一种履带吸盘式清洁机器人自动配气机构设计和行走吸附力要求分析

爬壁机器人可有效吸附在壁面上进行攀爬运动，并借助专用装备完成壁面清洗、设备检测等工作。清洁机器人是极限作业机器人的一个分支，是爬壁机器人在壁面清洗领域的一个重要应用。在进行壁面清洗时，工作环境和工作方式要求清洁机器人对倾斜(如太阳能电池板表面等)甚至铅垂(如高层建筑玻璃幕墙外表面等)的壁面具有良好的适应性，能够在壁面进行攀爬和灵活行走，并能代替人类完成壁面清洗工作。使用机器人进行清洗，可以大幅提高清洗效率、降低清洗成本，具有良好的市场潜力和实用价值。

目前，对太阳能电池板和玻璃幕墙表面等进行清洗工作的清洁机器人多采用吸附方式进行壁面行走，吸附方式主要有磁吸附和真空吸附，行走机构有轮腿式、足式、履带式等类型。

履带吸盘式机构由于具有运动的连续、平稳和良好的壁面适应性，已广泛应用于爬壁清洁机器人的行走机构。机器人在壁面行走时，始终在动态中保持一定数量的吸盘处于负压吸附状态，因此吸盘负压的断通控制决定了机器人吸附可靠性，是行走机构设计的关键所在。文献[1]利用喷气式发动机产生的正压力作用于吸盘，使其吸附于壁面，并依靠继电器和换相片控制吸盘气流通路的通断；文献[2]采用真空泵作为吸盘的真空发生器，利用控制电路和压力传感器的配合控制吸盘气阀的通断；文献[3]为每个吸盘单独配有一套配气管道。可见，由于当履带与吸盘组合时，吸盘多且位置循环变化，因此吸盘负压的断通控制是关键，而传统配气方式主要依据吸盘所处的位置和工作状态通过对多个电磁阀的协调控制实现吸盘负压的断通，不仅要根据吸盘的数量配置许多电磁阀，而且协调控制的要求高，吸附可靠性难以保证。

本文针对履带吸盘式机器人，提出一种新型的自动配气机构，通过纯机械方式实现履带行走与吸盘配气的联动，并对机器人的壁面吸附状态进行静力学分析，获得吸盘气压值需满足的范围。

1 机器人结构和吸附工作方式

1.1 机器人整体结构

爬壁清洁机器人整体结构如图1所示，采用履带吸盘式的行走机构，机器人机身两侧完全对称，分别有一套履带吸盘系统，直流电机安装于机身尾部，通过减速器驱动履带运转，真空泵安装于机身前端，在真空泵与两侧行走机构之间各有一套自动配气机构，可实现两侧履带吸盘的纯机械方式自动配气。机器人尾部与清洗系统相连，清洗系统包括清洗腔、污水循环系统和管道阀门。为防止如因断电等外力因素导致机器人掉落的意外情况出现，在壁面顶端固定有卷扬机，并缠绕钢索，钢索另一端固连于清洁机器人机身(图中未示出)。

1—真空泵；2—机身底板；3—转向系统；4—吸盘；5—履带；6—驱动电机与齿轮传动；7—清洗系统；8—自动配气机构

图1 机器人整体结构

1.2 自动配气机构

如图2所示，行走机构端部同步轮处设有一套自动配气机构，该机构包括真空分配环外壳、外分配环、内分配环及轴承、螺钉螺母等连接件，真空泵管道与真空阀结构连通。当吸盘运行到机身前端时，与该机构对接，吸盘自动吸气产生负压，并吸附于壁面，随后吸盘自动与该机构脱离，保持负压吸附状态。

1—履带传动链轮；2—动分配环；3—分配环外壳；4—轴承座

图2 自动配气机构

1.3 真空吸盘机构

如图3所示，真空吸盘内含有两条通道，分别为吸气通道和放气通道，两条通道与外界之间各有一个阀门，控制各自通道气体的流通。

1—吸盘；2—真空通道腔体；3—吸气口；4—放气口；5—杠杆机构；6—吸盘；7—真空通道密封圈；8—真空腔体；9—水平真空通道；10—竖直真空通道；11—吸气阀；12—吸气堵头；13—第二螺母；14—垫圈；15—第二压缩弹簧；16—放气阀；17—第二推杆；18—外接杠杆机构；19—第三压缩弹簧；20—放气堵头；21—底部密封圈；22—防滑圈

图3 真空吸盘机构

1.4 吸附系统工作方式

如图4所示，工作时，真空阀机构安装于机器人机身前端，电机驱动主轴运转，从而使动分配环5和链轮2连续运转，链轮2带动履带连续运转，固连于履带上的吸盘6(图3)随履带运动。第一推杆6在真空分配环外壳7上的凸轮槽18和动分配环5共同限制下，在做回转运动的同时，也在动分配环5的径向孔17中作往复运动，内静分配环9的圆通孔与真空管道接口对接，真空管道通向外部的真空泵，保持真空泵持续工作，故外静分配环8的弧形通孔与内静分配环9的圆通孔始终保持真空状态，而动分配环5由于转动，其8个沉孔循环交替地处于真空状态或非真空状态，而吸盘6(图3)随履带运动刚好与第一推杆6对接，随后第一推杆6与吸盘6(图3)共同回转的同时，第一推杆6外推，使吸嘴进一步深入第一推杆6中；该吸盘6(图3)与水平真空通道9(图3)连接，开始抽气，吸气堵头12(图3)向上运动，竖直真空通道10(图3)打开，水平真空通道9(图3)保持闭合；抽气完毕，吸盘6(图3)吸嘴离开第一推杆6，竖直真空通道10(图3)与水平真空通道9(图3)均闭合，吸盘6(图3)保持吸附状态；吸盘6(图3)运动到机器人机身尾部，尾部装置触发吸盘6(图3)的杠杆机构18(图3)，第二推杆17(图3)向外运动，水平真空通道9(图3)打开，吸盘6(图3)与大气相通，结束吸附状态。

1—第一螺母；2—链轮；3—弹簧座；4—第一压缩弹簧；5—动分配环；6—第一推杆；7—真空分配环外壳；8—外静分配环；9—内静分配环；10—轴承座；11—深沟球轴承；12—轴承盖；13—芯轴；14—螺钉；15—键；16—活塞；17—径向孔；18—凸轮槽；19—滚子

图4 自动配气机构剖视图

该工作方式实现了履带运动和吸盘配气的联动，即吸盘内负压断通状态的变化不取决于时间，而只与吸盘所处位置有关，吸盘刚接触壁面时自动吸附，离开壁面时自动结束吸附状态，大大降低了吸附机构的复杂度，且具有良好的吸附可靠性。

2 机器人铅垂壁面行走吸附力要求分析

2.1 力学模型

机器人仅仅依靠固连于履带的若干真空吸盘的吸附作用吸附于壁面，并且依靠吸盘的交替吸附实现机器人的壁面行走，因此真空吸盘的有效吸附是保证机器人正常工作的必要条件。图5为机器人在铅垂壁面向下行走时，单侧履带的受力简图。图中：G为机器人整体重力；T为卷扬机钢索牵引力；Fi为第i个吸盘吸附力；为壁面对第i个吸盘的反作用力；fi为壁面对第i个吸盘的静摩擦力；Fsn为壁面对滚刷的法向反作用力；Fsτ为壁面对滚刷的切向反作用力；H为机器人重心距墙面的距离；hi为第i个吸盘距最下面一个吸盘距离；h′为滚刷距最下面一个吸盘距离。

2.2 吸附力要求分析

单个真空吸盘吸附力Fi只与吸盘内外气压差和有效吸附面积S有关[4]：

图5 机器人受力简图

Fi=(P0-P)S

(1)

式中：P0为标准大气压；P为吸盘内绝对气压。

壁面对第i个吸盘的静摩擦力fi只与壁面对该吸盘的反作用力和壁面静摩擦系数μ1有关：

(2)

若吸附状态单侧履带吸盘总数为n，则机器人x,y方向受力平衡关系如下。

x方向：

(3)

y方向：

(4)

由于机器人必须吸附于壁面，因此必有：

(5)

为保证安全，减小钢索所受瞬时冲击力，钢索需始终存在拉力：

(6)

由式(1)、(3)、(5)联解可得：

(7)

由式(2)、(4)、(6)联解可得：

(8)

综合式(7)、(8)可得机器人有效吸附时吸盘内气压值范围：

(9)

将机器人所受外力对A点取矩，得力矩平衡方程为：

(10)

机器人能可靠吸附于壁面不发生倾覆翻转，则位于机器人顶端的滚刷必须紧贴壁面，即壁面对滚刷的正压力始终大于零：

Fsnh′>0

(11)

若吸盘与壁面接触面积为S0，则真空吸盘受壁面正压力F′的公式为[5]：

F′=P0(S+S0)-PS

(12)

联解式(10)、(11)、(12)可得：

(13)

式中：Δh为相邻两个吸盘吸附中心的间距；

综合式(9)、(13)可知，欲使机器人可靠吸附于壁面，吸盘内压力需满足以下条件：

(14)

2.3 数值计算

机器人物理参数见表1。

表1 机器人物理参数取值

将表1中参数代入式(14)中可得：

故P取值范围为：

72.754kPa<P<94.182kPa

即吸盘内相对真空压力ΔP(ΔP=P-P0)应满足：

-28.571kPa<ΔP<-7.143kPa

目前真空压力控制器已可实现真空度在-0.1～0MPa范围内的变化，所得吸盘内需满足的真空度范围处于较低水平，依靠真空压力控制器达到该真空度是完全可行的。

3 结束语

本文提出了一种具有新型自动配气机构的履带吸盘爬壁清洁机器人实现方案，配合真空泵可以实现吸盘的纯机械自动配气，并且经过静力学分析，得出了机器人铅垂壁面行走时的吸盘吸附力取值范围，为该类机器人的设计开发和应用提供了技术基础。