電磁技術(shù)的“章魚”爬壁機器人的研究

姚洪平，尚曉新

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 輕工學(xué)院，唐山 063009；2.河南省開封市技師學(xué)院，開封 475000）

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機器人類別眾多，分類方式多樣，其中爬壁機器人是一種將地面機械移動機器人與吸附技術(shù)有機相結(jié)合的機器人[1]。實現(xiàn)對高空搶險救災(zāi)作業(yè)，墻體清洗，石化管道外壁檢測等，是一種新型的機器人[2,3]。

爬壁機器人的研究主要可分為：多體柔性永磁爬壁機器人，磁隙式爬壁機器人，小型吸附式爬壁機器人機械結(jié)構(gòu)及平衡性以及柔性靜電吸附技術(shù)的爬壁機器人[4～6]。柔性爬壁機器人的吸附系統(tǒng)的課調(diào)節(jié)性等多類問題得到了較好的解決[2]。國外，美國某大學(xué)已經(jīng)成功研制出具有4個“腿輪”的爬壁機器人樣機，日本宮崎大學(xué)也研制出具有兩個旋轉(zhuǎn)葉片的“飛行機器人”等[1]，該類研究對機器人的研究具有一定的積極作用，使得爬壁機器人的研究迅速成為國際熱點問題[7]。然而,爬壁機器人涉及的問題較多，學(xué)科交叉復(fù)雜，需要解決和完善的工作還很漫長。因此，本文基于爬壁機器人的發(fā)展需求，并通過章魚腕足上的吸盤有助于章魚身體的固定的類比，本文設(shè)計了“章魚”爬壁機器人。通過“章魚”爬壁機器人的研究，將對爬壁機器人的研究具有一定的參考作用。

1 設(shè)計原理及工作流程

吸附方式包括負(fù)壓吸附、磁吸附、推力吸附等，結(jié)合每類吸附方式的優(yōu)缺點，本設(shè)計選擇靈活性高、可靠性強且適合本機器人運動的電磁式吸附[1,8]。電磁鐵利用電磁感應(yīng)原理，通電后產(chǎn)生磁場，在鐵芯上產(chǎn)生電磁力。本文選用吸盤電磁鐵，具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，吸力大，全密封，環(huán)境適應(yīng)性強等特點[9]。

“章魚”爬壁機器人的控制系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是信息采集系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)，其中信息采集系統(tǒng)主要由傳感器模塊和通訊模塊組成；主控系統(tǒng)由主控板（STM32單片機）組成；執(zhí)行機構(gòu)由驅(qū)動模塊驅(qū)動電磁鐵、關(guān)節(jié)電機與液壓系統(tǒng)工作，工作流程如圖1所示。因此，爬壁機器人采用吸盤電磁鐵作為機器人吸盤的動力來源，通過電磁鐵的通斷電來達(dá)到對被吸附平面吸附與否的控制，為機器人的運動規(guī)劃控制提供固定約束依據(jù)。

圖1 工作流程圖

2 “章魚”爬壁機器人的設(shè)計與分析

如圖2所示為“章魚”爬壁機器人的示意圖。

圖2 “章魚”爬壁機器人的示意圖

該機器人的機械結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：身體、左右足（包括由吸盤電磁鐵等零件構(gòu)成的吸附機構(gòu)）和工作機構(gòu)（機械手爪、攝像機、探照燈等）。

2.1 吸附機構(gòu)的設(shè)計

機器人的左右足的結(jié)構(gòu)借鑒了章魚腕足的結(jié)構(gòu)，整體呈流線型，能有效減小粘滯阻力，吸盤電磁鐵的靈感來源于章魚肉質(zhì)吸盤，電磁鐵可在彈簧和液壓系統(tǒng)的控制下伸縮。

電磁鐵吸附的表面要求盡可能平整，則電磁鐵的吸力會隨著電磁鐵與被吸附平面之間氣隙的增加而顯著降低，工作穩(wěn)定性降低，甚至導(dǎo)致整個機器人從被吸附平面滑落[10]。所以減小電磁鐵與被吸附平面之間的氣隙大小是設(shè)計的重點之一。設(shè)計中，利用了平面曲率自由伸縮的彈簧與主動伸縮的液壓桿兩大機構(gòu)來減小電磁鐵與吸附平面的氣隙，從而保證吸附的穩(wěn)定。如圖3所示為平面曲率自由伸縮的彈簧的示意圖。

圖3 自由伸縮彈簧的示意圖

如圖3所示，平面有一定的弧度，但由于吸附機構(gòu)上有兩排各六個彈簧，能夠根據(jù)平面弧度自動調(diào)節(jié)伸縮長度，并最大限度的貼合被吸附平面，以減小電磁鐵與平面之間的氣隙，從而保證機器人的穩(wěn)定性。如圖4所示為主動伸縮的液壓桿，液壓桿的設(shè)計主要是彌補彈簧不能主動貼近被吸附平面的缺陷。對于彈簧不能緊密貼合的位置，可以采用液壓主動伸縮的方式，使電磁鐵與平面緊緊貼合，進(jìn)而達(dá)到減小氣隙的目的。

圖4 液壓桿

根據(jù)理論設(shè)計，保證足夠數(shù)量的電磁鐵吸附磁導(dǎo)性平面，再結(jié)合吸盤電磁鐵吸力大的特點，能夠滿足機器人吸附穩(wěn)定性的要求。

2.2 爬壁機器人分析

通過機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及理論分析，電磁鐵通電后能產(chǎn)生足夠的磁力吸住被吸附平面，使機器人的左足或者右足固定在被吸附平面上。機器人工作時，通電固定的吸附機構(gòu)是受力矩最大的部位，同時由于尺寸較小，是應(yīng)力最大的部位。因此，很有必要對吸附機構(gòu)進(jìn)行有限元分析，以確定機器人關(guān)鍵部位各零件的尺寸和材料。論文假設(shè)在液壓筒的一端施以大小為50N的力，同時將電磁鐵的一端端面固定，如圖5所示。

圖5 吸附機構(gòu)受力圖

在確定了約束等條件后，利用Inventor的有限元分析功能得到吸附機構(gòu)的Mises等效應(yīng)力圖如圖6所示。

圖6 Mises等效應(yīng)力圖

為了增加應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性和更加全面的了解機構(gòu)在受力情形下的位移情況，同時得出機構(gòu)的第一個主應(yīng)力圖、第三個主應(yīng)力圖、位移圖、安全系數(shù)圖分別如圖7～圖10所示。

圖7 第一個主應(yīng)力圖

圖9 位移圖

從有限元的分析中我們看到吸附機構(gòu)在液壓桿的過渡處應(yīng)力最大，安全系數(shù)也最低，最容易發(fā)生強度破壞。因此，對于液壓桿在過渡處直徑的大小設(shè)計和材料選擇就比較重要，其機械結(jié)構(gòu)材料選擇牌號為Q345E的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，并能夠滿足液壓桿的強度需要，但同時應(yīng)該適當(dāng)增大液壓桿過渡處的直徑大小。

3 機器人的控制系統(tǒng)

爬壁機器人的控制系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)，主控系統(tǒng)以及執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。

3.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)是爬壁機器人收集信息的主要途徑，機器人配有攝像頭傳感器，而其他的傳感器可以根據(jù)實際應(yīng)用需要增加，例如需要在深海探測時可加上聲納傳感器等。

該機器人的通訊模塊采用短距離、低功耗的無線通信技術(shù)（Zigbee）。廣泛應(yīng)用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。該機器人的Zigbee模塊如圖11所示。

圖11 Zigbee通訊模塊

3.2 主控系統(tǒng)

該機器人的主控系統(tǒng)采用STM32系列單片機。STM32系列單片機具有低成本、低能耗和高性能等優(yōu)點[10,11]。其中CAN總線易于增加節(jié)點，從而使得增加傳感器相對簡單，對于改進(jìn)機器人的工作機構(gòu)非常有利。而STM32單片機多達(dá)一百個引腳和高速度的處理能力足以控制整個機器人的運動與工作。

3.3 執(zhí)行機構(gòu)

如圖12所示為吸盤電磁鐵驅(qū)動模塊電路，由于電磁鐵只有開和關(guān)，兩種狀態(tài)，所以使用三極管組成電子開關(guān)作為電磁鐵的驅(qū)動模塊。

圖12 電磁鐵吸盤驅(qū)動電路

電機驅(qū)動模塊根據(jù)機器人對運動定位的精度要求，因此，圖13所示的電機驅(qū)動方式，此驅(qū)動方式與STM32主控機能很好地兼容，可以控制速度、方向并且體積小，重量輕。圖13為兩肩部電機的驅(qū)動電路。

圖13 電機驅(qū)動電路

4 結(jié)論

論文借鑒章魚腕足的結(jié)構(gòu)設(shè)計了仿生爬壁機器人，對其機械機構(gòu)進(jìn)行了概述。同時對爬壁機械足的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，該分析結(jié)果有助于爬壁機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料的選擇。

同時對機器人的控制部分的組成進(jìn)行了分析，其結(jié)果能夠有效的滿足機器人的運動。該爬壁機器人的設(shè)計為爬壁機器人的研究提供了參考作用。

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