基于涵道推力式擦玻璃機(jī)器人的可行性分析

宋沛奇　王國軍

摘 要：本文提出了一種利用涵道高速推進(jìn)器的提供正推力使得工作機(jī)器人貼附在清潔面上的原理，通過力學(xué)上的計(jì)算證明了該設(shè)備的可行性，并試制了一款樣機(jī)來驗(yàn)證其實(shí)際利用價值。

關(guān)鍵詞：擦玻璃機(jī)器人；涵道高速推進(jìn)器；推力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.195

1 壓力式擦玻璃機(jī)器人原理

本文所設(shè)計(jì)的高空玻璃清潔機(jī)器人可分為行走機(jī)構(gòu)、擦除機(jī)構(gòu)、沖洗機(jī)構(gòu)幾部分組成，可在任意角度的墻面進(jìn)行自由行走，停附，通過其他的部件可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有高空建筑的外墻面棚頂?shù)葮O限位置的玻璃進(jìn)行清潔工作。機(jī)器人的行走動力由橡膠車輪與其直接相連的大扭矩電機(jī)提供，吸附力即為涵道風(fēng)機(jī)提供推力，同時依靠正推力和墻面產(chǎn)生足夠摩擦力使得機(jī)器人抓牢，停附。由于涵道風(fēng)機(jī)的推力較大需要控制在一定范圍之內(nèi)，以保證行走裝置克服摩擦自由行走，同時機(jī)器人不會滑落。

當(dāng)機(jī)器人停附在清潔面上時，機(jī)器人的自身重力和涵道風(fēng)機(jī)的重力會造成一定的傾覆力，所以需要通過推算，來確定機(jī)器人的底盤與接觸面的距離，以及涵道風(fēng)機(jī)施加推力時保持最佳推力利用的距離。經(jīng)過合理計(jì)算，巧妙實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人克服傾覆力而停附及行走的功能。

2 論設(shè)計(jì)及計(jì)算校核

2.1 傾覆力分析

由于兩個涵道推進(jìn)器分布于四個輪子中間位置，產(chǎn)生推力時與機(jī)器人的重心重合，不會產(chǎn)生傾覆力矩[1]。

2.2 可行性分析[2]

擦玻璃機(jī)器人有兩個極限位置，一是當(dāng)機(jī)器人與墻面垂直位置，如下圖2所示，此時機(jī)器人動力和抓地力由輪子提供，車輪與墻面（或者玻璃）的摩擦力必須克服小車整體重量；二是小車倒立與屋檐（即小車能倒立懸浮在空中），如下圖3所示，此時機(jī)器人的車輪提供動力，涵道推進(jìn)器的推力需大于重力。

（1）當(dāng)擦玻璃機(jī)器人所處的玻璃墻面為與地面垂直狀態(tài)時，小車受到四個力同時作用，即：小車重力G，推進(jìn)器的推力T，玻璃墻面對小車的支撐力N，及由小車輪子與墻面之間產(chǎn)生的摩擦力F。

查資料可知，橡膠與一般玻璃間的摩擦系數(shù)為0.2～0.3取值為0.2。設(shè)計(jì)車輛自重為2KG，初選推進(jìn)器的正推力為6G（每個）；當(dāng)處于此狀態(tài)下，墻面給小車的摩擦力需大于等于小車重力，才能使小車能停附和行走。

摩擦力：F=N*f=T*f=6*2*0.2*9.8=23.52（牛頓）

重力：G=M*g=2*9.8=19.6（牛頓）

在此狀態(tài)下：F>G，故小車能在墻面停附及行走。

（2）當(dāng)擦玻璃機(jī)器人所處的玻璃墻面倒懸與地面時（屋頂狀態(tài)），小車受到三個力同時作用，即：小車重力G，推進(jìn)器的推力T，玻璃墻面對小車的支撐力N當(dāng)小車需要運(yùn)動時，由小車輪子與墻面之間產(chǎn)生的摩擦力F提供動力。當(dāng)處于此狀態(tài)下，涵道提供的正推力需大于等于小車重力，才能使小車能停附和行走。

推力：T=T*2=6*2*9.8=117.6（牛頓）

重力：G=M*g=2*9.8=19.6（牛頓）

在此狀態(tài)下：T>G，故小車能在墻面停附及行走。

考慮到小車處于兩種極限位置時小車均能正常停附及行走，故該設(shè)計(jì)方案可行。

2.3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

機(jī)器人主要由涵道風(fēng)機(jī)推力裝置及底盤組成。底盤又由行走機(jī)構(gòu)、清理機(jī)構(gòu)及沖洗機(jī)構(gòu)組成。底盤保證了擦玻璃機(jī)器人在清潔面上工作，而涵道推進(jìn)器推力裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)器貼附在清潔面上以實(shí)現(xiàn)清潔工作的可靠與穩(wěn)定。

3 樣機(jī)的測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的機(jī)器人方案的可實(shí)施性，最后選取了現(xiàn)在比較成熟的航模的涵道推進(jìn)器高速風(fēng)機(jī)，以及相應(yīng)標(biāo)配的電池和控制部件，帶細(xì)軟毛刷的絲桿螺母等為自制部件，初步制造出了簡易模型，進(jìn)行實(shí)物測試。

該擦玻璃機(jī)器人在沒有更換電池的條件下，在玻璃和墻面上進(jìn)行了行走，轉(zhuǎn)向，靜止清潔以及行走時清潔等試驗(yàn)，機(jī)器人能夠正常工作，無滑動和傾覆現(xiàn)象，攀爬性能良好，并且有良好的貼附性能。

4 結(jié)論

該擦玻璃機(jī)器人依靠負(fù)載的電池能夠短時間內(nèi)的完成攀爬以及清潔工作，能夠貼附在清潔面完成全方位的轉(zhuǎn)換，性能較為優(yōu)良。抓地式爬墻機(jī)器人在貼附墻面，清潔效率，以及跨越障礙的性能都有很大的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了初步的設(shè)計(jì)目的。采用擦玻璃機(jī)器人，提供正面壓力產(chǎn)生摩擦的形式，讓小車自由行動在清潔面上，能夠跨越多種障礙；結(jié)構(gòu)合理，操作方便，可代替工人的危險工作，保證了工人的人生安全，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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