履式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)【履帶式 真空吸附壁面清洗機(jī)器人】

喜歡這套資料就充值下載吧。資源目錄里展示的都可在線預(yù)覽哦。下載后都有，請(qǐng)放心下載，文件全都包含在內(nèi)，圖紙為CAD格式可編輯，有疑問(wèn)咨詢QQ:414951605 或 1304139763p 履帶吸盤(pán)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(pán)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(kāi)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(pán)式爬壁機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)方式，雙履帶和車(chē)體構(gòu)成機(jī)器人的基本框架；真空吸盤(pán)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(pán)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(kāi)始進(jìn)入實(shí)用試驗(yàn)階段。到1992 年底，國(guó)外已有不同類(lèi)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(guò)運(yùn)載小車(chē)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(chē)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(kāi)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(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，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。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(chē)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(chē)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(chē)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(pán)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(guò)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(wèn)題。 2.2.1車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輪式的行走方式使維持一定的吸附力較困難，車(chē)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(chē)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(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。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(pán)單鏈爬壁機(jī)器人Cleanbot – IV 由安裝在鏈條上的13組吸盤(pán)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(pán)相配合的結(jié)構(gòu)可以可靠解決轉(zhuǎn)向的問(wèn)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(pán)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(pán)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(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。 2.3履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理 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)稱結(jié)構(gòu)。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。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(guò)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(pán)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(pán)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(guò)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(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。 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(chē)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(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。 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(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)。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(pán)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(jiàn)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(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(jiàn)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(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。 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(kāi)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(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。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)。吸盤(pán)系統(tǒng)由16組吸盤(pán)及配氣盤(pán)裝置組成。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。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。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。 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(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。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(jiàn), 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(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。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(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。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。 3.3.1 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。機(jī)器人的工作狀況與吸盤(pán)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(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)。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： （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(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖所示為單個(gè)吸盤(pán)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(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)。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。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。 （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(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。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(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； 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。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(pán)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(pán)的真空度是均衡的，則作用在吸盤(pán)上的吸力為： V = = sv (3-14) 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。 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) (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(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。（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 。） 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?？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。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(pán)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(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。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(guò)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(guò)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(chē)體的設(shè)計(jì) 爬墻機(jī)器人的車(chē)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(chē)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(chē)體內(nèi)部的，因此車(chē)體應(yīng)當(dāng)做成上下車(chē)體組裝的形式；為了擴(kuò)大零部件安裝的空間車(chē)體設(shè)計(jì)成上下分層的結(jié)構(gòu)。 上下車(chē)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(chē)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(chē)體長(zhǎng)為900mm，寬為400mm，硬質(zhì)合金鑄件壁厚8mm，為提高車(chē)體強(qiáng)度，上下車(chē)體的內(nèi)側(cè)均有加強(qiáng)肋板。上下車(chē)體連接螺栓使用M16，共12個(gè)螺栓，均布在上下車(chē)體連接凸出面上。上車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)體上。 在機(jī)器人工作的過(guò)程中，上下車(chē)體連接螺栓承載上車(chē)體的重量以使上車(chē)體緊緊貼在下車(chē)體上并隨下車(chē)體一同沿壁面移動(dòng)。因此，車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(pán)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(pán)式爬壁機(jī)器人融合了真空吸盤(pán)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(pán)式爬壁機(jī)人的研究與開(kāi)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(pán)式的結(jié)構(gòu)原理也有缺點(diǎn)，例如轉(zhuǎn)向能力差、吸盤(pán)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(pán)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(kāi)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(pán)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(pán)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。