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履帶吸盤式爬壁機器人設(shè)計
1、概述
隨著科技的進步，工業(yè)機器人在各個領(lǐng)域得到了廣泛地運用。其中，爬壁機器人以其在核工業(yè)、建筑、消防等行業(yè)的突出優(yōu)點越來越受到人們的關(guān)注。本文在詳述國內(nèi)外爬壁機器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對各種現(xiàn)有爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理進行了分析、對比與評價，對履帶吸盤式爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理進行了深入地研究與開發(fā)，并對一些關(guān)鍵部分進行了設(shè)計計算。本課題研究的履帶吸盤式爬壁機器人采用履帶式移動方式，雙履帶和車體構(gòu)成機器人的基本框架；真空吸盤式吸附方式加以完善的配氣系統(tǒng)，可為機器人提供足夠的吸附力。在地面操作人員的遙控下，爬壁機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)有爬壁機器人結(jié)構(gòu)樣式的優(yōu)化組合，它克服了現(xiàn)有爬壁機器人結(jié)構(gòu)上的缺點與不足，提高了爬壁機器人的實用性能。
2、結(jié)構(gòu)原理及組成
2、1爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究
較為高端的爬壁機器人是集機構(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，因此爬壁機器人技術(shù)的研究是伴隨著各項科技的發(fā)展而發(fā)展的。自80年代以來，爬壁機器人技術(shù)在國內(nèi)外取得了迅速的發(fā)展，有的已開始進入實用試驗階段。到1992 年底，國外已有不同類型的爬壁機器人研制成功，其中以日本發(fā)展最快。國內(nèi)較早發(fā)展該項技術(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機器人，采用真空吸附方式，通過運載小車使機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器人。上海交通大學(xué)亦于1995 年研制了磁吸附爬壁機器人用于油罐。
爬壁機器人必須具有兩個基本功能：吸附功能和移動功能，而為了實現(xiàn)爬壁機器人的特定功能只需在機器人本體上耦合或車載相應(yīng)的功能執(zhí)行部件即可，因此國內(nèi)外爬壁機器人技術(shù)的研究與探討大致是圍繞如何實現(xiàn)它的兩個基本功能展開的。
根據(jù)較為公認的爬壁機器人技術(shù)劃分方法壁面吸附功能的實現(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，利用大氣壓力使機器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機器人，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式。當壁面比較粗糙時，真空吸附方式的機器人容易產(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，磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強，但磁吸附式機器人僅適用于導(dǎo)磁材料壁面。推力吸附的方式即利用機器人自身產(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。
爬壁機器人移動功能的實現(xiàn)方式主要是足式、車輪式和履帶式。足式機器人能跨越較小的障礙，但移動速度慢；車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難，車輪的直徑會使機器人相對于壁面的扭矩增大，使機器人運行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；履帶式對壁面適應(yīng)性強，著地面積大，機器人運行平穩(wěn)，但其不易轉(zhuǎn)彎。這三種移動方式的跨越障礙能力都很弱。
2．2幾種爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理分析與對比
現(xiàn)在爬壁機器人技術(shù)仍處于研究與試驗階段，國內(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也是與履帶吸盤式爬壁機器人的研究相關(guān)的結(jié)構(gòu)原理科研實例，通過分析這些設(shè)計實例的優(yōu)缺點可以引出在爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理設(shè)計時需要注意與注重的問題。
2.2.1車輪式磁吸附爬壁機器人
日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出的車輪式磁吸附爬壁機器，結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。機器人靠磁性車輪對壁面產(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器人
最大速度可達9m/min，適用各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。但是該機器人有自己的缺點：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，車輪的直徑會使機器人相對于壁面的扭矩增大，使機器人運行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；車輪的行走軌跡是連續(xù)的，這不利于機器人跨越壁面的凹凸不平處，使機器人對壁面的平整質(zhì)量要求提高。
2.2.2多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV
香港城市大學(xué)智能設(shè)計、制造及控制中心(CIDAM) 和內(nèi)地大學(xué)合作設(shè)計的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)向機構(gòu)、吸附機構(gòu)、吸盤組導(dǎo)向和提升裝置以及控制系統(tǒng)組成。行走機構(gòu)模仿坦克履帶結(jié)構(gòu)，采用單履帶模式。吸附機構(gòu)
多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV
由安裝在鏈條上的13組吸盤及真空發(fā)生器等組成。該機器人的特點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；采用彈性機構(gòu)，使該機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吸盤供氣而避免通氣管纏繞。該爬壁機器人的缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其可靠性相應(yīng)降低；單履帶的模式使機器人工作時受到吸附力不均勻，吸盤受到較大扭曲力，從而降低了爬壁機器人的工作壽命。
2.2.3 履帶式磁吸附爬壁機器人
國家教委博士點基金資助項目履帶式磁吸附爬壁機器是將永磁體片離散的裝在爬壁機器人的履帶上，采用雙履帶方式，主動輪安裝在一端，前后雙輪。電動機帶動主動輪轉(zhuǎn)動進而帶動爬壁機在壁面上行進。
該機器人的特點是：在機器人設(shè)計中采取加長履帶、浮動支撐、載荷分散機構(gòu)、柔性履帶等措施，以提高爬壁機器人的壁面適應(yīng)能力， 實現(xiàn)其在壁面的安全爬行。
履帶式磁吸附爬壁機器人
其缺點是，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永磁體上，也就是說履帶在垂直于拉力方向上沒有剛性，這對于爬壁機器人工作的安全性極其有害；主動輪偏置，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氣系統(tǒng)相連接的媒介。主動輪置中，兩側(cè)各有一從動輪，主、從動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器人機體相連以完成相應(yīng)能。
履帶吸盤式爬壁機的外形簡圖如圖所示，上面為俯視圖，下面為左視圖
3、履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)方案
3.1爬壁機器人的主要設(shè)計參數(shù)
本課題研究的爬壁機器人主要應(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)決定爬壁機工作必須穩(wěn)定可靠，工作效率高。
本課題對機器人的設(shè)計要求如下：
根據(jù)玻璃壁面特點和清洗機器人爬行、清洗作業(yè)要求，機器人需要達到如下性能：
①壁面移動速度：11~15 m/ min ；
②越障高度：50 mm；
③本體重量：30 Kg ；
④負載能力：15 Kg ；
⑤作業(yè)高度：0～100 m；
⑥作業(yè)功能：可進行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)要求的機器人存在的主要技術(shù)難點如下:
①吸附和密封技術(shù)：要求吸附機構(gòu)能產(chǎn)生一定的吸附力，確保機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)：爬行機構(gòu)要簡單、高效、小型。使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)直線移動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動轉(zhuǎn)向。保證機器人能夠按照地面操作人員的遙控進行工作。
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)：使機器人可以在地面操作人員的控制下準確工作，機器人自身各部分密切配合；有簡潔、方便的人機界面，便于操作人員控制
3.2爬壁機器人移動機構(gòu)方案設(shè)計
爬壁機器人通常采用的移動方式有足式、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，對吸盤的扭矩較大，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，為了防止機器人從垂直壁面上滑落，機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器人對壁面凹凸不平適應(yīng)性強。具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，運動速度快等優(yōu)點。綜合考慮各方面因素，本課題中爬壁機器人的移動機構(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)動輪與導(dǎo)向輪位置高于地面，鏈條引入時的角度達50度，其好處是適合于穿越障礙。圖c）中驅(qū)動輪（主動輪）置中，導(dǎo)向輪（從動輪）對稱分布，驅(qū)動輪及導(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離履帶彎曲處，減少了對履帶的損害。
由于爬壁機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，考慮到機器人運行的平穩(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（包括主動輪和從動輪）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。為了保證在運動時履帶與履帶輪不會咬死，把履帶上的齒的厚度做的相對薄一點，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)運行可靠平穩(wěn)，傳遞力矩均勻。圖 b）為研究課題開發(fā)的機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 履帶吸盤式爬壁機器人壁面適應(yīng)能力分析
機器人主要由真空吸附、履帶行走、支撐車體、背倉及清潔機構(gòu)組成。真空吸附機構(gòu)包括氣動回路、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。當真空泵運行，處于工作狀態(tài)的4組吸盤平整貼近壁面時，在配氣盤裝置作用下，吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空負壓，機器人吸附于壁面，在保證機器人自身能夠牢固吸附于壁面的同時還足以維持清洗刷高速旋轉(zhuǎn)時對壁面的抽打力。在機器人自下往上移動清洗過程中，因吸盤與壁面間有相對滑動，所以吸附力并不是越大越好，因為吸附力過大，機器人就不能順利上下滑移動；但吸附力過小，在吸盤遭遇壁面凹縫氣體過量泄漏時，機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，壁面對機器人反作用力也大，吸附力就需要增加，否則機器人容易脫離壁面。
圖所示是機器人工作時的靜力學(xué)，因而有：
G < Σ
= = (3-1)
Σ = μ
式中：G 為機器人總重量，該重量包括機器人自身的重量、清潔組件質(zhì)量、背倉傳遞物質(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4工作狀態(tài)吸盤反作用力；為4個處于工作狀態(tài)吸盤的等效吸附力；為吸盤等效吸附面積；為吸盤內(nèi)負壓。此外，防止繞下機器人下支撐點O 傾覆的條件為
/ G > / (3-2)
式中： 是機器人重心到壁面的距離； 是 作用點到點O 的距離。為保證機器人能在驅(qū)動力的作用下在壁面穩(wěn)定移動，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),實際值由機器人移動速度確定，當機器人的移動速度為一變化值時，則實際值由機器人當前移動速度確定。
機器人工作時的靜力學(xué)分析
3.3 爬壁機器人吸附機構(gòu)方案設(shè)計
爬壁機器人實現(xiàn)對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，利用大氣壓力使機器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機器人上，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式。當壁面比較粗糙時，真空吸附方式的機器人容易產(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，磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強，但磁吸附式機器人僅適用于導(dǎo)磁材料壁面。推力吸附的方式即利用機器人自身產(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，隨履帶實現(xiàn)移動；真空泵通過供氣回路、配氣盤完成對吸盤吸附、脫離的控制。
3.3.1 吸盤式吸附機構(gòu)方案設(shè)計
吸盤吸附材料采用軟橡膠。機器人的工作狀況與吸盤的吸力大小有關(guān)，如圖所示為機器人靜止吸附在壁面時的受力。
機器人靜止吸附在壁面時的受力情況
機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)，為單個吸盤的吸力，G 為機器人自重與其附件重量之和，n 為吸盤的個數(shù)。由于機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壁面的有效壓力，同時，考慮到由于地面有縫隙而減少真正吸附壁面的吸盤個數(shù)，引入安全系數(shù)，則單個吸盤的吸附力為：
（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 吸盤機構(gòu)設(shè)計
如圖所示為單個吸盤的結(jié)構(gòu)圖，它是由鋼球1、手動調(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，由伯努利方程得：
即 (3-6)
單個吸盤的結(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)和載重量通過手動調(diào)節(jié)閥設(shè)定氣流通過導(dǎo)氣管的速度；在機器人工作時，當導(dǎo)氣管中的氣壓減小，同時有幾個吸盤（正常工作時有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為彈簧屈強系數(shù)，為壓縮位移。則：
（3-8）
3.3.3 吸盤式爬壁機器人吸附安全性研究
為了確定吸盤式爬壁機器人的負載能力和安全性能，必須對機器人所受的力進行分析。當機器人吸附在玻璃壁面上時，受力情況如圖，各符號意義如下:
———墻壁對第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 ———機器人的等效重心到玻璃壁面的距離；
爬壁機器人受力示意圖
機器人在工作時，當其在玻璃壁面上移動時有兩種危險的情況可能發(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，引起機器人的傾翻。設(shè)計中，機器人的吸附機構(gòu)受力應(yīng)避免滑落和傾翻兩種情況發(fā)生，為了簡化分析計算，這里只考慮了靜態(tài)吸附情況。
(1)避免機器人從墻面上滑落。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)避免機器人從玻璃幕墻上傾翻下來。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，認為墻壁對機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) 點為參照點) ：
(3-13)
并假定各個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。
為了方便計算 ，假設(shè)幾個約定條件，設(shè)作用于吸盤上的支撐力 ( i = 1…，5) 形成一對，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) 的條件應(yīng)該滿足:
G < min(，) (3-18)
理論上：
= 5μV (3-19)
f c2 = (3-20)
在進行爬壁機開發(fā)和設(shè)計時，可以根據(jù)具體的尺寸p，d確定，的大小，根據(jù)計算式(10)來計算設(shè)計是否滿足爬壁機不滑落不傾翻的條件。（在計算時基于安全考慮，玻璃與吸盤間的典型摩擦因數(shù)按最小計μ = 0. 11 。）
根據(jù)計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是（1）或（2）。在保證次危險安全的情況下，保證最危險的情況不會發(fā)生，由此才能保證爬壁機器人安全地工作?？紤]到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應(yīng)當另外增加安全系數(shù)，在設(shè)計時,考慮只有下面4 組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。因此，保證機器人的安全，要確保：
(3-21)
或表示為：
(3-22)
式中：G ———機器人和負載總的質(zhì)量；
———作用在機器人吸盤上吸力的總和，= 4V ；
λ = 1/ μ；
n ———安全系數(shù)。
3.4爬壁機器人行走機構(gòu)的設(shè)計
履帶吸盤式爬壁機器人的行走機構(gòu)主要由：吸盤組件、履帶、履帶輪、動力源、傳動系統(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、振動小、噪音低、濕田通過性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點。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
抗拉強度
（MPa）
伸長率
（%）
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
抗拉強度
（MPa）
抗拉彈性模量
（
熔點
（）
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）抗拉強度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現(xiàn)危險的可能性大，下面對履帶輪進行校核。圖為主動輪的三維造型圖。
主動輪的三維造型圖
履帶輪驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動時，根據(jù)功率的關(guān)系：
(3-23)
式中各符號的意義為：
P——驅(qū)動輪傳遞給履帶的功率，單位為W；
——主動輪驅(qū)動履帶的扭矩，單位為；
——為主動輪轉(zhuǎn)動的角速度，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；
——機器人的總質(zhì)量，單位為；
——重力加速度，單位為；
——機器人在壁面上運行的速度，單位。
設(shè)在主動輪工作中一個齒上的剪力為，則有：
(3-24)
式中，A——主動輪齒底部的截面積，單位為；
——主動輪輪齒底部受到的切應(yīng)力，單位為Pa；
——主動輪輪齒底部截面的長度，單位為；
——主動輪輪齒底部截面的寬度，單位為。
對主動輪中心取矩，由平衡方程，可得：
(3-25)
式中，——主動輪工作中一個齒上的剪力為；
——主動輪的直徑，單位為mm；
——同時處于工作狀態(tài)的齒輪數(shù)；
對于主動輪的轉(zhuǎn)動有：
(3-26)
式中，r——主動輪的半徑，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，機器人的總重量m為45Kg，重力加速度g取9.8，機器人工作時同時處于工作狀態(tài)的輪齒數(shù)取2.3，主動輪輪齒底部寬l為30mm，主動輪輪齒底部長度b為4.86mm，將以上數(shù)據(jù)代入式（3-27），可以得到：
(3-28)
對于主動輪的聚碳酸酯材料可以由其抗拉強度參考其抗切應(yīng)力的強度，故有：
(3-29)
由式3-29可知，爬壁機器人的主動輪強度滿足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機器人的行走機構(gòu)滿足強度要求，能夠保證機器人安全可靠地完成工作任務(wù)。3.5爬壁機器人車體的設(shè)計
爬墻機器人的車體是支撐爬壁機器人所有部件的基礎(chǔ)，因此機器人車體的設(shè)計應(yīng)盡量簡潔工作可靠。機器人的動力源、傳動系統(tǒng)、背倉等都是裝在車體內(nèi)部的，因此車體應(yīng)當做成上下車體組裝的形式；為了擴大零部件安裝的空間車體設(shè)計成上下分層的結(jié)構(gòu)。
上下車體之間是用螺栓進行連接的，在機器人工作的過程中車體連接螺栓受到很大的剪切力，因此為保證機器人正常工作應(yīng)當對螺栓的強度進行校核。
爬壁機器人車體長為900mm，寬為400mm，硬質(zhì)合金鑄件壁厚8mm，為提高車體強度，上下車體的內(nèi)側(cè)均有加強肋板。上下車體連接螺栓使用M16，共12個螺栓，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)留有兩個孔一個用于為汽油機加油，一個用于啟動汽油機。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。因此，車體連接螺栓受到較大的剪。
在爬壁機器人工作時，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，在安裝螺栓時采用襯套，因此孔壁被壓潰的可能性相對于螺栓被剪斷低。在此，僅進行螺栓受剪強度的校核。
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
在爬壁機器人工作時，因為其勻速移動，故可認為螺栓受到靜載荷，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，螺栓的性能等級為5.6級則，螺栓的拉伸強度為：
(3-32)
螺栓的屈服強度為：
(3-33)
可得螺栓的許用切應(yīng)力為：
(3-34)
估算可得爬墻機器人工作時需有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度要求，能夠保證爬壁機器人安全地工作。
4、控制系統(tǒng)部件設(shè)計
履帶吸盤式爬壁機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器人上的信號接收器，它的作用分別是用于地面操作人員對機器人的操控和接收操控信號并將相應(yīng)的命令轉(zhuǎn)化為控制信號傳給動作控制系統(tǒng)。動作控制系統(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)傳給的控制信號完成相應(yīng)的動作。
5.總結(jié)
履帶吸盤式爬壁機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，在越障、壁面適應(yīng)性等方面具有突出的優(yōu)點?，F(xiàn)有爬壁機器人結(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，如能將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理的優(yōu)點進行適當?shù)娜诤蟽r值改革突破必將大大推動爬壁機器人的發(fā)展。本文對履帶吸盤式爬壁機人的研究與開發(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啟發(fā)引導(dǎo)相關(guān)設(shè)計人員注重將現(xiàn)有爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理相互融合并在此基礎(chǔ)上對其進行推陳出新具有重要的作用。
同時，履帶吸盤式的結(jié)構(gòu)原理也有缺點，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，為了進一步滿足市場對爬壁機器人的要求，應(yīng)當對現(xiàn)有理論做進行更加深入地研究，完善現(xiàn)有設(shè)計。如果將履帶吸盤式爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理加以完善克服現(xiàn)有的一些缺點與不足，該結(jié)構(gòu)原理必將在爬壁機器人設(shè)計開發(fā)上得到廣泛的應(yīng)用。
6、參考文獻
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[6]肖 立，佟仕忠，丁啟敏，吳俊生. 爬壁機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展. 機器人，2004年11月。
目錄
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論文題目：履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的
研究與開發(fā)
姓 名
學(xué) 院
專 業(yè)
年 級
指導(dǎo)教師
目錄
摘要 I
Abstract III
第1章 緒論 1
1.1 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價值 1
1.2 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的現(xiàn)狀及趨勢 2
1.2.1 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究的現(xiàn)狀 2
1.2.2 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究的發(fā)展趨勢 3
1.3 幾種爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理分析與對比 4
1.3.1 車輪式磁吸附爬壁機器人 5
1.3.2 多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV 5
1.3.3 履帶式磁吸附爬壁機器人 6
1.4 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色與價值 7
1.4.1 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色 7
1.4.2 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究價值 8
1.5本章小結(jié) 9
第2章 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)方案研究 11
2.1 履帶吸盤式爬壁機器人的功能要求 11
2.1.1 爬壁機器人的工作過程 11
2.1.2 爬壁機器人的基本功能 11
2.1.3 爬壁機器人的主要設(shè)計參數(shù) 12
2.2 爬壁機器人移動機構(gòu)方案設(shè)計 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 履帶吸盤式爬壁機器人壁面適應(yīng)能力分析 15
2.3 爬壁機器人吸附機構(gòu)方案設(shè)計 17
2.3.1 吸盤式吸附機構(gòu)方案設(shè)計 17
2.3.2 吸盤機構(gòu)設(shè)計 18
2.3.3 吸盤式爬壁機器人吸附安全性研究 19
2.4 機器人氣動回路方案設(shè)計 22
2.4.1 配氣盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 22
2.4.2 吸盤氣動回路設(shè)計 24
2.5 本章小結(jié) 25
第3章 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與論證 27
3.1 爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計與論證 27
3.1.1 爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計 27
3.1.2 爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的論證 29
3.2 爬壁機器人行走機構(gòu)的設(shè)計與論證 30
3.2.1 爬壁機器人行走機構(gòu)的設(shè)計 31
3.2.2 爬壁機器人行走機構(gòu)的論證 31
3.3 爬壁機器人車體的設(shè)計與論證 33
3.3.1 爬壁機器人車體的設(shè)計 34
3.3.2 爬壁機器人車體的論證 34
3.4 本章小結(jié) 36
第4章 履帶吸盤式爬壁機器人附屬部件開發(fā)與設(shè)計 37
4.1 背倉部件開發(fā)與設(shè)計 37
4.2 清潔壁面部件開發(fā)與設(shè)計 37
4.3 傳遞消防水管部件開發(fā)與設(shè)計 38
4.4 控制系統(tǒng)部件開發(fā)與設(shè)計 39
4.5 本章小結(jié) 39
第5章 結(jié)論與展望 41
參考文獻 43
注釋 45
iii
摘要
摘要
隨著科技的進步，工業(yè)機器人在各個領(lǐng)域得到了廣泛地運用。其中，爬壁機器人以其在核工業(yè)、建筑、消防等行業(yè)的突出優(yōu)點越來越受到人們的關(guān)注。
本文在詳述國內(nèi)外爬壁機器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對各種現(xiàn)有爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理進行了分析、對比與評價，對履帶吸盤式爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理進行了深入地研究與開發(fā)，并對一些關(guān)鍵部分進行了設(shè)計計算。
本課題研究的履帶吸盤式爬壁機器人采用履帶式移動方式，雙履帶和車體構(gòu)成機器人的基本框架；真空吸盤式吸附方式加以完善的配氣系統(tǒng)，可為機器人提供足夠的吸附力。在地面操作人員的遙控下，爬壁機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)有爬壁機器人結(jié)構(gòu)樣式的優(yōu)化組合，它克服了現(xiàn)有爬壁機器人結(jié)構(gòu)上的缺點與不足，提高了爬壁機器人的實用性能；因此本課題的研究具有較高的科研價值和經(jīng)濟價值。
關(guān)鍵詞 爬壁機器人；履帶；吸盤；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方面的內(nèi)容，即爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價值、國內(nèi)外爬壁機器人科研的現(xiàn)狀、幾種爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的分析與評價、履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色。
1.1 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價值
在引言中提到的爬壁機器人（又稱“爬墻機”）在清潔高層建筑壁面上的應(yīng)用，可以看出隨著控制和機電技術(shù)的發(fā)展，這種可以替代手工勞作的壁面清洗機器人的出現(xiàn)將人從繁重、危險的高樓清洗工作中解放出來，降低高層建筑的清洗成本，提高生產(chǎn)效率，同時也推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當?shù)纳鐣б妗⒔?jīng)濟效益。但這僅僅是爬壁機器人的一個應(yīng)用領(lǐng)域，近幾年來，隨著各式各樣的機器人在各個領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，爬壁機器人作為能夠在垂直陡壁上進行作業(yè)的機器人，以其能夠成為高空極限作業(yè)的一種自動機械裝置的優(yōu)良特性，越來越受到人們的重視。概括起來，爬壁機器人主要可以應(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) 在消防部門可應(yīng)用于攜帶消防器械、傳遞救援物資、進行高空救援工作；
(3) 在核工業(yè)可用于對核廢液儲罐進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等危險的工作；
(4) 在石化企業(yè)可用于對立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐；
(5) 在造船業(yè)可用于噴涂船體的內(nèi)外壁、對船體的內(nèi)外壁進行檢查、船體內(nèi)外壁清潔等；
(6) 在搶險救災(zāi)上可應(yīng)用于向高空被困人員運送逃生器械、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，爬壁機器人的應(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)域中擔任著十分重要的工作，能夠促進生產(chǎn)力的提高、改善人民的生活與工作條件。爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開發(fā)能夠為壁面機器人的生產(chǎn)制造和升級進步起到指導(dǎo)與促進的作用；另外，爬壁機器人相關(guān)技術(shù)的研究科研成果可以直接應(yīng)用于或帶動相關(guān)鏈條產(chǎn)業(yè)的進步，從整體上促進生產(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)展爬壁機器人技術(shù)，努力開發(fā)與設(shè)計制造可以轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力的爬壁機器人是生產(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，也是我國科技興國、技術(shù)進步的需要。該項技術(shù)的科研與創(chuàng)新必將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。
1.2 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的現(xiàn)狀及趨勢
1.2.1 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究的現(xiàn)狀
較為高端的爬壁機器人是集機構(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，因此爬壁機器人技術(shù)的研究是伴隨著各項科技的發(fā)展而發(fā)展的。自80年代以來，爬壁機器人技術(shù)在國內(nèi)外取得了迅速的發(fā)展，有的已開始進入實用試驗階段。到1992 年底，國外已有不同類型的爬壁機器人研制成功，其中以日本發(fā)展最快。國內(nèi)較早發(fā)展該項技術(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機器人，采用真空吸附方式，通過運載小車使機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器人。上海交通大學(xué)亦于1995 年研制了磁吸附爬壁機器人用于油罐。
爬壁機器人必須具有兩個基本功能：吸附功能和移動功能，而為了實現(xiàn)爬壁機器人的特定功能只需在機器人本體上耦合或車載相應(yīng)的功能執(zhí)行部件即可，因此國內(nèi)外爬壁機器人技術(shù)的研究與探討大致是圍繞如何實現(xiàn)它的兩個基本功能展開的。
根據(jù)較為公認的爬壁機器人技術(shù)劃分方法壁面吸附功能的實現(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，利用大氣壓力使機器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機器人，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式。當壁面比較粗糙時，真空吸附方式的機器人容易產(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，磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強，但磁吸附式機器人僅適用于導(dǎo)磁材料壁面。推力吸附的方式即利用機器人自身產(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。
爬壁機器人移動功能的實現(xiàn)方式主要是足式、車輪式和履帶式。足式機器人能跨越較小的障礙，但移動速度慢；車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難，車輪的直徑會使機器人相對于壁面的扭矩增大，使機器人運行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；履帶式對壁面適應(yīng)性強，著地面積大，機器人運行平穩(wěn)，但其不易轉(zhuǎn)彎。這三種移動方式的跨越障礙能力都很弱。
除爬壁機器人的兩項基本功能的實現(xiàn)外，當今相關(guān)科研人員也在研究諸如驅(qū)動方式、能源動力、機器人結(jié)構(gòu)布局設(shè)計等方面的課題，這些技術(shù)也是機器人能夠正常運行所必須研究與優(yōu)化的。由于爬壁機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，因此爬壁機器人技術(shù)雖有了一些成果但仍需要進一步的努力研究與發(fā)展。
1.2.2 爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究的發(fā)展趨勢
傳統(tǒng)爬壁機器人有很多的不足之處，例如對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強、跨越障礙物的能力弱、體積大、質(zhì)量重等，因此未來爬壁機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實用化的方向發(fā)展，在以下三個方面做到進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、俄等國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個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650萬根次納米級的細毛，每根細毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)的直徑的十分之一。如果壁虎腳上650萬根細毛全部附著在物體表面上時，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，由美國斯坦福大學(xué)教授馬克·庫特科斯基帶領(lǐng)的研究小組開發(fā)了一種稱為“粘蟲”( Stickybot )的“壁虎機器人”，這種機器人的足底長著人造毛(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，進而使范德瓦爾斯粘性達到最大化。這種突破很好地解決了吸附力不足及機器人對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強的問題。
為了探索新的吸附方式與吸附裝置，相關(guān)研究可以綜合運用仿生學(xué)、類比、模擬和模型方法，通過高分子材料化學(xué)、工程材料科學(xué)、力學(xué)和機械學(xué)的交叉研究，以產(chǎn)生出更多更好的吸附壁面的方式，打破制約機器人吸附壁面的種種瓶頸。
其次，移動方式得到改善與優(yōu)化。在移動機器人中廣泛應(yīng)用的是輪式和履帶式移動方式，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點。足式移動方式的機器人可以相對容易地跨過比較大的障礙例如瓷磚間隙、壁面小突起等；并且機器人的足具有大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，因此可以在可達到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運動靈活，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)將在爬壁機器人上有著較好的應(yīng)用前景。
第三，驅(qū)動系統(tǒng)和動力部分朝著原理更新、可靠性更高、機電一體化、超微化、新結(jié)構(gòu)等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的爬壁機器人因為伺服電機功率重量比低，為平衡重量應(yīng)放置在離驅(qū)動系統(tǒng)較遠的位置，但這種布置會使機器人結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。普通的蓄電池重量大、儲能少不能滿足爬壁機器人對能源的需求。這些問題都需要驅(qū)動和能源相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進步，需要將先進的、最新的科研成果應(yīng)用于爬壁機器人的研究與開發(fā)。
1.3 幾種爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理分析與對比
現(xiàn)在爬壁機器人技術(shù)仍處于研究與試驗階段，國內(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也是與履帶吸盤式爬壁機器人的研究相關(guān)的結(jié)構(gòu)原理科研實例，通過分析這些設(shè)計實例的優(yōu)缺點可以引出在爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理設(shè)計時需要注意與注重的問題。
1.3.1 車輪式磁吸附爬壁機器人
日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出的車輪式磁吸附爬壁機器，結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。機器人靠磁性車輪對壁面產(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 車輪式磁吸附爬壁機器人（圖片來自文獻[1]）
最大速度可達9m/min，適用各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。但是該機器人有自己的缺點：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，車輪的直徑會使機器人相對于壁面的扭矩增大，使機器人運行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；車輪的行走軌跡是連續(xù)的，這不利于機器人跨越壁面的凹凸不平處，使機器人對壁面的平整質(zhì)量要求提高。
1.3.2 多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV
香港城市大學(xué)智能設(shè)計、制造及控制中心(CIDAM) 和內(nèi)地大學(xué)合作設(shè)計的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)向機構(gòu)、吸附機構(gòu)、吸盤組導(dǎo)向和提升裝置以及控制系統(tǒng)組成。行走機構(gòu)模仿坦克履帶結(jié)構(gòu)，采用單履帶模式。吸附機構(gòu)由安裝在鏈條上的13組吸盤及真空發(fā)生器等組成。
該機器人的特點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；采用彈性機構(gòu)，使該機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吸盤供氣而避免通氣管纏繞。該爬壁機器人的缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其可靠性相應(yīng)降低；單履帶的模式使機器人工作時受到吸附力不均勻，吸盤受到較大扭曲力，從而降低了爬壁機器人的工作壽命。
圖1-2多吸盤單鏈爬壁機器人Cleanbot – IV
（圖片來自文獻[2]）
1.3.3 履帶式磁吸附爬壁機器人
國家教委博士點基金資助項目履帶式磁吸附爬壁機器是將永磁體片離散的裝在爬壁機器人的履帶上，采用雙履帶方式，主動輪安裝在一端，前后雙輪。電動機帶動主動輪轉(zhuǎn)動進而帶動爬壁機在壁面上行進。
該機器人的特點是：在機器人設(shè)計中采取加長履帶、浮動支撐、載荷分散機構(gòu)、柔性履帶等措施，以提高爬壁機器人的壁面適應(yīng)能力， 實現(xiàn)其在壁面的安全爬行。
圖1-3 履帶式磁吸附爬壁機器人（圖片來自文獻[3]）
其缺點是，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永磁體上，也就是說履帶在垂直于拉力方向上沒有剛性，這對于爬壁機器人工作的安全性極其有害；主動輪偏置，使履帶受力不均勻?qū)β膸p害較大。
1.4 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色與價值
本文所研究與開發(fā)的履帶吸盤式爬壁機器人的結(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氣系統(tǒng)相連接的媒介。主動輪置中，兩側(cè)各有一從動輪，主、從動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器人機體相連以完成相應(yīng)功能。
履帶吸盤式爬壁機的外形簡圖如圖1-4所示，上面為俯視圖，下面為左視圖。
圖1-4 履帶吸盤式爬壁機器人外形圖
1.4.1 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色
履帶吸盤式爬壁機的結(jié)構(gòu)原理融合了吸盤式真空吸附和履帶式移動方式的優(yōu)點，克服了現(xiàn)存的爬壁機器人的一些缺點。整體上講，履帶吸盤式爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理具有以下特色：
（1）吸盤在履帶上的離散分布特點和履帶自身的柔性使得爬壁機能夠相對容易的逾越障礙物，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履帶的損害，提高了機器人的工作壽命。
（2）吸盤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壁面性質(zhì)要求較高的缺點，擴大了機器人的工作范圍。
（3）配氣盤式的吸盤抽進氣系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地完成吸盤的抽進氣工作，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)方式使機器人能夠平穩(wěn)快速地在壁面上移動；主動輪置中，從動輪對稱布置的方式使履帶受力最大處避開了履帶彎曲處，減少了對履帶的損害，提高了履帶的使用壽命。
1.4.2 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究價值
通過本章第三節(jié)對3種現(xiàn)存的爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理的分析評價可以看出，現(xiàn)在相關(guān)科研人員的注意力也主要集中在爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理的研究開發(fā)上，現(xiàn)有的科研成果的缺點與不足需要由進一步的研究來彌補。本文所研究的履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理有效地將真空吸附和履帶移動相融合，探索實驗一種新的爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理，該項研究的價值有：
（1）在已有研究成果的基礎(chǔ)上將真空吸附和履帶移動的優(yōu)點相疊加，利用這一研究開發(fā)出相應(yīng)的爬壁機器人，對爬壁機器人結(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，其缺點為機器人不能行走于非導(dǎo)磁材料壁面，履帶吸盤式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了履帶式爬壁機器人在玻璃等壁面上的行走，拓寬了爬壁機器人的使用市場。
（3）配氣盤結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計為解決旋轉(zhuǎn)裝置供氣、供水、供油等問題提供了設(shè)計思路和參考模型。
（4）本文中所開發(fā)的履帶吸盤式爬壁機器人初步定位可應(yīng)用于壁面清潔、攜帶消防器械、傳遞救援物資，這些及將被開發(fā)出的功用能夠產(chǎn)生較好的社會效益，并為生產(chǎn)廠商和使用者產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益。
1.5本章小結(jié)
本章介紹了爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價值，指出爬壁機器人在建筑業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域的重要作用，以及研究更加可靠實用的爬壁機器人社會與經(jīng)濟價值。在詳述了爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的發(fā)展趨勢進行了分析與預(yù)測。對三種與履帶吸盤式爬壁機器人相關(guān)的已有爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理進行了分析與評價，分析了車輪式磁吸附、多吸盤吸附、履帶式磁吸附吸附方式的優(yōu)缺點，為下文履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開發(fā)做好積累。
分析了履帶吸盤式結(jié)構(gòu)原理的研究特色，重點對比了其與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理的異同點。履帶吸盤式的結(jié)構(gòu)原理提高了爬壁機器人對不同壁面的適應(yīng)能力，提高了機器人工作可靠性，必將帶來很高的社會效益與經(jīng)濟效益。
第2章 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)方案研究
第2章 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)方案研究
2.1 履帶吸盤式爬壁機器人的功能要求
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器人。為了更好地進行對此機器人結(jié)構(gòu)原理的研究與開發(fā)，首先應(yīng)當了解本課題研究機器人的基本功能要求和設(shè)計參數(shù)。
2.1.1 爬壁機器人的工作過程
履帶吸盤式爬壁機器人能夠在玻璃等較平整的壁面上上下平穩(wěn)地移動，通過攜帶清潔組件，在自身移動的過程中完成對壁面的清潔工作。將消防或救援器械、物品放入爬壁機器人的背倉或裝夾在相應(yīng)接口上隨爬壁機器人移動，可完成傳遞救援物質(zhì)的工作。
2.1.2 爬壁機器人的基本功能
爬壁機器人要在壁面移動，對壁面進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器人所需具備的兩個基本功能，因此爬壁機器人應(yīng)具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機器人的重力，防止墜落；同時，還應(yīng)當有驅(qū)動機構(gòu)，能夠使機器人在壁面上自由行走移動。
（2） 轉(zhuǎn)向功能
清潔過程中，爬壁機器人需要按照一定的路徑在壁面行走，對整個壁面完成清潔工作，就要求爬壁機器人能夠自由的轉(zhuǎn)向，從而提高清潔效率。
（3） 壁面適應(yīng)功能
爬壁機器人能夠逾越較小的障礙（如玻璃接縫），即要求爬壁機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
爬壁機器人在壁面上移動的同時要完成相應(yīng)的功能，這就要求功能組件能夠在爬壁機器人上正確穩(wěn)定地定位，可以發(fā)揮其功能。這要求爬壁機器人開發(fā)時應(yīng)從實用的角度進行研究設(shè)計。
針對上述各項基本的功能，本文進行機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，重點完成機器人的吸附機構(gòu)和移動機構(gòu)的設(shè)計。
2.1.3 爬壁機器人的主要設(shè)計參數(shù)
本課題研究的爬壁機器人主要應(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)決定爬壁機工作必須穩(wěn)定可靠，工作效率高。
本課題對機器人的設(shè)計要求如下：
根據(jù)玻璃壁面特點和清洗機器人爬行、清洗作業(yè)要求，機器人需要達到如下性能：
①壁面移動速度：11~15 m/ min ；
②越障高度：50 mm；
③本體重量：30 Kg ；
④負載能力：15 Kg ；
⑤作業(yè)高度：0～100 m；
⑥作業(yè)功能：可進行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)要求的機器人存在的主要技術(shù)難點如下:
①吸附和密封技術(shù)：要求吸附機構(gòu)能產(chǎn)生一定的吸附力，確保機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)：爬行機構(gòu)要簡單、高效、小型。使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)直線移動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動轉(zhuǎn)向。保證機器人能夠按照地面操作人員的遙控進行工作。
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)：使機器人可以在地面操作人員的控制下準確工作，機器人自身各部分密切配合；有簡潔、方便的人機界面，便于操作人員控制。
2.2 爬壁機器人移動機構(gòu)方案設(shè)計
爬壁機器人通常采用的移動方式有足式、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，對吸盤的扭矩較大，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，為了防止機器人從垂直壁面上滑落，機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器人對壁面凹凸不平適應(yīng)性強。具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，運動速度快等優(yōu)點。綜合考慮各方面因素，本課題中爬壁機器人的移動機構(gòu)選用履帶吸盤式結(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的履帶形狀。圖2-1 a）中驅(qū)動輪及導(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)動輪與導(dǎo)向輪位置高于地面，鏈條引入時的角度達50度，其好處是適合于穿越障礙。圖2-1 c）中驅(qū)動輪（主動輪）置中，導(dǎo)向輪（從動輪）對稱分布，驅(qū)動輪及導(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離履帶彎曲處，減少了對履帶的損害。
由于爬壁機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，考慮到機器人運行的平穩(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 三種常見的履帶形狀（圖片a、b來自文獻[11]）
2.2.2 履帶與履帶輪的聯(lián)結(jié)
履帶與履帶輪（包括主動輪和從動輪）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。為了保證在運動時履帶與履帶輪不會咬死，把履帶上的齒的厚度做的相對薄一點，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)運行可靠平穩(wěn)，傳遞力矩均勻。圖2-2 b）為研究課題開發(fā)的機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 履帶吸盤式爬壁機器人壁面適應(yīng)能力分析
機器人主要由真空吸附、履帶行走、支撐車體、背倉及清潔機構(gòu)組成。真空吸附機構(gòu)包括氣動回路、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。當真空泵運行，處于工作狀態(tài)的4組吸盤平整貼近壁面時，在配氣盤裝置作用下，吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空負壓，機器人吸附于壁面，在保證機器人自身能夠牢固吸附于壁面的同時還足以維持清洗刷高速旋轉(zhuǎn)時對壁面的抽打力。在機器人自下往上移動清洗過程中，因吸盤與壁面間有相對滑動，所以吸附力并不是越大越好，因為吸附力過大，機器人就不能順利上下滑移動；但吸附力過小，在吸盤遭遇壁面凹縫氣體過量泄漏時，機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，壁面對機器人反作用力也大，吸附力就需要增加，否則機器人容易脫離壁面。
圖2-3所示是機器人工作時的靜力學(xué)，因而有：
G < Σ
= = (2-1)
Σ = μ
式中：G 為機器人總重量，該重量包括機器人自身的重量、清潔組件質(zhì)量、背倉傳遞物質(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4工作狀態(tài)吸盤反作用力；為4個處于工作狀態(tài)吸盤的等效吸附力；為吸盤等效吸附面積；為吸盤內(nèi)負壓。此外，防止繞下機器人下支撐點O 傾覆的條件為
/ G > / (2-2)
式中： 是機器人重心到壁面的距離； 是 作用點到點O 的距離。為保證機器人能在驅(qū)動力的作用下在壁面穩(wěn)定移動，由式(2-1) 、(2-2) 得到的臨界條件為：
Max < (2-3)
可見, 必須穩(wěn)定在式(2-3) 所示的區(qū)間內(nèi),實際值由機器人移動速度確定，當機器人的移動速度為一變化值時，則實際值由機器人當前移動速度確定。
圖2-3 機器人工作時的靜力學(xué)分析
2.3 爬壁機器人吸附機構(gòu)方案設(shè)計
爬壁機器人實現(xiàn)對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，利用大氣壓力使機器人吸附在壁面上，這種方法多用于爬行于玻璃壁面的機器人上，真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式。當壁面比較粗糙時，真空吸附方式的機器人容易產(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，磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強，但磁吸附式機器人僅適用于導(dǎo)磁材料壁面。推力吸附的方式即利用機器人自身產(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，隨履帶實現(xiàn)移動；真空泵通過供氣回路、配氣盤完成對吸盤吸附、脫離的控制。
2.3.1 吸盤式吸附機構(gòu)方案設(shè)計
吸盤吸附材料采用軟橡膠。機器人的工作狀況與吸盤的吸力大小有關(guān)，如圖2-4 所示為機器人靜止吸附在壁面時的受力。
圖2-4 機器人靜止吸附在壁面時的受力情況
機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)，為單個吸盤的吸力，G 為機器人自重與其附件重量之和，n 為吸盤的個數(shù)。由于機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壁面的有效壓力，同時，考慮到由于地面有縫隙而減少真正吸附壁面的吸盤個數(shù)，引入安全系數(shù)，則單個吸盤的吸附力為：
（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 吸盤機構(gòu)設(shè)計
如圖2-5 所示為單個吸盤的結(jié)構(gòu)圖，它是由鋼球1、手動調(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，由伯努利方程得：
即 (2-6)
圖2-5 單個吸盤的結(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)和載重量通過手動調(diào)節(jié)閥設(shè)定氣流通過導(dǎo)氣管的速度；在機器人工作時，當導(dǎo)氣管中的氣壓減小，同時有幾個吸盤（正常工作時有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，氣體進入吸盤，吸盤即脫離壁面。
（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為彈簧屈強系數(shù)，為壓縮位移。則：
（2-8）
2.3.3 吸盤式爬壁機器人吸附安全性研究
為了確定吸盤式爬壁機器人的負載能力和安全性能，必須對機器人所受的力進行分析。當機器人吸附在玻璃壁面上時，受力情況如圖2-6，各符號意義如下:
———墻壁對第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 ———機器人的等效重心到玻璃壁面的距離；
圖2-6 爬壁機器人受力示意圖
機器人在工作時，當其在玻璃壁面上移動時有兩種危險的情況可能發(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，引起機器人的傾翻。設(shè)計中，機器人的吸附機構(gòu)受力應(yīng)避免滑落和傾翻兩種情況發(fā)生，為了簡化分析計算，這里只考慮了靜態(tài)吸附情況。
(1)避免機器人從墻面上滑落。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)避免機器人從玻璃幕墻上傾翻下來。在顛覆力矩的作用下，應(yīng)該滿足：
> 0 ( i = 1，…，4) (2-10)
假設(shè)作用在支撐輪上的力不加考慮，認為墻壁對機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，機器人在x 、y 方向受力分別滿足：
(2-11)
(2-12)
所受的平衡力矩為(以O(shè) 點為參照點) ：
(2-13)
并假定各個吸盤的真空度是均衡的，則作用在吸盤上的吸力為：
V = = sv (2-14)
式中： s ———每組吸盤總的吸附面積；
v ———工作吸盤內(nèi)的真空度。
為了方便計算 ，假設(shè)幾個約定條件，設(shè)作用于吸盤上的支撐力 ( i = 1…，5) 形成一對，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，只要滿足 > 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得：
(2-17)
根據(jù)式(2-9) 和(2-17) ，機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) 的條件應(yīng)該滿足:
G < min(，) (2-18)
理論上：
= 5μV (2-19)
f c2 = (2-20)
在進行爬壁機開發(fā)和設(shè)計時，可以根據(jù)具體的尺寸p，d確定，的大小，根據(jù)計算式(10)來計算設(shè)計是否滿足爬壁機不滑落不傾翻的條件。（在計算時基于安全考慮，玻璃與吸盤間的典型摩擦因數(shù)按最小計μ = 0. 11 。）
根據(jù)計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是（1）或（2）。在保證次危險安全的情況下，保證最危險的情況不會發(fā)生，由此才能保證爬壁機器人安全地工作?？紤]到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應(yīng)當另外增加安全系數(shù)，在設(shè)計時,考慮只有下面4 組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。因此，保證機器人的安全，要確保：
(2-21)
或表示為：
(2-22)
式中：G ———機器人和負載總的質(zhì)量；
———作用在機器人吸盤上吸力的總和，= 4V ；
λ = 1/ μ；
n ———安全系數(shù)。
2.4 機器人氣動回路方案設(shè)計
為了保證爬壁機器人有足夠的吸附力，應(yīng)當為機器人配備真空泵等抽真空設(shè)備和可靠的氣動回路。機器人工作時吸盤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)計合理的配氣盤結(jié)構(gòu)。本文中配氣系統(tǒng)主要研究配氣盤結(jié)構(gòu)設(shè)計、吸盤氣動回路設(shè)計兩部分內(nèi)容。
2.4.1 配氣盤結(jié)構(gòu)設(shè)計
配氣盤結(jié)構(gòu)的作用是在爬壁機器人工作時完成吸盤的抽氣與進氣，配氣盤結(jié)構(gòu)主要有配氣盤、密封氈、配氣接口組成，配氣盤通過配氣盤固定桿固定于下車體上，密封氈緊貼于配氣盤的內(nèi)表面；配氣接口安裝于配氣盤的下側(cè)，用于完成對即將進入工作或退出工作狀態(tài)的吸盤完成抽氣、進氣工作。
圖2-7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)；當機器人工作時，履帶處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，當相應(yīng)的吸盤進入或退出工作狀態(tài)時，由配氣孔完成它們的抽氣、進氣工作。
圖2-7 履帶與配氣盤的聯(lián)結(jié)示意圖
1—履帶 2—配氣盤 3—通氣孔
4—密封氈 5—配氣孔
圖2-8（a）為吸盤組件與履帶聯(lián)結(jié)的三維造型圖，配氣盤的固定桿可以伸過履帶輪的中間固定于下車體上，圖2-8（b）為吸盤組件的三維造型圖內(nèi)部淡黃色零件為緊貼于配氣盤內(nèi)表面的密封氈；伸出桿為配氣盤固定桿，頂端有螺紋；兩個深紅色接頭即為配氣接頭，配氣接頭安裝于配氣盤下側(cè)的配氣孔內(nèi)，配氣接頭上連接來源于氣動回路的通氣管即能完成吸盤抽氣、進氣功能。
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2-8 配氣盤結(jié)構(gòu)
2.4.2 吸盤氣動回路設(shè)計
氣動回路是指由真空泵到配氣盤配氣接口之間的氣動系統(tǒng)，包括真空過濾器、真空供給閥、真空破壞閥、真空開關(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。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、真空開關(guān)5、真空過濾器6、配氣接口7組成的真空控制回路。當需要產(chǎn)生真空時，電磁閥2通電；當需要破壞真空放開壁面時，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配氣接口相連接，為了給兩個配氣接口完成配氣需要兩套這樣的設(shè)備。但是，在實際爬壁機器人工作時一個配器接口的吸盤需要產(chǎn)生真空，而另外一個則恰好需要破壞真空，因此為了簡化結(jié)構(gòu)和節(jié)約成本可以在氣動回路中串聯(lián)一個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)同完成對兩個配器接口的配氣。
2.5 本章小結(jié)
本章描述了清潔壁面爬壁機器人的工作過程，指出為完成此工作過程爬壁機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器人的主要設(shè)計參數(shù)，為下一步的研究開發(fā)做出導(dǎo)向。對爬壁機器人兩個重要基本功能吸附和移動進行了機構(gòu)方案設(shè)計和分析。吸附機構(gòu)采用吸盤式真空吸附方式，對吸附方式的機器人滑落和傾翻的兩個安全性問題進行了分析與討論。詳述了履帶上固連吸盤的移動機構(gòu)，履帶與履帶輪的模擬齒輪齒條嚙合的聯(lián)結(jié)方式，重點對履帶式移動機構(gòu)的壁面適應(yīng)能力進行了分析論證。
機器人的輔助功能本章僅介紹了氣動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。簡單分析了真空發(fā)生器為基礎(chǔ)的真空形成與破壞回路。
第3 章 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與設(shè)計
第3章 履帶吸盤式爬壁機器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與論證
在履帶吸盤式爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理研究的基礎(chǔ)上，為了將理論更好的與實踐相結(jié)合，本課題進行了爬墻機器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與設(shè)計。在機器人開發(fā)的過程中，注重運用前面理論研究的結(jié)果，設(shè)計了爬壁機器人的結(jié)構(gòu)；在方案設(shè)計、詳細設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了三維造型，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器人能夠正常工作，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要使設(shè)計滿足一些參數(shù)與技術(shù)條件。在機器人開發(fā)與設(shè)計的基礎(chǔ)上，本文針對機器人吸附結(jié)構(gòu)的吸附性能、行走機構(gòu)對壁面的的適應(yīng)能力、機器人車體強度進行了校核論證。
3.1 爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計與論證
爬壁機器人的吸附機構(gòu)主要由16組吸盤、配氣盤組件、氣動回路等構(gòu)成。吸盤通過吸盤固定裝置固定在履帶上，在機器人工作的過程中隨履帶轉(zhuǎn)動，配氣盤按照固定的設(shè)計給到達相應(yīng)位置的吸盤組件進行抽氣或進氣，產(chǎn)生或破壞真空環(huán)境使吸盤吸附或放開壁面。在機器人工作過程中，總有4組吸盤處于工作狀態(tài)，16組吸盤輪流進入工作狀態(tài)，完成機器人在壁面的吸附與移動。
吸附機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)防止機器人從壁面滑落及傾翻兩種危險的發(fā)生，因此可根據(jù)臨界條件對設(shè)計進行論證校核。
3.1.1 爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計
吸盤是履帶吸盤式爬壁機器人的重要的組件，它的工作性能將直接影響爬壁機氣人的正常工作，如圖3-1(a) 所示為單個吸盤的結(jié)構(gòu)圖，它是由鋼球1、手動調(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)為單個吸盤組件的三維造型圖。
整個吸盤組件高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)的吸盤組件長度為32mm，不會與履帶輪發(fā)生干涉。
a) 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖 b) 吸盤三維造型圖
圖3-1 吸盤結(jié)構(gòu)
吸盤由軟塑料經(jīng)注塑制成，殼體為鋁合金件，為了防止在機器人工作過程中吸盤組件殼體折斷發(fā)生危險，吸盤與履帶結(jié)合部材料較厚。為了減輕整個機器人的總質(zhì)量，在滿足工作和強度要求的情況下，零件均采用塑料、鋁合金或其他輕質(zhì)材料做成。
圖3-2 吸盤固定于履帶上的裝配圖
圖3-2為吸盤固定于履帶上的裝配圖，吸盤組件均布于履帶上，吸盤組件間的中心距p=208.9mm，吸盤組件中心與爬壁機器人重心的距離為d=320mm。
3.1.2 爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的論證
根據(jù)2.3.3關(guān)于吸盤式爬壁機器人吸附安全性研究，當機器人在玻璃壁面上移動時有兩種危險的情況可能發(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，引起機器人的。
避免機器人從墻面上滑落。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。
壁面機器人傾翻從理論上，由式(3-1) 可知，只要滿足 > 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得：
(3-2)
根據(jù)式(3-1) 和(3-2) ，機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) 的條件應(yīng)該滿足:
G < min(，) (3-3)
理論上：
= 5μV (3-4)
= (3-5)
根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)可知，p=208.9mm，d=320mm，根據(jù)圖3-3的吸力與最大負載，當負載為大約500N時應(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 吸力與最大負載曲線圖（圖片來自文獻[1]）
(3-8)
根據(jù)計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是爬墻機從壁面滑落。在保證次危險安全的情況下，保證最危險的情況不會發(fā)生，由此才能保證爬壁機安全地工作?？紤]到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應(yīng)當另外增加安全系數(shù)，在設(shè)計時，考慮只有下面4 組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。因此，保證機器人的安全，要確保：
(3-9)
取安全系數(shù)為2.5，根據(jù)爬壁機器人的設(shè)計要求，總重量M=45kg，故：
(3-10)
G< (3-11)
由式（3-11）可知，爬墻機不會發(fā)生滑落的危險，由知其也不會從壁面傾翻。
綜合以上論證，爬壁機器人吸附機構(gòu)的設(shè)計是合理的，是能夠支持爬壁機器人正常工作的。
3.2 爬壁機器人行走機構(gòu)的設(shè)計與論證
履帶吸盤式爬壁機器人的行走機構(gòu)主要由：吸盤組件、履帶、履帶輪、動力源、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。本課題主要研究機器人的結(jié)構(gòu)原理，故重點進行前三部分的設(shè)計與論證。
3.2.1 爬壁機器人行走機構(gòu)的設(shè)計
吸盤組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維造型在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，通過模壓硫化而制成。橡膠履帶具有接地比壓小、牽引力大、振動小、噪音低、濕田通過性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點。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 爬壁機器人行走機構(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