【文章內(nèi)容簡介】 當(dāng)其在玻璃壁面上移動(dòng)時(shí)有兩種危險(xiǎn)的情況可能發(fā)生：一種情況是它從墻面上滑落；另一種情況是由于最上方接觸的吸盤由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機(jī)器人的傾翻。設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)受力應(yīng)避免滑落和傾翻兩種情況發(fā)生，為了簡化分析計(jì)算，這里只考慮了靜態(tài)吸附情況。(1)避免機(jī)器人從墻面上滑落。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。(2)避免機(jī)器人從玻璃幕墻上傾翻下來。在顛覆力矩的作用下，應(yīng)該滿足： 0 　( i = 1，…，4) (210)假設(shè)作用在支撐輪上的力不加考慮，認(rèn)為墻壁對(duì)機(jī)器人的反作用力只作用在與墻壁接觸的吸盤上，由此靜態(tài)下，機(jī)器人在x 、y 方向受力分別滿足： (211) (212)所受的平衡力矩為(以O(shè) 點(diǎn)為參照點(diǎn)) ： (213)并假定各個(gè)吸盤的真空度是均衡的，則作用在吸盤上的吸力為：V = = sv (214)式中： s ———每組吸盤總的吸附面積；v ———工作吸盤內(nèi)的真空度。為了方便計(jì)算 ，假設(shè)幾個(gè)約定條件，設(shè)作用于吸盤上的支撐力 ( i = 1…，5) 形成一對(duì)，并且從到比例增加，以上假設(shè)可用下式表示為： = ( i = 1，2) (215)聯(lián)立解式(212)，(213) ，(214) ，得到 ( i = 1，…，4) 表示式： (216)理論上，由式(216) 可知，只要滿足 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得： (217)根據(jù)式(29) 和(217) ，機(jī)器人牢靠吸附在工作面上(不從玻璃壁面上滑落或傾翻下來) 的條件應(yīng)該滿足:G min(，) (218)理論上： = 5μV 　 (219)f c2 = (220)在進(jìn)行爬壁機(jī)開發(fā)和設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)具體的尺寸p，d確定，的大小，根據(jù)計(jì)算式(10)來計(jì)算設(shè)計(jì)是否滿足爬壁機(jī)不滑落不傾翻的條件。（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 。）根據(jù)計(jì)算分析出最可能發(fā)生危險(xiǎn)的情形是（1）或（2）。在保證次危險(xiǎn)安全的情況下，保證最危險(xiǎn)的情況不會(huì)發(fā)生，由此才能保證爬壁機(jī)器人安全地工作?？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。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)。 機(jī)器人氣動(dòng)回路方案設(shè)計(jì)為了保證爬壁機(jī)器人有足夠的吸附力，應(yīng)當(dāng)為機(jī)器人配備真空泵等抽真空設(shè)備和可靠的氣動(dòng)回路。機(jī)器人工作時(shí)吸盤所固定的履帶和履帶輪都是旋轉(zhuǎn)的，為了防止供氣管相互纏繞，必須設(shè)計(jì)合理的配氣盤結(jié)構(gòu)。本文中配氣系統(tǒng)主要研究配氣盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、吸盤氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。 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(duì)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。圖27為履帶與配氣盤的聯(lián)結(jié)示意圖，履帶的突起部恰好裝配于配氣盤和密封氈的凹槽內(nèi)；當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，履帶處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)的吸盤進(jìn)入或退出工作狀態(tài)時(shí)，由配氣孔完成它們的抽氣、進(jìn)氣工作。 圖27 履帶與配氣盤的聯(lián)結(jié)示意圖1—履帶 2—配氣盤 3—通氣孔4—密封氈 5—配氣孔圖28（a）為吸盤組件與履帶聯(lián)結(jié)的三維造型圖，配氣盤的固定桿可以伸過履帶輪的中間固定于下車體上，圖28（b）為吸盤組件的三維造型圖內(nèi)部淡黃色零件為緊貼于配氣盤內(nèi)表面的密封氈；伸出桿為配氣盤固定桿，頂端有螺紋；兩個(gè)深紅色接頭即為配氣接頭，配氣接頭安裝于配氣盤下側(cè)的配氣孔內(nèi)，配氣接頭上連接來源于氣動(dòng)回路的通氣管即能完成吸盤抽氣、進(jìn)氣功能。a）配氣盤結(jié)構(gòu)與履帶聯(lián)結(jié)的三維造型圖 b) 配氣盤組件的三維造型圖 圖28 配氣盤結(jié)構(gòu) 吸盤氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路是指由真空泵到配氣盤配氣接口之間的氣動(dòng)系統(tǒng)，包括真空過濾器、真空供給閥、真空破壞閥、真空開關(guān)等。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。該回路由真空發(fā)生器真空供給閥真空破壞閥節(jié)流閥真空開關(guān)真空過濾器配氣接口7組成的真空控制回路。當(dāng)需要產(chǎn)生真空時(shí)，電磁閥2通電；當(dāng)需要破壞真空放開壁面時(shí)，電磁閥2斷電、電磁閥3通電。這些真空控制元件可以組成一體，形成一個(gè)真空發(fā)生器組件。 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。但是，在實(shí)際爬壁機(jī)器人工作時(shí)一個(gè)配器接口的吸盤需要產(chǎn)生真空，而另外一個(gè)則恰好需要破壞真空，因此為了簡化結(jié)構(gòu)和節(jié)約成本可以在氣動(dòng)回路中串聯(lián)一個(gè)兩位四通的電磁換向閥，該電磁換向閥與真空供給閥、真空破壞閥均由PLC控制工作，協(xié)同完成對(duì)兩個(gè)配器接口的配氣。 本章小結(jié)本章描述了清潔壁面爬壁機(jī)器人的工作過程，指出為完成此工作過程爬壁機(jī)器人所需完成的功能，包括基本功能吸附、行走以及一些輔助功能。確定了本文研究的爬壁機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，為下一步的研究開發(fā)做出導(dǎo)向。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。吸附機(jī)構(gòu)采用吸盤式真空吸附方式，對(duì)吸附方式的機(jī)器人滑落和傾翻的兩個(gè)安全性問題進(jìn)行了分析與討論。詳述了履帶上固連吸盤的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，履帶與履帶輪的模擬齒輪齒條嚙合的聯(lián)結(jié)方式，重點(diǎn)對(duì)履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的壁面適應(yīng)能力進(jìn)行了分析論證。機(jī)器人的輔助功能本章僅介紹了氣動(dòng)回路的真空形成與破壞功能，介紹了配氣盤的結(jié)構(gòu)以及采用配氣盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。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。第3 章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與設(shè)計(jì)第3章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與論證在履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理研究的基礎(chǔ)上，為了將理論更好的與實(shí)踐相結(jié)合，本課題進(jìn)行了爬墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。在機(jī)器人開發(fā)的過程中，注重運(yùn)用前面理論研究的結(jié)果，設(shè)計(jì)了爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)；在方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三維造型，零件生成、部件組裝、總裝配。在前文結(jié)構(gòu)原理研究中可以看出為了使爬壁機(jī)器人能夠正常工作，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要使設(shè)計(jì)滿足一些參數(shù)與技術(shù)條件。在機(jī)器人開發(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)器人車體強(qiáng)度進(jìn)行了校核論證。 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證爬壁機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)主要由16組吸盤、配氣盤組件、氣動(dòng)回路等構(gòu)成。吸盤通過吸盤固定裝置固定在履帶上，在機(jī)器人工作的過程中隨履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，配氣盤按照固定的設(shè)計(jì)給到達(dá)相應(yīng)位置的吸盤組件進(jìn)行抽氣或進(jìn)氣，產(chǎn)生或破壞真空環(huán)境使吸盤吸附或放開壁面。在機(jī)器人工作過程中，總有4組吸盤處于工作狀態(tài)，16組吸盤輪流進(jìn)入工作狀態(tài)，完成機(jī)器人在壁面的吸附與移動(dòng)。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。 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)吸盤是履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的重要的組件，它的工作性能將直接影響爬壁機(jī)氣人的正常工作，如圖31(a) 所示為單個(gè)吸盤的結(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。圖31(b)為單個(gè)吸盤組件的三維造型圖。整個(gè)吸盤組件高100mm，裝配在履帶上后伸出履帶外尺寸為60mm，裝吸盤組件處履帶厚8mm，故凹于履帶內(nèi)的吸盤組件長度為32mm，不會(huì)與履帶輪發(fā)生干涉。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。為了減輕整個(gè)機(jī)器人的總質(zhì)量，在滿足工作和強(qiáng)度要求的情況下，零件均采用塑料、鋁合金或其他輕質(zhì)材料做成。 圖32 吸盤固定于履帶上的裝配圖圖32為吸盤固定于履帶上的裝配圖，吸盤組件均布于履帶上，吸盤組件間的中心距p=，吸盤組件中心與爬壁機(jī)器人重心的距離為d=320mm。 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的論證，當(dāng)機(jī)器人在玻璃壁面上移動(dòng)時(shí)有兩種危險(xiǎn)的情況可能發(fā)生：一種情況是它從墻面上滑落；另一種情況是由于最上方接觸的吸盤由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機(jī)器人的。避免機(jī)器人從墻面上滑落。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 (31)式中：μ———最小摩擦因數(shù)；N ———兩接觸表面間的正壓力。 壁面機(jī)器人傾翻從理論上，由式(31) 可知，只要滿足 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得： (32)根據(jù)式(31) 和(32) ，機(jī)器人牢靠吸附在工作面上(不從玻璃壁面上滑落或傾翻下來) 的條件應(yīng)該滿足:G min(，) (33)理論上： = 5μV　 (34)= (35)根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，p=，d=320mm，根據(jù)圖33的吸力與最大負(fù)載，當(dāng)負(fù)載為大約500N時(shí)應(yīng)取真空度V=，由此可以得到： (36) (37)圖33 吸力與最大負(fù)載曲線圖（圖片來自文獻(xiàn)[1]） (38)根據(jù)計(jì)算分析出最可能發(fā)生危險(xiǎn)的情形是爬墻機(jī)從壁面滑落。在保證次危險(xiǎn)安全的情況下，保證最危險(xiǎn)的情況不會(huì)發(fā)生，由此才能保證爬壁機(jī)安全地工作?？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。因此，保證機(jī)器人的安全，要確保： (39) ，根據(jù)爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，總重量M=45kg，故： (310) G (311)由式（311）可知，爬墻機(jī)不會(huì)發(fā)生滑落的危險(xiǎn)，由知其也不會(huì)從壁面傾翻。綜合以上論證，爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的，是能夠支持爬壁機(jī)器人正常工作的。 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要由：吸盤組件、履帶、履帶輪、動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。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。 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在此不贅述。履帶采用橡膠履帶，橡膠履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料，通過模壓硫化而制成。橡膠履帶具有接地比壓小、牽引力大、振動(dòng)小、噪音低、濕田通過性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點(diǎn)。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。履帶和履帶輪聯(lián)結(jié)模擬齒輪齒條嚙合，相嚙合齒的模數(shù)為2。 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的論證表格31所示為橡膠履帶基質(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的主要性能，表格32為履帶輪材料聚碳酸酯的主要。表31 天然橡膠和順丁橡膠的主要性能（表格摘自文獻(xiàn)[7]）品種抗拉強(qiáng)度（MPa）伸長率（%）使用溫度（（））天然橡膠25~35650~900120順丁橡膠18~25450~800120表32 聚碳酸酯的主要性能（表格摘自文獻(xiàn)[7]）塑料名稱密度(透明性抗拉強(qiáng)度（MPa）抗拉彈性模量（熔點(diǎn)（）聚碳酸酯（PC） 透66~70~25220~230由表格31和表格32可以看出，履帶基質(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的抗拉強(qiáng)度比履帶輪材料聚碳酸酯低。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(duì)履帶輪進(jìn)行校核。圖34為主動(dòng)輪的三維造型圖。