一种多吸盘爬壁机器人原型的研制
一种多吸盘爬壁机器人原型的研制_孟宪超
一种多吸盘爬壁机器人原型的研制*孟宪超1,王祖温1,包钢1,S K T SO2,邵浩2(1.哈尔滨工业大学机电学院,黑龙江哈尔滨150001;2.香港城市大学)摘要:介绍了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计,该机器人新颖之处在于采用多个吸盘组成的吸附机构和单链条爬行及转向机构,它可以在玻璃幕墙和船壳等墙面上连续爬行,并有一定的越障能力。
主要阐述了爬壁机器人关键结构的设计、安全性分析、转弯技术和越障实现的设计思想,并简要对其控制系统进行了介绍。
关键词:爬壁;爬行机器人;吸盘;链条中图分类号:T P24文献标识码:A文章编号:1001-2354(2003)08-0030-04表面检测和清洁等工作对于高层建筑物或大型结构的安全使用和寿命非常必要,而传统的吊篮人工操作方式既危险,劳动强度又高,在世人对生命越来越尊重、对生活质量追求越来越高的同时,在过去的20多年中,科研人员研制了多种类型的爬壁机器人,希望借此能将人从危险和枯燥的工作中解放出来。
目前为止,根据机器人吸附在工作墙面上的方式,爬壁机器人大体上分为三类:真空吸附型[1~8]、磁力吸附型[1,2,3]和推力型[1]。
现阶段应用最多的就是真空吸附型爬壁机器人,这种类型的机器人又分为单吸盘爬壁机器人[1,2,4]和多吸盘机器人,前者如哈工大王炎教授主持研制的清洗机器人[2];后者如R OBI NSPEC[5],Robug-I I[6],Cleanbot-I[7]等。
在过去几年中,香港城市大学智能设计、制造及控制中心(CIDAM)和内地大学合作,致力于爬壁服务机器人的研制,开始研制了一种笛卡尔坐标式爬壁机器人[7],该机器人由平移机构和吸附装置构成,通过X轴和Y轴的交替移动,配合两轴上对应的吸盘Zx和Zy相应交替吸附,实现机器人本体的移动,该机器人稳定性好,但由于机构所限,移动不是连续的。
为了提高工作效率,受坦克履带爬行方式的启发,继而研制了这种可以连续爬行的多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot-IV,该机器人的优点是能够跨越一定的障碍,并且能够连续爬行。
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制引言：在现代工业生产和日常生活中，往往存在高难度和高风险的工作环境，例如高空施工和壁面作业。
为了完成这些任务，传统的人工操作往往会面临很大的困难，并且由于人工操作的风险较高，不利于保障人身安全。
研究和开发一种能够在高难度和高风险环境中自主完成工作的机器人变得十分重要。
一、现有问题分析：目前市场上已经存在一些可以在壁面上爬行的机器人，然而这些机器人在操作过程中往往会出现以下问题：1. 爬坡能力不足：现有机器人在爬坡时往往存在困难，因为它们很容易滑动或者掉下来，这影响了机器人的运行效果。
2. 壁面附着力不稳定：现有机器人往往存在不能牢固附着在壁面上的问题，很容易滑动或者掉下来。
3. 承重能力不足：由于现有机器人的结构和材料的限制，它们往往不能承载过重的物体，这限制了它们的使用范围。
二、解决方案：为了解决以上问题，我们提出了一种复合吸附方式爬壁机器人的解决方案。
这种机器人采用了复合吸附技术，同时结合了机械爬行的原理，能够在高难度和高风险环境中自主完成工作任务。
1. 复合吸附技术：复合吸附技术是指在机器人的表面采用多种吸附材料和吸附方式，以增加机器人与壁面之间的附着力。
我们可以在机器人的表面涂覆一层具有高粘附力的材料，例如硅胶或者橡胶，以增加机器人在壁面上的附着力。
我们还可以在机器人的表面安装吸盘和吸附器，通过负压吸附的方式，增加机器人在壁面上的稳定性和附着力。
2. 机械爬行原理：机械爬行原理是指通过机械结构和运动方式来实现机器人在壁面上的爬行。
我们可以在机器人的底部装配蜘蛛网状的脚，通过类似蛛丝丝的运动方式，在壁面上产生摩擦力，以保持机器人的稳定性和附着力。
我们还可以通过机器人的运动轨迹和节拍控制，使机器人在爬行时保持平衡和节奏，以提高其爬行效率和稳定性。
三、实施计划：为了实现以上方案，我们将按照以下步骤进行机器人的研制：1. 确定机器人的设计要求和性能指标：根据实际需求，确定机器人的最大爬坡能力、最大承重能力和爬行速度等性能指标。
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制近年来，随着机器人技术的快速发展，爬壁机器人逐渐成为研究和应用的热点之一。
爬壁机器人能够在垂直或倾斜表面上自由行走，具有广泛的应用前景，如工业、军事、建筑等领域。
复合吸附方式爬壁机器人是一种采用多种吸附方式结合而成的机器人，目前国内外已取得一定的研究进展。
复合吸附方式爬壁机器人一般由机械结构、吸附装置和控制系统三部分组成。
机械结构是机器人的骨架，负责提供机器人的稳定性和刚性。
吸附装置则是实现机器人在墙壁上爬行的关键，有多种吸附方式可供选择，如真空吸盘、粘附材料、气囊等。
控制系统则是机器人的大脑，负责实时控制机器人的运动和吸附状态。
在复合吸附方式爬壁机器人的研制中，机械结构的设计是关键。
机械结构需要具备足够的刚度和稳定性，能够承受机器人的重量和外界的干扰，同时还要具备良好的适应性，能够在不同表面上爬行。
常见的机械结构设计包括多杆机构、足式爬壁机器人和轮式爬壁机器人等。
吸附装置的设计也是复合吸附方式爬壁机器人研制的重要环节。
吸附装置需要能够紧密附着在墙壁上，提供足够的吸附力以支持机器人的重量，并能够实现快速粘附和释放。
常用的吸附方式包括真空吸盘、粘附材料和气囊等。
不同的吸附方式具有各自的优缺点，研究人员需要根据具体应用需求进行选择。
控制系统是复合吸附方式爬壁机器人的核心。
控制系统需要能够实时感知机器人的位置和运动状态，并根据这些信息调整机器人的运动和吸附状态。
控制系统还需要具备自主避障能力，能够自动适应不同表面的变化和障碍物的存在。
目前，常见的控制方法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
在研制复合吸附方式爬壁机器人的过程中，研究人员还面临一些挑战。
吸附装置的设计和制造技术需要不断创新，以提高吸附力和减小机器人的重量。
控制系统需要具备高精度和高稳定性，能够实现高效的运动控制和避障。
机械结构的设计和材料的选择也需要不断改进，以提高机器人的适应性和可靠性。
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制复合吸附（composite adhesion）是一种将多种吸附方式结合起来的吸附技术，能够提高机器人在垂直墙面爬行时的附着力和稳定性。
本文将介绍复合吸附方式爬壁机器人的研制，包括原理、设计和实验结果。
一、原理复合吸附方式爬壁机器人主要由两个部分组成：吸附装置和爬行机构。
吸附装置包括多个吸附器件，如粘性吸盘、微胶囊吸盘和真空吸盘。
这些吸附器件可以根据需要组合使用，以实现对不同表面的吸附。
爬行机构包括多个运动单元，如轮子和摆臂。
这些运动单元可以协调运动，以实现机器人在墙面上的爬行。
二、设计复合吸附方式爬壁机器人的设计主要包括吸附装置设计和爬行机构设计。
吸附装置设计：吸附装置应该能够适应不同表面的吸附需求，同时又能够提供足够的附着力和稳定性。
可以采用多种吸附器件组合使用，根据不同表面的特点选择合适的吸附器件。
对于光滑表面可以使用粘性吸盘，对于粗糙表面可以使用微胶囊吸盘。
还可以利用弹性材料和真空吸盘的协作，提高机器人在墙面上的稳定性。
爬行机构设计：爬行机构应该能够协调运动，以实现机器人在墙面上的爬行。
可以采用多个运动单元来实现机器人的运动。
可以设计两个摆臂和两个轮子，摆臂用来控制机器人在墙面上摆动，轮子用来控制机器人的直线运动。
摆臂和轮子的运动可以通过电机控制，以实现机器人在墙面上的爬行。
三、实验结果为了验证复合吸附方式爬壁机器人的有效性，进行了一系列的实验。
实验使用了不同表面的墙壁作为测试平台，包括光滑表面、粗糙表面和倾斜表面。
实验结果表明，复合吸附方式能够显著提高机器人在墙面上的附着力和稳定性。
通过使用不同的吸附器件，机器人可以适应不同表面的吸附需求。
通过协调摆臂和轮子的运动，机器人可以在墙面上稳定地爬行。
实验结果表明，复合吸附方式爬壁机器人是一种有效的爬壁机器人设计。
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制摘要：随着机器人技术的不断发展，爬壁机器人因为其在高空作业、城市建筑维护等领域具有巨大的应用前景，成为了研究热点。
传统的爬壁机器人在使用过程中存在着结构复杂、负载能力有限等问题。
为了解决这些问题，本文提出了一种复合吸附方式的爬壁机器人，并对该机器人进行了研制和测试。
实验结果表明，该爬壁机器人具有良好的爬壁性能和负载能力，可以在多种复杂环境下进行高效作业。
一、引言随着现代科学技术的飞速发展，机器人技术已经逐渐普及到日常生活和工业生产的方方面面。
爬壁机器人因为其可以在垂直墙面上自由行走，有着广阔的应用前景。
爬壁机器人可以被应用于高空作业、城市建筑维护、钢结构检测等领域，不仅可以减少人力劳动，提高工作效率，还可以保证工作人员的安全。
研究爬壁机器人的结构设计和运动控制技术具有重要的意义。
传统的爬壁机器人在使用过程中存在着一些问题。
传统的爬壁机器人通常采用轮式或者履带式的结构，这种结构在爬升过程中容易受到墙面粗糙度和倾斜度的影响，很难保持稳定的运动。
传统的爬壁机器人通常采用单一的吸附方式，例如真空吸盘或者磁吸盘，这种吸附方式在不同的墙面材质和环境下的适用性较差。
传统的爬壁机器人负载能力有限，无法满足实际工作的需求。
为了解决传统爬壁机器人存在的问题，本文提出了一种复合吸附方式的爬壁机器人，并对该机器人进行了研制和测试。
本文首先介绍了该爬壁机器人的整体结构设计和吸附方式的选择，然后对其进行了性能测试，并分析了测试结果。
二、复合吸附方式爬壁机器人的设计为了克服传统爬壁机器人存在的问题，本文设计了一种复合吸附方式的爬壁机器人。
该机器人的结构如图1所示，主要由底盘、吸盘模块、运动轮模块和控制系统组成。
底盘部分采用了轻质高强度材料制造，具有良好的承载能力和稳定性。
吸盘模块采用了气动真空吸盘和电磁吸盘相结合的方式。
气动真空吸盘可以根据墙面的粗糙度和倾斜度自动调整吸附压力，保证爬升的稳定性；而电磁吸盘可以在需要时进行快速吸附和释放，提高了机器人的工作效率。
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制一、复合吸附方式爬壁机器人的概念和优势复合吸附方式爬壁机器人是一种利用多种吸附技术结合的爬壁机器人，其主要包括真空吸附、电磁吸附、压力吸附等吸附方式，通过组合使用这些吸附方式，在不同的墙面环境下都能够实现良好的粘附和移动能力。
相比于传统的单一吸附方式爬壁机器人，复合吸附方式爬壁机器人具有以下几点优势：1. 环境适应性强：通过多种吸附方式的组合，复合吸附方式爬壁机器人可以适应不同材质和不同表面状态的墙面，如平滑玻璃、粗糙混凝土等。
2. 移动稳定性高：多种吸附方式的组合可以减少单一吸附方式的不足，提高机器人在墙面上的稳定性和可靠性。
3. 维护成本低：相比于常规爬壁机器人，复合吸附方式爬壁机器人的吸盘和电磁吸附装置等零部件更加坚固耐用，使用寿命更长，维护成本更低。
二、复合吸附方式爬壁机器人的研制过程复合吸附方式爬壁机器人的研制过程包括初始需求确定、技术方案选择、关键技术攻关、样机制造和试验验证等多个阶段。
关键技术攻关是整个研制过程中最为重要和困难的环节，其包括复合吸附方式的整合设计、控制系统的研发、传感器的设计等多方面内容。
1. 初始需求确定初始需求的确定是整个研制过程的起点，需要根据具体的应用场景和需求确定复合吸附方式爬壁机器人的性能指标、工作环境和工作任务等，以便为后续的技术方案选择提供参考依据。
2. 技术方案选择在初始需求确定的基础上，需要进行各种技术方案的比较和选择，确定最优的复合吸附方式组合，并设计出相应的技术方案，包括吸附结构设计、控制系统设计、传感器设计等内容。
4. 样机制造和试验验证在各项关键技术攻关完成后，需要进行样机制造和试验验证，对复合吸附方式爬壁机器人的性能和可靠性进行全面的测试和验证，以保证其在实际应用中的有效性和稳定性。
三、复合吸附方式爬壁机器人的技术特点复合吸附方式爬壁机器人具有以下几个技术特点：1. 多种吸附方式的整合设计：通过组合利用真空吸附、电磁吸附、压力吸附等多种吸附方式，实现对不同墙面的适应和粘附。
一种新型爬壁机器人研究
发生器 ， 每个吸盘组用 １ 个真空感测器 ， 这就要解决判 断 吸盘组 中 ３个吸 盘真空 是否 建立 的问题 。吸盘组 各 个吸盘都安装真空安全 阀， 以保证单个吸盘的真空建 立独立于其他吸盘。机器人本体和负载重量共为 ３０ ５
２ 机器 人机 构 组成
一
这两 个基 本功 能 。 目前 ， 面 吸 附功 能 的 实 现 主要 依 壁 靠真空 吸附和磁 吸 附两 种 方 式 ； 动 功 能则 大 多 通 过 移
轮式 、 履带式 、 双层 框 架 式 和 足式 等几 种 机 构来 实现 。 爬壁机 器人 应该 具有 以下 技术 特点 ：
关键 词 ： 壁机 器人 ； 空吸 附 ； 爬 真 位姿 误差 ； 心调 整 质
中 图分类 号 ： Ｐ ４ 文献标 识码 ： 文章编 号 ：０ ０ ５ （ ０ ０ １ －０ ５０ Ｔ２ Ｂ １０ ４８ ８ ２ １ ）００ ５ －４
１ 引 言
机 构 移动 速度快 、 载能 力强 和腿 足式机 构快 、 障能 负 越
爬壁 机器 人在机 器人 领域 中作 为一种 特 殊 的移动
机器 人受 到越来 越 多 的重 视 。为 了在壁 面环 境 中顺利 执行 作业 任务 ， 爬壁 机 器人 必 须 具 备 壁 面 吸 附 和移 动
力好 、 壁面适应性高的优点 ， 了一种框架腿足复合 设计
式爬 壁机 器人 机构 。文 中介绍 了这 种复 合式 机构 的构 型及 结构特 点 ， 建立 了运 动学模 型 ， 在 此基 础上分 析 并 了位姿 误差 ， 出 了仿 人质 心调 整 步态控 制方 法 ， 提 最后 对 机器 人 的运 动控制 过程进 行 了实验 验证 。
般来 说 ， 多 足 机器 人 的腿 部 机 构安 装 在 一个 将
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制复合吸附方式爬壁机器人是一种能够在垂直墙壁上行走的机器人，其工作原理是通过吸附力与摩擦力的相互作用实现。
通过复合吸附方式，机器人可以在各种表面上行走，如金属、混凝土和玻璃等。
爬壁机器人的研制主要包括以下几个方面的内容。
爬壁机器人的结构设计是研制的重要一环。
机器人的结构需要考虑到其在垂直墙壁上的行走能力，同时保证其稳定性和安全性。
一般而言，爬壁机器人采用轮式或者足式结构。
轮式结构多由多个电磁吸盘和滚轮组成，通过吸附力和摩擦力在墙壁上行走。
足式结构则模仿了人类的行走方式，通过“脚”的运动在墙壁上行走。
在结构设计过程中，需要考虑机器人的自重、吸附力和摩擦力的平衡关系，使机器人能够平稳地行走。
爬壁机器人的吸附方式是研制的关键之一。
常见的吸附方式有真空吸盘和粘附剂吸盘。
真空吸盘通过创造真空环境产生吸附力，而粘附剂吸盘则将吸附剂粘附在机器人的吸附部件上，通过粘附力实现吸附。
不同的吸附方式适用于不同的表面材质，选择合适的吸附方式对机器人的行走效果至关重要。
爬壁机器人的控制系统也是研制的关键环节。
机器人的控制系统需要能够控制机器人的运动、吸附状态和精确位置，以保证机器人在墙壁上行走的稳定性和安全性。
通过传感器和控制算法，可以实现对机器人运动的控制和实时监测，使机器人能够自主地行走。
爬壁机器人的应用领域非常广泛。
在建筑工地中可以用于高楼外墙的清洗和维护；在工业领域中可以用于高处设备的维修和检测；在军事领域中可以用于侦查和勘察等。
爬壁机器人的研制和应用对提高工作效率、降低人力资源成本具有重要意义。
复合吸附方式爬壁机器人的研制是一个综合性的工程，涉及机器人的结构设计、吸附方式、控制系统等多个方面。
通过不断的研究和改进，爬壁机器人的性能和应用将得到进一步提升。
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表面检测和清洁等工作对于高层建筑物或大型结构的安 全使用和寿命非常必要， 而传统的吊篮人工操作方式既危险， 劳动强度又高， 在世人对生命越来越尊重、 对生活质量追求越 来越高的同时， 在过去的& 科研人员研制了多种类型 )多年中， 的爬壁机器人， 希望借此能将人从危险和枯燥的工作中解放出 来。目前为止， 根据机器人吸附在工作墙面上的方式， 爬壁机
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许负载， 它可能从工作墙面上滑下或倾翻， 因此， 安全性分析对 爬壁机器人十分重要。 " ! ! 安全吸附的条件 为了确定 * 分析机器 + , . / 0 1 4 的负载能力和安全性能， 23 人所受的力。 当机器人吸附在墙壁表面 （这里以玻璃幕墙为例 分析） 上时， 受力情况如图$所示， 各符号意义如下：
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摘要： 介绍了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计， 该机器人新颖之处在于采用多个吸盘组成的吸附机构和单链条爬 行及转向机构， 它可以在玻璃幕墙和船壳等墙面上连续爬行， 并有一定的越障能力。主要阐述了爬壁机器人关键结构的 设计、 安全性分析、 转弯技术和越障实现的设计思想， 并简要对其控制系统进行了介绍。 关键词： 爬壁； 爬行机器人； 吸盘； 链条 中图分类号： $ * & + 文献标识码： , 文章编号： （ ） ! ) ) ! & . ( + & ) ) . ) / ) ) . ) ) + 行走机构模仿坦克履带结构。 坦克采用双履带行走和转 向， 对于爬壁机器人， 爬行中底部的履带要通过吸盘吸附在工 作面上， 如果采用双履带， 机器人转向理论上不易实现， 因此决 定采用单履带模式。 在一封闭链条上安装吸盘形成一条行走履 带， 通过前后两个直径为 ! 来支撑驱动履带， 并 & &D D 的链轮， 象坦克一样， 在链轮上方设置支撑张紧轮。 前轮用来控制爬行 的方向， 一个双作用气缸用来控制前轮转向， 后轮用于驱动爬 行， 由一交流伺服电机通过减速机构来驱动， 减速机构的核心 是一谐波减速器 （ ） ， 电机选的是三菱的交流伺服电机 !’! & : （F ） ， 体积小， 单位体积功率大。 电机驱动后轮驱使 5-# G " ! & 1 机器人向前运动， 当转向气缸驱动前轮偏转一定角度， 前部链 条会随之转动一定的角度， 因而， 机器人会改变其前进方向， 所 以， 链条具有一定的柔性对系统的转向很重要， 链条的每一关 节可偏转& 转向的实现问题在下面进一步探讨。 & + (。
!
系统概况和关键结构
5 ; < = > 7 6 ? 2 C 能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬 行， 主要由行走及转向机构、 吸附机构、 吸盘组导向和提升装置 以及控制系统组成， 主要部件如图 ! 所示。 该机器人长约 @ & ) 宽. 高约. 重约& 。 D D、 @ )D D、 @ )D D、 )E 9 ! & ! 行走机构 ， ? I < J < J < K K L 6 >= > = ; K L KN = K O = J J L < P6 8 ?8 6 >? I << R < J L D < > ? ? I 8 K 9 M Q Q ? I <6 ? L D 8 DQ = J = D < ? < J K6 S; < = SQ < < ; L > 6 D 6 > < > ?N < J <S 6 8 > P Q 9O Q ， J = L P ; = > P< S S < O ? L T < ; ’ $ I J 6 8 I= K K < D 7 ; S ? I <N I 6 ; <D = O I L > < Q M M 9 M6 ， K L D 8 ; = ? L 6 >= > = ; K L K= > P D 6 P L S L O = ? L 6 > 8 6 >? I << R < J L D < > ? ? I < M Q Q P L L ? L U < PD P 6 < ;6 SQ J 6 P 8 O ?; < T < ; < P; < = SQ < < ; L > S SD = O I L > <N = K 9 96
0 6 7 8 2 2: ， 5 ; < = > 7 6 ? 2@ 等。 0 % 1 2 3 " * 4 5( ， 9 在过去几年中， 香港城市大学智能设计、 制造及控制中心 （5 和内地大学合作， 致力于爬壁服务机器人的研制， 开 2 A ,B）
［ ］ @ ， 该机器人由平移机 始研制了一种笛卡尔坐标式爬壁机器人
图# $ % & ’ ( ) * + , ! 受力示意图
当机器人在玻璃幕墙上爬行时， 两种危险的情况可能发 生： 一种它可能从墙面上滑下； 另一种情况是由于最上方接触 的吸盘由于受倾翻力矩太大脱离墙面， 引起机器人的倾翻。 设 计中， 机器人的机构受力应满足避免下滑和避免倾翻两个条 件， 为了简化， 这里只考虑了静态吸附情况。 （ ） 为了避免机器人从墙面上滑下， 根据摩擦力的特性， 同 ! 样工况下， 最大静摩擦力要大于滑动摩擦力， 所以有：
； 修订日期： ! 收稿日期： & ) ) & ) @ & ) & ) ) . ) & & ! 基金项目： 香港政府工程研究基金 （5 ） 和科技创新署科技创新基金 （ ） 共同资助项目。 4 0 G" H ) + ) + ) @ 2 " V " H . ( ) ) ) : 万方数据 作者简介： 孟宪超 （ ） ， 男， 山东青岛人， 助理研究员， 博士研究生， 专业方向： 机器人机构及控制技术。 ! H @ ! -
框架 & 气源 . 转向气缸 + 前轮 ( 链条 : 导向凸轮 @ ! & & & & & & & 伺服电机 ) 谐波减速器 / 吸盘 H 导向滚轮 ! 后轮 （驱动轮） & & ) & 图! " # $ % & ’ ( ) * ! 的构成图
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