基于SolidWorks 的振動吸附式四足爬壁機器人設計

劉興宇

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

在浩瀚的生物演變過程中，生物體精妙的運動方式為科學家發明新的機器人提供了重要靈感。科學家就是通過模仿大自然中各種生物的運動方式，發明出了許多仿生機器人，如機器魚[1]、壁虎[2]等。因為壁虎在豎直壁面上運動的獨特方式，壁虎的運動特點被越來越多地引入到小型爬壁機器人設計中。美國克利夫蘭通過模仿小汽車的結構原理，研發出了一款輪腿式爬壁機器人MiniWheg[3]；南京理工大學曾經通過研究螳螂爬行的特點，開發出了一款模仿蟑螂的爬壁機器人[4]；華北電力大學研發出了負壓吸附式爬壁機器人[5]，其主要是通過負壓將機器人緊緊壓附在壁面上，適用于各種粗糙的壁面。

隨著爬壁機器人研究的不斷深入發展，其在應用中所暴露出來的問題也日趨明顯，如爬壁機器人運動時對壁面的要求比較高等，所以未來爬壁機器人的發展應該著重于解決這一類問題，合理選擇吸附裝置的材料，減小體積、降低質量等。

1 總體設計方案

壁虎是日常生活中的一種常見生物，它可以輕松自由地穿梭在地面、豎直墻壁、天花板等各種復雜曲面上。根據壁虎的爬行特點，我們可以模擬其運動過程和吸附原理構思出仿生爬壁機器人的結構模型。

1.1 設計思路

如圖1 所示，通過觀察壁虎實物圖不難發現，在仿生壁虎機器人運動時，頭部和尾巴對運動的影響不大，可以將其忽略。根據壁虎的外形，可以簡要畫出壁虎的結構原理圖。壁虎的身軀可以看成是一個整體的塊，4 個頂點分別與四肢相連，每一條腿分別由大腿、小腿構成，身軀和大腿、大腿和小腿之間分別由轉動副連接。大腿部分旋轉角度在軀體部分外側，防止形成過定位，小腿部分可以在平面內自由旋轉角度，但不可以形成周轉，也不可與大腿在同一條直線，否則會引起欠定位，使小腿部分運動不確定。

圖1 壁虎及壁虎結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of gecko and gecko structure

本振動吸附式爬壁機器人的主要結構設計包括主體設計、行走機構設計和吸附裝置設計。壁虎的主體可以假想為壁虎爬行運動的動力源，可以通過在爬壁機器人之間放置一塊電池板以實現驅動，電池板通過簡易的上下蓋來實現安置。

行走機構由4 條機械腿組成，每一條機械腿均由球關節、脛骨、股關節、髖關節和將其連接的3 個舵機組成。在髖關節與主體的驅動舵機的工作下，實現肢體在水平面內橫向轉動。在股關節與髖關節的驅動舵機和脛骨與股關節的驅動舵機的作用下，分別驅動股關節和脛骨在豎直平面內轉動。基于這兩者的基本運動，實現壁虎爬行的仿真步態。其中脛骨末端的球關節負責連接吸附裝置，可使吸附裝置在較大的空間角度范圍內轉動，提高了爬行時對不同壁面的適應能力。吸附裝置里通過安裝一個電機實現吸盤的上下運動，達到振動吸附的效果。

1.2 振動吸附的工作原理

通過曲柄搖桿機構將電機的旋轉運動轉變為支撐桿的上下移動，從而產生一個變化的力，支撐桿帶動吸盤做不斷循環的上下往復運動，讓吸盤按照一定振幅和頻率做上下振動。

1.2.1 負壓過程

如圖2 所示，從（a）到（b）的過程中，吸盤處在一個被向上拉起的狀態，吸盤內部的體積逐漸增大，而且由于存在壓力差，外界空氣將通過縫隙流進吸盤，但是體積增大和進入吸盤的氣體對密度的影響，顯然前者影響更大，所以吸盤內部的壓強P比大氣壓強Pa小，然后隨著氣壓將持續降低，直至吸盤運動到位置（b），吸盤內部的氣壓達到了最低值；從（b）到（c）的過程，吸盤在一個向下運動的狀態，吸盤內部體積逐漸減小而且氣體持續不斷進入吸盤，但是因為在位置（b）時P＜Pa，所以在位置（c）前盡管P逐漸增大，但是仍然小于Pa。到達平衡點（c）時，吸盤內部壓強P=Pa。

圖2 負壓過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of negative pressure process

1.2.2 正壓過程

如圖3 所示，其中從（c）到（a）的過程，吸盤處于下壓狀態，吸盤內空間開始減少，壓強差開始增大，吸盤內氣體更加容易溢出，當空氣對氣壓的影響占主導因素時，吸盤內部的壓強差開始逐漸減小，這時吸盤的邊緣與被吸附的表面之間就相當于構成了一個簡單的單向閥，可以將空氣排出吸盤。

圖3 正壓過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of positive pressure process

2 具體結構設計

2.1 主體結構設計

如圖4 所示，爬壁機器人的主體主要由上蓋和下蓋構成，它們在整個爬壁機器人中主要起連接4 條腿和安裝電池板的作用，其4 個頂角分別與舵機配合，配合尺寸取決于舵機的尺寸。下蓋中凸起的幾塊擋板主要是用來固定電池板，防止電池板在行走過程中滑出。擋板旁邊一側通過設計支撐板，防止擋板在與底板之間形成壓力集中。在爬壁機器人運動過程中，由于電池板工作時會產生出一定的熱量，所以在上下蓋上打各種形狀的孔，主要是為了散發熱量，同時還減輕爬壁機器人的質量，節省了材料，提高了移動時的靈活度，也使爬壁機器人變得更加美觀。

圖4 主體上蓋和下蓋Fig.4 Upper cover and lower cover of main body

2.2 腿部結構設計

爬壁機器人的腿部結構如圖5 所示，主要由球關節、脛骨、股關節、髖關節以及將其連接的3 個舵機組成，各零件結構作用見表1。

圖5 腿部結構設計Fig.5 Leg structure design

表1 腿部結構零件列表Tab.1 Leg structure parts

2.3 吸附裝置結構設計

如圖6 所示為爬壁機器人的吸附裝置。吸附裝置主要由6 個零件構成，即橡膠吸盤、支撐桿、上蓋、球關節、電動機和曲柄搖桿機構。吸盤頂部通過球關節與脛骨相連，內部電動機作為動力源帶動曲柄搖桿機構的旋轉，曲柄搖桿機構與支撐桿相連，將曲柄搖桿機構的旋轉運動轉化為支撐桿的上下運動，支撐桿與橡膠吸盤相連，帶動吸盤的上下運動，通過吸盤的上下運動可以達到對壁面的吸附和松開。

圖6 吸附裝置Fig.6 Adsorption plant

2.3.1 支撐桿的設計

如圖7 所示為吸附裝置的支撐桿。支撐桿主要是用來連接吸盤與曲柄連桿機構，將曲柄連桿機構的旋轉運動轉化為支撐桿的上下往復運動，進而轉化為吸盤的上下往復運動。支撐桿沿中心桿60°等分向外伸出6 根桿再加上中心桿一共7根桿分別與橡膠吸盤相連，在中間圓臺下沿挖出一個小圓柱面與連桿配合，支撐桿總體高度決定了吸附裝置的總體高度。

圖7 支撐桿Fig.7 Strut

2.3.2 曲柄搖桿機構的設計

圖8 所示為吸附裝置的曲柄搖桿機構。曲柄搖桿機構用來連接支撐桿和電機之間的機構，電機帶動曲柄搖桿機構旋轉轉化為支撐桿的上下往復運動。曲柄搖桿機構的一側與支撐桿通過孔配合進行連接，另一側通過鍵槽傳遞扭矩。

圖8 曲柄搖桿機構Fig.8 Crank rocker mechanism

2.4 爬壁機器人總結構圖

如圖9 所示為振動吸附式爬壁機器人的總體結構圖。爬壁機器人的主體即爬壁機器人上下蓋分別與腿部一側的舵機相連，電池板安裝固定在下蓋中，腿部的另一側通過球關節配合與吸附裝置相連。

圖9 總體結構圖Fig.9 Overall structure diagram

3 運動仿真

圖10 所示為爬壁機器人的步態設計簡圖。出于對實際情況的考慮，對該步態進行了適當的修改，即右前、左后、左前、右后4 步。該移動方式既能保證繼承壁虎行走步態的優點，又能增加爬壁機器人移動肢體時的平穩性。

圖10 步態設計Fig.10 Gait design

第1 步：抬起右前肢并向前伸出一定的步幅，此時其余三肢保持不動，使機構能保持足夠的吸附力；

第2 步：抬起左后肢向前伸出與右前肢相等步幅，此時其余三肢保持不動，使機構能保持足夠的吸附力；

第3 步：抬起左前肢并向前伸出與之前相同的步幅，此時其余三肢保持不動，使機構能保持足夠的吸附力；

第4 步：抬起右后肢并向前伸出與之前相同的步幅，此時完成一次的步態循環。此時其余三肢保持不動，使機構能保持足夠的吸附力。

通過模型的運動仿真，確定了本文設計的爬壁機器人結構的可行性。

4 結語

伴隨著自動化技術的迅速發展，使用各種仿生物類的機器人得到了越來越多的應用，機器人的出現極大地提高了工人的生產效率，還能幫助人們進行乏味、疲勞和危險性的工作，因此在世界范圍內掀起了一股探索機器人的熱潮，各種類型的機器人應運而生。本文以三維軟件SolidWorks 為基礎，采用三維軟件對零件開發成熟技術，從生活中壁虎的爬行過程中獲得啟發，設計出仿壁虎的四足爬壁機器人。