履带轮机构爬墙机器人的设计.doc

履带轮机构爬墙机器人的设计摘要：本文介绍了一种能够攀爬竖直平面的新概念爬墙机器人。这种机器人的两个履带轮上安装有24个吸盘，通过一条履带连接两个履带轮实现了机器人以15m/min速度高速连续运动。当其中一个履带轮转动时，粘附在竖直墙面上的吸盘则通过专门设计的机械阀控制实现顺序起动。本文中将介绍履带轮的工程分析和结构设计，包括履带轮的机械控制阀和整体结构。这种机器人是一个独立式的机器人，它的真空泵和电源是一体式的，并且进行远程控制。机器人的爬墙能力通过竖直钢板测试进行评价。最后介绍了利用田口法来减小真空中压力的最优化实验的实施步骤。关键词：爬墙机器人 吸盘 履带轮 机械阀 田口法1 介绍移动式机器人已经被广泛应用于高空作业中，例如清理高层建筑的外墙、修建高层建筑物、给大型轮船喷漆、监控核能工厂的储藏柜等，因为这些工作一般都很重要，但是又极度的危险。因此，移动式机器人中比较特殊的研究领域爬墙机器人已经在全世界各个地方进行广泛的研究并且有了很好的发展。当前大部分的爬墙机器人可以归结为两类：牵引式和粘附式。粘附式爬墙机器人具有一个粘附式机构，通过吸力、磁力、范德华力及微刺互锁作用粘附在墙壁上。磁力粘附机构仅在工作墙面由铁磁性表面组成时才会使用。微刺结构机器人可以很好地粘附在粗糙墙面上，但是却不适用于玻璃、天花板之类的光滑表面。利用范德华力的机器人则是模仿了壁虎的干燥粘合能力。这种粘附机构比较奇特，它不需要能量，但是粘附力的大小受粘附表面的粗糙度影响较大，因此需要更多的研究来确认这种机构的适用性。吸盘式机构则广泛应用于工业机器人中。相比于其他机构，吸盘式机构具有最好的适用性和耐用性。根据移动机构的不同，机器人可以分为三种：步行式、滑行式和履带轮式。步行式爬墙机器人的优点是它能够适应凹凸不平的墙面。但是由于其执行器和步法控制器数目多，步行式爬墙机器人重量大且控制系统相对复杂。这就导致了机器人运动速度低且不连续。同时，滑行式机构的实现比步行式相对简单，但是同样的由于运动不连续，运动速度较低。周延武和宗光华发明的Cleanbot II爬墙机器人采用的时履带轮式走行机构，它能够以较快的速度连续运动。它采用了一条安装有52个吸盘的履带，每一个吸盘由一个电磁阀控制。但是该机器人尺寸较大，长720毫米，宽370毫米，高390毫米。即使不包括电源和真空泵，机器人的重量都达到22千克。而且，尽管采用了履带轮式走行机构，机器人的最高速度也仅为8m/min。本文提出了一种能够在竖直墙面上连续运动的新概念爬墙机器人。这种新型机器人通过采用两条安装有24个吸盘的履带来实现连续的高速爬行。用机械阀代替电磁阀将吸盘内抽成真空有助于提高爬行速度。这种机器人是独立自给的机器人，它的电源和真空泵是集成安装在机器人上的。本论文将先从两个方面对机器人的主要机械结构进行描述，机器人结构的工程设计主要介绍无线控制方式和履带轮式结构的工作原理；然后描述吸盘所需的吸力以及系统中真空度变化趋势的工程分析。然后给出机器人爬墙速度和有效载荷等实验数据，利用预定的机构验证机器人的爬墙性能。最后，应用田口法进行最优化实验，最大程度增加吸盘的真空压力，同时减小压力的波动。2 机器人系统的设计2.1 机械结构如图一所示，爬墙机器人由一个主机架和一个履带轮系统构成。主机架上安装有真空泵、电源、控制模块和驱动装置等。履带轮系统主要由一个正时皮带和一个皮带轮构成。12个吸盘和机械阀安装在两条皮带的外面，在轮轴之间安装有一个导轨和型线凸轮，通过履带轮的转动带动吸盘的运动，同时控制机械阀的工作。旋转接头安装在机器人的两侧，作用是防止在轮子转动的时候，连接真空泵和吸盘之间的气管发生缠绕。机器人的后轮轴与一个BLDC驱动电机相连接。电源布置在机器主机架的后面。机器人的规格说明见表1。表1 机器人的规格说明项目规格尺寸（mm）460460200重量（包括电源和真空泵）约14kg最大爬行速度15m/min驱动电机1个,Faulhaber BLDC,200W (111:1)电源聚合物锂离子电池(25.9V,11Ah)吸盘24个，直径60mm真空泵一个，N838_DC,KNF最大流量：32l/min最大压力：100Mbar图1 爬墙机器人的主要结构图2 无线控制系统的工作原理图2.2 无线控制系统由于阀的开闭是由轮的转动机械式控制，因此控制系统只需要控制驱动电机的启动停止，改变转向和转速。如图2，无线控制系统中采用了一个微控制器和一个遵从蓝牙V.1.2的连接器。3 履带轮式机构的工作原理前面已经提到，这种爬墙机器人采用的是履带轮作为移动机构。与采用步行式和滑行式机构的爬墙机器人相比，这种机器人可以连续运动，因此可以提高移动速度。它的最大爬行速度可以达到15m/min。如图3所示，12个吸盘和机械阀安装在每条正时皮带的外表面，与从动件之间螺栓连接。从动件在导轨的指引下随着轮的转动平稳运动。位于导轨之间的曲面凸轮控制机械阀的动作。刚开始时，由于机械阀内的弹簧作用，机械阀的开口关闭。一旦位于机械阀顶端的滚动支承被曲面凸轮下推，真空阀和吸盘之间形成自由的空气流动，吸盘则被吸附在竖直墙面上（图4）。图4 机械阀的工作原理曲面凸轮的外形设计使得当吸盘靠近墙面，吸盘表面与墙面平行时滚动支承下推，相反地，当吸盘远离墙面时滚动支承被释放。随着机械阀的重复开启和关闭，机器人实现快速连续爬墙。4 分析4.1 对所需吸力的分析为了防止机器人在爬墙过程中掉下或滑动，吸盘必须能到提供足够的吸力来抵抗重力作用。本节将讨论机器人不掉下不滑动的条件。图5表示了机器人吸附在竖直钢板上时的受力情况。图5 机器的受力分析从图5中机器人的自由体受力分析图中可以得到4个力平衡和力矩平衡方程。由X方向上的受力平衡得到 （1）其中，表示作用在每个吸盘上的真空吸力，表示作用在每个吸盘上的垂直反作用力。同样的，由Y方向上的受力平衡可得： （2）其中，表示机器人的重力，表示摩擦系数。基于点O在X方向上的力矩平衡方程为 （3）其中，是相邻两个吸盘之间的距离，表示机器人质心离竖直墙面的距离。假设机器人为一个刚体，作用在吸盘上的反作用力之间呈线性关系，可以得到另外一个方程： （4）通过上述四个方程就可以得到防止机器人掉落和滑动的条件。首先，为了使机器人不掉落，反作用力的数值必须为正： （5）通过解方程（1）到（5），可以得到最小的反作用力为： （6）从式（6）可以看出，与成正比，与成反比。这就意味着，相邻两个吸盘之间的距离越大，机器人质心与墙面之间的距离越小，则吸盘的吸力越大。第二，为了防止机器人发生滑动，摩擦力必须大于机器人所受的重力： （7）将式（1）代入式（7）中得到： （8）显然，当吸力满足条件（6）和条件（8）时，机器人既不会掉落也不会滑动。对于我们的爬墙机器人，它的质量为14千克，相邻两个吸盘之间的距离（）为65mm，机器人质心与墙面之间的距离（）为80mm，吸盘和钢板表面的摩擦系数（）为0.35.将数值代入式（6），机器人不掉落所需要的吸力为84.38N，机器人不滑动时所需要的吸力为130.34N。因此，每个吸盘所需要的吸力为65.17N。爬墙机器人的实际所用的压力为400mbar，提供的吸力为137.2N，因此可以保证2.12的安全系数。4.2 真空压力的变化趋势真空泵的真空压力决定机器人系统的吸力。因此，真空泵的真空压力必须足够大来提供能够支撑机器人重力的吸力。另外，因为机器系统中的24个吸盘直接与真空泵相连接，因此必须保证没有没有空气泄漏的发生。在机器人系统中，随着轮的转动，不同的吸盘连续地吸附到墙面上，真空泵则不停地将吸盘和机械阀内的一定容积空气吸走。由于这个吸走的空气体积的循环变化，真空压力发生起伏波动。真空压力的波动会对机器人的爬墙性能产生不好的影响。为了掌握真空压力的变化趋势，可以将空气流动模型进行简化，如图6。图6 气流简化模型对于图6中的基本模型，有如下方程： （9）其中是在泵的吸气速度为，入口气压为时管子的生产能力。如图6，生产能力可以由式（10）计算： （10）其中，表示流导率，与流体种类和管道的几何形状有关。当只有容器1中有排气装置时，则基于式（9）和（10）的流体平衡方程可以写做： （11） （12）机器人在竖直墙面上攀爬时，总是有6个吸盘同时吸附在墙上，依次有不同组合的吸盘重复吸附和离开墙面的动作。将吸附在墙面上的那一组吸盘的容积作为，离开墙面上的吸盘的容积作为。图7描述了真空泵的性能曲线。泵的吸气速度取决于泵的压力。图8描述了压力和时间的关系。这样一个简单的模拟过程证明了当周期性地将一个规律的容积添加到正在运行的真空泵上时，泵的压力会随着时间变化发生波动。这样一个模拟过程是为了掌握压力的变化趋势。真实中的压力变化情况会更加复杂，因为决定流导率的因素如管道的形状、洞口效应和微小的泄漏都没有考虑在内。图7 真空泵的性能曲线图8 压力波动的期望趋势5 初步实验为了确认机器人的爬墙性能和找出真正的压力变化趋势，我们进行了如图9所示的一系列实验。实验中测得的最大的爬行速度为大约15m/min。机器人静止时的载重能力约为200N。作用在单个吸盘上的压力如图10所示。图9 实验设置图10中所示的实验结果与预先考虑的结果不相同。真空泵不能迅速将将空气吸入泵中。这个严重的问题可能会导致机器人掉落或滑动，因为支承机器人自重所需的吸力不能得到满足。下面将讨论解决这一问题的优化实验方法。图10 爬行速度为11.7m/min时单个吸盘的压力变化6 优化实验6.1 田口法为了通过实验找到最佳的设计参数，最常用的方法是全因子法。但是当设计参数很多时，这种方法是非常耗时间的。田口法提供了找到最佳设计参数的实验步骤。在这种方法中，所有影响性能的因素都可以分为两类：控制因素和噪声因素。控制因素直接决定产品的特征质量，它很容易控制，并且可以通过实验来确定。目前最主要的问题是找出控制因素并确定合适的影响等级。对于机器人系统来说，主要的控制因素包括气管的直径、曲面凸轮的构造以及机械阀内的空气通道数目。其他因素都不是希望的控制因素，如实验中的爬行速度，它们控制起来很困难，或者不可能控制。图11中描述的是采用田口法进行的实验过程。图11 田口法的实验步骤6.2 实验目标和性能指标从初始实验结果可以看出，压力的变化趋势是不规律的，并且比预测的要严重得多。为了得到最好的爬墙性能，将实验目标确定为使真空压力最大，压力波动最小。性能指标Y是一个越小越好指标，其期望值为0。 （13）其中，是实验数据的数目，是真空压力。6.3 控制因素和噪声因素本次实验的目标是使真空压力最大，压力波动最小。事实上，机械阀的开关时间和气流也可能对压力变化产生重要的影响。因此，选取三个控制因素：气管的直径、曲面凸轮的构造和机械阀内的空气通道数目。每个控制因素分为三个等级，每个控制因素每个等级的微调数值见图12和表2。同时，选取爬墙速度作为噪声因素，因为爬行速度无法控制，并且可能会对真空压力产生未知的影响。噪声因素的等级分为两级，即低速和高速。表2 控制因素和噪声因素因素控制因素噪声因素项目气管直径（A）空气通道数（B）凸轮的构造（C）爬墙速度等级18mm0(5.13mm2)4711.7m/min等级26mm1(10.03mm2)55.85.2m/min等级34mm2(14.98mm2)40图12 控制因素示意图6.4 正交矩阵正交矩阵式利用田口法进行实验设计的基础。不同于全因子法，基于正交矩阵设计的实验非常高效。实验设计中采用最常用的矩阵，因为正好有3个控制因素，每个控制因素有3个等级。我们利用正交矩阵一共进行了9个实验。6.5 实验与分析如图9所示的实验设置，吸盘与压力传感器连接。实验根据正交矩阵改变每个控制因素和等级。由于实验的性能指标要求越小越好，可以用如下公式计算S/N比：（14）其中表示噪声因素的等级，表示基于正交矩阵的实验次数。实验结果见表3。每个实验的S/N比可以通过式（14）来计算得到。为了能到最希望出现的结果，必须要找出对压力影响最大的控制因素。由于每个控制因素的影响程度与每个等级的平均S/N比的差异相同因此可以通过计算每个控制因素不同等级的平均实验结果来表示。表3 实验结果控制因素输出YS/N比ABC高速低速11114.153.16-11.3321225.033.61-12.8231335.825.74-15.2442123.642.71-10.1252235.532.99-12.9662315.774.72-14.4473134.304.60-12.9783217.415.89-16.5293324.904.32-13.29例如，-13.13dB可以通过计算控制因素A在等级1的S/N比的平均值来得到。这些结果都现实在表4和图13中。表4 反应表（黑体为重要因素）ABC1-13.13-11.47-14.092-12.51-14.10-12.083-14.26-14.32-13.72差值1.752.852.02极值之间的差的大小表示控制因素对性能指标的影响程度。从表4可以看出控制因素B对S/N比的影响最大，控制因素A对S/N比影响最小。因此，