新型爬壁机器人越障机理及能力研究

芦红利 ，茅 健 ，闫 娟 ，李培兴

（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）

近年来，随着经济和社会的快速发展，越来越多的高楼拔地而起. 为保持良好的视觉效果，高楼多采用玻璃幕墙结构，但玻璃幕墙污染后视觉效果大大折扣，因此玻璃幕墙需要进行定期清洗.目前玻璃幕墙基本依靠人工进行清洗，不仅工作效率低、劳动强度高、工作环境高危，清洗费用以及清洗辅助机械和人员保险费用都非常昂贵. 因此，迫切需要研制一种机器人代替人进行高空的清洗工作[1−2].

作为极限作业机器人中的一个重要结构分支，越来越多的科研机构投入人力、物力进行对爬壁清洗机器人进行研究. 目前在安全吸附的前提下，爬壁清洗机器人不仅要实现快速、平稳地移动，而且要对凸起等复杂的壁面障碍物做出即时、有效的应对，这是当今爬壁清洗机器人研究领域的热点和难点之一[3−4]. 爬壁机器人根据越障原理主要行走方式分为脚足式、复合式、框架式[5−7]，它们各有优势，但同样存在控制复杂、运动不连续的问题. 根据爬壁机器人吸附壁面的原理，其主要吸附方式分为真空吸附、负压吸附、磁吸附. 真空吸附和负压吸附受到壁面环境的制约，吸附能力不够稳定；磁吸附因壁面材料的约束，无法普及使用. 要保证爬壁机器人在复杂的壁面环境下工作，且能够平稳地越过障碍物，机器人的可靠性和稳定性显得尤为重要[8].

针对爬壁机器人的不足之处，本研究基于摆臂式机器人攀爬障碍物原理[9−11]，设计一种旋翼反推式、摆臂变形履带机器人，设计摆臂变形机构，提高机器人的越障能力，并利用旋翼提供推力，克服传统爬壁机器人越障时吸附力不稳定的问题，从而实现可靠、稳定的越障过程.

1 方案设计

1.1 传统爬壁机器人越障方法

脚足式爬壁机器人跨越障碍物过程可分为[12]：1）利用负压模块吸附壁面，机器人靠近障碍物时，调整机器机械腿的位姿，使得机械腿和障碍物进行接触；2）控制机械腿第一足抬起并跨越障碍物，调整该足的位姿，使其和壁面进行吸附；3）依次控制机械腿抬起剩余足跨越障碍物，并使其与壁面贴合吸附，至此脚足式机器人的越障过程完成.

1.2 四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人越障方法

传统爬壁机器人虽能够实现越障功能，但脚足式越障方式还是存在一定缺陷，不仅增加了控制系统的复杂性，并且吸盘吸附对于复杂壁面的适应能力较差，需交替进行充放气工作. 对此，本研究提出的四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人无需控制，就能保持机器人运动的连续性. 其越障原理如图1所示.

图1 四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人越障原理图Fig. 1 Schematic diagram of four-rotor swinging arm wallclimbing cleaning robot over obstacle

2 爬壁清洗机器人结构设计

2.1 总体设计

爬壁机器人的三维模型如图2所示. 机器人主体主要包括：车身、推力机构、摆臂机构和行走机构. 为实现机器人越障的功能及姿态的多样性，机器人的摆臂设计为能够实现360°旋转. 机器人上层布置四旋翼机构用于提供机器人壁面行走及越障过程中所需的推力. 通过套筒轴实现机器人两个摆臂旋转运动与两个主履带系统旋转运动的分离，从而在不同壁面环境下实现机器人移动速度与姿态的分离调整.

图2 爬壁机器人造型Fig. 2 Shape of wall-climbing robot

爬壁机器人与牵引绳索连接，其中，牵引绳索提供牵引力，利用外接电缆的方式进行供电，保证机器人电源的可靠性，使机器人拥有更大的负载能 力. 机器人的设计参数见表1.

表1 爬壁机器人初步设计参数Table 1 Preliminary design parameters of wall-climbing robot

2.2 推力式旋翼机构设计与计算

旋翼机构是实现机器人吸附在壁面上重要的部件，旋翼驱动电机带动旋翼旋转产生推力，旋翼与电机安装在支架上，支架与连接基座固定连接，进而旋翼产生的推力可传递给整个机器人主体.旋翼机构三维模型如图3所示.

图3 旋翼机构三维模型Fig. 3 3D model of rotor mechanism

爬壁机器人在壁面行驶时，需要使自身吸附在壁面才能进行壁面清洗工作，因此需要螺旋桨提供推力. 当爬壁机器人在壁面进行工作时，机器人主要受牵引力 FQ、 重力 G 和 螺旋桨推力 F1的作用，壁面的倾角为 β(0◦≤β≤90◦)（在壁面倾角小于90°范围内，重力分力作用于壁面，壁面会给机器人提供一个支撑力），机器人在壁面运动时的受力分析如图4所示.

图4 机器人在壁面运动时受力分析Fig. 4 Force analysis of robot when moving on the wall

通过力学和运动学的知识分析可知，机器人在壁面保持平衡进行移动的条件为

由壁面倾角一般为β=0◦可得，机器人螺旋桨产生的推力为F1≥150 N，机器人所需的最小推力为150 N.

根据螺旋桨叶片尺寸和叶片旋转的方向可确定产生推力的大小和方向，推力大小的计算式为

式中：KT为推力系数；n为螺旋桨转速，最大转速为50r/s；D 为 螺旋桨直径，取值为100mm；ρ为空气密度，取值为 1.3kg/m3.

查阅文献得本研究中单个螺旋桨产生的最大推力为56.1 N，则有

T满足清洗机器人的推力需求.

3 爬壁机器人越障运动学分析

3.1 爬壁机器人的质心分布

机器人质心运动轨迹如图5所示. 设置机器人的履带后轮轴心为原点，建立坐标系xO1y，前后履带轮轴心O1O2的距离为l0， 质心 G1坐标为(l1,h1)，机器人主体质量为m1，两个摆臂的质量为m2，两摆臂与 壁面的夹角均为θ，且θ∈[0,2π].

图5 机器人质心运动轨迹Fig. 5 Center of mass motion trajectory of robot

假设机器人的宽度为b，主履带的带轮的半径为R，摆臂履带轮的半径为r，质心G2位于两摆臂的中心线上，履带前带轮轴心距质心G2的长度为l2，摆臂履带轮的轴心距离为l3，则机器人的质心坐标G(xG,yG)为

3.2 攀爬障碍物运动学分析

爬壁机器人攀爬障碍物的过程如图6所示. 当前方有障碍物出现，电机驱动机器人双摆臂逆时针旋转，旋转至摆臂履带前端高于障碍物高度；机器人向前行走至摆臂与障碍物接触，此时电机驱动摆臂顺时针旋转，机器人主体重心升高；在摆臂履带转动和机器人行走机构的共同作用下，机器人重心越过障碍物外角线，机器人成功攀爬上障碍物. 机器人下落障碍物时，摆臂顺指针旋转；在行走机构的作用下，摆臂与壁面接触，此时机器人摆臂逆时针旋转，调整角度至与壁面完全接触；在行走机构和摆臂共同作用下，机器人主体成功下落障碍物，机器人越障完成.

图6 机器人攀爬障碍物的过程Fig. 6 Process of robot climbing over obstacle

图7为攀爬障碍物时机器人质心恰好跨越障碍物外角线时的状态. 当机器人质心轨迹与障碍物外角线的垂线相切时，机器人最容易攀越障碍物. 摆臂角度 θ和机器人仰角 α关系为

图7 攀爬障碍物时机器人质心跨越障碍物外角线Fig. 7 Center of mass of robot crossing outer angle line of obstacle

将l=xGh=yG代入式（7）得到此机器人攀爬的障碍物高度H(θ,α)为

将机器人的主要设计参数代入式（8）可得，当仰角和摆臂摆角分别为α=45.4◦和θ=312.6◦时，H 的最大值Hmax=178.6 mm.

3.3 机器人爬行模型

为实现机器人在壁面平稳地运动，推力机构产生的吸附力F1与支持力形成的转矩MX和重力转矩MG的作用，旋翼电机的输出转矩MD必须克服牵引力产生的转矩ML，如图8所示. 机器人转矩平衡公式为

图8 机器人爬行模型Fig. 8 Robot crawling model

式中：MD为旋翼电机输出转矩.

当壁面存在倾角时，旋翼机构产生的推力与机器人自身的吸附力不相等.牵引力产生的转矩和重力转矩公式为

式中：G为重力；l1为绳索与壁面间距离；β为机器人牵引力间的夹角；H1为重心和壁面之间的竖直距离；σ为壁面与竖直平面间的夹角；FQ为卷扬机提供的牵引力. 支持力及其形成的转矩计算式为

式中：N1为壁面对机器人的支持力；h1为吸附力和支持力之间的距离；FG为反作用力.

通过计算可得机器人壁面运动过程中旋翼电机输出力矩的大小为

3.4 机器人攀爬阶段摩擦力分析

当机器人处于摆臂攀爬障碍物阶段时，其受力状态如图9所示. 此时，机器人主体与壁面接触，为开始攀爬障碍物时的初始状态，随着摆臂接触并攀爬障碍物，机器人的质心位置不断升高，主体与壁面的夹角越来越大.

图9 机器人摆臂攀爬阶段Fig. 9 Robot swing arm climbing stage

机器人在壁面移动较为缓慢，可以作为准静态问题进行分析，得到力和力矩的平衡方程为

式中：Fq为牵引力；F1为推力；Nf1、Nf2为支持力；Ff1、Ff2为 有效牵引力；m为机器人的质量；H为障碍物的高度；f1、f2为机器人越障过程中产生的摩擦力；G为机器人所受的重力；β为安全锁与绳子的夹角；γ为摆臂之间的夹角.

机器人攀爬过程中摩擦力可以表示为

根据机器人攀爬壁面的材质不同，壁面对机器人的牵引力存在最大值，有效最大牵引力公式为

式中：φ为摩擦角. 通过打滑的临界条件，在Ff2=Ff2max条件下，通过求解Ff1≤Ff1max可以得到机器人不发生打滑的条件为

4 仿真分析

4.1 仿真模型建立

在使用SolidWorks软件完成机器人三维模型的建立后，运用RecurDyn软件进行模型优化. 选择低速履带模块(Track LM)，利用参数化建模方式，逐个完成零件模型的建立，将其进行装配完成整个低速履带模块的建立，利用Joint约束库完成履带模块所有零件的约束，见表2. 设置履带部分和地面的接触参数，调整机器人主体和履带的位置关系，完成机器人模型的创建. 通过仿真测试，机器人模型如图10所示.

图10 爬壁清洗机器人RecurDyn仿真模型Fig. 10 RecurDyn simulation model for wall-climbing crawler

表2 单侧履带约束副对应关系Table 2 Correspondence of constraint pair of unilateral crawler

4.2 仿真性能参数设定

参数主要包括各部件材料的属性、地面接触参数及机器人的性能指标. 材料属性根据实际需求情况选择；地面接触参数主要根据接触材料属性和地面类型进行确定；机器人的性能指标包括机器人壁面行走速度、越障行走速度和越障高度等，分别设置参数为0.100 m/s、0.075 m/s和285 mm，其他仿真试验参数见表3.

表3 主要仿真参数Table 3 Main simulation parameters

4.3 仿真驱动函数设定

在履带主动轮、旋翼及控制摆臂旋转的旋转副上添加STEP驱动函数，设为STEP (TIME，t0，x0，t1，x1)，其含义是从t0时刻到t1时刻，旋转（位移）了x1−x0角度（距离）. 经过仿真试验最终得到各部件的驱动函数见表4.

表4 各部件驱动函数Table 4 Driver functions of each component

5 仿真试验结果及分析

5.1 越障仿真过程

在仿真过程中，为保持机器人能够平稳且不会发生倾覆等失效形式，需要解决以下几个问题：1）在机器人与障碍物接触前，摆臂没有调整到合适的角度而导致越障失败的问题；2）在越障临界情况下，此时存在的摩擦力不足而使机器人无法继续向前越障的问题；3）主履带即将脱离壁面时，存在后向压力不足，无法平稳过渡到障碍物上的问题；4）机器人主履带即将脱离壁面，存在倾覆问题导致越障失败.

针对上述问题，仿真过程中通过调整旋翼机构和内部电机的水平和垂直位置、履带和摆臂机构的内部结构、摆臂机构的驱动函数等方法进行解决，经过大量仿真试验，最终得到真实有效的仿真结果，如图11所示.

图11 爬壁机器人越障仿真过程Fig. 11 Obstacle surmounting simulation process of wall-climbing robot

5.2 驱动转矩和旋翼推力的拾取

进行电机和减速器选择的重要参数是驱动转矩，由于机器人越障时运动较为复杂，从而驱动转矩的计算工作变得更加困难，通过模拟实际工况，设定真实仿真参数后，可以在RecurDyn后处理模块获得驱动转矩曲线图，减少主动轮驱动电机和减速器的选型时间，仿真所得驱动转矩结果如图12所示. 通过模拟实际工况进行仿真后，可以得到旋翼推力随着旋翼的转速不断增加，最终维持在150 N的推力，整个仿真试验中机器人保持良好的运行状态，说明旋翼机构所提供的推力可以满足机器人爬壁的需求，利用仿真旋翼推力曲线可以对物理样机旋翼驱动电机和旋翼的选型提供指导，旋翼Y轴推力曲线如图13所示.

图12 履带主动轮的驱动转矩Fig. 12 Driving torque of caterpillar driving wheel

图13 旋翼产生的Y轴推力变化Fig. 13 Change of Y-axis thrust generated by rotor

5.3 越障能力及稳定性分析

为保证机器人在越障过程中的稳定性，设计目标为：1）机器人重心Y轴位置变化曲线应连续且无瞬间位置突变的发生； 2）在越障过程中，机器人重心在Y轴的加速度振幅变化较小.

爬壁机器人重心Y轴位置变化如图14所示，机器人重心Y轴变化由185增加至365 mm，整个重心位置变化曲线连续且斜度小，无位置突变情况，机器人平稳性良好. 整个曲线可以分为4个阶段：第1阶段，机器人在壁面移动，摆臂旋转到预定的角度；第2阶段，摆臂接触障碍物，摆臂开始攀爬，重心缓慢上升；第3阶段，主履带开始接触障碍物，重心逐渐升高，直至履带完全脱离壁面，其中，结束攀爬障碍物之前会有重心高于障碍物的情况发生； 第4阶段，攀爬障碍物完成，机器人重心逐渐趋于稳定. 机器人重心Y轴加速度变化如图15所示，在摆臂攀爬障碍物时加速度有小幅度变化，在主履带攀爬障碍物时加速度无明显变化. 根据图14和图15重心Y轴加速度变化曲线，验证机器人在仿真试验中能够攀爬180 mm高度的障碍物，并且在攀爬过程中能够保持良好的平稳性.

图 14 爬壁机器人重心Y轴位置变化曲线Fig. 14 Change curve of Y-axis of barycenter of gravity for wall-climbing robot

图 15 爬壁机器人重心Y轴加速度变化曲线Fig. 15 Acceleration curve of Y-axis of barycenter of gravity for wall-climbing robot

6 结 语

对传统爬壁机器人吸附和越障方式研究后，提出一种四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人，该机器人能够在保证吸附稳定性的前提下，自主完成直行和越障等动作，对提高壁面清洗效率、保证人员安全和降低清洗成本具有重要意义. 在RecurDyn/Track LM环境下进行仿真试验，得到机器人的驱动力矩、旋翼推力和重心在Y轴位移及加速度变化曲线.

1）针对传统爬壁机器人越障过程产生的控制复杂和吸附不稳定等问题，爬壁机器人通过引入柔性关节，在履带机器人本体上设计了摆臂，通过分离摆臂的旋转运动和摆臂上履带的转动，降低控制的复杂性，同时设计旋翼机构提供吸附力，减少机器人在越障时吸附不稳定的问题.

2）将SolidWorks中三维模型导入RecurDyn中，利用低速履带模块（Track LM）完成履带模块的创建，依据机器人的设计指标，设定真实的仿真参数和驱动函数，最终得到有效的仿真结果.

3）通过对仿真试验结果进行后处理，提取驱动轮的转矩和旋翼推力曲线，将其作为机器人实际物理样机的主动轮电机和旋翼电机、旋翼的选型的指导参数；并得到重心在Y轴的位移和加速度变化曲线，验证了机器人的最大越障高度和越障过程中的稳定性.