一种可越障的爬壁机器人
梁健; 叶国梁; 欧阳天德; 何锶汝; 刘泽平; 徐志翔
【期刊名称】《《机电工程技术》》
【年(卷),期】2019(048)009
【总页数】4页(P145-148)
【作 者】梁健; 叶国梁; 欧阳天德; 何锶汝; 刘泽平; 徐志翔
【作者单位】广东水利电力职业技术学院 广东广州 510925
【正文语种】中 文
【中图分类】TP242
0 引言
爬壁机器人作为智能机器人，是可以自动完成高空作业的机器人，应用于人无法触及到的工作环境进行工作，如高空清洁工作、高空维护和检测工作以及高空喷漆工作等高强度、高危险的工作[1]。但现有的高空爬壁机器人应对环境性能较差，要求幕墙面的平整度较高，如幕墙面上有凸起、弧面、棱骨、凹面，它就没办法很好地跨越这些障碍，使用范围有限、越障能力和灵活性差的问题[2]。
为了解决现有爬壁机器人适应能力差、效率低、智能性差、无法翻越障碍以及可监控性能低的问题，设计了一套智能爬壁设备来解决以上问题。 1 工作流程
图1 工作流程
高空爬壁机器人的核心技术是爬壁的稳定性，而自主设计的智能爬壁设备拥有双节式的机体设计，每个机体的都具备强有力的吸附性能，通过底盘的贴合材质与移动机构的配合使得机器人可在工作面上稳定工作，再通过滑台与机体的设计实现了机器人具备翻越障碍的功能。最后通过SLAM的智能算法使得机器人具备更高的智能性[3]。
工作流程设计的过程充分考虑了合理性、经济性、可操作性、可控制性、高效性以及可实现性。相关工作流程图如图1所示。
2 产品原理及设计
该设备的设计可分为2节相同的机体、底部移动机构和翻越装置构成，如图2所示。
2.1 相关特征参数
本产品设备尺寸如图3、图4所示。
（1）设备相关参数
本体外形尺寸（长、宽、高）：990 cm×550 cm×200 cm；
自身重量（除配套设备）：10 kg；
音频延时器可承受重量（除自重）：10 kg；
移动速度：100 cm/min；
双合金螺杆
工作电压：0～220 V；
工作功率：1 000 W；
工作温度：-40～80℃。
图2 设备设计图
（2）设备可应对环境特征参数[4]
可跨越凹陷距离：0～230 mm；
可跨越高度：0～90.5 mm；
可跨越宽度：0～230 mm；
可翻越凸起障碍长宽高：550 mm以上×380 mm以上×90.5 mm以上；车架总成
可贴合工作面角度范围：R300 mm等弧面以上（基本符合大部分玻璃幕墙弧度以及大型储存罐的弧度）。
图3 设备尺寸1
图4 设备尺寸2
2.2 相关组件分析
（1）双节式机体设计
顶网两节机体机构相同且采用3D打印完成，机体的主要设计机构如图5所示。
图5 空腔式机体设计机体
移动支架及安装部位：在机体底部需要移动部件，底部移动安装结构成内凹的形式，通过支架和安装孔与螺钉生成固定。
风腔及离心风机安装部位：每节机体通过机体上侧的离心风机对其空腔机体内部进行抽吸，使得机体空腔形成负压再通过机体底盘的吸盘设计，可实现每节机体具备在负重状态下都可以附着在幕墙上。
翻越支架及安装部位：机体前后两段内侧生成加强筋凸起的结构，可确保机体在伸缩时不会产生断裂，确保了机体的设计合理。
（2）底部移动机构的设计
如图6所示，每节机体的移动组件都由4个麦克纳姆轮与移动马达构成，其机体底部贴合材料布质材料其与软体橡胶组成，具有较好的贴合性能。
图6 移动动力机构
麦克纳姆轮：俗称可控的万向轮，全方位运动的设计可以使得整个机体前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，进一步提高了机器作业的效率与灵活性[5]。
移动马达：为麦克纳姆轮提供动力，使得机体具有移动功能。
（3）翻越机构的设计
水下作业如图7所示。
滑台：类似升降台的作用，通过滑伸缩性与机体相连接使得整个机体具有伸缩的动力，实现机体在一端机体升起时机体一共伸缩确保下一个工作面的具可吸附。
支架：拱桥形矩形框架，支架采用3D打印制作，起到滑台的滑块与联轴杆相连接，使得整个翻越机构成为一体的链接部件，该支架有着伺服电机的安装位置。
伺服电机及联轴器：俗称输减速电机及联轴器实现任意一端抬起的功能，该电机安装在支架内侧的两段的设计为翻越障碍提供抬起动力，电机机身与支架成为一体通过联轴器与两输出轴链接确保轴长足够，联轴器的另一端链接联轴杆可使得机体任何一端可抬或者旋转起实现翻越障碍的功能。
联轴杆：俗称链接杆，合金材料而成，具有较强的硬度和一定的韧性，作为两节机体的链接杆，通过伺服电机提供的动力与杆链接可使得将任意一端机体抬起。
图7 翻越机构
3 具体翻越过程和类型
（1）遇到凸面、障碍（墙面、障碍物低于机体宽度）
带电清洗剂首先通过前端底盘两侧的距离传感器检测前方障碍物体，接着机体前端机体停止吸附工作，然后通过后端机体的伺服电机带动联轴杆将其前端机体抬起，同时前端的伺服电机反转确保两个机体平行（如图8），其次通过两侧的距离传感器对其障碍物进行判断是否可以翻越，当判断可翻越时，前端机体上升到可翻越高度。
图8 翻越过程1
图9 翻越过程2
接着，后端机开始向前移动至前端机体尾部可吸附新的工作面（此处的移动距离的判断是通过前端机尾部的距离传感器判断）。前端机体下降贴合工作面开启吸附工作（如图9，此处贴合判断是通过底盘两个压力传感器来判断）。
然后后端机体停止吸附并抬起重复前端机体上升过程（如图10），完成翻越凸面、障碍。
（2）遇到拐角、阶梯面（面高于机体宽度）
首先通过前端底盘两侧的距离传感器检测前方障碍物体，接着机体前端机体停止吸附工作，
然后通过后端机体的伺服电机带动联轴杆将其前端机体抬起同时前端的伺服电机反转确保两个机体平行，当前端机体上升到极限高度时确保高度后前端机体原地下降到正常工作面上（如图8），接着利用联轴杆上的电机使得前端机体通过磁码电机的输出轴使得前端机体以链接轴旋转立起（如图11）。
图10 翻越过程3
图11 翻越过程4
接着后段机体前进直到使得前端机体贴合拐角面，（此处贴合判断是通过底盘两个压力传感器来判断）然后前端机体开启吸附后段机体停止工作，接着前端机体向前移动一定距离（如图12，此处移动距离要求移动的长度比机体长，比机体最短宽度要宽），最后后端机体复位（如图13）。
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