一種滾動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與分析

秦基偉 常 勇 袁兵兵 付興偉 王天龍

1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)，110016 2.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽(yáng)，110016 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)，110016 4.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，北京，100038

0 引言

水電站混凝土流道壁面因長(zhǎng)期受水流沖擊和日曬雨淋會(huì)產(chǎn)生麻面、裂縫、凹坑等缺陷，需要進(jìn)行定期檢查維護(hù)。傳統(tǒng)的人工搭建腳手架檢修平臺(tái)登臺(tái)檢測(cè)的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，危險(xiǎn)性高。一些學(xué)者提出利用爬壁機(jī)器人搭載檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于混凝土壁面，爬壁機(jī)器人一般采用負(fù)壓吸附方式附著于壁面，利用足式、輪式或履帶式行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)沿壁面的運(yùn)動(dòng)[1-3]。

負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人需要設(shè)計(jì)密封裝置維持腔內(nèi)負(fù)壓，目前的密封裝置根據(jù)密封機(jī)理一般可分為滑動(dòng)密封和滾動(dòng)密封?；瑒?dòng)密封是指爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)密封裝置與壁面之間的摩擦力以滑動(dòng)摩擦力為主。為減小密封裝置與壁面之間的摩擦力，并適應(yīng)凹凸不平的壁面，文獻(xiàn)[4-9]設(shè)計(jì)的滑動(dòng)密封裝置采用摩擦因數(shù)較小的柔性材料，但由于密封裝置與壁面之間存在較大的作用力，故機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)存在摩擦阻力大、密封材料耐磨性差、對(duì)壁面凸起適應(yīng)性差的缺點(diǎn)。

針對(duì)滑動(dòng)密封方式存在的問(wèn)題，有學(xué)者開(kāi)展了基于滾動(dòng)密封機(jī)理的爬壁機(jī)器人研究。滾動(dòng)密封采用移動(dòng)裝置與密封裝置的一體化設(shè)計(jì)，密封單元在滾動(dòng)的同時(shí)維持密封效果，減小了運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力和密封材料的磨損。目前的滾動(dòng)密封主要有兩種形式：紐約城市大學(xué)研制的Rise-Rover[10]采用帶有吸盤(pán)的履帶，履帶在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)能夠吸附在壁面，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)阻力小，能夠適應(yīng)帶有一定程度裂痕和溝槽的壁面，由于負(fù)壓腔的有效吸附面積較小，機(jī)器人負(fù)載自重比較小，然而由于履帶結(jié)構(gòu)特殊，故導(dǎo)致制造難度較大；美國(guó)ICM公司設(shè)計(jì)了一種滾動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人[11]，該機(jī)器人利用履帶在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)對(duì)負(fù)壓腔進(jìn)行密封，具有負(fù)載大、對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，但是其質(zhì)量和功耗較大。

目前針對(duì)履帶式爬壁機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析主要以磁吸附式爬壁機(jī)器人為研究對(duì)象[12-15]，缺少對(duì)負(fù)壓吸附履帶式爬壁機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析，且較少有論文針對(duì)機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)的滑移距離進(jìn)行求解。本文根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究工作，結(jié)合混凝土壁面缺陷檢測(cè)的實(shí)際任務(wù)需求，介紹了一種基于滾動(dòng)密封機(jī)理的爬壁機(jī)器人機(jī)構(gòu)，分析了其運(yùn)動(dòng)與密封機(jī)理，以履帶的摩擦力和牽引力為求解對(duì)象建立了機(jī)器人直線及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，開(kāi)展了仿真分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究。

1 爬壁機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 爬壁機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the wall-climbing robot mechanism

爬壁機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，該機(jī)器人主要由負(fù)壓發(fā)生裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、履帶張緊裝置、驅(qū)動(dòng)履帶(T1、T2)和從動(dòng)履帶(T3、T4)組成，其中驅(qū)動(dòng)裝置分別由電機(jī)M1與同步帶T5以及電機(jī)M2與同步帶T6組成。該機(jī)器人具有直線運(yùn)動(dòng)、原地轉(zhuǎn)向和沿任意半徑轉(zhuǎn)向3種運(yùn)動(dòng)模式。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)M1、M2分別經(jīng)同步帶T5、T6將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞至驅(qū)動(dòng)履帶T1及T2，當(dāng)T1與T2移動(dòng)速度等值同向時(shí)可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，二者速度等值反向時(shí)可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，二者速度大小或方向不同時(shí)可實(shí)現(xiàn)任意半徑轉(zhuǎn)向。

機(jī)器人的吸附及滾動(dòng)密封原理如圖2所示，通過(guò)風(fēng)機(jī)葉輪(M3)的高速旋轉(zhuǎn)抽出腔內(nèi)空氣，履帶T1～T4分布在負(fù)壓腔四周，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)維持對(duì)腔體的密封。負(fù)壓腔左右側(cè)面黏結(jié)泡棉塊并與驅(qū)動(dòng)履帶貼合，負(fù)壓腔前后的密封弧板與從動(dòng)履帶外輪廓弧面貼合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)壓腔的密封，以維持腔內(nèi)負(fù)壓值，使機(jī)器人吸附在壁面上。

(a) 主剖視圖

(b) 左剖視圖

圖3 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the wall-climbing robot

爬壁機(jī)器人由負(fù)壓發(fā)生裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、滾動(dòng)密封機(jī)構(gòu)、履帶張緊裝置、負(fù)載懸掛架、檢測(cè)與控制系統(tǒng)組成，如圖3所示。滾動(dòng)密封機(jī)構(gòu)由4根軸(圖1中Ⅰ～Ⅳ)支撐分布在負(fù)壓腔四周的4條履帶。驅(qū)動(dòng)履帶由同步帶及其外層黏附的泡棉組成，同步帶用于傳動(dòng)，泡棉的一側(cè)端面和內(nèi)表面分別與從動(dòng)履帶端面和泡棉塊底面貼合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)壓腔左右的密封；從動(dòng)履帶外輪廓與密封弧板貼合實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)壓腔前后的密封，從動(dòng)履帶及其支撐筒均采用泡棉材料，能夠降低履帶的徑向剛度，提高履帶對(duì)壁面的適應(yīng)性。履帶張緊裝置用于連接軸Ⅰ、Ⅱ以及軸Ⅲ、Ⅳ，并利用螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整軸間距，張緊履帶，以保證從動(dòng)履帶與弧面貼合。由于機(jī)器人與壁面之間以泡棉接觸，故對(duì)不平整壁面的適應(yīng)性較強(qiáng)。

2 爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模

爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模用于計(jì)算機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力矩與其結(jié)構(gòu)參數(shù)、姿態(tài)角、吸附力之間的關(guān)系，為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)優(yōu)化、電機(jī)選型與運(yùn)動(dòng)控制提供理論依據(jù)。本節(jié)建立了機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型，由于機(jī)器人帶纜作業(yè)，故模型中考慮了電纜質(zhì)量。為便于動(dòng)力學(xué)建模，假設(shè)：①限定工作平面為豎直壁面；②規(guī)定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榭v向，垂直于運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向，機(jī)器人在幾何上關(guān)于縱向和橫向平面對(duì)稱(chēng)，其質(zhì)心和幾何中心在壁面上的投影重合；③單條履帶的接壁段壓力均勻分布；④履帶在其運(yùn)動(dòng)方向上不打滑。

2.1 直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型

爬壁機(jī)器人沿壁面向上做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)兩側(cè)履帶的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生牽引力，牽引力克服運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的重力、摩擦阻力，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。平行于壁面方向，進(jìn)行機(jī)器人的受力分析，如圖4所示，定義PxPyP為本體坐標(biāo)系，原點(diǎn)P固定在機(jī)器人質(zhì)心，xP為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向，yP垂直于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向。

圖4 爬壁機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)受力模型Fig.4 Force model for linear motion of wall-climbing robot

建立機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程：

(1)

假設(shè)機(jī)器人在橫向上不發(fā)生滑移，解式(1)得

(2)

式(2)說(shuō)明牽引力與機(jī)器人和電纜的重力、摩擦阻力以及機(jī)器人姿態(tài)角有關(guān)。履帶在直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，摩擦阻力的大小與履帶接壁段壓力及其自身形變量有關(guān)[16]，以下分別求解各條履帶的接壁段壓力及壓縮變形。垂直于壁面建立平衡方程為

(3)

式中，F(xiàn)p為總吸附力；FNL、FNR、FNU、FND分別為壁面對(duì)驅(qū)動(dòng)履帶T1、T2及從動(dòng)履帶T3、T4的支持力；kf為驅(qū)動(dòng)履帶的接壁段壓力占總支持力的比值；L為驅(qū)動(dòng)履帶接壁段長(zhǎng)度；D為從動(dòng)履帶接壁段長(zhǎng)度；h1為爬壁機(jī)器人本體的重心高度；h2為電纜插頭距壁面的高度。

履帶滾動(dòng)時(shí)受壁面壓力而產(chǎn)生壓縮，由于履帶材料的黏彈性，彈性變形在接觸消除后才能恢復(fù)，造成接觸邊的壓力大于消除接觸邊的壓力[17]，因此履帶壓力會(huì)出現(xiàn)在相對(duì)履帶接壁段中間靠前的位置。圖5所示為考慮壓縮變形，單條履帶勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力分析。建立平衡方程：

(4)

式中，F(xiàn)′p為傳遞到履帶兩輪軸的吸附力，假設(shè)均勻施加于兩根輪軸上；L′為兩輪軸中心距；FN為履帶受壁面的支持力，作用點(diǎn)距履帶接壁段最前端L′/2；Ft為履帶牽引力；Rr為摩擦阻力；e為履帶壓縮后使履帶接壁段向前延伸的長(zhǎng)度；r為履帶的外輪廓半徑。

圖5 單條履帶運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力分析Fig.5 Force analysis of single track movement

履帶受壁面支持力產(chǎn)生的壓縮量

(5)

式中，t為履帶外層泡棉厚度；E為泡棉彈性模量；Ai為履帶接壁段面積。

由式(4)、式(5)得履帶運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力

(6)

由式(3)、式(6)得各條履帶的摩擦阻力：

(7)

式中，AD、AS分別為單條驅(qū)動(dòng)履帶和單條從動(dòng)履帶的接壁段面積。

由式(7)得摩擦阻力主要與吸附力、機(jī)器人姿態(tài)角、履帶的彈性模量及其尺寸有關(guān)。將式(7)代入式(2)即可得到直線運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶牽引力的求解公式。結(jié)合式(3)、式(7)得，減小從動(dòng)履帶的徑向剛度可以將壁面對(duì)履帶的支持力更多地分配給驅(qū)動(dòng)履帶，提高履帶的驅(qū)動(dòng)力,但是在同等吸附力下，較軟的履帶由于壓縮量較大，會(huì)增加運(yùn)動(dòng)阻力。

2.2 轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型

圖6 爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向受力分析模型Fig.6 Steering force analysis model for wall-climbing robot

爬壁機(jī)器人在壁面轉(zhuǎn)向過(guò)程中，通過(guò)兩側(cè)履帶的速度差產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力矩，并克服由重力、離心力、摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。機(jī)器人轉(zhuǎn)向受力分析模型如圖6所示，由力的平衡條件可知，機(jī)器人以較低速勻速轉(zhuǎn)向時(shí)，y軸方向的合力與離心力平衡。為平衡重力和離心力在y軸方向的分量Gy及Fny，機(jī)器人兩側(cè)履帶的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心不再處于履帶接壁段質(zhì)心，而會(huì)沿x軸方向偏移。機(jī)器人轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)采用瞬心模型，即將機(jī)器人在某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)看作是繞瞬心的旋轉(zhuǎn)。圖6中O為機(jī)器人旋轉(zhuǎn)中心，定義O在機(jī)器人縱軸方向的投影為O′，O′到P的距離為d，OO′與OP之間的夾角為側(cè)滑角α。機(jī)器人在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，離心力作用于P點(diǎn)，沿OP方向，大小為

Fn=mω2R

(8)

式中，ω為爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向角速度；R為旋轉(zhuǎn)中心到機(jī)器人質(zhì)心的距離。

為分析履帶受到的摩擦力，取履帶接壁段微元面積為dxdy，微元所受摩擦力為df，df與微元的速度方向相反，將df沿x軸和y軸方向分解，如圖7所示。

圖7 履帶接壁段微元所受摩擦力Fig.7 Friction on the tracked wall segment element

將df在xo方向的分量在履帶接壁段面積上積分，得壁面對(duì)驅(qū)動(dòng)履帶的縱向摩擦力

(9)

式中，W為履帶寬度；S為履帶接壁段面積。

式(9)的積分公式是關(guān)于變量y的奇函數(shù)，且積分面關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng)，故Ffx=0。將橫向摩擦力簡(jiǎn)化為均布載荷，如圖8所示。

圖8 履帶摩擦力分布簡(jiǎn)化模型Fig.8 A simplified model of the tracked friction

設(shè)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)履帶單位長(zhǎng)度的橫向摩擦阻力為Fqi、Fqo：

(10)

式中，μ1為驅(qū)動(dòng)履帶與壁面之間的摩擦因數(shù)；FNi、FNo分別為內(nèi)外側(cè)驅(qū)動(dòng)履帶單位長(zhǎng)度的法向支持力。

由式(3)、式(10)得壁面對(duì)驅(qū)動(dòng)履帶的橫向摩擦力

(11)

Ffy相對(duì)于瞬心的轉(zhuǎn)向阻力矩

(12)

從動(dòng)履帶T3、T4受到的橫向摩擦力分別為

(13)

式中，μ2為從動(dòng)履帶與壁面之間的摩擦因數(shù)。

FU、FD相對(duì)于瞬心的阻力矩

Mμ2=FU[(L-D)/2+d]+FD[(L-D)/2-d]

(14)

重力與離心力的合力相對(duì)于瞬心的阻力矩

Mn=(Fncosα-Gsinθ)d+Fg(A-d)sinθ

(15)

總的轉(zhuǎn)向阻力矩為式(12)、式(14)、式(15)之和，即

Mr=Mμ1+Mμ2+Mn

(16)

機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩

Md=(Fo-Fi)B/2

(17)

式中，F(xiàn)i、Fo分別為內(nèi)外驅(qū)動(dòng)履帶牽引力。

機(jī)器人的轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)方程為

(18)

式中，IO′為機(jī)器人相對(duì)于O′的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

機(jī)器人在橫向上受力平衡，即

(19)

由于側(cè)滑角α較小，sinα≈0，由式(3)、式(8)、式(11)、式(13)、式(18)、式(19)得滑移距離

(20)

聯(lián)立式(16)～式(18)得驅(qū)動(dòng)履帶的牽引力：

(21)

由式(2)、式(7)、式(21)知，機(jī)器人在直線運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向時(shí)，驅(qū)動(dòng)履帶的牽引力主要與機(jī)器人的重力、吸附力、外形尺寸、姿態(tài)角及履帶與壁面之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)有關(guān)。進(jìn)行機(jī)器人的輕量化設(shè)計(jì)、提供合理的負(fù)壓值、適當(dāng)減小機(jī)器人的長(zhǎng)寬比、減小被動(dòng)履帶與壁面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)都有利于減小機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的牽引力。

3 仿真分析與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真算例1

機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)如表1所示，給定負(fù)壓值為7 kPa，負(fù)載為10 kg，分析了機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向時(shí)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)履帶牽引力隨姿態(tài)角的變化。

表1 爬壁機(jī)器人相關(guān)參數(shù)

勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果如圖9所示，θ∈(-270°，-90°)時(shí)機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)，θ∈(-90°，90°)時(shí)機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)；圖中各標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)：a(-204°, -128 N)，b(-180°, -115 N)，c(-155°, -128 N)，d(-24°, 163 N)，e(0°,150 N)，f(24°,163 N)。由圖9可知：①由于在不同姿態(tài)角下，機(jī)器人的重力沿運(yùn)動(dòng)方向的分量及履帶支持力的分布不同，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)履帶的牽引力隨姿態(tài)角發(fā)生變化；②機(jī)器人豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)履帶牽引力之和達(dá)到最大值，且與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相同；③豎直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，履帶牽引力與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相反，以平衡重力；④機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的牽引力大于相同姿態(tài)向上運(yùn)動(dòng)的牽引力，因?yàn)橄蛳逻\(yùn)動(dòng)時(shí)，重力沿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的分量變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。

圖9 直線運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)履帶牽引力隨姿態(tài)角的變化Fig.9 The change of the driving crawler traction with altitude angle during linear motion

機(jī)器人以線速度8 m/min、轉(zhuǎn)彎半徑1 m做順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外側(cè)驅(qū)動(dòng)履帶牽引力隨姿態(tài)角的變化如圖10所示。由圖10可知：①轉(zhuǎn)向過(guò)程中，多數(shù)姿態(tài)角下兩側(cè)驅(qū)動(dòng)履帶的牽引力存在一定差值，主要利用差值形成的驅(qū)動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；②兩側(cè)驅(qū)動(dòng)履帶牽引力隨姿態(tài)角波動(dòng)較大，主要是由于隨著姿態(tài)角的變化，機(jī)器人的重力沿運(yùn)動(dòng)方向的分量隨之變化，內(nèi)外側(cè)履帶牽引力的大小分別在機(jī)器人姿態(tài)角為-208°和8°時(shí)最大。

圖10 轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)履帶牽引力隨姿態(tài)角的變化Fig.10 The change of the driving crawler traction with altitude angle during steering

3.2 仿真算例2

分別計(jì)算出相同質(zhì)量下，采用滑動(dòng)密封和滾動(dòng)密封方式的爬壁機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦阻力并進(jìn)行了對(duì)比。假定壁面環(huán)境為平整的混凝土壁面，對(duì)于滑動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力,其力學(xué)模型和相關(guān)計(jì)算參數(shù)參照文獻(xiàn)[5]，滾動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力計(jì)算方法參照式(7)。

圖11 滾動(dòng)密封式與滑動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人摩擦阻力對(duì)比Fig.11 Comparison of frictional resistance between rolling seal and sliding seal type wall-climbing robot

比較相同負(fù)載下爬壁機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力,如圖11所示，圖中，S1、S2、S3分別為滑動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人負(fù)載為6 kg、10 kg、14 kg時(shí)的摩擦阻力；R1、R2、R3為滾動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人對(duì)應(yīng)負(fù)載時(shí)的摩擦阻力。由圖11可知:①摩擦阻力的大小隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)角發(fā)生變化，且在豎直姿態(tài)達(dá)到最大值；②相同負(fù)載下，與滑動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人相比，滾動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人的摩擦阻力及其波動(dòng)幅度較小。

3.3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

開(kāi)展了爬壁機(jī)器人Ⅰ型樣機(jī)的研制與實(shí)驗(yàn)研究，機(jī)器人總質(zhì)量為17 kg，整體尺寸為650 mm×610 mm×400 mm。進(jìn)行了機(jī)器人在不同類(lèi)型壁面上的實(shí)驗(yàn)，如圖12所示，圖12a、圖12b中機(jī)器人攜帶有檢測(cè)儀器，圖12c、圖12d中攜帶有10 kg負(fù)載。各類(lèi)壁面的特性及機(jī)器人在壁面的運(yùn)動(dòng)情況如表2所示。

(a) 常規(guī)壁面實(shí)驗(yàn)

(b) 光滑壁面實(shí)驗(yàn)

(c) 粗糙壁面帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)

(d) 帶負(fù)載跨越凹槽實(shí)驗(yàn)

牽引力與電機(jī)功率之間的關(guān)系為

Ft=ηPm/v

(22)

式中，η為傳動(dòng)效率,η=0.72；Pm為電機(jī)功率；v為機(jī)器人速度。

根據(jù)機(jī)器人帶負(fù)載在常規(guī)壁面運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，由式(22)計(jì)算出機(jī)器人在3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下履帶的牽引力，如表3所示。機(jī)器人的實(shí)際牽引力與圖9、圖10對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的牽引力相比，誤差小于7%。

表2 機(jī)器人在各類(lèi)壁面的適應(yīng)性

表3 爬壁機(jī)器人實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)機(jī)器人對(duì)壁面適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠在常規(guī)、光滑或粗糙的混凝土壁面靈活運(yùn)動(dòng)，可適應(yīng)帶有淺坑、脫皮及表面不平整的壁面，能夠跨越小型凹槽。

(2)機(jī)器人的密封可靠性較高，能夠連續(xù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。

(3)通過(guò)帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)證明了機(jī)器人有效負(fù)載較大。

(4)機(jī)器人的負(fù)載能力與吸附裝置的負(fù)壓值、壁面粗糙度及電機(jī)扭矩有關(guān)。通常在電機(jī)扭矩足夠及密封良好的條件下，增大負(fù)壓值可提高機(jī)器人的負(fù)載；在負(fù)壓相同且電機(jī)扭矩足夠的條件下，機(jī)器人在粗糙壁面上的負(fù)載較大，但是在粗糙壁面上轉(zhuǎn)向時(shí)損耗的電機(jī)扭矩也較大，此時(shí)負(fù)載主要受限于電機(jī)扭矩。

4 結(jié)論

(1)介紹了一種滾動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人，分析了其密封與運(yùn)動(dòng)機(jī)理。

(2)提出了一種多履帶協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模方法，推導(dǎo)出該機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)方程，得出這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下履帶牽引力與機(jī)器人姿態(tài)角、重力、吸附力之間的關(guān)系。

(3)分析了直線運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向時(shí)，履帶牽引力與機(jī)器人姿態(tài)角之間的關(guān)系。機(jī)器人處于豎直向上姿態(tài)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)所需的總牽引力最大；轉(zhuǎn)向過(guò)程中兩側(cè)履帶牽引力差值較大，利用差值形成的驅(qū)動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

(4)由爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型可知，與滑動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人相比，滾動(dòng)密封式爬壁機(jī)器人在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力較小。

(5)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了研制的爬壁機(jī)器人具有摩擦阻力小、負(fù)載大、對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。