摘要
爬壁机器人是一种能够在竖直壁面(如墙壁、树干、工业设备和船体等)上附着和移动的特种机器人，其特殊的功能性可以辅助、替代人类执行各种危险的高空作业，如建筑物表面清洗、大型设施检测、设备维修、环境探测等方面。目前，大多数爬壁机器人的附着机制单一，仅能实现在某类粗糙程度相近的工作壁面附着，不能同时适用于粗糙程度相差较大的工作壁面；且机器人的移动机构自由度不足，仅能实现简单的向上攀爬，二者在很大程度上制约了爬壁机器人的进一步发展和应用。从仿生学的角度出发，本文提出了一种采用负压/钩爪式混合附着机制的六足式爬壁机器人，机器人采用接触式负压附着和钩爪式附着机制可分别实现在光滑和粗糙壁面上的攀爬运动。 主要研究内容如下： （1）基于蚂蚁的足部微观形态结构及附着机制，建立采用负压/钩爪式混合附着机制的仿生脚掌模型，结合蚂蚁的高自由度六足式结构，建立爬壁机器人的整体结构模型，进一步建立机器人的单腿运动学模型，求运动学逆解； （2）基于蚂蚁的运动模式，设计机器人的三角运动步态，根据机器人在光滑和粗糙壁面的附着特点，确定机器人在光滑壁面上采用基于复合摆线的足端轨迹；在粗糙壁面上采用基于三次埃尔米特(Hermite)曲线的足端轨迹。进行机器人的 Simulink 运动学仿真，验证步态设计的合理性，运动学逆解及足端轨迹规划的正确性； （3）面向爬壁机器人的功能需求，本研究采用软硬件协同设计方法开发机器人的机电控制系统。在硬件层面，设计制作了具有高度集成功能的 PCB主控板，集成微控制器模块、电源模块、驱动模块及通讯模块于一体；在软件层面，开发移动端 APP 用于遥控机器人的运动状态，实现人机交互功能，编写以ESP32 为主控核心的嵌入式代码，包括通信协议、求机器人运动学逆解以及足端轨迹规划等函数模块，实现机器人的运动控制功能。 （4）完成机器人的样机制作，分别在光滑和粗糙壁面上测试机器人的爬壁性能，观察机器人的运动情况并记录实验数据。最终，机器人采用接触式负压附着的方式实现了在光滑壁面上的稳定攀爬，采用钩爪式附着的方式实现了在粗糙壁面上的稳定攀爬。
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