一个爬壁机器人采用履带式车轮的发展机制

一个爬壁机器人采用履带式车轮的发展机制 摘 要 在本文中，一个新的概念关于爬壁机器人能够攀登垂直平面被提出了。一 个连续的拥有 15m/min 高速攀爬速度通过在两个跟踪轮上安上 24 个吸力垫实现 了。每个跟踪轮旋转时，通过专门设计的机械阀使吸力垫按顺序激活吸附在墙 壁上。该工程的分析和跟踪轮详细机制的设计，包括机械阀和整体功能在本文 中被描述。这是一个独立的机器人，其中一个真空泵和一个电源是综合性的远 程控制。该攀登性能，利用该机制，在垂直钢板上被评定。最后，被提出的是 利用田口方法优化实验，最大限度的提高一个关键因素真空压力。 关键词：爬壁机器人;吸垫;履带轮，机械阀，田口方法 在高的地方应用移动机器人作业，如做外墙清洗高层建筑，施工工作，油 画大型船舶和检查核电厂储油罐是必要的，因为他们目前执行方式主要是由人 工操作，十分的危险。因为这个原因，作为一个特定的研究领域的移动机器人， 大量爬壁机器人攀爬垂直表面能力进行了研究和已经在世界各地得到发展1-4。 大多数爬壁机器人在目前的发展中可主要分两个主要职能：运动和粘附。通过 吸力，磁力，微刺联锁和范德华力粘附机制，爬壁机器人能吸附在墙面上。该 机制利用磁力吸附只能利用在由磁性材料组成的表面上4。 机器人用微刺能够很好附着于粗糙表面，但不能工作在类似玻璃表面和天 花板的光滑表面5。机器人使用范德华力模仿壁虎的干燥粘连。这个机制是新 颖的，它不需要粘附力，但表面粗糙度对其粘附力影响较大，因此实际上需要 更多的研究确保其稳健6。吸垫被广泛用于工业用途，相对于其他粘附机制目 前最适用的和最强有力的机制。 在运动机械装置中，它们大致可以分为腿机制，车轮滑动机制和跟踪机制。 一个腿机制的攀爬机器人的优点是他们能够克服凹凸不平表面2,7。但是，他 们是比较沉重，控制系统复杂。这些问题导致低速和不连续运动。同时，滑动 机制相对于腿机制相对简单，但由于连续运动它的速度也很低3,8。朱和 Sun 改进了第二代清洁机器人，它使用一个跟踪轮机制，可以移动较快的连续运动。 它采用的是链轨道式，没个链上安装 52 个吸力垫，每吸垫是由电磁阀控制。但 是，这个机器人有一个大尺寸，长度为七百二毫米，阔度为三百七毫米，和一 个 390 毫米的高度。它还有一个重量级的 22 千克，即使电源和真空泵没有在机 器人中。此外，尽管使用跟踪轮机制，他的最高速度为 8m/min。 在本文中，一个关于爬壁机器人能在垂直墙面上连续运动的概念被提出。 高速攀爬速度通过在两个跟踪轮上安上 24 个吸力垫实现了。在机器人上安装机 械阀代替电磁阀来控制真空吸垫供应，促成了攀登的速度提高。它是真空泵和 电源是联合的一个独立性的机器人。 在这篇文章中，主要机械结构工程设计基础9，无线控制和跟踪轮机制工 作原则进行了描述，并系统中提出了有关吸力和真空系统压力的工程分析。实 验的结果如攀登速度和载荷进行了描述，然后攀登的性能使用该机制验证。最 后，一个关于最大真空压力和最小真空压力的波动优化试验用田口试验方法出 了。 2.机器人系统的设计 2.1 机械结构 如图一所示，机器人是由一个主框架和跟踪轮系统。在主框架上，真空泵， 电源，控制模块和驱动设备安装在上面。跟踪轮系统基本由一个同步带和带轮 组成。 12 个吸盘和机械阀被安装在每个同步带和指导铁路和轮廓凸轮引导抽 吸运动垫根据表 1。机器人车轮转动及机械阀控制操作规格，在轮轴之间固定。 位于机器人两侧旋转接头阻止连接真空泵和吸力垫的气动管与车轮一起旋转。 轮子后面的轴连接一个直流无刷电机，框架的地步安装一个电源。该机器人的 主要规格见表 1 2.2 无线控制系统 由于开/关控制阀是由车轮转动机械操作，只有驱动马达控制，如启动/停止 运动，变化的方向和速度的变化是必要的。如图 2 所示，按照第 1.2 版蓝牙连 接器协议和微控制器，直流无刷电机驱动命令被启用。 3、履带轮的工作原理机制 如上所述，该机器人采用跟踪机制作为运动机制。与腿机制和滑动机制机 器人相比，它可以连续移动，这就是为什么这个机器人爬行速度已有改善。跟 踪论机器人最大爬行速度达到 15 米/分。 如图 3 所示，12 个吸盘和机械阀被安装在每个同步带的外表面，并与每个 从动件相连接。导轨防止从动件轮子转动从一边摇摆到另一边。一个凸轮曲线 剖面位于导轨控制机械阀的操作中。在开始的时候，机械阀是关闭的，因为里 面的阀门弹簧使阀处于关闭。如果一个滚子轴承位于阀的底部陷在凸轮的曲线 剖面，自由流动发生在真空吸泵和吸附垫之间，并且吸力垫使它自己粘在墙壁 上（图 4）。 当吸力垫接近墙壁时，然后吸力垫表面变的与墙壁表面平行时，凸轮剖面 的形状被设计成推动滚子轴承。相反地，当吸力垫从墙壁上撤回时，它释放的 滚筒。这种重复的阀门开/关操作使机器人攀爬墙壁具有很快的速度和连续的运 动状态。 4.分析 4.1 分析所需的吸力 为了防止爬壁机器人掉落或滑倒，足够吸附力来维持该机器人的重量是必 需的。在本节中，防止机器人的坠落或下滑的条件得到解决。 如图 5 所示，从机器人自由体图表获得了四个力和力矩平衡方程。在 x 方 向力的平衡是N3V=0。其中 V 表示每个吸力垫上的真空吸吸附力和 N6 3 1i 代表正常反应的情况下每个吸力垫作用力。同样，在 Y 方向力的平衡是 NW=0。其中 W 表示的机器人的重量， 表示摩擦系数。目前基于 3 1i O 点的平衡方程是：-其中 D 是两个相邻吸力垫之间的距离和 H 代表从墙到 机器人重心的距离。 假设机器人被认为是躯体是僵化的，每个吸力垫上的反作用力相互之间有 彼此的线形关系，还可以得到一个等式。它证明了，墙壁与机器人重心的距离 越近，所获得的吸附力越强。 其次，为了防止机器人的滑动，摩擦力应该大于地心引力。 明显地，当吸附力满足（6）和（8）的条件时，机器人将不会坠落下来或 滑动。当谈到我们的机器人，总重量（W）为 14 千克，两个相邻的吸力垫之间 的距离（D）是 65 毫米，从墙壁到机器人重心的距离（H）是 80mm 和钢铁墙 壁与吸力垫之间的摩擦系数（）大约为 0.35。把这些数值代入（6），使机器 人不坠落所需的吸附力为 84.38 N 和使机器人不滑动所需的吸附力为 130.34N。 因此，使它不坠落和滑动所需要的吸附力是每个吸力垫承受 65.17N。因为在机 器人中使用的吸力实际上约为 137.2 N 气压为 400 毫巴，它保证了安全因素为 2.12。 4.2 真空压力的变化趋势 由真空泵得到的真空压力决定了机器人系统的吸力。因此，为了维持机器 人的重量，真空压力维持所需要的吸力是必要的。此外，不应该有任何的空气 泄漏，因为机器人使用的 24 个吸力垫与真空泵直接连接在一起。在这种机器人 系统种，真空吸泵吸取吸力垫下的空气，并且旋转轮控制机械阀使不同的吸力 垫按顺序粘在墙壁上。从容量的这周期性加法，压力波动能对机器人爬坡性能 施加不好的影响。为了把握压力的变化趋势，简化的条件是仿照图 6。对于这 个基本模式，计算出下面的方程式10。 当机器人爬垂直墙面时，六个吸力垫总是附着在墙壁，并且不同组的吸力 垫吸取和分离相互进行。前者体积为 V 1 和选择后者的体积为 V2 的。如图 7 所示。 机器人使用真空泵的性能曲线。体积流量（抽速泵）取决于压力。图 8 显 示了压力和时间之间的关系。事实上，通过简单的模拟实验证明，真空泵压力 随着体积周期性增大，泵的压力随着时间波动。这种模拟只是抓住压力的变化 趋势。现实的实用性将会更加危机，因为管道的形状，效果和孔板分钟泄漏而 确定的电导值价值，是不被推崇的。 5、初步实验 为了证明爬行机器人性能，并认识真正的压力变化，进行了多次试验，如 图 9 所示。最高攀登速度约 15m/min。当机器人停止运动时，承载能力约为 200 N。一个单独的吸力垫提供压力，如图 10 所示。 结果显示与预期的不同。真空泵没有快速吸取泵里空气的能力。这会导致 严重的问题如图 10。单吸垫压力变动（速度为 11.7 m/min） 机器人坠落或下滑是因为维持该机器人重量的吸力不满意要求。一个改善 郑重问题的优化试验已在本文的下一部分讨论。 6、优化实验 6.1 田口式方法论 通过实验找到一个最佳的设计参数，最常用的方法是完全因子实验。但是， 当有许多设计因素时这种方法浪费时间。田口式方法用实验过程寻找最佳的设 计。在这种方法中，所有影响性能质量的因素可分为两种类型，如控制因素和 干扰因素。前者，决定很重要的特性产品质量，可以由实验者和容易控制的。 主要问题是发现控制的因素，并确定适当的水平。对于机器人系统来说，典型 的控制因素包括气动管直径，外形凸轮的配置，和阀内的数条空气隧道。另一 方面，不同的并且不可控制的是不期望的参数，如在这个实验的攀登速度11, 12。我们用田口式方法试验按照图 11 所示。 6.2 目标和质量特性 从初步的实验，发现压力的变化趋势并不一致，并且很多超过了预期的。 最大限度的提高真空压力和减小压力波动是决定目标，获得最佳的攀爬性能。 因为质量特性，越小性能越好，期望的目标得到零的方法，适用于这一实验。 6.3 控制因素和干扰因素 本实验的目的是，最大限度地提高真空压力和减少压力波动。最后，开/关 阀的时间和空气流通可能对压力的变化产生重大影响。因此，三种控制因素被 提出来：气动管直径，凸轮的配置和空气阀的隧道数量。在这种水平的情况下， 对三种水平的每个控制因子进行了微调。控制的因素和水平如图 12 和表 2 所示。 与此同时，攀登速度被选定为噪音的因素，因为速度的不可控性和可能对理想 的真空压力造成不良的影响。该水平的干扰因子确定在两个层次上，一个低速 和一个高速。 6.4 正交阵列 正交阵列是根据田口试验的方法所设计的。不像完全阶乘实验，实验以正 交阵列为基础是非常有效的。L9（34），这是最常用的 3n的阵列，选择它是因 为控制因素数目是三个还有有就是有三个层次。采用正交阵列履行了这九个试 验。 6.5 实验和分析 从实验方案如图 9 所示，压力传感器连接一吸力垫。基于正交阵列，表 2 所示，该实验进行替换每个控制因素和水平进行处理。由于本实验的质量特征 是“越小越好”，提出关于 S / N 比率计算公式如下。其中 k = 1,2 是指这种水 平的干扰因素，和 i= 1,2，L 9代表实验数据都是以正交表为基础的。表 3 列出 了实验结果。由（14）知道每个实验的 S / N 比率可由（14）获得。为了得到最 期望的结果，有必要去验证控制影响压力的控制因素。由于每个控制因素对不 同水平的平均 S / N 比率的影响是一样的，可以通过计算提出关于每个控制因子 水平的实验结果。 7.结论 在本文中，爬壁机器人采用履带式车轮机制被提出。连续高速攀爬运动被 跟踪轮上安装吸盘的方式获得。工程分析和跟踪轮详细的机制设计，包括机械 阀，进行了描述。利用所提出的机制对在垂直钢面上攀爬进行了评价。最后， 被提出的是利用田口方法优化实验，最大限度地提高真空压力。从这个实验， 性能相关的吸力进行了改进和设计参数进行了优化。现在，一项新的研究开发 一种新型爬壁机器人能够依附在粗糙的表面并且爬上复杂的三维墙体正在取得 进展。 参考资料 1 J. 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