有一端緊貼接觸面,以確保安全。通過傳感系統提取攀爬機器人周圍的環境信息,將這些信息發送給無線圖像傳輸系統進行處理。當外部環境發生變化時,控制系統會根據當前的環境信息確定移動機械臂的運動方式及路徑。智能控制系統通過無線圖像傳輸系統將采集到的視頻圖像信息傳輸給控制系統,控制系統根據當前環境信息做出相應的決策,驅動機械臂相應的運動,令攀爬機器人順利到達攀爬位置。這種方法提高了機器人與外界環境交互時的靈活程度,增強了其適應不同地形的能力。具體操作如下:使用遙控器上的向上鍵、向下鍵、向左鍵及向右鍵遠程操控機器人移動到指定位置后,點擊停止鍵,此時攀爬臂Ⅰ與攀爬臂Ⅱ轉動關節,令8個吸附裝置都按壓在墻壁上,點擊固定鍵,令吸附裝置的吸附能力增強,機器人抓牢墻壁,此時點擊放繩鍵,電機啟動,帶動滾輪轉動,釋放消防繩,由于重物的作用,消防繩保持豎直,再次點擊放繩鍵,停止放繩,將繩套固定在某處后,消防員借助繩結沿著消防繩向上攀爬,此時壓力傳感器感應到額外的重量,自動啟動電機緩慢反向轉動,滾輪緩慢反向轉動,輔助消防員向上攀爬,爬到指定位置時,破窗解救被困人員,點擊放繩鍵,使消防員及被解救人員安全降落到地面上,點擊收繩鍵,使消防繩重新纏繞在滾輪上,點擊恢復鍵,使吸附裝置的吸附能力恢復到便于攀爬的強度,通過向上鍵、向下鍵、向左鍵及向右鍵操控機器人返回地面。

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.驅動器;7.控制器;8.遙感器;9.儲能電池; 10.本體;11.感應器;12.太陽能板;13.遙控器;101.關節Ⅰ;102.長臂;103.關節Ⅱ;104.中臂;105.關節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.恢復鍵; 139.放繩鍵;140.收繩鍵;301.繩盒;302.電機;303.消防繩;304.滾輪;305.壓力傳感器;313.繩結;323.重物;333.繩套圖3 攀爬機器人設計方案結構Fig.3 Structure of climbing robot design scheme

3 攀爬機器人可靠性分析

該新型智能攀爬機器人在本體上安裝繩索等裝備,可實現對物體的抓取及搬運,對建筑結構損傷小,安全性高,成本低,使用方便,實用性強,具有廣闊的應用前景。其吸附裝置在攀附過程中始終保持一端處于吸附狀態,防止出現意外。為保證上升過程的穩定性,利用相關冗余理論在支架中加入支架裝置,保證平臺上升下降的平穩性,吸附及支撐裝置不會因負載過大而損壞,但爪部的磨損是最大的,需定期對爪部進行維護。其主要應用于消防安全培訓、建筑外墻維護與清潔及結構檢測、高空作業人員安全防護、大型設施檢測等。適用于復雜環境及狹窄空間作業,在消防安全培訓中發揮著重要作用。還可用于高層建筑火災、地震等災害現場的實時監測,代替人工,起到很好的安全保障作用。

4 結束語

設計了一種智能攀爬機器人,采用傳感器與控制單元實現攀爬機器人的自動路徑規劃,當人為操作出現錯誤時,自動暫停移動,防止機器人撞上障礙物而損壞。在本體上方設有太陽能板,通過太陽能進行發電,大大延長了續航時間,可完成高難度、危險性大的高空作業。通過抓線機構及進給機構的設計,提高了經濟性及工作效率。工作前由操作人員舉至高壓線處,故對重量有要求。不能選擇重型材料,可優先選擇塑料、尼龍等輕質材料。