壁面自動爬行機器人的設計與研究

黃渝淞 李波 謝箭 吳勇 曾琳

摘 要：近年來我國經濟高速的發展，城市的規模不斷擴展，機器人技術也不斷提高，本文設計一種吸附壁面完成自動爬行的機器人，可實現轉向、壁障等常見地面機器人功能，分析了吸附原理、機器人的運動學特性，使機器人能夠在地面和垂直壁面自動爬行完成作業，針對目前該領域現狀進行相關分析與研究，有一定的理論意義與實用價值。

關鍵詞：壁面作業; 真空吸附; 自動爬行; 機器人

1 引言

隨著社會的不斷進步，越來越多的人力工作被機器代替，機器人的發展作為一種新型生產工具，已經進入了各行各業各個領域。壁面自動爬行機器人是結合移動、轉向、避障功能于一體的全方位爬行機器人，不僅可以在地面行走，也能夠在垂直壁面自動爬行，該作業機器人在工業、建筑行業、消防等領域可以廣泛的應用，在需要人力進行作業的地方使用機器人代替，下面針對壁面自動爬行機器人的具體設計內容進行相關研究，為機器人領域的發展積累經驗。

2 國內外研究現狀

國外研究爬行機器人早在19世紀都有涉及，日本、美國先后研究雙足爬行機器人、四足爬行機器人、六足爬行機器人。日本在加拿大駐日大使館研制出了頂棚玻璃清洗爬壁機器人，它是由縱向直線氣缸和左右氣缸組成，能夠完成縱向、橫向直線運動，但不能跨越障礙和轉向。英國在壁面移動機器人吸附裝置研究中，研制成功用螺旋槳驅動的飛行壁面移動機器人，這是壁面自動爬行機器人設計上的一個飛躍，主要是采用發動機驅動兩個螺旋槳產生向上推動及推向壁面的壓力達到吸附功能。

國內大多數企業與院校在研究爬行機器人時，針對機器人的實現功能做深入研究，先后有擦窗機器人的研究、玻璃幕墻的清洗、高空檢查、管道爬行等等結合壁面自動爬行機器人進行功能的實現。

3 壁面自動爬行機器人內容設計

根據相關調查統計，壁面自動爬行機器人要完成作業，必須具備兩個功能，吸附裝置與移動裝置，而實現這兩種基本功能又能以多種方式呈現，目前移動裝置的實現有車輪履帶式、足狀式。吸附裝置有真空吸附、磁性吸附、反向推力吸附。吸附功能是壁面自動爬行的特殊功能，在運動學與力學中，吸附力與移動的推力又存在著相互影響，要想在吸附過程中又進行移動，必須找到機器人與壁面之間產生的一個正壓力，保證機器人能夠在吸附壁面的同時可以有效的移動。

3.1 吸附裝置

利用大氣壓強原理，驅動電機帶動扇葉轉動產生風力使機器人與壁面接觸產生氣壓差，達到真空吸附壁面，其中需要注意的是吸力與機器本身的重力，也涉及到壁面的角度、坡度以及壁面的粗糙程度也會影響機器人的吸附。由此，可以知道要實現壁面自動爬行機器人的設計，吸附裝置尤為重要，吸附功能的設計必須滿足作業功能帶來的影響，從多個方面的影響考慮，實現機器人的需求。

3.2 移動裝置

驅動電機帶動履帶轉動，完成爬行功能，可以有效的實現跨越障礙、不同角度、坡地、粗糙程度的壁面進行爬行。自動爬行功能需要在機器人自身安裝傳感器檢測障礙物，通過微處理器完成信號的檢測與處理。針對壁面自動爬行機器人的設計方案中，吸附裝置與移動裝置是需要同時進行的，相應的系統處理都是為了機器人能夠在壁面進行作業的目的，達到工作效率的提高，或是代替人工作業，實踐中還需要對機器人進行詳細的內部設計，根據作業功能完成整體機器人的設計，從而更好的推動壁面自動爬行機器人的研究與實現。系統框圖如圖1所示。

4 結論

壁面自動爬行機器人從國內外現狀分析，到功能的設計，必須針機器人的作業功能、作業環境、作業性質，提出開展壁面自動爬行機器人的功能要求，并針對這些性能要求進行設計，實現機器人在壁面上穩定吸附、自動爬行、可靠作業。

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