輪腿式壁面清洗機(jī)器人真空耦合傳遞系統(tǒng)研究?

王妹婷，齊永鋒，蔣 偉，李生權(quán)，包加桐，程宏輝，陸柳延

（揚(yáng)州大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

國(guó)內(nèi)外大中型城市高層建筑外壁面多采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，常年裸露在外，必須定期清潔。國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)研發(fā)了不少壁面清洗機(jī)器人樣機(jī)［1，2］用于替代人工作業(yè)，但目前還沒(méi)有實(shí)用化，究其原因是建筑外墻情況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，機(jī)器人受到自身的通用性、環(huán)境適應(yīng)能力、越障能力等關(guān)鍵技術(shù)的制約。本文作者提出并采用模塊化設(shè)計(jì)方法研究了一種輪腿式壁面清洗機(jī)器人［3］，它采用多吸盤(pán)真空吸附方式，輪腿式與輪式相結(jié)合的移動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)速度快，壁面適應(yīng)能力與越障能力強(qiáng)。其中，真空耦合傳遞系統(tǒng)是該機(jī)器人的重要組成部分，可解決真空發(fā)生器相對(duì)機(jī)器人不動(dòng)而吸盤(pán)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的難題，為機(jī)器人壁面可靠作業(yè)提供吸附力。

1 輪腿式壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)

輪腿式壁面清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由機(jī)器人本體、清洗系統(tǒng)、連接機(jī)構(gòu)、安全保險(xiǎn)裝置組成。其中，機(jī)器人本體主要由集吸附、運(yùn)動(dòng)、越障功能于一體的輪腿吸盤(pán)機(jī)構(gòu)與普通輪式機(jī)構(gòu)組成。

2 真空耦合傳遞系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)構(gòu)成

真空耦合傳遞系統(tǒng)包括真空發(fā)生器、負(fù)壓同步分配器和吸盤(pán)3部分，如圖2所示。

真空發(fā)生器與機(jī)器人固連，吸盤(pán)隨輪腿相對(duì)于機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)，具有自密封功能的負(fù)壓同步分配器連接真空發(fā)生器和吸盤(pán)，真空發(fā)生器對(duì)吸盤(pán)抽真空。負(fù)壓同步分配器由正、負(fù)分配頭及其密封機(jī)構(gòu)組成。正分配頭通過(guò)防轉(zhuǎn)銷安裝于機(jī)器人側(cè)壁上，具有弧形真空通道，經(jīng)耦合真空管與真空發(fā)生器固連。負(fù)分配頭與驅(qū)動(dòng)軸同步旋轉(zhuǎn)，沿圓周方向均勻布置盲孔，盲孔與輪腿轉(zhuǎn)臂一一對(duì)應(yīng)，經(jīng)輪腿轉(zhuǎn)臂、球關(guān)節(jié)與吸盤(pán)連接。軸上安裝了彈簧座和彈簧，以提供負(fù)壓同步分配器的密封壓力。

圖1 輪腿式壁面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2．2 負(fù)壓同步分配器截面形狀

負(fù)壓同步分配器依據(jù)正、負(fù)分配頭的不同截面形狀分為3個(gè)方案，如圖3所示。

圖2 真空耦合傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2．2．1 方案一

方案一的工作過(guò)程如下：真空發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)入弧形真空通道后，負(fù)分配頭隨軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中某個(gè)吸盤(pán)與壁面接觸時(shí)，對(duì)應(yīng)的盲孔對(duì)準(zhǔn)弧形真空通道，負(fù)壓便進(jìn)入盲孔和對(duì)應(yīng)吸盤(pán)，而與壁面分離的吸盤(pán)在真空安全閥的作用下自動(dòng)與系統(tǒng)氣路斷開(kāi)。吸盤(pán)要脫離壁面時(shí)，對(duì)應(yīng)的盲孔與大氣孔對(duì)齊，相應(yīng)吸盤(pán)解除吸附力。依次周而復(fù)始，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)壁面自動(dòng)爬行與作業(yè)。

2．2．2 方案二

方案二工作過(guò)程為：負(fù)壓首先進(jìn)入弧形真空通道后經(jīng)盲孔進(jìn)入負(fù)分配頭上與壁面接觸的吸盤(pán)，而與壁面不接觸的吸盤(pán)與弧形真空通道不連通，不對(duì)吸盤(pán)抽真空，也不會(huì)泄漏真空。吸盤(pán)要脫離壁面時(shí)，對(duì)應(yīng)的盲孔經(jīng)大氣孔與空氣連通，解除吸盤(pán)真空。該方案無(wú)面面轉(zhuǎn)換功能，原因是面面轉(zhuǎn)換時(shí)盲孔與弧形真空通道不連通致使機(jī)器人不能吸附于該壁面。

2．2．3 方案三

方案三工作過(guò)程為：負(fù)壓進(jìn)入弧形真空通道后便隨之進(jìn)入所有盲孔，與壁面接觸的吸盤(pán)可吸附于壁面，與壁面分離的吸盤(pán)在真空安全閥的作用下斷開(kāi)與系統(tǒng)氣路的連接。在前進(jìn)過(guò)程中，吸盤(pán)要脫離壁面時(shí)，必須依靠輪腿上的驅(qū)動(dòng)力矩。

圖3 負(fù)壓同步分配器截面形狀

2．2．4 不同方案機(jī)器人性能分析

分別采用上述3種負(fù)壓同步分配器的機(jī)器人性能指標(biāo)見(jiàn)表1。對(duì)比可知，采用方案一的機(jī)器人具有良好的地壁轉(zhuǎn)換功能和面面轉(zhuǎn)換功能，吸盤(pán)可自動(dòng)脫離壁面，綜合性能比其他方案好。

表1 三種壁面清洗機(jī)器人性能對(duì)比分析

2．3 負(fù)壓同步分配器密封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

負(fù)壓同步分配器正、負(fù)分配頭間相對(duì)低速旋轉(zhuǎn)，密封腔中為負(fù)壓且要求密封性能好，因此采用機(jī)械密封方式。彈簧提供正、負(fù)分配頭之間的端面密封壓力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，彈簧壓力Fs為［4］：

其中：ps為彈簧施加到密封環(huán)帶單位面積上的壓緊力，Pa；A為密封環(huán)帶面積，m2。

3 結(jié)論

從實(shí)用化角度出發(fā)研究了輪腿式壁面清洗機(jī)器人，為解決其相對(duì)機(jī)器人靜止的真空發(fā)生器對(duì)隨輪腿同步旋轉(zhuǎn)的吸盤(pán)抽真空難題，重點(diǎn)研究了真空耦合傳遞系統(tǒng)及其負(fù)壓同步分配器機(jī)構(gòu)。分析了真空耦合傳遞系統(tǒng)構(gòu)成后，根據(jù)正、負(fù)分配頭的不同截面形狀，提出了3種負(fù)壓同步分配器方案，設(shè)計(jì)了密封機(jī)構(gòu)，并分析了采用3種方案的機(jī)器人特性和適用場(chǎng)合。用戶可根據(jù)工作環(huán)境和對(duì)機(jī)器人的性能要求選擇不同方案。

［1］ Sadjadi H，Jarrah Ｍ Ａ．Autonomous cleaning system for Dubai International Airport［J］．Journal of the Franklin Institute，2011，348（1）：112－124．

［2］ Tan Shili， Wang Meiting， Zhang Haihong． Key technology research on wall－cleaning robot with single suction cup ［C］／／The Proceedings of the 2007 International Conference on Life System Modeling and Simulation．Shanghai：Springer，2007：100－104．

［3］ 王妹婷．壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．上海：上海大學(xué)，2010：32－35．

［4］ 徐灝．密封［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1999．