（北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191）
摘 要：针对在城市建设基础设施中的多种复杂环境，为了降低由于高工作业带来的人身财产危害，设计了一种轻巧的轮式攀爬机器人。基于机器人攀爬静力学分析，确定了机器人的重要参数，先后完成了机器人攀爬机构和锁杆机构两大关键机构的设计，提出机器人攀爬控制策略。在Solidworks环境下完成了机器人的虚拟样机建模，并搭建试验样机对机器人进行载重攀爬测试和适应性测试。实验表明，机器人20kg负载条件下，攀爬速度达到3.24m/s，攀爬自旋角2.24°，同时机器人可以在不同直径下作业，机器人满足设计要求。
关键词：机器人；攀爬机构；锁杆机构；不同直径
随着城市化的发展和基础设施的建设，电线杆、路灯杆等设备拔地而起，目前这些高处设备的清洗与维护，如路灯检修更换，管道线路修理维护等等，都需要员工的高空作业。在高空操作的过程中，员工的劳动强度高，同时高度的危险，生命安全难以得到有效的保证，而且劳动效率不高[1-2]。一些直径、强度较小的杆件，以及一些工程车辆难以进入的狭窄小巷都会给员工高空作业造成很大的困难，攀爬机器人的发展与应用可以很好的解决当前的问题。
国内外的攀爬机器人近些年来得到长足的发展，根据应用环境研发出各种类型的攀爬机器人，如连续运动式攀爬机器人、步进式攀爬机器人、宂余自由度攀爬机器人[3-4]。文献[5-7]开发了三代连续运动式攀爬机器人样机：UT-PCR1-3，该样机采用摩擦轮连续攀爬结构，在减少攀爬机器人机构上复杂性的同时提高其承载能力，提高攀爬效率，但机械结构和控制部分相对复杂。文献[8]设计了一种步进式攀爬机器人，可以实现变直径攀爬，但是该机器人攀爬速度低，对于非圆柱杆件攀爬效果差，智能控制部分简单，不适用于复杂工况作业。文献[9-10]基于TRIZ创新设计理论设计了一种新式翻盖式爬壁机器人，爬行迅速，可以抓取弯曲或水平轴并爬行，也可在实现相邻的轴之间的迁移爬行，大幅扩宽了机器人的运动范围，克服了适应性方面的不足，但是承载能力差，自由度有限，只适用于二维管道等规则攀爬对象上运动。华南理工大学管贻生教授提出了一种拥有5自由度的步进式攀爬机器人Climbot[11-12]，采用模块化设计，降低成本，同时结构和功能的扩展性强。总的来说，连续运动式攀爬机器人相比于步进式和、宂余自由度攀爬机器人，具有结构简单、爬升速度快、负重大等优势，因此广泛应用在树枝修建、电线杆作业等高空作业领域[13]。
主要研究与设计一种轮式攀爬机器人，要求总重20kg条件下，机器人的攀爬速度在0.3m/s以上，自旋角度＜3°，爬杆直径可变。首先提出该机器人进行整体设计理念，并对该机器人进行了攀爬静力学分析，对关键的锁杆机构进行了设计，对该机器人的控制系统进行了设计，进行虚拟样机建模，最后搭建机器人试验样机并进行试验验证。
2.1 机器人爬杆机构设计与静力学分析
本设计采用了直流电机带动丝杠作抱紧动力和气缸推杆作为抱紧力。直流电机带动丝杠选用航模飞机起落架推杆模块，用连杆机构将推力放大产生抱紧力。
抱紧轮选用了摩擦系数μ=0.5的丁基橡胶轮胎，由设计车重15kg，可算得需要压力大于30kg，选择缸径25mm的气缸推杆，气压0.6MPa的时候可以达到29.4kg。
爬杆机构分左右两组，相互镜面对称，每组主要由外侧车架连接板和内侧的爬杆轮架组成，二者之间采用平行四杆机构连接来保持抱杆轮架与车架连接板平行，即每列三个爬杆轮竖直。气缸推杆通过两个传力杆与车架和爬杆轮架相连，随着气缸推杆外推，爬杆轮架向内侧移动，完成抱紧杆体的动作，如图1所示。
图1 气缸推出状态虚拟样机结构图
Fig.1Virtual Prototype Structure with Pushed Cylinder
在这个过程中，两个传力杆之间的夹角持续增大，对气缸推杆推力的放大作用持续增强，将一侧的两个传力杆与气缸推杆简化为机构简图，如图2所示。通过受力平衡得到：
式中：F0—气缸推杆推力；F1—与攀爬轮相连的传力杆受力；F2—与机器人外端相连的传力杆受力；θ0、θ1、θ2—表示各杆件与水平线和竖直线的夹角，单侧推杆对杆的表面正压力为：
最终状态下 θ0=6.84°，θ1=67.99°，θ2=75.61°，带入参数得到单侧正压力与气缸推杆的推力关系。带入最大推力可以得到单侧攀爬轮与杆的最大正压力为701N。
图2 传力杆与气缸推杆的机构简图
Fig.2Mechanism of the Dowel Bar and Cylinder Actuator
电机是整个机器人作业的动力源，需要根据具体工作情况计算进行选择，机械的负载性质还有工作制度，将直接关系着电动机的功率的预选。Pd恒定负载连续工作制，根据资料以及试验获得效率η约为0.7，计算得到电动机所需实际功率Pd为：
最终通过对比选用maxon公司RE25直流有刷电机，额定功率20kW，6个电机总功率120kW。
2.2 机器人锁杆机构的设计
攀爬机器人重心与杆几何中心不重合所产生的力矩会导致机器人无法正常攀爬。本设计采用增加锁杆来平衡上述力矩。受力关系，如图3所示。相应机构的三维建模，如图4所示。
图3 攀爬机器人受力示意图
Fig.3The Loading of the Climbing Robot
图4 攀爬机器人三维建模Fig.4The Three Dimensional Modelling of the Climbing Robot
根据主视图中静态的受力平衡可以得到以下关系：
式中：G—设备重力；F3—碳纤维管和杆水平接触力；F4—锁杆另一端与杆的水平接触力；f1、f2—由水平压力产生的设备与杆之间的摩擦力，可以表示为：
式中：μ1—碳纤维管和杆的摩擦系数；μ2—锁杆另一端和杆的摩擦系数，根据主视图中F3受力点的力矩平衡可以得到：
式中：L1—机器人重心到碳纤维管与杆作用点的水平距离；L2—机器人锁杆另一端与杆作用点到碳纤维管与杆作用点的竖直距离。
机器人向上攀爬的过程中，锁杆机构的摩擦力与静态反向，其受力分析如下：
式中：m—机器人的质量；a—机器人的加速度；f驱—攀爬轮的驱动力。根据驱动力的计算可以得出：
式中：μ静—静态摩擦系数；Fmax—摩擦轮和杆的最大正压力，可以通过式（2）中的最大气缸推杆计算获得，通过计算得到机器人攀爬的最大加速度为3m/s2。同理获得机器人向下攀爬的过程中的受力分析如下：
锁杆机构由锁杆转轴端、碳纤维锁杆和锁杆锁端组成图，如图5所示。锁杆锁杆转轴端由一个数字舵机控制碳纤维锁杆由竖直状态落下至图示水平状态，之后由锁杆锁端转动锁舌，将碳纤维锁杆锁住。
图5 锁杆机构三维建模
Fig.5The Three Dimensional Modelling of the Locking Bar Mechanism
驱动舵机采用Dynamixel系列的机器人舵机作为驱动元件，因为这个系列的舵机是一种智能的模块化的动力装置，由一个精度好的直流电机、具备通讯功能的芯片和齿轮减速箱共同组成。选用性能较好的材料保证在受到外界较大力时必需的强度和韧性，能够产生较大的扭矩。其中锁杆转轴端采用AX-12舵机，锁杆锁端采用AX-18舵机。
2.3 控制系统的设计
攀爬机构的控制系统主板采用是stm32F103单片机，通过红外光电开关传感器和微动开关等传感器采集信息，作为信号输入，处理之后向步进电机和各个数字舵机发送命令，实现攀爬机构锁杆抱紧上爬停止一系列动作，协调完成规定的任务。
图6 攀爬机器人控制系统流程图
Fig.6Flow Chat of the Climbing Robot Control System
攀爬机构控制系统主要通过红外光电开关传感器作为输入端触动微动开关，将获得的信号传输到stm32F103处理器，通过处理计算对执行机构步进电机与数字舵机进行控制使得机器人爬到顶端，完成相应的攀爬动作，控制流程，如图6所示。
所设计的攀爬机器人主要由抱杆装置和上爬装置两大部分组成。其中，抱杆装置由两对三排共六个摩擦轮、推杆和气缸组合而成。每三个摩擦轮成一竖排，安装在摩擦轮机架上，推杆与摩擦轮机架连接，气缸安装在抱杆装置侧板内侧，与推杆连接，通过推杆向摩擦轮架传递推力。侧板与主机架之间采用角铝多层架的方式固定，结构稳定性好。推杆由气缸驱动，可推动摩擦轮机架，使两个摩擦轮机架靠近。在路面行走阶段，两个摩擦轮机架彼此在水平方向相距一定距离，推杆位于原始位置。抱杆阶段，气缸动作，推杆推动两个机架远离气缸，两对摩擦轮之间的距离减小，抱杆装置整体展开，摩擦轮逐渐贴近立柱，直到抱紧立柱。上爬装置由六个摩擦轮及驱动它们的电动机组成。在立柱被抱紧后，开始上爬阶段，六个电动机同时工作，六个摩擦轮在沿着杆上滚动，向着杆顶运动，达到攀爬的目的。每个轮子都有一个单独的电动机驱动，六个摩擦轮以相同的转速运动。在Solidworks环境下，建立攀爬机器人的虚拟样机模型，如图7所示。
图7 攀爬机器人虚拟样机模型
Fig.7The Virtual Prototype Model of the Climbing Robot
所设计的机器人参数，如表1所示。
表1 攀爬机构的各项指标
Tab.1Parameters of the Climbing Mechanism
类型 设计指标质量 5.4kg负载 15kg速度 0.3m/s尺寸 490mm*480mm*360mm攀爬自旋指标 3°
按照虚拟样机的设计完成了攀爬机器人试验样机的搭建，如图8所示。
图8 攀爬机器人试验样机
Fig.8Experimental Prototype of the Climbing Robot
机器人上方的为碳纤维锁杆，其上套装了两个滚柱轴承减小锁杆与被攀爬表面的摩擦。碳纤维锁杆左端是锁杆转轴端，由一个AX-12舵机驱动，舵机与车架采用铝加工件连接。碳纤维锁杆右端为AX-18舵机。锁杆机构下侧为抱杆轮架，通过铝加工件与车架连接板相连。为了减轻攀爬机构的重量，多个零件设计时考虑了减重问题，抱杆机构的搭建完成之后，全重5.2kg，其中电机重2.4kg，气缸推杆重1.1kg，其余玻璃纤维板铝加工件重1.7kg。
4.1 机器人载重攀爬测试
为了研究机器人在不同负载条件和不同杆径条件下的攀爬性能，分别对机器人进行载重攀爬测试和适应性测试。
载重测试是保证杆不变情况下改变机器人负载，测试不同负载下机器人的攀爬速度。试验方案为：在检查攀爬机器人各部件正常工作后，以600ml瓶装水作为负载固定于攀爬机器人上，测试机器人攀爬1.6m所需时间以及自旋角度，同一负重测三组数据。之后改变负载测得一系列数据。
表2 机器人攀爬测试数据
Tab.2Data on Climbing Tests of the Robot
机器人全重/kg 攀爬时间（三组平均）/s 自旋角（三组平均）/°184.121.78204.942.24226.323.64249.894.052510.673.932611.054.152712.644.37
图9 机器人载重攀爬测试图
Fig.9Experiment on Heavy Climbing of the Robot
实验过程，如图9所示。处理后实验数据，如表2所示。随着攀爬机器人整体重量的增加，攀爬速度逐渐降低。其中机器人全重在（20～25）kg变化时机器人攀爬速度下降明显，自旋角上升明显。主要因为为机器人攀爬速度受电机输出扭矩与速度关系影响，同时机器人重心与杆轴心和机器人轴线所确定平面不重合。进一步提高攀爬机器人攀爬速度可采取更换更大功率电机或短时间一定范围内超压使用，进一步减小攀爬机器人攀爬自旋角可调整机器人重心在杆轴心和机器人轴线所确定平面内。
4.2 机器人不同杆径适应性测试
适应性测试是保证载重不变情况下改变机器人所攀攀爬件，测试机器人对不同杆件的适应能力。试验方案为：在检查攀爬机器人各部件正常工作后，机器人空载状态下分别攀爬不同直径树干和灯杆，测试机器人能否顺利攀爬。
图10 机器人适应性测试实验图
Fig.10Experiment on Adaptability of the Robot
攀爬机器人可适应（9～13）cm直径表面较为光滑的圆柱形杆体，如图10所示。实验过程中先后测试了直径10cm的银杏树干、直径11cm的国槐树干、直径9cm的灯杆、直径11cm的PVC管，直径13cm的灯杆。其中直径10cm的银杏树干和直径11cm的国槐树干攀爬过程中容易出现车体和树干摩擦的情况，树干不平整的地方会卡主攀爬机器人。攀爬直径9cm的灯杆、直径11cm的PVC管和直径13cm的灯杆时效果良好，可以之前测得的速度攀爬。
经过以上实验，在机器人重量控制在20kg以内，爬升1.6m，攀爬时间4.94s，攀爬的平均速度为3.24m/s，自旋角度小于2.24°，＜3°，满足设计要求。同时测试性试验测得机器人可以在不同直径下进行攀爬作业。
主要研究并设计了一种轻巧的轮式攀爬机器人，具体内容与结论总结如下：（1）对机器人攀爬进行了静力学分析，设计了攀爬机器人中最关键的攀爬机构和锁杆机构，选择了合适的电机与舵机，并设计了机器人的控制系统。（2）根据机器人的设计，在Solidworks环境下完成了机器人的虚拟样机建模，并完成了机器人的试验样机搭建。（3）对机器人进行载重攀爬测试和适应性测试，最终得到机器人20kg负载条件下，攀爬速度为3.24m/s，攀爬自旋角2.24°，可在不同直径下作业，证明机器人满足设计要求。
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Research and Design of a Wheeled Climbing Robot
WANG Yang，ZHANG Zi-jian，ZHENG Yuan-cheng
（School of Mechanical Engineering&Automation，Beihang University，Beijing 100191，China）
Abstract：In order to decreasing the damage of the overhead working，a deft wheeled climbing robot is designed for the application under the complex enviroment in urben construction.Based on the climbing statics analysis of the robot，major parameters of the robot are obtained.Climbing and locking parts are designed as the two key mechanisms in climbing robot，and the climbing control strategy is achieved.Virtual prototype model is established under Solidworks environment.Heavy climbing and adaptability experiments of the robot are performed based on the experimental prototype.Finally，the experiments show that under a 20kg load condition，the climbing speed of the robot is 3.24m/s，and the spin angle is 2.24°；at the same time，the robot can work under different diameters，which proves that the robot meets the design requirements.
Key Words：Robot；Climbing Mechanism；Locking Bar Mechanism；Different Diameters
中图分类号：TH16；TP242.2
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）10-0240-04
来稿日期：2017-04-26
作者简介：王 扬，（1982-），男，辽宁阜新人，博士研究生，助理研究员，主要研究方向：机器人技术，高等教育管理；
张子健，（1994-），男，天津人，硕士研究生，主要研究方向：机器人技术
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