2010年IEEE会议论文集
机器人与仿生学国际会议
2010年12月14日至18日，中国天津
一种带有被动吸盘的爬壁机器人的设计
Yu Yoshida和Shugen Ma
摘要： 本文介绍了一种爬壁机器人 采用被动吸盘作为附件。运用 只有一个电机，这个机器人不仅可以在墙上移动，而且还可以 将吸盘连接到墙壁上并将其从墙壁上移除。 被动吸盘不会消耗额外的能量 附着力。因此，所提出的机器人可以实现攀爬 在能量消耗相对较低的墙上运动。 原型设计，制造和测试。该实验表明，所提出的机器人可以附着和被动地取下吸盘。但是，机器人不能很好地向上移动墙，经常倒下。为了解决这个问题，每个吸盘的负载连接到一个 垂直墙进行了分析。结果，它显示了一个时刻 由重力和附着力两者产生 吸盘将机器人从墙上转下来。然后一个新的 因此设计了改善坠落问题的模型。
- 导言
对人类来说，这是非常困难和危险的 在墙上。但是，清洁和检查等任务 垂直表面是不可避免的。为了实现自动化 这些作品中，爬壁机器人得到了广泛的应用 在机器人学中学习。 爬壁机器人的机制包括两个 功能：“附件”和“运动”部件。特别， 附件是决定任务的关键因素 是否成功运作。粘合方法是clas分为两种类型：“主动”和“被动”。积极的方法 消耗大量能量以保持被动物的粘附力 不需要额外的能量。 典型的主动方法是电磁附着 - 静电附着[1]和真空吸力 泵[2]。虽然机制可以附着在墙上 强烈地，他们消耗相当多的能量来维持 附着力。此外，使用主动方法的机器人是 由于一些保持粘附的机制，因此更重，更大 需要安装在机器人上。 另一方面，使用被动方法的机器人是 这些天正在发展。一些被动的例子 方法使用粘性材料[3]或通过分子获得粘附 力[4]，[5]。虽然机器人使用这些机制 非常小而轻，将力量附着在上面 墙相对较弱。此外，他们很难控制 自动抽吸方法以来的附着和分离 不能自己附在墙上。因此，一些 机器人使用执行器启动和释放附件。
在本文中，我们介绍了一种爬壁机器人 通过普通吸盘连接到墙上。在这里，很常见 吸盘属于被动吸引法。吸力 杯子需要一个推力才能附着在墙上，但他们需要 没有能量来保持粘合力。而且，当边缘吸盘被拉起，空气流入它们的杯子里 将立即脱离墙壁。通过应用普通吸盘的这些功能，提出了机器人 可以使用电机安装和拆卸吸盘。因此， 它不需要任何更多的执行器只用于连接和 分离。 已经开发并测试了原型。原型 其参数如图1和表1所示。一世。 机器人可以成功地安装和拆卸吸盘 但它经常不能在墙上移动 没有安装吸盘。为了确定原因 当安装在墙壁上时，每个吸盘的负载都是 计算。根据计算，我们发现了问题 原型并获得解决方案。 本文的结构如下。主要机制 在第二节中介绍。每个吸盘的负载是 在第III节中分析。在第四节中，转向的因素 分析原型，并进行新的改进模型 被表达。第五节总结了本文。
二、机车和机车的机制
所提出的机器人通过履带驱动机构移动 并通过吸盘附着。机器人有一个电机，其中 驱动后滑轮。安装了几个吸盘 带的外表面具有相等的间隔，如图所示 在图1中，杯子与皮带一起旋转。 机器人的移动过程可以描述为 如下。首先，通过推动将机器人连接到墙壁上 并在底部安装吸盘。接下来，轮换 履带的一部分使吸盘接触并连接 在前滑轮的墙上。然后，导轴滑动 进入导轨，如图2所示。当一个吸盘 到达后滑轮，它被从墙上拆下来 皮带旋转。这些进步的一系列使得 机器人在墙上移动以保持附着力。 A.吸气机制 使用被动连接方法的机器人需要机械 - anism启动和释放附件。附件和 所提出的机器人的分离机制如下。 1）安装机构：固定两个扭转弹簧 到前滑轮，从而在俯仰中产生扭矩 如图所示，将吸盘紧紧地推到墙上的方向 在图2中，推动吸盘的反作用力是 通过导轨传递到连接的吸盘。
2）分离机构：设计每个吸盘 在外缘上有一个用于分离的投影 杯子。突起与后吸盘连接 如图3所示，通过导线连接 杯子到达后滑轮并开始分离，它被拉动 通过拉伸力从墙壁上移除 线。 B.导轨 导轨具有负载分配功能[6]。 它将负载分配到导向装置下的每个吸盘上 轨。如果机器人没有导轨，负载将会 集中在皮带边缘的两个吸盘上 如图4（a）所示，因为皮带不具有刚性。上
另一方面，导轨可以增加最大载荷 与安装吸盘的数量成比例，因为 负载通过导轨传递到每个吸盘 如图4（b）所示。另外，反应力到期了 推动吸盘也分配到吸盘上 通过导轨的负载分配功能。
三、吸盘的负荷分析
机器人在每个连接的吸盘上的力 分析了垂直墙上的静止。图5（a）显示了 机器人连接到墙壁时的侧视图。在此期间 附加情况，发挥三种外力 在机器人上：重力，由于推吸力引起的反作用力 杯子和杯子的吸力。实际上，力量来 还施加从壁上拆下附接的吸盘 在机器人上。然而，力量是如此之小，以至于不是 考虑。因此，吸盘需要接收负载 由于推吸力引起的重力和反作用力 杯。 吸盘的吸力作用于附着的墙壁 垂直。吸盘也会产生平行的力 连接壁的方向，这是摩擦力 在连接吸盘和附着的墙之间。 当S i ，从导轨前面的第 i 个吸盘， 接收力，F i ，F i 可以表示为 F i = F gi F pi 其中F gi 是由重力施加在S i 上的载荷，而F pi 是 由于推动而由反作用力施加在S i 上的载荷 吸盘。 无论˚F GI 和˚F PI 施加在根据吸盘 导轨。从负载分布函数，假设
负载分配到导向器下方的每个吸盘上 线性地轨道，如图5（b）所示。因为吸盘 以相等的间隔安装，F gi 和F pi 由下式给出
其中F g 0 和F p 0 是重力和S 0 施加在S 0 上的载荷 分别推动吸盘引起的反作用力 l 是每个吸盘之间的距离，k g 和k p 是 由于重力和每单位长度的线性分布负荷 反作用力分别。在表达F gi 和F pi 之后， 导轨下每个吸盘的实际负载可以 计算为F gi 和F pi 的总和。 A.由于重力而在吸盘上加载 首先，由重力施加的负荷分布到 分析吸盘。在这种情况下，施加的力量 导轨上的导轨如图6（a）所示。因为 X方向上的力是施加在吸力上的力 通过重力杯，可以表达力的方程 如
其中m 是安装下吸盘的数量 导轨。关于周围时刻的等式 S 0 可以计算为
其中M 是机器人的质量，g 是重力加速度 和ħ 是从壁到重心的高度。 方程（4），（5）给出ķ 克和˚F 克0 作为
B.由于推动反作用力而在吸盘上的负荷 吸盘 其次，由反作用力施加的负荷 推动吸盘并分配到吸盘上 分析。在这种情况下，力施加在导轨上 如图6（b）所示。由于推动反作用力 吸盘通过连接的吸盘传递 导轨。因为F r 分配到吸盘， F r 可表示为
此外，关于点周围的时刻的等式 y = L 可以表示为
其中y i 是O 和S i 之间的距离，L 是距离 在O 和旋转轴的中心之间，以固定前部 滑轮和导轨，T s 是由扭矩产生的 弹簧。 方程（8），（10）得到ķ p 和˚F p 0 作为
C.每个吸盘的总负载 最后，通过添加负载来计算总负载 由于重力和反作用力。等式（6），（7），（11） （12）给出每个吸盘上施加的总负荷。 结果如图7所示，其中的值原型取代如下：M = 0.3 kg，l = 16 mm， g = 9.8m / s 2 ，L = 24mm，h = 26mm，F r = 4.5N。值 由于履带的旋转，m 和y 0 不是恒定的带。
较大的载荷施加在上吸盘上，并且 上吸盘需要较大的吸力来维持 附在墙上。而且，较低的一个接收 较低的负荷，其中一些受到推力 壁。这意味着一些吸盘不会产生吸力 力。
四、机制的改进
在本节中，分析了原型的问题。 分析后，显示解决方案。基于 解决方案，设计了一个改进的模型。 A.在机器人上施加的瞬间 机器人跌落的最重要因素是 在原型上施加的时刻。从（6），k g 的值是 因为M ，g 和h 是正值，所以总是负的。什么时候 k g 为负，上吸盘需要吸力 为了保持依恋。因此，由于重力，a 使机器人远离墙壁的时刻被施加。 此外，从（11），k p 也是负的，因为y 0 ，l ，m 和 F r 是正值。因此，无论是重力还是反应 由于推动吸盘的力产生了一个力矩 把机器人关掉 B.尾部机制 与重力相反的时刻是必要的 防止机器人掉下来 为了取消 在重力作用的瞬间，尾部机构如图1所示。 提出了8。 1）尾部对导轨施加的力：首先，我们 介绍尾机构的功能。尾巴是固定的 在导轨上通过轴通过轴承。因此，尾巴 可以围绕轴自由旋转。尾巴有缩放仪 机制，通过弹簧推动后部的墙壁。 此外，吸盘被前部的尾部推动。 由于推动墙壁和吸力而产生的反作用力
2）尾部对导轨施加的力：其次， 分析施加在尾部的力和力矩。如 如图9所示，X方向上的力的方程 表达为
其中F r 是由于推动吸盘而产生的反作用力 通过前滑轮，F t 是由于推动而产生的反作用力 壁的尾巴，并且˚F 室温是施加在导轨上的力 靠尾巴。旋转周围的矩的方程 轴表示为
其中L p 是正面中心之间的距离 滑轮和尾部的旋转轴，L t 是距离 在尾部的旋转轴的中心和之间 尾部与墙壁接触的点。 等式（13）和（14）给出F rt 为
3）由于尾部机制造成的时刻：第三，负载 通过施加˚F 室温并分配到吸盘进行了分析。 由于推动墙壁和吸力而产生的反作用力 杯子通过传送到附带的吸盘 导轨。从负载分布函数，假设 反作用力分布在每个吸盘下面 导轨线性。因为安装了吸盘 在等间隔，F ti ，由F rt 施加在S i 上的载荷是 由...给出
其中F t 0 是由F rt 施加在S 0 上的载荷，k t 是线性的 由于F rt，每单位长度的分布式负载。施加的力量 导轨上的导轨如图9（b）所示。因为F rt 是 分配到吸盘，F rt 可表示为
此外，关于轴周围的时刻的等式 尾部旋转可以表示为
等式（17）和（19）给出ķ 吨和˚F 吨0 作为
从（20）开始，kt的值并不总是负的。如果的值大号p增加时，值ķ吨能够成为正。因此，反作用力可以减少力矩重力并防止机器人从机器人身上下来壁。如图10所示，增加kp改变片刻由于推动吸盘而由反作用力施加。
4）由重力和尾巴引起的总力矩：在此在机器人上施加三种外力：重力，由于尾巴推动墙壁的反作用力，和杯子的吸力。因此，Fi表示为
当ksum是kg和kt之和时，是0 N / mm，a在每个吸盘上施加相等的载荷。另外，机器人在这种情况下没有时刻。从（6）和（20），ks 显示为
从（23），ksum和Lp之间的关系如图所示在这里，Frt的值定义为4.5 N，和其他参数与图7的情况相同如图11所示，ksum的值从正变为负。Lp的值越大，该值越小的ķ总和越大。另外，从（23），k sum 的值当Lp的值为73mm 时，计算为0N / mm。当ksum的值为0 N / mm时，每个上的负载吸盘如图12所示。每个吸力上的负载由于重力引起的杯子与所示的原型相同但是，由反作用力施加的负荷由于尾部取消了重力对负载的偏差，并且在每个吸盘上施加相等的载荷。另外，在在这种情况下，每个吸盘接收F0 和机器人是不可能没有时间跌倒和维持。
从（15）开始，由于该值决定了Frt的值的˚F吨和的比率大号吨和大号p。从（15）和（20），尾巴越长，它可以产生的时间越大相同的力推到墙上。但是，重量和尺寸也相对于尾部长增加。另外，较大˚F吨是，较大的力矩尾部可以与生成相同对于的杯长增度。加˚但F 是，每次负荷都要吸力
通过导轨连接吸盘。因此，它是必须选择参数的最佳值：Lp，Lt和Ft。C.改进设计新模型如图13所示。基本机制与原型相同。因为电机后部旋转滑轮和履带，一个吸盘被推动前滑轮和后滑轮从墙上拆下。为了减轻机器人的重量，材料框架将从金属变为塑料。
主要改进如下：1）防止摔倒的尾巴：尾巴推动由受电弓机构构成的墙壁和推力产生阻止机器人掉落的瞬间从墙上下来。后滑轮的轴将是用于尾部旋转的轴。2）推动机构顺利连接吸盘：如可以自由旋转。因此，吸力表面的吸力
杯子会与墙壁无限接触。
五，结论
在本文中，一个登山机器人，附加到已经提出了通过被动吸盘的壁。它有一个电机，不仅可以旋转履带，也可以用于从表面安装和拆卸吸盘。如实验结果，原型倒下了墙为了找出问题的原因，负载通过静电讨论连接在墙上的每个吸盘分析。这种分析遵循重力和由于推动吸盘产生的反作用力将原型从墙上移开的时刻。然后，作为这个问题的解决方案，尾部机制已经呈现。而且，尾部利用了应有的反作用力推动墙壁以减少由此产生的力矩重力。因此，机器人可以防止掉落下。在未来，我们将构建新的机器人并执行机器人的必要实验。
致谢
作者感谢Hirokazu Maeda教授和Makoto Nokata教授为此提供了宝贵的建议
。
R EFERENCES
[1] Harsha Prahlad，Ron Pelrine，Scott Stanford，John MarloKornbluh：“电动粘合机器人 - 爬壁机器人一种新颖，强大，可电控的粘合技术，“IEEE国际机器
全文共11254字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[836]
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