足式混聯(lián)爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

安 邦

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，至2022年末，我國已擁有公路橋梁103.32萬座，居世界前列，在這些橋梁中特大橋梁達(dá)8 816座，而大橋數(shù)量則達(dá)到15.96萬座。橋梁在長期使用過程中，由于自然腐蝕、外力因素作用等原因，其安全受到了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。近年來，全世界因橋梁坍塌造成的交通安全事故數(shù)量不斷上升，如何有效、快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行橋梁健康檢查，保證橋梁運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃裕呀?jīng)成為世界范圍內(nèi)交通運(yùn)輸共同關(guān)注和研究的課題。同時，人工橋梁檢測中充斥著大量的高空作業(yè)場景，傳統(tǒng)的人工高空作業(yè)存在窗口期短[1]、安全風(fēng)險高、作業(yè)周期長等問題。而隨著高空行業(yè)自動化的快速發(fā)展[2]，人們對機(jī)器人的需求量不斷提高，使用爬壁機(jī)器人代替人來執(zhí)行高空作業(yè)是一個必然趨勢，這也對爬壁機(jī)器人的設(shè)計提出了更高的要求。

因此，針對混凝土為主的橋梁壁面檢測作業(yè)，本文設(shè)計了一種比黏附能密度[3]高的足式真空吸附爬壁機(jī)器人，結(jié)合實際工況對機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)分析，使用SolidWorks聯(lián)合ADAMS進(jìn)行機(jī)器人關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真分析。該機(jī)器人能夠在混凝土壁面攀爬行走，并且擁有高負(fù)重比特性。

1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

1.1 機(jī)器人整體方案

爬壁機(jī)器人采用六足真空吸附[4]的方式。足式機(jī)器人靈活度高、越障能力強(qiáng)[5]，且六足爬壁機(jī)器人可以實現(xiàn)移動過程中多足的同時吸附，安全性、穩(wěn)定性高。

1.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的爬壁機(jī)器人，整體由機(jī)身、機(jī)械腿和吸盤足三部分組成，如圖1所示。

圖1 爬壁機(jī)器人實驗樣機(jī)

1.2.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)身結(jié)構(gòu)分為三部分，上機(jī)身包含上機(jī)架、硬件控制系統(tǒng)及元器件、微型真空泵和三條機(jī)械腿，下機(jī)身包含下機(jī)架、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)和三條機(jī)械腿。上下機(jī)身由滑車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人機(jī)身主要組成部分

1.2.2 機(jī)械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械腿由舵機(jī)、舵機(jī)支架組成，兩舵機(jī)旋轉(zhuǎn)軸平行串聯(lián)構(gòu)成兩自由度機(jī)械腿[6]，實現(xiàn)機(jī)器人足端運(yùn)動結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 機(jī)械腿和吸盤足組成部分

1.2.3 吸盤足結(jié)構(gòu)設(shè)計

吸盤足由球頭關(guān)節(jié)軸承、彈簧、電磁閥、吸盤、釘刺摩擦片組成，實現(xiàn)壁面吸附功能。足端由球頭關(guān)節(jié)軸承配合彈簧與機(jī)械腿連接，如圖3所示。

2 爬壁機(jī)器人工作原理及構(gòu)型分析

2.1 壁面攀爬原理分析

爬壁機(jī)器人共有六條機(jī)械腿，機(jī)身兩側(cè)各三條機(jī)械腿。其中一側(cè)前后兩條機(jī)械腿固定在下機(jī)架，中間一條機(jī)械腿固定在上機(jī)架，另一側(cè)與之相反（圖2）。爬壁機(jī)器人在工作時，機(jī)械腿被分為兩組，連接在上機(jī)架的機(jī)械腿為一組，連接在下機(jī)架的機(jī)械腿為一組。在直行動作中，其中一組機(jī)械腿落下作為吸附相，同時吸盤吸附固定在墻面，另外一組機(jī)械腿抬起作為移動相，如圖4所示。

圖4 吸附、抬腿動作

機(jī)器人固定相相當(dāng)于一個靜平臺，故采用三足一組的方式增加穩(wěn)定性。移動相機(jī)械腿抬起后通過步進(jìn)電機(jī)結(jié)合滾珠絲杠帶動滑車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行直線運(yùn)動。當(dāng)絲杠移動到末端，步進(jìn)電機(jī)剎車，之前抬起的一組機(jī)械腿落向墻面，使得吸盤吸附在墻面。待吸附完成，之前作為固定相的一組吸盤停止吸附脫離墻面并抬高轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿酉啵瑵L珠絲杠移動向另一端。如此采用三角步態(tài)交替往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)機(jī)器人在墻面上的直線攀爬功能，如圖5所示。

圖5 直行動作、三角步態(tài)

六個吸盤的吸附和脫離分別由上機(jī)身的六個微型真空泵配合電磁閥通斷獨(dú)立控制。同理，機(jī)器人中間的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)配合兩組機(jī)械腿可以控制機(jī)器人在墻面上的轉(zhuǎn)向，如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)動作

由以上動作的組合可以實現(xiàn)機(jī)器人在平面壁面任意方向的攀爬。吸盤與機(jī)械腿之間以球頭軸承關(guān)節(jié)和彈簧相連，確保了機(jī)器人在吸附時足末端吸盤與真實墻面有一定的角度補(bǔ)償。吸盤與墻面脫離后在彈簧的作用下可以回到原位。以上描述的機(jī)器人攀爬原理滿足了大部分隧道橋梁的壁面作業(yè)條件。

2.2 混聯(lián)構(gòu)型分析

根據(jù)爬壁機(jī)器人的工作原理，一個攀爬周期機(jī)器人具有兩種構(gòu)型狀態(tài)，下面對機(jī)器人的構(gòu)型進(jìn)行分析。

如圖5、圖6所示，當(dāng)爬壁機(jī)器人一組機(jī)械腿作為固定相吸附在墻面固定不動時，假設(shè)一個吸盤為一個接觸點(diǎn)，其固定相的三個接觸點(diǎn)在同一理想面上，那么此時這部分機(jī)身可視為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的靜平臺，機(jī)器人另一半機(jī)身可視為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動平臺，固定相的三條機(jī)械腿可視為靜連接，移動相的三條機(jī)械腿在此過程中懸空，可視為以機(jī)器人移動相主體為基座的串聯(lián)機(jī)構(gòu)。因此，在直行或者轉(zhuǎn)向階段機(jī)器人為混聯(lián)機(jī)構(gòu)。

3 爬壁機(jī)器人靜力學(xué)分析

爬壁機(jī)器人需克服重力在壁面上運(yùn)動，為不發(fā)生墜落或滑移現(xiàn)象，要求腿部對于墻面有足夠的吸附力，保證穩(wěn)定性和可靠性。下面對機(jī)器人進(jìn)行簡化受力分析。

3.1 基于腿部整體結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

由于三個不在同一條直線上的點(diǎn)形成一個平面，每組三個吸盤采用三角形布置方式提高安全系數(shù)。上下兩組機(jī)械腿分別作為靜平臺吸附在墻面時作為支撐，機(jī)器人在吸附時重心高度相同，因此選擇下機(jī)身機(jī)械腿關(guān)節(jié)進(jìn)行受力分析。靜態(tài)吸附時機(jī)械腿由兩個舵機(jī)提供保持扭矩，由于舵機(jī)本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，故主要分析所提供的力矩是否滿足要求。

圖7為腿部整體結(jié)構(gòu)簡易受力模型。W為機(jī)器人機(jī)身，G為機(jī)器人的重力，H為機(jī)器人重心與壁面的距離，L1為與機(jī)身相連的機(jī)械腿長度，L2為與吸盤相連的機(jī)械腿長度，與機(jī)身相連的為上腿，與吸盤相連的為下腿。選擇腿部受力較大的極限位置進(jìn)行分析，即機(jī)器人頭尾與地面平行吸附在墻壁上。機(jī)身一側(cè)兩條機(jī)械腿的布置前后對稱與機(jī)身成45°角。與機(jī)身成45°的機(jī)械腿兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線與重力方向成45°，兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所需力矩部分變?yōu)檩S向力和徑向力。機(jī)身另一側(cè)一條機(jī)械腿與機(jī)身垂直，機(jī)械腿旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線均與重力方向垂直。故主要分析單腿受力情況。

圖7 腿部受力分析正、俯視簡圖

在此極限位置，與機(jī)身相連的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)1，所受力矩為M1，上腿與下腿相連旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)2，所受力矩為M2。吸附時關(guān)節(jié)1連接的上腿與機(jī)身水平，故旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1主要受軸向力和徑向力。關(guān)節(jié)2連接上腿與下腿成90°，下腿垂直壁面，此關(guān)節(jié)2為最大受力處，所受力矩為：

已知舵機(jī)保持力矩為6 N·m，機(jī)器人自重12 kg，機(jī)械腿L2長度為0.09 m，經(jīng)計算，舵機(jī)提供的力矩滿足要求。

3.2 吸盤受力分析

機(jī)器人吸盤采用多唇邊式密封圈結(jié)構(gòu)，并添加釘刺摩擦片抓捕結(jié)構(gòu)增加摩擦力，實現(xiàn)機(jī)器人在墻面上的吸附。

圖8中，F(xiàn)為吸盤在壁面上的吸附力，N為壁面對吸盤的支撐力，G為機(jī)器人的重力，O為吸盤中心，r為吸盤半徑，H為機(jī)器人重心與壁面的距離，f靜為吸盤與壁面間的靜摩擦力，f動為使吸盤移動的最大摩擦力。由于每組步態(tài)三個吸盤工況相同，所以計算一個吸盤的受力。

圖8 吸盤受力分析正、側(cè)視簡圖

吸盤設(shè)計半徑為r=0.065 m，真空泵提供的負(fù)壓為P=80 kPa，由此可以得出單個吸盤吸附力為：

靜摩擦力等于重力：

吸盤吸附達(dá)到滑落臨界狀態(tài)為：

式中：μ為摩擦系數(shù)。

爬壁機(jī)器人的重力G和吸盤吸附力F是常數(shù)，聯(lián)合以上公式求得：

由以上各式可以得出吸盤最大的負(fù)重為μF，滿足機(jī)器人抗滑落的條件。

4 爬壁機(jī)器人動力學(xué)分析

確定機(jī)器人具有足夠的吸附力后，對關(guān)鍵部位進(jìn)行動力學(xué)分析：直行機(jī)構(gòu)中滾珠絲杠所需的力矩，并使用ADAMS軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真驗證。

4.1 步進(jìn)電機(jī)力矩計算

機(jī)器人在墻面上的直線攀爬功能主要由步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)不同的型號力矩和重量都不同，本款爬壁機(jī)器人要求體積小、重量輕，因此求得機(jī)器人運(yùn)動中所需的力矩值尤為重要。

滾珠絲杠產(chǎn)生推力所需的扭矩為：

式中：T為力矩；Fa為滾珠絲杠所受的軸向力；Ph為進(jìn)給絲杠的導(dǎo)程；σ1為進(jìn)給絲杠的正效率；m為運(yùn)送物的質(zhì)量；g為重力加速度（9.8 m/s2）。

已知，機(jī)器人本體重量為12 kg，絲杠導(dǎo)程為5 mm，絲杠進(jìn)給的正效率為0.96，絲杠進(jìn)給速度為30 mm/s。經(jīng)計算，絲杠所需力矩約為99.5 N·mm。

4.2 步進(jìn)電機(jī)力矩仿真及驗證

為驗證驅(qū)動絲杠的力矩大小是否準(zhǔn)確，將SolidWorks中建立的三維模型簡化，再導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動力學(xué)分析仿真。由于簡化了機(jī)器人模型（圖9），只保留要分析的滾珠絲杠部分，機(jī)器人的自重會減小，為不影響仿真結(jié)果，對絲杠螺母上螺母座的質(zhì)量按照機(jī)器人實際重量12 kg進(jìn)行參數(shù)修改。對模型添加的約束有：將BK固定座設(shè)為固定副約束，在絲杠和BK固定座之間添加旋轉(zhuǎn)副，在絲杠和SFS螺母之間添加螺旋副并設(shè)置旋轉(zhuǎn)方向、移動方向和螺距，在SFS螺母與螺母座之間添加固定副，在螺母座與地面之間添加平移副，在絲杠端頭添加力矩，設(shè)置重力方向。絲杠動力學(xué)仿真環(huán)境如圖9所示。仿真計算得出所需的力矩為99.15 N·mm，與理論計算值吻合。

圖9 滾珠絲杠動力學(xué)仿真

5 結(jié)論

針對橋梁壁面攀爬作業(yè)，本文設(shè)計了一款足式負(fù)壓爬壁機(jī)器人，詳細(xì)論述了機(jī)器人組成及原理，并完成了機(jī)器人混聯(lián)的構(gòu)型分析，對機(jī)器人的運(yùn)動方式做了詳細(xì)闡述，計算出機(jī)器人正常工作所需要的吸附力。運(yùn)用SolidWorks與ADAMS軟件對爬壁機(jī)器人直行運(yùn)動所需的力矩進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真實驗分析，驗證了爬壁機(jī)器人設(shè)計方案可行。