爬墙机器人研究与制作

第１９卷第２期

２０ｌＯ年６月

Ｊｏｕｍａｌ

淮海工学院学报（自然科学版）

ｏｆＨｕａｉｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌｓｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）

ｖ０１．１９Ｎｏ．２

Ｊｕｎ．２０１０

Ⅸ）Ｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－６６８５．２０ｌＯ．０２．００４

爬墙机器人研究与制作

黄文攀，戴永雄，范茂飞，乔

斌，刘明芹

（淮海工学院机械工程学院，江苏连云港２２２００５）

摘

要：随着高层建筑的日益增多，高空作业需求越来越大，催生了对攀壁机器人的市场需求。设

计制作了一种爬墙机器人，它能够到达垂直平面的任何地方，其机械结构合理、紧凑，重量轻，行动灵活，可靠性高，有良好的人机交互接口，可进行远程遥控及自动运行。分析了爬墙机器人在墙壁上灵活运动需解决的关键问题，设计了机器人的结构及吸附和运动的方式，并基于ＰＲＯ／Ｅ三维软件的模拟仿真，制作了采用真空吸附系统的多自由度壁面灵活运行机器人。实现了爬墙机器人在墙壁上可靠吸附与灵活运动的功能。关键词：爬墙机器人；真空吸附；分层结构

中图分类号：ＴＰ２４２．３

文献标识码：Ａ

’

文章编号：１６７２—６６８５（２０１０）０２—００１２一０４

Ｓｔｕｄｙ

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Ａｂｓｔ阳ｃｔ：Ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｈｉｇｈ．ｒｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｎｄｈｉｇｈ－ａｌｔｉｔｕｄｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｇｉｖｅｒｉｓｅ

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０

引言

爬墙机器人（ｗａｌｌ

ｃｌｉｍｂｉｎｇ

在外，需要进行许多维护工作，迄今为止，这类工作仍由人工搭乘吊篮进行高空作业来完成，这种作业

ｒｏｂｏｔ）是一种移动

方式对人身安全和大楼壁面构成很大威胁，并且效率低、成本高。基于此，笔者研究并制作了一种爬墙机器人，该爬墙机器人由气缸推进机构、舵机旋转机构和舵机翻转机构构成。吸附系统由相对独立的两

式服务机器人，它可以在垂直壁面或顶部移动，是极限作业机器人的一个分支。现代城市高楼林立，大厦壁面大多采用瓷砖结构或玻璃幕结构，常年裸露

收稿日期：２０１０－０５—１０；修订日期：２０１０－０５－２７

基金项目：２００９年江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目

作者简介一黄文攀（１９８６一）。男，朔南郴州人，淮海工学院机械工程学院学生，主要从事机械设计制造及其自动化方面的研究，（Ｅ．ｍａｉｌ）

ｌｍｑｌ９１＠１６３．ｃｏｍ．

第２期黄文攀等：爬墙机器人研究与制作１３

组真空吸盘构成，它们交替吸附完成步进式移动，每器人在墙壁直角处的结构转换，第２，３层之间构成组吸盘都可通过调节来适应墙面垂直度的变化。采壁面移动机构，分别由两组吸盘构成，它们之间用具用分层吸附，吸附可靠，运行灵活。该爬墙机器人行有若干相对自由度的机构连接，当第２层上的吸盘动灵活，锑动精度较高，能在墙壁上进行直线移动或吸附工作时，第３层结构移动，然后第３层上的吸舟按要求的轨迹任意方向移动或停留，可以翻越内直吸附工作，第２层结构移动，以此往复运动以实现机角墙壁，同时可以携带其它工具来完成诸如擦玻璃、器人在平面内的直线运动，结构图如图２所示。同喷漆、消防等作业。该机器人还有摄像及信息传递时，在第２，３层之间设旋转机构，以保证机器人在平功能，能将所吸附壁面的状态和周围情况传递给监面内全方位移动。

测者并可通过终端显示。１

机器人结构设计

该机器人是利用真空吸附方式来实现爬墙功

能，其真空吸盘对墙壁的平整度和光滑度要求相对较高。壁面上的缝隙及凹凸会使吸盘不能形成真空吸附最终导致机器人爬墙失败。因此，如何有效解决真空吸盘可靠吸附的问题成为爬墙机器人完成爬墙任务的关键技术问题。为此，不能一味地追求盘ｌ一腿部连接杆；２一真空吸盘；３一主体旋转轴；仁上层立体板

径大、吸力强的大吸盘，大吸盘的吸力强固然有利于圈２机器人结构

保障机器人在墙壁上的可靠吸附，但其盘径大，遭遇Ｆ嘻２

Ｒｏｂｏｔｃｈａｎ

壁面裂纹等瑕疵的几率也相对较大。同时，鉴于机器人体质量和尺寸等一系列因素，可采取减小吸盘爬墙机器人的前后移动的驱动方式是比较难确直径、增加吸盘数量的措施ｉ并合理布置吸盘之间的定的，笔者最初拟订了３种方式，第１种方式为步进相对位置，使吸盘不在同一直线上，一旦遇墙壁缝隙电机驱动，即是将步进电机的转动通过蜗轮蜗杆机及凹凸等问题时，能够保证其中一定数量的真空吸构转换成直线运动，但是经过实验发现能带动机器盘可靠吸附，从而最终保证机器人在墙壁上的可靠人身体移动的步进电机的体积比较大，而且由于行行走。该爬墙机器人采用了四足步进机构，仿真图

程必须在５０ｍｍ左右，导致整个前后移动机构比较如图１所示。

长，超出了身体的设计范围，再加上步进电机的转动限制上下两部分身体的作用点只有一个，这样就很容易引起机器人在移动的时候发生歪斜。第２种方式为电磁吸附结构，即是在上下身体之间装上电磁铁和弹簧。电磁铁固定在下部身体上，被吸附装置固定在上部身体上（被吸附装置是弹簧）。当通电时，电磁铁产生吸力，将上部身体吸过来；当断电时，弹簧将上部身体弹出去。但是实验发现电磁铁的吸附距离非常有限，而且弹簧的存在导致前后移动不平稳。第３种方式采用双气缸推动，此种结构不仅简单，而且移动方式平稳，移动速度快，缺点是冲击

圈１机器人仿真力比较大，通过实验最终发现控制气体压力可以减Ｆｉｇｌ

Ｒｏｂｏｔ

ｓｉⅡＩｕｌａｔｉ佃

小冲击力，得到较好的效果，因此前后移动采用第３种双气缸方案。

利用真空吸盘的吸附原理，采用脚步式移动机该机器人的结构设计能翻越内直角墙壁，图３构。机器人采用３层结构。第１，２层之间通过连杆为机器人爬内直角面的示意图，由上层先行吸附到

机构进行连接，控制第一层进行直角翻转以实现机

另一侧的直角壁，然后下层吸盘翻转过来再由１层

１４

淮海工学院学报（自然科学版）２０１０年６月

拖拽过去。吸附过程为：伸缩臂３伸出，把上层主体板２抬起呈垂直状态，上层主体板２上的吸盘腿１翻转，使吸盘靠近墙壁并吸附伸缩臂收缩，带动下层主体板４翻转到垂直位置，下层主体板４上吸盘腿翻转，使吸盘吸附在墙壁上，翻转结束。机器人腿部仿真图如图４所示。

图４单条腿部仿真

Ｆｉ晷４

ＳｉｍⅡｌａｔｉｏｎ

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ａ

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２

电路及气路设计

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２上层主体板由于机器人的前进、转弯、翻墙等动作全部靠舵

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３伸缩臂机完成，根据舵机的控制特点是精确ＰＷＭ波，所需Ｅ

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４下层主体板舵机数目较多，因此采用单片机内部中断。和在程ｂ

５

腿部连接杆

ｌ

序中设置变量进行比较产生多路ＰＷＭ波，控制电路原理如图５所示。舵机的控制电路相对简单，为③

④

了净化ＰＷＭ波，控制电路采用光电耦合开关加反图３墙壁直角正交行走

相器。在气动控制中主要用了电磁阀和调速阀，其Ｆ嘻３

ｗａＩＩｒｉｇｈｔ．ａ雌ｋｏｒｔｈ蟾。啮１ｗａｌｋｉｌｌｇ瑚ｐ

气动回路原理如图６所示。

图５电路原理Ｆ嘻５

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第２期黄文攀等：爬墙机器人研究与制作

１５

图６气动回路原理

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气泵产生的气压转化为吸盘的吸力，较好地实现了对墙壁的吸附。利用气缸的伸缩实现了机器人的前后移动，方便而且稳定，利用舵机的转动与机械结构相结合实现了机器人的各种腿部动作与翻转动作。但该设计方案还存在一些不足之处，如选用的零部件较重，导致机器人质量太大，重心不稳；气管过长，气压的利用率太低，导致需求气压很大；不能实现气源自带功能等，这些问题还有待于进一步的讨论和研究。

３机器人的实物调试

最终根据仿真图作出实物如图７所示，实验结果表明该机器人能很好地吸附在墙壁上，并能实现平面内３６０。转动与内直角墙壁翻越功能，能较准确地实现腿部动作及前后移动，该机器人实现了最初的设计目的。但是实验过程中也发现了一些不足之处，例如所需气源装置的压力较大，整个身体结构不够紧凑。这些有待后续工作中改进。

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图７机器人实物Ｆ嘻７

Ｒｏｂｏｔ

［６］

ＢＲＡＩＮ

Ｃ，ＢＡＬＭＦＯＲＴＨＮＪ．Ｂｕｉｌｄｉｒｌｇ

ａ

ｂｅｔｔｅｒｓｒｍｉｌ：

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ａｄｈ酷ｉｖｅｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓｏｆＦｌｕ．

ｐｈｙｓｉ馈Ｉｍａｐ

ｉｄｓ，２００５（５）：１７—３０．

［７］潘雷，赵言正，钱志源，等．具有双负压吸盘的爬壁机器

４

结论

本文所设计的爬壁机器人是利用真空发生器使

人吸附特性［Ｊ］．上海交通大学学报，２００５，３９（６）：８７３—

８７６．

（责任编辑：吉美丽）

爬墙机器人研究与制作

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

黄文攀， 戴永雄， 范茂飞， 乔斌， 刘明芹， HUANG Wen-pan， DAI Yong-xiong， FANMao-fei， QIAO Bin， LIU Ming-qin

淮海工学院机械工程学院,江苏,连云港,222005

淮海工学院学报（自然科学版）

JOURNAL OF HUAIHAI INSTITUTE OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCES EDITION)2010，19(2)0次

参考文献(7条)

1.张铁.谢存禧 机器人学 2005

2.成大先.王德夫.姬奎生 机械设计手册单行版--气压传动 20043.刘文涛 单片机语言-C51典型应用设计4.孙恒.陈左模 机械原理 20085.许福玲.陈尧明 液压与气压传动 2007

6.BRAIN C.BALMFORTH N J Building a better snail:lubrication and adhesive locomotion 2005(5)7.潘雷.赵言正.钱志源 具有双负压吸盘的爬壁机器人吸附特性 2005(6)

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介绍了一种爬墙机器人的设计原理及无线遥控的实现方法.该系统是根据真空吸附原理设计的一个能在垂直墙面上通过脚步行进方式,在4个方向垂直移动的爬墙机器人及其控制系统.控制系统采用单片机控制,通过接收无线遥控信号来实现上升、下降、向左、向右及停止五个基本动作的有序控制,为进一步实现复杂动作及实际应用打下了良好的基础.

2.期刊论文 宦洪才.张茂青.高玮玮.HUAN Hong-cai.ZHANG Mao-qing.GAO Wei-wei 爬墙机器人控制系统设计与单片机控制 -苏州大学学报（工科版）2005,25(6)

介绍了根据真空吸附原理,设计的一个能在垂直墙面上,通过脚步行进方式,在4个方向上垂直移动的爬墙机器人及其控制系统.其控制系统采用单片机控制,实现5个基本动作的有序控制

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本文根据真空吸附原理,采用先进的气动元器件设计一个能在垂直墙面上,通过脚步行进方式,在四个方向垂直移动的气动爬墙机器人.其控制系统采用可编程控制器,实现5个基本动作的逻辑控制和顺序控制.

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