滑动式爬壁机器人负压吸附机构低能耗设计

收稿日期: 2010 － 09 － 27
基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50905170 ) ; 浙江省教育厅资助项目( Y200909253 ) ; 浙江省自然科学基金资助项目( Y1090042 ) mail: wallrobot@ gmail． com 作者简介: 吴善强( 1977 － ) ， 男， 浙江义乌人， 博士， 硕士生导师， 主要从事机器人技术、 运动控制方面的研究． E-
Abstract : In order to solve the problems of sliding wall climbing robot's great power consumption and low efficiency design，a negative pressure generator of the low power consumption and high efficiency was investigated． After the analysis of robot's pressure needed and flow leakage fluid dynamics，the relationship between negative working pressure，suction mechanism's leakage flow and size of suction cup，sealing mechanism was established． With the computational fluid dynamics ( CFD) tool，a low noise and high efficiency centrifugal fan was designed and the performances of low pressure generator were evaluated． The robot's overall power consumption under variable conditions were tested． The experimental results show that the power consumption is below 298 W，while 2． 5 kPa negative pressure can be stably generated so that robot can stick firmly on wall． The theoretical and experimental result of research on wall climbing robot contributes to further perfecting the performance of robot． Key words: wall climbing robot; negative pressure generator; low power consumption design
因此作用在机器人本体的负压吸附力须满足以上 两式要求， 爬壁机器人吸附系统工作负压要求至少为: Δp = F p / S a
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S a = π( R － Rb + b / 2 ) 。 式中: S a —有效吸附面积，
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爬壁 机 器人 吸附负 压 计 算
当爬壁机器人工 作 于 竖 直 墙 壁 上 时， 对机 器人 进
具体选取。 由于爬壁 机 器人的 能 耗 主要 消 耗 在 负 压 吸附 机 构， 因此设计高效率 的 负 压 发 生 器 即 离 心 风 扇 是十 分 有意义的。无线滑动 式 爬壁 机 器人 功 率 限 定， 在确定 机器人工作负压、 空气流量等参数后， 对离心风机应用 经验公式进行主要几何尺寸的计算和叶轮的三维造型 设计及仿真优化。为了得到更好的风扇流动性以提高 效率， 采用流动状况 更好 的 加 载 式 叶 型。 在 气 动 参数 一定的情况下， 以附 面层 最小 为 目标 对 叶 片 型 线 进 行 优化 ， 得到最佳叶 片 型 线。 叶 轮的 叶 片 厚 度分 布 规 律 用 B 样条曲线控制， 保证 成 型 后 叶 片 型面 高 阶 导 数 连 续， 使叶轮具有优良 的 气 动 性能。 对 单流 道 的 粘 性 流 场进行数值模拟， 工 作 状态下 离 心 风 扇 进 出 口 的 气 动 参数不随时间变化， 离心风扇内的流动则为定常的， 因 而仅 进 行 定 常 流 计 算 即 可 。 离 心 风 扇 进 口 气 流 均 匀 ， 进口气流总 温 度 293 K。 在进 行 等转速 特 性 计 算 时， 考虑离心风扇工作状态下风扇输出口的实际大气环境 参数， 叶轮出口静压不变， 通过改变离心风扇进口的总 压， 获得离心风扇 特 性 曲 线。 在 设计 离 心 风 扇 的方 案 时， 选择电机直接带动离心风扇以转速 6 500 r / min 工
壁面移动机器人 又 称 爬壁 机 器人， 它的突出特点 是可以克服重力作用， 在一定倾斜度、 垂直或者倒立的 壁面上具 有 静止 及 移 动 的 能 力。 它 主要 应 用 于 核 工 业、 建筑业， 消防系统 和 安 检 部 门的 检测、 喷 涂、 清 洗、 侦查等任务。目前爬壁机器人的吸附方式主要包括负 压吸附、 磁吸附、 真空吸附、 螺旋桨推压、 静电吸附以及
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爬壁 机 器人 吸附 机 构 流 量分析
密封裙与墙壁之间的空气流动简化为平行板间间隙
行竖直平面内任意姿态的安全受力分析。为了简化分 析， 只需对吸附力要 求最 高 的 直 线 向 上 运 动 状态 的 爬 壁机器人受力状态进行分析。当爬壁机器人在竖直平 面上 以 与 竖 直 呈 θ 角 姿 态 直 线 向 上 运 动 时 ， 其 受 力如 图 1 所示。
卷
式中: μ —介 质 粘 度， Δp—空 气 泄漏 缝 隙 两 端 即 气 体 流 入口 和气 体 流 出 口 的 压 力 差， 密封裙圆周长度 l = 2π ( R － b /2) 。 此式说明了密封机构泄漏流量与爬壁机器人密封 机构与墙壁之间缝 隙 的 高 度 的 三次 方、 负压腔内外负 压差、 密封圈周长成 正 比 关系， 而 与 介 质 粘 度、 密封圈 宽度成反比关系。
Design of low power consumption negative pressure generator of a sliding wall climbing robot
WU Shanqiang ，HUANG Peipei，WU Lijun，MAO Tangsheng
( Mechatronics Institute，China Jiliang University，Hangzhou 310018 ，China)
( 中国计量学院 机械电子研究所， 浙江 杭州 310018 )
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摘要: 为解决目前滑动式爬壁机器人能耗效率低下的问题， 将低 能 耗 设计技术 应 用 到 负 压 吸附 机 构 设计 中。 开 展 了 机 器人 安 全 吸 负压吸附机构流体力学分析， 得到了机器人工作负压、 流量与吸盘尺寸、 密封裙尺寸的关系， 建立 了 机 器人 总 体 能 耗 与 机 器人 尺 附、 寸之间的关系， 并提出了应用现代计算流体力学方法， 在负压发生 器 即 离 心 风 机 上 进 行 了 流 场 仿真， 对 其 特 性 进 行 了 评价， 并进行 了滑动式负压吸附爬壁机器人 负 压 吸附 机 构 试验。 其 结果 表明爬壁 机 器人 系统能 耗 控制 在 298 W 以 内， 负 压 吸附 机 构可 提 供 2． 5 kPa的负压， 机器人可以稳定吸附在壁面， 为爬壁机器人的低功耗设计提供了理论和实践基础。 关键词: 爬壁机器人; 负压吸附机构; 低能耗设计 中图分类号: TH122 ; TH123 ; TP242． 2 文献标志码: A 文章编号: 1001 － 4551 ( 2011 ) 03 － 0320 － 04
图1 任意姿态爬壁机器人受力简图
右， 远小于最小临界紊流雷诺数 Re 值( Re = 1 200 ) ， 因 此泄漏空气属于层流情况。均匀层流在流速方向上泄 漏气膜压降差为常数， 即泄漏缝隙内， 从气体流入口到 流出口的气膜压强 p 从 标 准 大 气 压 P0 到 密 封 腔 内 线 性分布。当密封吸盘 内 负 压 差 建 立 后， 密封裙与墙壁 ( 1) 之间的空气泄漏缝 隙 两 端， 即 气 体 流入 口 和气 体 流 出 口， 分别承受标准大气压和密封腔内的负压。 按泄漏空气流动 特 点， 可 忽略运 动 惯 性 力 和 质量 力， 同时由于泄漏空气的流体粘度不变， 因此可把泄漏 空气的流动近似看 作一 维 流 动， 当 爬壁 机 器人 固 定 在 墙壁上或当爬壁机 器人 运 动 时， 运 动 轮 前后密 封 机 构 部分相对于墙壁之 间 的 剪 切 流 动 方 向 相 反， 剪切运动 作用引起的间隙流 动 相 互 抵 消， 根据 纳 维 斯 托 克 斯 方 程， 流过缝隙的泄流量体积 q v 可表示为: qv = lh3 Δp 12 μb ( 5)
第 28 卷第 3 期 2011 年 3 月
机
电
工
程
Journal of Mechanical ＆ Electrical Engineering
Vol． 28 No． 3 Mar． 2011
滑 动 式 爬壁 机 器人 负 压 吸附 机 构 低 能 耗 设 计
吴善强 ， 黄 佩佩 ， 武丽 君 ， 毛傥生
式中: G —机器人所受重力; F m —爬壁 机 器人驱 动 轮 摩 擦力; F f —墙壁对密封裙的摩擦力; N i —墙壁作用在各 行走轮上的压 力; F p —由 内 外 压 差 引 起 吸附 作 用 产 生 的在 机 器人 本 体 的 等 效 合 力; L—轮子 径 向 间 距; B — 轮子轴 向 间 距， 且 令 L ＞ B ; H—机 器人 重 心到 墙 壁 的 距离; μ1 —轮子与墙壁之间的摩擦系数， 运动 轮 摩擦 力 F f = μ1 F p1 。 提供机器人驱动力， 则满足机器人运动条件的机器人本体上最小负压