基于正四面體結構的空間四足爬壁機器人*

涂郅偉，李博達，劉陽杰，汪 志，劉 淼，王玉琳

(合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

近年來，爬壁機器人技術發展迅猛，在高空、高危作業中已獲得許多應用。爬壁機器人不僅能夠在地面上完成各種動作，還可以在垂直墻面或天花板上憑借自身吸附力爬行并完成預期操作。爬壁機器人可代替人從事高空、化工和勘察救援等危險領域的作業，從而大大降低了人員意外傷亡的風險。

爬壁機器人依照其驅動方式通常分為輪式、履帶式和足式三類[1-3]，其中多足式爬壁機器人相對于履帶式和輪式具有更靈活的行動能力和更強的攀爬能力，可適應多種工況[4]。爬壁機器人的吸附方式大致可分為負壓真空吸附、磁力吸附、靜電吸附和仿生吸附四類[5,6]。西南科技大學制造科學與工程學院研發的六足式幕墻清洗機器人采用負壓真空吸附技術，但該機器人體積較大且翻越能力不足[7]；西安理工大學機械與精密儀器工程學院研發的仿生爪刺式雙足爬壁機器人采用仿生吸附原理，可攀爬不同類別的平面，但受結構限制吸附不穩定且運動能力不足[8]。

綜上所述可以看出，目前爬壁機器人大多存在越障能力較差、空間移動能力不足的問題。因此，本文設計了一種基于正四面體結構的空間四足爬壁機器人，采用真空吸附方式，利用其特殊布置的四只爬行足，可以實現空間垂直墻面間的連續攀爬，提高了其越障能力。

1 空間四足爬壁機器人的結構設計

1.1 空間四足爬壁機器人的總體結構形式

圖1為空間四足爬壁機器人的總體結構。該機器人包括第一足1、第二足2、第三足3、第四足4、球殼5和電機減速器6。

如圖1所示，球殼5作為載體的球形主體，在球殼5內設置陀螺儀和電子眼，以球形主體為機器人的運動中心；在球殼5上設有四只爬行足，各爬行足具有相同的結構形式，均由大腿、伸長腿和小腿分三段組成；各爬行足中大腿的上端連接電機變速器6，由電機驅動的電機變速器6固定安裝在球殼5的外表面，與各爬行足一一對應的四個電機變速器在球殼5的外表面按空間正四面體分布，以空間正四面體的各頂點方向為朝向，各爬行足的方向和長度均可調；足部為機械爪，在機械爪底部設置吸盤實現機器人的固定；陀螺儀用于維持機器人運動過程中球殼中電子眼的穩定性，電子眼用于實現機器人的可視化操控，可附加視覺識別、自動避障等功能。

1-第一足；2-第二足；3-第三足；4-第四足；5-球殼；6-電機減速器

1.2 空間四足爬壁機器人爬行足的機構形式

圖2為該機器人爬行足結構示意圖，該結構包括大腿腿殼7、斜撐氣缸活塞桿8、斜撐氣缸9、伸長腿10、長桿氣缸11、小腿氣缸活塞桿12、足部13、大腿腿殼氣缸14和小腿氣缸15。

7-大腿腿殼；8-斜撐氣缸活塞桿;9-斜撐氣缸;10-伸長腿;11-長桿氣缸;12-小腿氣缸活塞桿;13-足部;14-大腿腿殼氣缸;15-小腿氣缸

如圖2所示，機器人爬行足分別由大腿、伸長腿、小腿和足部四部分組成。

大腿具有大腿腿殼7，并在大腿腿殼7中設置有大腿腿殼氣缸14，其大腿上端通過聯軸器與對應位置上的電機變速器6的輸出軸相連接，由電機變速器6驅動大腿轉動形成第一轉動副，為爬行足提供動力；大腿下端的側部鉸接伸長腿上端的端頭，在大腿下端的端頭與伸長腿上端的側部之間鉸接上段斜撐，上段斜撐為可調長度的伸縮氣缸，由斜撐氣缸9和斜撐氣缸活塞桿8構成，由于上段斜撐所需驅動的結構較為繁重，設置大腿腿殼氣缸14，以其氣缸活塞為上段斜撐提供充足的動力。

伸長腿10主要由一可伸縮的長桿氣缸11構成，伸長腿下端即長桿氣缸11的活塞桿端頭鉸接在小腿上端的側部，在小腿上端的端頭與伸長腿下端的側部之間鉸接下段斜撐；伸長腿和下段斜撐為可調長度的伸縮氣缸；調整上段斜撐的長度用于控制大腿與伸長腿之間的夾角；調整下段斜撐的長度用于控制小腿與伸長腿之間的夾角。

小腿為一氣缸，小腿的下端是小腿氣缸15中小腿氣缸活塞桿12的端桿，小腿氣缸活塞桿12連接足部13，利用小腿氣缸活塞桿12的伸縮調整小腿長度，小腿氣缸15為小腿氣缸活塞桿12提供動力。

圖3(a)為該機器人足部結構示意圖，該結構主要包括爪帽16、爪中心殼17、吸盤氣缸18、吸盤鏈接器19、吸盤20、伸展肢21和上齒輪22。

16-爪帽；17-爪中心殼；18-吸盤氣缸；19-吸盤鏈接器；20-吸盤；21-伸展肢；22-上齒輪；23-吸盤氣缸活塞

圖3(b)為本發明中吸盤氣缸活塞局部示意圖，該結構圖相較于圖3(a)表達出了吸盤氣缸活塞23。

參見圖2、圖3，足部13為機械爪，機械爪的爪殼頂部通過爪帽16與小腿氣缸活塞桿12相連接，在爪殼內配置作業工具，包括乙炔噴槍和高壓水槍，在機械爪底部設置吸盤20，真空吸盤20通過吸盤鏈接器19與吸盤氣缸18相連通，由吸盤氣缸活塞23提供驅動力產生負壓，機器人利用吸盤20的吸附功能實現固定；在各機械爪上，圍繞爪中心殼17均布有三只吸盤20，三只吸盤氣缸18與三只吸盤20一一對應設置并圍繞在爪中心殼17的外周，由各吸盤氣缸18為吸盤20一一對應提供負壓。

圖4為該機器人伸展肢收攏和展開狀態示意圖，該結構包括齒輪爪節24、中間關節25、前段桿26、爪尖27和關節電機28。

24-齒輪爪節；25-中間關節；26-前段桿；27-爪尖；28-關節電機

在爪中心殼17的外圍一一均勻間隔設置有三只伸展肢21與三只吸盤氣缸18；伸展肢21通過電機收攏在爪中心殼17的外圍，呈現為如圖4(a)所示的靜止狀態；或在爪中心殼17的外圍展開,呈現為如圖4(b)所示的三爪形，用于抓取和支撐。伸展肢21是由后段桿和前段桿26構成，后段桿的一端設置為齒輪爪節24，后段桿的另一端與前段桿26的尾端相接，并形成中間關節25，在中間關節25中設置關節電機28，利用關節電機28進行驅動，將前段桿26收折在后段桿的桿腔中，或將其從后段桿的桿腔中伸展出；在前段桿26的前端固連一段爪尖27，前段桿26連同爪尖27一同進行收折和展開。

圖3所示的伸展肢21是利用齒輪爪節24與爪中心殼17相連接，在爪中心殼17中設置驅動機構，利用驅動機構通過傳動使齒輪爪節24中的齒輪進行轉動，從而帶動伸展肢21或收攏在爪中心殼17的外圍或伸展出成懸臂，配合關節電機28驅動伸展肢21中的前段桿連同爪尖27展形，形成三爪形結構。

2 機器人實現平面爬行和垂直墻面反轉不同的工作模式

2.1 平面爬行中爬行方向和距離的控制

初始狀態：機器人四條爬行足中的第一足1呈懸空，為懸空足；第二足2、第三足3和第四足4呈吸附，為吸附足，三條吸附足在平面上的投影為等邊三角形，機器人穩定。

移動方式：將第一足1的落點選擇在與第四足4吸附點關于第二足2與第三足3吸附點連線的對稱點上，四只爬行足的吸附點形成四邊長度相等的菱形，將第一足1由懸空足轉為吸附足，隨后將第四足4由吸附足轉為懸空足，機器人達到新的穩定狀態。

2.2 垂直墻面間爬行方向和距離的控制

本文中設計的機器人可實現在兩垂直平面間(設為第一墻面和第二墻面)的爬行，其運動方式如下：

初始狀態：機器人處于第一墻面上，并靠近第二墻面；在第一墻面中，四只爬行足中的第一足1呈懸空，為懸空足；第二足2、第三足3和第四足4呈吸附，為吸附足，三只吸附足在平面上的投影為等邊三角形，并且第二足2和第三足3吸附點連線平行于第一墻面和第二墻面的交界線，第一墻面和第二墻面為相接的相互垂直的墻面，機器人將從第一墻面翻轉上第二墻面。

翻轉方式：將第一足1的落點選擇在第二墻面上，通過控制使第一足1垂直跨過第一墻面中第二足2和第三足3的吸附點連線，并吸附在第二墻面上，第一足1由懸空足轉為吸附足；隨后，保持第四足4為吸附足，使第二足2和第三足3均松開成為懸空足；再通過控制將懸空的第二足2和第三足3吸附在第二墻面上，與吸附在第二墻面上的第一足1共同構成三點吸附，此后將第四足4在第一墻面上松開，并進一步調整第一足1、第二足2和第三足3的長度使其呈三點吸附的穩定狀態；第四足4轉而繼續在第二墻面上選擇新的落點，完成第一墻面向第二墻面的翻轉。

3 結束語

(1) 本文所設計的空間四足爬壁機器人采用四足結構，爬行過程中能夠保持有3只吸附足吸附于墻面，穩定可靠。

(2) 本文所設計的空間四足爬壁機器人每爬行一步之后，下一步的落腳點具有三個方向可以選擇，爬行軌跡可以遍歷整個墻面。

(3) 本文所設計的空間四足爬壁機器人以桿件的形式進行連接，任意兩只腳之間呈109°28′排布，預留空間大，攀爬時角度跨越范圍寬，具有較強的越障能力，既可以爬行在單一平面，也可以在相互垂直的兩個平面之間進行跨越，甚至實現360°空間爬行。

(4) 本文所設計的空間四足爬壁機器人在吸附過程中只需控制3只爬行足移動副的線位移即可控制機器人的運動軌跡；在翻轉過程中通過協調爬行足的角位移和線位移即可完成機器人的步態規劃，控制方式簡單、快捷、準確。

(5) 本文所設計的空間四足爬壁機器人借助視覺傳感器還能實現自動避障的功能。