基于振动吸附法的模块化爬壁机器人设计与试验

王立明，张臻臻，童章印，沈俊睿，谭 鹏，李洪斌，曲建华，杨 通

(北京航空航天大学宁波创新研究院，浙江 宁波 315800)

对于爬壁机器人来说，其所具备的最基本的功能是能够在各种壁面上可靠地吸附，因此吸附技术成为爬壁机器人设计的关键技术之一。目前采用的表面吸附方式主要有磁吸附、真空吸附及特种吸附等。其中磁吸附只能应用在磁性材料的表面，其应用场所受到限制[1-3]。特种吸附法是一种在特种环境下使用的吸附方法，对环境及材料的要求较高，不具有一般性[4-5]。真空吸附法是目前应用最广泛的方法，但需要连接管路或者装备真空泵等，机器人很难做到小型化、轻量化，而且不能应用于壁面粗糙的场所。

振动是一种有规律的运动，其能够使物体保持动态平衡。文献[6]基于振动吸附法原理建立了振动吸盘的数学模型，并通过壁面吸力实验验证了模型的正确性，得到了振动过程中负压随振幅和频率的增大而增大、振动中存在正压过程等结论。本文将振动吸附法应用于小型多关节爬壁机器人，在设计了一种新型吸附模块的基础上进行了机器人的结构设计，并进行了样机试验。

1 振动吸附模块的设计

对单个吸盘施加振动激励，很难达到稳定吸附的目的，因此一般采用两组吸盘交替振动，如图1所示，用一个偏置的曲柄滑块机构，当电机旋转时，上、下基座反向移动，与这两个基座相连的吸盘交替吸附，从而达到两组吸盘交替振动吸附的目的。吸盘材质选择耐老化、性能稳定的硅橡胶。

1—上吸盘底座；2—下吸盘底座；3—与振动电机相连的偏心轮

振动吸附机构如图2所示，根据三点确定一个平面的原理，每组采用3个吸盘，各组吸盘均匀分布固定在吸盘座上，为了稳固，相邻两个吸盘固定在不同的基座上，振动电机固定在电机基座上，并与上吸盘座固连，偏心轮与下吸盘座固连，在电机的带动下，偏心轮在曲柄滑块机构上做旋转运动，从而实现下吸盘组和上吸盘组的相对振动。

1—振动电机；2—下吸盘组件；3—上吸盘组件;4—曲柄滑块机构

在两个吸盘座之间需要一个导向机构，以确保振动的稳定性，并提高模块的抗倾覆能力。本文方案采用在下吸盘座上安装直线轴承和钢柱来完成导向工作，钢柱上端与上吸盘座固连，直线轴承与钢柱配合，具有摩擦力小、质量轻、易于安装等优点，其结构如图3所示。

1—钢柱;2—上吸盘座；3—下吸盘座；4—直线轴承

在设计机器人时必须解决一个问题：如何在不影响机器人稳定性的情况下，利用振动产生吸力。因此需要设计一个稳定保持座来缓冲振动吸附模块产生的力，使振动不会影响机器人的稳定性。稳定保持座与振动吸附机构之间安装有减震弹簧，以使振动吸附机构在下推过程中产生的力可以传递给稳定保持座，而在上拉过程中产生的力不传递到稳定保持座，通过弹簧的减震作用，达到机器人稳定的目的。稳定保持座如图4所示，其中上面的孔用于与其他零件连接，其余面上均布排列的孔,其作用是减重。

图4 稳定保持座 图5 振动吸附模块样机

振动吸附模块样机如图5所示，模块参数为：质量250 g，直径114 mm，高度30 mm。

2 振动吸附模块试验

对振动吸附模块进行吸附试验，以获得其在不同振动参数及不同吸附材料上的性能指标。

振动吸附模块在壁面上的失效形式主要有3种：1)受拉力作用而滑动脱落；2)受倾覆力弯矩作用而脱落；3)受扭转力矩作用而脱落。故采用测力计分别测试3种不同受力状态下振动吸附模块的性能，如图6所示。

图6 吸附性能测试

不同壁面的吸力效果不同，本文选择玻璃作为壁面进行测试。振动的振幅由偏心距决定，振动的频率由电机电压决定。本次试验采用PWM方法控制电机速度，通过使用不同脉冲宽度调节占空比进行测试。

失效拉力、失效倾覆弯矩和失效扭矩随偏心距和占空比的变化如图7所示。从图中可以看出，当偏心距增大时，弯曲扭矩增大，这一现象与前人试验的结论一致，即负压随振幅增大而增大。失效拉力和失效扭矩不仅与负压有关，而且与吸盘的裙边有关，虽然吸盘负压增大，但失效拉力和失效扭矩减小。在参数合理的情况下，该模块的最大吸力不小于30 N，可用于爬壁机器人。

3 爬壁机器人设计

3.1 爬壁机器人基本结构

现有爬壁机器人的移动方式大多为轮式、履带式等，这些移动方式结构比较笨重且不能实现多维壁面之间的爬行，本文设计的机器人采用足式结构，能够灵活轻巧行走，且能完成内直角壁面之间的切换。

为了使机器人质量尽量轻，机器人采用双足结构，用两个振动吸附模块作为其双足。根据实现的功能将机器人分为两部分: 吸附部分和行走部分，吸附部分采用振动吸附模块，行走部分采用3个关节机构，前后两个关节实现机器人的行走，中间关节负责机器人转弯。机器人机械结构模型如图8所示，其主要由驱动电机、连接杆、前腿、后腿、安装座等组成。由于机器人质量较轻，因此驱动电机采用适合小型机器人的金属齿轮舵机。

1—前振动吸附模块；2—机器人前腿；3—前腿驱动电机；4—安装座；5—前腿连接杆；6—中间电机；7—后腿连接板；8—后腿驱动电机；9—机器人后腿；10—后振动吸附模块

3.2 控制系统设计

该机器人的控制系统由两部分组成：主控部分和子控部分。主控部分安装在中间电机上，完成以下功能：与上位机通信、分析指令、向吸附模块发送指令、控制中间电机。子控部分固定在前、后腿驱动电机上，实现对前后关节电机的控制。主控部分和两个子控部分通过I2C总线进行通信。主控部分使用ATmega16L单片机作为控制单元，子控部分使用Aemeag8L单片机。控制系统的结构框图如图9所示。

图9 控制系统框图

4 机器人试验

通过试验验证了机器人的吸附性能，机器人可在玻璃、木橱及瓷砖壁面上行走，如图10所示。机器人在3种不同的壁面上均能稳定行走，且能在有一点缝隙的瓷砖上稳定行走，说明振动吸附模块能够较好地适应有一定粗糙度的壁面。

图10 在不同壁面上行走

通过试验验证了机器人的转弯性能，通过动作设定，经过以下7个步骤可完成转弯动作：1)设定机器人的初始状态为前腿吸附在壁面上，后腿未吸附；2)后腿抬起30°，以便旋转；3)中间关节旋转，也就是后腿及后吸附模块旋转；4)放下后腿并吸附；5)前腿抬起30°；6)中间关节旋转；7)放下前腿并吸附，至此完成转弯动作。各步动作实物图如图11所示。

图11 机器人转动时的步态图

通过试验验证了机器人爬行时的壁面切换功能，通过动作设定，经过以下5个步骤可完成面面切换：1)设定机器人的初始状态为前腿吸附在水平壁面上，后腿未吸附；2)后腿抬至90°并旋转，使吸盘正对垂直壁面；3)后腿吸附在垂直壁面上；4)前腿脱离并旋转；5)前腿吸附在垂直壁面上，至此完成面面切换动作。各步动作实物图如图12所示。

图12 机器人面面切换时的步态图

5 结束语

本文根据振动吸附原理设计了一种基于振动吸附法的吸附模块，并对吸附模块进行了性能试验。应用吸附模块设计了一种小型多关节爬壁机器人，试验结果表明，该机器人可以完成直线行走、转弯和面面切换，且能在有一定粗糙度的壁面上稳定行走。本文的研究为爬壁机器人进一步优化设计提供了有益的参考。