一種新型負(fù)壓式爬壁機(jī)器人吸附特性分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.06.007 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：i

Analysis of Adhesion Characteristics of Novel Negative-pressure Adhesion Wall-climbing Robots

DONG Weiguang1* LIU Aihua2 SONG Yifeng2

1.School of Transportation and Vehicle Engineering，Wuxi University，Wuxi，Jiangsu，214105

2.State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang，110016

Abstract： Addressing the challenge in optimizing the adhesion performance of wall-climbing robots based on negative pressure adhesion method due to the complexity of internal flow fields and difficulties in precise modeling，a flow field modeling method was proposed based on flow rate conservation.According to the structural characteristics of negative pressure adhesion systems of a wal-climbing robot，mathematical models of airflow field in negative pressure adhesion systems were built by combining the laws of thermodynamics and N-S equations using air flow rate as the related factor. Then，key influencing factors of adhesion performance were identified based on the model： sealing ring width，leakage gap height，and centrifugal pump power. The effective adhesion forces were changing with airflow of adhesion systems.Results of the simulation and prototype experiments show that the models constructed herein may accurately reflect the changing rules of adhesion performance，and may provide evidences for the optimization of adhesion performance of wall climbing robots with negative pressure adhesion method. Finally，according to the movement characteristics of the wall-climbing robots，adsorption performance optimization strategy was increasing the rated adsorption force to self gravity ratio while decreasing the effective adsorption force to self gravity ratio.

Key words： wal-climbing robot； negative-pressure adhesion; flow field model; flow analysis

0 引言

壁面爬行機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱爬壁機(jī)器人）能夠代替操作人員在各種不同傾角的壁面上工作，達(dá)到提高工作效率、保護(hù)生命安全以及節(jié)約成本的目的[1-2]，其應(yīng)用場(chǎng)景包括船舶外表面除銹與噴涂、建筑物外表面清洗與檢測(cè)、油罐表面探傷與噴涂以及風(fēng)機(jī)葉片或水電大壩檢修與維護(hù)等[2]。根據(jù)工作環(huán)境的不同，爬壁機(jī)器人可以設(shè)計(jì)不同的吸附方式，常見(jiàn)的有負(fù)壓吸附、磁吸附、推力吸附等。由于負(fù)壓吸附方式可以和多種類(lèi)型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)配合，在可靠吸附壁面的同時(shí)達(dá)到較好的移動(dòng)性能，因此在爬壁機(jī)器人中應(yīng)用比較廣泛[3-4]。負(fù)壓吸附方式的缺陷在于，當(dāng)機(jī)器人附著的壁面存在裂縫、局部凸起或凹陷以及壁面彎曲等不利因素時(shí)會(huì)影響爬壁機(jī)器人的吸附效果，甚至導(dǎo)致傾覆、掉落等嚴(yán)重后果[5-6]。

為此，通常有兩類(lèi)解決問(wèn)題的思路：一是從增大吸附力角度考慮，通過(guò)增加吸盤(pán)數(shù)量或者優(yōu)化吸盤(pán)結(jié)構(gòu)來(lái)提高吸附性能[7-10]；二是從規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的角度考慮，通過(guò)改善機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制策略來(lái)保障運(yùn)動(dòng)安全[11-12]。文獻(xiàn)[7-8]研制的負(fù)壓式爬壁機(jī)器人將密封腔分成7個(gè)小的吸附腔，即使某個(gè)吸附腔嚴(yán)重漏氣仍能夠維持足夠的總體吸附力。文獻(xiàn)9利用流體網(wǎng)格理論對(duì)研制的負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人構(gòu)建吸附系統(tǒng)流場(chǎng)模型，分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，保障吸附安全性。文獻(xiàn)[10研制了具有滾動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人，基于滾動(dòng)密封機(jī)理構(gòu)建爬壁機(jī)器人吸附失效模型，進(jìn)而提出吸附可靠性優(yōu)化原則并改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[11基于伯努利原理設(shè)計(jì)了負(fù)壓吸附式水下船體爬壁機(jī)器人，用滑動(dòng)網(wǎng)格理論進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)建模，研究螺旋槳速度、機(jī)器人底板與吸附物間隙等吸附力影響因素，探索最佳的吸附性能。文獻(xiàn)12-13研制的小型爬壁機(jī)器人配備有智能吸盤(pán)足，能有效偵測(cè)吸附狀態(tài)，從控制的角度對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行有效規(guī)劃，規(guī)避不良吸附環(huán)境。

以上研究大多偏向于通過(guò)機(jī)構(gòu)、控制策略優(yōu)化的方法，以增重或降低機(jī)動(dòng)性為代價(jià)來(lái)提高吸附安全性，并沒(méi)有達(dá)到整體性能優(yōu)化的目的。部分研究人員以流場(chǎng)理論為指導(dǎo)，對(duì)吸附系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)建模研究，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度分析吸附性能影響因素，能獲取吸附性能優(yōu)化的綜合策略，本文遵循這一思路展開(kāi)研究。

1爬壁機(jī)器人及其吸附系統(tǒng)

試驗(yàn)樣機(jī)如圖1所示[14]，是一種采用負(fù)壓吸附方式的輪足復(fù)合型爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人由負(fù)壓模塊、真空模塊和一個(gè)行星輪系機(jī)構(gòu)組成，共有4個(gè)自由度。移動(dòng)裝置安裝在密封腔內(nèi)部，由2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和1個(gè)支撐輪組成。同時(shí)，行星輪系機(jī)構(gòu)配合真空吸盤(pán)和密封腔的吸附作用組成雙足移動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)器人具備輪式運(yùn)動(dòng)模式、雙足運(yùn)動(dòng)模式和復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式，能夠?qū)崿F(xiàn)不同傾角壁面上的移動(dòng)、轉(zhuǎn)向、跨越障礙以及交叉壁面間過(guò)渡等功能。機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1機(jī)器人樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

該爬壁機(jī)器人以輪式運(yùn)動(dòng)模式為主，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的負(fù)壓吸附系統(tǒng)與其配合，實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)功能。負(fù)壓吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由離心泵和帶有密封圈的密封腔組成。離心泵包含馬達(dá)和離心風(fēng)扇，是形成密封腔內(nèi)負(fù)壓的動(dòng)力來(lái)源。在離心泵作用下，密封腔內(nèi)的空氣被抽吸至外部，在密封腔內(nèi)部形成負(fù)壓區(qū)（壓力低于大氣壓力）。密封腔和吸附壁面之間通過(guò)密封圈增強(qiáng)密封效果，保障密封腔內(nèi)穩(wěn)定的負(fù)壓，進(jìn)而在機(jī)器人外表面形成穩(wěn)定的正壓力 F_p ，使其吸附于壁面。密封圈主要由表面覆蓋有特氟龍材料的氣囊組成，可使爬壁機(jī)器人在輪式運(yùn)動(dòng)模式下既維持良好密封性又減小運(yùn)動(dòng)時(shí)密封單元的摩擦阻力，同時(shí)盡可能減小密封圈所分配的吸附力。在相同密封效果下，吸附力只有盡可能多地分配至驅(qū)動(dòng)輪才能提供更好的驅(qū)動(dòng)性能。

2 吸附系統(tǒng)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

為解決負(fù)壓吸附系統(tǒng)復(fù)雜流場(chǎng)狀態(tài)帶來(lái)的建模難題，將爬壁機(jī)器人負(fù)壓吸附系統(tǒng)看成由離心泵單元和密封單元兩個(gè)相互聯(lián)系的開(kāi)口系統(tǒng)組成，如圖3所示。分別對(duì)各單元進(jìn)行建模，基于工作狀態(tài)下兩個(gè)單元的流量關(guān)系進(jìn)行模型整合，形成負(fù)壓吸附系統(tǒng)完整的流場(chǎng)模型。

工作狀態(tài)下負(fù)壓吸附系統(tǒng)的氣流循環(huán)始終存在，因此流場(chǎng)狀態(tài)有靜參數(shù)和總參數(shù)之分。密封腔內(nèi)的流場(chǎng)參數(shù)標(biāo)記為靜壓 、總壓 ?p^?₁^? 、總溫T₁^* 。該參數(shù)既是離心泵單元人口氣流參數(shù)，又是經(jīng)密封單元節(jié)流之后的氣流參數(shù)。氣流經(jīng)離心泵做功后在離心風(fēng)扇出口處的氣流參數(shù)標(biāo)記為靜壓?₂ 、總壓 、總溫 T₂^* 。密封圈入口處氣流參數(shù)（即外部大氣參數(shù)）標(biāo)記為靜壓 、總壓 ?₀^* 、總溫T₀^* 。由于外部大氣受吸附系統(tǒng)氣流流動(dòng)影響較小，因此 ?₀^*≈?₀ 。離心風(fēng)扇出口處氣流影響區(qū)域相對(duì)較小，因此可以認(rèn)為 。

2.1 離心泵單元流場(chǎng)建模

對(duì)離心泵單元這一開(kāi)口系應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，可知其一般瞬態(tài)能量方程為

式中：8Q為系統(tǒng)與外界交換的熱量； dE 為系統(tǒng)總能量的變化； δW 為系統(tǒng)做的功； W_s 為系統(tǒng)做的軸功； 為進(jìn)出開(kāi)口系的氣體質(zhì)量； 為進(jìn)出開(kāi)口系氣體的比焓； （c_f）_in 、 （c_f）_out 為進(jìn)出開(kāi)口系的空氣流速； （gz）_in 、（gz）_out 為進(jìn)出開(kāi)口系的單位質(zhì)量氣體所具有的勢(shì)能； g 為重力加速度； z 為氣體在離心泵中的移動(dòng)高度。

穩(wěn)定工作狀態(tài)下，該開(kāi)口系內(nèi)空氣流動(dòng)可看作一維定常流動(dòng)，因此

根據(jù)式（1）可得單位質(zhì)量氣體的一維定常流動(dòng)能量方程為

式中： q 為單位質(zhì)量氣體的能量； Δh 為離心泵進(jìn)出口氣體比焓的變化； Δc_f 為離心泵進(jìn)出口氣體速度的變化； 為軸功； w₁ 為技術(shù)功。離心泵單元進(jìn)出口高度接近， gΔz≈0 。

對(duì)于離心泵單元，與氣體得到的功相比，流動(dòng)過(guò)程向外界散熱較少，可以忽略。工作狀態(tài)可看作絕熱等熵過(guò)程，技術(shù)功等于焓的減少。此時(shí)離心泵單元的功耗為

π_C=ρ₂/ρ₁

式中： κ 為定熵指數(shù)； R_g 為氣體常數(shù)； T₁ 為密封腔內(nèi)的流場(chǎng)靜態(tài)溫度。

利用總參數(shù)進(jìn)行表達(dá)時(shí)，離心泵單元功耗為

π_c^*=p₂^*/p₁^*

式中： h₁，h₂ 分別為離心泵進(jìn)出口的氣體靜比焓； 分別為離心泵進(jìn)出口的氣體總比焓； c_f1，cf2 分別為離心泵 進(jìn)出口的氣體速度。

離心泵單元流速大、摩擦大，工作中存在不可逆損失，用離心泵效率 η_c 來(lái)衡量此損失，則

η_c=τ_c^p/τ_c^N

式中： w_c^N 為實(shí)際不可逆過(guò)程所消耗的功。

離心泵效率與其設(shè)計(jì)和制造精度有關(guān)，通常η_c 介于 0.8～0.9 之間。

離心泵單元消耗的功率為

式中： q_m2 為質(zhì)量流量； q_V2 為體積流量； ρ 為氣體密度。

2.2 密封單元流場(chǎng)建模

密封單元的主要參數(shù)如圖4所示。由于密封單元和吸附壁面間狹縫很小，可將狹縫視為平面，則狹縫高度 H 為常數(shù)。同時(shí)，由于 H 很小，雷諾數(shù)較小，可認(rèn)為此處氣流流動(dòng)為層流。在圖4中建立三維坐標(biāo)系， X，Y 軸方向如圖所示， Z 軸方向根據(jù)右手定則確定。氣流沿 Y，Z 軸方向的流動(dòng)分速度均可視為零。

通過(guò)密封圈的氣流流動(dòng)可看作黏性不可壓縮流體的定常流動(dòng)[15]，黏度、密度為常數(shù)，由N-S方程簡(jiǎn)化得流動(dòng)方程為

u=μ/ρ

式中： u 為氣體運(yùn)動(dòng)黏度； μ 為氣體的動(dòng)力黏度； p 為密封圈縫隙處的壓力； u 為氣流沿 X 軸方向的流速。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律可推得流動(dòng)過(guò)程的連續(xù)性方程：

式中： v?w 分別為氣流沿 Y，Z 軸方向的流速。

由于密度為常數(shù)，且泄漏縫隙內(nèi)的空氣流動(dòng)只沿 X 軸方向，則式（9）可簡(jiǎn)化為

在圖4所示坐標(biāo)系中，根據(jù)邊界條件可知

式中： u₀ 為機(jī)器人相對(duì)于吸附壁面的移動(dòng)速度。

對(duì)于機(jī)器人密封圈， Z 方向尺寸比 H 大得多，則 ?u/?z 為微小值，可忽略不計(jì)。由連續(xù)性方程（式（10））可知， u 與 x 無(wú)關(guān)，因此， u 僅為 y 的函數(shù)。

由流動(dòng)方程（式（8））可知，壓力與 z 無(wú)關(guān)，則Σ_P 的表達(dá)式可寫(xiě)為

式中： f（x） 為以 x 為自變量的函數(shù)。

由于 H 很小， p 沿 y 方向變化不大，由此可知， ?_P 僅為 x 的函數(shù)。

根據(jù)以上分析，由式（8）可得

式（13）等號(hào)左邊僅與 x 有關(guān)，右邊僅與 y 有關(guān)，能滿足此方程的條件只能是左右兩邊都等于同一個(gè)常數(shù)。當(dāng)壓力梯度為常數(shù)時(shí)，對(duì)式（13）兩次積分，可得

式中： A₁…A₂ 為積分常數(shù)。

將邊界條件式（11）代人式（14），可得

當(dāng)機(jī)器人靜止時(shí)， u₀=0 ，則

對(duì)于爬壁機(jī)器人密封圈的泄漏入口，在計(jì)算時(shí)可將其展開(kāi)，看成高 H 、長(zhǎng) ξ_l 的長(zhǎng)方形。l=2（l_a+l_b），l_a，l_b 為密封圈長(zhǎng)邊、短邊的長(zhǎng)度。

密封圈氣體泄漏量 q_V1 為

所以

對(duì)式（18）積分可得密封圈上壓力分布規(guī)律：

式中： c 為積分常數(shù)。

密封圈內(nèi)外壓力已知，令

式中： x₀…p₀ 為密封圈外側(cè)在 X 軸方向的坐標(biāo)及壓力；

為密封圈內(nèi)側(cè)在 X 軸方向的坐標(biāo)及壓力。

將式（20）代人式（19），可求得積分常數(shù)

可知

式中： B 為密封圈寬度。

因此

2.3 負(fù)壓系統(tǒng)整體流場(chǎng)模型

吸附系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下密封單元的氣體泄漏量 q_V1 等于離心泵單元的氣體排出量 q_V2 ，因此能夠維持密封腔內(nèi)外穩(wěn)定的壓差，即

q_V1=q_V2

結(jié)合式（7），可得負(fù)壓吸附系統(tǒng)的功率為

3 吸附性能影響因素分析

3.1 密封單元

由式（23）可知，密封單元?dú)怏w泄漏量（功耗損失）與縫隙高度的三次方、密封圈周長(zhǎng)以及壓差（形成的吸附力）成正比，與密封圈寬度成反比。根據(jù)式（23）可以獲得密封單元相關(guān)尺寸和空氣泄漏量之間的變化關(guān)系，如圖5所示。樣機(jī)相關(guān)參數(shù)取值如表2所示。為進(jìn)一步分析縫隙高度、密封圈寬度對(duì)氣體泄漏量的影響，分別取密封單元泄漏縫隙高度為 0.4mm 和 1mm ，可獲得氣體泄漏量與密封圈寬度之間的變化關(guān)系，如圖6所示。其中， F 代表不同壓差對(duì)應(yīng)的有效吸附力，即密封腔內(nèi)外部壓差與爬壁機(jī)器人有效吸附面積的乘積。由圖6可知，縫隙高度增加對(duì)氣體泄漏量的影響更大。在泄漏縫隙高度很小 （0.4mm） 門(mén)的情況下，密封圈的寬度、壓差對(duì)氣體泄漏量并無(wú)多大影響。此外，密封圈的寬度受到機(jī)器人整體尺寸的限制，不能任意增大以降低氣體泄漏量。且增大寬度后會(huì)增大機(jī)器人質(zhì)量，不一定能提高吸附安全性。因此，在密封單元設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減小泄漏縫隙高度。

表2仿真分析中的相關(guān)參數(shù)

在密封單元設(shè)計(jì)一定的前提下，提高吸附力意味著增加密封單元的空氣泄漏量。此時(shí)要提高離心泵單元的性能才能在單位時(shí)間內(nèi)排出更多的氣體，從而維持更低的負(fù)壓。

3.2 離心泵單元

由式（5）式（7）可知，流量和壓差是離心泵單元性能的重要體現(xiàn)。對(duì)于離心泵單元的設(shè)計(jì)，其流量-壓差特性決定了能否與所設(shè)計(jì)的密封單元相配合滿足整體的吸附力需求。根據(jù)式（7）可獲得吸附力（壓差）、氣體流量以及離心泵功率的變化關(guān)系，如圖7所示。其中，有效吸附力為離心泵進(jìn)出口壓差與爬壁機(jī)器人有效吸附面積的乘積。要維持更大的吸附力，單位時(shí)間內(nèi)排除相同的氣體量所需要提供的功率也更大。這對(duì)離心泵單元尤其是離心風(fēng)扇的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

確定了流量和壓差即可對(duì)離心泵單元具體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文不再贅述。

4試驗(yàn)驗(yàn)證分析

4.1 簡(jiǎn)化模型仿真驗(yàn)證

在FLUENT仿真環(huán)境下構(gòu)建爬壁機(jī)器人簡(jiǎn)化模型，如圖8所示，不考慮密封腔內(nèi)部布局結(jié)構(gòu)及離心泵單元泄漏對(duì)流場(chǎng)的影響，然后進(jìn)行仿真。

仿真I、仿真Ⅱ分別在密封圈泄漏縫隙高度為 2mm 和 1mm 時(shí)測(cè)試離心泵功率（此處用離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)速代替）對(duì)吸附性能的影響;仿真Ⅲ增加了一定寬度的密封圈。仿真試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及吸附力仿真結(jié)果見(jiàn)表3。仿真試驗(yàn)I、Ⅱ、Ⅲ的負(fù)壓吸附系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布見(jiàn)圖9、圖10、圖11。

在泄漏縫隙高度一定的前提下，對(duì)比仿真I、Ⅱ可知：隨葉輪轉(zhuǎn)速的增大，有效吸附面上的平均壓力更低，意味著負(fù)壓吸附系統(tǒng)能夠提供更大的吸附力。因此，當(dāng)密封單元?dú)怏w泄漏嚴(yán)重（如遇到不規(guī)則壁面或縫隙）導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高、壁面吸附壓力降低時(shí)，可以通過(guò)快速提高離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行補(bǔ)救，但更高的轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求也更高，轉(zhuǎn)速不可能無(wú)限提高。

在轉(zhuǎn)速一定的前提下，對(duì)比仿真I、Ⅱ、Ⅲ可知，當(dāng)減小密封圈泄漏縫隙高度時(shí)，氣體泄漏量減小，同時(shí)負(fù)壓吸附系統(tǒng)能夠提供的吸附力顯著增大，能更好地保證爬壁機(jī)器人工作安全性。

綜合仿真結(jié)果可知，離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（功率）、密封圈高度以及密封圈寬度都會(huì)對(duì)吸附力產(chǎn)生影響。當(dāng)吸附壁面粗糙或不規(guī)則導(dǎo)致氣體泄漏量增加時(shí)，提高離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是有效的補(bǔ)救措施。但是轉(zhuǎn)速的增大無(wú)疑會(huì)增大功耗、提高噪聲、降低效率，甚至?xí)?dǎo)致振動(dòng)過(guò)大，影響正常工作，因此轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)視具體情況而定。通過(guò)改進(jìn)密封圈設(shè)計(jì)，減小相同壁面狀況下密封單元的泄漏量也能明顯提高吸附性能。

4.2 近似模型仿真驗(yàn)證

上述簡(jiǎn)化模型未考慮負(fù)壓腔內(nèi)部零部件對(duì)流場(chǎng)的影響，因此本節(jié)建立一個(gè)實(shí)際物理樣機(jī)的近似模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析，如圖12所示?；诖四Ｐ瓦M(jìn)行仿真Ⅳ，參數(shù)設(shè)置及吸附力結(jié)果見(jiàn)表3，負(fù)壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布如圖13所示。

通過(guò)仿真分析可知：近似模型與簡(jiǎn)化模型相比，在相同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下所提供的氣壓差變小，可知密封腔內(nèi)部設(shè)備會(huì)對(duì)流場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率產(chǎn)生一定影響，因此，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮簡(jiǎn)化密封腔內(nèi)部設(shè)備布置。

基于簡(jiǎn)化模型和近似模型仿真，仿真數(shù)據(jù)所體現(xiàn)出的各因素對(duì)吸附性能變化趨勢(shì)的影響與第3節(jié)理論模型是一致的，印證了理論模型的有效性。

4.3 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，結(jié)合物理樣機(jī)對(duì)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，如圖14所示。

樣機(jī)測(cè)試V-1、V-2的密封圈寬度不同，測(cè)試環(huán)境均為無(wú)縫隙平面，代表相同的泄漏縫隙高度。

拉力計(jì)的值減機(jī)器人自身重力得到吸附系統(tǒng)所能提供的有效吸附力的值。由表4測(cè)試結(jié)果可知，密封圈寬度增大后，吸附力明顯增大。

樣機(jī)測(cè)試V-1、√-3的密封圈寬度相同，測(cè)試環(huán)境分別為平面和曲面，代表不同的泄漏縫隙高度。在樣機(jī)測(cè)試V-3中，機(jī)器人制動(dòng)，采用拉力計(jì)沿曲面切向拉動(dòng)機(jī)器人，進(jìn)而將拉力計(jì)的值減去機(jī)器人重力后，通過(guò)摩擦因數(shù)轉(zhuǎn)換成有效吸附力的值。由表4測(cè)試結(jié)果可知，泄漏縫隙增大后，吸附力明顯減小，影響壁面吸附安全性。

通過(guò)樣機(jī)測(cè)試，驗(yàn)證了密封圈寬度、泄漏縫隙高度等參數(shù)對(duì)吸附性能的影響，且與理論計(jì)算結(jié)果所體現(xiàn)的趨勢(shì)是一致的，進(jìn)一步說(shuō)明所推導(dǎo)流場(chǎng)理論模型的可靠性。

5吸附性能優(yōu)化策略

對(duì)于爬壁機(jī)器人，吸附力并非越大越好。從負(fù)載、功耗等方面綜合考慮，在提高吸附力的同時(shí)應(yīng)不過(guò)分增大機(jī)器人質(zhì)量。同時(shí)，爬壁機(jī)器人維持正常運(yùn)動(dòng)所需要的吸附力應(yīng)越小越好。因此，本文提出額定吸附力自重比和有效吸附力自重比的概念作為爬壁機(jī)器人吸附特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。此處設(shè)定：額定吸附力為爬壁機(jī)器人所能提供的最大吸附力；有效吸附力為爬壁機(jī)器人維持正常運(yùn)動(dòng)作業(yè)所需最小吸附力。對(duì)于負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人，吸附性能優(yōu)化策略是在增大額定吸附力自重比的同時(shí)減小有效吸附力自重比。

6 結(jié)論

1）基于熱力學(xué)定律和N-S方程，以空氣流量為關(guān)聯(lián)要素，構(gòu)建了負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人吸附系統(tǒng)的流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，為吸附性能影響因素的精細(xì)化分析提供了理論依據(jù)。

2）在FLUENT仿真環(huán)境中對(duì)吸附性能的變化規(guī)律進(jìn)行仿真分析，并配合物理樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。仿真與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明所構(gòu)建的流場(chǎng)模型能夠正確反映負(fù)壓吸附系統(tǒng)吸附性能的變化規(guī)律，可以為負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的吸附特性優(yōu)化提供依據(jù)。

3）提出額定吸附力自重比和有效吸附力自重比的概念，為基于本文構(gòu)建的流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型探索負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人吸附性能最佳優(yōu)化方向提供指引。

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作者簡(jiǎn)介：董偉光*（通信作者），男，1984年生，博士、助理研究員。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、道路交通安全與事故預(yù)防技術(shù)。E-mail：860357@cwxu.edu.cn。

本文引用格式：

董偉光，劉愛(ài)華，宋屹峰.一種新型負(fù)壓式爬壁機(jī)器人吸附特性分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2025，36（6）：1198-1205.

DONGWeiguang，LIU Aihua，SONGYifeng.Analysisof Adhe-sion Characteristics of Novel Negative-pressure Adhesion Wall-climbing Robots[J].China Mechanical Engineering，2O25，36（6）：1198-1205.