小型磁吸附爬壁机器人的设计与实验验证

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230221

摘要/Abstract

摘要：

针对传统爬壁机器人结构复杂、体积庞大等问题,设计了一种能够在竖直壁面上移动的新型小型磁吸附爬壁机器人，可满足在狭小空间内运动的需求.基于振动驱动理论，设计了具有扭转特性的足部结构并采用磁吸附的黏附机制，建立了爬壁机器人的动力学模型.通过数值仿真，分析了激振频率和外部负载对机器人运动速度的影响规律，结果表明，在无负载时，机器人最大爬壁速度可达58.7 mm/s，而在负载0.7倍自身质量条件下，其最大爬壁速度为44.9 mm/s.实验验证进一步表明，机器人在无负载和负载条件下的最大爬壁速度分别为56.5和30.2 mm/s，并通过调节激振频率，可以实现对机器人运动速度和方向的有效控制.

关键词: 爬壁机器人, 小型机器人, 振动驱动, 磁吸附, 扭转特性

Abstract:

To address the challenges of complex structures and large sizes in traditional wall‑climbing robots， a novel small‑scale magnetic adsoprtion wall‑climbing robot was designed， capable of maneuvering on vertical surfaces and meeting the operational requirements in confined spaces. Based on the vibration‑driven theory， a foot structure with torsional characteristics was designed， incorporating a magnetic adsorption mechanism. A dynamic model of the wall‑climbing robot was established， and numerical simulations were performed to analyze the effect of excitation frequency and external load on the robot’s motion speed. The results indicated that the robot achieves the maximum climbing speed of 58.7 mm/s under no‑load conditions and 44.9 mm/s when carrying a load equivalent to 0.7 times its own mass. Experimental validation further demonstrated the maximum climbing speeds of 56.5 and 30.2 mm/s under no‑load and loaded conditions， respectively. Additionally， by adjusting the excitation frequency， the robot’s motion speed and direction can be effectively controlled.

Key words: wall?climbing robot, small?scale robot, vibration?driven, magnetic adsorption, torsional characteristics

中图分类号:

TD 451

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图/表 11

图1 机器人整体结构模型（a）—主视图；（b）—俯视图.

Fig.1 Structural model of the robot

图2 激振力及分量

Fig.2 Exciting force and components

图3 机器人系统二维刚体动力学模型

Fig.3 Two dimensional rigid body dynamics model of the robot system

表1 仿真参数

Table 1 Simulation parameters

参数	值	参数	值
$m$ /g	$15$	$θ 0$ /（°）	$43$
$m 0$ /g	$100$	$e$ /mm	$4.6$
$N C$ /N	$4$	$μ$	$0.6$
$l$ /mm	$20$	$k$ /(N·m·rad^-1)	$1.8$

表1 仿真参数

Table 1 Simulation parameters

参数	值	参数	值
$m$ /g	$15$	$θ 0$ /（°）	$43$
$m 0$ /g	$100$	$e$ /mm	$4.6$
$N C$ /N	$4$	$μ$	$0.6$
$l$ /mm	$20$	$k$ /(N·m·rad^-1)	$1.8$

图4 不同激振频率下机器人运动分析（a）—激振频率22.7 Hz，沿壁面方向速度；（b）—激振频率22.7 Hz，沿壁面方向位移；（c）—激振频率22.7 Hz，驱动器沿壁面法向位移；（d）—激振频率28 Hz，沿壁面方向速度；（e）—激振频率28 Hz，沿壁面方向位移；（f）—激振频率28 Hz，驱动器沿壁面法向位移.

Fig.4 Analysis of robot motion under different excitation frequencies

图5 机器人系统的激振频率-平均速度响应曲线（a）—不同频率下的平均速度；（b）—频率为15 Hz下的位移情况；（c）—频率为22.7 Hz下的位移情况；（d）—频率为23.7 Hz下的位移情况；（e）—频率为25 Hz下的位移情况；（f）—频率为28 Hz下的位移情况.

Fig.5 Excitation frequency-average speed response curve of the robot system

图6 外部负载对机器人运动影响分析

Fig.6 Analysis of the effect of external load on robot motion

图7 实验装置

Fig.7 Experimental device

图8 机器人系统运动仿真与实验对比结果

Fig.8 Simulation and experimental comparison results of robot system motion

图9 外部负载对机器人运动影响实验结果

Fig.9 Experimental results of the effect of external load on robot motion

图10 不同负载对机器人速度极值影响

Fig.10 Effect of different loads on the extreme speed of the robot

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