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摘 要：运用昆虫三角步态原理和一种新型直线机构，设计了多足爬壁机器人。通过连杆机构使一个驱动能同时控制三只足摆动，并且使足端摆动成直线，简化了驱动控制。采用多组真空吸盘将机器人吸附在墙面，配以气缸完成其行走功能。
关键词：爬壁机器人 真空吸附 直线机构
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—028—02
1 引言
机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。随着科技的进步，工业机器人在各个领域得到了广泛地运用。其中，爬壁机器人以其在核工业、建筑、消防等行业的突出优点越来越受到人们的关注。
世界机器人应用大国日本在极限作业机器人研究领域处于国际领先地位。近些年，国内外有不同类型的仿生爬壁机器人研制成功，但是很多仿生机器人驱动复杂，限制了机器人的爬行高度。
本文讨论了一种运用昆虫三角步态原理和一种新型直线机构设计的新型多足爬壁机器人。通过连杆机构使一个驱动能同时控制三只足并且使足端摆动成直线，简化了驱动。采用真空吸附方式，气压驱动，气缸完成其行走功能。这种爬壁机器人可以用于玻璃外壁的清洗和检修。
2 多足爬壁机器人运动总体结构设计
机器人模仿昆虫行走姿态的三角步态原理如图1所示，机器人动作灵活，有一定越障能力，控制方便，操作安全。
机器人运动机构模型如图2所示。
转向时一层的足端吸附，另一层足抬起，该层机构有一个相对另一层的旋转。转动完毕后抬起的足吸附，吸附的足抬起，最早吸附的那一层转动回来，完成转向。
3 多足爬壁机器人运动原理
机器人单层的连杆机构运动原理图如图3所示，该机构中间杆转动，通过滑块带动丁形杆运动，进而使足产生绕固定点的摆动，足端轨迹为圆弧形。压力角为0度到45度，符合传动设计要求。
由于机器人机身为刚体，若摆动时足端轨迹为圆弧形，前行时就会卡住。因此需要加入一个直线机构，使足端做直线往复摆动。加入运动机构的直线机构原理图如图4所示。图上标注的两个长度为80的尺寸大小必须相等，这是此直线机构的核心。这样一来，曲柄360€靶保硕旒贾兄行南撸悠鹄淳褪且惶踔毕撸锏缴杓颇康摹搜芯扛没梗胮进行了仿真，结果说明该机构能够满足爬壁机器人前行运动的要求。
机器人单层运动机构简图如图5所示。
从图5可以看出，机构的重心在三只足末端连线构成的三角形内，重心基本和形状中心重合，机器人行走更平稳。
4 机器人主要参数设计
目前，壁面吸附主要采用真空吸附和磁吸附两种方式，为了能适应玻璃表面，选择真空吸附式。由于单个吸盘稳定性和抗倾覆能力差，很难满足机器人的要求，所以机器人的吸附系统多以吸盘组的形式出现，吸盘组在功能上可以弥补单个吸盘的不足和缺陷，并提高吸附系统的性能。本机器人选用三角布置，每只足有3个吸盘。如图6所示。
吸盘选取球铰式吸盘，吸盘可以自由转动，以适应工件吸附表面的倾斜，转动范围可达30€皛50€埃烫迳系某槲淄ü岽┣蚪诘目祝氚沧霸谇蚪诙瞬康奈滔嗤ā？
主体框架为铝制框架结构，机器人本体连同负载总重约20kg。根据总体设计方案和对吸盘的要求计算分析，选取公称直径为65mm的吸盘。
吸盘吸附力由下式计算：
式中，D为吸盘直径，mm；F为每只足承受的重量，N；P 为吸盘内的真空度，MPa； 为安全系数，水平t≥4，垂直t≥8。
一般情况取真空度为0.06MPa，n为3，本机器人每个足承受F为65.4N，则由公式知安全系数为8时，D≥61即可满足要求。所以吸盘直径为65mm可以保证爬壁机器人不会下滑。
5 结论
本文提出了一种全新的双层结构、真空吸附的爬壁机器人。根据该条件确定采用多吸盘结构，并确定了具体的吸盘直径、个数及吸盘的总体布局。设计出一种用于垂直壁面攀爬行走，可搭载相应的设备的载物平台，能作为一种通用的用于垂直壁面行走机器人。它的研制有助于推动壁面的清洗、探伤、管道敷设、油漆等极限作业的自动化。
参考文献：
[1] 刘淑霞，王炎，徐殿国，等.爬壁机器人技术的应用[J].机器人，1999（2）.
[2] 罗庆生，韩宝玲.现代仿生机器人设计[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3] 肖立，佟仕忠，丁启敏，等.爬壁机器人的现状与发展[J].自动化博览，2005（1）.
[4] 郭成，谈士力，翁盛隆.微型爬壁机器人研究的关键技术[J].制造业自动化，2004（7）.
[5] 周忆，陈沛富，于今.一种轻型多足爬壁机器人的设计[J].机床与液压，2006（7）.
[6] 韩建海.工业机器人[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[7] 周忆，于今.流体传动与控制[M].北京：科学出版社，2008.
关键词：爬壁机器人 真空吸附 直线机构
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—028—02
1 引言
机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。随着科技的进步，工业机器人在各个领域得到了广泛地运用。其中，爬壁机器人以其在核工业、建筑、消防等行业的突出优点越来越受到人们的关注。
世界机器人应用大国日本在极限作业机器人研究领域处于国际领先地位。近些年，国内外有不同类型的仿生爬壁机器人研制成功，但是很多仿生机器人驱动复杂，限制了机器人的爬行高度。
本文讨论了一种运用昆虫三角步态原理和一种新型直线机构设计的新型多足爬壁机器人。通过连杆机构使一个驱动能同时控制三只足并且使足端摆动成直线，简化了驱动。采用真空吸附方式，气压驱动，气缸完成其行走功能。这种爬壁机器人可以用于玻璃外壁的清洗和检修。
2 多足爬壁机器人运动总体结构设计
机器人模仿昆虫行走姿态的三角步态原理如图1所示，机器人动作灵活，有一定越障能力，控制方便，操作安全。
机器人运动机构模型如图2所示。
转向时一层的足端吸附，另一层足抬起，该层机构有一个相对另一层的旋转。转动完毕后抬起的足吸附，吸附的足抬起，最早吸附的那一层转动回来，完成转向。
3 多足爬壁机器人运动原理
机器人单层的连杆机构运动原理图如图3所示，该机构中间杆转动，通过滑块带动丁形杆运动，进而使足产生绕固定点的摆动，足端轨迹为圆弧形。压力角为0度到45度，符合传动设计要求。
由于机器人机身为刚体，若摆动时足端轨迹为圆弧形，前行时就会卡住。因此需要加入一个直线机构，使足端做直线往复摆动。加入运动机构的直线机构原理图如图4所示。图上标注的两个长度为80的尺寸大小必须相等，这是此直线机构的核心。这样一来，曲柄360€靶保硕旒贾兄行南撸悠鹄淳褪且惶踔毕撸锏缴杓颇康摹搜芯扛没梗胮进行了仿真，结果说明该机构能够满足爬壁机器人前行运动的要求。
机器人单层运动机构简图如图5所示。
从图5可以看出，机构的重心在三只足末端连线构成的三角形内，重心基本和形状中心重合，机器人行走更平稳。
4 机器人主要参数设计
目前，壁面吸附主要采用真空吸附和磁吸附两种方式，为了能适应玻璃表面，选择真空吸附式。由于单个吸盘稳定性和抗倾覆能力差，很难满足机器人的要求，所以机器人的吸附系统多以吸盘组的形式出现，吸盘组在功能上可以弥补单个吸盘的不足和缺陷，并提高吸附系统的性能。本机器人选用三角布置，每只足有3个吸盘。如图6所示。
吸盘选取球铰式吸盘，吸盘可以自由转动，以适应工件吸附表面的倾斜，转动范围可达30€皛50€埃烫迳系某槲淄ü岽┣蚪诘目祝氚沧霸谇蚪诙瞬康奈滔嗤ā？
主体框架为铝制框架结构，机器人本体连同负载总重约20kg。根据总体设计方案和对吸盘的要求计算分析，选取公称直径为65mm的吸盘。
吸盘吸附力由下式计算：
式中，D为吸盘直径，mm；F为每只足承受的重量，N；P 为吸盘内的真空度，MPa； 为安全系数，水平t≥4，垂直t≥8。
一般情况取真空度为0.06MPa，n为3，本机器人每个足承受F为65.4N，则由公式知安全系数为8时，D≥61即可满足要求。所以吸盘直径为65mm可以保证爬壁机器人不会下滑。
5 结论
本文提出了一种全新的双层结构、真空吸附的爬壁机器人。根据该条件确定采用多吸盘结构，并确定了具体的吸盘直径、个数及吸盘的总体布局。设计出一种用于垂直壁面攀爬行走，可搭载相应的设备的载物平台，能作为一种通用的用于垂直壁面行走机器人。它的研制有助于推动壁面的清洗、探伤、管道敷设、油漆等极限作业的自动化。
参考文献：
[1] 刘淑霞，王炎，徐殿国，等.爬壁机器人技术的应用[J].机器人，1999（2）.
[2] 罗庆生，韩宝玲.现代仿生机器人设计[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3] 肖立，佟仕忠，丁启敏，等.爬壁机器人的现状与发展[J].自动化博览，2005（1）.
[4] 郭成，谈士力，翁盛隆.微型爬壁机器人研究的关键技术[J].制造业自动化，2004（7）.
[5] 周忆，陈沛富，于今.一种轻型多足爬壁机器人的设计[J].机床与液压，2006（7）.
[6] 韩建海.工业机器人[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[7] 周忆，于今.流体传动与控制[M].北京：科学出版社，2008.