【正文】 空吸盤實(shí)現(xiàn)吸附。車輪式移動(dòng)速度快， 控制靈活，但維持一定的吸附力較困難； 腿 足式移動(dòng) 速度慢，但負(fù)載能力強(qiáng)；履帶式隊(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，且著地面積大，但不易轉(zhuǎn)彎。按照作業(yè)對(duì)象的性質(zhì) ，對(duì)行走機(jī)構(gòu)提出的基本功能要求出越障能力外，還應(yīng)具備全方位轉(zhuǎn)向功能，以便轉(zhuǎn)向和行走方向偏離時(shí)的方位校正。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。 [3] 壁面移動(dòng)機(jī)器人必須具有兩個(gè)基本功能： 在壁面上的吸附功能和移動(dòng)功能。 [2] 此外，正對(duì)在坡度很陡的外壁上進(jìn)行作業(yè)的高危險(xiǎn)性，一種能在避免上貼附并能移動(dòng)進(jìn)行作業(yè)的爬壁機(jī)器人也受到關(guān)注，其需求的對(duì)象如：用于核電站路新內(nèi)壁上清除污染物的機(jī)器人 。它不僅有信息收集裝置，如電視攝像機(jī)、易燃?xì)怏w檢測(cè)儀、超聲波探測(cè)器等；還有 2 只機(jī)械手，最大抓力為 90 公斤。機(jī)器人長(zhǎng) 4 米，寬 米，高 米，重 3860 公斤。 救護(hù)機(jī)器人 ： 救護(hù)機(jī)器人于 1994 年第一次投入使用。 2 該機(jī)器人能沿著從建筑物頂部放下來的鋼絲繩自己用絞車向上提升，然后它可以利用負(fù)壓吸盤在建筑物上自由移動(dòng)。 攀登營(yíng)救機(jī)器人 ： 攀登營(yíng)救機(jī)器人于 1993 年第一次使用。 消防偵察機(jī)器人 ： 消防偵察機(jī)器人誕生于 1991 年，用于收集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)周圍的各種信息，并在有濃煙或有毒氣體的情況下，支援消防人員。它由噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或普通發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛。 噴射滅火機(jī)器人 ： 這種機(jī)器人于 1989 年研制成功，屬于遙控消防機(jī)器人的一種，用于在狹窄的通道和地下區(qū)域進(jìn)行滅火 。當(dāng)消防人員難于接近火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)或有爆炸危險(xiǎn)時(shí)，可使用這種機(jī)器人。這次火災(zāi)之后，東京消防部開始對(duì)能在惡劣條件下工作的消防機(jī)器人進(jìn)行研究，目前已有五種用途的消防機(jī)器人投入使用。過火面積１２７０平方米??！ 據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)， 2021 年上半年，全國(guó)共發(fā)生火災(zāi) 萬(wàn)起， 死亡 655 人，受傷297 人，直接財(cái)產(chǎn)損失 億元 ！！ 不僅我國(guó)，在世界上消防工作也是一個(gè)大難題，各國(guó)政府千方百計(jì)地將火災(zāi)的順勢(shì)降到最低，然而并未取得顯著性效果，面對(duì)無情的火災(zāi)，各國(guó)已將目光對(duì)準(zhǔn)了消防機(jī)器人。當(dāng)時(shí)舞廳內(nèi)有２００人左右，大部分逃生，但有１９人因一氧化碳中毒窒息死 亡。長(zhǎng)春市消防支隊(duì)張璐文 :這兒有一些廣告牌子，組織了噴水，如果沒有廣告牌，火早就控制住了??！ 2021 年 １２日８時(shí)２０分許，溫州市鹿城區(qū)人民路溫富大廈的裙樓一樓“朵朵鮮”花店突發(fā)火災(zāi) 。在此期間，長(zhǎng)春、吉林兩市出動(dòng)消防車超過 60 輛，消防官兵 200 多人，全力撲救。 1 1 前 言 立項(xiàng)背景 2021 年 3月 29號(hào)，吉林省長(zhǎng)春市一大型商品集散地昨晚 20 時(shí)發(fā)生火災(zāi)。經(jīng)過十幾個(gè)小時(shí)的緊張救援，長(zhǎng)春市天元商廈火情得到控制。但由于該大廈是木制框架結(jié)構(gòu)，存放的又多為家居易燃品，加上樓外廣告牌遮擋等問題，使得滅火工作一度進(jìn)展困難。 由花店包花紙和塑料花的燃燒導(dǎo)致大量的濃煙涌入二樓的舞廳。花店里共有９人，７人逃生，２人燒死。 1984 年 11月，在日本東京的一個(gè)電纜隧道內(nèi)發(fā)生 了一起火災(zāi)，消防隊(duì)員不得不在濃煙和高溫的危險(xiǎn)環(huán)境下在隧道內(nèi)滅火。 [1] 同類產(chǎn)品比較 遙控消防機(jī)器人 ： 1986 年第一次使用了這種機(jī)器人。這種機(jī)器人裝有履帶，最大行駛速度可達(dá) 10公里 /小時(shí)，每分鐘能噴出 5噸水或 3噸泡沫。機(jī)器人高 45 厘米，寬 74厘米，長(zhǎng) 120 厘米。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，為了撲滅火焰，噴嘴將水流轉(zhuǎn)變成高壓水霧噴向火焰。機(jī)器人有 4 條履帶，一只操作臂和 9種采集數(shù)據(jù)用的采集裝置，包括攝像機(jī)、熱分布指示器和氣體濃度測(cè)量?jī)x。當(dāng)高層建筑物的上層突然發(fā)生火災(zāi)時(shí)，機(jī)器人能夠攀登建筑物的外墻壁去調(diào)查火 情，并進(jìn)行營(yíng)救和滅火工作。這種機(jī)器人可以爬 70 米高的建筑物。這種機(jī)器人能夠?qū)⑹軅藛T轉(zhuǎn)移到安全地帶。它裝有橡膠履帶，最高速度為 4 公里 /小時(shí)。機(jī)械手可將受傷人員舉起送到救護(hù)平臺(tái)上，在那里可以為他 們提供新鮮空氣。用于放射性廢液儲(chǔ)存罐焊縫檢查的壁面移動(dòng)機(jī)器人；用于自動(dòng)檢查大型煤氣球灌哈風(fēng)的機(jī)器人；用于消防急救的壁面移動(dòng)機(jī)器人等。按吸附功能分類：真空吸附和磁吸附兩種形式：真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí) ，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低；磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。磁吸附方式對(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，且吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題 ；壁面行走機(jī)構(gòu)的任務(wù)是將攜帶的作業(yè)裝置運(yùn)送到壁面的要求位置。行走機(jī)構(gòu)有車輪式、履帶式和腿足式，分兩足和多足等。此外，還有步進(jìn)式、蠕動(dòng)式、混合式和蛇行式移動(dòng)方式等，適合于各種特別的場(chǎng)合。針對(duì)真空吸附方式，將各類爬壁機(jī)器人 優(yōu)缺點(diǎn)及各種爬壁機(jī)構(gòu)性能比較列表如下： 表 11 各類爬壁機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)比較 Table11 All kinds of climbing robot advantages and disadvantages 真空泵 噴射器 車輪式 移動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)向方便，著地面小，無須加供氣裝置 ，但要求壁面有一定光滑度，越障能力低 移動(dòng)速度快，控制方便，維持吸附力較困難，能力低，噪音大，徐供氣設(shè)備，可達(dá)高真空，對(duì)壁面適應(yīng)性好 3 路帶式 著地面積大，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，行走速度快，負(fù)載能力大，但轉(zhuǎn)向不易，適于多吸盤結(jié)構(gòu) 可將吸盤布置于履帶上，個(gè)吸盤的真空度由噴射器產(chǎn)生， 對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，越障能力大，需供氣裝置 足腿式 能跨臺(tái)階，但動(dòng)作是間歇的，速度不快，可以實(shí)現(xiàn)多吸盤形式，但負(fù)載能力不大，無需供氣裝置 需供氣裝置，可實(shí)現(xiàn)多吸盤形式，間歇?jiǎng)幼鳎婵斩雀撸肼暣?，?fù)載能力小 表 12 各種爬壁機(jī)構(gòu) 性能比較 Table12 All sorts of climbing performance parison institutions 機(jī)械實(shí)施 控制實(shí)施 速度 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 轉(zhuǎn)向性能 載重自重比 越障能力 壁面適應(yīng)性 壁面附設(shè)要求 偏心扭擺式 B A C D C B B C 無 多層框架式 B B B C A A B B 無 特種履帶式 D C B B C B C C 無 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)足式 C D D B A D A A 無 輪式及其變形 B A B B B C C D 無 輪驅(qū)動(dòng)規(guī)行式 B A A A 無 A D D 有 索吊軌行式 A A A A 無 A 無 D 有 *A→ D（高分→低分） 4 目前，在外國(guó)，特別是日本，爬壁式機(jī)器人的研究和應(yīng)用比較突出，主要產(chǎn)品有車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，步行式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人及履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人，因其主要是磁吸附形式，具體結(jié)構(gòu)功能不再詳細(xì)敘述。爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是載體， 載體結(jié)構(gòu)不同，爬壁機(jī)器人的性能也不同。其中前者采用負(fù)壓吸附方式，移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用全防車輪，他克服了一半論事行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎、定位較難的不足。 [6] 哈工大機(jī)器人研究所已先后開發(fā)出連個(gè)系列的爬壁機(jī)器人 ：?jiǎn)挝P輪式壁面爬行機(jī)器人及磁吸附履帶式爬行機(jī)器人 ；上海交大機(jī)器人研究所和上海消防聯(lián)合研制開發(fā)了一種集火場(chǎng)探測(cè)、消防、有毒、易燃、易爆氣體場(chǎng)所探測(cè)等多功能于一體的消防機(jī)器人 —— ZXPJ01 型消防機(jī)器人，它是一種游覽遙控關(guān)節(jié)移動(dòng)是機(jī)器人 ，其電源通過電纜傳輸，關(guān)節(jié)擺臂除了能夠輔助越障外，還能提高它的穩(wěn)定性，另外還采用了專家決策輔助系統(tǒng)協(xié)調(diào)操作員進(jìn)行控制，大大提高了其操縱性和安全性。 產(chǎn)品主要功能及技術(shù)攻關(guān) 由上一節(jié)的分析比較確定本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用多層框架式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是越障能力和承載能力較好。 初步考慮該消防機(jī)器人須事先的主要功能有： 移動(dòng)功能：操作人員通過搖控臺(tái)遠(yuǎn)距離控制小風(fēng)機(jī)器人 眼高層建筑的外請(qǐng)向上爬行；越障功能：可跨越墻面上不超過 50mm 的障礙物； 安全定位功能：達(dá)到發(fā)生火災(zāi)的窗口，利用自身的吸附 功能及機(jī)械手能將本體固定在某一合適位置； 運(yùn)送功能：安全地位后， 能夠通過升降裝置將負(fù)載及消防設(shè)施等運(yùn)送到窗口； 消防功能 :通過窗口 向發(fā)生火災(zāi)的室內(nèi)噴水滅火； 紅外線探測(cè)功能：可探測(cè)出屋內(nèi)可能有的未撤離人員并發(fā)出呼喚信號(hào)； 救護(hù)功能：可將運(yùn)送到窗口的傷員由輸送裝置安全送到地面； 觀察功能：頭上應(yīng)裝有 有攝像機(jī)，可以觀察火場(chǎng)和機(jī)器人本體情況； 通信功能：有圖像、聲音、數(shù)據(jù)傳輸功能； 5 預(yù)警功能：可探測(cè)室內(nèi)易燃、易爆氣體含量，根據(jù)探測(cè)的結(jié)果可以預(yù)報(bào)緊急情況發(fā)生，并有相應(yīng)應(yīng)急處理能力。 技術(shù)攻關(guān)： 要設(shè)計(jì)的這款機(jī)器人首先在功能上十分齊全，從接受命令開始爬向到位、消防、救護(hù)、警報(bào)，尤其能夠?qū)崿F(xiàn)在必要時(shí)全面方位轉(zhuǎn)向功能 及爬行時(shí)的跨障功能，以及紅外線探測(cè)傷員和救護(hù)功能，我認(rèn)為這幾方面是主要的攻關(guān)項(xiàng)目。傳統(tǒng)高層建筑的消防工作是由消防員完成，不僅工作條件惡劣，而且效率也不高，因此，這類墻面 上的移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)具有一點(diǎn)的通用性特點(diǎn)。 ∕ s；； 越障能力：可跨越墻面上不超過 50mm 的障礙物； 機(jī)器人本體自重：不大于 50公斤； 固定后載重： 1噸； 控制與驅(qū)動(dòng)：計(jì)算機(jī)控制，伺服驅(qū)動(dòng)； 操縱方式：手動(dòng)遙控和自控。行走系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壁面吸附和移動(dòng)以及必要時(shí)的轉(zhuǎn)向功能；消防救呼系統(tǒng)完成機(jī)器人本體定位及安全救護(hù)功能。 圖 b 為內(nèi)、外兩組吸盤全獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方案，其優(yōu)點(diǎn) 是壁面適應(yīng)性強(qiáng)，但驅(qū)動(dòng)自由度太多，機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)困難 。該機(jī)構(gòu)有六個(gè)可控自由度，其中邁步運(yùn)動(dòng)自由度一個(gè)，盤轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度一個(gè)，抬腿運(yùn)動(dòng)自由度四個(gè)。四個(gè)外吸盤和四個(gè)內(nèi)盤分別與一個(gè)真空系統(tǒng)相連 。中框和內(nèi)框架之間允許相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng) 。 由此確定了機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)路線和機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) ：當(dāng)中框架上的主電機(jī)（直流伺服）工作時(shí)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)兩級(jí)圓柱齒輪傳遞給行走傳動(dòng)軸，從而驅(qū)動(dòng)行走輪再為框架上的齒條上運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)外框架和中框架間的相對(duì)邁步運(yùn)動(dòng)。 抬腿運(yùn)動(dòng)有安裝在外框架四個(gè)角落處的升降足組件完成。 爬行機(jī)構(gòu)整體的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過程如下：內(nèi)吸附工作時(shí)，外吸盤充氣脫開；步進(jìn)電機(jī)通電正轉(zhuǎn)使外吸盤抬離壁面；主電機(jī)正轉(zhuǎn)，外框架向前移動(dòng)一個(gè)行程；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)使外吸盤靠近壁面并吸附工作； 內(nèi)吸盤充氣脫開，步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)將內(nèi)吸盤 抬離壁面；主電機(jī)反轉(zhuǎn)使內(nèi)框架 和中框架一起相對(duì)外框架向前移動(dòng)一個(gè)行程，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)使內(nèi)框架貼近壁面到吸盤吸附工作為止 。 當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)， 需在內(nèi)吸盤工作的狀態(tài)下，啟動(dòng)轉(zhuǎn)向程序是為框架相對(duì)內(nèi)框架轉(zhuǎn)過要求的角度， 從而改變行進(jìn)方向。 機(jī)架總體尺寸及吸盤尺寸的設(shè)計(jì) 爬壁機(jī)器人在壁面上行走的首要條件實(shí)在任何時(shí)刻都能夠附著在壁面上。對(duì)于真空吸盤，吸 力由吸盤內(nèi)外的空去壓差產(chǎn)生。臨 界摩擦力狀態(tài)的摩擦力 Ffi=181。 Nai（ 181。 181。 N — 單個(gè)吸盤的吸力?！?摩擦系數(shù) 在本設(shè)計(jì)中 n 取 4， 181。 50對(duì)于該壁面移動(dòng)機(jī)器人 來 說，一種最不利的吸附狀態(tài)即內(nèi)外吸盤交換的瞬間時(shí)狀態(tài)。 列出繞 O1的力矩平衡方程 [8]： 2 4 32 2 ( ) 2 2sW H N b N a b F b N C? ? ? ? ? （公式 3） 在傾覆的瞬間時(shí)， 2N ?0， W? []W ，因此有 2 4 32 2 ( ) 2 2snW H N b N a b F b N C? ? ? ? ? （公式 4） 其中， n=2， W=50 =490N,取 H=， a=2m， b=， c=，代入上式有 432 490 2 ( 2 ) 2 2 N F N? ? ? ? ? ? ? 4398 N F N? ? ? N3＞ N4 SF ＞ 有以上可得 N3＞ N4＞ ,取 500SFN? ,當(dāng)真空度為 600mHg 時(shí)，查表取吸盤有效直徑D=140mm。 齒輪齒條傳動(dòng)中的齒輪 取無障礙直線運(yùn)動(dòng)最大速度 maxV =2m/s， 則該齒輪齒條傳動(dòng)所需功率 [10] 1000w FvP ??? （公式 5） 式中 maxV — 最大速度 F — 外載荷力 ? — 圓柱齒輪傳動(dòng)效率 由公式 5得 10 50 22 0 100 0 7w FvP k w? ???? ? ?? 傳動(dòng)效率： 8 級(jí) 圓柱齒輪傳動(dòng)效率 ? ? ，滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率 ?? ，齒輪齒條傳動(dòng)效率 ?? ，則此傳動(dòng)裝置的總效率 230 .9 7 0 .9 8 0 .9 7 0 .8 6? ? ? ? ? 所以電動(dòng)機(jī)所需輸出功率 【 10】 為 wd kwPP ?? （公式 6） 式中 wP — 傳動(dòng)所需功率 ? 傳動(dòng)裝置的總效率 由公式 6得， wd 0 .5 1k w 0 .5 9 k w0 .8 6PP ?? ? ? 考慮到傳遞功率較大 ，要求結(jié)構(gòu)緊湊， 查械設(shè)計(jì)表 101選齒輪材料用 40MnB，調(diào)制后表面淬火齒面硬