第 1 章 绪论
1.1 研究目的与意义
近些年来，快速发展的机器人技术使人们从复杂，繁琐和高危的工作中逐渐解脱出来。目前，机器人的主要工作有：未知环境探测，重大灾害救援，工业制造，家庭服务，高空作业，水下作业等。在正常工作情况下，机器人可以进行稳定、持续的工作，不会出现类似人的由于长期劳动而出现的各种不适症状。机器人可以在恶劣的环境下工作，比如断水，缺氧等。机器人的研发和推广很大程度上提高了社会的生产力，推动了当今世界经济的发展[1]。
在制造行业，工业机器人已经被应用在一些大型工厂，尤其是应用在汽车生产方面的“机械手”[2]。这类工业机器人在正式投入工作之前，由工程师预先将工作程序编写好，然后，工业机器人按照这一程序不断往复地执行下去。这种机器人不能实时的对外界环境的变化做出反应。当工业机器人用于做另一工种时，工程师需要重新编写工业机器人的工作程序，也即工作程序无法用于多种工序。因此这类机器人不能称之为智能机器人，目前制造业广泛使用的工业机器人就属于此类机器人。智能机器人是指可以自动识别周围环境，并且根据周围的环境变化对自身做出相应的调整，以此适应复杂环境[3]。
1.1 研究目的与意义
近些年来，快速发展的机器人技术使人们从复杂，繁琐和高危的工作中逐渐解脱出来。目前，机器人的主要工作有：未知环境探测，重大灾害救援，工业制造，家庭服务，高空作业，水下作业等。在正常工作情况下，机器人可以进行稳定、持续的工作，不会出现类似人的由于长期劳动而出现的各种不适症状。机器人可以在恶劣的环境下工作，比如断水，缺氧等。机器人的研发和推广很大程度上提高了社会的生产力，推动了当今世界经济的发展[1]。
在制造行业，工业机器人已经被应用在一些大型工厂，尤其是应用在汽车生产方面的“机械手”[2]。这类工业机器人在正式投入工作之前，由工程师预先将工作程序编写好，然后，工业机器人按照这一程序不断往复地执行下去。这种机器人不能实时的对外界环境的变化做出反应。当工业机器人用于做另一工种时，工程师需要重新编写工业机器人的工作程序，也即工作程序无法用于多种工序。因此这类机器人不能称之为智能机器人，目前制造业广泛使用的工业机器人就属于此类机器人。智能机器人是指可以自动识别周围环境，并且根据周围的环境变化对自身做出相应的调整，以此适应复杂环境[3]。
社会服务机器人可以分为专用服务机器人和家庭服务机器人。社会服务机器人不但可代替人类深入危险未知环境下进行探测，还能够用于家庭服务。其中，专用服务机器人是专门针对可以在恶劣场景下工作而定制的机器人，该类机器人主要有核发电站检测与维修机器人、极地探测机器人、反恐机器人、灾害救援机器人等[4-6]；家庭服务机器人是能够用于家庭服务的机器人，如用于代替人们照顾老人或儿童、陪护病人、清洁家庭卫生、医疗协助、教育指导和陪同娱乐等。
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1.2 国内外研究现状
目前，爬墙类机器人的按吸附方式主要可以分为以下几类：磁吸附式、仿生吸附式、静电吸附式、正压吸附式和负压吸附式。这几类爬墙机器人在吸附和攀爬过程中所采用的移动方式也主要有轮式，履带式，足式以及混合式。其中轮式，对于机器人的攀爬过程有较高的移动效率，但却不能很好的跨越墙面障碍物；履带式，对于墙面的吸附有较好的提升效果，但却通常重量较大，对于克服重力移动的爬墙机器人通常要求质量不能太大；足式，对于墙面的攀爬过程中可以很好的进行墙面过渡和越障，但移动效率较低，且足的活动容易影响机体的重心，影响吸附稳定性；混合式，则结合三者的优点，同时规避了三者的缺点，但是又有自身的缺点—结构复杂且难以控制。
目前，爬墙类机器人的按吸附方式主要可以分为以下几类：磁吸附式、仿生吸附式、静电吸附式、正压吸附式和负压吸附式。这几类爬墙机器人在吸附和攀爬过程中所采用的移动方式也主要有轮式，履带式，足式以及混合式。其中轮式，对于机器人的攀爬过程有较高的移动效率，但却不能很好的跨越墙面障碍物；履带式，对于墙面的吸附有较好的提升效果，但却通常重量较大，对于克服重力移动的爬墙机器人通常要求质量不能太大；足式，对于墙面的攀爬过程中可以很好的进行墙面过渡和越障，但移动效率较低，且足的活动容易影响机体的重心，影响吸附稳定性；混合式，则结合三者的优点，同时规避了三者的缺点，但是又有自身的缺点—结构复杂且难以控制。
1.2.1 磁吸附式爬墙机器人
磁吸附式爬墙机器人，一般采用两种方式来产生磁场力对磁性墙面进行吸附：一是永磁铁[22-23]，二是电磁铁。这两种方式对墙面的材料都具有一定的要求，那就是墙面能够被电磁铁或者永磁铁吸住，所以墙面必须具有铁磁性。这种吸附方式可用于攀爬一些大型的刚性墙面，该种方式具有吸附能力强的特点，有较强的负载能力，可靠性与稳定性好，可用于船体的内外壁检测，清洁，维修，焊接和喷涂。目前，磁吸附式爬墙机器人按照移动方式又有以下几种：磁足式，磁轮式，磁履带式。
磁足式爬墙机器人是靠具有磁性的足来提供所需的吸附力吸附在墙面上，鉴于这种行走特点使得其吸附力必须是可以控制的，通常采用电磁铁来提供吸附力。由于磁足式爬墙机器人具有足式的缺点，使得该种机器人的步态控制比较复杂，运动灵活性不好，但可在墙面越过一些小障碍物[24]。
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第 2 章 多轮足墙角面攀爬机器人的总体结构
2.1 引言
本研究受人攀爬树或杆，猫类动物爬树或墙角的启发，提出墙角-摩擦力吸附方式。机器人要实现稳定爬墙，需要有吸附机构和攀爬机构。机器人利用吸附机构和攀爬机构紧紧“抱住”墙角面，利用攀爬机构沿着墙角面自由上、下移动；机器人结构还应该具备在墙角面和地面之间的过渡的能力和一定的地面移动能力。
机器人攀爬墙面的运动由两种运动合成，吸附运动和攀爬运动，这两种运动相互分离，且相互之间的影响较小，可以很好地实现竖直墙角面的攀爬，地面和墙面之间的过渡。爬墙机器人应具有较好的墙面适应能力、较好的稳定性和低功耗的特点。由第一章可知，爬墙类机器人的研究重点在于吸附方式的研究，所以本章首先分析五种经典吸附方式的优缺点，提出本机器人的吸附方案，其次介绍机器人的总体结构设计和零部件的选择，最后详细讲述了机器人在墙角面上的攀爬原理[50]。
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第 2 章 多轮足墙角面攀爬机器人的总体结构
2.1 引言
本研究受人攀爬树或杆，猫类动物爬树或墙角的启发，提出墙角-摩擦力吸附方式。机器人要实现稳定爬墙，需要有吸附机构和攀爬机构。机器人利用吸附机构和攀爬机构紧紧“抱住”墙角面，利用攀爬机构沿着墙角面自由上、下移动；机器人结构还应该具备在墙角面和地面之间的过渡的能力和一定的地面移动能力。
机器人攀爬墙面的运动由两种运动合成，吸附运动和攀爬运动，这两种运动相互分离，且相互之间的影响较小，可以很好地实现竖直墙角面的攀爬，地面和墙面之间的过渡。爬墙机器人应具有较好的墙面适应能力、较好的稳定性和低功耗的特点。由第一章可知，爬墙类机器人的研究重点在于吸附方式的研究，所以本章首先分析五种经典吸附方式的优缺点，提出本机器人的吸附方案，其次介绍机器人的总体结构设计和零部件的选择，最后详细讲述了机器人在墙角面上的攀爬原理[50]。
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2.2 吸附方案选择
由第一章我们可知，目前主流的吸附方案分为磁吸附，仿生吸附，负压吸附，正压吸附和静电吸附。下面对此进行着重介绍以上方案的优点和缺点，以便提出本文的吸附方式：磁吸附方式依靠永磁铁或者电磁铁与磁性墙面之间的磁场力产生吸附作用。磁吸附方式运用范围较小，要求工作表面需为具有铁磁性的材料，对工作表面的粗糙度要求较小。
永磁吸附通过永磁铁所产生的吸附力吸附在工作表面上，机体断电后，机体可停留在工作表面上，安全性较好。缺点是：移动时不但要克服重力做功，还要克服永磁铁产生的磁吸附力做功。电磁吸附是利用通电线圈产生磁吸附力，磁力的大小和通断比较容易被控制，除了驱动自身移动外，还要为线圈通电，功耗更大，结构较为复杂，且当线圈意外断电后机器人将会直接从工作表面脱离，对操作人员和机体都不安全。
由第一章我们可知，目前主流的吸附方案分为磁吸附，仿生吸附，负压吸附，正压吸附和静电吸附。下面对此进行着重介绍以上方案的优点和缺点，以便提出本文的吸附方式：磁吸附方式依靠永磁铁或者电磁铁与磁性墙面之间的磁场力产生吸附作用。磁吸附方式运用范围较小，要求工作表面需为具有铁磁性的材料，对工作表面的粗糙度要求较小。
永磁吸附通过永磁铁所产生的吸附力吸附在工作表面上，机体断电后，机体可停留在工作表面上，安全性较好。缺点是：移动时不但要克服重力做功，还要克服永磁铁产生的磁吸附力做功。电磁吸附是利用通电线圈产生磁吸附力，磁力的大小和通断比较容易被控制，除了驱动自身移动外，还要为线圈通电，功耗更大，结构较为复杂，且当线圈意外断电后机器人将会直接从工作表面脱离，对操作人员和机体都不安全。
仿生吸附方式通过人造的纳米级仿生纤毛材料与工作表面产生范德华力实现吸附。该种方式的适用范围广，噪音低，但仿生材料制作难度大，市场化难度大。
正压吸附方式通过机器人自身装置产生背离墙面的气流，利用反作用力将机体紧紧压在工作表面。该种方式对工作表面粗糙度的要求较低，移动效率较好，但负载能力差，功耗较大。气体产生的反作用力过大将导致机器人移动效率差，反作用力过小将导致机器人吸附失败。空气推力装置的噪音过大，功耗较大，装置工作失败时，有较大安全隐患。
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正压吸附方式通过机器人自身装置产生背离墙面的气流，利用反作用力将机体紧紧压在工作表面。该种方式对工作表面粗糙度的要求较低，移动效率较好，但负载能力差，功耗较大。气体产生的反作用力过大将导致机器人移动效率差，反作用力过小将导致机器人吸附失败。空气推力装置的噪音过大，功耗较大，装置工作失败时，有较大安全隐患。
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3.1 引言.................................... 23
3.2 机器人稳定性研究.................................. 23
第 4 章 运动学和动力学分析及控制策略研究..................................... 29
4.1 引言....................................... 29
4.2 机器人的运动学分析............................. 29
第 5 章 嵌入式机器人系统设计................................ 57
5.1 引言...................................... 57
5.2 嵌入式硬件系统............................. 57
第 6 章 实验
6.1 引言
在前文中介绍了多轮足墙角面攀爬机器人的总体结构、零部件选型、工作原理、动力学和运动学模型分析、硬件系统与软件系统；该机器人需要实现的主要功能有：地面移动，墙角面攀爬和无线数据传输。基于前文的理论研究，本章针对功能需求进行实验，验证该攀爬机器人的工作原理是否正确，是否具有可行性，
6.1 引言
在前文中介绍了多轮足墙角面攀爬机器人的总体结构、零部件选型、工作原理、动力学和运动学模型分析、硬件系统与软件系统；该机器人需要实现的主要功能有：地面移动，墙角面攀爬和无线数据传输。基于前文的理论研究，本章针对功能需求进行实验，验证该攀爬机器人的工作原理是否正确，是否具有可行性，
以及性能优劣。
按照总体结构和软、硬件系统的设计，通过组装和加工制作出试验样机。依照本文提出的吸附和攀爬原理，本研究制作了两台机器人样机，如图 6-1 所示，在机体上安装有 MPU6050,超声波传感器（夹臂的下面），稳压模块，wifi 数传模块和摄像头。样机一主要用于后期实验原理验证和性能测试，如图 6-1（a）所示。为减少弹簧对吸附的阻碍，将弹簧安装于两夹臂连接点处。样机二主要用于验证吸附运动和攀爬运动的合成可以实现机器人在墙角面的攀爬，如图 6-1（b）所示。
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第 7 章 总结与展望
7.1 总结
随着城市建设的范围也越来越广，各种高楼大厦林立在世界各地，一个城市的高楼大厦从某种程度上体现了一个国家的发展繁荣程度和文明程度。与此同时，高楼大厦的墙面清洁，维护和喷涂的困难加大。目前大部分高楼的墙面的清洁，维护和喷涂依旧靠人工进行，对相关工作人员而言有极大的安全隐患，而且效率较低。随着机器人技术的发展，研发一种能够对墙面进行清洁，维护和喷涂的智能爬墙机器人变得异常紧迫。
7.1 总结
随着城市建设的范围也越来越广，各种高楼大厦林立在世界各地，一个城市的高楼大厦从某种程度上体现了一个国家的发展繁荣程度和文明程度。与此同时，高楼大厦的墙面清洁，维护和喷涂的困难加大。目前大部分高楼的墙面的清洁，维护和喷涂依旧靠人工进行，对相关工作人员而言有极大的安全隐患，而且效率较低。随着机器人技术的发展，研发一种能够对墙面进行清洁，维护和喷涂的智能爬墙机器人变得异常紧迫。
本研究总体上以理论研究为主，并通过实验进行论证。本文介绍了国内外爬墙机器人的研究现状以及分析了各自的优缺点。鉴于墙角的特点，提出了一种多轮足墙角面攀爬机器人，该机器人的主要功能是能够在地面移动，在墙角面上攀爬和在墙面与地面之间过渡，还能通过无线 wifi 模块与上位机通信。本论文主要涉及的工作和获得的成果有：
在本研究中，阅读了大量的爬墙类机器人的文献，分析了五种经典的墙面吸附方式的优缺点。本研究考察了各种类型与材质的墙角面的特点，并以直角墙角作为攀爬对象。本研究分析了人爬杆和猫攀爬墙角时的步态，创新性地提出了墙角-摩擦力吸附方式，并提出本研究应该解决的六个关键问题，为后期机器人的总体结构、步态规划、软硬件的设计提供参考价值。
本论文研究的机器人主要由吸附机构，攀爬机构和夹紧机构组成，整个机器人如同一个可移动的“夹子”夹在墙角上。其中，吸附机构和攀爬机构的运动相互垂直，运动方式均采用轮式。机器人结构和工作场景的确定，决定了机器人的运动模式有两个：地面模式和爬墙模式。在地面，本机器人等同于轮式机器人；在墙角面上，吸附机构起到吸附作用，攀爬机构可以实现机器人的上下移动。吸附机构采用双出轴电机和相位同步技术，能够使吸附更为稳定。为了增强吸附能力，采用摩擦系数较好的橡胶轮和低转速、大转矩的电机，其他零部件是采用强度好，质量较轻的材质。
参考文献（略）
在本研究中，阅读了大量的爬墙类机器人的文献，分析了五种经典的墙面吸附方式的优缺点。本研究考察了各种类型与材质的墙角面的特点，并以直角墙角作为攀爬对象。本研究分析了人爬杆和猫攀爬墙角时的步态，创新性地提出了墙角-摩擦力吸附方式，并提出本研究应该解决的六个关键问题，为后期机器人的总体结构、步态规划、软硬件的设计提供参考价值。
本论文研究的机器人主要由吸附机构，攀爬机构和夹紧机构组成，整个机器人如同一个可移动的“夹子”夹在墙角上。其中，吸附机构和攀爬机构的运动相互垂直，运动方式均采用轮式。机器人结构和工作场景的确定，决定了机器人的运动模式有两个：地面模式和爬墙模式。在地面，本机器人等同于轮式机器人；在墙角面上，吸附机构起到吸附作用，攀爬机构可以实现机器人的上下移动。吸附机构采用双出轴电机和相位同步技术，能够使吸附更为稳定。为了增强吸附能力，采用摩擦系数较好的橡胶轮和低转速、大转矩的电机，其他零部件是采用强度好，质量较轻的材质。
参考文献（略）