適應(yīng)弧形壁面運動的爬壁機器人設(shè)計

任志奇 霍文勝

（華北電力大學(xué)，河北保定071003）

0 引言

爬壁機器人是移動機器人研究領(lǐng)域中的一個重要分支，屬于特種作業(yè)機器人，可以替代人在高空危險環(huán)境下作業(yè)，在許多行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用前景，如檢測、消防、反恐偵查、清洗除銹、噴漆等領(lǐng)域。它結(jié)合了吸附技術(shù)、移動技術(shù)和控制技術(shù)，可附著在垂直或者傾斜的壁面上爬行，在運動過程中可以在機器人身上安裝輔助設(shè)備以完成一定的作業(yè)任務(wù)，極大地拓寬了機器人的應(yīng)用范圍。

本文主要研究設(shè)計了一種輕量化的爬壁機器人，它能適應(yīng)一定曲率半徑范圍的曲面。將其作為基本的載體應(yīng)用到各個領(lǐng)域，可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境的不同，搭載不同的設(shè)備來完成特定任務(wù)，具有重要的實踐意義。

1 爬壁機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

爬壁機器人在壁面上運行時，需利用吸附力使機器人與壁面產(chǎn)生靜摩擦力，從而避免自身重力造成跌落的可能性。機器人的機械結(jié)構(gòu)主要包括：機身主體、驅(qū)動機構(gòu)、吸附系統(tǒng)和行走機構(gòu)。吸附系統(tǒng)是爬壁機器人的核心，機身主體是基礎(chǔ)，驅(qū)動機構(gòu)是必需結(jié)構(gòu)。利用三維建模軟件Pro/e對機器人的總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，提出一種基于負壓吸附、單吸盤式、三輪支撐運動的爬壁機器人，通過離心風(fēng)扇產(chǎn)生足夠的吸附力，吸附在垂直或者傾斜壁面上運行，爬壁機器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爬壁機器人總體結(jié)構(gòu)

機器人在工作過程中始終需要自身提供吸附力，此吸附力可等效看作是對機器人施加的垂直于壁面的正壓力，從而與壁面產(chǎn)生靜摩擦力，保證機器人穩(wěn)定運行。爬壁機器人要適應(yīng)不同平面和曲面的特殊性，本文設(shè)計的爬壁機器人采用單吸盤式負壓吸附結(jié)構(gòu)。吸附結(jié)構(gòu)由無刷電機、離心風(fēng)機葉輪、密封裝置、密封裙等組成。其中，離心式風(fēng)機葉輪在高速旋轉(zhuǎn)做功過程中，首先將機器人密封吸盤內(nèi)的氣體排出，使得吸附腔內(nèi)壓力低于外界大氣壓，在內(nèi)外壓差作用下外部大氣經(jīng)過密封組件與壁面之間的縫隙進入機器人本體腔內(nèi)，然后低壓氣流再次被葉輪送出到腔體外，最終形成一個循環(huán)系統(tǒng)，能始終保持吸盤內(nèi)部較為穩(wěn)定的“負壓”。

爬壁機器人選用“2個驅(qū)動輪+1個從動輪”來實現(xiàn)支撐和運動，其中從動輪為萬向輪。相比于四輪運動機構(gòu)，三輪運動方式能更好地適應(yīng)曲面，同時運行也更加穩(wěn)定。機器人的設(shè)計主要針對爬行的表面區(qū)域是凸出壁面，在任意位置時，機器人都能很好地吸附在壁面上，防止輪子打滑。相比一般的爬壁機器人將密封機構(gòu)布置于運動輪的外側(cè)，本文設(shè)計的機器人密封機構(gòu)布置于支撐輪內(nèi)側(cè)，密封裙能夠更好地貼合壁面，適應(yīng)凸出的曲面。本設(shè)計選用降落傘布包裹低密度彈性海綿作為組合密封裙，低密度彈性海綿作為填充物，能減小運動阻力，同時能適應(yīng)不同的工作表面；降落傘布的摩擦系數(shù)小，有效減小了運動阻力，同時良好的耐磨性能可延長密封裙的使用壽命。

驅(qū)動機構(gòu)包括直流減速電機、減速器和驅(qū)動輪，通過產(chǎn)生驅(qū)動力并傳遞到驅(qū)動輪上，驅(qū)動機器人在壁面運動。驅(qū)動機構(gòu)采用雙輪單獨驅(qū)動的機構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡單；機器人在轉(zhuǎn)向過程中，可以利用差速驅(qū)動，控制兩輪的轉(zhuǎn)速、大小，在極小的轉(zhuǎn)彎半徑下實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

2 爬壁機器人對曲面的適應(yīng)性分析

爬壁機器人對弧形壁面有一定適應(yīng)性，影響適應(yīng)能力的主要因素有車輪與底板的垂直距離和車輪之間的距離。曲率半徑示意圖如圖2所示。

圖2 曲率半徑示意圖

如圖2所示，h為輪子距底板的高度，Rs為曲面的曲率半徑，r為輪子接觸點到軸線的距離。由幾何知識可知：

由空間幾何關(guān)系可知，r和h為已知，爬壁機器人的底板高度需滿足條件：

聯(lián)立式（1）、式（2），可得爬壁機器人工作曲面的曲率半徑條件為：

3 吸附系統(tǒng)的流道仿真

該爬壁機器人設(shè)計的離心風(fēng)扇的流道模型較為特殊，要去除動葉輪模型部分，首先需要建立離心風(fēng)扇流道的三維模型，主要包括進風(fēng)口流道、葉輪流道以及出口流道。將保存的風(fēng)扇模型導(dǎo)入Gambit軟件中，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法進行網(wǎng)格劃分，選擇Fluent5/6求解器，共產(chǎn)生154 856個網(wǎng)格。

在離心風(fēng)扇三維流場模擬中，將生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT軟件中，先建立兩處交接面：選取進口流道斷面和葉輪流道斷面重合的邊界，葉輪流道圓周邊界和蝸殼流道內(nèi)側(cè)邊界，并進行網(wǎng)格檢查。對風(fēng)扇流道進行數(shù)值模擬，初始條件設(shè)置為大流量、高轉(zhuǎn)速情況，轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，仿真計算得出結(jié)果。

風(fēng)扇流場截面的全壓等于動壓與靜壓之和。選取離心風(fēng)扇葉輪的中間截面，全壓等于出口氣體全壓與入口氣體全壓之差，且全壓在各葉輪之間也呈對稱分布。氣體在剛進入旋轉(zhuǎn)葉輪的流道區(qū)域壓強較低，進入負壓腔的空氣迅速向四周擴散，造成風(fēng)扇流場中心區(qū)域氣壓較低，且與風(fēng)扇葉輪內(nèi)部有明顯的邊界。設(shè)計人員通過分析流場內(nèi)部的全壓可以預(yù)測風(fēng)扇的性能。

4 爬壁機器人吸附實驗

設(shè)計人員通過加工制作機器人的零件并進行裝配完成實驗樣機，在實驗室環(huán)境下測試，暫不考慮外部因素（風(fēng)力、濕度、工作表面清潔程度等）的影響。機器人在表面有2 mm高、3 mm寬縫隙的垂直壁面可以穩(wěn)定吸附；實驗機器人可以穩(wěn)定吸附于曲面半徑約為1 m的圓形壁面，同時實驗過程中，當(dāng)調(diào)整爬壁機器人在不同姿態(tài)時，都能實現(xiàn)穩(wěn)定吸附。

機器人吸附能力測試中，將爬壁機器人置于負壓吸附力方向與自身重力方向相反的壁面進行測試。經(jīng)過反復(fù)多次測試吸附力得出，該機器人的吸附力約為100 N。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的爬壁機器人的離心式葉輪及流道能產(chǎn)生較高的負壓；組合密封裙可以很好地適應(yīng)弧形壁面，彈性海綿能及時地適應(yīng)工作表面的變化，始終維持密封腔內(nèi)部穩(wěn)定的負壓。設(shè)計的爬壁機器人能適應(yīng)一定曲率范圍的弧形壁面，為后續(xù)機器人適應(yīng)不同環(huán)境進行多任務(wù)作業(yè)提供了一定參考。