【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)器人可采用偏心扭擺雙吸盤行走機(jī)構(gòu)形式，當(dāng)一個(gè)吸盤吸附時(shí)，另一個(gè)吸盤通過偏心機(jī)構(gòu)扭擺一定的角度實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，二個(gè)吸盤交替工作達(dá)到行走目的。偏心扭擺式機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是慣量大、行走效率低、速度慢。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 （ 3）車輪式 這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)依靠排風(fēng)方式產(chǎn)生密封腔的負(fù)壓以達(dá)到壁面吸附，行走功能由車輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。車輪機(jī)構(gòu)可以采用普通車輪形式 ，也可采用全方位車輪形式，行走速度較快，但由于要保持密封腔的負(fù)壓，導(dǎo)致跨越障礙的能力較弱。 （ 4）多層框架式 在這種壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，兩組吸盤用具有若干相對(duì)自由度的機(jī)構(gòu)連接。當(dāng)一組吸盤吸附工作時(shí)，另一組吸盤可以移動(dòng)行走或轉(zhuǎn)動(dòng)方向。這種機(jī)構(gòu)具有較好的越障能力和承載能力，但行走速度較慢。 （ 5）特種履帶式 這種形式的壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)在履帶上連接有多個(gè)吸盤，與壁面接觸的吸盤處于吸附有效狀態(tài)，不在壁面上的吸盤處于吸附無效狀態(tài)。在機(jī)構(gòu)的連續(xù)移動(dòng)過程中，由于要求各吸盤的吸附狀態(tài)按一定次序發(fā)生變化，因此，系統(tǒng)中需要有一套多通轉(zhuǎn) 閥形式的真空分配和控制裝置，還要有防止纜管纏繞的機(jī)構(gòu)，增加了復(fù)雜性。特種履帶式壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)還可以采用滑移式真空分配與交換機(jī)構(gòu)形式。 （ 6）獨(dú)立驅(qū)動(dòng)足式 多足壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)是在多足機(jī)構(gòu)的足端連接一個(gè)或幾個(gè)吸掌構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性較好，可以適應(yīng)不同形狀的壁面，有較強(qiáng)的越障能力等。但具有冗余自由度的多足運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制有一定難度，而且行走速度較慢。 （ 7）索吊軌行式 為克服在壁面鋪設(shè)導(dǎo)軌帶來的不便，可考慮用張緊鋼索作為導(dǎo)軌，它的主要缺點(diǎn)是鋼索的橫向剛度小，而且水平移動(dòng)困難。 近來，隨著研究的深入，爬壁機(jī)器人輪式全方位移 動(dòng)機(jī)構(gòu)逐漸成熟。全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由 3 到 4 個(gè)定向滑移輪組成。輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅具有輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的快速性、靈活性、可控性，而且能夠在保持機(jī)體方位山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 不變的前提下沿平面上任意方向直線移動(dòng)或在原地旋轉(zhuǎn)任意角度。 爬壁機(jī)器人壁面吸附機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人按吸附功能可分為真空吸附和磁吸附兩種形式。 真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低。磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附 力需要電力，但控制較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。磁吸附方式對(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，且吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，因此限制了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境。 在爬壁機(jī)器人的壁面吸附方面，國內(nèi)外的研究者在不同的研究方向上取得了很大進(jìn)展，并在許多方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新和突破。 為解決磁吸附爬壁機(jī)器人吸附能力和運(yùn)動(dòng)性能之間的矛盾，文獻(xiàn) [7]中設(shè)計(jì)了一種磁吸力可調(diào)的吸附單元；該單元在吸附于工件時(shí)，提供足夠大的磁吸力，以滿足機(jī)器人負(fù)載能力 的要求，而當(dāng)其脫離工件表面時(shí)，磁吸力減為最小，以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能。 應(yīng)用于金屬壁面的爬壁機(jī)器人，爬行機(jī)構(gòu)一般采用履帶式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是爬行速度快，控制方便，吸附方式采用永磁吸附，永磁吸附具有吸引力大，結(jié)構(gòu)簡單，無需外部供電的特點(diǎn)。因此爬壁機(jī)器人永磁吸盤的設(shè)計(jì)是保證爬壁機(jī)器人爬行的安全性、穩(wěn)定性、提高爬壁機(jī)器人對(duì)凹凸不平壁面的適應(yīng)性的關(guān)鍵。 在此基礎(chǔ)上，根據(jù)多體漸變磁化系統(tǒng)理論研究設(shè)計(jì)出了有別于傳統(tǒng)普通吸盤結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人履帶吸盤結(jié)構(gòu) ——稀土永磁履帶吸盤結(jié)構(gòu)。該履帶吸盤的吸力比普通吸盤大很多，完全能滿足爬壁機(jī) 器人爬行性能的要求。 運(yùn)用壁虎爬行原理，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)構(gòu)思了真空吸附式爬壁機(jī)器人。采用山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 多組橡膠吸盤將機(jī)器人吸附在墻面上，配以簡單四桿機(jī)構(gòu)完成其行走功能。由于選用了多子真空吸附、足式移動(dòng)，其吸附性好，結(jié)構(gòu)簡單，由于吸盤采用列吸盤組，有效吸附面積大，吸附力大，對(duì)壁面的不平度、彎曲度、空隙都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。 另外，還出現(xiàn)了一種壁面適應(yīng)性 較強(qiáng)，能跨越水平窗框類障礙的雙吸盤吸附式玻璃壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)，主要由雙吸盤負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)、密機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)、水循環(huán)回收機(jī)構(gòu)、障礙檢測機(jī)構(gòu)及潔面機(jī)構(gòu)成。兩吸盤可相對(duì)于負(fù)壓發(fā)生室伸出和縮回，并由其內(nèi)部閘控制與負(fù)壓發(fā)生室間的氣路通斷。 我國研制出了單吸盤輪式氣囊密封裝置的壁面移動(dòng)機(jī)器人， 如圖 所示， 其吸附機(jī)構(gòu)包括真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥、密封機(jī)構(gòu)等。 圖 單吸盤輪式氣囊密封結(jié)構(gòu) 圖 中的 真空泵是產(chǎn)生負(fù)壓的裝置，其功能是不斷地從負(fù)壓腔內(nèi)抽出空氣，使負(fù)壓腔內(nèi)形成一定程度的真空度。為維持機(jī)器人負(fù)壓腔內(nèi) 的負(fù)壓，還需要有密封機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人可靠地吸附在壁面上并產(chǎn)生足夠的正壓力，從而使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生足夠的摩擦力以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。由于氣囊密封裝置具有較山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 好的彈性，在壁面有凹凸時(shí)，通過氣囊的變形來減小縫隙的高度，可使機(jī)器人具有一定的越障能力，且充氣量可由調(diào)節(jié)閥來控制。 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 由于爬壁機(jī)器人在工作時(shí)需要自動(dòng)行走完成任務(wù)（如檢測、自動(dòng)噴漆等），所以要采用計(jì)算機(jī)控制 [2]。 圖 是 采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī) STD 總線為核心，配置外圍模板組成的機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其中交流電極的驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)位置、 速度閉環(huán)，具有過電流、過電壓、過負(fù)荷、超速、過熱，電源異常等多種保護(hù)和狀態(tài)顯示。交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選取和電機(jī)配套。 圖 機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制線路 有的爬壁機(jī)器人的工作范圍很大，為操縱方便，控制方式可采用遠(yuǎn)距離有線遙控方式 [5]，在遙控盒上設(shè)有功能控制鍵和操縱手柄來控制機(jī)器人的行走速度和移動(dòng)方向，其速度可無級(jí)調(diào)節(jié)。 另外，爬壁機(jī)器人還可以采用無線遙控的方式進(jìn)行控制 [3]。以移動(dòng)機(jī)器人作為控制平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間實(shí)現(xiàn)無線通信，進(jìn)而通過單片機(jī)與機(jī)器人之間的接口，實(shí)現(xiàn)無線方式控制移動(dòng)機(jī)器人，也實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn) 程機(jī)器人的實(shí)時(shí)監(jiān)控。也就是，在本地給出機(jī)器人的控制命令，通過無線傳輸模塊發(fā)送山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 到遠(yuǎn)端，然后由遠(yuǎn)端的機(jī)器人控制系統(tǒng)控制機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)由攝像機(jī)把機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再把壓縮后的圖