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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(hù)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(chēng)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(mǎn)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(chēng)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)足 > 0 ,則條件(2) 滿(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(chēng)
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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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)。現(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(mǎn)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)
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目錄
單位代碼：
學(xué) 號(hào)：
分類(lèi)號(hào)：
密 級(jí)：
學(xué)士學(xué)位論文
論文題目：履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的
研究與開(kāi)發(fā)
姓 名
學(xué) 院
專(zhuān) 業(yè)
年 級(jí)
指導(dǎo)教師
目錄
摘要 I
Abstract III
第1章 緒論 1
1.1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開(kāi)發(fā)的價(jià)值 1
1.2 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀及趨勢(shì) 2
1.2.1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究的現(xiàn)狀 2
1.2.2 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究的發(fā)展趨勢(shì) 3
1.3 幾種爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理分析與對(duì)比 4
1.3.1 車(chē)輪式磁吸附爬壁機(jī)器人 5
1.3.2 多吸盤(pán)單鏈爬壁機(jī)器人Cleanbot – IV 5
1.3.3 履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人 6
1.4 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色與價(jià)值 7
1.4.1 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色 7
1.4.2 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 8
1.5本章小結(jié) 9
第2章 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案研究 11
2.1 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的功能要求 11
2.1.1 爬壁機(jī)器人的工作過(guò)程 11
2.1.2 爬壁機(jī)器人的基本功能 11
2.1.3 爬壁機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)參數(shù) 12
2.2 爬壁機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 13
2.2.1 履帶的結(jié)構(gòu)形式 13
2.2.2 履帶與履帶輪的聯(lián)結(jié) 14
2.2.3 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人壁面適應(yīng)能力分析 15
2.3 爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 17
2.3.1 吸盤(pán)式吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 17
2.3.2 吸盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
2.3.3 吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人吸附安全性研究 19
2.4 機(jī)器人氣動(dòng)回路方案設(shè)計(jì) 22
2.4.1 配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
2.4.2 吸盤(pán)氣動(dòng)回路設(shè)計(jì) 24
2.5 本章小結(jié) 25
第3章 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與論證 27
3.1 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證 27
3.1.1 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 27
3.1.2 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的論證 29
3.2 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證 30
3.2.1 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 31
3.2.2 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的論證 31
3.3 爬壁機(jī)器人車(chē)體的設(shè)計(jì)與論證 33
3.3.1 爬壁機(jī)器人車(chē)體的設(shè)計(jì) 34
3.3.2 爬壁機(jī)器人車(chē)體的論證 34
3.4 本章小結(jié) 36
第4章 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人附屬部件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì) 37
4.1 背倉(cāng)部件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì) 37
4.2 清潔壁面部件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì) 37
4.3 傳遞消防水管部件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì) 38
4.4 控制系統(tǒng)部件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì) 39
4.5 本章小結(jié) 39
第5章 結(jié)論與展望 41
參考文獻(xiàn) 43
注釋 45
iii
摘要
摘要
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；因此本課題的研究具有較高的科研價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
關(guān)鍵詞 爬壁機(jī)器人；履帶；吸盤(pán)；結(jié)構(gòu)原理
I
Abstract
Abstract
With the development of technology, industrial robots have been used in various fields. Among these, wall-climbing robot with its outstanding advantages in areas of nuclear industry, construction and firefighting has being gotten more and more attention.
On the base of summarizing the research on wall-climbing robots domestic and overseas, this paper evaluates structure theory of some existing wall-climbing robots, studies the structure theory of tracked sucker wall-climbing robot and checks some key components as well.
The track moving mode is chosen in the tracked sucker wall-climbing robots, which are study in this subject, this component build up the basis frame of this kind of robots. Vacuum sucker, with perfect distribution system, can offer enough adsorption force to keep the robot working on vertical wall. Under the remote control of operator on the ground, wall-climbing robot can complete the tasks just like cleaning glass and transferring rescue goods on particular wall.
Tracked sucker-type structure is the optimization and combination of existing wall- -climbing robot structure types, it also overcomes some shortages of them. This structure type improves the practical performance of wall-climbing robots, therefore, the research subject has high scientific value and economic value.
Keyword wall-climbing robot ; track ; sucker ; structure theory
15
第1章 緒論
第1章 緒論
本章中將分析與闡述四個(gè)方面的內(nèi)容，即爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開(kāi)發(fā)的價(jià)值、國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人科研的現(xiàn)狀、幾種爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的分析與評(píng)價(jià)、履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色。
1.1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開(kāi)發(fā)的價(jià)值
在引言中提到的爬壁機(jī)器人（又稱(chēng)“爬墻機(jī)”）在清潔高層建筑壁面上的應(yīng)用，可以看出隨著控制和機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，這種可以替代手工勞作的壁面清洗機(jī)器人的出現(xiàn)將人從繁重、危險(xiǎn)的高樓清洗工作中解放出來(lái)，降低高層建筑的清洗成本，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。但這僅僅是爬壁機(jī)器人的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，近幾年來(lái)，隨著各式各樣的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，爬壁機(jī)器人作為能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，以其能夠成為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置的優(yōu)良特性，越來(lái)越受到人們的重視。概括起來(lái)，爬壁機(jī)器人主要可以應(yīng)用于以下：
(1) 在建筑行業(yè)可應(yīng)用于噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面探傷、壁面修復(fù)整容、壁面清洗、擦拭玻璃壁面等；
(2) 在消防部門(mén)可應(yīng)用于攜帶消防器械、傳遞救援物資、進(jìn)行高空救援工作；
(3) 在核工業(yè)可用于對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺(jué)檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等危險(xiǎn)的工作；
(4) 在石化企業(yè)可用于對(duì)立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐；
(5) 在造船業(yè)可用于噴涂船體的內(nèi)外壁、對(duì)船體的內(nèi)外壁進(jìn)行檢查、船體內(nèi)外壁清潔等；
(6) 在搶險(xiǎn)救災(zāi)上可應(yīng)用于向高空被困人員運(yùn)送逃生器械、傳遞食物水給養(yǎng)等；
(7) 在航空航天上，可用于太空探索、空間衛(wèi)星維修等。
由此可見(jiàn)，爬壁機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛涉及民生、核工業(yè)、造船工業(yè)等，并在這些領(lǐng)域中擔(dān)任著十分重要的工作，能夠促進(jìn)生產(chǎn)力的提高、改善人民的生活與工作條件。爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開(kāi)發(fā)能夠?yàn)楸诿鏅C(jī)器人的生產(chǎn)制造和升級(jí)進(jìn)步起到指導(dǎo)與促進(jìn)的作用；另外，爬壁機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究科研成果可以直接應(yīng)用于或帶動(dòng)相關(guān)鏈條產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，從整體上促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展，提高人民的生活質(zhì)量。
總之，積極研究與發(fā)展爬壁機(jī)器人技術(shù)，努力開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)制造可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力的爬壁機(jī)器人是生產(chǎn)力發(fā)展的需要，是人民生活質(zhì)量和工作條件改善與提高的需要，也是我國(guó)科技興國(guó)、技術(shù)進(jìn)步的需要。該項(xiàng)技術(shù)的科研與創(chuàng)新必將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。
1.2 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀及趨勢(shì)
1.2.1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究的現(xiàn)狀
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(hù)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。
除爬壁機(jī)器人的兩項(xiàng)基本功能的實(shí)現(xiàn)外，當(dāng)今相關(guān)科研人員也在研究諸如驅(qū)動(dòng)方式、能源動(dòng)力、機(jī)器人結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)等方面的課題，這些技術(shù)也是機(jī)器人能夠正常運(yùn)行所必須研究與優(yōu)化的。由于爬壁機(jī)器人的工作受到重力吸引、工作環(huán)境惡劣、相關(guān)技術(shù)滯后等條件的制約，因此爬壁機(jī)器人技術(shù)雖有了一些成果但仍需要進(jìn)一步的努力研究與發(fā)展。
1.2.2 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究的發(fā)展趨勢(shì)
傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人有很多的不足之處，例如對(duì)壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)、跨越障礙物的能力弱、體積大、質(zhì)量重等，因此未來(lái)爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí)用化的方向發(fā)展，在以下三個(gè)方面做到進(jìn)一步完善或有所突破。
首先，新的吸附方式與吸附裝置的產(chǎn)生與應(yīng)用。最近幾年，美、英、俄等國(guó)的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個(gè)秘密就是分子間的作用力——范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時(shí)產(chǎn)生的一種微弱電磁引力?？茖W(xué)家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬(wàn)根次納米級(jí)的細(xì)毛，每根細(xì)毛直徑約為200至500納米，約是人類(lèi)毛發(fā)的直徑的十分之一。如果壁虎腳上650萬(wàn)根細(xì)毛全部附著在物體表面上時(shí)，可吸附住質(zhì)量為13千克的物體。
利用壁虎吸附壁面的原理，由美國(guó)斯坦福大學(xué)教授馬克·庫(kù)特科斯基帶領(lǐng)的研究小組開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為“粘蟲(chóng)”( Stickybot )的“壁虎機(jī)器人”，這種機(jī)器人的足底長(zhǎng)著人造毛(由人造橡膠制成)。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大，進(jìn)而使范德瓦爾斯粘性達(dá)到最大化。這種突破很好地解決了吸附力不足及機(jī)器人對(duì)壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)的問(wèn)題。
為了探索新的吸附方式與吸附裝置，相關(guān)研究可以綜合運(yùn)用仿生學(xué)、類(lèi)比、模擬和模型方法，通過(guò)高分子材料化學(xué)、工程材料科學(xué)、力學(xué)和機(jī)械學(xué)的交叉研究，以產(chǎn)生出更多更好的吸附壁面的方式，打破制約機(jī)器人吸附壁面的種種瓶頸。
其次，移動(dòng)方式得到改善與優(yōu)化。在移動(dòng)機(jī)器人中廣泛應(yīng)用的是輪式和履帶式移動(dòng)方式，但是足式移動(dòng)方式具有輪式和履帶式所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動(dòng)方式的機(jī)器人可以相對(duì)容易地跨過(guò)比較大的障礙例如瓷磚間隙、壁面小突起等；并且機(jī)器人的足具有大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，因此可以在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過(guò)嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。
第三，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力部分朝著原理更新、可靠性更高、機(jī)電一體化、超微化、新結(jié)構(gòu)等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的爬壁機(jī)器人因?yàn)樗欧姍C(jī)功率重量比低，為平衡重量應(yīng)放置在離驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較遠(yuǎn)的位置，但這種布置會(huì)使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。普通的蓄電池重量大、儲(chǔ)能少不能滿(mǎn)足爬壁機(jī)器人對(duì)能源的需求。這些問(wèn)題都需要驅(qū)動(dòng)和能源相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，需要將先進(jìn)的、最新的科研成果應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)。
1.3 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。
1.3.1 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
圖1-1 車(chē)輪式磁吸附爬壁機(jī)器人（圖片來(lái)自文獻(xiàn)[1]）
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。
1.3.2 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)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)接頭供氣方式能夠給每一個(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。
圖1-2多吸盤(pán)單鏈爬壁機(jī)器人Cleanbot – IV
（圖片來(lái)自文獻(xiàn)[2]）
1.3.3 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。
圖1-3 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。
1.4 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色與價(jià)值
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(chēng)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)功能。
履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)的外形簡(jiǎn)圖如圖1-4所示，上面為俯視圖，下面為左視圖。
圖1-4 履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人外形圖
1.4.1 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)。整體上講，履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理具有以下特色：
（1）吸盤(pán)在履帶上的離散分布特點(diǎn)和履帶自身的柔性使得爬壁機(jī)能夠相對(duì)容易的逾越障礙物，如玻璃縫隙、墻面小突起等。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。
（2）吸盤(pán)真空式吸附方式適用于非導(dǎo)磁壁面，克服了磁吸附原理對(duì)壁面性質(zhì)要求較高的缺點(diǎn)，擴(kuò)大了機(jī)器人的工作范圍。
（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。
（4）模擬齒輪齒條嚙合的履帶輪與履帶的聯(lián)結(jié)方式使機(jī)器人能夠平穩(wěn)快速地在壁面上移動(dòng)；主動(dòng)輪置中，從動(dòng)輪對(duì)稱(chēng)布置的方式使履帶受力最大處避開(kāi)了履帶彎曲處，減少了對(duì)履帶的損害，提高了履帶的使用壽命。
1.4.2 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)。本文所研究的履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理有效地將真空吸附和履帶移動(dòng)相融合，探索實(shí)驗(yàn)一種新的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理，該項(xiàng)研究的價(jià)值有：
（1）在已有研究成果的基礎(chǔ)上將真空吸附和履帶移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)相疊加，利用這一研究開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的爬壁機(jī)器人，對(duì)爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理做了有益的創(chuàng)新與探索。
（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)。
（3）配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)為解決旋轉(zhuǎn)裝置供氣、供水、供油等問(wèn)題提供了設(shè)計(jì)思路和參考模型。
（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。
1.5本章小結(jié)
本章介紹了爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開(kāi)發(fā)的價(jià)值，指出爬壁機(jī)器人在建筑業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域的重要作用，以及研究更加可靠實(shí)用的爬壁機(jī)器人社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。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)。對(duì)三種與履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人相關(guān)的已有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，分析了車(chē)輪式磁吸附、多吸盤(pán)吸附、履帶式磁吸附吸附方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為下文履帶吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開(kāi)發(fā)做好積累。
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)。履帶吸盤(pán)式的結(jié)構(gòu)原理提高了爬壁機(jī)器人對(duì)不同壁面的適應(yīng)能力，提高了機(jī)器人工作可靠性，必將帶來(lái)很高的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。
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
2.1 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。為了更好地進(jìn)行對(duì)此機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開(kāi)發(fā)，首先應(yīng)當(dāng)了解本課題研究機(jī)器人的基本功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)。
2.1.1 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。將消防或救援器械、物品放入爬壁機(jī)器人的背倉(cāng)或裝夾在相應(yīng)接口上隨爬壁機(jī)器人移動(dòng)，可完成傳遞救援物質(zhì)的工作。
2.1.2 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)。
（2） 轉(zhuǎn)向功能
清潔過(guò)程中，爬壁機(jī)器人需要按照一定的路徑在壁面行走，對(duì)整個(gè)壁面完成清潔工作，就要求爬壁機(jī)器人能夠自由的轉(zhuǎn)向，從而提高清潔效率。
（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。
（4） 完成工作任務(wù)能力
爬壁機(jī)器人在壁面上移動(dòng)的同時(shí)要完成相應(yīng)的功能，這就要求功能組件能夠在爬壁機(jī)器人上正確穩(wěn)定地定位，可以發(fā)揮其功能。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)。
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)。
2.1.3 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(mǎn)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。
2.2 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)。
2.2.1 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2-1 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2-1 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2-1 c）中驅(qū)動(dòng)輪（主動(dòng)輪）置中，導(dǎo)向輪（從動(dòng)輪）對(duì)稱(chēng)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2-1 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
圖2-1 三種常見(jiàn)的履帶形狀（圖片a、b來(lái)自文獻(xiàn)[11]）
2.2.2 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2-2 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2-2 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
圖2-2 履帶與履帶輪的嚙合
2.2.3 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2-3所示是機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)，因而有：
G < Σ
= = (2-1)
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 > / (2-2)
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(2-1) 、(2-2) 得到的臨界條件為：
Max < (2-3)
可見(jiàn), 必須穩(wěn)定在式(2-3) 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。
圖2-3 機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)分析
2.3 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。
2.3.1 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2-4 所示為機(jī)器人靜止吸附在壁面時(shí)的受力。
圖2-4 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)）
（2-4）
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：
（2-5）
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。
2.3.2 吸盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖2-5 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 (2-6)
圖2-5 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。
（2-7）
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：
（2-8）
2.3.3 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2-6，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；
圖2-6 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 (2-9)
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(mǎn)足：
> 0 ( i = 1，…，4) (2-10)
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(mǎn)足：
(2-11)
(2-12)
所受的平衡力矩為(以O(shè) 點(diǎn)為參照點(diǎn)) ：
(2-13)
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 (2-14)
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) (2-15)
聯(lián)立解式(2-12)，(2-13) ，(2-14) ，得到 ( i = 1，…，4) 表示式：
(2-16)
理論上，由式(2-16) 可知，只要滿(mǎn)足 > 0 ,則條件(2) 滿(mǎn)足條件，求得：
(2-17)
根據(jù)式(2-9) 和(2-17) ，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(mǎn)足:
G < min(，) (2-18)
理論上：
= 5μV (2-19)
f c2 = (2-20)
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(mǎn)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：
(2-21)
或表示為：
(2-22)
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)。
2.4 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。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)。本文中配氣系統(tǒng)主要研究配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、吸盤(pán)氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。
2.4.1 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。
圖2-7為履帶與配氣盤(pán)的聯(lián)結(jié)示意圖，履帶的突起部恰好裝配于配氣盤(pán)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(pán)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。
圖2-7 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2-8（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2-8（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。
a）配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)與履帶聯(lián)結(jié)的三維造型圖 b) 配氣盤(pán)組件的三維造型圖
圖2-8 配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)
2.4.2 吸盤(pán)氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)
氣動(dòng)回路是指由真空泵到配氣盤(pán)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。如圖2-9所示為由真空發(fā)生器組件組成的吸附與快速放開(kāi)。該回路由真空發(fā)生器1、真空供給閥2、真空破壞閥3、節(jié)流閥4、真空開(kāi)關(guān)5、真空過(guò)濾器6、配氣接口7組成的真空控制回路。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。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。
圖2-9 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。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(pán)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。
2.5 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。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。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。吸附機(jī)構(gòu)采用吸盤(pán)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。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。
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(pán)的結(jié)構(gòu)以及采用配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。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。
第3 章 履帶吸盤(pán)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(pán)式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與論證
在履帶吸盤(pán)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。
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(mǎn)足一些參數(shù)與技術(shù)條件。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。
3.1 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(pán)、配氣盤(pán)組件、氣動(dòng)回路等構(gòu)成。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)器人工作過(guò)程中，總有4組吸盤(pán)處于工作狀態(tài)，16組吸盤(pán)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)。
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。
3.1.1 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
吸盤(pán)是履帶吸盤(pán)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3-1(a) 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。圖3-1(b)為單個(gè)吸盤(pán)組件的三維造型圖。
整個(gè)吸盤(pán)組件高100mm，裝配在履帶上后伸出履帶外尺寸為60mm，裝吸盤(pán)組
件處履帶厚8mm，故凹于履帶內(nèi)的吸盤(pán)組件長(zhǎng)度為32mm，不會(huì)與履帶輪發(fā)生干涉。
a) 吸盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 b) 吸盤(pán)三維造型圖
圖3-1 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。為了減輕整個(gè)機(jī)器人的總質(zhì)量，在滿(mǎn)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。
圖3-2 吸盤(pán)固定于履帶上的裝配圖
圖3-2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=208.9mm，吸盤(pán)組件中心與爬壁機(jī)器人重心的距離為d=320mm。
3.1.2 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的論證
根據(jù)2.3.3關(guān)于吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人吸附安全性研究，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(pán)由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機(jī)器人的。
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 (3-1)
式中：μ———最小摩擦因數(shù)；
N ———兩接觸表面間的正壓力。
壁面機(jī)器人傾翻從理論上，由式(3-1) 可知，只要滿(mǎn)足 > 0 ,則條件(2) 滿(mǎn)足條件，求得：
(3-2)
根據(jù)式(3-1) 和(3-2) ，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(mǎn)足:
G < min(，) (3-3)
理論上：
= 5μV (3-4)
= (3-5)
根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，p=208.9mm，d=320mm，根據(jù)圖3-3的吸力與最大負(fù)載，當(dāng)負(fù)載為大約500N時(shí)應(yīng)取真空度V=，最小摩擦因數(shù)取0.11，由此可以得到：
(3-6)
(3-7)
圖3-3 吸力與最大負(fù)載曲線圖（圖片來(lái)自文獻(xiàn)[1]）
(3-8)
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。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?？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：
(3-9)
取安全系數(shù)為2.5，根據(jù)爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，總重量M=45kg，故：
(3-10)
G< (3-11)
由式（3-11）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。
綜合以上論證，爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的，是能夠支持爬壁機(jī)器人正常工作的。
3.2 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證
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。本課題主要研究機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理，故重點(diǎn)進(jìn)行前三部分的設(shè)計(jì)與論證。
3.2.1 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
吸盤(pán)組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維造型在3.1中已有論述，在此不贅述。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。
3.2.2 爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的論證
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（表格