北京高中生設(shè)計機器人替“蜘蛛人”高空作業(yè)

耿逸芃手捧他設(shè)計的機器人。

“我家住在高層建筑上，每年都會有城市‘蜘蛛人’清洗高樓的外墻，我覺得這非常危險。”怎么才能讓高空作業(yè)不再使人提心吊膽呢？北京四中高二年級的耿逸芃設(shè)計的一款體積嬌小、移動精確的“步足式爬壁機器人”可以做“蜘蛛人”的替身，為人類排憂解難。他的項目在剛剛結(jié)束的2016年全國青年科普創(chuàng)新實驗暨作品大賽上獲得了高中組亞軍的好成績。

　　靈感來源：機器人替代“蜘蛛人”

耿逸芃說，隨著城市建筑的高度日益增加，外墻作業(yè)不僅變得困難重重，而且充滿了危險。這正是他的作品“靈感”的來源：設(shè)計一種可以在壁面移動的特種機器人，可以代替人類去做一些難度大并且危險的任務(wù)，“利用機器人完成困難的高空作業(yè)，具有人類不具備的多種優(yōu)勢。比如，尺寸小、成本低、不存在疲憊等生理問題等?！?/p>

為了設(shè)計、制作出完美的機器人替代品，耿逸芃廣泛地查閱了資料，他了解到：目前，日本、韓國、西班牙和國內(nèi)的許多高校都曾展開過適合高空作業(yè)的“爬壁機器人”的研發(fā)工作，有些也已投入了使用。不過，“目前的爬壁機器人普遍存在體積龐大、行動不靈活、成本昂貴、移動不精確、吸附不穩(wěn)定等缺點?！?/p>

針對這樣的現(xiàn)狀，耿逸芃認為爬壁機器人作為一種新型特種機器人，有著很廣泛的發(fā)展前景，他決定研制一款體積小、吸附穩(wěn)定、移動精確的步足式爬壁機器人。

　作品特色：機器人墻面能滾能走

耿逸芃希望能研制出一款外形小巧、結(jié)構(gòu)簡單、行動靈活且具有多種行走方式的爬壁機器人。

但怎樣才能讓機器人快速、靈活地在墻面上運動起來呢？一次在與家人下象棋時，棋子的滾落啟發(fā)了他的靈感：可以讓機器人在墻面翻滾起來！他設(shè)計了“三段式”結(jié)構(gòu)——機器人由“吸盤足—機器人主體—吸盤足”三段構(gòu)成。吸盤足的滾動可以帶動機器人在墻面上運動。

然而，當機器人滾動向前時，很難把握方向和角度的變化。尤其是耿逸芃還希望機器人除了在室外的高空作業(yè)外，還能協(xié)助人們做一些室內(nèi)的工作，這就更需要精確的行進方式。于是，他又設(shè)計出了第二種行進方式——“雙足交替”式前進。“在主體的兩端和兩個吸盤足的中部各安置一個舵機，使機器人具有四個自由度，這樣的設(shè)計可以使機器人精確移動到平面上任何的位置?！?/p>

“這個機器人實際上是一個高級的載具，在主體內(nèi)添加不同的元件，可使其完成不同任務(wù)?！惫⒁萜M介紹，它同時具有完成：壁面上翻轉(zhuǎn)行走；壁面上雙足交替前進爬行行走；壁面上完成精確轉(zhuǎn)彎、移動；強吸附能力；精確測距，通過自動計算完成任意角度面轉(zhuǎn)換等任務(wù)的能力。此外，它的重量不超過2kg，可通過藍牙或其他方式遙控工作。他希望這款機器人能在偵察、勘探、監(jiān)控、反恐、壁面清洗等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

　　創(chuàng)作難點：精確調(diào)試展現(xiàn)“工匠精神”

耿逸芃告訴記者，他設(shè)計的小型真空吸附步足式爬壁機器人利用真空泵產(chǎn)生真空轉(zhuǎn)化為吸盤的吸力使機器人吸附在壁面上。而整個設(shè)計方案實施過程中最難的，就是對舵機的扭力、真空泵的吸力和吸盤尺寸三個數(shù)據(jù)的不斷調(diào)試、斟酌?！捌渲腥魏我粋€參數(shù)的不合理，都可能導(dǎo)致其他參數(shù)沒法‘達標’。比如，如果真空泵重量過大，就可能會導(dǎo)致舵機力量不足；而舵機旋轉(zhuǎn)的角度稍有偏差，則會導(dǎo)致吸盤無法精確吸附墻面。因此，我在三者的調(diào)整上糾結(jié)了很久，中間也換過不少次配件，還摔壞過一個基本制作完成的機器人。付出了許多成本和時間?！?/p>

在科普作品大賽的決賽上，一位評委用“工匠精神”來評價耿逸芃的機器人作品。而耿逸芃自己也說，這個機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常精致，花了很大心思，“為此自己也感到很自豪?！庇捎诟髁慵植己懿灰?guī)則，想要把它們固定在一起需要非常復(fù)雜的設(shè)計，因此，耿逸芃最開始計劃采用3D打印的方式，完成機器人外觀的制作。不過，很快，他便打消了這個念頭，“3D打印的成本過于高昂，需要的經(jīng)費比其他所有配件加起來都多?！庇谑?，耿逸芃決定自己測量、切割、制作，“每一個孔都是自己動手打的，每一個部件都是親手組裝的?！?/p>

其中最困難的，要數(shù)吸盤的固定，由于吸盤是機器人受力的主要部位，因此僅使用膠水固定總覺得不太牢靠。怎么辦才好呢？耿逸芃經(jīng)過一番冥思苦想，最后靈機一動：“可以采用中國古建傳統(tǒng)的連接方式——榫卯結(jié)構(gòu)?！痹跈C器人主體掏一個洞，將吸盤嚴絲合縫地塞進去，“甚至連膠水都不用涂，就非常結(jié)實了?！?/p>

　　項目前景：“二代”機器人更加智能化

“過去，人形機器人十分昂貴、高端，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進步，如今它已經(jīng)走進了人們的家庭中。同樣，雖然現(xiàn)在爬壁機器人還非常小眾，但我希望有一天也能在人們的生活中起到重要的作用。”

目前，機器人已能通過手機端實現(xiàn)控制墻面翻滾、雙足交替行走和轉(zhuǎn)向等功能。他希望在不斷的改進中，還能遠程操作機器人完成更加精確的動作，“比如，在手機上輸入一個角度，機器人可實現(xiàn)精確的旋轉(zhuǎn)；輸入一個坐標，機器人就能自動移動到相應(yīng)的位置?！?/p>

耿逸芃說，如今這款機器人只是一個“樣機”，還存在著有待改進之處：如，只能在摩擦力較固定的粉墻、玻璃板或塑料板上運行，“如果平面更加光滑、更加粗糙或墻面條件更為惡劣，都容易吸附不住掉下來?！?/p>

“接下來我希望能讓機器人更加智能化”，耿逸芃說，建議目前已完成的機器人為雛形，設(shè)計制作改良版的“第二代機器人”。通過更換參數(shù)更加強大的配件，使機器人能夠在更加“惡劣”的平面上實現(xiàn)工作。

（原標題：北京高中生設(shè)計機器人替“蜘蛛人”高空作業(yè)）