【文章內容簡介】 當其在玻璃壁面上移動時有兩種危險的情況可能發(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，引起機器人的傾翻。設計中，機器人的吸附機構受力應避免滑落和傾翻兩種情況發(fā)生，為了簡化分析計算，這里只考慮了靜態(tài)吸附情況。(1)避免機器人從墻面上滑落。根據摩擦力的特性，同樣工況下，最大靜摩擦力要大于滑動摩擦力，所以有：G min(，) = = Nμ (29)式中：μ———最小摩擦因數；N ———兩接觸表面間的正壓力。(2)避免機器人從玻璃幕墻上傾翻下來。在顛覆力矩的作用下，應該滿足： 0 　( i = 1，…，4) (210)假設作用在支撐輪上的力不加考慮，認為墻壁對機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 點為參照點) ： (213)并假定各個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 ———工作吸盤內的真空度。為了方便計算 ，假設幾個約定條件，設作用于吸盤上的支撐力 ( i = 1…，5) 形成一對，并且從到比例增加，以上假設可用下式表示為： = ( 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)根據式(29) 和(217) ，機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) 的條件應該滿足:G min(，) (218)理論上： = 5μV 　 (219)f c2 = (220)在進行爬壁機開發(fā)和設計時，可以根據具體的尺寸p，d確定，的大小，根據計算式(10)來計算設計是否滿足爬壁機不滑落不傾翻的條件。（在計算時基于安全考慮，玻璃與吸盤間的典型摩擦因數按最小計μ = 0. 11 。）根據計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是（1）或（2）。在保證次危險安全的情況下，保證最危險的情況不會發(fā)生，由此才能保證爬壁機器人安全地工作?？紤]到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應當另外增加安全系數，在設計時,考慮只有下面4 組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。因此，保證機器人的安全，要確保： (221)或表示為： (222)式中：G ———機器人和負載總的質量；　 ———作用在機器人吸盤上吸力的總和，= 4V ；　　　λ = 1/ μ；　　　 n ———安全系數。 機器人氣動回路方案設計為了保證爬壁機器人有足夠的吸附力，應當為機器人配備真空泵等抽真空設備和可靠的氣動回路。機器人工作時吸盤所固定的履帶和履帶輪都是旋轉的，為了防止供氣管相互纏繞，必須設計合理的配氣盤結構。本文中配氣系統(tǒng)主要研究配氣盤結構設計、吸盤氣動回路設計兩部分內容。 配氣盤結構設計配氣盤結構的作用是在爬壁機器人工作時完成吸盤的抽氣與進氣，配氣盤結構主要有配氣盤、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表面；配氣接口安裝于配氣盤的下側，用于完成對即將進入工作或退出工作狀態(tài)的吸盤完成抽氣、進氣工作。圖27為履帶與配氣盤的聯(lián)結示意圖，履帶的突起部恰好裝配于配氣盤和密封氈的凹槽內；當機器人工作時，履帶處于旋轉狀態(tài)，當相應的吸盤進入或退出工作狀態(tài)時，由配氣孔完成它們的抽氣、進氣工作。 圖27 履帶與配氣盤的聯(lián)結示意圖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部淡黃色零件為緊貼于配氣盤內表面的密封氈；伸出桿為配氣盤固定桿，頂端有螺紋；兩個深紅色接頭即為配氣接頭，配氣接頭安裝于配氣盤下側的配氣孔內，配氣接頭上連接來源于氣動回路的通氣管即能完成吸盤抽氣、進氣功能。a）配氣盤結構與履帶聯(lián)結的三維造型圖 b) 配氣盤組件的三維造型圖 圖28 配氣盤結構 吸盤氣動回路設計氣動回路是指由真空泵到配氣盤配氣接口之間的氣動系統(tǒng)，包括真空過濾器、真空供給閥、真空破壞閥、真空開關等。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)流閥真空開關真空過濾器配氣接口7組成的真空控制回路。當需要產生真空時，電磁閥2通電；當需要破壞真空放開壁面時，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，形成一個真空發(fā)生器組件。 圖29 真空產生與破壞回路上述一套真空發(fā)生器組件只能與一個配氣接口相連接，為了給兩個配氣接口完成配氣需要兩套這樣的設備。但是，在實際爬壁機器人工作時一個配器接口的吸盤需要產生真空，而另外一個則恰好需要破壞真空，因此為了簡化結構和節(jié)約成本可以在氣動回路中串聯(lián)一個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)同完成對兩個配器接口的配氣。 本章小結本章描述了清潔壁面爬壁機器人的工作過程，指出為完成此工作過程爬壁機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器人的主要設計參數，為下一步的研究開發(fā)做出導向。對爬壁機器人兩個重要基本功能吸附和移動進行了機構方案設計和分析。吸附機構采用吸盤式真空吸附方式，對吸附方式的機器人滑落和傾翻的兩個安全性問題進行了分析與討論。詳述了履帶上固連吸盤的移動機構，履帶與履帶輪的模擬齒輪齒條嚙合的聯(lián)結方式，重點對履帶式移動機構的壁面適應能力進行了分析論證。機器人的輔助功能本章僅介紹了氣動回路的真空形成與破壞功能，介紹了配氣盤的結構以及采用配氣盤結構的優(yōu)缺點。簡單分析了真空發(fā)生器為基礎的真空形成與破壞回路。第3 章 履帶吸盤式爬壁機器人結構的開發(fā)與設計第3章 履帶吸盤式爬壁機器人結構的開發(fā)與論證在履帶吸盤式爬壁機器人的結構原理研究的基礎上，為了將理論更好的與實踐相結合，本課題進行了爬墻機器人結構的開發(fā)與設計。在機器人開發(fā)的過程中，注重運用前面理論研究的結果，設計了爬壁機器人的結構；在方案設計、詳細設計的基礎上進行了三維造型，零件生成、部件組裝、總裝配。在前文結構原理研究中可以看出為了使爬壁機器人能夠正常工作，在結構設計時需要使設計滿足一些參數與技術條件。在機器人開發(fā)與設計的基礎上，本文針對機器人吸附結構的吸附性能、行走機構對壁面的的適應能力、機器人車體強度進行了校核論證。 爬壁機器人吸附結構的設計與論證爬壁機器人的吸附機構主要由16組吸盤、配氣盤組件、氣動回路等構成。吸盤通過吸盤固定裝置固定在履帶上，在機器人工作的過程中隨履帶轉動，配氣盤按照固定的設計給到達相應位置的吸盤組件進行抽氣或進氣，產生或破壞真空環(huán)境使吸盤吸附或放開壁面。在機器人工作過程中，總有4組吸盤處于工作狀態(tài)，16組吸盤輪流進入工作狀態(tài)，完成機器人在壁面的吸附與移動。吸附機構的設計應防止機器人從壁面滑落及傾翻兩種危險的發(fā)生，因此可根據臨界條件對設計進行論證校核。 爬壁機器人吸附結構的設計吸盤是履帶吸盤式爬壁機器人的重要的組件，它的工作性能將直接影響爬壁機氣人的正常工作，如圖31(a) 所示為單個吸盤的結構圖，它是由鋼球手動調速閥橡皮圈彈簧彈簧導氣管6組成。圖31(b)為單個吸盤組件的三維造型圖。整個吸盤組件高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，故凹于履帶內的吸盤組件長度為32mm，不會與履帶輪發(fā)生干涉。a) 吸盤結構簡圖 b) 吸盤三維造型圖 圖31 吸盤結構 吸盤由軟塑料經注塑制成，殼體為鋁合金件，為了防止在機器人工作過程中吸盤組件殼體折斷發(fā)生危險，吸盤與履帶結合部材料較厚。為了減輕整個機器人的總質量，在滿足工作和強度要求的情況下，零件均采用塑料、鋁合金或其他輕質材料做成。 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器人重心的距離為d=320mm。 爬壁機器人吸附結構的論證，當機器人在玻璃壁面上移動時有兩種危險的情況可能發(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，引起機器人的。避免機器人從墻面上滑落。根據摩擦力的特性，同樣工況下，最大靜摩擦力要大于滑動摩擦力，所以有：G min(，) = = Nμ (31)式中：μ———最小摩擦因數；N ———兩接觸表面間的正壓力。 壁面機器人傾翻從理論上，由式(31) 可知，只要滿足 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得： (32)根據式(31) 和(32) ，機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) 的條件應該滿足:G min(，) (33)理論上： = 5μV　 (34)= (35)根據設計數據可知，p=，d=320mm，根據圖33的吸力與最大負載，當負載為大約500N時應取真空度V=，由此可以得到： (36) (37)圖33 吸力與最大負載曲線圖（圖片來自文獻[1]） (38)根據計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是爬墻機從壁面滑落。在保證次危險安全的情況下，保證最危險的情況不會發(fā)生，由此才能保證爬壁機安全地工作?？紤]到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應當另外增加安全系數，在設計時，考慮只有下面4 組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。因此，保證機器人的安全，要確保： (39) ，根據爬壁機器人的設計要求，總重量M=45kg，故： (310) G (311)由式（311）可知，爬墻機不會發(fā)生滑落的危險，由知其也不會從壁面傾翻。綜合以上論證，爬壁機器人吸附機構的設計是合理的，是能夠支持爬壁機器人正常工作的。 爬壁機器人行走機構的設計與論證履帶吸盤式爬壁機器人的行走機構主要由：吸盤組件、履帶、履帶輪、動力源、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構成。本課題主要研究機器人的結構原理，故重點進行前三部分的設計與論證。 爬壁機器人行走機構的設計，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、振動小、噪音低、濕田通過性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點。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)結模擬齒輪齒條嚙合，相嚙合齒的模數為2。 爬壁機器人行走機構的論證表格31所示為橡膠履帶基質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[7]）品種抗拉強度（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[7]）塑料名稱密度(透明性抗拉強度（MPa）抗拉彈性模量（熔點（）聚碳酸酯（PC） 透66~70~25220~230由表格31和表格32可以看出，履帶基質天然橡膠和順丁橡膠的抗拉強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（）抗拉強度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現危險的可能性大，下面對履帶輪進行校核。圖34為主動輪的三維造型圖。