一種斜推式爬墻機(jī)器人的分析與設(shè)計*

徐 聰，韓奉林，劉曼玉，張瑞強(qiáng)，陳 帥

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410012)

一種斜推式爬墻機(jī)器人的分析與設(shè)計*

徐 聰，韓奉林，劉曼玉，張瑞強(qiáng)，陳 帥

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410012)

為解決爬墻機(jī)器人載重小、效率低等問題，提出了一種利用涵道風(fēng)扇的斜推力使機(jī)器人吸附在墻面的爬墻原理，并制作了一款樣機(jī)驗證原理的可行性。這種爬墻機(jī)器人的風(fēng)扇推力與墻面之間有一個夾角，將推力分解成沿墻面豎直向上的分力和垂直于墻面的附著力。機(jī)器人依靠風(fēng)扇向上的分力和因附著力產(chǎn)生的摩擦力的合力而停附在墻面。通過實驗，機(jī)器人停附在墻面上所需推力小于自身重力，推力的利用率高。

爬墻機(jī)器人;涵道風(fēng)扇;斜推力;吸附

1 引言

隨著人類的建筑物高度不刷新，高層建筑的各種問題隨之而來，高層建筑的維護(hù)、救援成了一個棘手問題［1－2］。除了建筑方面，在諸如造船、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域［3－4］，高空極限作業(yè)也成了不可避免的工作。正是在這種背景下爬墻機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

現(xiàn)有的爬墻機(jī)器人大部分依靠吸盤吸附方式［5］，對墻面要求高，大部分依靠步行前進(jìn)［6］，行進(jìn)速度緩慢，實際應(yīng)用不理想。還有一種依靠噴氣正壓力使機(jī)器人與墻面間產(chǎn)生摩擦力從而停留在墻面的原理。這種爬墻機(jī)器人雖可利用目前非常成熟的大功率噴氣類發(fā)動機(jī)，但是大部分物體間的摩擦系數(shù)都在0.3～0.8之間［7］，機(jī)器人停留在墻面的推力是機(jī)器人自身重力的2倍左右，顯然比較困難。因此在實際應(yīng)用中，這種機(jī)器人一般通過絞盤纜線懸掛，風(fēng)扇所提供的僅是貼附力，實際應(yīng)用存在諸多不便［8］。

筆者所討論的爬墻機(jī)器人是一種基于筆者所提出的斜壓式新型爬墻原理，機(jī)器人依靠風(fēng)扇向上的分力和因附著力產(chǎn)生的摩擦力的合力而停附在墻面。

2 斜推式爬墻機(jī)器人原理

斜推式爬墻機(jī)器人主要由底盤和旋動噴氣裝置組成，能在任意角度的平面內(nèi)360°行駛、轉(zhuǎn)向以及懸停。通過增加相關(guān)附件，可以在墻面、棚頂?shù)葮O限環(huán)境進(jìn)行清洗、檢查等工作。

機(jī)器人的升力由風(fēng)扇產(chǎn)生，風(fēng)扇與車體之間有一夾角，推力被分解成沿墻面豎直向上的分力和垂直于墻面的附著力，見圖1(a)所示。機(jī)器人的總升力為風(fēng)扇向上的分力和因附著力產(chǎn)生的摩擦力之和。要保證風(fēng)扇的推力在一定范圍之內(nèi)以免機(jī)器人發(fā)生滑動。在墻面上時，機(jī)器人的重力與風(fēng)扇推力會產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)力矩，因此需合理的設(shè)計機(jī)器人結(jié)構(gòu)才能保證機(jī)器人不發(fā)生傾覆。機(jī)器人在墻面轉(zhuǎn)向行駛時，必須要保持風(fēng)扇的推力方向始終向上，通過合理設(shè)計，依靠風(fēng)扇和電池的自重力，很巧妙的實現(xiàn)了風(fēng)扇自重力豎直。

2.1 升力與附著力計算

為了便于計算，將機(jī)器人的受力狀態(tài)用一個在墻上受到一斜向上推力F作用的物體代替見圖1(b)所示。物體受到向上的合力為F升，當(dāng)摩擦力方向向上時，F(xiàn)升與風(fēng)扇和車體間夾角θ及輪胎和墻面間摩擦系數(shù)μ的關(guān)系為:

當(dāng)θ為最佳偏轉(zhuǎn)角時，機(jī)器人的總升力F升是風(fēng)扇推力F的倍，見圖1(b)，所需最小推力比自身重力小。引言里所提到的采用正壓力吸附的爬墻機(jī)器人，則需自身重力1.5～3倍左右的推力。因此采用斜推方式，風(fēng)扇推力的利用率被大大的提高了。

機(jī)器人的附著力大小為F附=F·cos θ，附著力在這里保證了機(jī)器人能很好的帖附于墻面，不能隨意滑動。同時，在機(jī)器人行進(jìn)過程中，因貼附力所產(chǎn)生的摩擦力充當(dāng)了機(jī)器人前進(jìn)時的輪緣牽引力。

圖1 基本原理圖

2.2 抗滑移分析

為保證機(jī)器人在墻面的平穩(wěn)運(yùn)行，一定要防止車體在墻面上發(fā)生滑移，因此要保證風(fēng)扇的推力在一定范圍之內(nèi)，風(fēng)扇推力過大輪胎與墻面之間將發(fā)生滑動摩擦，機(jī)器人將向上滑動，反之，當(dāng)推力不足時將向下滑移［7］。

下面以保持風(fēng)扇偏轉(zhuǎn)角最優(yōu)(即θ=π/2－φ)時，計算風(fēng)扇推力范圍。

(1)最小推力Fmin

為對以上各式有更直觀的認(rèn)識，取橡膠與粗糙水泥的摩擦系數(shù)μ=0.5［9］為輪胎與墻面之間的摩擦系數(shù)時，風(fēng)扇在豎直平面最佳偏轉(zhuǎn)角θ=26.56°，機(jī)器人獲得升力F升為1.12F，附著力F附為0.45F，風(fēng)扇推力范圍為0.89G～1.49G。

2.3 抗傾覆分析

斜推式爬墻機(jī)器人風(fēng)扇推力和重心與車體平面不重疊，將會產(chǎn)生一個易使機(jī)器人傾覆的力矩，下面結(jié)合圖2分析機(jī)器人在墻面上的受力情況:

(忽略輪胎摩擦力矩的影響)

式中:H、h分別為風(fēng)扇作用點及重心距離車體表面高度;L為前后輪軸距;l為風(fēng)扇距后輪軸距離。

圖2 受力分析

當(dāng)機(jī)器人軸距L和l滿足上述關(guān)系時，機(jī)器人前后輪與墻面壓力相同，車體不會發(fā)生傾覆趨勢。

由上式可以發(fā)現(xiàn)，車體傾覆發(fā)生的原因主要與軸距L和l大小有關(guān)，既與風(fēng)扇的位置有關(guān)。

2.4 風(fēng)扇自重力豎直原理

機(jī)器人在墻上轉(zhuǎn)向時，為確保機(jī)器人在車體發(fā)生偏轉(zhuǎn)時仍然能夠安全的貼附于墻面，須始終保證風(fēng)扇推力的方向不變，風(fēng)扇不能隨車體底盤一起偏轉(zhuǎn)。其中一種方案是設(shè)計一個可繞底盤中心軸自由旋轉(zhuǎn)的支架，并將風(fēng)扇和電池置于支架后方，使其重心遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心(見圖3)。如果不考慮風(fēng)扇推力影響，支架整體會像一個重力擺一樣永遠(yuǎn)保證豎直。考慮到風(fēng)扇有遠(yuǎn)大于支架本身重力的推力，因此做以下分析。

風(fēng)扇有向上推力，其作用方向指向旋轉(zhuǎn)中心O (見圖3)，當(dāng)車體偏轉(zhuǎn)時，假設(shè)支架中心線與豎直方向有一偏角δ，此時重力P的方向已不再指向旋轉(zhuǎn)中心O，P將產(chǎn)生一個回復(fù)力矩M，滿足以下關(guān)系:

式中:P、k分別為支架、電池、風(fēng)扇總重量及其重心與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離;Mf為風(fēng)扇因裝配誤差產(chǎn)生的推力偏心力矩及旋轉(zhuǎn)軸摩擦力矩之和，是個很小的值。由于Pk比Mf大很多，因此支架偏轉(zhuǎn)角δ非常小，無論車體如何偏轉(zhuǎn)，支架與豎直平面的夾角始終控制在這個很小的偏轉(zhuǎn)角內(nèi)，風(fēng)扇推力的方向沒有受到明顯影響。

圖3 風(fēng)扇自重力豎直原理

3 新型爬墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)

3.1 基本結(jié)構(gòu)

爬墻機(jī)器人主要由底盤和旋動噴氣裝置兩部分組成見圖4。底盤是保證機(jī)器人在壁面運(yùn)行的裝置，旋動噴氣裝置則保證了機(jī)器人穩(wěn)定地帖附在墻面上。下面對底盤和旋動噴氣裝置進(jìn)行介紹。

圖4 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

底盤包括動力、傳動、推進(jìn)、轉(zhuǎn)向、控制等部分。由直流電機(jī)通過帶有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速器驅(qū)動。減速器的自鎖功能保證了車體在墻面靜止工作時可以穩(wěn)定的帖附于墻面上，不能產(chǎn)生滑動。機(jī)器人的推進(jìn)方式可為兩種:輪式推進(jìn)和履帶推進(jìn)。采用輪式推進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡單、行駛方便、快捷。采用履帶推進(jìn)可以增強(qiáng)機(jī)器人的越障能力和附著力，適合應(yīng)用在更惡劣的環(huán)境。

旋動噴氣裝置以一支架為主體，集中安裝有風(fēng)扇、電池等部件。風(fēng)扇可以在支架上俯仰偏轉(zhuǎn)從而使其適應(yīng)不同角度的平面。支架通過可自由旋轉(zhuǎn)的軸與底盤相連，風(fēng)扇和電池安裝在支架后方，當(dāng)車體在墻面上轉(zhuǎn)向時，支架依靠重力可以實現(xiàn)自動豎直，保證了風(fēng)扇的推力始終向上。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)總體設(shè)計要求

設(shè)計流程如圖5所示。確定機(jī)器人設(shè)計要求:空重≤500 g，載重≥50 g，總尺寸不大于300×250，控制距離≥50 m，續(xù)航時間≥10 min。

圖5 設(shè)計流程圖

(2)確定相關(guān)參數(shù)

如在式(4)中，取橡膠與粗糙水泥的摩擦系數(shù)取μ=0.5，根據(jù)式(1)風(fēng)扇偏轉(zhuǎn)角θ=26.56°，取標(biāo)準(zhǔn)推力F=1.2G。H由風(fēng)扇半徑R和支架高度Δ確定:

根據(jù)設(shè)計要求，選取64涵道式風(fēng)扇，標(biāo)配2 200 mAh電池和2 000 kV的電機(jī)，風(fēng)扇標(biāo)準(zhǔn)推力為700 g，半徑為32。旋轉(zhuǎn)支架高度Δ在5～10，所以H= 35。h=H/3≈12h由車體、電池、風(fēng)扇之間的重量和位置關(guān)系決定，通過估計計算得:

由以上相關(guān)參數(shù)，結(jié)合式(7)得:

當(dāng)N1－N2=0前后輪對墻面壓力相等，車體受力平衡，此時L與l的關(guān)系為:

根據(jù)風(fēng)扇、電機(jī)和電池尺寸，l的范圍為:

式中:風(fēng)扇寬度M=25，電池寬度b=15，所以l＞35。

依據(jù)設(shè)計要求總體尺寸在250×200之內(nèi)，所以選取l=35，此時軸距L=165。

為確保車體在墻面任何方向上自由行使時均不發(fā)生傾覆，我們?nèi)≥喚郆=L，則B=165。最終確定車體主要參數(shù)如表1所列。

表1 斜推式爬墻機(jī)器人主要尺寸

4 樣機(jī)驗證

為了驗證這種斜推式爬墻原理的可行性，最終利用專業(yè)航空模型上使用的風(fēng)扇、電池、控制器等部件，制作出原理驗證實物。

采用實地實物的測試方法對機(jī)器人的基本情況進(jìn)行測試。在沒有更新電源的情況下，機(jī)器人分別在一塊墻面和一塊平整的石頭上進(jìn)行了行駛、轉(zhuǎn)向、靜止共計2'30″的測試(見圖6)。在測試中，機(jī)器人運(yùn)行正常，沒有出現(xiàn)滑動、傾覆現(xiàn)象，吸附性能良好。

圖6 實物演示

實驗結(jié)果表明:該機(jī)器人只需依靠自身攜帶的電池，便能很好地吸附在墻壁甚至石頭上，能實現(xiàn)平面內(nèi)360°行駛。斜推式爬墻機(jī)器人在墻面適應(yīng)性、運(yùn)行速度、可靠性方面具有很大優(yōu)勢，達(dá)到了初步的設(shè)計目的。

實驗過程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，首先是風(fēng)扇的震動比較強(qiáng)烈，噪聲較大。其次是由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時會有一個逆向力矩給車體，造成了機(jī)器人兩側(cè)履帶與墻面之間的抓地力不同，使機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時受到影響。在后續(xù)的工作中將在這兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

5 結(jié)語

利用風(fēng)扇斜推力使機(jī)器人停留在墻面，在爬墻類機(jī)器人的研究中這是一種新的嘗試。它對墻體表面沒有特殊要求，對風(fēng)扇推力利用率又較高，可以采用快速的輪式或履帶推進(jìn)方式，具有一定越障能力，適用性較強(qiáng)。另外還可以廣泛采用航空領(lǐng)域成熟的技術(shù)，利于將這種爬墻機(jī)器人推向一個廣闊的發(fā)展應(yīng)用平臺［10］。

［1］ 江 勵，管貽生，蔡傳武，等.仿生攀爬機(jī)器人的步態(tài)分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2010(10):18－22.

［2］ 劉明芹，戴永雄，黃文攀，等.小型吸附式爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及平衡性［J］.機(jī)械設(shè)計及制造，2011(5):146－148.

［3］ 王園宇，武利生，李元宗.壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢淺析［J］.引進(jìn)與咨詢，2002(4):3－4.

［4］ Kim S A T.Asbeck M R.Cutkosky W R.Provancher SpinybotII: Climbing hard walls with compliant microspines［C］.IEEE ICAR，Seattle，WA，2005:601－606.

［5］ 潘裴林，韓秀琴，趙言正，等.日本吸附移動平臺的研究現(xiàn)狀［J］.機(jī)器人，1994，16(6)379－382.

［6］ Juan Carlos Grieco，Manuel Prieto，Manuel Armada，Pablo Gonzalez de Santos.A six－legged climbing robot for high payload［C］.Proceedings of IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，Trieste，WA，1992:446－450.

［7］ 秦大同，謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版，2001.

［8］ 史 強(qiáng)，李 露，邱自學(xué).懸吊式高空消防機(jī)器人的設(shè)計及姿態(tài)控制原理［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2013(1):162－164.

［9］ 孫建林，蕭田國，黃立宇，等.橡膠輪胎與路面間摩擦模型及分析［J］.青海大學(xué)學(xué)報，2004(4):2－5.

［10］ 杜 輝，陳葆實，胡國榮，等.風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動設(shè)計系統(tǒng)建設(shè)初探［J］.航空動力學(xué)報，2007，22(3):453－459.

Analysis and Design of a Wall－climbing Robot Relying on Oblique Thrust

XU Cong，HAN Feng－lin，LIU Man－yu，ZANG Rui－qiang，CHEN Shuai
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410012，China)

In order to improve the loading capacity and effciency of the wall－climbing robot，the theory about how to have the robot adsorbed on the wall by making use of the oblique thrust of the culvert fan is put forward.And the model machine is used to test and verify the feasibility of the theory.There is an included angle between the fan's thrust and wall space.So the thrust can be divided into two parts:the upward component force along the wall and the adhesive force perpendicular to the wall，and then the former one and the friction force caused by the latter one will be composed to make the robot on the wall.The conclusion can be reached by experiment research that when the thrust keeping the robot on the wall is less than its own gravity，the effect of the thrust is better.

wall－climbing robot;culvert fan;oblique thrust;adsorb

TP24

A

1007－4414(2013)05－0110－04

2013－08－13

徐 聰(1991－)，男，遼寧鞍山人，在讀本科，研究方向:機(jī)械設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計。