【正文】 圖31 吸盤(pán)結(jié)構(gòu) 吸盤(pán)由軟塑料經(jīng)注塑制成，殼體為鋁合金件，為了防止在機(jī)器人工作過(guò)程中吸盤(pán)組件殼體折斷發(fā)生危險(xiǎn)，吸盤(pán)與履帶結(jié)合部材料較厚。吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)防止機(jī)器人從壁面滑落及傾翻兩種危險(xiǎn)的發(fā)生，因此可根據(jù)臨界條件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行論證校核。在機(jī)器人開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的吸附性能、行走機(jī)構(gòu)對(duì)壁面的的適應(yīng)能力、機(jī)器人車(chē)體強(qiáng)度進(jìn)行了校核論證。簡(jiǎn)單分析了真空發(fā)生器為基礎(chǔ)的真空形成與破壞回路。對(duì)爬壁機(jī)器人兩個(gè)重要基本功能吸附和移動(dòng)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和分析。 圖29 真空產(chǎn)生與破壞回路上述一套真空發(fā)生器組件只能與一個(gè)配氣接口相連接，為了給兩個(gè)配氣接口完成配氣需要兩套這樣的設(shè)備。如圖29所示為由真空發(fā)生器組件組成的吸附與快速放開(kāi)。 配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)的作用是在爬壁機(jī)器人工作時(shí)完成吸盤(pán)的抽氣與進(jìn)氣，配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)主要有配氣盤(pán)、密封氈、配氣接口組成，配氣盤(pán)通過(guò)配氣盤(pán)固定桿固定于下車(chē)體上，密封氈緊貼于配氣盤(pán)的內(nèi)表面；配氣接口安裝于配氣盤(pán)的下側(cè)，用于完成對(duì)即將進(jìn)入工作或退出工作狀態(tài)的吸盤(pán)完成抽氣、進(jìn)氣工作。因此，保證機(jī)器人的安全，要確保： (221)或表示為： (222)式中：G ———機(jī)器人和負(fù)載總的質(zhì)量；　 ———作用在機(jī)器人吸盤(pán)上吸力的總和，= 4V ；　　　λ = 1/ μ；　　　 n ———安全系數(shù)。（在計(jì)算時(shí)基于安全考慮，玻璃與吸盤(pán)間的典型摩擦因數(shù)按最小計(jì)μ = 0. 11 。根據(jù)摩擦力的特性，同樣工況下，最大靜摩擦力要大于滑動(dòng)摩擦力，所以有：G min(，) = = Nμ (29)式中：μ———最小摩擦因數(shù)；N ———兩接觸表面間的正壓力。則： （28） 吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人吸附安全性研究為了確定吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力和安全性能，必須對(duì)機(jī)器人所受的力進(jìn)行分析。在忽略氣體摩擦和位置時(shí)，由伯努利方程得： 即 (26)　　圖25 單個(gè)吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)圖式中：V 為氣體的速度，K 為氣壓壓縮系數(shù)，P 為壓力，為密度，C 為常數(shù)。機(jī)器人的工作狀況與吸盤(pán)的吸力大小有關(guān)，如圖24 所示為機(jī)器人靜止吸附在壁面時(shí)的受力。推力吸附的方式即利用機(jī)器人自身產(chǎn)生的推力使其吸附于壁面上，這種方式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且工作可靠性較低。為保證機(jī)器人能在驅(qū)動(dòng)力的作用下在壁面穩(wěn)定移動(dòng)，由式(21) 、(22) 得到的臨界條件為：Max (23)　 可見(jiàn), 必須穩(wěn)定在式(23) 所示的區(qū)間內(nèi),實(shí)際值由機(jī)器人移動(dòng)速度確定，當(dāng)機(jī)器人的移動(dòng)速度為一變化值時(shí)，則實(shí)際值由機(jī)器人當(dāng)前移動(dòng)速度確定。在機(jī)器人自下往上移動(dòng)清洗過(guò)程中，因吸盤(pán)與壁面間有相對(duì)滑動(dòng)，所以吸附力并不是越大越好，因?yàn)槲搅^(guò)大，機(jī)器人就不能順利上下滑移動(dòng)；但吸附力過(guò)小，在吸盤(pán)遭遇壁面凹縫氣體過(guò)量泄漏時(shí)，機(jī)器人就不能可靠吸附于壁面，壁面適應(yīng)能力變差。a）履帶與履帶輪嚙合原理圖b）履帶與履帶輪嚙合三維造型圖圖22 履帶與履帶輪的嚙合 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人壁面適應(yīng)能力分析機(jī)器人主要由真空吸附、履帶行走、支撐車(chē)體、背倉(cāng)及清潔機(jī)構(gòu)組成。為了保證在運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶與履帶輪不會(huì)咬死，把履帶上的齒的厚度做的相對(duì)薄一點(diǎn)，保證有足夠的嚙合空間。圖21 b）所示為不作支撐輪的驅(qū)動(dòng)輪與導(dǎo)向輪位置高于地面，鏈條引入時(shí)的角度達(dá)50度，其好處是適合于穿越障礙。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，運(yùn)動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。 爬壁機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人通常采用的移動(dòng)方式有足式、履帶式和車(chē)輪式。使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)直線移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向。 爬壁機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)參數(shù)本課題研究的爬壁機(jī)器人主要應(yīng)用于高層建筑壁面清潔和救援物質(zhì)傳遞，由其工作性質(zhì)決定爬壁機(jī)工作必須穩(wěn)定可靠，工作效率高。（3） 壁面適應(yīng)功能爬壁機(jī)器人能夠逾越較小的障礙（如玻璃接縫），即要求爬壁機(jī)器人具有一定的適應(yīng)壁面凹凸不平的能力，這也是爬壁機(jī)器人的工作性質(zhì)和工作環(huán)境決定的。 爬壁機(jī)器人的工作過(guò)程履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人能夠在玻璃等較平整的壁面上上下平穩(wěn)地移動(dòng)，通過(guò)攜帶清潔組件，在自身移動(dòng)的過(guò)程中完成對(duì)壁面的清潔工作。 分析了履帶吸盤(pán)式結(jié)構(gòu)原理的研究特色，重點(diǎn)對(duì)比了其與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理的異同點(diǎn)。（4）本文中所開(kāi)發(fā)的履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人初步定位可應(yīng)用于壁面清潔、攜帶消防器械、傳遞救援物資，這些及將被開(kāi)發(fā)出的功用能夠產(chǎn)生較好的社會(huì)效益，并為生產(chǎn)廠商和使用者產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究?jī)r(jià)值通過(guò)本章第三節(jié)對(duì)3種現(xiàn)存的爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理的分析評(píng)價(jià)可以看出，現(xiàn)在相關(guān)科研人員的注意力也主要集中在爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理的研究開(kāi)發(fā)上，現(xiàn)有的科研成果的缺點(diǎn)與不足需要由進(jìn)一步的研究來(lái)彌補(bǔ)。履帶不直接與壁面接觸，減少了不平滑壁面對(duì)履帶的損害，提高了機(jī)器人的工作壽命。壁面清潔組件、傳遞救援物資組件通過(guò)功能組件耦合處與機(jī)器人機(jī)體相連以完成相應(yīng)功能。 圖13 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人（圖片來(lái)自文獻(xiàn)[3]）其缺點(diǎn)是，履帶是用鉸鏈聯(lián)接的，不能將垂直于履帶方向的載荷分布到各個(gè)永磁體上，也就是說(shuō)履帶在垂直于拉力方向上沒(méi)有剛性，這對(duì)于爬壁機(jī)器人工作的安全性極其有害；主動(dòng)輪偏置，使履帶受力不均勻?qū)β膸p害較大。該爬壁機(jī)器人的缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其可靠性相應(yīng)降低；單履帶的模式使機(jī)器人工作時(shí)受到吸附力不均勻，吸盤(pán)受到較大扭曲力，從而降低了爬壁機(jī)器人的工作壽命。 多吸盤(pán)單鏈爬壁機(jī)器人Cleanbot – IV香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、制造及控制中心(CIDAM) 和內(nèi)地大學(xué)合作設(shè)計(jì)的Cleanbot – I 能夠在地面和垂直的玻璃幕墻等工作面上爬行，主要由行走及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)、吸盤(pán)組導(dǎo)向和提升裝置以及控制系統(tǒng)組成。 車(chē)輪式磁吸附爬壁機(jī)器人日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出的車(chē)輪式磁吸附爬壁機(jī)器，結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。普通的蓄電池重量大、儲(chǔ)能少不能滿(mǎn)足爬壁機(jī)器人對(duì)能源的需求。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，因此可以在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過(guò)嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。為了探索新的吸附方式與吸附裝置，相關(guān)研究可以綜合運(yùn)用仿生學(xué)、類(lèi)比、模擬和模型方法，通過(guò)高分子材料化學(xué)、工程材料科學(xué)、力學(xué)和機(jī)械學(xué)的交叉研究，以產(chǎn)生出更多更好的吸附壁面的方式，打破制約機(jī)器人吸附壁面的種種瓶頸。利用壁虎吸附壁面的原理，由美國(guó)斯坦福大學(xué)教授馬克最近幾年，美、英、俄等國(guó)的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個(gè)秘密就是分子間的作用力——范德華力。除爬壁機(jī)器人的兩項(xiàng)基本功能的實(shí)現(xiàn)外，當(dāng)今相關(guān)科研人員也在研究諸如驅(qū)動(dòng)方式、能源動(dòng)力、機(jī)器人結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)等方面的課題，這些技術(shù)也是機(jī)器人能夠正常運(yùn)行所必須研究與優(yōu)化的。推力吸附的方式即利用機(jī)器人自身產(chǎn)生的推力使其吸附于壁面上，這種方式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且工作可靠性較低。爬壁機(jī)器人必須具有兩個(gè)基本功能：吸附功能和移動(dòng)功能，而為了實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的特定功能只需在機(jī)器人本體上耦合或車(chē)載相應(yīng)的功能執(zhí)行部件即可，因此國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人技術(shù)的研究與探討大致是圍繞如何實(shí)現(xiàn)它的兩個(gè)基本功能展開(kāi)的。到1992 年底，國(guó)外已有不同類(lèi)型的爬壁機(jī)器人研制成功，其中以日本發(fā)展最快?？傊?，積極研究與發(fā)展爬壁機(jī)器人技術(shù)，努力開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)制造可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力的爬壁機(jī)器人是生產(chǎn)力發(fā)展的需要，是人民生活質(zhì)量和工作條件改善與提高的需要，也是我國(guó)科技興國(guó)、技術(shù)進(jìn)步的需要。但這僅僅是爬壁機(jī)器人的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，近幾年來(lái)，隨著各式各樣的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，爬壁機(jī)器人作為能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，以其能夠成為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置的優(yōu)良特性，越來(lái)越受到人們的重視。 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開(kāi)發(fā)的價(jià)值在引言中提到的爬壁機(jī)器人（又稱(chēng)“爬墻機(jī)”）在清潔高層建筑壁面上的應(yīng)用，可以看出隨著控制和機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，這種可以替代手工勞作的壁面清洗機(jī)器人的出現(xiàn)將人從繁重、危險(xiǎn)的高樓清洗工作中解放出來(lái)，降低高層建筑的清洗成本，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開(kāi)發(fā)能夠?yàn)楸诿鏅C(jī)器人的生產(chǎn)制造和升級(jí)進(jìn)步起到指導(dǎo)與促進(jìn)的作用；另外，爬壁機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究科研成果可以直接應(yīng)用于或帶動(dòng)相關(guān)鏈條產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，從整體上促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展，提高人民的生活質(zhì)量。自80年代以來(lái)，爬壁機(jī)器人技術(shù)在國(guó)內(nèi)外取得了迅速的發(fā)展，有的已開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用試驗(yàn)階段。上海交通大學(xué)亦于1995 年研制了磁吸附爬壁機(jī)器人用于油罐。當(dāng)壁面比較粗糙時(shí)，真空吸附方式的機(jī)器人容易產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)象，因此多改為使用磁吸附的方式，磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，磁吸附方式對(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，但磁吸附式機(jī)器人僅適用于導(dǎo)磁材料壁面。這三種移動(dòng)方式的跨越障礙能力都很弱。首先，新的吸附方式與吸附裝置的產(chǎn)生與應(yīng)用。如果壁虎腳上650萬(wàn)根細(xì)毛全部附著在物體表面上時(shí)，可吸附住質(zhì)量為13千克的物體。這種突破很好地解決了吸附力不足及機(jī)器人對(duì)壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)的問(wèn)題。足式移動(dòng)方式的機(jī)器人可以相對(duì)容易地跨過(guò)比較大的障礙例如瓷磚間隙、壁面小突起等；并且機(jī)器人的足具有大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。傳統(tǒng)的爬壁機(jī)器人因?yàn)樗欧姍C(jī)功率重量比低，為平衡重量應(yīng)放置在離驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較遠(yuǎn)的位置，但這種布置會(huì)使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。下面列出三種較為典型同時(shí)也是與履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的研究相關(guān)的結(jié)構(gòu)原理科研實(shí)例，通過(guò)分析這些設(shè)計(jì)實(shí)例的優(yōu)缺點(diǎn)可以引出在爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)時(shí)需要注意與注重的問(wèn)題。但是該機(jī)器人有自己的缺點(diǎn)：磁吸附使它僅適用于導(dǎo)磁材料壁面，即這種原理有其使用局限性；車(chē)輪式的行走方式使維持一定的吸附力較困難，車(chē)輪的直徑會(huì)使機(jī)器人相對(duì)于壁面的扭矩增大，使機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；車(chē)輪的行走軌跡是連續(xù)的，這不利于機(jī)器人跨越壁面的凹凸不平處，使機(jī)器人對(duì)壁面的平整質(zhì)量要求提高。該機(jī)器人的特點(diǎn)是采用單鏈和多吸盤(pán)相配合的結(jié)構(gòu)可以可靠解決轉(zhuǎn)向的問(wèn)題；采用彈性機(jī)構(gòu)，使該機(jī)器人具有跨越一定障礙的能力；旋轉(zhuǎn)接頭供氣方式能夠給每一個(gè)吸盤(pán)供氣而避免通氣管纏繞。該機(jī)器人的特點(diǎn)是：在機(jī)器人設(shè)計(jì)中采取加長(zhǎng)履帶、浮動(dòng)支撐、載荷分散機(jī)構(gòu)、柔性履帶等措施，以提高爬壁機(jī)器人的壁面適應(yīng)能力， 實(shí)現(xiàn)其在壁面的安全爬行。主動(dòng)輪置中，兩側(cè)各有一從動(dòng)輪，主、從動(dòng)輪和履帶銜接均是模擬齒輪齒條嚙合。整體上講，履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理具有以下特色：（1）吸盤(pán)在履帶上的離散分布特點(diǎn)和履帶自身的柔性使得爬壁機(jī)能夠相對(duì)容易的逾越障礙物，如玻璃縫隙、墻面小突起等。（4）模擬齒輪齒條嚙合的履帶輪與履帶的聯(lián)結(jié)方式使機(jī)器人能夠平穩(wěn)快速地在壁面上移動(dòng)；主動(dòng)輪置中，從動(dòng)輪對(duì)稱(chēng)布置的方式使履帶受力最大處避開(kāi)了履帶彎曲處，減少了對(duì)履帶的損害，提高了履帶的使用壽命。（3）配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)為解決旋轉(zhuǎn)裝置供氣、供水、供油等問(wèn)題提供了設(shè)計(jì)思路和參考模型。對(duì)三種與履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人相關(guān)的已有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，分析了車(chē)輪式磁吸附、多吸盤(pán)吸附、履帶式磁吸附吸附方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為下文履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開(kāi)發(fā)做好積累。為了更好地進(jìn)行對(duì)此機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開(kāi)發(fā)，首先應(yīng)當(dāng)了解本課題研究機(jī)器人的基本功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)。（2） 轉(zhuǎn)向功能清潔過(guò)程中，爬壁機(jī)器人需要按照一定的路徑在壁面行走，對(duì)整個(gè)壁面完成清潔工作，就要求爬壁機(jī)器人能夠自由的轉(zhuǎn)向，從而提高清潔效率。針對(duì)上述各項(xiàng)基本的功能，本文進(jìn)行機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)完成機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。②爬行技術(shù)：爬行機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、高效、小型。④控制技術(shù)：使機(jī)器人可以在地面操作人員的控制下準(zhǔn)確工作，機(jī)器人自身各部分密切配合；有簡(jiǎn)潔、方便的人機(jī)界面，便于操作人員控制。履帶吸盤(pán)式的機(jī)構(gòu)能夠提供較大的吸附力，吸盤(pán)距壁面近可防止傾覆；吸盤(pán)在履帶上離散布置使機(jī)器人對(duì)壁面凹凸不平適應(yīng)性強(qiáng)。圖21 a）中驅(qū)動(dòng)輪及導(dǎo)向輪兼作支撐輪，因此增大了支撐面積，改善了穩(wěn)定性。 a）雙履帶輪平行履帶 b）多履帶輪梯形履帶 c）三履帶輪平行履帶圖21 三種常見(jiàn)的履帶形狀（圖片a、b來(lái)自文獻(xiàn)[11]） 履帶與履帶輪的聯(lián)結(jié)履帶與履帶輪（包括主動(dòng)輪和從動(dòng)輪）的聯(lián)結(jié)模擬了齒輪與齒條的嚙合，兩者齒的模數(shù)等參數(shù)是相同的。圖22 b）為研究課題開(kāi)發(fā)的機(jī)器人三維造型圖的履帶與履帶輪嚙合部分。當(dāng)真空泵運(yùn)行，處于工作狀態(tài)的4組吸盤(pán)平整貼近壁面時(shí)，在配氣盤(pán)裝置作用下，吸盤(pán)內(nèi)產(chǎn)生真空負(fù)壓，機(jī)器人吸附于壁面，在保證機(jī)器人自身能夠牢固吸附于壁面的同時(shí)還足以維持清洗刷高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)壁面的抽打力。此外，防止繞下機(jī)器人下支撐點(diǎn)O 傾覆的條件為 / G / (22)式中： 是機(jī)器人重心到壁面的距離； 是 作用點(diǎn)到點(diǎn)O 的距離。當(dāng)壁面比較粗糙時(shí)，真空吸附方式的機(jī)器人容易產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)象，因此多改為使用磁吸附的方式，磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，磁吸附方式對(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，但磁吸附式機(jī)器人僅適用于導(dǎo)磁材料壁面。 吸盤(pán)式吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)吸盤(pán)吸附材料采用軟橡膠。 吸盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖25 所示為單個(gè)吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)圖，它是由鋼球手動(dòng)調(diào)速閥橡皮圈彈簧彈簧導(dǎo)氣管6組成。 （2