爬壁机器人负压吸附方式概述
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( Robotics Institute, Harbin Institute of Technology, Heilongjiang Harbin 150001, Chian)
Abstr act: Different types of wall climbing robot’s gripping principle were analyzed especially on negative pressure suction cups with some robot examples. Based on the analysis, a wireless wall climbing robotic system was developed, witch has an ability of a high moving speed and wall to wall transition when taking reconnaissance task.
with Negative Pressure Sucker Used for Cleaning Work [ J] . High Technology Letters.1999,( 6) : 85- 88. [ 5] 代 智 勇; 朱 永 兴. 一 种 新 型 双 吸 盘 机 器 人 模 型 及 控 制 系 统 的 研 究[ J] . 上海水产大学学报. 2003, 12( 4) : 384- 386. [ 6] Nishi, A, Miyagi, H. Mechanism and Control of Propeller Type Wall- Climbing Robo[t C] . IEEE ICIRS1994: 1724- 1729. [ 7] L.BRiones, P.Bustanmante. A Wall- Climbing Pneumatic Robot for Inspection in Nuclear Power Plants [ J] .Robotics and Computer Integrated Manufacturing. 1994,( 12) : 284- 292.
分析[ J] . 上海交通大学学报, 2003, 37( 11) : 58- 65. [ 3] 潘雷, 赵言正, 等. 具有双负压吸盘的爬壁机器人吸附 特 性[ J] .
上海交通大学学报, 2005, 39( 6) : 873- 876. [ 4] ZHAO Yan- zheng, Shao Hao, Wang, Yan. Wall- Climbing Robot
爬壁机器人最主要的一个特点是机器人可以克服 重力作用, 在一定倾斜度、垂直或倒立的壁面上具有静 止及移动的能力。目前爬壁机器人吸附方式主要包括 磁吸附[1- 2]、负压吸附 [3- 5]、螺旋桨推压[6- 7] 等, 近年来又出 现 了 胶 吸 附 、仿 壁 虎 足 的 干 吸 附 、仿 蜗 牛 的 湿 吸 附 、类 攀岩抓持和毛刺抓持等方式。磁吸附包括永磁式吸附 及电磁式吸附, 该类吸附方式只适合在导磁面上吸附; 低真空度负压吸附采用风机旋转将负压腔内的空气抽 出产生负压来吸附, 具有一定的壁面适应能力, 但存在 噪音大、体积大的缺点; 高真空度负压吸附方式则由真
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2007 年 第 2 期
第 35 卷
林业机械与木工设备
综述
作负压最大真空度约为 40kPa, 常见的工作负压在 6 ̄ 20kPa, 而一些小型的爬壁机器人工作负压在 2kPa 左 右即可满足要求。
2 文丘里器 另一种常用的真空吸附是利用文丘里原理。压缩
机产生的高速气流通过文丘里器在容器中形成负压, 这种原理的负压真空度一般较第一种负压吸附的工作 真空度高, 可用相对低的真空流量产生高真空。
该真空发生器的优点是没有活动的部件, 几乎不 需要维修。发生器不会产生热量, 体积很小, 适合短周 期使用。
3 龙卷风模拟 模拟龙卷风中心气压较低的方法是通过一种特制
的风扇在机器人真空腔内壁形成一个个特殊构型, 风 扇旋转时, 在工作平衡点由风扇吸入的流量等于风扇 四周排出的气体, 理论上流入爬壁机器人内的空气流 量为零, 因而不需要密封装置, 只需保证真空腔边缘与 墙壁保持一定距离的缝隙。爬壁机器人和墙壁之间形 成一个模拟的龙卷风低压区, 使机器人吸附在墙壁上, 这种吸附的一个突出特点是机器人的吸附腔体与外界 没有接触, 不存在机器人密封圈和墙壁之间的阻力, 所 有由于负压产生的压力均作用在机器人本体上, 由于 不需克服密封裙与墙壁之间的摩擦力, 因而机器人正 常工作所需的负压真空度在前三种方法中最低。
高的真空度, 在所有负压吸附的爬壁机器人中真空负 压最高, 因而面积较小的吸盘就足以产生一个足够大 的力使机器人吸附在光滑的壁面上( 如玻璃面、飞机表 面、屋内墙壁等) 。采用真空泵产生负压吸附的爬壁机 器人易于将机器人小型化和轻型化, 近几年的小型爬 壁机器人一般都采用这种吸附方式。
5 无线子母式爬壁机器人 从现有的文献中可以看出, 目前的爬壁机器人在
4 真空泵 真空泵的形式较多, 爬壁机器人中应用的真空泵
一般是往复式真空泵。泵运转时, 在电动机的驱动下, 通过曲柄连杆机构的作用, 使气缸内的活塞做往复运 动。当活塞在气室内从左端向右端运动时, 由于气缸的 左腔体积不断增大, 气缸内气体的密度减少而形成抽 气过程, 此时容器中的气体经过吸气阀进入泵体左腔。 当活塞达到最右位置时, 气缸内就完全充满了气体。然 后活塞从右端向左端运动, 此时吸气阀关闭。气缸内的 气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩, 当气缸内 气体的压强达到或稍大于一个大气压时, 排气阀被打 开, 将气体排到大气中, 完成一个工作循环。当活塞再 自左向右运动时, 又吸进一部分气体, 重复前一循环, 如此反复下去, 直到被抽容器内的气体压力达到要求 为止。真空泵和吸盘是目前最常见的负压吸附方式, 真 空泵连接吸附用的真空吸盘, 由于真空泵可以产生较
Байду номын сангаас
第 35 卷
11 2007 年 第 2 期
收稿日期: 2006- 09- 29
空泵在真空吸盘内产生一定真空度, 其具有噪音较小、 易于小型化集成的优点, 但对壁面的光洁度及透气性 有较高要求; 螺旋桨推压靠合理布置螺旋桨的角度, 利 用螺旋桨旋转产生的推力将机器人贴附在壁面上, 但 也存在噪音大的缺点。由于负压吸附具有适用面广, 不 受墙壁表面材料限制, 而且低负压真空吸附的爬壁机 器人具有墙壁适应能力强和运动速度快等优点, 因此 目前负压吸附在爬壁机器人中得到广泛的应用。本文 叙述不同种类的负压吸附特点, 并进行分析总结。
Key wor ds: wall climbing robot; negative pressure; review
爬壁机器人的特点是可以在垂直墙壁表面或天花 板上移动作业, 主要应用于以下几个领域: 在核工业和 石化行业中, 对核废液罐进行测厚检查及焊缝探伤等, 对圆形或球形储油罐的内外壁面进行检查和保养; 在 建筑和造船行业中, 用于对大型平面的喷涂清洗及探 伤; 消防和安全保卫部门将爬壁机器人用于物资运送 和侦察。
1 径流式离心风扇 最早采用的一种负压吸附是采用高速旋转( 20000r/
min 以上) 的径流式离心风扇将爬壁机器人吸附腔内的 空气甩出形成负压。相对于泵, 在相同功率下, 风扇的 流量要大得多, 常用的轴流式风扇流量比径流式风扇 更大, 而负压真空度不能满足爬壁机器人的要求, 因而 采用径流式离心风扇。风扇工作时, 空气从爬壁机器人 与墙壁接触的密封裙流入, 从风扇四周排出, 形成的工
关键词: 爬壁机器人; 负压吸附; 现状概述 中图分类号: TP242 文献标识码: B 文章编号: 1001- 4462( 2007) 02- 0010- 02
Review of Wall Climbing Robot with Negative Pr essur e Cups
WU Shan- qiang, LI Man- tian, SUN Li- ning
图 1 无线子母式爬壁机器人
主要参考文献: [ 1] XU Ze - liang. A Wall - Climbing Robot for Labeling Scale of Oil
Tank’s Volume[ J] . Robotica. 2002,( 3) : 209- 212. [ 2] 徐泽亮, 马培荪. 永磁吸附履带 式 爬 壁 机 器 人 转 向 运 动 灵 活 性
一些特殊应用场合情况下不具备高速大范围运动的能 力, 在复杂环境中无法完成在三维空间内运动并执行 检测侦查的任务, 而无线子母式爬壁机器人( 如图 1 所 示) 系统可以满足以上的要求。该机器人母机用作子机 的载体, 高速行驶至复杂环境附近, 母机采用单吸盘特 殊风扇产生负压和双轮驱动机构的形式, 可以快速大 范 围 运 动 。子 机 是 一 个 尺 蠖 式 双 足 微 小 型 爬 壁 机 器 人 , 具有五个自由度, 吸附足各采用一个微型真空泵, 可以 很好地适应复杂环境。
综述
林业机械与木工设备
爬壁机器人负压吸附方式概述
吴善强, 李满天, 孙立宁 ( 哈尔滨工业大学机器人研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要: 分类总结爬壁机器人的吸附方式, 着重分析负压吸附爬壁机器人的各种吸附原理, 在此基础上提出一 种能够适应复杂环境并具有高速大范围运动能力的爬壁机器人系统。
Abstr act: Different types of wall climbing robot’s gripping principle were analyzed especially on negative pressure suction cups with some robot examples. Based on the analysis, a wireless wall climbing robotic system was developed, witch has an ability of a high moving speed and wall to wall transition when taking reconnaissance task.
with Negative Pressure Sucker Used for Cleaning Work [ J] . High Technology Letters.1999,( 6) : 85- 88. [ 5] 代 智 勇; 朱 永 兴. 一 种 新 型 双 吸 盘 机 器 人 模 型 及 控 制 系 统 的 研 究[ J] . 上海水产大学学报. 2003, 12( 4) : 384- 386. [ 6] Nishi, A, Miyagi, H. Mechanism and Control of Propeller Type Wall- Climbing Robo[t C] . IEEE ICIRS1994: 1724- 1729. [ 7] L.BRiones, P.Bustanmante. A Wall- Climbing Pneumatic Robot for Inspection in Nuclear Power Plants [ J] .Robotics and Computer Integrated Manufacturing. 1994,( 12) : 284- 292.
分析[ J] . 上海交通大学学报, 2003, 37( 11) : 58- 65. [ 3] 潘雷, 赵言正, 等. 具有双负压吸盘的爬壁机器人吸附 特 性[ J] .
上海交通大学学报, 2005, 39( 6) : 873- 876. [ 4] ZHAO Yan- zheng, Shao Hao, Wang, Yan. Wall- Climbing Robot
爬壁机器人最主要的一个特点是机器人可以克服 重力作用, 在一定倾斜度、垂直或倒立的壁面上具有静 止及移动的能力。目前爬壁机器人吸附方式主要包括 磁吸附[1- 2]、负压吸附 [3- 5]、螺旋桨推压[6- 7] 等, 近年来又出 现 了 胶 吸 附 、仿 壁 虎 足 的 干 吸 附 、仿 蜗 牛 的 湿 吸 附 、类 攀岩抓持和毛刺抓持等方式。磁吸附包括永磁式吸附 及电磁式吸附, 该类吸附方式只适合在导磁面上吸附; 低真空度负压吸附采用风机旋转将负压腔内的空气抽 出产生负压来吸附, 具有一定的壁面适应能力, 但存在 噪音大、体积大的缺点; 高真空度负压吸附方式则由真
10
2007 年 第 2 期
第 35 卷
林业机械与木工设备
综述
作负压最大真空度约为 40kPa, 常见的工作负压在 6 ̄ 20kPa, 而一些小型的爬壁机器人工作负压在 2kPa 左 右即可满足要求。
2 文丘里器 另一种常用的真空吸附是利用文丘里原理。压缩
机产生的高速气流通过文丘里器在容器中形成负压, 这种原理的负压真空度一般较第一种负压吸附的工作 真空度高, 可用相对低的真空流量产生高真空。
该真空发生器的优点是没有活动的部件, 几乎不 需要维修。发生器不会产生热量, 体积很小, 适合短周 期使用。
3 龙卷风模拟 模拟龙卷风中心气压较低的方法是通过一种特制
的风扇在机器人真空腔内壁形成一个个特殊构型, 风 扇旋转时, 在工作平衡点由风扇吸入的流量等于风扇 四周排出的气体, 理论上流入爬壁机器人内的空气流 量为零, 因而不需要密封装置, 只需保证真空腔边缘与 墙壁保持一定距离的缝隙。爬壁机器人和墙壁之间形 成一个模拟的龙卷风低压区, 使机器人吸附在墙壁上, 这种吸附的一个突出特点是机器人的吸附腔体与外界 没有接触, 不存在机器人密封圈和墙壁之间的阻力, 所 有由于负压产生的压力均作用在机器人本体上, 由于 不需克服密封裙与墙壁之间的摩擦力, 因而机器人正 常工作所需的负压真空度在前三种方法中最低。
高的真空度, 在所有负压吸附的爬壁机器人中真空负 压最高, 因而面积较小的吸盘就足以产生一个足够大 的力使机器人吸附在光滑的壁面上( 如玻璃面、飞机表 面、屋内墙壁等) 。采用真空泵产生负压吸附的爬壁机 器人易于将机器人小型化和轻型化, 近几年的小型爬 壁机器人一般都采用这种吸附方式。
5 无线子母式爬壁机器人 从现有的文献中可以看出, 目前的爬壁机器人在
4 真空泵 真空泵的形式较多, 爬壁机器人中应用的真空泵
一般是往复式真空泵。泵运转时, 在电动机的驱动下, 通过曲柄连杆机构的作用, 使气缸内的活塞做往复运 动。当活塞在气室内从左端向右端运动时, 由于气缸的 左腔体积不断增大, 气缸内气体的密度减少而形成抽 气过程, 此时容器中的气体经过吸气阀进入泵体左腔。 当活塞达到最右位置时, 气缸内就完全充满了气体。然 后活塞从右端向左端运动, 此时吸气阀关闭。气缸内的 气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩, 当气缸内 气体的压强达到或稍大于一个大气压时, 排气阀被打 开, 将气体排到大气中, 完成一个工作循环。当活塞再 自左向右运动时, 又吸进一部分气体, 重复前一循环, 如此反复下去, 直到被抽容器内的气体压力达到要求 为止。真空泵和吸盘是目前最常见的负压吸附方式, 真 空泵连接吸附用的真空吸盘, 由于真空泵可以产生较
Байду номын сангаас
第 35 卷
11 2007 年 第 2 期
收稿日期: 2006- 09- 29
空泵在真空吸盘内产生一定真空度, 其具有噪音较小、 易于小型化集成的优点, 但对壁面的光洁度及透气性 有较高要求; 螺旋桨推压靠合理布置螺旋桨的角度, 利 用螺旋桨旋转产生的推力将机器人贴附在壁面上, 但 也存在噪音大的缺点。由于负压吸附具有适用面广, 不 受墙壁表面材料限制, 而且低负压真空吸附的爬壁机 器人具有墙壁适应能力强和运动速度快等优点, 因此 目前负压吸附在爬壁机器人中得到广泛的应用。本文 叙述不同种类的负压吸附特点, 并进行分析总结。
Key wor ds: wall climbing robot; negative pressure; review
爬壁机器人的特点是可以在垂直墙壁表面或天花 板上移动作业, 主要应用于以下几个领域: 在核工业和 石化行业中, 对核废液罐进行测厚检查及焊缝探伤等, 对圆形或球形储油罐的内外壁面进行检查和保养; 在 建筑和造船行业中, 用于对大型平面的喷涂清洗及探 伤; 消防和安全保卫部门将爬壁机器人用于物资运送 和侦察。
1 径流式离心风扇 最早采用的一种负压吸附是采用高速旋转( 20000r/
min 以上) 的径流式离心风扇将爬壁机器人吸附腔内的 空气甩出形成负压。相对于泵, 在相同功率下, 风扇的 流量要大得多, 常用的轴流式风扇流量比径流式风扇 更大, 而负压真空度不能满足爬壁机器人的要求, 因而 采用径流式离心风扇。风扇工作时, 空气从爬壁机器人 与墙壁接触的密封裙流入, 从风扇四周排出, 形成的工
关键词: 爬壁机器人; 负压吸附; 现状概述 中图分类号: TP242 文献标识码: B 文章编号: 1001- 4462( 2007) 02- 0010- 02
Review of Wall Climbing Robot with Negative Pr essur e Cups
WU Shan- qiang, LI Man- tian, SUN Li- ning
图 1 无线子母式爬壁机器人
主要参考文献: [ 1] XU Ze - liang. A Wall - Climbing Robot for Labeling Scale of Oil
Tank’s Volume[ J] . Robotica. 2002,( 3) : 209- 212. [ 2] 徐泽亮, 马培荪. 永磁吸附履带 式 爬 壁 机 器 人 转 向 运 动 灵 活 性
一些特殊应用场合情况下不具备高速大范围运动的能 力, 在复杂环境中无法完成在三维空间内运动并执行 检测侦查的任务, 而无线子母式爬壁机器人( 如图 1 所 示) 系统可以满足以上的要求。该机器人母机用作子机 的载体, 高速行驶至复杂环境附近, 母机采用单吸盘特 殊风扇产生负压和双轮驱动机构的形式, 可以快速大 范 围 运 动 。子 机 是 一 个 尺 蠖 式 双 足 微 小 型 爬 壁 机 器 人 , 具有五个自由度, 吸附足各采用一个微型真空泵, 可以 很好地适应复杂环境。
综述
林业机械与木工设备
爬壁机器人负压吸附方式概述
吴善强, 李满天, 孙立宁 ( 哈尔滨工业大学机器人研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要: 分类总结爬壁机器人的吸附方式, 着重分析负压吸附爬壁机器人的各种吸附原理, 在此基础上提出一 种能够适应复杂环境并具有高速大范围运动能力的爬壁机器人系统。