【正文】 RAMR1 robot 英 國 Portsmouth 大 學(xué) 研 制 的 8 足 爬 壁 機(jī) 器 人 ROBUG Ⅲ [33] ， 它 是按 螃 蟹 及 蜘 蛛 的 爬 行 原 理 制 成 。 如 圖 所 示 ， 電 機(jī) 3 驅(qū) 動 關(guān) 節(jié) 1 用 來 調(diào) 節(jié) 腿 足2， 保 證 機(jī) 器 人 吸 附 在 壁 面 。圖 所 示 爬 壁 機(jī) 器 人 是 密 歇 根 州 立 大 學(xué) Mark Minor 等 人 研 制 的 微 型兩 足 壁 面 移 動 機(jī) 器 人 RAMR1[32]。 圖 為 西 班 牙 工 業(yè) 自 動 化 研 究 所 研 制 的 電 磁 吸 附足 式 爬 壁 機(jī) 器 人 REST1[31]， REST1 由 6 個 腿 足 構(gòu) 成 ， 足 部 的 吸 附 力 由電 磁 鐵 提 供 ， 腿 部 可 以 實(shí) 現(xiàn) 3 個 方 向 的 自 由 轉(zhuǎn) 動 ， 總 體 可 以 實(shí) 18 度 的 自由 移 動 ， 重 量 220Kg， 負(fù) 載 能 力 1000N， 腿 部 關(guān) 節(jié) 最 大 能 以 130 度 /秒 的角 速 度 轉(zhuǎn) 動 。 圖 韓國國立大學(xué)爬壁機(jī)器人 [29] 圖 CleanbotIII 機(jī)器人 [30] Korea National University of CleanbotIII robotwallclimbing robot 腿足式爬壁機(jī)器人足 式 爬 壁 機(jī) 器 人 克 服 了 輪 式 爬 壁 機(jī) 器 人 越 障 能 力 差 ， 不 適 合 復(fù) 雜 壁 面環(huán) 境 的 缺 點(diǎn) 。該爬壁機(jī)器人采用履帶和全氣動真空吸附的方式，吸 附 單 元 由 52個吸 盤 組 成 ， 大小720mm 70mm390mm，自重22kg，運(yùn)行速度8~ 10m/min。 圖 哈 工 大 履 帶 式 爬 壁 機(jī) 器 人 [28] 圖 TH_Climber I 爬 壁 機(jī) 器 人 [7] HIT track climbing robot TH_Climber I wallclimbing robot(2)履帶、真空吸附式結(jié)構(gòu) 圖 所示為韓國國立大學(xué)設(shè)計的履帶式真空吸附爬壁機(jī)器人 [29]，該爬壁機(jī)器人由 24 個真空吸盤組成，在本體上采用機(jī)械閥代替電磁閥的方式，這種方式提高了爬壁機(jī)器人的運(yùn)動速度，機(jī)器人大小為 460mm 460mm200 mm，自重 14Kg，運(yùn)行速度 15m/min。 它 的 大 小 為 500mm450mm200mm， 用 兩 個 80W 直 流 電 機(jī) 驅(qū) 動 ，移 動 速 度 2～ 8m/min， 由 36 塊 永 磁 體 提 供 吸 附 力 ， 每 一 時 刻 有 24 塊 磁體 與 壁 面 接 觸 。機(jī) 器 人 的 后 部 安 裝 一 個 萬 向 輪 ， 可 防 止 機(jī) 器 人 發(fā) 生 傾 覆 現(xiàn) 象 [28]。 圖 Motherchild 機(jī) 器 人 圖 [26] 圖 三 菱 機(jī) 器 人 [27]4 Motherchild robot Mitsubishi robot 履帶式爬壁機(jī)器人(1)履帶、永磁吸附結(jié)構(gòu)哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 研 制 的 是 用 于 對 石 油 石 化 企 業(yè) 金 屬 罐 進(jìn) 行 噴 砂 除 銹 、檢 測 涂 層 厚 度 和 噴 漆 的 履 帶 式 永 磁 吸 附 爬 壁 機(jī) 器 人 ， 如 圖 所 示 。 該 爬 壁 機(jī) 器人 采 用 非 接 觸 式 的 永 磁 吸 附 方 式 ， 永 磁 體 鑲 嵌 在 本 體 的 中 部 ， 但 其 自 重40Kg， 致 使 機(jī) 器 人 轉(zhuǎn) 向 相 對 緩 慢 ， 電 源 采 用 電 纜 傳 輸 方 式 。母體 Mother 用于在厚度為 以上的導(dǎo)磁壁面上運(yùn)動，當(dāng)遇到壁面厚度小于 的輕薄壁面或邊緣時，由子體 Child 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動檢測。的壁面過渡；子體 Child 質(zhì)量 ，再加上傳感器 ，電纜 ，總重 2Kg，運(yùn)動速度 30m/min。3 圖 意 大 利 ALICIA 機(jī) 器 人 [24] 圖 CLIMBER III 機(jī) 器 人 [25] Italia ALICIA robot CLIMBER III robot(2)輪式、永磁吸附結(jié)構(gòu)瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院研制的“MotherChild”輪式爬壁機(jī)器人 [26]，如圖 所示。 體 積 大 約 為 203mm216mm114mm， 重 量 大 約 為1Kg， 運(yùn) 動 速 度 。如 圖 所 示 為 美 國 VORTEX HC 公 司 設(shè) 計 的 CLIMBER III[25]型 爬壁 機(jī) 器 人 。 吸 附 力 由 單 滑 動 式 吸 附 吸 盤 提 供 ， 由 直 流 電 機(jī) 提 供 驅(qū)動 力 ， 電 機(jī) 軸 與 車 輪 采 用 了 垂 直 絞 合 的 方 式 。 輪式爬壁機(jī)器人 (1)輪式、負(fù)壓吸附結(jié)構(gòu)輪 式 壁 面 移 動 機(jī) 器 人 主 要 采 用 磁 吸 附 、 負(fù) 壓 吸 附 方 式 等 吸 附 結(jié) 構(gòu) 。在設(shè)計工作中，通過對工作環(huán)境以及工作任務(wù)要求的分析，科研工作者們相繼設(shè)計出各種運(yùn)動結(jié)構(gòu)與吸附結(jié)構(gòu)相結(jié)合的爬壁機(jī)器人。 幾種典型爬壁機(jī)器人爬壁機(jī)器人按移動結(jié)構(gòu)來劃分，主要可以分為：輪式爬壁機(jī)器人、履帶式爬壁機(jī)器人、腿足式機(jī)器人。 從 20 世 紀(jì) 80 年 代 末 ， 在 國家 “863”計 劃 和 國 家 自 然 基 金 的 扶 持 下 ，在科研工作者的努力下，我國在爬壁機(jī)器人的設(shè)計和研制領(lǐng)域也取得了顯著成績。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展第 一 臺 爬 壁 機(jī) 器 人 [2]是 日 本 宮 崎 大 學(xué) 的 西 亮 教 授 于 1966 年 研 制 成 功的 。這些傳統(tǒng)的機(jī)器人大多存在著體積過大、轉(zhuǎn)向困難、容易對罐壁造成損壞的缺點(diǎn)，無法真正意義上實(shí)現(xiàn)對金屬罐容積安全、穩(wěn)定、快速的檢定。如果能設(shè)計一款爬壁機(jī)器人為其攜帶徑向偏差測量儀的標(biāo)尺，按金屬罐容積檢測規(guī)定的運(yùn)動軌跡運(yùn)動，并能準(zhǔn)確的停留在測量點(diǎn)上，以便檢測人員做以記錄和測量，那么測量的精度和安全性必將大大提高。這是因?yàn)闄z測人員需要爬到十幾米高的金屬罐頂部，在金屬罐頂部邊緣逐點(diǎn)移動徑向偏差測量儀的標(biāo)尺。目前對立式金屬罐容積檢定廣泛采用徑向偏差測量儀。1立式金屬罐容積檢定爬壁機(jī)器人本體設(shè)計畢業(yè)論文1 緒論 論文研究背景及意義立式金屬罐是石油石化行業(yè)中常見的存儲設(shè)備。因?yàn)橥獠凯h(huán)境的長期影響會造成金屬罐容積的不斷變化，所以金屬罐在使用一定時間后需要對容積重新進(jìn)行準(zhǔn)確的檢定。雖然該儀器使用方便、操作簡單且測量成本較低，但在實(shí)際測量中卻遇到很多障礙。當(dāng)檢測點(diǎn)位置較高時，很難準(zhǔn)確定位測量標(biāo)尺，以至于很難達(dá)到測量精度要求，而且危險性較大 [1]。以往國內(nèi)的多所大學(xué)與科研院所研制的金屬罐檢測爬壁機(jī)器人多為履帶式或永磁體鑲嵌在車輪上的爬壁機(jī)器人。為此，遼寧石油化工大學(xué)與中國第一計量站合作，共同研制了一款四輪驅(qū)動的吸附體與罐壁非接觸的輪式爬壁機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)對大型立式金屬罐容積的安全和精確標(biāo)定。 在 這 之 后 世 界 各 國 如 日 本 、 英 國 、 韓 國 、 德 國 、 美 國 、 西 班 牙 等 也 都相 繼 研 制 出 應(yīng) 用 于 不 同 場 所 的 爬 壁 機(jī) 器 人 。包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制2的履帶永磁吸附爬壁機(jī)器人和輪式負(fù)壓吸附壁面爬行機(jī)器人 [3~6]、清華大學(xué)研制的履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人 [7]、北京航空航天大學(xué)相繼研制成功的“吊籃式擦窗機(jī)器人” 、WASHMAN、 “藍(lán)天潔寶” 、CLEANBOT I、SKYCLEAN“靈巧型擦窗機(jī)器人” 、等幕墻清洗機(jī)器人 [8~13]、上海大學(xué)研制的用于幕墻清洗的機(jī)器人和曲面壁面爬行機(jī)器人 [14,15]、上海交通大學(xué)研制的滑動吸盤爬壁機(jī)器人 [16,17]、哈爾濱工程大學(xué)研制的水下船體清刷爬壁機(jī)器人 [18~21]、重慶大學(xué)研制的壁面清洗機(jī)器人 [22,23]等多所大學(xué)及科研院所都設(shè)計出了各種用途的爬 壁 機(jī) 器 人 。吸附結(jié)構(gòu)可分為：真空吸附（負(fù)壓吸附） 、磁吸附和推力吸附三類。以下簡單介紹幾種具有代表性的爬壁機(jī)器人。 如圖 所 示 為 意 大 利 Domenico Longo 等 人 研 制 的 Alicia II 輪 式 負(fù) 壓 吸附 壁 面 爬 行 機(jī) 器 人 。 采 用 雙 輪 差 速 轉(zhuǎn) 向 ， 自 重7Kg， 負(fù) 載 能 力 150N， 機(jī) 身 直 徑 300mm， 垂 直 最 大 速 度 2m/s， 能 跨 越10mm 的 障 礙 并 能 在 曲 率 半 徑 為 以 上 的 物 體 表 面 爬 行 [24]。 CLIMBER III 有 四 個 驅(qū) 動 輪 和 六 個 驅(qū) 動 輪 兩 種 型 號 ， 采 用 渦 流驅(qū) 動 靜 態(tài) 滑 動 式 吸 盤 。 具 有 壁 面 切 換 功 能 ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 從 地 面 到 垂 直 墻壁 的 運(yùn) 動 ， 能 夠 在 建 筑 物 外 墻 和 飛 機(jī) 機(jī) 體 表 面 等 場 所 運(yùn) 行 。爬壁機(jī)器人有兩部分組成：母體 Mother 由四組磁性車輪提供吸附力，其重量 18Kg，能在角度大于 150176。主要應(yīng)用于管道的檢測。圖 為 日 本 三 菱 重 工 研 制 的 永 磁 吸 附 輪 式 爬 壁 機(jī) 器 人 。 主 要 應(yīng) 用 于 攜帶 大 型 設(shè) 備 對 鋼 質(zhì) 表 面 進(jìn) 行 壁 面 清 洗 和 噴 漆 等 操 作 [27]。 永 磁體 鑲 嵌 在 履 帶 上 ， 爬 行 速 度 為 2~8m/min， 采 用 有 線 遙 控 方 式 控 制 ， 遙 控范 圍 小 于 等 于 25m， 負(fù) 載 能 力 達(dá) 到 300N 以 上 ， 能 跨 越 5~10mm 的 焊 縫 。圖 為 清 華 大 學(xué) 研 制 的 TH_Climber I 型 號 [7]的 永 磁 吸 附 履 帶 式 爬 壁機(jī) 器 人 。 每 塊 永 磁 體 的 尺 寸 為 50mm24mm4mm， 實(shí) 際 吸 附 力 約為 150N。香港城市大學(xué)設(shè)計的CleanbotII是一種仿坦克型狀的爬壁機(jī)器人 [30]，如圖5?？?以 通 過 調(diào) 整 轉(zhuǎn) 向 輪 和 鏈 條 實(shí) 現(xiàn) 小 范 圍 轉(zhuǎn) 向 ， 運(yùn)行在水平和垂直的玻璃幕墻表面上，并能跨越一定障礙。 它 本 身 具 有 較 強(qiáng) 越 障 能 力 、 壁 面 過 渡 能 力 和 適 應(yīng) 能 力 ， 可 以運(yùn) 行 在 復(fù) 雜 的 壁 面 上 。 主 要 應(yīng) 用 于 船 舶 制 造 和 維 護(hù) 。 RAMR1 為 三 個 電 機(jī) 驅(qū) 動 4 個 關(guān) 節(jié) 的 雙吸 盤 兩 足 步 行 結(jié) 構(gòu) 。 電 機(jī) 2 通 過 齒 輪 和 皮 帶 ， 可 以 驅(qū) 動 關(guān) 節(jié) 4 來調(diào) 整 腿 足 2 的 角 度 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 爬 壁 機(jī) 器 人 的 行 走 運(yùn) 動 。 ROBUG Ⅲ 采 用 真 空 吸 附 方 式 ， 在 每 只 腳部 都 配 有 小 的 真 空 吸 盤 ， 腿 部 由 3 部 分 構(gòu) 成 ， 能 向 4 個 方 向 自 由 轉(zhuǎn) 動 ，機(jī) 器 人 以 每 4 條 腿 為 一 組 做 同 步 運(yùn) 動 ， 驅(qū) 動 力 由 氣 缸 提 供 。 該 機(jī) 器 人 大 小 為 ， 每 只 腿 足 長 1m， 負(fù) 載 能 力250N， 爬 行 速 度 6m/min， 由 電 纜 傳 輸 電 能 。韓國 Sungkyunkwan 大學(xué)研制的是模仿類人猿步態(tài)行走爬行方式的真空吸附足式爬壁機(jī)器人 MRWALLSPECT II[34]，如圖 所示。它本身自帶電源，壓縮空氣設(shè)備和通訊設(shè)備等組件，因此機(jī)器人沒有任何與外部連接的電纜和傳輸線路。7 圖 ROBUG III 機(jī) 器 人 [33] 圖 MRWALLSPECT II 機(jī) 器 人 [34] ROBUG III robot MRWALLSPECT II robot 仿 生 爬 壁 機(jī) 器 人近 些 年 仿 生 爬 壁 機(jī) 器 人 的 研 究 領(lǐng) 域 也 迅 速 發(fā) 展 ， 逐 漸 出 現(xiàn) 了 仿 壁 虎 、蝸 牛 、 螃 蟹 等 運(yùn) 動 方 式 的 爬 壁 機(jī) 器 人 。的 平 滑 壁 面 上 以 60cm/s 的 自 由 運(yùn) 動 和 轉(zhuǎn) 向 ， 但 其 只 適 合平 整 光 滑 的 壁 面 且 負(fù) 載 能 力 差 。斯 坦 福 大 學(xué) 研 制 的 SpinyBot[36] 爬 壁 機(jī) 器 人 ， 如 圖 所 示 。 它 采 用 了 定 向 的 粘 合 材料 ， 每 個 腳 足 有 4 個 腳 趾 ， 趾 底 有 稠 密 的 人 造 纖 毛 ， 使 其 能 通 過 干 粘 附 方式 穩(wěn) 定 的 吸 附 在 壁 面 上 。 它 的 壁 面 適 應(yīng) 能 力 較 強(qiáng) ，可 以 攀 登 在 垂 直 的 玻 璃 、 磁 磚 和 塑 料 板 等 光 滑 的 表 面 上 。 (2)總體設(shè)計方案：根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境對爬壁機(jī)器人的要求，系統(tǒng)的分析與設(shè)計了爬壁機(jī)器人的吸附方式和運(yùn)動方式這兩項(xiàng)基本功能，并給出了爬壁機(jī)器人性能指標(biāo)參數(shù)。(4)分析與建立了爬壁機(jī)器人靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、滑動轉(zhuǎn)向運(yùn)動學(xué)的模型。在基于AT89C51 微控制器的基礎(chǔ)上搭建爬壁機(jī)器人各個控制功能模塊，并對各個模塊進(jìn)行系統(tǒng)的論述與設(shè)計，且利用 C 語言完成主程序和相關(guān)子程序的設(shè)計。(6)通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺