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履帶吸盤式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì) 1、概述 隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛地運(yùn)用。其中，爬壁機(jī)器人以其在核工業(yè)、建筑、消防等行業(yè)的突出優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本文在詳述國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)各種現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析、對(duì)比與評(píng)價(jià)，對(duì)履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了深入地研究與開發(fā)，并對(duì)一些關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。本課題研究的履帶吸盤式爬壁機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)方式，雙履帶和車體構(gòu)成機(jī)器人的基本框架；真空吸盤式吸附方式加以完善的配氣系統(tǒng)，可為機(jī)器人提供足夠的吸附力。在地面操作人員的遙控下，爬壁機(jī)器人能夠在玻璃等特定壁面上完成清潔壁面、傳遞救援物資等任務(wù)。 履帶吸盤式結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)樣式的優(yōu)化組合，它克服了現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)與不足，提高了爬壁機(jī)器人的實(shí)用性能。 2、結(jié)構(gòu)原理及組成 2、1爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究 較為高端的爬壁機(jī)器人是集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等科學(xué)為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，因此爬壁機(jī)器人技術(shù)的研究是伴隨著各項(xiàng)科技的發(fā)展而發(fā)展的。自80年代以來(lái)，爬壁機(jī)器人技術(shù)在國(guó)內(nèi)外取得了迅速的發(fā)展，有的已開始進(jìn)入實(shí)用試驗(yàn)階段。到1992 年底，國(guó)外已有不同類型的爬壁機(jī)器人研制成功，其中以日本發(fā)展最快。國(guó)內(nèi)較早發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)，他們已研制成功壁面爬行遙控檢測(cè)機(jī)器人，采用真空吸附方式，通過運(yùn)載小車使機(jī)器人在壁面上下左右自由行走。另外，上海大學(xué)研制了用于高層建筑窗戶擦洗的真空吸附足式爬行機(jī)器人。上海交通大學(xué)亦于1995 年研制了磁吸附爬壁機(jī)器人用于油罐。 爬壁機(jī)器人必須具有兩個(gè)基本功能：吸附功能和移動(dòng)功能，而為了實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的特定功能只需在機(jī)器人本體上耦合或車載相應(yīng)的功能執(zhí)行部件即可，因此國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人技術(shù)的研究與探討大致是圍繞如何實(shí)現(xiàn)它的兩個(gè)基本功能展開的。 根據(jù)較為公認(rèn)的爬壁機(jī)器人技術(shù)劃分方法壁面吸附功能的實(shí)現(xiàn)有三種方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附較為常用的是吸盤吸附法，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，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(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。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。 爬壁機(jī)器人移動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)方式主要是足式、車輪式和履帶式。足式機(jī)器人能跨越較小的障礙，但移動(dòng)速度慢；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，車輪的直徑會(huì)使機(jī)器人相對(duì)于壁面的扭矩增大，使機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；履帶式對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大，機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，但其不易轉(zhuǎn)彎。這三種移動(dòng)方式的跨越障礙能力都很弱。 2．2幾種爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理分析與對(duì)比 現(xiàn)在爬壁機(jī)器人技術(shù)仍處于研究與試驗(yàn)階段，國(guó)內(nèi)外一些知名的研究所和高校的科研人員都提出了自己的爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案，這些結(jié)構(gòu)方案在原理和結(jié)構(gòu)布局上有著較大的不同。下面列出三種較為典型同時(shí)也是與履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的研究相關(guān)的結(jié)構(gòu)原理科研實(shí)例，通過分析這些設(shè)計(jì)實(shí)例的優(yōu)缺點(diǎn)可以引出在爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)時(shí)需要注意與注重的問題。 2.2.1車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人 日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出的車輪式磁吸附爬壁機(jī)器，結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。機(jī)器人靠磁性車輪對(duì)壁面產(chǎn)生吸附力吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。 主要特征是：行走穩(wěn)定、速度快 車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人 最大速度可達(dá)9m/min，適用各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。但是該機(jī)器人有自己的缺點(diǎn)：磁吸附使它僅適用于導(dǎo)磁材料壁面，即這種原理有其使用局限性；車輪式的行走方式使維持一定的吸附力較困難，車輪的直徑會(huì)使機(jī)器人相對(duì)于壁面的扭矩增大，使機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；車輪的行走軌跡是連續(xù)的，這不利于機(jī)器人跨越壁面的凹凸不平處，使機(jī)器人對(duì)壁面的平整質(zhì)量要求提高。 2.2.2多吸盤單鏈爬壁機(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)、吸盤組導(dǎo)向和提升裝置以及控制系統(tǒng)組成。行走機(jī)構(gòu)模仿坦克履帶結(jié)構(gòu)，采用單履帶模式。吸附機(jī)構(gòu) 多吸盤單鏈爬壁機(jī)器人Cleanbot – IV 由安裝在鏈條上的13組吸盤及真空發(fā)生器等組成。該機(jī)器人的特點(diǎn)是采用單鏈和多吸盤相配合的結(jié)構(gòu)可以可靠解決轉(zhuǎn)向的問題；采用彈性機(jī)構(gòu)，使該機(jī)器人具有跨越一定障礙的能力；旋轉(zhuǎn)接頭供氣方式夠給每一個(gè)吸盤供氣而避免通氣管纏繞。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，吸盤受到較大扭曲力，從而降低了爬壁機(jī)器人的工作壽命。 2.2.3 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人 國(guó)家教委博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目履帶式磁吸附爬壁機(jī)器是將永磁體片離散的裝在爬壁機(jī)器人的履帶上，采用雙履帶方式，主動(dòng)輪安裝在一端，前后雙輪。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， 實(shí)現(xiàn)其在壁面的安全爬行。 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人 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。 2.3履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理 本文所研究與開發(fā)的履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理是將吸盤的真空吸附方式和履帶式移動(dòng)方式相結(jié)合，真空吸盤固定在柔性的履帶上，采用雙履帶對(duì)稱結(jié)構(gòu)。固定式配氣盤結(jié)構(gòu)作為16組吸盤和真空泵抽進(jìn)氣系統(tǒng)相連接的媒介。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。壁面清潔組件、傳遞救援物資組件通過功能組件耦合處與機(jī)器人機(jī)體相連以完成相應(yīng)能。 履帶吸盤式爬壁機(jī)的外形簡(jiǎn)圖如圖所示，上面為俯視圖，下面為左視圖 3、履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案 3.1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。 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。 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)器人工作過程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。 ②爬行技術(shù)：爬行機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、高效、小型。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。保證機(jī)器人能夠按照地面操作人員的遙控進(jìn)行工作。 ③配氣技術(shù)：吸盤和履帶輪均是旋轉(zhuǎn)的，為防止配氣管相互纏繞，應(yīng)有效解決配氣問題。 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 3.2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、履帶式和車輪式。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。 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。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)。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)。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)。 3.2.1 履帶的結(jié)構(gòu)形式 如下圖所示為三種常見的履帶形狀。圖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 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。圖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。 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c）所示的結(jié)構(gòu)形式。 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 三種常見的履帶形狀 3.2.2 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。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，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。圖 b）為研究課題開發(fā)的機(jī)器人三維造型圖的履帶與履帶輪嚙合部分。 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 履帶與履帶輪的嚙合 3.2.3 履帶吸盤式爬壁機(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、支撐車體、背倉(cāng)及清潔機(jī)構(gòu)組成。真空吸附機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)回路、真空泵和吸盤系統(tǒng)。吸盤系統(tǒng)由16組吸盤及配氣盤裝置組成。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。在機(jī)器人自下往上移動(dòng)清洗過程中，因吸盤與壁面間有相對(duì)滑動(dòng)，所以吸附力并不是越大越好，因?yàn)槲搅^大，機(jī)器人就不能順利上下滑移動(dòng)；但吸附力過小，在吸盤遭遇壁面凹縫氣體過量泄漏時(shí)，機(jī)器人就不能可靠吸附于壁面，壁面適應(yīng)能力變差。此外，在作業(yè)過程中，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小，清洗質(zhì)量就得不到保證；但清洗壓力過大，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。 圖所示是機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)，因而有： G < Σ = = (3-1) 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)吸盤反作用力；為4個(gè)處于工作狀態(tài)吸盤的等效吸附力；為吸盤等效吸附面積；為吸盤內(nèi)負(fù)壓。此外，防止繞下機(jī)器人下支撐點(diǎn)O 傾覆的條件為 / G > / (3-2) 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。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(3-1) 、(3-2) 得到的臨界條件為： Max < (3-3) 可見, 必須穩(wěn)定在式(3-3) 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。 機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)分析 3.3 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。真空吸附較為常用的是吸盤吸附法，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和多吸盤兩種結(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。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。 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。在開發(fā)的爬壁機(jī)器人中共有16組吸盤，吸盤組件通過吸盤固定裝置固定在履帶上，隨履帶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)；真空泵通過供氣回路、配氣盤完成對(duì)吸盤吸附、脫離的控制。 3.3.1 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。機(jī)器人的工作狀況與吸盤的吸力大小有關(guān)，如圖所示為機(jī)器人靜止吸附在壁面時(shí)的受力。 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)） （3-4） 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)。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個(gè)數(shù)，引入安全系數(shù)，則單個(gè)吸盤的吸附力為： （3-5） 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。 3.3.2 吸盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖所示為單個(gè)吸盤的結(jié)構(gòu)圖，它是由鋼球1、手動(dòng)調(diào)速閥2、橡皮圈3、彈簧4、彈簧5、導(dǎo)氣管6組成。 在忽略氣體摩擦和位置時(shí)，由伯努利方程得： 即 (3-6) 　 　 單個(gè)吸盤的結(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)。機(jī)器人工作前，可根據(jù)工作壁面的性質(zhì)和載重量通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥設(shè)定氣流通過導(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。而在縫隙上的吸盤將與大氣相通，因此V值將增大，氣體進(jìn)入吸盤，吸盤即脫離壁面。 （3-7） 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。則： （3-8） 3.3.3 吸盤式爬壁機(jī)器人吸附安全性研究 為了確定吸盤式爬壁機(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。當(dāng)機(jī)器人吸附在玻璃壁面上時(shí)，受力情況如圖，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； 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。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。 (1)避免機(jī)器人從墻面上滑落。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 (3-9) 式中：μ———最小摩擦因數(shù)； N ———兩接觸表面間的正壓力。 (2)避免機(jī)器人從玻璃幕墻上傾翻下來(lái)。在顛覆力矩的作用下，應(yīng)該滿足： > 0 　( i = 1，…，4) (3-10) 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上，由此靜態(tài)下，機(jī)器人在x 、y 方向受力分別滿足： (3-11) (3-12) 所受的平衡力矩為(以O(shè) 點(diǎn)為參照點(diǎn)) ： (3-13) 并假定各個(gè)吸盤的真空度是均衡的，則作用在吸盤上的吸力為： V = = sv (3-14) 式中： s ———每組吸盤總的吸附面積； v ———工作吸盤內(nèi)的真空度。 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) (3-15) 聯(lián)立解式(3-12)，(3-13) ，(3-14) ，得到 ( i = 1，…，4) 表示式： (3-16) 理論上，由式(2-16) 可知，只要滿足 > 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得： (3-17) 根據(jù)式(3-9) 和(3-17) ，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(，) (3-18) 理論上： = 5μV 　 (3-19) f c2 = (3-20) 在進(jìn)行爬壁機(jī)開發(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。（在計(jì)算時(shí)基于安全考慮，玻璃與吸盤間的典型摩擦因數(shù)按最小計(jì)μ = 0. 11 。） 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）。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。考慮到機(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。因此，保證機(jī)器人的安全，要確保： (3-21) 或表示為： (3-22) 式中：G ———機(jī)器人和負(fù)載總的質(zhì)量； 　 ———作用在機(jī)器人吸盤上吸力的總和，= 4V ； 　　　λ = 1/ μ； 　　　 n ———安全系數(shù)。 3.4爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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。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(dòng)小、噪音低、濕田通過性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點(diǎn)。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(jié)模擬齒輪齒條嚙合，相嚙合齒的模數(shù)為2。 表格3-1所示為橡膠履帶基質(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的主要性能，表格3-2為履帶輪材料聚碳酸酯的主要。 表3-1 天然橡膠和順丁橡膠的主要性能 品種 抗拉強(qiáng)度 （MPa） 伸長(zhǎng)率 （%） 使用溫度 （<（）） 天然橡膠 25~35 650~900 120 順丁橡膠 18~25 450~800 120 表3-2 聚碳酸酯的主要性能 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） 1.2 透 66~70 2.2~25 220~230 由表格3-1和表格3-2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。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（如直徑為0.08mm）抗拉強(qiáng)度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能性大，下面對(duì)履帶輪進(jìn)行校核。圖為主動(dòng)輪的三維造型圖。 主動(dòng)輪的三維造型圖 履帶輪驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)功率的關(guān)系： (3-23) 式中各符號(hào)的意義為： P——驅(qū)動(dòng)輪傳遞給履帶的功率，單位為W； ——主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)履帶的扭矩，單位為； ——為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，單位rad/s； ——安全系數(shù)，是為了保證有一定的功率裕量和功率損耗，一般取2~3； ——機(jī)器人的總質(zhì)量，單位為； ——重力加速度，單位為； ——機(jī)器人在壁面上運(yùn)行的速度，單位。 設(shè)在主動(dòng)輪工作中一個(gè)齒上的剪力為，則有： (3-24) 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。 對(duì)主動(dòng)輪中心取矩，由平衡方程，可得： (3-25) 式中，——主動(dòng)輪工作中一個(gè)齒上的剪力為； ——主動(dòng)輪的直徑，單位為mm； ——同時(shí)處于工作狀態(tài)的齒輪數(shù)； 對(duì)于主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)有： (3-26) 式中，r——主動(dòng)輪的半徑，單位m； 聯(lián)立式3-23，3-24，3-25，3-26可以得到，主動(dòng)輪輪齒底部受到的切應(yīng)力： (3-27) 式中，安全系數(shù)k取2.5，機(jī)器人的總重量m為45Kg，重力加速度g取9.8，機(jī)器人工作時(shí)同時(shí)處于工作狀態(tài)的輪齒數(shù)取2.3，主動(dòng)輪輪齒底部寬l為30mm，主動(dòng)輪輪齒底部長(zhǎng)度b為4.86mm，將以上數(shù)據(jù)代入式（3-27），可以得到： (3-28) 對(duì)于主動(dòng)輪的聚碳酸酯材料可以由其抗拉強(qiáng)度參考其抗切應(yīng)力的強(qiáng)度，故有： (3-29) 由式3-29可知，爬壁機(jī)器人的主動(dòng)輪強(qiáng)度滿足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，能夠保證機(jī)器人安全可靠地完成工作任務(wù)。3.5爬壁機(jī)器人車體的設(shè)計(jì) 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。機(jī)器人的動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)、背倉(cāng)等都是裝在車體內(nèi)部的，因此車體應(yīng)當(dāng)做成上下車體組裝的形式；為了擴(kuò)大零部件安裝的空間車體設(shè)計(jì)成上下分層的結(jié)構(gòu)。 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。 爬壁機(jī)器人車體長(zhǎng)為900mm，寬為400mm，硬質(zhì)合金鑄件壁厚8mm，為提高車體強(qiáng)度，上下車體的內(nèi)側(cè)均有加強(qiáng)肋板。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。上車體上面凸出室分為兩個(gè)空間分別放置控制系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，上車體前端預(yù)留有兩個(gè)孔一個(gè)用于為汽油機(jī)加油，一個(gè)用于啟動(dòng)汽油機(jī)。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。 在機(jī)器人工作的過程中，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)。因此，車體連接螺栓受到較大的剪。 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。聯(lián)結(jié)損壞可能的形式有：螺栓被剪斷，孔壁被壓潰等。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。在此，僅進(jìn)行螺栓受剪強(qiáng)度的校核。 設(shè)螺栓所受的剪力為（聯(lián)結(jié)受橫向力，），如圖所示為上下車體聯(lián)結(jié)受剪螺栓受力圖，則螺栓受到的切應(yīng)力為： （3-30） 式中，——螺栓受到的切應(yīng)力； ——螺栓抗剪面直徑； ——螺栓抗剪面數(shù)目； ——螺栓所受的剪力為； 上下車體聯(lián)結(jié)受剪螺栓受力圖 在爬壁機(jī)器人工作時(shí)，因?yàn)槠鋭蛩僖苿?dòng)，故可認(rèn)為螺栓受到靜載荷，螺栓的許用切應(yīng)力為： (3-31) 式中，[]——螺栓的許用切應(yīng)力； ——螺栓的屈服強(qiáng)度； ——安全系數(shù)，取2.5； 選擇螺栓的材料為35鋼，螺栓的性能等級(jí)為5.6級(jí)則，螺栓的拉伸強(qiáng)度為： (3-32) 螺栓的屈服強(qiáng)度為： (3-33) 可得螺栓的許用切應(yīng)力為： (3-34) 估算可得爬墻機(jī)器人工作時(shí)需有12枚螺栓承受的的質(zhì)量為m=11Kg，故有每枚螺栓所承受的切力為： (3-35) 螺栓抗剪面的直徑為16mm，螺栓抗剪面數(shù)目為1，代入公式（3-30）可得，螺栓受到的切應(yīng)力為： (3-36) 由式（3-36）可知車體連接螺栓滿足剪切強(qiáng)度要求，能夠保證爬壁機(jī)器人安全地工作。 4、控制系統(tǒng)部件設(shè)計(jì) 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人采用地面遙控的操作方式，這就要求控制系統(tǒng)包括兩部分，即遙控控制系統(tǒng)和動(dòng)作控制系統(tǒng)。遙控控制系統(tǒng)包括地面遙控器和安裝于機(jī)器人上的信號(hào)接收器，它的作用分別是用于地面操作人員對(duì)機(jī)器人的操控和接收操控信號(hào)并將相應(yīng)的命令轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)傳給動(dòng)作控制系統(tǒng)。動(dòng)作控制系統(tǒng)由PLC，控制線路及其控制的執(zhí)行部件如電磁換向閥等組成，用以按照遙控控制系統(tǒng)傳給的控制信號(hào)完成相應(yīng)的動(dòng)作。 5.總結(jié) 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人融合了真空吸盤吸附方式和履帶式行走方式的優(yōu)點(diǎn)，在越障、壁面適應(yīng)性等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)具有較多不完善之處，但也各有其較為突出的優(yōu)點(diǎn)，如能將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜诤蟽r(jià)值改革突破必將大大推動(dòng)爬壁機(jī)器人的發(fā)展。本文對(duì)履帶吸盤式爬壁機(jī)人的研究與開發(fā)正是本著這樣的宗旨，因此本結(jié)構(gòu)原理的研究與探討嘗試對(duì)啟發(fā)引導(dǎo)相關(guān)設(shè)計(jì)人員注重將現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理相互融合并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行推陳出新具有重要的作用。 同時(shí)，履帶吸盤式的結(jié)構(gòu)原理也有缺點(diǎn)，例如轉(zhuǎn)向能力差、吸盤吸附性能不夠穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。因此，為了進(jìn)一步滿足市場(chǎng)對(duì)爬壁機(jī)器人的要求，應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)有理論做進(jìn)行更加深入地研究，完善現(xiàn)有設(shè)計(jì)。如果將履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理加以完善克服現(xiàn)有的一些缺點(diǎn)與不足，該結(jié)構(gòu)原理必將在爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)上得到廣泛的應(yīng)用。 6、參考文獻(xiàn) [1]孟憲超，王祖溫，包鋼，S K TSO，邵浩. 一種多吸盤爬壁機(jī)器人原型的研制. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2003年8月。 [2] 仝建剛，馬培蓀，陳俊梅. 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人壁面適應(yīng)能力的研究.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999年7月。 [3] 何雪明，丁毅，朱明波. 真空吸附式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì). 西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997年12月。 [4] 張俊強(qiáng)，張華，萬(wàn)偉民. 履帶式爬壁機(jī)器人磁吸附單元的磁場(chǎng)及運(yùn)動(dòng)分析. 機(jī)器人， 2006年3月。 [5] 于今，閆軍濤，饒冀. 一種新型多吸盤壁面清洗機(jī)器人模型研究. 液壓與氣動(dòng)，2007年。 [6]肖 立，佟仕忠，丁啟敏，吳俊生. 爬壁機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展. 機(jī)器人，2004年11月。