攀爬機器人結構設計及分析

陸偉 陳偉 李子軒

摘 要：隨著時代的發展，城市中的高層建筑越來越多，在進行建筑外層施工或發生火災等其他危害時，工作人員需要通過其他方式懸吊在建筑物外圍，提升了工作人員的工作風險，因此代替人類工作的機器人便應運而生。近年來，科技與電子技術不斷發展、成熟，將機器人應用到高層建筑的偵查和清洗等任務已成為可能。現今的建筑外圍施工中普遍存在著施工人員多、勞動強度大、安全性較低并且容易受到天氣因素影響等問題。將機器人應用到這類工作中，可降低施工人員高空作業風險，減少施工人員數量，提高工作效率。建筑用機器人的運動主要為攀爬，由于機器人體積較大、重量較重，因此對于機器人運動時動力學分析、吸附方式及材料的選擇變得格外重要。建筑用攀爬機器人應能夠實現在玻璃、混凝土等表面的前后、左右移動，并具有一定的越障能力，同時機器人應具有一定的可靠性，便于運輸等特點。機器人通過工作人員遠程遙控進行控制，可利用安裝在機器人上的攝像頭對周圍環境進行觀察。

關鍵詞：攀爬機器人;結構設計

1 總體結構設計

按照大賽要求，攀爬機器人要求至少能在以下的任一種表面上可靠附著并行走、攀爬： 1.建筑結構的豎直立面（例如各種墻面）; 2.建筑結構的水平下表面（類似天花板）; 3.其它類型的表面（如鋼管、鋼絲繩等） 也可選擇在以上1、2表面交替附著并行走、攀爬。 常用的建筑結構表面材料有：金屬材料、水泥石灰墻面、石材、玻璃等。根據以上要求，確定了攀爬機器人的設計方案。

由于攀爬機器人工作表面為玻璃或混凝土、瓷磚等表面，因此吸附方式采用靜電吸附;移動方式采用履帶式移動機構可以滿足機器人在建筑表面的自由移動，同時還具有一定的越障能力。機器人可通過底盤移動機構上方的工作手臂實現對需安裝玻璃的攜帶，及協助安裝，手臂上同樣裝有真空吸盤，用來吸附需安裝的玻璃。該機器人通過兩臺電機驅動，一臺負責前進，另一臺負責轉向。前進時用減速齒輪逐級傳遞實現機器人前后運動，轉向則通過機器人底盤內的差速器實現中樞轉向。

圖1為攀爬機器人底盤內部俯視圖。圖中上方的黃色電機用來負責機器人的前后移動，下方的黃色電機負責機器人轉向，轉向時由于差速器使左右兩履帶出現速度差，從而實現中樞轉向。在前進時，為避免兩電機互相干涉，在轉向齒輪上裝有同步器。在需要轉向時，負責前后移動的電機停止工作，隨后轉向電機工作，同步器與圓柱齒輪同步，帶動履帶運動從而實現轉向。

通過在機器人底盤移動機構上安裝工作手臂來完成相應任務，機械手臂可拆卸、更換以完成不同任務。如圖2中所示安裝了帶有偵查攝像裝置的手臂，在發生高層建筑劫持人質或火災可用于在建筑外側對內進行偵查的任務，亦可用于攜帶救援設備。機器人自身也裝有攝像監控裝置，在建筑表面移動時，可用于觀察周圍情況。機器人自身通過外接電源設備來實現對電機，高壓供電模塊和機械手臂的供電，其目的在于減輕機器人自身質量，從而可攜帶更多設備。

2攀爬機器人應力分析

有限元分析利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。

有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產生并得到了應用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經過短短數十年的努力，隨著計算機技術的快速發展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法。

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（1.嘉興市特種設備檢驗檢測院，浙江 嘉興 314000;2.同濟大學浙江學院浙江，浙江 嘉興 314000）