设计与制造 ２０１３年第５期（第２６卷，总第１２７期）・机械研究与应用・ 一种斜推式爬墙机器人的分析与设计 徐聪，韩奉林，刘曼玉，张瑞强，陈 帅 ４１００１２） （中南大学机电Ｘ－程学院，湖南长沙摘要：为解决爬墙机器人载重小、效率低等问题，提出了一种利用涵道风扇的斜推力使机器人吸附在墙面的爬墙原 理，并制作了一款样机验证原理的可行性。这种爬墙机器人的风扇推力与墙面之间有一个夹角，将推力分解成沿墙 面竖直向上的分力和垂直于墙面的附着力。机器人依靠风扇向上的分力和因附着力产生的摩擦力的合力而停附在 墙面。通过实验，机器人停附在墙面上所需推力小于自身重力，推力的利用率高。 关键词：爬墙机器人；涵道风扇；斜推力；吸附 中图分类号：ＴＰ２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—４４１４（２０１３）０５－０１１０－０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｗａｉｌ－ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ｒｏｂｏｔ Ｒｅｌｙｉｎｇ ｏｎ Ｏｂｌｉｑｕｅ Ｔｈｒｕｓｔ ＸＵ Ｃｏｎｇ，ＨＡＮ Ｆｅｎｇ—ｌｉｎ，ＬＩＵ Ｍａｎ—ｙｕ，ＺＡＮＧ Ｒｕｉ－ｑｉａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｓｈｕａｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏＪ’Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｈｕｎａｎ ４１００１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｌｌ—ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｂｏｕｔ ｈｏｗ ｔｏ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｄｓｏｒｂｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｌｉｑｕｅ ｔｈｒｕｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｌｖｅｒｔ ｆａｎ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａｎ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆａｎ Ｓ ｔｈｒｕｓｔ ａｎｄ ｗａｌｌ ｓｐａｃｅ．Ｓｏ ｔｈｅ ｔｈｒｕｓｔ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｐａｒｔｓ：ｔｈｅ ｕｐｗａｒｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｆｏｒｃｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｗａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｗａｌｌ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｏｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ ｏｎｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｌ１．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕ— ｓｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｒｕｓｔ ｋｅｅｐｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｉｔｓ ｏｗｎ ｇｒａｖｉｔｙ．ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｕｓｔ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｌｌ—ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｒｏｂｏｔ；ｃｕｌｖｅ￣ｆａｎ；ｏｂｌｉｑｕｅ ｔｈｒｕｓｔ；ａｄｓｏｒｂ １ 引 言 随着人类的建筑物高度不刷新，高层建筑的各种 问题随之而来，高层建筑的维护、救援成了一个棘手 问题 Ｊ。除了建筑方面，在诸如造船、石油化工等 组成，能在任意角度的平面内３６０。行驶、转向以及悬 停。通过增加相关附件，可以在墙面、棚顶等极限环 境进行清洗、检查等工作。 机器人的升力由风扇产生，风扇与车体之间有一 夹角，推力被分解成沿墙面竖直向上的分力和垂直于 墙面的附着力，见图１（ａ）所示。机器人的总升力为 工业领域 Ｊ，高空极限作业也成了不可避免的工 作。正是在这种背景下爬墙机器人应运而生。 现有的爬墙机器人大部分依靠吸盘吸附方 风扇向上的分力和因附着力产生的摩擦力之和。要 保证风扇的推力在一定范围之内以免机器人发生滑 动。在墙面上时，机器人的重力与风扇推力会产生一 式 ，对墙面要求高，大部分依靠步行前进 Ｊ，行进 速度缓慢，实际应用不理想。还有一种依靠喷气正压 力使机器人与墙面问产生摩擦力从而停留在墙面的 原理。这种爬墙机器人虽可利用目前非常成熟的大 个扭转力矩，因此需合理的设计机器人结构才能保证 机器人不发生倾覆。机器人在墙面转向行驶时，必须 功率喷气类发动机，但是大部分物体间的摩擦系数都 在０．３～０．８之间 ，机器人停留在墙面的推力是机 器人自身重力的２倍左右，显然比较困难。因此在实 际应用中，这种机器人一般通过绞盘缆线悬挂，风扇 要保持风扇的推力方向始终向上，通过合理设计，依 靠风扇和电池的自重力，很巧妙的实现了风扇自重力 竖直。 ２．１升力与附着力计算 所提供的仅是贴附力，实际应用存在诸多不便 。 笔者所讨论的爬墙机器人是一种基于笔者所提 为了便于计算，将机器人的受力状态用一个在墙 上受到一斜向上推力Ｆ作用的物体代替见图１（ｂ）所 示。物体受到向上的合力为Ｆ 当摩擦力方向向上 时，Ｆ抖与风扇和车体问夹角０及轮胎和墙面问摩擦 系数 的关系为： Ｆ井＝Ｆｃｏｓ ０＋Ｆｓｉｎ ０・ 出的斜压式新型爬墙原理，机器人依靠风扇向上的分 力和因附着力产生的摩擦力的合力而停附在墙面。 ２斜推式爬墙机器人原理 斜推式爬墙机器人主要由底盘和旋动喷气装置 收稿日期：２０１３—０８—１３ 作者简介：徐－聪（１９９１一），男，辽宁鞍山人，在渎本科，研究方向：机械设计、创新设计。 １１０・ ・机械研究与应用・２０１３年第５期（第２６卷，总第１２７期） 设计与制造 ＝Ｆ・￣／１＋ ｓｉｎ（ ＋０） （１） 其中： 为与摩擦系数 有关的参数： ｃ ＝ ／ 为提高风扇的利用率，取Ｆ井最大时的０角为最 佳偏转角，显然，此时０＝７『／２一 。而机器人所受到 的最大升力为Ｆ升…＝￣／１＋ Ｆ。 当０为最佳偏转角时，机器人的总升力Ｆ抖是风 扇推力Ｆ的￣／１ 倍，见图１（ｂ），所需最小推力比自 身重力小。引言里所提到的采用正压力吸附的爬墙 机器人，则需自身重力１．５～３倍左右的推力。因此 采用斜推方式，风扇推力的利用率被大大的提高了。 机器人的附着力大小为Ｆ附＝Ｆ・ＣＯＳ ０，附着力在 这里保证了机器人能很好的帖附于墙面，不能随意滑 动。同时，在机器人行进过程中，因贴附力所产生的 摩擦力充当了机器人前进时的轮缘牵引力。 ／ Ｆ ， － ，， ，０， ５ 一 ｜ 、 ９０・Ｉ （ｂ） 图１基本原理图 ２．２抗滑移分析 为保证机器人在墙面的平稳运行，一定要防止车 体在墙面上发生滑移，因此要保证风扇的推力在一定 范围之内，风扇推力过大轮胎与墙面之间将发生滑动 摩擦，机器人将向上滑动，反之，当推力不足时将向下 滑移 。 下面以保持风扇偏转角最优（即０＝ｒｒ／２一 ）时， 计算风扇推力范围。 （１）最小推力Ｆ ｊ 当Ｆ升…＝Ｇ时，推力Ｆ的值最小： Ｆ ＝ 二 （２） ￣／１＋ 。 （２）最大推力Ｆ 随着Ｆ的逐渐增大，当Ｆ・ＣＯＳ ０＞Ｇ时，机器人 与墙面间的静摩擦力方向向下，当Ｆｃｏｓ ０一Ｆｓｉｎ ０・ ＝Ｇ时，Ｆ达到最大值： Ｆ…＝——— —一ＣＯＳ ０一ｓｉｎ ０・“ （３） 综上所述，在０不变时，风扇推力范围为： ～ ｃ０ｓ ０一ｓｉｎ ０‘／ｘ ｆ４ 一 为对以上各式有更直观的认识，取橡胶与粗糙水 泥的摩擦系数 ＝０．５＿９ 为轮胎与墙面之间的摩擦系 数时，风扇在竖直平面最佳偏转角０＝２６．５６。，机器 人获得升力Ｆ升为１．１２Ｆ，附着力Ｆ附为０．４５Ｆ，风扇 推力范围为０．８９Ｇ～１．４９Ｇ。 ２．３抗倾覆分析 斜推式爬墙机器人风扇推力和重心与车体平面 不重叠，将会产生一个易使机器人倾覆的力矩，下面 结合图２分析机器人在墙面上的受力情况： （忽略轮胎摩擦力矩的影响） ｛【ＮＦ１（ Ｈ＋ｃＮｏｔ２ ０＝ ＋Ｆ 一 ￣一ｓｉｎｆ） ０ｓｉｎ ０一 ＋Ⅳ， ＋Ｇ ＝ｈ： ０（５） 式中：Ｈ、ｈ分别为风扇作用点及重心距离车体表面高 度； 为前后轮轴距；Ｚ为风扇距后轮轴距离。 图２受力分析 』【 Ⅳ ＝ ｃ（ —ｚ—Ｈｃ。ｔ日ｃ。ｔ ＋ｆ ｓ ０）ｓｉｉｎ 一ｎ ０＋Ｃ ｈ６ ＝ ￡ Ⅳｌ一 ＝｛一（２Ｈｃｏｔ ０＋２１一 ） ｉ 一半 （７） 当机器人轴距 和ｆ满足上述关系时，机器人前 后轮与墙面压力相同，车体不会发生倾覆趋势。 由上式可以发现，车体倾覆发生的原因主要与轴 距 和ｆ大小有关，既与风扇的位置有关。 ２．４风扇自重力竖直原理 机器人在墙上转向时，为确保机器人在车体发生 偏转时仍然能够安全的贴附于墙面，须始终保证风扇 推力的方向不变，风扇不能随车体底盘一起偏转。其 中一种方案是设计一个可绕底盘中心轴自由旋转的 支架，并将风扇和电池置于支架后方，使其重心远离 旋转中心（见图３）。如果不考虑风扇推力影响，支架 整体会像一个重力摆一样永远保证竖直。考虑到风 设计与制造 扇有远大于支架本身重力的推力，因此做以下分析。 风扇有向上推力，其作用方向指向旋转中心０ （见图３），当车体偏转时，假设支架中心线与竖直方 向有一偏角６，此时重力Ｐ的方向已不再指向旋转中 心０，Ｐ将产生一个回复力矩 ，满足以下关系： ｆ 轴 Ｐｋｓｉｎ ６ ２０１３年第５期（第２６卷，总第１２７期）・机械研究与应用・ 以增强机器人的越障能力和附着力，适合应用在更恶 劣的环境。 旋动喷气装置以一支架为主体，集中安装有风 扇、电池等部件。风扇可以在支架上俯仰偏转从而使 其适应不同角度的平面。支架通过可自由旋转的轴 与底盘相连，风扇和电池安装在支架后方，当车体在 墙面上转向时，支架依靠重力可以实现自动竖直，保 ＩＭ轴：Ｍ （８） 式中：Ｐ、 分别为支架、电池、风扇总重量及其重心与 旋转轴之间的距离；Ｍ 为风扇因装配误差产生的推 力偏心力矩及旋转轴摩擦力矩之和，是个很小的值。 由于 比 大很多，因此支架偏转角６非常小，无 论车体如何偏转，支架与竖直平面的夹角始终控制在 这个很小的偏转角内，风扇推力的方向没有受到明显 影响。 图３风扇自重力竖直原理 ３新型爬墙机器人结构 ３．１基本结构 爬墙机器人主要由底盘和旋动喷气装置两部分 组成见图４。底盘是保证机器人在壁面运行的装置， 旋动喷气装置则保证了机器人稳定地帖附在墙面上。 下面对底盘和旋动喷气装置进行介绍。 图４机器人结构 底盘包括动力、传动、推进、转向、控制等部分。 由直流电机通过带有自锁功能的蜗轮蜗杆减速器驱 动。减速器的自锁功能保证了车体在墙面静止工作 时可以稳定的帖附于墙面上，不能产生滑动。机器人 的推进方式可为两种：轮式推进和履带推进。采用轮 式推进 结构简单、行驶方便、快捷。采用履带推进可 ・１ １ ２・ 证了风扇的推力始终向上。 ３．２结构设计 （１）总体设计要求 设计流程如图５所示。确定机器人设计要求：空 重￣＜５００ ｇ，载重Ｉ＞５０ ｇ，总尺寸不大于３００￣２５０，控制 距离ｉ＞５０ ｍ，续航时间≥１０ ｍｉｎ。 取合适型号的风扇、 池、控制器等基本部体 估计△、 、ｈ的大小，求出 Ｌ、ｆ之间关系，孛刃步确定车 体主要尺寸、性能 图５设计流程图 （２）确定相关参数 如在式（４）中，取橡胶与粗糙水泥的摩擦系数取 ／ｚ＝０．５，根据式（１）风扇偏转角０＝２６．５６。，取标准推 力Ｆ＝１．２Ｇ。Ｈ由风扇半径Ｒ和支架高度△确定： 日： ｃ。ｓ ＋△ （９） 根据设计要求，选取６４涵道式风扇，标配２ ２００ ｍＡｈ电池和２ ０００ ｋＶ的电机，风扇标准推力为７００ ｇ，半径为３２。旋转支架高度△在５～１０，所以Ｈ＝ ３５。ｈ＝ ３ １２ｈ由车体、电池、风扇之间的重量和 位置关系决定，通过估计计算得： 由以上相关参数，结合式（７）得： Ｆ ｒ Ⅳｌ一Ⅳ２＝｝（ｆ一詈＋４４．７）厶 （１０） 当Ⅳ 一Ⅳ２＝０前后轮对墙面压力相等，车体受力 平衡，此时 与ｆ的关系为： ， ÷一ｆ＝４７．７ （１１） Ｚ 根据风扇、电机和电池尺寸，ｆ的范围为： ｆ＞Ｍｅｏｓ ０＋ｂ （１２） 式中：风扇宽度 ＝２５，电池宽度ｂ＝１５，所以／＞３５。 依据设计要求总体尺寸在２５０Ｘ２００之内，所以 ・机械研究与应用・２０１３年第５期（第２６卷，总第１２７期） 设计与制造 选取ｆ＿３５，此时轴距Ｌ＝１６５。 为确保车体在墙面任何方向上自由行使时均不 发生倾覆，我们取轮距Ｂ＝ ，则Ｂ＝１６５。最终确定车 体主要参数如表１所列。 表１斜推式爬墙机器人主要尺寸 长度 宽度 高度 轴距 轮距 风扇倾角 总重 载重 ！ 里 ！ ２ １ ２ ２ ｉ：２ １ （曼２ ２１２ １８１ １２３ １６５ ｌ６５ ２６．５６ ５１０ ７Ｏ ４样机验证 为了验证这种斜推式爬墙原理的可行性，最终利 用专业航空模型上使用的风扇、电池、控制器等部件， 制作出原理验证实物。 采用实地实物的测试方法对机器人的基本情况 进行测试。在没有更新电源的情况下，机器人分别在 一块墙面和一块平整的石头上进行了行驶、转向、静 止共计２ ３Ｏ”的测试（见图６）。在测试中，机器人运 行正常，没有出现滑动、倾覆现象，吸附Ｉ生能良好。 图６实物演示 实验结果表明：该机器人只需依靠自身携带的电 池，便能很好地吸附在墙壁甚至石头上，能实现平面 内３６０。行驶。斜推式爬墙机器人在墙面适应性、运 行速度、可靠性方面具有很大优势，达到了初步的设 计目的。 实验过程中也发现了一些不足之处，首先是风扇 的震动比较强烈，噪声较大。其次是由于风扇转动时 会有一个逆向力矩给车体，造成了机器人两侧履带与 墙面之间的抓地力不同，使机器人在转向时受到影 响。在后续的工作中将在这两方面进行改进。 ５ 结语 利用风扇斜推力使机器人停留在墙面，在爬墙类 机器人的研究中这是一种新的尝试。它对墙体表面 没有特殊要求，对风扇推力利用率又较高，可以采用 快速的轮式或履带推进方式，具有一定越障能力，适 用性较强。另外还可以广泛采用航空领域成熟的技 术，利于将这种爬墙机器人推向一个广阔的发展应用 平台 。 参考文献： ［１］江励，管贻生，蔡传武，等．仿生攀爬机器人的步态分析［Ｊ］． 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