【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 人工作可靠性，必將帶來(lái)很高的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。第2章 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案研究 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的功能要求本課題研究的是在高層建筑玻璃等較平整壁面上完成壁面清潔，傳遞消防器械等功能的遙控式爬壁機(jī)器人。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)。 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。將消防或救援器械、物品放入爬壁機(jī)器人的背倉(cāng)或裝夾在相應(yīng)接口上隨爬壁機(jī)器人移動(dòng)，可完成傳遞救援物質(zhì)的工作。 爬壁機(jī)器人的基本功能爬壁機(jī)器人要在壁面移動(dòng)，對(duì)壁面進(jìn)行清潔或傳遞救援物質(zhì)，就需要具備以下基本的功能：（1） 吸附與行走功能吸附與行走是爬壁機(jī)器人所需具備的兩個(gè)基本功能，因此爬壁機(jī)器人應(yīng)具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機(jī)器人的重力，防止墜落；同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠使機(jī)器人在壁面上自由行走移動(dòng)。（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。（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。（4） 完成工作任務(wù)能力爬壁機(jī)器人在壁面上移動(dòng)的同時(shí)要完成相應(yīng)的功能，這就要求功能組件能夠在爬壁機(jī)器人上正確穩(wěn)定地定位，可以發(fā)揮其功能。這要求爬壁機(jī)器人開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)從實(shí)用的角度進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。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)。 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。本課題對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求如下：根據(jù)玻璃壁面特點(diǎn)和清洗機(jī)器人爬行、清洗作業(yè)要求，機(jī)器人需要達(dá)到如下性能：①壁面移動(dòng)速度：11~15 m/ min ；②越障高度：50 mm；③本體重量：30 Kg ；④負(fù)載能力：15 Kg ；⑤作業(yè)高度：0～100 m；⑥作業(yè)功能：可進(jìn)行8 mm 以上厚度的玻璃幕墻的清洗作業(yè)；⑦吸附方式：真空吸附方式；⑧控制方式：用PLC可編程控制器，完成順序控制，地面遙控操作。研制滿足以上技術(shù)要求的機(jī)器人存在的主要技術(shù)難點(diǎn)如下:①吸附和密封技術(shù)：要求吸附機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生一定的吸附力，確保機(jī)器人工作過(guò)程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。②爬行技術(shù)：爬行機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、高效、小型。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。保證機(jī)器人能夠按照地面操作人員的遙控進(jìn)行工作。③配氣技術(shù)：吸盤(pán)和履帶輪均是旋轉(zhuǎn)的，為防止配氣管相互纏繞，應(yīng)有效解決配氣問(wèn)題。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。 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。足式能較好的跨越障礙，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且移動(dòng)速度慢，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜；履帶式著地面積大，可提供足夠的吸附力，壁面適應(yīng)性好，但其結(jié)構(gòu)不容易轉(zhuǎn)彎；車(chē)輪式移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)彎靈活，但是很難保證提供足夠大的吸附力，車(chē)輪式重心距壁面較遠(yuǎn)，對(duì)吸盤(pán)的扭矩較大，影響吸盤(pán)的工作壽命。本課題研究的爬壁機(jī)器人在高層建筑的垂直壁面上行走并完成清潔及傳遞救援物質(zhì)工作，為了防止機(jī)器人從垂直壁面上滑落，機(jī)器人必須與壁面間保持足夠的吸附力，并具有一定的抗傾覆能力。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)。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)。綜合考慮各方面因素，本課題中爬壁機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)選用履帶吸盤(pán)式結(jié)構(gòu)。 履帶的結(jié)構(gòu)形式如下圖所示為三種常見(jiàn)的履帶形狀。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。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。圖21 c）中驅(qū)動(dòng)輪（主動(dòng)輪）置中，導(dǎo)向輪（從動(dòng)輪）對(duì)稱(chēng)分布，驅(qū)動(dòng)輪及導(dǎo)向輪兼做支撐輪，可增大接觸面積且使履帶上受力集中處遠(yuǎn)離履帶彎曲處，減少了對(duì)履帶的損害。由于爬壁機(jī)器人的工作壁面一般比較平整，可能的障礙僅有玻璃的連接處窄溝凸起等，壁面凹凸起伏不大，履帶吸盤(pán)式的結(jié)構(gòu)具有逾越較小障礙的功能；同時(shí)，考慮到機(jī)器人運(yùn)行的平穩(wěn)性和履帶的使用壽命，因此采用圖21 c）所示的結(jié)構(gòu)形式。 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。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。為了防止吸盤(pán)的尾部與履帶輪發(fā)生碰撞干涉，履帶輪中間部位有深45mm的槽；履帶上的孔用于裝配吸盤(pán)組件和導(dǎo)氣管通過(guò)，履帶上的凸起部分與配氣盤(pán)相聯(lián)結(jié)用以為吸盤(pán)供氣。圖22 a）為履帶與履帶輪嚙合的原理圖，二者嚙合可以看作齒輪與齒條聯(lián)結(jié)的變形，這種聯(lián)結(jié)運(yùn)行可靠平穩(wěn)，傳遞力矩均勻。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。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。真空吸附機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)回路、真空泵和吸盤(pán)系統(tǒng)。吸盤(pán)系統(tǒng)由16組吸盤(pán)及配氣盤(pán)裝置組成。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。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。此外，在作業(yè)過(guò)程中，清潔頭在壁面上的清洗力靠吸盤(pán)的吸附力維持，若作用在壁面的清洗壓力過(guò)小，清洗質(zhì)量就得不到保證；但清洗壓力過(guò)大，壁面對(duì)機(jī)器人反作用力也大，吸附力就需要增加，否則機(jī)器人容易脫離壁面。圖23所示是機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)，因而有：G Σ= = (21)Σ = μ 式中：G 為機(jī)器人總重量，該重量包括機(jī)器人自身的重量、清潔組件質(zhì)量、背倉(cāng)傳遞物質(zhì)質(zhì)量；μ為壁面摩擦系數(shù)；Σ為壁面總摩擦力； 分別為壁面對(duì)4工作狀態(tài)吸盤(pán)反作用力；為4個(gè)處于工作狀態(tài)吸盤(pán)的等效吸附力；為吸盤(pán)等效吸附面積；為吸盤(pán)內(nèi)負(fù)壓。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。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。圖23 機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)分析 爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的吸附有三種方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附較為常用的是吸盤(pán)吸附法，利用大氣壓力使機(jī)器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機(jī)器人上，真空吸附法又分為單吸盤(pán)和多吸盤(pán)兩種結(jié)構(gòu)形式。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。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。本課題要求機(jī)器人有足夠的吸附力，以保證工作安全可靠，高層建筑壁面凹凸不平不太明顯，玻璃壁面為非導(dǎo)磁材料，綜合考慮以上問(wèn)題，在本設(shè)計(jì)中選擇吸盤(pán)式真空吸附的方式，多吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式。在開(kāi)發(fā)的爬壁機(jī)器人中共有16組吸盤(pán)，吸盤(pán)組件通過(guò)吸盤(pán)固定裝置固定在履帶上，隨履帶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)；真空泵通過(guò)供氣回路、配氣盤(pán)完成對(duì)吸盤(pán)吸附、脫離的控制。 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。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。圖24 機(jī)器人靜止吸附在壁面時(shí)的受力情況 機(jī)器人能維持吸附的條件為: （設(shè)） （24）式中： F 為摩擦力，為摩擦系數(shù)，為單個(gè)吸盤(pán)的吸力，G 為機(jī)器人自重與其附件重量之和，n 為吸盤(pán)的個(gè)數(shù)。由于機(jī)器人重心離壁面距離為h， 與F 形成的力矩將影響到重心上半部分對(duì)壁面的有效壓力，同時(shí)，考慮到由于地面有縫隙而減少真正吸附壁面的吸盤(pán)個(gè)數(shù)，引入安全系數(shù)，則單個(gè)吸盤(pán)的吸附力為： （25）值的大小取決于壁面灰塵、空隙大小、凹凸平度以及行走中遇到障礙物如電線、導(dǎo)氣管等因素，一般取2~3。 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。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)器人工作前，可根據(jù)工作壁面的性質(zhì)和載重量通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥設(shè)定氣流通過(guò)導(dǎo)氣管的速度；在機(jī)器人工作時(shí)，當(dāng)導(dǎo)氣管中的氣壓減小，同時(shí)有幾個(gè)吸盤(pán)（正常工作時(shí)有4組吸盤(pán)）已經(jīng)處于有效吸附的情況下，吸盤(pán)在大氣壓力的作用下吸附于壁面。而在縫隙上的吸盤(pán)將與大氣相通，因此V值將增大，氣體進(jìn)入吸盤(pán)，吸盤(pán)即脫離壁面。 （27）