基于ADAMS的小型爬壁清洁机器人建模与仿真

周少玲;毛志伟;葛文韬;张华

【摘 要】A mini-wall-climbing cleaning robot was presented based on axis gear train and planetary gear train movement. Biped vacuum suction principle was adopted for the robot. Its configuration was stated and four locoma-tion modes of cleaning, turning in plane, moving and transmitting barrier were described, respectively. In order to verify the effectiveness of the design, each locomotion mode was simulated based on ADAMS. Simulation results proved that the robot could accomplish excepted movements and has such features as few driving numbers and excellent maneuverability. The overall dimension of the robot was 366 mm (long) x 174 mm (width) x 165 mm (height). The weight of the robot was about 5 kg.%基于定轴及行星轮系运动,提出了一种小型爬壁清洁机器人,机器人采用双足真空吸附原理,阐述了机器人的结构,分析了清洗、平面旋转、行走和越障4种运动模式.为检验设计方案的可行性,运用ADAMS软件对各运动模式进行了仿真,仿真结果表明:机器人能够完成预期动作并具有运动灵活及驱动数目少等特点.本机器人的外形尺寸约为366 mm(长)×174 mm(宽)×165 mm(高),质量约为5 kg. 【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》 【年(卷),期】2012(034)003 【总页数】5页(P248-252)

【关键词】爬壁机器人;真空吸附;行星轮系;ADAMS

【作 者】周少玲;毛志伟;葛文韬;张华

【作者单位】江西省工业职业技术学院,江西南昌330095;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031 【正文语种】中 文 【中图分类】TH138

随着经济的高速发展，城市里装饰玻璃幕墙的高层建筑越来越多。目前，幕墙的清洗工作一般由工人搭乘吊篮进行高空作业来完成，但危险性高且工作效率低。因此用清洁机器人代替人工来完成此项工作势在必行，清洁机器人具有广阔的应用前景和良好的社会效应。

针对壁面清洁机器人，赵言正等［1-2］研制了一种能跨越水平窗框障碍的玻璃幕墙清洗机器人;宗光华等［3］研制了框架式 Cleanbot-I擦窗机器人［3］;于今等［4-5］研制了双层框架式多吸盘壁面清洗机器人;曹彤等［6-7］研制了多吸盘式擦窗机器人;唐伯雁等［8］研制了自攀式幕墙清洗机器人;Vo-Gia Loc等［9］针对复杂曲面环境研制了四足式爬壁机器人［9］;Tohru Miyake 等［10］研制了轮式负压吸附爬壁机器人。但上述机器人都具有体积大、灵活性差以及成本高等缺点，极大地限制了这些机器人的应用。

本文提出的小型爬壁清洁机器人，采用双足真空吸附、定轴轮系及行星轮系运动原理，通过双足交替吸附的方式实现在竖直壁面上的移动，具有体积小、重量轻、驱动数目少、运动灵活、具备一定越障能力及成本低等特点。机器人的外形尺寸为366 mm(长) ×174 mm(宽) ×165 mm(高)，质量约为5 kg。

1 机器人结构

机器人采用真空吸附，双足对称式结构，主要由机架、行走腿、清洗盘及离合器组成，如图1所示。机器人机构如图2所示，共有3个旋转关节，3关节均沿竖直方向放置，关节J1由电机1驱动，可实现机器人的清洗及平面旋转，通过离合器来实现两动作的转换。关节J2，J3分别由电机2和电机3驱动，并通过螺旋传动将电机的旋转运动变为直线运动，两关节可实现机器人机架、清洗盘及行走腿的伸长或缩短，协助机器人越过障碍。为使得机器体积小巧，清洗盘、离合器与行走腿均采用同轴结构。

2 运动模式

机器人初始状态为左、右行走腿吸盘吸附，左、右离合器均未吸合，清洗盘紧贴于玻璃壁面。下述各动作均从初始状态开始执行。 2.1 清洗动作

机器人清洗动作如图3所示，图2中的主动齿轮13、清洗盘齿轮3、10及机架5形成定轴轮系。主动齿轮的驱动转矩由电机1提供，角速度为ω0。主动齿轮通过一级齿轮传动驱动左、右清洗盘回转，角速度分别为 ω1，ω2。 图3 清洗动作示意图Fig.3 Schematic diagram of cleaning 2.2 平面旋转

机器人平面旋转动作如图4所示，图2中的左侧离合器4吸合(以左侧为例，右侧可类推)，左清洗盘齿轮因离合器吸合而锁止，左清洗盘齿轮保持不动。右行走腿12的吸盘释放，此时主动齿轮、清洗盘齿轮及机架三者间的运动关系由清洗状态时的定轴轮系(图3)变为行星轮系，左清洗盘齿轮为太阳轮，机架及主动齿轮绕左清洗盘齿轮的轴线回转，机器人转动角度为φ。

图4 平面旋转动作示意图Fig.4 Schematic diagram of turning in plane

2.3 立面行走

机器人立面行走动作按照如图5所示的顺序实现(其中阴影部分表示吸盘吸附)： 1)机器人处于初始状态，如图5(a)所示;

2)左离合器4吸合，右行走腿12的吸盘释放，电机1驱动旋转关节J1(图2)，机器人原地转动角度为 α1(α1∈［0，360］)，如图5(b)所示;

3)右行走腿12的吸盘重新吸附，右离合器9吸合，左离合器4松开，左行走腿1的吸盘释放，电机1驱动旋转关节J1(图2)，机器人反向转动角度为α2(α2∈［0，360］)，如图 5(c)所示。

左行走腿1(图2)的吸盘重新吸附即可使得机器人回到初始状态(如图5(a)所示)。通过调整角度α1，α2即可使得机器人以任意姿态在壁面上移动。

2.4 跨步越障

机器人在壁面上越障是通过跨步行走的方式来实现，跨步越障动作按照如图6所示的顺序实现(其中阴影部分表示吸盘吸附)： 1)机器人处于初始状态，如图6(a)所示;

2)电机2和电机3分别驱动旋转关节J2，J3，机架5及清洗盘2，11抬升(见图2)，高度为h，如图6(b)所示;

3)左离合4器吸合，右行走腿12的吸盘释放，电机3驱动旋转关节J3，右行走腿12缩回(见图2)，高度为h，如图6(c)所示;

4)电机1驱动转动关节J1(见图2)，机器人原地转动角度为θ1，右行走腿越过障碍，如图6(d)所示;

5)电机3驱动旋转J3，右行走腿12(见图2)伸出至壁面，其吸盘重新吸附，如图6(e)所示;

6)右离合器9吸合，左离合器4松开，机器人左行走腿1的吸盘释放，电机2驱

动旋转关节J2(见图2)，左行走腿的缩回长度为h，电机1反向驱动旋转关节J1(见图2)，机器人原地转动角度为θ2，左行走腿越过障碍。电机2驱动旋转关节J2(见图2)，左行走腿伸出至壁面，其吸盘重新吸附，如图6(f)所示;

7)电机2和电机3分别驱动旋转关节 J2，J3(见图2)，机身及清洗盘放下至清洗高度，机器人回到初始状态(如图6(a)所示)。

3 运动仿真及结果分析 3.1 建立模型并施加约束

根据机器人外形尺寸及物理特性，建立机器人虚拟样机，如图7所示，并根据机器人机构示意图(见图2)，在有相对运动的刚体间创建运动副。 图7 机器人虚拟样机Fig.7 Virtual prototype of the robot 3.2 清洗运动仿真

在图2中的关节J1处施加驱动，仿真时间为5 s，机器人运行时间为4.5 s，左、右清洗盘的角速度ω1，ω2分别如图8～图9所示。仿真结果表明：左、右清洗盘能够以相同转速稳定回转。

图8 左清洗盘角速度ω1Fig.8 Angle velocity of left cleaning plate ω1 图9 右清洗盘角速度ω1Fig.9 Angle velocity of right cleaning plate ω1 3.3 平面旋转运动仿真

在图2中的关节J1处施加驱动，仿真时间为1.5 s，机器人运行时间为1 s。右行走腿吸盘的圆心绕左行走腿吸盘的圆心转动角度φ的函数曲线如图10所示，圆心的运动轨迹如图11所示。仿真结果表明：右行走腿可绕左行走腿轴线做原地圆周转动，反云亦然，故机器人在壁面上具有较好的运动灵活性。

3.4 行走运动仿真

在图2中的关节J1处施加驱动，仿真时间为7.5 s，机器人运动时间为7.2 s。右行走腿吸盘的圆心绕左行走腿吸盘的圆心转动角度α1的函数曲线如图12中的实线所示。机器人左行走腿吸盘的圆心绕右行走腿吸盘的圆心转动角度α2的函数曲线如图12中的虚线所示。两圆心的运动轨迹分别如图13中的虚线和实线所示。仿真结果表明：机器人通过双足交替吸附的方式可实现立面行走动作。

3.5 跨步越障运动仿真

在图2中的关节J1，J2，J3处分别施加驱动，仿真时间37 s，机器人运动时间为35 s。机器人清洗盘沿y方向的位移如图14所示，左、右行走腿沿y方向的位移如15图中虚线和实线示。左、右行走腿吸盘圆心的轨迹分别如图16中虚线和实线所示。仿真结果表明：机器人清洗盘及左、右行走腿可实现伸缩运动并在电机的驱动下能够实现跨步越障动作，机器人可越过障碍的尺寸为30 mm(宽)×25 mm(高)，机器人实物如图17所示。 4 结论

基于双足真空吸附、定轴轮系及行星轮系运动原理，提出了一种小型爬壁清洁机器人。对机器人清洗、原地转动、立面行走及跨步越障4种运动形态进行了仿真分析，仿真结果表明：机器人能够在竖直壁面内平稳地完成预期动作，并具有体积小、驱动数目少、运动灵活、具备一定越障能力及重量轻等特点。

【相关文献】

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