攀爬机器人研究现状

第**卷第**期20**年*月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.**No.****20**DOI：10.3901/JME.20**.**.***攀爬机器人研究现状*张子健(北京航空航天大学机械学院北京100191)摘要：近年来随着城市发展，高空领域的作业任务不断增加，攀爬机器人的应用前景得到广泛关注，各国学者都对此进行了相关研究提出方案并研制样机。本文首先综述了国内外攀爬机器人的研究现状，分类介绍了几种有代表性的攀爬机器人的研究成果，总结了其中存在的主要问题。关键词：攀爬机器人；攀爬机构；夹持机构中图分类号：TP312ClimbingRobotResearchStatusZHANGZiJian(BeihanguniversityinstituteofmachineryBeijing100191)Abstract：Inrecentyears,withthedevelopmentofcity,homeworktasksinthefieldofhighaltitudeincreasing,theapplicationprospectofclimbingrobotwidelyattention,scholarsfromallovertheworldarecarriedouttostudyandputforwardrelatedsolutionsanddevelopaprototype.Thispaperfirstsummarizestheresearchstatusofclimbingrobotsathomeandabroad,classification,thispaperintroducesseveralkindsofrepresentativeclimbingrobotresearch,summarizesthemainproblemsexistingamongthem.Keywords：Climbingrobot;Climbingagencies;Holdingmechanism0前言1随着现代社会的发展，人们在高空进行作业的情况也越来越多，如果实采摘、路灯更换、管道检修、军事侦察等。在高空作业时，工作人员的劳动强度大、危险程度高，其人身安全难以得到可靠的保证，同时劳动效率也不高[1-5]。因此，攀爬机器人近些年逐渐成为国内外机器人领域的研究热点。在城市中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。应用带升降机的工程车进行作业，作业成本较高，而且对于狭窄的胡同，工程车难以进入，造成作业困难，因此爬杆机器人的研制是市政工程研究的热点。由此，本文综述了国内外攀爬机器人的研究现状，分类介绍了几种典型的攀爬机器人的研究成果，总结了存在的主要问题。1攀爬机器人研究现状攀爬机器人与一般在地面上移动的机构有着很大的不同，从水平爬行“跃迁”到竖直方向爬行，首先要克服重力的作用，而其与垂直壁面的爬行又有着较大的区别，不能采用吸附式或粘性物质提供抓紧力，只能依靠柱杆的表面提供升力[8]。攀爬机器人主要由攀爬机构和夹持机构组成，攀爬机构很大程度上决定了攀爬机器人的运动速度和承载能力，夹持机构则影响攀爬机器人的运动范围。多年来，学者们投入了大量的精力进行了研究探索，根据各自的研究目的和实际条件，得出了以下几种比较有代表性的攀爬机器人。本文依据攀爬机器人的工作方式，将其划分为3大类：连续运动式攀爬机器人、步进式攀爬机器人和冗余自由度攀爬机器人，其中步进式攀爬机器人又可细分成串联式、并联式和串并联混合式。1.1连续运动式攀爬机器人连续运动式攀爬机器人利用轮子或履带与被爬杆件表面的摩擦力来完成快速攀爬运动，德黑兰大机械工程学报第49卷第6期期90学的M.NiliAhmadabad等人对该类攀爬机器人进行了深入地研究，目前已研制三代样机：UT-PCR1，UT-PCR2和UT-PCR3，如图1所示。研究者的设计初衷是在降低机器人复杂程度的同时增加其承载能力，摩擦轮式攀爬机器人相对于大部分仿生式攀爬机器人的优势在于其为连续运动方式，攀爬效率更高。第一代摩擦轮式攀爬机器人UT-PCR1的主体结构为三对轮子呈圆周均布，下部三个轮子为主动轮，上部三个轮子为从动轮，起导向作用并提高机器人运动稳定性，上下两组轮子通过弹簧相连，使机器人始终紧贴杆件。该机器人具备自锁功能，当电机停止工作时不至于滑落[9-10]。此外，UT-PCR1还能完成绕杆件旋转运动，其缺点是机械结构和控制部分比较复杂。(a)UT-PCR1（b）UT-PCR2（c）UT-PCR2模型图(d)UT-PCR3图1UT爬杆机器人的演变过程UT-PCR2的研发受人爬树杆的启发，其机械结构为主动轮与从动轮上下分布在杆件两70侧，通过连杆连接，机器人的重心落在上部从动轮上，故将工作平台加装在主动轮侧从而保持机器人平衡，主动轮为橡胶材料以增大与杆件表面的摩擦力。为增大主动轮上的接触力，在从动轮下方再增加一个从动轮，通过弹簧与连杆相连，进一步提高整个装置的稳定性，防止意外滑落，并使机器人具备攀爬变直径杆的能力。实验表明该机器人能安全承受5倍于自身重量的载荷[11]。总结UT-PCR2的优势是运动稳定性好，控制简单，攀爬速度快，机械系统精简，舍去了在实际应用中不常用的绕杆旋转运动，承载能力高。UT-PCR3用履带代替了UT-PCR2中的主动轮，增加了与杆件的接触面积，从而大大提高运动稳定性和承载能力，并省去UT-PCR2中后来加上去的从动轮，简化了机械结构[12]。总的来说，该系列机器人满足设计目的，具备快速攀爬与良好的承载能力，但是对于非圆杆件或圆形杆件表面存在较大障碍物或者树木等复杂攀爬对象时则显得无能为力。1.2步进式串联攀爬机器人步进式串联攀爬机器人是目前使用最多、发展最完善的一类攀爬机器人，专家学者们对其进行了多年的研究，各类试验样机层出不穷。尽管在设计思路、攀爬机构的选择以及机器人攀爬步态等方面各有不同，但归根结底都可认为是步进式串联攀爬机器人。图2武汉理工大学曲柄滑块机构攀爬机器人图2所示的是武汉理工大学陈明森设计并研制的一款爬杆机器人，适应杆径为100mm~140mm。在设计过程中分析了爬杆机器人功能机构的协调配合、攀爬力的变化与结构参数之间的关系，通过在凸轮夹紧机构上添加预紧拉力弹簧解决了变直径杆爬行的难题。在变直径杆爬行基础上考虑了攀爬手臂夹持的重合度问题，即保证机器人在攀爬杆件最小直径时能够夹紧不跌落，攀爬杆件最大直径时能够不锁死，根据这些极限位置从而确定机器人的尺寸。整机结构简单紧凑，组装灵活，控制简单，试验时机器人攀爬平稳[13]。该机器人选择曲柄摇杆机构作为攀爬机构，通过躯干的伸缩往复运动从而达到攀爬目的，实现往复运动的机构还有：不完全齿轮齿条双侧停歇结构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等[14]。作为一个工作平台，该机器人只需根据实际工作需要搭载相应的执行器，即可在杆状建筑上完成作业。不足之处是该机器人攀爬速度低，且只能向上攀爬，需加装换向机构或修改凸轮使之满足正反转条件；攀爬对象仅为杆状城市建筑，不具备越障能力，缺少智能控制部分，无法适应复杂工况的要求。哈尔滨工程大学的史冬岩教授提出了基于TRIZ创新设计理论的攀爬机器人设计思路，由此月2013年3月攀爬机器人研究现状91设计了一种新型翻转式攀爬机器人，如图3所示。该机器人的机械系统主要由躯干、安装在躯干上的2个翻转臂、安装在翻转臂上的旋转臂、安装在旋转臂上的夹紧手爪和控制器组成。该机构的运动由控制器控制5个电机的正反转来完成。翻转运动是由机器人躯干两端关节处的翻转电机输出力矩，经过传动装置传递后输出带动翻转臂和躯干翻转。图3哈尔滨工程大学智能式翻转攀爬机器人该机器人的特点是爬行速度快，能够在弯曲或水平的杆状物上爬行，也能够在相邻的杆状物之间进行迁移爬行，很好地克服了适应性差的缺点；通过安装在夹手上的压力传感器反馈夹紧力，使爬行更加可靠；通过遥控装置和智能控制，爬行方式灵活，智能化程度高[15]。图4所示对其进行改进，将躯干部分改为伸缩式，由此进一步扩展了机器人的运动范围，并且具有两种攀爬步态，可根据实际情况选择更快速、稳定、节能的运动方式[16]。然而，翻转式攀爬运动主要由翻转电机驱动，这就制约了机器人的整体质量和承载能力。同时，受限于自由度，翻转式攀爬机器人仅适合在2D管道等规则攀爬对象上运动。3DCLIMBER是一款用于管道检测的串联攀爬机器人，包括1个四自由度的攀爬模块(2个旋转自由度和2个移动自由度)和2个夹持模块，能实现攀爬弯管、T型管等2D结构，绕杆状物轴线旋转等3D环境中的作业并通过法兰等障碍物。研究人员在设计时分析认为攀爬处于同一平面内的管道需要2个移动自由度，实际场合下存在法兰等障碍物和管道直径变化的情况，需要再增加一个旋转自由度，在三自由度躯干底部加装一个旋转机构由此构成了3DCLIMBER的主体结构[17]。该旋转机构对攀爬机器人具有重要意义，不仅增强了可操作性，而且扩展了工作空间，使其能够快速围绕杆状物轴线旋转并探测杆状物表面。在设计过程中，考虑到质量对机器人具有重要的影响，所有非标准零件的材料均采用7075-T6铝。图5管道攀爬机器人—3DCLIMBER相对与其他攀爬机器人的设计，3DCLIMBER的研究人员着手解决机器人攀爬过程中产生的误差问题。首先分析认为误差主要来自于两方面，一方面由于节点处的大转矩导致杆件存在细小的变形，这种细小的变形经多次传递到末端执行器时就会被放大。另一方面，两对夹手在攀爬过程中的作用既是基座也是执行器，可以互相转换，基座的误差将引起执行器产生误差，进而影响到整个攀爬路线。考虑在夹手上加装传感器并采用自校准算法补偿误差，改进的实验结果显示机器人系统的定位精度得到了显著提高[18]。尺蠖是一种无脊椎昆虫，它的幼虫身体细长，行动时向前一屈一伸像个拱桥，如图7(a)所示。华南理工大学管贻生教授据此提出了一种5自由度步进式串联攀爬机器人Climbot，如图7（b）所示。该攀爬机器人由3个摆动关节、2个回转关节依次串接而构成机器人本体，两端分别连接夹持器，两端对称，首尾互置，能满足杆上攀爬和圆柱状杆件过渡的需要，在结构上采用模块化设计方法，具有研发成本低，结构和功能的扩展性强等优点[19-21]。（a）尺蠖运动方式(b)爬杆机器人Climbot样机图7华南理工大学Climbot爬杆机器人的设计灵感与实物样机Climbot采用了仿生学原理，具备攀爬杆、桁架等圆杆的能力。多达5个的自由度使其能够使用尺蠖步态、扭转步态、翻转步态在杆件上攀爬移动，如图8所示。考虑到在使用不同攀爬步态攀爬同一杆件时最大关节转矩和所消耗的能量可能不同，研究人员在ADMAS环境下对机器人不同攀爬步态进行了仿真，并改变杆件倾斜角度进行机械工程学报第49卷第6期期92多次实验，对比结果表明，针对不同方位的杆件应选用不同的攀爬步态，这对攀爬规划和控制具有重要的指导意义[22-23]。尺蠖攀爬步态扭转攀爬步态翻转攀爬步态图8Climbot爬杆机器人的三种运动步态图9所示的是西班牙卡洛斯三世大学研制的ROMA攀爬机器人，该机器人是一款典型的拥有步进式攀爬机构的3D复杂梁架环境攀爬机器人，共有八个自由度，四个用来控制两爪子的运动和方向，两个用来张开和闭合爪子，一个控制爪子的旋转，一个用来延伸本体，它既可以沿着梁或桁架做1D运动，也可以在两个呈一定角度的位面间做2D运动，还可以实现在复杂环境中从一个平面到其他平面的3D运动。该机器人有非常巧妙的运动机构，允许其在复杂环境中做各种运动和自由行走，并且安全级别较高。但数量众多的自由度也使其控制变得复杂，并且采用两爪结构，对旋转电机的要求很高；机器人整体移动速度很慢，在实际中应用中效率不高。图9卡洛斯三世大学ROMA攀爬机器人1.3步进式并联攀爬机器人并联机器人在工业领域的应用越来越广，其同样也适用于管道、树木等攀爬作业。图