北京高中生設計機器人替“蜘蛛人”高空作業

　　耿逸芃手捧他設計的機器人。

　　“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?！痹趺床拍茏尭呖兆鳂I不再使人提心吊膽呢？北京四中高二年級的耿逸芃設計的一款體積嬌小、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。他的項目在剛剛結束的2016年全國青年科普創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，“利用機器人完成困難的高空作業，具有人類不具備的多種優勢。比如，尺寸小、成本低、不存在疲憊等生理問題等。”

　　為了設計、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、西班牙和國內的許多高校都曾展開過適合高空作業的“爬壁機器人”的研發工作，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、吸附不穩定等缺點?！?/p>

　　針對這樣的現狀，耿逸芃認為爬壁機器人作為一種新型特種機器人，有著很廣泛的發展前景，他決定研制一款體積小、吸附穩定、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、結構簡單、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，棋子的滾落啟發了他的靈感：可以讓機器人在墻面翻滾起來！他設計了“三段式”結構——機器人由“吸盤足—機器人主體—吸盤足”三段構成。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外，還能協助人們做一些室內的工作，這就更需要精確的行進方式。于是，他又設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，這樣的設計可以使機器人精確移動到平面上任何的位置。”

　　“這個機器人實際上是一個高級的載具，在主體內添加不同的元件，可使其完成不同任務。”耿逸芃介紹，它同時具有完成：壁面上翻轉行走；壁面上雙足交替前進爬行行走；壁面上完成精確轉彎、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換等任務的能力。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、監控、反恐、壁面清洗等領域發揮作用。

　　創作難點：精確調試展現“工匠精神”

　　耿逸芃告訴記者，他設計的小型真空吸附步足式爬壁機器人利用真空泵產生真空轉化為吸盤的吸力使機器人吸附在壁面上。而整個設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據的不斷調試、斟酌?！捌渲腥魏我粋€參數的不合理，都可能導致其他參數沒法‘達標’。比如，如果真空泵重量過大，就可能會導致舵機力量不足；而舵機旋轉的角度稍有偏差，則會導致吸盤無法精確吸附墻面。因此，我在三者的調整上糾結了很久，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，這個機器人的結構設計非常精致，花了很大心思，“為此自己也感到很自豪?！庇捎诟髁慵植己懿灰巹t，想要把它們固定在一起需要非常復雜的設計，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，需要的經費比其他所有配件加起來都多。”于是，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？耿逸芃經過一番冥思苦想，最后靈機一動：“可以采用中國古建傳統的連接方式——榫卯結構?！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，就非常結實了。”

　　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，但隨著科學技術的發展進步，如今它已經走進了人們的家庭中。同樣，雖然現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?！?/p>

　　目前，機器人已能通過手機端實現控制墻面翻滾、雙足交替行走和轉向等功能。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，機器人可實現精確的旋轉；輸入一個坐標，機器人就能自動移動到相應的位置。”

　　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，設計制作改良版的“第二代機器人”。通過更換參數更加強大的配件，使機器人能夠在更加“惡劣”的平面上實現工作。

(記者 孫樂琪 文圖)