【正文】 吸附力。 track 。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，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，越來越受到人們的重視?？傊e極研究與發(fā)展爬壁機(jī)器人技術(shù)，努力開發(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，也是我國科技興國、技術(shù)進(jìn)步的需要。到1992 年底，國外已有不同類型的爬壁機(jī)器人研制成功，其中以日本發(fā)展最快。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載相應(yīng)的功能執(zhí)行部件即可，因此國內(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。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。最近幾年，美、英、俄等國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。利用壁虎吸附壁面的原理，由美國斯坦福大學(xué)教授馬克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)、類比、模擬和模型方法，通過高分子材料化學(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。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，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。普通的蓄電池重量大、儲(chǔ)能少不能滿足爬壁機(jī)器人對能源的需求。 車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出的車輪式磁吸附爬壁機(jī)器，結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。 多吸盤單鏈爬壁機(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)、吸盤組導(dǎo)向和提升裝置以及控制系統(tǒng)組成。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，吸盤受到較大扭曲力，從而降低了爬壁機(jī)器人的工作壽命。 圖13 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人（圖片來自文獻(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，也就是說履帶在垂直于拉力方向上沒有剛性，這對于爬壁機(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。壁面清潔組件、傳遞救援物資組件通過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。履帶不直接與壁面接觸，減少了不平滑壁面對履帶的損害，提高了機(jī)器人的工作壽命。 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究價(jià)值通過本章第三節(jié)對3種現(xiàn)存的爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理的分析評價(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)一步的研究來彌補(bǔ)。（4）本文中所開發(fā)的履帶吸盤式爬壁機(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。 分析了履帶吸盤式結(jié)構(gòu)原理的研究特色，重點(diǎn)對比了其與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理的異同點(diǎn)。 爬壁機(jī)器人的工作過程履帶吸盤式爬壁機(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)，通過攜帶清潔組件，在自身移動(dòng)的過程中完成對壁面的清潔工作。（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。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、履帶式和車輪式。具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，運(yùn)動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。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。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薄一點(diǎn)，保證有足夠的嚙合空間。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、支撐車體、背倉及清潔機(jī)構(gòu)組成。在機(jī)器人自下往上移動(dòng)清洗過程中，因吸盤與壁面間有相對滑動(dòng)，所以吸附力并不是越大越好，因?yàn)槲搅^大，機(jī)器人就不能順利上下滑移動(dòng)；但吸附力過小，在吸盤遭遇壁面凹縫氣體過量泄漏時(shí)，機(jī)器人就不能可靠吸附于壁面，壁面適應(yīng)能力變差。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, 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。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。機(jī)器人的工作狀況與吸盤的吸力大小有關(guān)，如圖24 所示為機(jī)器人靜止吸附在壁面時(shí)的受力。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)。則： （28） 吸盤式爬壁機(jī)器人吸附安全性研究為了確定吸盤式爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力和安全性能，必須對機(jī)器人所受的力進(jìn)行分析。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。（在計(jì)算時(shí)基于安全考慮，玻璃與吸盤間的典型摩擦因數(shù)按最小計(jì)μ = 0. 11 。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)器人吸盤上吸力的總和，= 4V ；　　　λ = 1/ μ；　　　 n ———安全系數(shù)。 配氣盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配氣盤結(jié)構(gòu)的作用是在爬壁機(jī)器人工作時(shí)完成吸盤的抽氣與進(jìn)氣，配氣盤結(jié)構(gòu)主要有配氣盤、密封氈、配氣接口組成，配氣盤通過配氣盤固定桿固定于下車體上，密封氈緊貼于配氣盤的內(nèi)表面；配氣接口安裝于配氣盤的下側(cè)，用于完成對即將進(jìn)入工作或退出工作狀態(tài)的吸盤完成抽氣、進(jìn)氣工作。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。 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。對爬壁機(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。簡單分析了真空發(fā)生器為基礎(chǔ)的真空形成與破壞回路。在機(jī)器人開發(fā)與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文針對機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的吸附性能、行走機(jī)構(gòu)對壁面的的適應(yīng)能力、機(jī)器人車體強(qiáng)度進(jìn)行了校核論證。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)臨界條件對設(shè)計(jì)進(jìn)行論證校核。a) 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖 b) 吸盤三維造型圖 圖31 吸盤結(jié)構(gòu) 吸盤由軟塑料經(jīng)注塑制成，殼體為鋁合金件，為了防止在機(jī)器人工作過程中吸盤組件殼體折斷發(fā)生危險(xiǎn)，吸盤與履帶結(jié)合部材料較厚。避免機(jī)器人從墻面上滑落?？紤]到機(jī)器人在越障時(shí)第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應(yīng)當(dāng)另外增加安全系數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮只有下面4 組吸盤組工作時(shí)機(jī)器人仍能夠安全吸附。本課題主要研究機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理，故重點(diǎn)進(jìn)行前三部分的設(shè)計(jì)與論證。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。但是履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料組成，碳素彈簧鋼絲（）抗拉強(qiáng)度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能性大，下面對履帶輪進(jìn)行校核。對主動(dòng)輪中心取矩，由平衡方程，可得： (314)式中，——主動(dòng)輪工作中一個(gè)齒上的剪力為；——主動(dòng)輪的直徑，單位為mm；——同時(shí)處于工作狀態(tài)的齒輪數(shù)；對于主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)有： (315)式中，r——主動(dòng)輪的半徑，單位m；聯(lián)立式312，313，314，315可以得到，主動(dòng)輪輪齒底部受到的切應(yīng)力： (316)式中，機(jī)器人的總重量m為45Kg，主動(dòng)輪輪齒底部寬l為30mm，將以上數(shù)據(jù)代入式（316），可以得到： (317)對于主動(dòng)輪的聚碳酸酯材料可以由其抗拉強(qiáng)度參考其抗切應(yīng)力的強(qiáng)度，故有： (318)由式318可知，爬壁機(jī)器人的主動(dòng)輪強(qiáng)度滿足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，能夠保證機(jī)器人安全可靠地完成工作任務(wù)。 爬壁機(jī)器人車體的設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人車體長為900mm，寬為400mm，硬質(zhì)合金鑄件壁厚8mm，為提高車體強(qiáng)度，上下車體的內(nèi)側(cè)均有加強(qiáng)肋板。圖35為車體的裝配圖。聯(lián)結(jié)損壞可能的形式有：螺栓被剪斷，孔壁被壓潰等。 本章小結(jié)為了將對履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理的研究與實(shí)踐相結(jié)合，本章對履帶吸盤式爬壁機(jī)器人進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì)，針對可能出現(xiàn)的安全可靠性問題進(jìn)行了分析與