【正文】 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要由：吸盤(pán)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。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。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。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。 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(pán)由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機(jī)器人的。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。整個(gè)吸盤(pán)組件高100mm，裝配在履帶上后伸出履帶外尺寸為60mm，裝吸盤(pán)組件處履帶厚8mm，故凹于履帶內(nèi)的吸盤(pán)組件長(zhǎng)度為32mm，不會(huì)與履帶輪發(fā)生干涉。 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)吸盤(pán)是履帶吸盤(pán)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(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。在機(jī)器人工作過(guò)程中，總有4組吸盤(pán)處于工作狀態(tài)，16組吸盤(pán)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)。 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(pán)、配氣盤(pán)組件、氣動(dòng)回路等構(gòu)成。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。第3 章 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)第3章 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與論證在履帶吸盤(pán)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(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。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(pán)的結(jié)構(gòu)以及采用配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。吸附機(jī)構(gòu)采用吸盤(pán)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(wèn)題進(jìn)行了分析與討論。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(kāi)發(fā)做出導(dǎo)向。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(pán)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(jiǎn)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。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。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(kāi)關(guān)真空過(guò)濾器配氣接口7組成的真空控制回路。a）配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)與履帶聯(lián)結(jié)的三維造型圖 b) 配氣盤(pán)組件的三維造型圖 圖28 配氣盤(pán)結(jié)構(gòu) 吸盤(pán)氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路是指由真空泵到配氣盤(pán)配氣接口之間的氣動(dòng)系統(tǒng)，包括真空過(guò)濾器、真空供給閥、真空破壞閥、真空開(kāi)關(guān)等。圖27為履帶與配氣盤(pán)的聯(lián)結(jié)示意圖，履帶的突起部恰好裝配于配氣盤(pán)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(pán)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。本文中配氣系統(tǒng)主要研究配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、吸盤(pán)氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。 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?？紤]到機(jī)器人在越障時(shí)第一組吸盤(pán)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(pán)組工作時(shí)機(jī)器人仍能夠安全吸附。）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）。為了方便計(jì)算 ，假設(shè)幾個(gè)約定條件，設(shè)作用于吸盤(pán)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(lái)) 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(kāi)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(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)是否滿足爬壁機(jī)不滑落不傾翻的條件。(2)避免機(jī)器人從玻璃幕墻上傾翻下來(lái)。(1)避免機(jī)器人從墻面上滑落。當(dāng)機(jī)器人吸附在玻璃壁面上時(shí)，受力情況如圖26，各符號(hào)意義如下:———墻壁對(duì)第i組吸盤(pán)的法向支撐力(垂直于墻面) ，i = 1，…，4；———作用在第i組吸盤(pán)上的真空吸力，i = 1，…，4 ；———墻壁作用在第i吸盤(pán)上的摩擦力， i = 1，…，4 ；G ———作用在機(jī)器人上的重力(包括外設(shè)) ；p ———相鄰兩組吸盤(pán)之間的距離；d ———機(jī)器人的等效重心到玻璃壁面的距離； 圖26 爬壁機(jī)器人受力示意圖 機(jī)器人在工作時(shí)，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(pán)由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機(jī)器人的傾翻。 （27） 式中：為氣體密度，Q 為流量， 為氣體流速的改變量，g為重力加速度，k為彈簧屈強(qiáng)系數(shù)，為壓縮位移。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。 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。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)。 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。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。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。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。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。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。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。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)。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。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。 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。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。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)。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。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。保證機(jī)器人能夠按照地面操作人員的遙控進(jìn)行工作。②爬行技術(shù)：爬行機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、高效、小型。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。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)。（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。（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。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。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)。履帶吸盤(pán)式的結(jié)構(gòu)原理提高了爬壁機(jī)器人對(duì)不同壁面的適應(yīng)能力，提高了機(jī)器人工作可靠性，必將帶來(lái)很高的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。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。 本章介紹了爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開(kāi)發(fā)的價(jià)值，指出爬壁機(jī)器人在建筑業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域的重要作用，以及研究更加可靠實(shí)用的爬壁機(jī)器人社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。（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。本文所研究的履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理有效地將真空吸附和履帶移動(dòng)相融合，探索實(shí)驗(yàn)一種新的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理，該項(xiàng)研究的價(jià)值有：（1）在已有研究成果的基礎(chǔ)上將真空吸附和履帶移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)相疊加，利用這一研究開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的爬壁機(jī)器人，對(duì)爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理做了有益的創(chuàng)新與探索。（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。（2）吸盤(pán)真空式吸附方式適用于非導(dǎo)磁壁面，克服了磁吸附原理對(duì)壁面性質(zhì)要求較高的缺點(diǎn)，擴(kuò)大了機(jī)器人的工作范圍。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。履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)的外形簡(jiǎn)圖如圖14所示，上面為俯視圖，下面為左視圖。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。 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色與價(jià)值本文所研究與開(kāi)發(fā)的履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理是將吸盤(pán)的真空吸附方式和履帶式移動(dòng)方式相結(jié)合，真空吸盤(pán)固定在柔性的履帶上，采用雙履帶對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。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