非磁壁面爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)原理

該機(jī)器人具有小型、低效率、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在建筑檢測(cè)、壁面清潔、管道維護(hù)、極端環(huán)境檢測(cè)、災(zāi)害救援等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,現(xiàn)有的非磁壁面爬壁機(jī)器人,由于采用真空抽吸或旋翼等高耗能吸附方式來(lái)維持壁面附著力,無(wú)法克服吸附可靠性與結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及機(jī)器人重量之間的矛盾,難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小型化,同時(shí)也難以增加結(jié)構(gòu)自由度。針對(duì)爬壁機(jī)器人的上述問題,本文提出一種采用蠕蟲結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)變化多樣,可實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng),且運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)。1機(jī)械零體計(jì)劃1.1機(jī)器常盤盤盤多進(jìn)階段k梯形波蠕動(dòng)主要是模仿自然界蛇的蠕動(dòng)方式。其運(yùn)動(dòng)機(jī)理比較簡(jiǎn)單,機(jī)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)。蛇在蠕動(dòng)時(shí),做的是豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng),因此,可以把蛇的骨骼簡(jiǎn)化為N節(jié)剛性桿,如圖1所示。仿照蛇骨架的簡(jiǎn)化模型,整個(gè)機(jī)器爬壁蠕蟲可以看作N節(jié)的剛性連桿系統(tǒng)。其中實(shí)現(xiàn)爬壁功能的最小N=5。設(shè)每節(jié)質(zhì)量為m,長(zhǎng)度為l1,蠕動(dòng)爬墻的運(yùn)動(dòng)原理如圖2所示。圖2中,三角形代表吸盤,小圓圈代表轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。5個(gè)吸盤全都吸附在墻壁上的時(shí)候,作為蠕蟲運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)。首先,吸盤X5放氣,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4到達(dá)(b)的位置。吸盤X4放氣,同時(shí)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3、4達(dá)到(c)所示位置。吸盤X3放氣,同時(shí)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2、3、4達(dá)到(d)位置。此時(shí),吸盤X5又重新吸附到壁面上。吸盤X2放氣,同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1、2、3、4經(jīng)過(e)、(f)狀態(tài),達(dá)到(g)所示位置。(g)與(d)相比,(d)中的三角形向上移動(dòng)了一段距離。吸盤X1放氣,轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1、2、3達(dá)到(h)所示位置,此時(shí),吸盤X3重新吸上。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1、2達(dá)到(i)所示位置,吸盤X2重新吸上。最后轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1,使吸盤X1重新吸附在墻壁上。經(jīng)過圖2(a)至(j)的過程,機(jī)器蠕蟲由一次初始狀態(tài)回復(fù)到另一次初始狀態(tài)。其中(b)所示α為關(guān)節(jié)4抬起的初始角度,通過幾何關(guān)系可以推知完成一次爬壁過程,蠕蟲爬行的步距a為:在整個(gè)蠕動(dòng)過程中,始終保證有兩個(gè)吸盤吸附在壁面上,因此,蠕蟲不會(huì)由于重力的作用而從壁面上脫落。1.2質(zhì)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在爬壁過程的一次循環(huán)中,從圖2(d)到(g)的過程中,吸盤X5、X1相對(duì)于豎直壁面的位置始終不變,所以從(d)到(g)的蠕動(dòng)過程,可以等效為一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)。四連桿機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度,而從(d)到(g)的過程中四個(gè)關(guān)節(jié)都要旋轉(zhuǎn),因此,就要計(jì)算各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值,這樣在蠕動(dòng)過程中,才不會(huì)發(fā)生內(nèi)力的干涉。在圖2(d)中,以吸盤X5、X1為支點(diǎn),則桿12、桿34為連架桿,該四連桿機(jī)構(gòu)為一個(gè)等腰梯形機(jī)構(gòu)。所以,用梯形波來(lái)命名該蠕動(dòng)方式。整個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)分為兩個(gè)階段。先以搖桿12為原動(dòng)件順時(shí)針旋轉(zhuǎn),搖桿34為從動(dòng)件。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到(f)所示位置時(shí),連桿23與搖桿34共線,搖桿12運(yùn)動(dòng)到極限位置。此時(shí)換作搖桿34為原動(dòng)件順時(shí)針旋轉(zhuǎn),搖桿12為從動(dòng)件,運(yùn)動(dòng)到(g)位置。該蠕蟲采用舵機(jī)作為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)源,所以在上述兩個(gè)階段中,要分別計(jì)算出搖桿12為原動(dòng)件和搖桿34為原動(dòng)件時(shí)其余各舵機(jī)的位置值。當(dāng)搖桿12為原動(dòng)件時(shí),如圖3所示,為了分析的簡(jiǎn)便,暫時(shí)拿掉吸盤X2、X3、X4。A、B、C、D為舵機(jī)1、舵機(jī)2、舵機(jī)3、舵機(jī)4某時(shí)刻到達(dá)的位置。虛線是為方便幾何分析所做的輔助線。設(shè)某時(shí)刻∠BAG=φ,設(shè)AD=l2,則:α見公式(1)。當(dāng)搖桿12同機(jī)架夾角為φ時(shí),各舵機(jī)的角度控制位置為:舵機(jī)1:AA1+φ;舵機(jī)2:AA2+(∠CBA-180),其中∠CBA為優(yōu)角;舵機(jī)3:AA3-(180-∠DCB);其中,AA1,AA2,AA3,AA4分別為舵機(jī)1、舵機(jī)2、舵機(jī)3、舵機(jī)4的原有角度。在蠕動(dòng)過程中,只要控制舵機(jī)位置轉(zhuǎn)到以上各值就可以完成圖2(d)到(f)的位置轉(zhuǎn)換。同理,當(dāng)搖桿34為原動(dòng)件時(shí),如圖4所示。舵機(jī)2:AA2-(180-∠CBA);舵機(jī)3:AA3+(∠DCB-180),其中∠DCB為優(yōu)角;舵機(jī)4:AA4+θ。其中,AA1,AA2,AA3,AA4分別為舵機(jī)1、舵機(jī)2、舵機(jī)3、舵機(jī)4的原有角度。1.3移動(dòng)無(wú)固定物吸附劑丈量蟲在運(yùn)動(dòng)中,它的首、尾分別起到保持器的作用,在不同時(shí)段與地面發(fā)生吸附或脫離,而依靠中間節(jié)體的變形實(shí)現(xiàn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。丈量蟲首、尾的足端與地面的關(guān)系不是吸附就是浮空,不出現(xiàn)在摩擦中移動(dòng)的矛盾局面。顯然這與吸盤的功能有點(diǎn)類似,即能回避壁面移動(dòng)機(jī)器人既讓吸盤吸附,又要讓它移動(dòng)的本征矛盾。同時(shí)也有利于翻越障礙和改變運(yùn)動(dòng)方向。因此,丈量蟲的運(yùn)動(dòng)機(jī)理對(duì)多節(jié)體小型壁面移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有仿生學(xué)參考價(jià)值。1.4都吸附多個(gè)克氏原螯蝦,2都放氣依據(jù)丈量蟲蠕動(dòng)步態(tài),整個(gè)機(jī)器蠕蟲的爬壁原理如圖5所示。開始時(shí),吸盤X1、X2都吸附在豎直壁面上,如圖5(a)所示。吸盤X2放氣,轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1、2、3經(jīng)(b)至(c)所示位置。吸盤X1放氣,轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1、2、3經(jīng)(d)至(e)所示位置。這樣,機(jī)器蠕蟲就往前邁了一步。根據(jù)幾何分析,可以得到蠕蟲的步距a為:1.5第三,豎直墻上較高的障礙梯形波蠕動(dòng)步態(tài)機(jī)器人重心起伏低,因此爬行平穩(wěn),但爬壁速度相對(duì)較慢,且步距較小,運(yùn)動(dòng)規(guī)劃較復(fù)雜,并難以跨越豎直墻壁上較高的障礙。丈量蟲蠕動(dòng)步態(tài)機(jī)器人重心起伏高,但爬壁速度較快,步距也比較大,運(yùn)動(dòng)規(guī)劃簡(jiǎn)單,較易跨越豎直墻壁上的障礙。因此,把兩種步態(tài)同時(shí)應(yīng)用于機(jī)器蠕蟲上,在不同的壁面環(huán)境下使用不同的步態(tài),是實(shí)現(xiàn)機(jī)器蠕蟲爬壁的理想方法。2豎直玻璃和豎直社會(huì)主義為驗(yàn)證機(jī)器蠕蟲機(jī)構(gòu)上和步態(tài)上的可行性,同時(shí)在豎直玻璃和豎直大理石壁面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中各種步態(tài)的初始控制值由PC機(jī)傳給控制系統(tǒng)。這里l1=54mm。2.1樓梯波滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)初始角度α=25°,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。2.2機(jī)器圖21實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由爬壁實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見,本文設(shè)計(jì)的機(jī)器蠕蟲結(jié)構(gòu)合理,梯形波蠕動(dòng)步態(tài)和丈量蟲蠕動(dòng)步態(tài)是兩種能夠穩(wěn)定爬行的步態(tài)。在爬行過程中,機(jī)器蠕蟲內(nèi)部沒有干涉力的作用,各吸盤能夠穩(wěn)定地吸附在壁面上。3模塊化構(gòu)建裝置針對(duì)現(xiàn)有爬