寧思衡 金揚(yáng)皓 劉凌

（清華大學(xué)附屬中學(xué)）

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可變形爬壁機(jī)器人研究及對(duì)我國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)制定工作的建議

寧思衡 金揚(yáng)皓 劉凌

（清華大學(xué)附屬中學(xué)）

摘要：根據(jù)我國(guó)目前爬壁機(jī)器人研究的進(jìn)程，參照機(jī)器人現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出一種能在光滑平面上采用真空吸附方式靈活移動(dòng)的爬壁機(jī)器人，介紹了爬壁機(jī)器人的研究背景、分類、技術(shù)路線與參數(shù)定義、詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，研制了上位機(jī)程序與控制系統(tǒng)軟件，經(jīng)組裝試驗(yàn)驗(yàn)證了爬壁的可能性，結(jié)合爬壁機(jī)器人的研制，對(duì)我國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)行了探討并提出建議。

關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人 真空吸附 可變形 機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)

1　課題研究背景與意義

爬壁機(jī)器人廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，在核工業(yè)可用于對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺檢查、測(cè)厚及焊縫探傷；在石化企業(yè)可用于對(duì)圓柱形大罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐；在建筑行業(yè)可用于噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃；在消防部門可用于傳遞救援物資；在造船業(yè)可用于噴涂船體的內(nèi)、外壁等，因此目前世界各國(guó)都投入大量的人力、物力進(jìn)行爬壁機(jī)器人的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究［1］。

而機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)密不可分，隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上針對(duì)機(jī)器人相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定也在不斷深入，為機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化研制和應(yīng)用提供了參考和借鑒，但是，目前我國(guó)并未建立完善的機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系，在具體標(biāo)準(zhǔn)的制定上具備廣闊的發(fā)展空間［2］。

課題組在參照現(xiàn)行國(guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)研制基于真空吸附的框架式移動(dòng)爬壁機(jī)器人的同時(shí)，深刻體會(huì)到制定并完善我國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)的重要性。

2　爬壁機(jī)器人與我國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)概況

2.1爬壁機(jī)器人

自1966年日本大阪府立大學(xué)上學(xué)部任西亮講師利用電風(fēng)扇產(chǎn)生的負(fù)壓吸附制作了第一臺(tái)壁面移動(dòng)機(jī)器人原理樣機(jī)以來，爬壁機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，也相繼研制出了各種不同種類的樣機(jī)。我國(guó)已有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)精儀系機(jī)器人及其自動(dòng)化研究室、北京航空航天大學(xué)等高校及科研院所致力于相關(guān)方面的研究，也取得了豐碩的成果。

爬壁機(jī)器人最重要的特點(diǎn)是吸附在壁面上，吸附產(chǎn)生機(jī)理的不同爬壁機(jī)器人的特點(diǎn)也大有不同。通過近20年的發(fā)展，爬壁機(jī)器人的吸附方式主要有靜電吸附、真空吸附、負(fù)壓吸附、旋翼吸附、磁力吸附以及一些比較特殊方式的吸附等；爬壁機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以模仿地面移動(dòng)機(jī)器人的方式，目前主要有輪式、履帶式、框架移動(dòng)式以及關(guān)節(jié)腿足式。

相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)、性能指標(biāo)、關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述［3-5］。

2.2我國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)概況

我國(guó)已有的工業(yè)機(jī)器人國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是多年前綜合和兼容發(fā)達(dá)國(guó)家已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（美國(guó)、日本等）、區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)（歐盟）等的基礎(chǔ)上制定的，沒有充分考慮到發(fā)展的新興市場(chǎng)的現(xiàn)狀和需求，國(guó)家并未建立針對(duì)爬壁機(jī)器人的專用標(biāo)準(zhǔn)，課題組在爬壁機(jī)器人研究的過程中主要參考和借鑒了我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人方面的主流標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 12644—2001《工業(yè)機(jī)器人特性表示》、GB/T 12642—2013《工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》、GB/T 19399—2003《工業(yè)機(jī)器人編程和操作圖形用戶接口》、GB/T 16977—2005《工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)命名原則》等。

3　可變形爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)

3.1外形設(shè)計(jì)

參照GB/T 12644—2001中“5.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)”“5.7外形尺寸和質(zhì)量”的要求［6］，利用Solid Works繪制了三個(gè)主體的三維圖形，其載物板大小為280mm×100mm×5mm，其上搭載了電磁閥，真空泵，ARDUINO控制板與繼電器，在外形設(shè)計(jì)時(shí)考慮到移動(dòng)方式的符合性要求。

3.2吸附裝置及其原理

吸附裝置主要由兩部分構(gòu)成：負(fù)壓發(fā)生裝置；吸附腔體。

3.2.1負(fù)壓發(fā)生裝置

本機(jī)器人選用真空泵作為負(fù)壓發(fā)生裝置，一是為了獲得更穩(wěn)定的吸附力，二是為了減少噪音。

參照GB/T 12642—2013中“6 性能測(cè)試條件與性能檢測(cè)方法”的要求［7］，在選用真空泵的時(shí)候主要考慮的因素為3個(gè)：抽氣速度、真空度、體積。抽氣速度越快，氣體泄漏的影響會(huì)越?。徽婵斩仍酱?，提供的吸力越大；體積越小，越好安裝在載物板上。通過對(duì)比，最終選定了一款大功率真空泵，其具體參數(shù)如下：

型號(hào)：VN-C4；工作電壓：DC9V-14V；真空度：-85kPa；流量：40L/min；額定電壓：DC12V；功率：42W。

3.2.2吸附腔體

參照GB/T 12642—2013中“4 單位”“6.8.6.2試驗(yàn)軌跡的形狀和尺寸”要求，吸附腔體選用的是機(jī)械手上吸取用的吸盤，分為兩種不同大小的吸盤，一個(gè)半徑為30mm，一個(gè)為40mm，其中：30mm的吸盤應(yīng)用于中間部分，共4個(gè)；40mm的吸盤應(yīng)用于兩邊主體，每邊各兩個(gè)。通過實(shí)踐，吸盤與真空泵配合可以適應(yīng)比較常見的墻面，如粉墻、玻璃等。

3.2.3電磁閥

本機(jī)器人用真空電磁閥控制吸盤的開關(guān)，通電時(shí)聯(lián)通氣管，斷電時(shí)聯(lián)通大氣，達(dá)到一個(gè)快速抬起的效果。

參照GB/Z 19397—2003《工業(yè)機(jī)器人電磁兼容性試驗(yàn)方法和性能評(píng)估準(zhǔn)則指南》中“6.5 與機(jī)器人應(yīng)用有關(guān)的推薦測(cè)試指標(biāo)”［8］，選用的電磁閥為SQW的QVT307，其參數(shù)如下：

型號(hào)：QVT307；工作電壓：12V；壓力：0-0.9MPa；功率：5.8W。

3.2.4吸附力

吸附力的大小取決于吸附面積以及真空度決定，本機(jī)器人所選用的真空泵可以提供-85kPa的真空度，由8個(gè)吸盤提供的吸附面積大約為300cm2，其提供的吸力約為223N。

3.2.5 吸附原理

吸附原理見圖1。可變形爬壁機(jī)器人將吸附系統(tǒng)改進(jìn)得更加簡(jiǎn)單，節(jié)約能源。可變形爬壁機(jī)器人利用1個(gè)真空泵配合3個(gè)電磁閥控制8個(gè)吸盤，減少了能量損耗，控制更加簡(jiǎn)便。真空泵使一級(jí)氣管不斷抽氣，而電磁閥則控制二級(jí)氣管的開啟關(guān)閉，兩者配合，達(dá)到一個(gè)控制多個(gè)的目的。而其他負(fù)壓式爬壁機(jī)器人多是采用一個(gè)氣泵控制一組吸盤的設(shè)計(jì)，使程序復(fù)雜，能量損耗大。

圖1　吸附原理圖

3.3移動(dòng)裝置和舵機(jī)

參照GB/T 12642—2013中“6 性能測(cè)試條件與性能檢測(cè)方法”“7 位姿特性”“8 軌跡特性”及“11面向應(yīng)用的特殊性能規(guī)范”的要求，本機(jī)器人所選用的舵機(jī)為Power HD 的1501MG型號(hào)，主要參數(shù)如下：

重量：60g；尺寸：40.7mm×20.5mm×39.5mm；電壓6V；力矩17kg/cm；轉(zhuǎn)速0.14s/60°。

移動(dòng)裝置由舵機(jī)和機(jī)械臂零件組成，每個(gè)主體之間都由兩個(gè)機(jī)械臂鏈接，舵機(jī)的選用需要考慮其轉(zhuǎn)速快慢，與力矩大小、轉(zhuǎn)速與舵機(jī)之間的配合，以及舵機(jī)的穩(wěn)定性有關(guān)，力矩則與舵機(jī)的負(fù)載重量有關(guān)。

3.4控制方式與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

參照GB/T 19399—2003中“5 GUI-R元素的定義”及“6 功能和圖標(biāo)”［9］、GB/T 16977—2005中“4坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的定義”［10］，設(shè)計(jì)了基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序和機(jī)器人嵌入式控制程序。

控制模塊由上位機(jī)控制程序以及ARDUINO控制程序組成，將真空泵、舵機(jī)控制板、電磁閥、遙控器連接在ARDUINO控制板上，上位機(jī)向ARDUINO發(fā)送指令，ARDUINO通過相應(yīng)函數(shù)，給這幾個(gè)模塊發(fā)送信息，達(dá)到控制機(jī)器人前進(jìn)的目的。

本程序總共有兩種控制方式，一為執(zhí)行固定動(dòng)作組，二為自由控制。

（1）固定動(dòng)作組

固定動(dòng)作組分為4個(gè)，分別是前進(jìn)、后退、向左、向右。當(dāng)鼠標(biāo)按下相應(yīng)按鈕后，發(fā)送數(shù)字“1～4”給ARDUINO串口監(jiān)視器，再由ARDUINO調(diào)用已編好的程序，從而控制機(jī)器人上下左右移動(dòng)。

（2）自由控制

在自由操控中，可以控制的是兩個(gè)信息：吸盤的吸附或張開、單個(gè)主體的位置。

控制的方法為鼠標(biāo)單擊一個(gè)主體時(shí)，發(fā)送電磁閥關(guān)閉的命令，并將主體定義為可移動(dòng)，鼠標(biāo)移動(dòng)主體隨之移動(dòng)，在結(jié)束后發(fā)送舵機(jī)角度，以及電磁閥開啟的命令。最后將中間部分還原到中點(diǎn)。

如：移動(dòng)中間部分，鼠標(biāo)單擊第一個(gè)主體，發(fā)送電磁閥關(guān)閉命令021（“02”第一個(gè)主題，“1”關(guān)閉）；鼠標(biāo)移動(dòng)，主體隨之移動(dòng)到該位置，將舵機(jī)角度顯示在控制系統(tǒng)上；鼠標(biāo)放開，發(fā)送舵機(jī)位置和電磁閥開啟命令020?？刂平缑嬷邪谡{(diào)試工具，8個(gè)舵機(jī)的角度，以及機(jī)器人控制人機(jī)界面，見圖2。

圖2　機(jī)器人控制人機(jī)界面

4　應(yīng)用驗(yàn)證與機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作的建議

4.1應(yīng)用驗(yàn)證

參照GB/T 12642—2013中“6 性能測(cè)試條件與性能檢測(cè)方法”的要求，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，二代可變形爬壁機(jī)器人可以在垂直面與平行面上穩(wěn)定攀爬，如圖3。

圖3　機(jī)器人運(yùn)行圖——黑板垂直面與地板水平面測(cè)試

該設(shè)計(jì)在2015年4月獲北京市FTC機(jī)器人專項(xiàng)比賽一等獎(jiǎng)，2015年7月獲中國(guó)科協(xié)組織的第十五屆中國(guó)青少年機(jī)器人創(chuàng)意競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，并獲得清華大學(xué)附中獎(jiǎng)學(xué)金。

4.2對(duì)我國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)制定工作的建議

爬壁機(jī)器人有著潛在的廣闊的應(yīng)用前景，在不遠(yuǎn)的將來，爬壁機(jī)器人必將給國(guó)家和社會(huì)帶來巨大的利益，但同時(shí)我們也必須清醒地認(rèn)識(shí)到，目前國(guó)內(nèi)大部分機(jī)器人市場(chǎng)份額已由國(guó)外大公司占領(lǐng)，我國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)的制定主要有等效采用相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)組織編撰等方式，現(xiàn)有的機(jī)器人相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)多針對(duì)工業(yè)機(jī)器人，隨著中國(guó)制造2025國(guó)家戰(zhàn)略與“互聯(lián)網(wǎng)加+”進(jìn)程的逐步推進(jìn)，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人并配套制定專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)將具有極大的發(fā)展空間，專業(yè)領(lǐng)域的各類機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)的制定也是擺在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展面前的一個(gè)無法回避的問題，據(jù)此提出如下建議：

（1）將機(jī)器人研制技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的制定納入國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃體系，注重產(chǎn)研結(jié)合，加大對(duì)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)機(jī)器人科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)的投入。

（2）建立健全國(guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系并細(xì)化專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的目錄，本著面向急需、分步制定、配套實(shí)施的原則，穩(wěn)扎穩(wěn)打，合理推進(jìn)國(guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)制定工作進(jìn)程。

（3）國(guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和完善建議采用上下結(jié)合的方式進(jìn)行：建議采用自上而下的方式建立國(guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系，即由國(guó)家組織專業(yè)的技術(shù)委員會(huì)在廣泛深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略要求編制、規(guī)范具體標(biāo)準(zhǔn)的目錄和范圍；具體標(biāo)準(zhǔn)的制定采用自下而上的方式，由國(guó)內(nèi)機(jī)器人專業(yè)科研機(jī)構(gòu)和機(jī)器人先進(jìn)制造企業(yè)牽頭編制，并逐步上行填充到國(guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系中。

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Research on Deformable Wall Climbing Robot and the Suggestions on China's Robot Standards Development Work

Ning Siheng，Jin Yanghao，Liu Ling
（ The Affi liated High School of Tsinghua University ）

Abstract:According to the process of wall climbing robot research in our country，we designed a type of flexible mobile climbing robot adopted vacuum adsorption method on the smooth plane. This paper introduces the research background and classification，technical route and parameter definition，detailed design process of the robot. We developed PC and control system software and verified the possibility of climbing after assembly tests. We also discussed and put forward the suggestions on robot standards in China combined with the development of wall climbing robot.

Key words:wall climbing robot，vacuum adsorption，deformable，robot standard