气动多吸盘爬壁机器人

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液压与气动
2005 年第 8 期
气动多吸盘爬壁机器人
孙锦山, 杨庆华, 阮 健
Pneumatic Mult-i suckered Wal-l climbing Robot
SUN Jin-shan, YANG QING- hua, RUAN Jian
( 浙江工业大学 机电学院, 浙江 杭州 310014)
11 真空发生器 21 电磁阀 31 溢流阀 51 比例阀 61 柔性驱动器 a) 气动
41 气泵
b) 电气 图 3 控制系统
阀的特点是在输入气体的气压一定时, 其输出气体的 气压与比例阀上输入信号的电压成线性关系, 所以我 们可以通过控制比例阀的输入信号来获得我们想要的 大气。真空吸盘和柔性驱动器是分别通过电磁阀和比 例阀来控制的, 而比例阀输出气压的高、低及电磁阀的 开关是通过电控系统来控制的。 312 电控系统
( 1) 为了避免机器人从墙壁面上滑下, 根据摩擦 力的特性, 一般情况, 在同样的工况下, 最大静摩擦力 要大于滑动摩擦力, 所以有:
3
E G < min(f sliding , f mstatic ) = f sliding =
LN i ( 1)
i- 1
式中 L) ) ) 摩擦系数
f sliding ) ) ) 滑动摩擦力
f mstatic ) ) ) 最大静摩擦力
( 2) 为了避免机器人从壁面上倾翻下来, 在颠覆 力矩的作用下, 应该满足:
Ni > 0
( 2)
假设垂直墙壁的方向为 X 轴方向, 与墙壁平行的
方向为 Y 轴方向 , 此时 X 轴与 Y 轴方向的受力应该 满足:
3
E Fi - Ni = 0
( 3)
i=1
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相等时, 螺旋钢丝和弹性橡胶收缩, 驱动器恢复原形。 适当地调节气体压力的高低, 便可以使驱动器在弹性 范围内伸长和收缩, 完成驱动动作。该驱动器具有结 构简单、易于小型化、重量轻、柔性好、无摩擦、不需润 滑等优点。 112 吸附机构
吸附机构由 5 个吸盘及 5 个真空发生器组成。如 图 1a 所示吸盘安装在吸盘支撑板上, 吸盘支撑板和柔 性驱动器之间通过连杆和弹簧相连, 而真空发生器的 出气口连在如图 1a 所示吸盘上端的进气口。随着机 器人的运动, 当 1 组吸盘完全接触工作表面到达吸附 状态时, 对应的电磁阀打开, 与之相连的真空发生器工 作产生真空, 吸盘吸附在工作表面上; 反之, 随着机器 人前进, 当 1 组吸盘即将要离开平面时, 对应的电磁 阀关闭, 则吸盘的吸附力逐渐降到零, 而可以脱离工 作表面。在设计中, 任何时刻都至少保证有 3 个吸盘 同时吸附在工作表面上, 以产生足够的吸附力, 防止 机器人从墙壁上滑下或倾翻。 2 安全性能分析
荷的作用下, 油膜被挤压变薄, 在摩擦副 间形成压力 场, 此压力场的合力, 可以平衡外载荷力, 此即为圆柱
311 气动伺服系统 该爬壁机器人的气动伺服系统原理见图 3a, 其气
动元件主要是电磁阀, 比例阀和真空发 生器。5 个真 空发生器的进气口与一组电磁阀相连, 而其真空发生 口和 5 个真空吸盘相连接。为了能够得到较大的吸附 力, 需要提供给真空发生器较高的气体压力, 这样就能 使得机器人的吸盘能牢固地吸附在地面上, 而柔性驱 动器只需要较低的压力就能实现其运动。为了解决真 空发生器和柔性驱动器在压力要求上的矛盾, 在压力 较高的气源和柔性驱动器之间我们采用比例阀。比例
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约束条件:
F > GL /
L
2 1
+
L22/ 4
( 9)
F > G/3L
从爬壁机器人的安全吸附的约束条件看, 当其重 力和其重心到墙壁的距离以及墙壁的 摩擦系数一定 时, 爬壁机器人的吸盘所需的最小吸力与其处于吸附 状态下吸盘之间的上下及左右的跨度成反比的关系。 显然, 当前面 3 个吸盘吸牢时吸盘所需的最小吸力最 大, 所以只要真空发生器使吸盘产生的吸力能够满足 此时的条件, 那么就可以认为机器人在整个运动过程 中都是安全的。 3 爬壁机器人的控制系统
3
Efi- G = 0
( 4)
i=1
所受的平衡力矩为( 以最前面的吸盘的中心点为 参考点) :
( N 2 - F2 + N3 - F3)
L
2 1
+
L
2 2
/
4
=
GL
( 5)
为了计算方便, 我们假定墙壁对后面 2 个吸盘的
作用力是相等的, 即:
N2 = N3
( 6)
同时我们假定各个吸盘的真空度是相等的, 则作
爬壁机器人的运动是通过控制与气动柔性驱动器 相连的比例阀及控制与 5 个吸盘相连的一组电磁阀的 开关来实现的。
运动实现的具体步骤如下: ( 1) 首先通过控制电磁阀将机器人的第 1 个与最 后 2 个吸盘吸附在墙壁上, 即爬壁机器人的初始状态; ( 2) 这 时打开比例阀 对气动柔 性驱动器 进行充 气, 柔性驱动器在大气压力下伸长, 此时由于与驱动器 相连的后面的 2 个吸盘吸附在墙壁上, 所以驱动器只 能向前伸长, 同时使前面的弹簧装置处于压宿状态; ( 3) 在柔性驱动器伸长一定长度后, 控制电磁阀 将机器人的中间 2 个吸盘吸附在墙壁上; ( 4) 然后控制电磁阀将后面 2 个吸盘松开, 同时 对柔性驱动器放气, 这时驱动器在其内部弹簧的作用 下开始收缩, 同时带动机器人的后 2 个吸盘一起向上 运动到驱动器的原长位置; ( 5) 在柔性驱动器回复到原长位置时, 先控制电 磁阀将后面的 2 个吸盘吸附在墙壁上, 然后将最前面 的吸盘松开, 这时处于压缩状态下的弹簧就要恢复到 原长, 使得最前面的吸盘向前伸长, 这样, 整个爬壁机 器人就向前前进了一个步距; ( 6) 重复以上步骤, 爬壁机器人就能在壁面上实 现蠕动。 5 结论 气动多吸盘爬壁机器人采用气动柔性驱动机构, 并采用多吸盘真空吸附方式吸附在墙壁表面, 经过试 验证明, 该爬壁机器人不仅能够在玻璃幕墙上蠕动爬
0 前言 表面检测和清洁等工作对于高层建筑物或大型结
构的安全使用和寿命非常必要, 而传统的吊篮人工操 作方式既危险, 劳动强度又高, 在世人对生命越来越尊 重、对生活质量追求越来越高的同时, 在过去的 20 多 年中, 科研人员研制了多种类型的爬壁机器人, 希望借 此能将人从危险和枯燥的工作中解放出来。爬壁机器 人一般必须具有 2 个 基本功能: 吸 附功能和 移动功 能[ 1] 。就吸附功能而言目前主要有单吸盘和多吸盘 2 种。1978 年, 化工机械技术服务株式社制作出一种叫 walker 的壁面移 动机器人[ 2] 。1989 年, 哈尔滨工业大 学机器人研究所研制出一种单吸盘爬壁机器人[ 3] 。这 些单吸盘爬壁机器人可实现小型化, 清量化, 且结构简 单, 易于控制。但要求壁面有一定的平滑度, 越障能力 低, 不适合在复杂壁面上爬行, 当遇到较大沟槽或凹凸 面时, 吸盘负压难以维持。为了克服以上的缺点, 许多 学者采用了多个吸盘。如 1989 年, 日本东京煤气公司 与日立公司制作了用于煤气灌检查的爬壁机器人[ 4] , 1989 年德国 Aalen 商业技术学院研制出一种单履带多 吸盘爬壁机器人 Cleanbo-t IV[ 5] 。这类机器人使吸附力 分散, 从而加强了其吸附能力。而就移动功能而言, 其 驱动方式则有电驱动、液压驱动和气压驱动方法。电 驱动是技术最成熟、应用最广泛的一种驱动方式, 为大 多数灵巧手所采用; 液压驱动具有很好的稳定性和可 靠性、很高的力矩/ 体积比、很强的阻转能力, 驱动器的 结构简单并且价格便宜等; 而气压驱动具有成本低廉、 工作效率高、清洁无污染的特点。
橡胶管的刚度, 还限制了橡胶管的径向变形。当通气
管通入高压气体时, 驱动器在气体压力的作用下, 发生
变形, 由于壁内钢丝的作用, 径向变形很小, 驱动器主
要产生轴向的伸长; 当气体压力逐渐降低到与大气压
收稿日期: 2005- 05-19 作者简 介: 孙锦 山( 1980) ) , 男, 江苏省 海安 县人, 硕 士研 究 生, 主要从事机电控制及智能机器人等方面的 研究工作。
图 2 爬壁机器人受力示意图
各符号意义如下: N i 百度文库墙壁对第 i 个吸盘的法向支撑力( 垂直于墙
面) , i = 1, 2, 3; Fi 为作用在第 i 个吸盘上的空气压力 差, 即为真空吸力, i = 1, 2, 3; f i 为墙壁对第 i 个吸盘 的摩擦力, i = 1, 2, 3; G 为整个爬壁机器人的重量; L 为爬壁机器人的等效重心到墙壁的距离; L1 为最前面 的吸盘到最后面吸盘之间的距离; L 2 为爬壁机器人在 同一水平线上两个吸盘的跨度。
电控系统是用来控制电磁阀与比例阀的, 其原理 框图如图 3b。
如图所示电磁阀是通过连在工控机上的多功能数 据采集卡的 DO 输出口来控制的, 而比例阀则由其 DA 输出口控制。爬壁机器人的运动控制指令由工控机发 出, 并通过多功能数据采集卡来执行其指令再去控制 比例阀与电磁阀, 使机器人实现所要求的运动。 4 爬壁机器人的运动实现
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静压支承圆柱副油膜承载能力的求解
孙英达, 徐文琴
Calculating the film Strength of Column Pair with Hydrostatic support
SUN Ying- da, XU Wen- qin
( 浙江 工业职业技术学院, 浙江 绍兴 312000)
a) 吸附机构
b) 驱动机构
11 端盖 21 螺旋钢丝 31 弹性壳体 41 紧固圈 51 管接头
图 1 爬壁机器人
111 驱动机构
驱动机构实际上就是一个气动柔性驱动器, 气动
柔性驱动器是由改进过的橡胶管做成。图 1b 是驱动
器的结构图。该驱动器是利用橡胶的伸缩性用特殊工
艺加工而成, 橡胶管壁内缠绕有螺旋钢丝, 不仅加强了
当爬壁机器人携带设备进行工作时, 如果负载或 运行参数超过其允许范围, 就又可能从墙壁上滑下或 者倾翻, 因此分析爬壁机器人的负载能力和安全运动 条件, 即安全性能分析对安全工作是必要的, 也是进行 设计和运动控制的基础和约束条件。
由于每时每刻至少有 3 个吸盘吸附在墙壁上, 所 以我们只要分析当 3 个吸盘吸附在墙壁 上时的安全 性, 而此时又分为 2 种情况: 前 3 个吸盘吸附在墙壁上 和第 1 个与后 2 个吸盘吸附在墙壁上。我们先考虑第 2 种情况下机器人的安全吸附性, 为了简化, 这里只考 虑静态吸附的情况, 此时爬壁机器人的受力情况如图 2 所示。
摘 要: 介绍了静压支承圆柱副油膜在压差流动和挤压流动同时存在时的承载能力的求解方法, 为圆柱 副油膜的理论研究提供了理论依据。
关键词: 压差流动; 挤压流动; 承载能力
中图分类号: TH137 文献标识码: B 文章编号: 1000- 4858( 2005) 05- 0059-02
1 引言
在摩擦副之间, 如已存在一定厚度的油膜, 在外载
用在吸盘上的吸力为:
F = Fi = sT
( 7)
式中 s ) ) ) 每个吸盘的吸附面积
T) ) ) 工作吸盘内的真空度
由式( 3) ~ 式( 7) 解得:
N 1 = F - GL/
L
2 1
+
L
2 2
/
4
( 8)
N 2 = N 3 = 2F + GL / L12 + L22/ 4
综合( 1) , ( 2) 两式得到爬壁机器人的稳定吸附的
摘 要: 介绍了一种气动爬壁机器人的原型设计, 该机器人新颖之处在于采用多个吸盘组成的吸附机构 和气动柔性驱动机构, 它可以在玻璃面上和平整的金属表面上蠕动爬行。主要阐述了爬壁机器人关键结构 的设计、安全性分析、控制系统和运动实现。
关键词: 爬壁; 吸盘; 柔性驱动器
中图分类号: TH138 文献标识码: B 文章编号: 1000- 4858( 2005) 08- 0056-04
目前浙江工业大学机电学院机械电子研究所正在
研究一种基于气动柔性驱动器[ 7] 的小型多吸盘爬壁机 器人。 1 机器人的结构
气动多吸盘真空吸附式爬壁机器人能够在地面及 平整的壁面上直线爬行与弯曲爬行, 主要由吸附机构, 驱动机构和提升装置组成。本文设计的爬壁机器人如 图 1 所示。该机 器人 尺寸 为 150 mm @ 100 mm @ 90 mm, 重 500 g。