負壓吸附式爬壁機器人的體重設(shè)計

朱海東，高 健

(浙江水利水電學院 建筑工程學院，浙江 杭州 310018)

在一些對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重要的作用的工作中必須要采取安全的防范措施，有很多各種各樣的爬壁機器人已經(jīng)被投放到或即將要被投放到各種作業(yè)中[1-4].其中，主要被應(yīng)用在核工業(yè)等輻射力比較強的作業(yè)中.在建筑行業(yè)也有一些工作需要機器人代替工人去作業(yè)，比如高層建筑表面的玻璃幕墻清洗、瓷磚等外裝飾的安裝，外墻壁表面的噴涂和墻面的清潔等，此外還有消防部門、造船行業(yè)、石油化工等行業(yè).總之隨著科技的發(fā)展，機器人將會得到越來越多地應(yīng)用.

負壓吸附式爬壁機器人有著較長的發(fā)展歷史[5-8].在20世紀60年代，日本就設(shè)計出了一臺原理樣機，其原理為利用小型電風扇的旋轉(zhuǎn)，在與其貼近的墻壁之間產(chǎn)生低壓空氣，從而產(chǎn)生負壓作為吸附力，使得爬壁機器人能克服其重力而吸附在墻壁表面上.自此，負壓吸附式爬壁機器人技術(shù)引起了許多科研工作者的關(guān)注，在世界范圍內(nèi)獲得了快速地發(fā)展與改進.近些年來，在這負壓吸附式爬壁機器人技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，美國、英國等多個國家業(yè)已取得了很大的進步；在我國，對負壓吸附式爬壁機器人最早的研究，是20世紀80年代末哈爾濱工業(yè)大學率先進行的，現(xiàn)經(jīng)過了20～30年的發(fā)展，上海交通大學、北京航天航空大學、上海大學及長春光機所等一些知名的學府及研究所也相繼加入研發(fā)，都為國內(nèi)負壓吸附式爬壁機器人的研究做出了重要的貢獻.

本文著重分析了一般的負壓吸附式爬壁機器人的體重問題，考慮到壁面可能存在的傾角，即垂直、倒立及有一定傾角的三種情況，初步給出其體重設(shè)計因數(shù)，為后續(xù)研究提供了有利的參考.

1 負壓式吸附技術(shù)

自1643年著名的意大利物理學家、數(shù)學家托里拆利做了有關(guān)大氣壓力實驗，和1654年德國物理學家蓋利克做了著名的“馬德堡半球?qū)嶒灐币院?，人們逐漸開始發(fā)現(xiàn)并利用真空現(xiàn)象.所謂“真空”是一種物理現(xiàn)象，指在給定的空間之內(nèi)低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài).由此，人們通常把稀薄的氣體狀態(tài)稱之為真空狀態(tài)，把處于真空狀態(tài)的氣體壓力與一個標準大氣壓力相比較的差值的絕對值稱為“真空度”.顯然，對于真空度，其值越大，則真空度越高，反之，則意味著真空度越低.

負壓吸附式爬壁機器人就是制造真空度從而產(chǎn)生負壓吸附，其原理簡單而言，就是采用旋轉(zhuǎn)風機抽出負壓腔內(nèi)的空氣產(chǎn)生負壓來實現(xiàn)壁面吸附，具有很強的壁面適應(yīng)能力.目前，根據(jù)不同種類的負壓吸附特點，有幾類風機得到了比較廣泛的開發(fā)與使用[9].最早開發(fā)的一種負壓吸附是徑流式離心風扇，其原理是將爬壁機器人吸附腔中的空氣甩出產(chǎn)生真空度而形成負壓.徑流式離心風扇工作時，吸附腔中的空氣是從與墻壁接觸的密封裙吸入，后又從風扇的四周極速排出，形成最大真空度可達40 kPa的工作負壓.

龍卷風式風扇是模擬龍卷風中心氣壓較低的裝置，其風扇旋轉(zhuǎn)時，由風扇吸入的氣體流量等于風扇四周排出的氣體流量，在爬壁機器人與墻壁之間制造出一個模擬的龍卷風低壓區(qū)，使得爬壁機器人吸附在墻壁上，這一吸附方式的特點是機器人的吸附腔與外界的墻壁沒有直接接觸，機器人吸附腔的密封圈與墻壁間的阻力近乎為零.

具體的負壓吸附技術(shù)，還有真空泵、文丘里器等，它們的共同特點都是制造真空度，形成負壓，從而實現(xiàn)爬壁機器人能吸附在工作壁面上.

2 體重設(shè)計

負壓吸附式爬壁機器人最主要的一個特征，就是機器人可以克服其重力的作用，在垂直、倒立及一定傾斜度的壁面上靜止及移動，其體重是首要考慮的問題[10-11].

2.1 垂直體重

對于垂直墻壁，負壓吸附式爬壁機器人用于平衡沿垂直方向的重力的是來自其車輪與墻壁之間的摩擦力Ff.這里，負壓產(chǎn)生的吸力所起到的作用是產(chǎn)生摩擦力Ff所必須的側(cè)向正壓力FN，其方向為沿墻壁法線的水平方向(見圖1).

圖1 垂直狀態(tài)受力圖

設(shè)負壓吸盤所產(chǎn)生的平均負壓為Δp，即外界氣壓p0與吸盤內(nèi)的氣壓p之差值.令吸盤的橫截面面積為S，則由負壓Δp產(chǎn)生的吸力為[12]：

Fa=ΔpS.

根據(jù)理論力學，摩擦力Ff受爬壁機器人的車輪與墻壁的靜摩擦因數(shù)μ所限，即滿足Ff<μFa.要使摩擦力能平衡重力為G的爬壁機器人，即Ff=G，則有：

G<μΔpS

(1)

在式子(1)中，爬壁機器人的重力G是不許超過靜摩擦因數(shù)μ、負壓Δp及橫截面面積S的乘積.

2.2 倒立體重

對于爬壁機器人倒立在天花板上行駛(見圖2)，那么其重力G不再是由摩擦力Ff參與平衡，而是被垂直向上的負壓吸力Fa所平衡，滿足的平衡條件為[12]：

G

即：

G<ΔpS

(2)

圖2 倒立狀受力圖

對比式子(1)與(2)，由于靜摩擦因數(shù)通常小于1，即μ<1，這時對負壓的要求可以降低，可見爬壁機器人在天花板上倒立看起來驚險無比，事實上卻要比在垂直壁面作業(yè)更容易實現(xiàn)些.

2.3 傾斜體重

在大于90°的傾斜面上，爬壁機器人最容易出現(xiàn)的狀況是前輪懸空(見圖3).這個時候，爬壁機器人既需要克服重力，又要防止后翻跌落，即妨礙爬壁機器人穩(wěn)定作業(yè)的力不只有重力，還有由重力引起的后翻力矩.

圖3 傾斜狀態(tài)受力圖

當爬壁機器人的前輪由于傾角θ的存在而離開了壁面，考慮到離開壁面的距離較小，由此產(chǎn)生的可Δθ忽略不計，即θ+Δθ≈θ，那么有：

G(a+l)sinθ

其中，a為爬壁機器人重心與壁面的間距，l為兩輪胎間距的一半.根據(jù)實驗，這里的Fa=ΔpS/θ，考慮到間距a與傾角θ通常都比較小，即a≈0，tanθ≈θ，則：

G<ΔpS/θ2

(3)

對比式子(1)與(3)，為了確保安全，當μ<1/θ2時，負壓吸附式爬壁機器人的體重設(shè)計應(yīng)首要考慮條件(1)，但當1/θ2<μ時，負壓吸附式爬壁機器人的

體重設(shè)計應(yīng)首要考慮條件(3).注意，這里所研究的是前輪離開了壁面的情況，與雙輪緊貼壁面的垂直與倒立時的情況不同.

3 結(jié) 語

本文針對負壓吸附式爬壁機器人在壁面上爬行時的三種情況進行分析，爬壁機器人在實際工作中經(jīng)常遇到傾角不一的運動狀態(tài)，這些具體情況的分析是相當復(fù)雜，本文中所考慮到的情況與方法謹為進一步的研究提供理論參考.