题目：可重构爬壁机器人关键技术研究

可重构爬壁机器人是一种新型机器人，它将模块化可重构机器人和爬壁机器人的特点结合起来，使得各模块既能够在壁面上单独活动，又能够互相对接并构成一个带有越障关节的多体机器人。与一般的多体爬壁机器人相比，可重构爬壁机器人的模块具有独立运动能力，故而运动更加灵活；与众多的单体爬壁机器人相比，各模块又可彼此连接并利用越障关节跨越壁面障碍，因此探测范围更广。总之，可重构爬壁机器人在创新性和实用性方面都具有较高的研究价值。

目前国内外具有类似功能的爬壁机器人较少，因此本研究从基础入手，对可重构爬壁机器人的若干关键技术进行研究，主要内容包括：

（1）分析了机器人在单体和多体模式下的壁面运动。对于常见的三轮型和四轮型运动装置，分别研究了各构型单体模式的稳定吸附条件、单体和多体模式的最大驱动力以及多体模式的差速转弯性能等问题，结果表明正三角构型模块能够兼顾驱动力和机动性两方面的要求，而机器人在多体模式下的模块数量越多，其壁面转弯性能越差。此外还对中间旋转型和两端旋转型关节在壁面越障和面面转换方面的性能进行了计算和讨论，指出了两种越障关节各自的优缺点，从而为后续的样机研制打下基础。

（2）研究了影响小型吸盘电磁铁吸力的因素。依托自行搭建的一种结构简单、功能实用的测试平台，运用实验方法对小型吸盘电磁铁在升降压过程中吸力曲线的变化、小型电磁铁吸附力达到稳定时壁面的厚度阈值等问题进行了研究；同时结合具体的研究条件，利用ANSYS Workbench/Magnetostatic有限元分析软件对多电磁铁紧密布局条件下的吸附力进行了仿真研究，得到紧密布局条件下多电磁铁的磁力线互相干扰并影响吸附力的结论，从而为给吸附模块的研制提供依据

（3）完成了吸附模块爬壁稳定性分析与模块设计。首先根据对电磁铁的实验和对底盘刚度的仿真，得到硬铝和工程塑料底盘刚度均不足、电磁铁将与壁面贴合并影响机器人运动的结果；其次，利用限位轮设计解决了该问题，并在模块吸附分析中使用压力系数方法分析了单模块吸附和双模块越障的条件。在上述分析的基础上，先后设计了基于普通机加工和3D打印技术的两代吸附模块，并结合壁面运动的实际需要设计了越障关节。上述理论分析经过单模块爬壁和双模块越障实验得到了验证。

 

（4）提出了一种适于可重构爬壁机器人使用的对接/闭锁装置。该装置的设计考虑了爬壁机器人及其所处环境的特点，不仅简化了对接装置的自由度，而且充分利用了模块越障关节的零件，具有重量较轻、体积较小、容错度较高的优点。基于该机构的特点分析了利用模块重量对自身姿态纠偏的方法，并通过理论计算和仿真验证推导了对接过程中的冲击加速度和零件应力。根据分析结果，转而利用模块自身动力实现了模块姿态的稳定纠正，最终完成了水平桌面和竖直壁面上的对接试验。

（5）研制了基于单目视觉原理的控制系统。为最大程度减轻模块重量，采用摄像头单目视觉技术对模块特征点所在的绝对和相对位置进行计算，推导图像坐标和实际坐标的关系，从而实现根据单目视觉图像判断对接条件、完成对接动作，并结合机器人的具体功能要求设计了控制系统硬件电路和软件系统。对接实验证明，基于单目视觉的控制系统基本可以准确地判断模块化机器人的可对接位置并完成对接。

关键词：爬壁机器人，模块化，对接机构，单目视觉