摘要：对爬壁机器人进行总体方案设计，确定了足式爬行方式、真空吸附方式、动力采用RDS3120舵机。完成了爬壁机器人的主体、机身、腿部以及足部等运动机构设计。爬行机器人腿部设计为3自由度，足部采用万向摇杆装置，外圈用压棒和弹簧组成压紧装置固定以避免吸盘失效。设计了爬壁机器人运动的相关方式及参数，完成了爬壁机器人腿部机构的运动学分析，求解足部的位姿、腿部在运动情况下的正解与逆解，为爬壁机器人运动方式提供了理论依据，确定了各项性能指标。完成了滑落与倾覆两种情况的静力学计算分析，确定了吸盘安全吸附的合理尺寸，吸附材料选用丁腈橡胶，保证了爬壁机器人的安全可靠。最后通过SolidWorks软件完成了爬壁机器人的三维建模与运动仿真以及主要零件的有限元分析。确认了所设计的爬壁机器人满足运动过程中的强度要求，设计合格。

　　关键词：爬壁机器人；吸附方式；万向摇杆；动力学分析

　　Design of Wall-climbing Robot Based on SolidWorks

　　Dai Kaipeng，Feng Xian，Rao Shenglin

　　(College of Intelligent Equipment Engineering,Taihu University of Wuxi,Wuxi,Jiangsu 214064,China)

　　Abstract:The overall scheme of the wall-climbing robot was designed,and the foot crawling mode,vacuum adsorption mode and RDS3120 steering gear were determined.The main body,fuselage,legs and feet of the wall-climbing robot were designed.The legs of the crawling robot had 3 degrees of freedom,and the feet were equipped with universal rocker device.A pressing device composed of a pressure rod and a spring was fixed at the outer ring to avoid sucker failure.The relevant motion modes and parameters of the wall-climbing robot were designed,and the kinematic analysis of the leg mechanism of the wall-climbing robot was completed.The pose of the foot and the forward and inverse solutions of the moving legs were solved to provide a theoretical basis for the motion mode of the wall-climbing robot,and the performance indices were determined.The statics calculation and analysis of sliding and overturning were completed,and the reasonable size of the sucker for safe adsorption was determined.Nitrile rubber was selected as sucker material to ensure the safety and reliability of the wall-climbing robot.the 3D modeling and motion simulation on SolidWorks of the wall-climbing robot and the finite element analysis of the main parts were completed,and the results verify that the climbing robot design proposed in this paper meets the strength requirement and is qualified.

　　Key words:wall-climbing robot;adsorb mode;universal rocker;kinematic analysis

　　0引言

　　随着现代科技的进步，机器人技术领域也在不断地朝着综合应用方向发展。机器人技术包括了机械结构设计、仿生学、控制理论，运动学与动力学等多个学科的综合运用，在农业、工业、军事、商业、旅游业等行业领域极具运用价值，机器人工程也逐渐成为科学技术研究的热点话题[1-5]。爬壁机器人根据吸附方式可以分为：真空负压式、磁吸附、反推力和仿生等，根据移动方式可以分为轮式、履带、足式和轮足复合式移动。真空负压式爬壁机器人[4-7]大多数用在壁面比较光滑的墙面，广泛用于玻璃壁面进行清理工作，但吸附接触面容易产生气体泄漏，壁面平整度要求高。

　　根据机器人轻量化、小尺寸的技术要求，本文对机器人的机械结构进行了设计，同时结合仿生学结构，设计了机器人的关节构型，并搭建了整机结构和三维模型，模拟了爬壁机器人在倾斜壁面上的运动，为爬壁机器人的调试和实际操作提供了基础。同时为解决吸附力不足的问题，本文在吸盘上方增加了一个圆盘，在圆盘靠近外圈处固定一圈由压棒和弹簧组成的压紧装置。当吸盘内空气被吸走后吸盘紧紧吸附于墙面，此时压棒受到吸盘盘面厚度的影响将会往后挤压弹簧伸长，由于弹簧受力伸长，会产生反作用力往下拉紧压棒，压棒便会压紧吸盘，达到加强吸盘与墙面更紧密贴合的效果。

　　1爬壁机器人总体结构设计

　　爬壁机器人采用足式爬行方式，模仿壁虎的爬行运动[8]，采用电气驱动、真空产生负压吸附。

　　1.1机器人机身结构设计

　　爬壁机器人机身的结构设计[9]关乎到整体的运动性能，吸附式爬行机器人的机身结构设计应符合以下几点[10]：

　　(1)机身结构要有较低的重心，以保证机器人在运动过程中具有良好的稳定性；

　　(2)机身连接的腿部要有足够运动的自由度，以保证机器人能够灵活完成目标要求的动作；

　　(3)保证机器人4个腿部在移动的过程中具有足够的运动空间，使其在移动时拥有良好的地形适应能力；

　　(4)保证机器人具有越障能力，并且吸附稳定性强。

　　基于以上4点，设计的吸附式爬行机器人的简化结构如图1所示。机器人由4条腿组成，机身两侧各2条，在底部采用摇杆式吸盘，通过摇杆吸盘可以适应墙面变化。

　　1.2机器人腿部结构设计

　　因为腿部结构复杂，爬行过程中可能导致多余的能量损耗。同时，在腿部机构交替运动的过程中，可能会出现腿部之间的干涉。因此，爬壁机器人腿部机构设计应满足以下几点：

　　(1)能够在一定空间范围内运动，包括水平面上的左右摆动及垂直墙面的抬放；

　　(2)整体结构具有一定的刚性，能够保证爬行过程的稳定；

　　(3)机器人腿部构造简单，材料轻便，动力传输稳定及运动控制方便。

　　通过3个转动关节组成单腿结构[11-12]模仿壁虎的爬行运动过程，如图2所示。该结构由OM关节、MN关节与NR关节3部分组成。单腿具有3个自由度，其中OM关节在点O处围绕Z轴旋转，长度为a，旋转角度为α；MN关节在变化的ZX平面内绕着点M旋转，长度为b，旋转角度为β；NR关节在变化ZX平面内绕着点N旋转，长度为c，旋转角度为γ。当单腿结构旋转到某一位置时，根据上述参数设置，建立机器人足端点R的运动轨迹方程：

　　XR=L；ZR=H(1)

　　其中：

　　L=a+b cosβ+c cos(β+γ);

　　H=b sinβ+c sin(β+γ)

　　根据式(1)~(2)可以得到点R在XOZ平面坐标系内的坐标为：

　　R=((a+b cosβ+c cos(β+γ)),

　　(b sinβ+c sin(β+γ)))(3)

　　本文设计的爬壁机器人4条腿呈对称分布，机器人的每个腿部具有3个自由度，能满足空间3个方向的自由度要求。

　　1.3爬壁机器人足部结构设计

　　爬行机器人足部采用万向摇杆装置，类似人类脚踝关节，可以保证机器人足部在落脚的时候平稳与地面接触，腿部始终竖直状态，且不受墙面倾斜影响。图3展现了在不同倾斜面上摇杆装置的动作形态[13]。

　　爬行机器人采取真空吸附方式。即通过气动元件，抽走或稀薄吸盘密闭空间内的空气，产生吸盘内外的气压差，外面的大气压把足部吸盘紧紧压在墙面上，形成了真空吸附。如图4所示，通气口与真空泵相接，当真空泵启动后，对通气口抽气，将吸盘内的空气吸走，此时的吸盘内部的气压为P2，假定为真空状态。由于吸盘外部的大气压P1要高于吸盘内部的气力P2，此时吸盘稳固吸附与墙面。

　　吸附盘材料选用丁腈橡胶，丁腈橡胶可在高温条件下工作，由硅橡胶制成的吸盘非常适于抓取较粗糙墙面，并且由于其吸盘接触面带有细微波纹纹路，可以增大对玻璃墙面的接触摩擦力，给机器人提供更可靠的吸附力。

　　针对真空吸盘吸附由于接触面出现凸起或凹陷较大的情况时，将会出现吸盘无法与墙面充分接触并出现漏气的情况，称为吸盘失效。经过研究分析，通过固定压力作用于吸盘，将会提高吸盘与墙面的接触密封性，以此解决吸盘失效问题。

　　在原有基础上，在吸盘上方增加了一个圆盘，在圆盘靠近外圈处固定一圈由压棒和弹簧组成的压紧装置，具体结构如图5所示。当吸盘内空气被吸走后吸盘紧紧吸附于墙面，此时压棒受到吸盘盘面厚度的影响往后拉伸弹簧，弹簧产生反作用力往下拉紧压棒，压棒便会压紧吸盘，使吸盘与墙面更加紧密贴合。

　　1.4工作原理分析

　　爬壁机器人工作部件如图6所示。爬壁机器人机身零件为中心对称分布，四足为均匀对称分布。设置两套真空吸附系统有，一套控制1、3两腿的吸盘，另一套控制2、4两腿的吸盘，两套吸附系统完全一致，爬壁机器人移动时，至少有两条腿吸附于墙面以保证吸附力达到要求，具体计算分析见2.4节。

　　爬行机器人具体工作原理：首先将机器人4个吸盘贴于墙面，然后打开爬壁机器人电源开关，爬壁机器人自检并判断每个吸盘内有无低压，若有，则表示机器人已经有吸盘吸附于墙面，否则爬壁机器人与墙壁仍处于分离状态；爬壁机器人将信号传给空压机，此时真空吸附系统正式进入工作状态，空压机产生的压缩空气输送到减压阀装置；气体经过减压阀过滤和减压后输送到接入二位二通电磁阀；通过电源信号指示决定是否接通，若接通则气体被传输到真空发生器，若未接通则运输的气体中断；接通后气体经过真空发生器转换成高压气体从排气口经消声器高速射出气流；由于气体的粘性作用，高速射出气流将卷吸走经真空过滤器的吸盘内气体；吸盘内气体被吸出，吸盘内外形成气压差，大气压将压扁吸盘，进而吸盘牢牢吸紧壁面。

　　当爬壁机器人要移动时，2、4腿收到控制信号，足部吸盘脱附，腿部舵机开始旋转指定角度运动，2、4腿开始向前迈腿；而此时1、3腿继续保持吸附状态；当2、4腿的完成规定动作后吸附于墙面；此时1、3腿收到控制信号，足部吸盘脱附，腿部舵机开始旋转指定角度运动，1、3腿部开始向前迈腿，循环往复完成机器人移动工作。

　　2爬壁机器人运动学和静力学分析计算2.1腿部运动学分析

　　对机器人腿部运动学进行分析，首先为机器人腿部建立D-H坐标系，用以表示机器人腿部杆件的位置和姿态[14]。如图7所示，在机器人机身与腿部连接的交点处建立基准坐标系O0{O0-X0 Y0 Z0}，O0为机器人腿部第一个关节点，第一关节在X0 O0 Y0平面旋转，旋转角度为θ1，当θ1为0°时，坐标系O0与坐标系O 1{O 1-X1 Y1 Z 1}重合。根据腿部连接节点规律，在第二个关节建立坐标系O2{O2-X2 Y2 Z2}，在第三个关节建立坐标系O3{O3-X3 Y3 Z3}，在足部万向摇杆踝关节(第四关节)处建立坐标系ON{ON-XN YN ZN}。

　　根据D-H参数法以及腿部初始形态，腿部杆件的参数和关节变量见表1。

　　将表1代入计算可得到机器人腿部末端足部的坐标系位姿，进而求解机器人腿部运动学的正逆解。

　　2.2机器人腿部运动学正解

　　根据表1列出各连杆的齐次变换矩阵i-1i A如下：

　　矩阵依次顺序相乘，可得到机器人腿部末端足部的坐标系位姿[7]，其中c对应cos、s对应sin类推，根据角标规律，s 1为sinθ1的简写、c 1为cosθ1的简写，末端的位姿即可简写成：

　　通过各连杆齐次矩阵变换，得到足部的位姿，此解为腿部运动学正解，等式中n)为足部法向矢量，o)为足部方位矢量，a)为足部接近矢量，这3个矢量构成了足部的姿态矢量，p)为足部所在位置矢量，(px,py,pz)为足部在基准坐标O的位置坐标。

　　2.3机器人腿部运动学逆解

　　机器人腿部运动学逆解是已知机器人腿部末端位置坐标(px,py,pz)，求解关节角θ1,θ2,θ3。由机器人运动学正解的第4列得到以下3个等式：

　　即式(7)~(9)为第一组逆解，式(7)~(11)为第二组逆解。

　　从图8可以得出，第二组解与力学原理相违背，不满足机器人腿部的爬行姿势，本文采用第一组解。

　　2.4腿部的静力学计算分析

　　本文设计的吸附式爬行机器人的运动工况为壁面爬行，为防止坠落，需要对机器人的吸附能力进行分析。爬壁机器人应该具有一定的吸附能力，并且吸盘产生的摩擦力能够大于机器人的自重和外负载之和[15-17]。由于机器人爬行速度缓慢，在运动过程中吸盘吸附壁面两者保持相对静止状态，所以可以将机器人吸附墙面时当作静态考虑，根据前文可知机器人在工作时，至少有两个吸盘将机器人固定于墙面，因此计算时可认为两个吸盘在作用，机器人爬行的平衡状态受力如图9所示。

　　G为爬壁机器人自身重力；F1为上吸盘吸附力；F2为下吸盘吸附力；F为墙面对上吸盘的反作用力；F2'为墙面对下吸盘的反作用力；Ff1为上吸盘与墙面之间的摩擦力；Ff2为下吸盘与墙面之间的摩擦力；设吸盘与墙面摩擦因数为μ。吸盘内相对外界空气的气压差为ΔP，吸盘与墙面的接触面积为S，则：

　　联立式(12)~(15)得：

　　μ(F1'+F2')=G  （18）

　　联立式(16)~(17)得：

　　F1+F2=(G+GL 1/L2)/μ （19）

　　F1=(G+GL 1/L2)/2μ    （20）

　　由式(16)根据脱落临界条件得：

　　F1=GL 1/L2   （21）

　　查阅资料得知玻璃与橡胶之间摩擦因数为0.6~0.75、根据橡胶轮胎与水泥土地面的摩擦因数，大致确定水泥墙面与橡胶之间摩擦因数为0.4左右、铸铁与橡胶之间的摩擦因数为0.8，钢与橡胶之间的摩擦因数为0.65~0.8等。本论文取μ=0.6。

　　将本文的爬壁机器人数据G=60 N，L1=100 mm，L2=300 mm，g取10 m/s2代入式(20)~(21)，得F1=66.67 N，F2=20 N。从结构可看出，重力作用下的下滑力对机器人本体可靠吸附影响最大，通过受力分析计算得出单个吸盘至少要能产生66.67 N的真空吸附力才能固定机器人在墙面不下滑。

　　接下来将以此来确定吸盘直径，确定吸盘直径公式为：

　　查阅真空发生器相关参数知真空度为0.08 MPa，根据式(22)~(23)代入相关系数，并解得D≈50 mm。根据工作环境对吸盘材料的影响，采用丁腈橡胶作为吸盘材料，选择吸盘直径为50 mm。

　　3有限元分析

　　在三维建模模拟中，机身支撑板、舵机支架框均用螺钉固定。通过对构件的模型进行模拟受力分析，以确定分析件所能承受静应力的大小和范围。机身主体支撑板、舵机支架框选用镁铝合金板。

　　采用三维设计软件SolidWorks对机身支撑板、舵机支架框进行有限元分析，可得舵机支架框在对等静应力条件下强度变形云图如图10所示，机身支撑板在对等静应力条件下强度变形云图如图11所示。图中绿色点簇为设定螺钉螺栓固定点，箭头所指方向为给定外力作用方向。本文对舵机框设定的外力为30 N，设定变形比例为1 000，在此条件下有轻微变形，而在比例为100时无法识别出变形，即设计的结构尺寸、材料选取合理。对机身支撑板设定的外力为500 N，设定变形比例为500，在此条件下可看出有轻微变形情况，而在比例为100左右时无法识别出变形，即设计的尺寸、材料选取符合预期结果。通过分析可知，机身支撑板、舵机支架框满足爬壁机器人在运动过程中的强度要求，设计合格。

　　4结束语

　　本文设计了一款结构质量轻、运动灵活、爬行稳定、吸附力强、运动可靠的壁面爬行机器人，给出了爬壁机器人运动的相关方式及参数，完成了爬壁机器人腿部机构的运动学分析，通过三维软件建模装配，分析了模型之间的干涉影响并对其进行修改，大大缩减了研发过程。对三维模型进行了运动仿真分析，并利用SolidWorks三维设计软件对机器人受力部分部件进行了有限元分析，最后开展了滑落与倾覆两种情况的静力学分析，确定了安全受力范围。本文设计的爬壁机器人可进一步通过合理布局，根据不同场所自主化定制，增加爬壁机器人的功能，此外还可配置多种传感器拓展应用于不同环境。

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