【高楼爬壁机器人吸附方式的设计分析案例3800字】

高楼爬壁机器人吸附方式的设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u20729高楼爬壁机器人吸附方式的设计分析案例 1187341.1吸附原理 1263981.2吸附方式的实现 2174231.3推力式吸附装置的设计 4270521.4压力的产生 61.1吸附原理要保证玻璃清洁机器人在玻璃表面安全稳定地吸附，就必须在气路壳体内产生一个真空负压，这就需要有一个负压产生装置。采用风机抽风使得机器人气路壳体内产生真空负压，这里要求该装置重量轻、体积小、噪音小、机构简单而且安装方便、排风量大、能够迅速建立真空负压，即要求瞬时响应的时间非常短。目前使用的通风机按气流的运动方向大致有三类，即为离心式、轴流式和混流式。气体在离心式通风机的通风机叶轮带动下，是沿离心方向(即沿半径方向)流动的，所以也被称之为径流式；气体在轴流式通风机的腔体内部，沿轴线的方向流动；气体在混流式通风机的通风机叶轮中带动下，气体的流动方向介于离心式和轴流式通风机之间，也被称为斜流式。离心式通风机的特点是比转数低(通常在ns=2.0~12.5),全压高，流量小，被应用于需要提高压力而流量小的场合。因为其流量小，所以对装置的密封性要求严格，对空气泄露敏感。当壁面与吸盘之间存在间隙时，随着吸盘与壁面间隙的扩大，吸盘内负压将会急剧下降。这对机器人在不足够平整的壁面工作极为不利。同时，为了保证密封性而在吸盘边缘设计的各种密封垫在机器人移动时，不仅会产生阻力而且自身由于摩擦也会产生磨损的问题。因此，这种吸附方式对于通用建筑表面的清洁机器人来说并不是非常理想的。轴流式通风机的特点是比转数高(通常在ns=12.5~90)，全压低，风机内气体流量大，被应用于流量大而风压要求不高的场合。并且由于轴流式风机独特的翼型叶片形状，还可以产生一定的反推力。这样产生的复合推力可以被我们所利用。混流式通风机整体机构比较复杂，而且空气的流向也复杂，应用起来较为困难，所以一般不采用。在本文中玻璃清洁机器人的负压及反推力产生装置需要流量大，但对全压要求不高，故采用轴流风机。基于复合吸附方式的玻璃清洁机器人吸附机构基本上由两部分组成，风扇产生的推力和空气流场产生的负压。这两部分都包括若干个设计参数，在这些参数共同作用下，决定了机器人的吸附效果。1.2吸附方式的实现与其他利用反推作用力的壁面移动机器人类似，本文的吸附方式壁面机器人同样是利用螺旋桨的推力将机器人紧压向壁面。与其他利用反推作用力的壁面移动机器人的区别在于，其他利用反推作用力的机器人螺旋桨转轴与墙面成一个倾角，这样推力的一部分可以平衡机器人本体的重力，同时推力垂直于墙面的分量用于产生墙面与机器人行走轮之间的摩擦力。这个方案使平衡重力的推力达到最大效率，但是这要求螺旋桨转轴与墙面的夹角必须精确控制，否则平衡被打破机器人就会倾覆。本文的吸附方式中，螺旋桨推力垂直指向墙面，这样就避免了对推力夹角的复杂控制。由于复合吸附方式中的推力没有得到最高效的利用，我们更需要尽可能寻求增大推力值的途径。为论述如何增大螺旋桨推力，首先讨论的是螺旋桨产生推力的原理。轴流风机中的桨叶与飞行器的螺旋桨类似，桨叶单一处竖截面形状如下图1.1所示。电机带动桨叶旋转，空气以下图的中方式流过桨叶翼面。由于翼面上下线性长度不同但同时到达后缘的关系，所以翼面上下气流速度则不同。图1.3桨叶对气流的影响由于自然界中的流体都遵守流体三大守恒定律，从而我们能够了解流速、压强等运动参数在流流体流动过程中相互影响的变化规律。即得到伯努利理想气体方程，气体总压=静压与动压的和。总压是常数，而动压随流速变化，在数值上等于空气密度乘速度的平方的一半。叶片表面的弯曲度使得一侧表面的空气流速更快从而动压更大，由于总压不变这一侧表面的静压就小了。两侧翼面的静压不同产生压力差，从而产生了推力。图1.4叶栅受力分析图在轴流风扇理论中，在确定半径处对桨叶作环形剖视，可以得到一组叶栅。如图1.2所示。下标“1”和“2”分别表示叶栅(AB，A1B2)气体入口处和出口处的各个参数，下标“a”表示向量沿叶片转轴方向的分量，w向量是气体相对叶片的速度，u向量eq是叶片的速度,c向量是气体的绝对速度，x向量是气体的圆周速度。现在讨论叶栅上的轴向力，叶栅轴向力的和就是系统的总推力取ABB1A1A研究，根据动动量定理，在轴向有方程：Fa+其中：Fa为叶片对气体的作用力(N)P2为A1B1处气体静压(Pa),P1为AB处气体静压(Pa),ΔS为叶栅面积(m2),Δm为单位时间流过叶栅面积的气体质量(kg)。因为低速流动时认为气体密度不变，根据质量守恒有：w1a=根据伯努利理想气体方程，有：P1+式中ρ为气体密度设Ra为气体对风机叶片的作用力，则：Ra=−由（1.78）~（1.80）得：Ra=ρ∙∆S∙u(其中ρ和ΔS是不变的，于是Ra正比于叶片速度和出入口处气流圆周速度和之积。这个结论对于寻求轴流电机产生最大推力很重要。它表明，螺旋桨转速越高，其产生的推力就会越大。这时候，如果入口气流的圆周速度具有与螺旋桨角速度相反的方向，而同时出口气流圆周速度方向与螺旋桨角速度相同，螺旋桨就可以产生最大的推力。圆周速度与叶片外形有关，一方面为了追求更大的圆周速度，我们可以选择具有更大迎角的螺旋桨叶片形状，但是这样选择的同时空气对螺旋桨的阻力矩也会因此变大，这就需要我们在更高的圆周速度和效率之间做出权衡的选择。另一方面，我们可以在气体入口和(或)出口处增加一些导叶得到我们希望的旋转气流，但这会使得机器人的体积和重量增加。我们也可以通过提高桨叶角速度来获得更大的推力，但是同时阻力转矩也会因此增大，这就需要驱动桨叶的电机消耗更大的功率。为了减轻机器人整体重量和提高机器人工作时间，独立的机器人系统可以外接电源线的供电系统，避免携带的电池产生的重量和工作时限上的限制。1.3推力式吸附装置的设计当机器人在壁面进行移动式，需要克服自身重力作业，因此需要轴流风机产生的推力来提供一部分的吸附力。此时机器人主要的负载时自身的重力。如图1.3所示图1.5机器人早壁面运动时受力分析设倾斜角为α0≤α≤f>Gcosα（1.82）当α=0时，螺旋桨产生的最小推力为F=50N。螺旋桨主要依靠气流产生推力，其叶片形状和旋转方向决定了推力的方向，推力大小为：T=K其中：ρ为空气密度，ρ=1.29kg∕m3，D为螺旋桨直径，D=200mm；KT为了给螺旋桨提供这一推力，需要输入的扭矩为Q=ρn2其中KQ螺旋桨推力T和输入扭矩Q分别为：T=121.72NQ=0.51N⋅m因此所需输入功率为P=50Qn9.55根据功率选择的风机为型号为YWF2S-250型轴流式风机，其转速为2400rpm，输入功率为110W。1.4压力的产生由上文可知根据伯努利原理，当气流流过翼面时螺旋桨出口面与入口面的气体静压将有一个压差。如果出口连通大气，出口气压等于大气压，则入口端气压将低于大气压。同时，当入口端气流被外壳包裹时壳壁内外存在相通的气压差，气压差使得外壳受到额外的气体静压力。调整外壳的角度，可以使得外壳受到气压的合力指向来流方向。图1.6轴流风机气体函道外壳这里需要强调，上文提出的产生负压的方法与传统的使用真空泵或者离心风机产生负压的方法是不同的。真空泵和离心风机是将负压腔内气体排出产生高负压，本文的方法则是利用气体流速提高时动压上升而时静压下降的原理。此方法带来的优点是由于此方法空气流量很大，于是吸盘在一定能范围内对流量变化不敏感。这对于提升玻璃清洁机器人在复杂的玻璃表面的适应能力有很大的好处。现在，我们考虑如下图1.4所示的复合吸附吸盘，推力和负压在机器人工作时同时产生作用。当轴流电机功率一定时，这两方面的作用最恰当组合使得机器人获得最大的吸附推力。最佳工作方式需要考虑到的因素很多，如吸附腔外壳的形状和尺寸、吸盘与墙面间隙的高度、腔内流场等等。为了简化对这个问题的讨论研究，我们首先分析吸盘与壁面间隙是在机器人工作时产生的影响。图1.7Creo建立的复合吸附吸盘外形当机器人工作在图1.6(a)状态，即间隙为0时，螺旋桨工作在类似真空泵的工作状态。此时螺旋桨使负压腔内气体排出而产生负压，当螺旋桨启动后不久会达到动态平衡，气体停止排出。尽管与图中(b)(c)状态相比(a)状态可以获得最大的负压，但由于工作原理的不同，但它无法达到真空泵或离心风机能实现的负压。不仅如此，这时阻力提高功率上升，并且由于流量极小，螺旋桨只能获得非常小的推力。a）高负压，低推力(b)中负压，中推力(c)低负压，高推力图1.8间隙不同产生的三种工作状态当机器人工作在图中(c)状态时，轴流电机效率最高，这时工作状态与轴流风机类似。同时在这种情况下负压腔基本直接连通大气，只有在距离螺旋桨很近的区域才有负压作用，所以这时吸盘负压腔不能产生足够的负压吸附。尽管状态(c)能够产生最大的推力作用，但它不能达到最佳的吸附效果。当机器人工作在状态(b)时，通道内保持有一定量的气流，这时推力仍然可以近似的由方程(5)估算。这时气流经过吸盘壁面间隙流入负压腔时受到阻碍，腔内气体不是直接与大气相连，于是在腔体内外得以产生压差。尽管状态(b)消耗了比状态(c)更大的功率，但它可以获得推力和负压的最佳组合。另一个问