机电学院— 2009A0310—垂直面越障机器人结构设计与实验研究.pdfVIP

垂直面越障机器人结构设计与实验研究

长春理工大学

郑龙王鹏飞霍艳霞卢纯青申博宇

李晓舟副教授

摘要：随着社会的发展，安全意识越来越受到人们的重视，现代社会中有许多场合必须采用良好的安全措施才能

实施作业。壁面移动机器人作为极限作业的一种，在核工业、石化工业、建筑业、造船等领域都得到了广泛的应用。

但当机器人遇到障碍物的时候，无法翻越过去，这一点成为爬壁机器人发展的瓶颈。基于此，我们设计了垂直面越障

机器人，采用双体结构，可实现面面转换、越障碍、越沟槽等任务。

关键词：爬壁机器人，负压，双体，越障

一、研究背景、目的及意义

现代的社会中，机器人在各行各业被广泛的使用，尤其人们对于一些特殊场合的特种机器人需要

越来越强烈。如高层建筑壁面的清洁、墙体质量的检测，以及作为侦查设备在军事领域的应用。利用

爬壁机器人不仅能大大提高高层建筑作业的效率，还可以确保人身安全。但当机器人遇到障碍物的时

候，却不可翻越，这一点阻碍爬壁机器人的发展。因此，我们采用双体结构的垂直面越障机器人，既

可以完成壁面行走的简单任务，又能实现爬壁机器人越障的功能。

二、本文研究的内容及目标

本文设计的垂直面越障机器人，既能组成小型的单体爬壁机器人完成壁面行走等简单任务，又能

组成双体爬壁机器人完成面面转换、越障碍、越沟槽等任务，具有更强的对壁面适应能力。

本文的具体工作包括:

1)设计由两个单体机器人所组成的双体机器人。

2)对密封腔进行了精密的设计，采用可收伸缩式密封结构。

3)履带式移动方式，提高车体与地面的附着力，以克服更大的倾覆力矩。

4)采用模块化设计机器人的控制系统。

（一）吸附方案的选择

该机器人采用了负压吸附的结构：伸缩性密封圈密封的负压吸附。

如图2-1所示，机器人的壳体、密封圈和壁面组成了一个密封腔。密封圈采用可伸缩式结构，增

加密封性，更好的适应墙壁。风机不断的将密封腔内的气体抽出，使腔内的气压小于腔外的气压，从

而利用产生的负压使机器人贴在壁面上。负压值的大小为密封腔内的气压与大气压的差值，负压吸附

力为负压值与负压吸附面积之乘积。负压吸附方式具有结构简单，吸附力大，壁面适应性强等特点。

图2-1弹性密封圈密封的负压吸附

（二）机器人的总体结构方案

双体机器人的总体构型如图2-2所示，移动方式采用履带式。该机器人由两个单体机器人组成，

两个单体组成之间用一个俯仰关节进行连接，由一个俯仰电机进行驱动。

图2-2双体机器人的总体结构

（三）机器人的运动规划

机器人面面转换的过程如图2-3所示。首先保持后车吸附状态，关闭前车的吸附电机，同时驱动

俯仰电机，使俯仰关节成90°，此时后车继续向前运动直到前车完全贴在壁面上；然后前车开始吸附，

后车停止吸附，前车继续运动带动后车向上移动，当前车移动的距离大于车长时，驱动俯仰电机；最

终恢复俯仰关节初始位置，前车和后车都开始吸附，从而完成了机器人面面转换的过程。

图2-3机器人面面转换

机器人越障碍的过程如图2-4所示。首先后车继续吸附，前车停止吸附，此时俯仰关节成一定角

度，此时后车继续向前运动直到前车完全越过障碍物；然后俯仰关节复位，前车开始吸附，后车停止

吸附，俯仰关节成一定角度，前车体向前运动直到后车体越过障碍物；最后恢复俯仰关节初始位置，

前车和后车都开始吸附，从而完成了机器人越障碍的过程。

图2-4机器人越障过程

机器人越沟槽的过程如图2-5所示时。机器人运动采用履带式结构，因此对沟槽的深度没有要求，

但宽度必须小于履带长度。机器人越沟槽时，保持前后单体同时吸附行走状态，从而完成了机器人越

沟槽的过程。

图2-5机器人越沟槽过程

（四）设计计算

（1）、滑落条件

轮子与壁面之间的摩擦系数是。根据爬壁机器人