真空吸附式爬壁机器人设计

Ξ№.4 西北轻工业学院学报 D ec.1997・18・ JOU RNAL O F NOR THW EST I N ST ITU T E O F L IGH T I NDU STR Y V o l .15真空吸附式爬壁机器人设计何雪明1　丁毅　朱明波2(机械工程系)摘　要　运用壁虎爬行原理,设计构思了真空吸附式爬壁机器人.采用多组橡胶吸盘将机器人吸附在墙面上,配以简单四杆机构完成其行走功能,从而达到擦洗整个墙面的目的.该机器人可用于建筑行业和洁净业.关键词:壁面机器人,真空吸附,蠕行运动中图法分类号:TQ 242.1(TH 122)1　引言目前,瓷砖、玻璃装璜的墙壁均采用人工直接擦洗.因高空擦洗作业具有很大的危险性,因此,研制一种适用于高楼墙壁擦洗的墙壁机器人有着重要的意义.壁面机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品,自80年代以来在国内外取得了迅速的发展,有的已开始进入实用试验阶段.到1992年底,国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功,其中以日本发展最快.国内较早的是哈尔滨工业大学,他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人,采用真空吸附式,通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走.另外,上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行机器图1　爬壁机器人总体框架图人.上海交通大学亦于1995年研制了磁吸附爬壁机器人用于油罐检测.2　真空吸附式爬壁机器人总体设计要实现机器人在普通壁面上的自由移动,必须具备粘着功能与移动功能.常见粘着功能主要靠吸附即负压吸附实现.根据吸附力量产生装置不同,又可分为真空泵式、喷射器式.移动方式一般有轮式、履带式及足式三种.针对壁面移动机器人的工作条件以及壁面非金属性、金属性等其它原因,经过比较选择了多子真空吸附、足式移动的方案.其吸附性好,结构简单,由于吸盘采用列吸盘组,Ξ收稿日期:1997-05-10　第一作者:男,32岁,硕士1、2作者单位:无锡江南大学机电系,邮编:214063图2　爬壁机器人结构简图有效吸附面积大,吸附力大,对壁面的不平度、弯曲度、空隙都有较强的适应能力.该机器人的总体框架如图1所示,其结构简图如图2所示,其动作过程如图3所示.1.1　爬壁机器人的原理爬壁机器人是依据自然界中的生物——壁虎的爬行原理设计的.我们对其进行了一定的研究和归纳,得出了基于模拟方式的爬壁机器人方案.爬壁机器人的原理及运动过程:利用其脚(吸盘)与接触物之间存在的内外压差使其能吸附在接触物的表面.当脚与接触物接触时,上下脚吸附.若机器人向上行动,则下脚吸附,上脚(吸盘)与大气相通,使其脱开壁面,同时躯体向上伸出,至上脚不能伸出为止.接着上脚开始吸住墙壁,使其能基本独立承受其重力.接下来,下脚与大气相通,再由躯体动力图3　爬壁机器人运动示意图系统使下肢向下运动,至运动原状,并吸住墙壁.循环往复完成向前行进的爬行过程.1.2　爬壁机器人的运动分析根据目前设计的爬壁机器人的爬行方式,我们定义为“蠕行式”意即模仿蠕虫行进的方式.蠕虫行进方式见图4.爬壁机器人行进方式见图5(忽略足部细节运动).比较上述两种行进方式我们可以认为它们是相类似的,并可得出如下的等价关系:蠕虫的头尾=爬壁机器人的前后脚,蠕虫的身躯=爬壁机器人的导轨伸缩机构.当然,本文设计的机图4　蠕虫行进方式器人其行进功能和蠕虫有一定的区别.首先,蠕虫的行进方式和着落点具有选择性,而本文的爬壁机器人仅限于直线行走和限定行程的着落.其次,蠕虫的行进具有避让性——即对墙面具有很强的适应能力,它可・91・第4期 何雪明等:真空吸附式爬壁机器人设计图5　爬壁机器人行进方式通过身躯的弯曲程度来避让并适应不同曲率的墙面,与灵活的着落点相配合而具有更佳的适应性.本文设计的机器人的行进是刚性导轨式的,不具备柔性,适应性有一定的限度,而且吸盘亦不允许墙面具有较大的不规则性和不平滑度,仅限于能跨过条形阻挡条的有限高度(0～10c m ).当然,此机器人仅是初步设计,通过采用其它类型的机构和更小更密的吸盘陈列是能提高爬壁机器人的壁面适应性和越障碍能力的.2　吸附式机器人的结构设计2.1　移动吸附机构设计图6　受力分析吸附材料采用软橡胶.机器人的工作状况与吸盘的吸力大小有关,如图6所示为机器人静止吸附在壁面时的受力情况.机器人能维持吸附的条件为F =nF P 1≥W (设P 1′=P 2′)P 1≥Wnf (1) 式中:F 为摩擦力,f 为摩擦系数,P 1为单个吸盘的吸力,W 为机器人自重与其附件重量之和,n 为吸盘的个数.由于机器人重心离壁面距离为h ,与F 形成的力矩将影响到重心上半部分对壁面的有效压力,同时,考虑到由于地面有缝隙而减少真正吸附壁面的吸盘个数,引入安全系数K 1,则单个吸盘的吸附力为:P =K 1P 1K 1值的大小取决于壁面灰尘、空隙、不平度以及行走中遇到障碍物如电线、导气管等因素,一般取2～3.2.2　吸盘机构如图7所示为单个吸盘的结构图,它是由钢球1、橡皮圈2、弹簧3和4所组成.在忽略气体摩擦和位置时,由伯努利方程得:V 22+KK -1P Θ=C 即　V 22=C -KK -1PΘ 式中:V 为气体的速度,K 为气压压缩系数,P 为压力,Θ为密度,C 为常数.当导管中的气压还在减小,同时有几个吸盘已经处于有效吸附的情况下,在缝隙上的吸盘与大气相通,因此V 值将增大,这样小球就受到气体的压力,随即密封通气口,达到工作效果.・02・西北轻工业学院学报 第15卷图7　吸盘结构F 气=ΘQ ∃V g F 弹=K ∃x F 气≥F 弹 式中:Θ为气体密度,Q 为流量,∃V 为气体流速的改变量,g 为重力加速度,K 为弹簧屈强系数,∃x 为压缩位移.则K ≤ΘQ ∃V g ∃x2.3　脚部机构脚部机构如图8所示由1—吸盘陈列,2、3、7—微型开关,4—弹簧,5—平行四边形连杆器,6—曲柄连杆等组成.脚部由两连杆机构串联而成,在保证吸盘陈列与壁面平行的同时,又有向前移动及翻越动作.鉴于连杆机构是刚性构件,分别在吸盘陈列与脚部之间连有弹簧,确保其有一定的柔性,其动作的限制和定位由2、3、7三个定位开关实现.图8　脚部机构 图9　行进机构2.4　行进结构行进机构如图9所示由1—前身,2—后身,3—转向(导向轮),4—卷线、释线轮,5—动力系统(行进用),6—类同3,7、8—限位开关等组成.动作描述如下:由5带动4正向、逆向旋转来带动机体1、2产生相对移动,从而产生运动,具体的行进速度视其情况而定.3　控制部分控制部分见图10所示分上、下肢部分及足部控制三部分.足运动分析见图11.4　结论目前设计的机器人相对是很简单的,只具备直行能力,没有相应的判断功能和承担相应的功能,因此只能作为初步的载体研究.验证机器人墙壁爬行的方法以及把大吸盘细化——陈列吸盘并变成相互独立的个体,可随时增加或减少吸盘数及陈列组数.作为吸附足的一种发展方向,可以认为此种吸附足将被赋于强大的生命力而担当多种高空作业,替代人类作危险的劳动.因此,前景是十分喜人的.・12・第4期 何雪明等:真空吸附式爬壁机器人设计图10　控制原理图图11　足运动分析图参考文献1　徐殿国.日本壁面移动机器人技术发展概况.机器人,1989;3(4):53～582　Kagubode satoeds .In specti on robo t fo r tank w all in m celear p lan t .In ternati onalConference on A dvanced Robo t ,1987,177～1803　To sh i o ,Fukuda .C raw ler typ e w all su rface m ob ile suckers Japan U SA Sym po 2sium on F lex ib le A u tom ati on A S M E ,1992;(1):769～608(下转第33页)・22・西北轻工业学院学报 第15卷TECHNOLOG Y OF D ISTR IBUTED CONTROL S Y STE MIS APPL IED IN A BEER FER M ENTAT I ON PROCESSZ hu Y iz ao Y u D ay uan W u J uanABSTRACTA m easu rem en t and con tro l system based on DCS (D istribu ted Con tro l System )tech 2no logy is u sed in a beer fer m en tati on p rocess fo r con tro lling techno logical param eters of tem p eratu re ,p ressu re ,liqu id level and flow .T he system con sist of indu strial con tro l com 2p u ter ,m easu rem en t un it and con tro l un it .R unn ing resu lts show s that the system are sta 2b ly and reliab le ,and can con tro l beer fer m en tati on p rocess accu rately ,and i m p rove the quality of the beer .Keyword :beer fer m en tati on ,distribu ted m easu rem en t and con tro l ,m easu rem en t un it ,fuzzy con tro l(上接第22页)D ESIGN OF ABS ORPT I ON -T Y PE CL I M B ING -W ALLROB OT OF VACUU MH e X ue m ing D in Y i Z hu M ing boABSTRACTIn th is article ,w ith the aid of p rinci p le of gecko cli m b ing ,au tho r designed and w o rked ou t the ab so rp ti on -typ e cli m b ing -w all robo t of vacuum .Robo t is ab so rp ted on the w all by adop ting several group s rubber suckers ,and is m ated si m p ly fou r -lever m echan is m to fin ish its m oving .So that the goal of clean ing the w ho le w all is reached .T h is robo t lies in the leading p lace am ong the sam e k inds of robo ts in ou r coun try .If is can be i m p roved fu rther ,it w ill get s w ift developm en t and sp read in the bu ilding and clean ing field ,app lied p ro spect is better .Keywords :cli m b ing -w all robo t ,ab so rp ti on of vacuum ,w riggle m ovem en t ・33・第4期 祝一藻等:集散测控技术在啤酒发酵工艺过程中的应用。