真空吸盘式爬壁清洗机器人的研究与开发

1、专题论述机械研究与应用真空吸盘式爬壁清洗机器人的研究与开发姬国钊 ,张世伟 ,王奇斌, 李俊秀 ,王 卓(东北大学, 辽宁沈阳 110004)摘 要:研制了一种能够爬行在幕墙玻璃上并完成清洗工作的爬壁机器人。 机器人采用双侧多吸盘履带式行走机构 , 在任意时刻至少有 6只吸盘处于吸附工作状态。 控制系统打破了传统爬壁机器人对大量使用传感器的依赖, 巧妙改装并使用带传动控制吸盘的吸排气;一台直流电动机通过蜗轮蜗杆减速机和双侧离合器, 带动两侧链轮转动, 驱动机器人爬行 。 真空泵作为吸附动力源;电磁阀与电磁离合器的联动使内侧吸附吸盘个数变化, 并提供速度差, 实现了转弯功能。 文中对防止机器人在

2、壁面发生滑脱和倾翻两种状态进行了力学分析。且其清洗机构依靠滚刷滚动摩擦擦洗玻璃。 样机具有控制系统简单、运行可靠、成本低廉的特点。关键词:机器人;壁面清洗;真空吸盘中图分类号:TP242.3文献标识码:A文章编号:1006 -4414(2009)04 -0005 -04Researchanddevelopmentofawal-climbingrobotwithvacuum suckersforglasscleaning JiGuo-zhao, ZhangShi-wei, WangQi-bin, LiJun-xiu, Wang Zhuo(Northeasternuniversity, Sheny

3、angLiaoning 110004, China)Abstract:Inthispaper, awal-climbingrobotthatcanbothclimbonglasscurtainwallandwashitisdesigned.Ithasbilat-eralmulti-suckerofcaterpilarchainasrunninggear, andatleast6 suckersarepumpedanytime.Controlsystembreaks downthetraditionthatthecontrolofsuckersdependonmultitudinoustrans

4、ducer, insteadittakessynchronizationbeltbyalit-tlechangetoachievecontrol.ADCmotordrivestherobotthroughworm-gear、clutchandchaingear.Avacuumpumpcre-atesnegativepressure.Workingtogetherwithelectromagneticvalvetochangethenumberofpumpedsuckers, theelectromag-neticclutchcanproducesspeeddifferencebetweentw

5、osides, andthen, maketherobotturnacorner.Theforceanalysisin ordertoverifywhethertherobotwouldslideorturnoverisshowed.anditscleanmachinewashesthewalbyfriction.The samplerobotiseasytocontrol, dependabletorunandcheapincost.Keywords:robot;wallcleaning;vacuumsucker近年来 ,我国城市面貌发生了翻天覆地的变化 , 高层建筑拔地而起, 不仅节约了土

6、地资源, 也使城市面貌焕然一新, 成为城市现代化水平的重要标志之一。但也带来了如高空擦洗玻璃、高空消防急救、高空建筑施工等难题 1 。以高层建筑外墙面的清洗为例 ,目前多采用吊篮悬吊或用液压升降台升降的人工作业方式,但其劳动强度大 、效率低、安全隐患多。以此为背景 ,研究人员设计提出了多种解决壁面清洗机器人的方案 2 11 。但仍存在着一定的局限性。如磁力吸盘爬壁机器人只能用于导磁金属壁面上 ,而对普通玻璃墙壁无法适用 12 ;许多大型悬挂式清洗机器人要求有楼顶悬挂机构;履带式机器人转弯困难等 ,为应用带来困难。本文专门介绍作者开发研制的一款真空吸盘式独立行走爬壁机器人, 它无需楼梯悬挂机构,

7、 打破了传统吸盘爬壁机器人每个吸盘都安装传感器的麻烦 , 巧妙地运用了机械传动机构实现吸排气的控制 ,并能够转弯。1 机器人结构1.1总体结构该爬壁机器人利用双侧多吸盘履带式行走机构吸附在墙壁上并自由爬行, 通过外挂的清洗机构清洗玻璃。该爬壁机器人外形类似微型坦克 , 形体约为400mm500mm100mm的长方体。它由固定在机架上的吸附系统和传动系统、悬挂在机架后端的清洗机构、安置在地面的真空泵和控制系统等部分组成。其结构如图 1所示 。工作原理如图 2所示。1.2吸附系统在爬壁机器人与墙体间直接产生吸附力的装置是固定在两侧链条履带上的真空吸盘。每侧履带上均匀分布地固定有 12只直径 80m

8、m的真空吸盘 ,在任意时刻至少有其中 3只吸盘 (两侧共 6 只)处于吸附工作状态, 依靠外内压差将吸盘牢固地压紧在墙面上 。同侧的 12个吸盘通过管路汇总到该侧的气体分配器上, 两侧气体分配器经过电磁阀又汇总到 2X-4 型旋片真空泵 ,组成真空抽气系统。 收稿日期:2009 -05 -31作者简介:姬国钊(1986 -), 男, 辽宁阜新人, 硕士, 主要从事真空与流体机械方面的工作。 5专题论述机械研究与应用1.3 传动系统这部分由电机、蜗轮蜗杆减速器、电磁离合器和链轮链条组成。整个爬壁机器人的运动动力, 来自于一台功率为 130W的 56JX300K13 型直流调速电机 。电机具有正

9、、反转控制和调速功能 ,能够使爬壁机器人实现不同速度的前进和后退运动。由于电机转速较高, 所以直联安装了行星式变速器 ,使出轴转速降低到 0 230r/min范围。 然后通过一台铝制NMRV030型双侧出轴的蜗轮蜗杆减速机 , 将转速进一步降低并使动力分解传递到两侧运动系统。出于机器人转弯运动的需要,在蜗轮蜗杆减速机两侧输出轴上分别安装了 DLYO-2.5型牙嵌式电磁离合器。每侧离合器的另一端与该侧的主动链轮轴连接, 轴上固定有双排主动链轮 。考虑到受力因素, 车体的外形不宜过高, 因此适宜采用小直径链轮, 实际采用了 33齿 、直径 142mm 的链轮共 8个 。 4 个链条就张紧在分别安装

10、于车体前后的主、从链轮之上 ,其中同一侧的 2个链条由 12 个连接板连接为一组 ,每个连接板上固定一个真空吸盘 。在机架下部 ,设置了刚性槽型轨道,叫做全约束 , 链条是在全约束部件内滑行 ,保证当车体处于横挂 、倒挂等任意悬垂位置时,链条不致脱落。机器人工作时 ,电机旋转 ,经过蜗轮蜗杆传动,把旋转运动传递给了电磁离合器,电磁离合器吸合驱动主动链轮, 在链轮的带动下 ,链条携带着固定其上的吸盘向前滚动爬行 ,正常前进速度在 0.15m/s左右。1.4 清洗机构清洗机构包括机架、电机、滚轮、外壳和刮板四部 6分 ,如图 3所示。工作中 , 机架拖动其它部分并控制它们与墙面进行接触与分离 ;减

11、速电机驱动滚轮转动对玻璃进行清洗, 滚轮转速 100r/min;在清洗后墙面留有少量的水分, 再利用刮板进行刮水, 这样就能对玻璃幕墙进行高速简单干净的清洗。清洗机构的位置要安排在运动机构的后面 ,这样清洗机构所形成的力矩可以平衡掉一部分重力力矩使机器人有更好的受力性能。图 3清洗机构结构示意图1.5控制系统机器人最复杂的控制是吸盘的吸气排气,由于巧妙地采用了简单的机械带传动机构,使得控制系统简便许多。其控制操作元件仅包括真空泵的通断开关 , 直流驱动电动机的正、反转通断开关及调节速度旋钮 ,两侧离合器与电磁阀联动通断控制的左 、右转向开关,以及清洗机构驱动电机的通断开关等 。除真空泵 ,所有

12、电机和控制线路采用 24V安全供电, 配备一个 300W专用直流电源。2 力学模型爬壁机器人从壁面脱落有两种可能情况:因摩擦力不够而形成的车体平行于壁面的滑落和因吸附力矩不够而导致的车体垂直于壁面的倾翻 13 。下面分别对两种情况进行受力分析 ,建立车体受力分析模型如图 4, 并定义如下变量符号:Ni为第 i个吸盘所受的壁面支撑力 , N;fi为第 i个吸盘所受的摩擦力 , fi= Ni, N;为吸盘与壁面间的摩擦系数 ;p为吸盘内外的压力差, 取 p=7 104 Pa;S为每个吸盘的吸附面积 , S=80 10-3 2/4m2 ;d为车体重心距壁面的距离, d=0.1m;L为相邻二吸盘之间的

13、距离, L=0. 1016m;L0为两侧吸盘的中心距 , L0 =0.4m;m为爬壁机器人的质量 , m=40kg;a为车体运动的最大加速度 ,取 a=0.5m/s;g2为重力加速度, g=9.8m/s;2为壁面倾角。2.1 摩擦力分析防止车体沿壁面滑脱的充要条件是吸盘与壁面间的实际摩擦系数大于其临界值 。列受力平衡方程 , X轴方向 :6p S=m g cos+Ni(3)专题论述机械研究与应用Y轴方向:ii4f=N =m g sin+m a()将式(3)和式 (4)联立, 得临界摩擦系数为:()=m g sin+m a(5)6p S-m g cos对上式做求导极值分析可知, 当 0, 2 时

14、 ,()0, 值单调递增;=2时 , 有最大值 。即 ,吸盘在竖直壁面上时最容易发生滑脱危险。爬壁机器人不脱落的条件为 :m (g+a)(6)6p S将实际设计参数带入式(6),得临界摩擦系数:40 (9.8 +0.5)=0.1956 74(8010-3210)/4吸盘橡胶与玻璃的实际摩擦系数 =0.4, 因此机器人在玻璃上行走时不会滑落。图 4爬壁机器人受力分析图2.2 翻转力矩分析防止车体在壁面上发生倾翻的充要条件是各个吸盘之间产生的力矩 ,足以抵消车体重力与壁面摩擦力所形成的翻转力矩。列力矩平衡方程 (以最上面吸盘为支点 ):2 N2 L+2 N32L+mgL cos+dsin =2 P

15、 S L+2 P S 2 L简化得 :2 LN2 +2N3 +mgL cos+d sin=6P S L(7)以最下面吸附的吸盘为支点:2 N2 L+2 N1 2 L+mgL cos-d sin =2 P S L+2 P S 2 L简化得 :2 LN2 +2N1 +mgL cos-d sin=6P S L(8)由于每侧至少有 3个吸盘同时吸附, 所以这是一个静不定问题 。为方便计算 Ni,假设作用于吸盘上的支撑力从 N1 到 N3 比例减少 ,即:N1 -N2 =N2 -N3(9)在垂直壁面的方向上, 车体受力平衡有 :2 i=1 Ni+m g cos=6 p S简化得:N1 +N2 +N3 =

16、3p S-m g cos(10)2将式 (7)、(8)、(9)、(10)联立成方程组 ,解得:N =p S-m g 2 Lcos+3 d sin312L=p S-m g (2 L)2 +(3 d)2 sin(+) 12 L设 tan=23 Ld,可得上面简化式 。当 sin+=1时, N3 具有最小值。只要满足 N30,爬壁机器人就不会倾翻。带入实际设计参数 : N3 =232.8N, 所以 ,该爬壁机器人不会从壁面倾翻。3 机器人的结构特点3.1定位自锁的实现爬壁机器人的运动机构必须有自锁功能,以防止进行运动转换、脱离电机驱动时发生溜车。本机传动系统采用了具有反向自锁功能的蜗轮蜗杆传动 ,实

17、现了定位自锁。3.2气体分配器的功能该爬壁机器人各个吸盘的吸气与排气的有序控制 ,是依靠纯粹机械结构的气体分配器来实现的 。气体分配器内设 3个各自独立的真空室 ,分别由后侧排气口经电磁阀与真空泵相连, 前侧在分配器的下 1 /4 处开有 3个月牙形吸气口, 气体分配盘 (带轮改制而来 )与之压紧密封, 分配盘外套有同步齿形带, 分配盘能够相对转动 。气体分配盘上均布着 12个管嘴 , 每个管嘴连接着同侧的一个真空吸盘 ,分配盘外缘套有同步齿形带 , 它使得气体分配盘能随链条同步转动 。气体分配器的实物照片如图 5 所示。气体分配器的传动如图 7所示。同步齿形带的另一头的小带轮与链轮安装在同一

18、根轴上 ,每条链 96节 , 链轮为 33齿 , 传动比为 1:2.909,气体分配器的分配盘 (大带轮 )齿数为 70,同步带小带轮为 24, 传动比为 1:2.916,链轮和小带轮在一根轴上 ,所以链条和气体分配盘的传动比为 0. 9974,可近似视为链条上的吸盘和与之对应的分配盘上的管嘴是同步转动的。爬壁机器人链条滚动前行时 ,当某一个吸盘完全接触墙壁 ,与之对应的管嘴也恰好进入了真空室的吸气口, 形成了气流通路 , 真空泵便对这个吸盘抽气 ;当这个吸盘即将脱离墙壁时 , 与之对应的管嘴也恰好转出了吸气口 , 与大气相通 , 吸盘便可顺利脱离墙壁。 7专题论述机械研究与应用图 8爬壁机器

19、人运行试验照片参考文献 : 1 23.3 转弯动作的实现 3转弯动作一直是履带式爬壁机器人的难点 ,因为吸盘的牢固吸附与转弯时履带需要的滑动成为一对矛盾。本机借助传动机构中的电磁离合器和气体分 4配器的配合实现了这一功能。以左转弯为例, 按下左转开关后, 左侧电磁离合器分离而右侧保持啮合, 为转弯提供了动力 -速度 5差 。同时真空系统中的左侧电磁阀关闭, 使左侧气体分配器的前后两个真空室放气 ,只保留中间一个室抽 6气 ,左侧履带上就只有中间一个吸盘保持吸附 。这样 ,该吸盘上能够转动的球头连接杆便成为车体转弯 7的回转圆心 , 机器人以车体宽为半径 , 做 90转弯 。向右侧转弯时同理。4

20、 结 论 8本文作者研制了一台双侧多吸盘履带式行走爬壁机器人, 车体自重 30kg, 所携带的清洗机构 6kg。 9行进速度可在 0 0.15m/s内调节 。装配调试后的机器人能够牢固吸附在玻璃、钢板、瓷砖等可密封壁邵 浩, 赵言正, 王 炎, 等.用于玻璃幕墙清洗作业的爬壁机器人系统 J , 制造业自动化, 2002, 22(2):6 -9.ANishi.Developmentofwal-climbingrobotsJ .Computerelect.Engng, 1996, 22(2):123 -149.WangYan, LiuShuang, XuDianguo, etal.Developm

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