【正文】 ，可以發(fā)揮其功能。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)。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。②爬行技術(shù)：爬行機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、高效、小型。保證機(jī)器人能夠按照地面操作人員的遙控進(jìn)行工作。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。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，車輪式重心距壁面較遠(yuǎn)，對(duì)吸盤的扭矩較大，影響吸盤的工作壽命。履帶吸盤式的機(jī)構(gòu)能夠提供較大的吸附力，吸盤距壁面近可防止傾覆；吸盤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)。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)選用履帶吸盤式結(jié)構(gòu)。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 c）中驅(qū)動(dòng)輪（主動(dòng)輪）置中，導(dǎo)向輪（從動(dòng)輪）對(duì)稱分布，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。 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。為了防止吸盤的尾部與履帶輪發(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組件和導(dǎo)氣管通過(guò)，履帶上的凸起部分與配氣盤相聯(lián)結(jié)用以為吸盤供氣。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。真空吸附機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)回路、真空泵和吸盤系統(tǒng)。當(dāng)真空泵運(yùn)行，處于工作狀態(tài)的4組吸盤平整貼近壁面時(shí)，在配氣盤裝置作用下，吸盤內(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。此外，在作業(yè)過(guò)程中，清潔頭在壁面上的清洗力靠吸盤的吸附力維持，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。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。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。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。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)中選擇吸盤式真空吸附的方式，多吸盤的結(jié)構(gòu)形式。 吸盤式吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)吸盤吸附材料采用軟橡膠。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)吸盤的吸力，G 為機(jī)器人自重與其附件重量之和，n 為吸盤的個(gè)數(shù)。 吸盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖25 所示為單個(gè)吸盤的結(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。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（正常工作時(shí)有4組吸盤）已經(jīng)處于有效吸附的情況下，吸盤在大氣壓力的作用下吸附于壁面。 （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。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組吸盤的法向支撐力(垂直于墻面) ，i = 1，…，4；———作用在第i組吸盤上的真空吸力，i = 1，…，4 ；———墻壁作用在第i吸盤上的摩擦力， 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由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機(jī)器人的傾翻。(1)避免機(jī)器人從墻面上滑落。(2)避免機(jī)器人從玻璃幕墻上傾翻下來(lái)。為了方便計(jì)算 ，假設(shè)幾個(gè)約定條件，設(shè)作用于吸盤上的支撐力 ( 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。）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）?？紤]到機(jī)器人在越障時(shí)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(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 組吸盤組工作時(shí)機(jī)器人仍能夠安全吸附。 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。本文中配氣系統(tǒng)主要研究配氣盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、吸盤氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。圖27為履帶與配氣盤的聯(lián)結(jié)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(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。a）配氣盤結(jié)構(gòu)與履帶聯(lián)結(jié)的三維造型圖 b) 配氣盤組件的三維造型圖 圖28 配氣盤結(jié)構(gòu) 吸盤氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路是指由真空泵到配氣盤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。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。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。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。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。吸附機(jī)構(gòu)采用吸盤式真空吸附方式，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。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，介紹了配氣盤的結(jié)構(gòu)以及采用配氣盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。第3 章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)第3章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與論證在履帶吸盤式爬壁機(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)。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。 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、配氣盤組件、氣動(dòng)回路等構(gòu)成。在機(jī)器人工作過(guò)程中，總有4組吸盤處于工作狀態(tài)，16組吸盤輪流進(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)吸盤是履帶吸盤式爬壁機(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。整個(gè)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(nèi)的吸盤組件長(zhǎng)度為32mm，不會(huì)與履帶輪發(fā)生干涉。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。 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由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機(jī)器人的。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。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。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。 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要由：吸盤組件、履帶、履帶輪、動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在此不贅述。橡膠履帶具有接地比壓小、牽引力大、振動(dòng)小、噪音低、濕田通過(guò)性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點(diǎn)。履帶和履帶輪聯(lián)結(jié)模擬齒輪齒條嚙合，相嚙合齒的模數(shù)為2。表31 天然橡膠和順丁橡膠的主要性能（表格摘自文獻(xiàn)[7]）品種抗拉強(qiáng)度（MPa）伸長(zhǎng)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(xiàn)[7]）塑料名稱密度(透明性抗拉強(qiáng)度（MPa）抗拉彈性模量（熔點(diǎn)（）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(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的抗拉強(qiáng)度比履帶輪材料聚碳酸酯低。圖34為主動(dòng)輪的三維造型圖。設(shè)在主動(dòng)輪工作中一個(gè)齒上的剪力為，則有： (313)式中，A——主動(dòng)輪齒底部的截面積，單位為；——主動(dòng)輪輪齒底部受到的切應(yīng)力，單位為Pa；——主動(dòng)輪輪齒底部截面的長(zhǎng)度，單位為；——主動(dòng)輪輪齒底部截面的寬度，單位為。 爬壁機(jī)器人車體的設(shè)計(jì)與論證爬墻機(jī)器人的車體是支撐爬壁機(jī)器人所有部件的基礎(chǔ)，因此機(jī)器人車體的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔工作可靠。上下車體之間是用螺栓進(jìn)行連接的，在機(jī)器人工作的過(guò)程中車體連接螺栓受到很大的剪切力，因此為保證機(jī)器人正常工作應(yīng)當(dāng)對(duì)螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核。上下車體連接螺栓使用M16，共12個(gè)螺栓，均布在上下車體連接凸出面上。下車體后部有功能部件聯(lián)結(jié)口，功能部件由螺栓安裝在下車體上。 圖35 車體裝配圖 爬壁機(jī)器人車體的論證在機(jī)器人工作的過(guò)程中，上下車體連接螺栓承載上車體的重量以使上車體緊緊貼在下車體上并隨下車體一同沿壁面移動(dòng)。在爬壁機(jī)器人工作時(shí)，螺栓在結(jié)合面除受剪還與被連接件即車體相互擠壓。為防止硬質(zhì)合金的車體螺栓孔壁被壓潰，在安裝螺栓時(shí)采用襯套，因此孔壁被壓潰的可能性相對(duì)于螺栓被剪斷低。設(shè)螺栓所受的剪力為（聯(lián)結(jié)受橫向力，），如圖36所示為上下車體聯(lián)結(jié)受剪螺栓受力圖，則螺栓受到的切應(yīng)力為： （319）式中，——螺栓受到的切應(yīng)力； ——螺栓抗剪面直徑； ——螺