【正文】 (37)圖33 吸力與最大負(fù)載曲線圖（圖片來(lái)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。避免機(jī)器人從墻面上滑落。 圖32 吸盤(pán)固定于履帶上的裝配圖圖32為吸盤(pán)固定于履帶上的裝配圖，吸盤(pán)組件均布于履帶上，吸盤(pán)組件間的中心距p=，吸盤(pán)組件中心與爬壁機(jī)器人重心的距離為d=320mm。a) 吸盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 b) 吸盤(pán)三維造型圖 圖31 吸盤(pán)結(jié)構(gòu) 吸盤(pán)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(guò)程中吸盤(pán)組件殼體折斷發(fā)生危險(xiǎn)，吸盤(pán)與履帶結(jié)合部材料較厚。圖31(b)為單個(gè)吸盤(pán)組件的三維造型圖。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。吸盤(pán)通過(guò)吸盤(pán)固定裝置固定在履帶上，在機(jī)器人工作的過(guò)程中隨履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，配氣盤(pán)按照固定的設(shè)計(jì)給到達(dá)相應(yīng)位置的吸盤(pán)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(pán)吸附或放開(kāi)壁面。在機(jī)器人開(kāi)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(chē)體強(qiáng)度進(jìn)行了校核論證。在機(jī)器人開(kāi)發(fā)的過(guò)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。簡(jiǎn)單分析了真空發(fā)生器為基礎(chǔ)的真空形成與破壞回路。詳述了履帶上固連吸盤(pán)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。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。 本章小結(jié)本章描述了清潔壁面爬壁機(jī)器人的工作過(guò)程，指出為完成此工作過(guò)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。 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。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(kāi)壁面時(shí)，電磁閥2斷電、電磁閥3通電。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(kāi)。 圖27 履帶與配氣盤(pán)的聯(lián)結(jié)示意圖1—履帶 2—配氣盤(pán) 3—通氣孔4—密封氈 5—配氣孔圖28（a）為吸盤(pán)組件與履帶聯(lián)結(jié)的三維造型圖，配氣盤(pán)的固定桿可以伸過(guò)履帶輪的中間固定于下車(chē)體上，圖28（b）為吸盤(pán)組件的三維造型圖內(nèi)部淡黃色零件為緊貼于配氣盤(pán)內(nèi)表面的密封氈；伸出桿為配氣盤(pán)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(pán)下側(cè)的配氣孔內(nèi)，配氣接頭上連接來(lái)源于氣動(dòng)回路的通氣管即能完成吸盤(pán)抽氣、進(jìn)氣功能。 配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)的作用是在爬壁機(jī)器人工作時(shí)完成吸盤(pán)的抽氣與進(jìn)氣，配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)主要有配氣盤(pán)、密封氈、配氣接口組成，配氣盤(pán)通過(guò)配氣盤(pán)固定桿固定于下車(chē)體上，密封氈緊貼于配氣盤(pán)的內(nèi)表面；配氣接口安裝于配氣盤(pán)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(pán)完成抽氣、進(jìn)氣工作。機(jī)器人工作時(shí)吸盤(pán)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(pán)結(jié)構(gòu)。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(pán)上吸力的總和，= 4V ；　　　λ = 1/ μ；　　　 n ———安全系數(shù)。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。（在計(jì)算時(shí)基于安全考慮，玻璃與吸盤(pán)間的典型摩擦因數(shù)按最小計(jì)μ = 0. 11 。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(pán)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(pán)的真空度是均衡的，則作用在吸盤(pán)上的吸力為：V = = sv (214)式中： s ———每組吸盤(pán)總的吸附面積；v ———工作吸盤(pán)內(nèi)的真空度。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。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(jiǎn)化分析計(jì)算，這里只考慮了靜態(tài)吸附情況。則： （28） 吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人吸附安全性研究為了確定吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力和安全性能，必須對(duì)機(jī)器人所受的力進(jìn)行分析。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。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)。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。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。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。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。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。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。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。吸盤(pán)系統(tǒng)由16組吸盤(pán)及配氣盤(pán)裝置組成。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。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。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。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。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。 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。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)。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。 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。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。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。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。 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。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)。（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)。 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。第2章 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案研究第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。 分析了履帶吸盤(pán)式結(jié)構(gòu)原理的研究特色，重點(diǎn)對(duì)比了其與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理的異同點(diǎn)。在詳述了爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理研究與開(kāi)發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)。（4）本文中所開(kāi)發(fā)的履帶吸盤(pán)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(kāi)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。（2）現(xiàn)有的科研成果多將履帶式結(jié)構(gòu)與磁吸附相結(jié)合，其缺點(diǎn)為機(jī)器人不能行走于非導(dǎo)磁材料壁面，履帶吸盤(pán)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了履帶式爬壁機(jī)器人在玻璃等壁面上的行走，拓寬了爬壁機(jī)器人的使用市場(chǎng)。 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究?jī)r(jià)值通過(guò)本章第三節(jié)對(duì)3種現(xiàn)存的爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理的分析評(píng)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(kāi)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(lái)彌補(bǔ)。（3）配氣盤(pán)式的吸盤(pán)抽進(jìn)氣系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地完成吸盤(pán)的抽進(jìn)氣工作，有效地解決了在旋轉(zhuǎn)的履帶間通氣管相互纏繞的問(wèn)題。履帶不直接與壁面接觸，減少了不平滑壁面對(duì)履帶的損害，提高了機(jī)器人的工作壽命。 圖14 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人外形圖 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)的結(jié)構(gòu)原理融合了吸盤(pán)式真空吸附和履帶式移動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)存的爬壁機(jī)器人的一些缺點(diǎn)。壁面清潔組件、傳遞救援物資組件通過(guò)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。固定式配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)作為16組吸盤(pán)和真空泵抽進(jìn)氣系統(tǒng)相連接的媒介。 圖13 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人（圖片來(lái)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(shuō)履帶在垂直于拉力方向上沒(méi)有剛性，這對(duì)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。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)爬壁機(jī)在壁面上行進(jìn)。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(pán)受到較大扭曲力，從而降低了爬壁機(jī)器人的工作壽命。吸附機(jī)構(gòu)由安裝在鏈條上的13組吸盤(pán)及真空發(fā)生器等組成。 多吸盤(pán)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(pán)組導(dǎo)向和提升裝置以及控制系統(tǒng)組成。主要特征是：行走穩(wěn)定、速度快