玻璃幕墙清洗机器人攀爬部分结构研究

刘 凌

(西安文理学院机械与材料工程学院，陕西 西安 710065)

多吸盘爬壁机器人的移动方式多采用脚足式、履带式或框架式结构。田静眉[1]提出了真空吸附式壁面清洗机器人的构型设计基本原则，探索了此类型机器人的设计理论。KIM等[2]认为机器人结构应简单，具有真空吸盘的履带式或轮式、具有滑动框架[3]等结构都可以满足这种要求。王妹婷[4]研制了履带式磁吸附爬壁机器人，主要采用履带结构，实现机器人爬壁动作。丁官元[5]设计了一种由自适应吸盘越障结构与轮式双十字气动平移框架结构组成的机器人爬壁系统。MAHBOUBIDOUST等[6]研发的自驱动机构，依靠自身的重力和双真空吸盘表面上的提升力，可以在光滑的玻璃表面移动。AHMED等[7]通过数学建模和有限元分析完成了爬壁机器人的腿部结构设计。LIU等[8]研究了轮辐式爬壁，并对结构进行了力学建模。刘祥勇[9]提出了可以伸缩的柔性杆，通过伸缩臂的伸缩实现了爬壁机器人的手臂伸缩结构，并分析了机器人在两种主要运动下所需的驱动力矩大小与姿态角度关系的变化规律。孙景福等[10]通过对带电绝缘子清洗机器人的运动学分析，得到了运动学正解和逆解方程，并用ADAMS对绝缘子带电干冰清洗机器人的运动特性进行了动力学仿真分析。姚毅等[11]构建了在静态未知环境下用于路径规划的模糊神经网络，对移动机器人的路径进行规划，从而获得机器人的最优走道路径。董伟光等[12]通过变换矩阵将2种基本运动模式的运动学表达式关联起来，同时引入附着面倾角，提出一种基于吸附安全性的求解优化方案。以上这些机械结构各有自己的优点，但是爬壁的摩擦性能以及速率没法控制，稳定性不足，而且都没有完整设计真空负压吸附墙面自由行动清洁玻璃幕墙，清洁率直接受到影响。因此迫切需要设计一款能在现有玻璃幕墙上快速便捷地清扫污物的新型玻璃幕墙爬壁机器人。

1 小车运动及吸附部分结构设计

玻璃幕墙清洗机器人系统主要包括气体驱动的吸盘组机构、小车移动机构、4个卡爪等。设计时应通过计算确定吸盘的直径和数量，合理布局吸盘，并根据系统的负载大小选择合适的空压机和气缸，最后通过受力分析确定履带型号。

1.1 履带传动受力分析

图1 后驱动

1.2 水泵的选择

液体在等径直管中流动时的局部压力损失可忽略。雷诺数是液流的惯性作用对黏性作用的比。

雷诺数Re为：

Re=vd/υ

(1)

式中：v为流体平均速度，m/s；d为管道直径，m；υ为液体运动黏度，m2/s。

初步选择型号为6RZ的水泵，其输出量为4.5L/min，软管输入端与输出端接口直径为14mm，质量约为0.8kg。

Re= 0.13×14×1 000 000/1.005=1 810 000

从《机械设计》手册查得，当Re=1 810 000时，沿程损失为0.004 5m，可忽略不计。根据爬壁机器人的设计要求，选用型号为MP-6RZ 的磁力泵。

1.3 吸附方式的选择

真空负压吸附中的单盘吸附结构虽然简单，但吸盘无冗余度，吸盘稳定性和抗倾覆能力差，一旦遇到窗上的玻璃窗框或沟槽，真空度很容易被破坏，因此本文设计的机器人采用多吸盘真空吸附方式。

吸盘受力可由式(2)算得[1]。

F=pA有效/∂

(2)

(3)

2 运动学模型的建立

该装置受力分析如图2所示，吸盘和履带都承受摩擦力Ff1和Ff2，吸附力F1和F2，总重力G以及运动的牵引力。假设履带与玻璃面是纯滚动、无滑动、无侧移，则可以将移动本体模型理想化成缸体运动。如图3所示，XOY为全局坐标系，XRORYR为与移动本体固定连接的局部坐标系，局部坐标系原点OR设定为两驱动轮的连接线中心位置。XR轴为两驱动轮连线，YR轴是与XR轴垂直的轴，局部坐标系随着本体移动而不断改变着相对于全局坐标系的位置，两驱动轮连线的中间位置OR代表了移动本体在全局坐标系中的位置，两驱动轮连线及局部坐标系XR轴与全局坐标系X轴的夹角θ代表了移动本体的姿态，如图3所示。

图2 吸盘吸附受力图

图3 移动姿态

移动本体坐标系绕全局坐标系的Z轴旋转角度θ，移动本体坐标系沿全局坐标系的X,Y轴平移，移动本体坐标系与全局坐标系的转换图如图4所示。

图4 移动本体坐标系与全局坐标系的转换

移动本体与全局坐标转换关系：

(4)

(5)

式中：X(t)和Y(t)为移动坐标系原点在全局坐标系中的X,Y坐标；θ为移动本体相对于整体坐标系移动姿态的转角。(t+Δt)是本体坐标系绕全局坐标系旋转φ角经过的Δt时间，转角θ与角速度ω的关系为θ=ωΔt，在t时刻的本体移动坐标系中度量(t+Δt)时刻移动本体坐标系原点为(rsinφ,r(1-cosφ))。在全局坐标系中，(t+Δt)时刻移动本体坐标系绕Z轴逆时针旋转φ角，t与Δt时刻的移动本体坐标如图5所示。由前所述的(t+Δt)与t时刻本体移动坐标系与全局坐标系的关系，可得到(t+Δt)移动本体坐标系变化到t时刻的移动本体坐标系位姿的变化矩阵：

(6)

由此可得(t+Δt)时刻移动本体坐标系转换到全局坐标系的变化矩阵。

图5 t与(t+Δt)时刻的移动本体坐标系

(7)

由此可知，装置在移动过程中可将本体移动坐标系转换到全局坐标系，因此可以实现t时刻对移动本体的全局定位。如果已知移动本体的角速度和位姿，依照上述计算便可获知(t+Δt)时刻移动本体在全局坐标系中的位姿，从而实现了差速驱动系统的机器人在全局位置中的定位、移动、运行状态变换[11-12]。

3 清洗技术和真空吸附

清洗包括滚刷装置、喷淋装置、污水回收装置以及洁面装置。

水箱内的水经水泵传送至两个滚刷，右侧滚刷起到喷刷和浸润壁面的作用，左侧滚刷起到二次洁面的作用。磁力传动离心泵具有全密封、无泄露、耐腐蚀的特点，泵的磁性联轴器通过转动电机能够起到过载保护的作用。本装置采用双滚刷和刮板联合作业的清洗方式，刮板上的污水槽回收污水，污水在重力作用下通过污水管道进入密封污水箱。污水经过过滤，进入下层净水箱后通过水泵分别将净水输送到左右两侧滚刷。根据现场需要，在污水箱中添加隔间，并在不同的隔间添加不同的清洗剂，可以实现对不同污染程度壁面的清洗作业。

真空吸附主要通过真空泵和底部的真空吸盘实现，既要保证管子不漏气还要保证气压足够稳定，使吸盘吸附在玻璃上不会掉下来。

4 机械本体总体设计

机械本体部分由3个部分组成：1)4个卡爪部分。4个卡爪的脚是4个真空吸盘，靠真空吸附吸紧在玻璃上，完成一个局部区域的清洗后中间的主真空泵通过CPU指令，顶着机械本体使其中2个脚吸紧玻璃，另外2个脚完成换位动作。2)移动小车部分。该部分由履带行走机构、齿轮传动机构和驱动电机组成，主要通过CPU控制其移动。由于4个卡爪吸附在玻璃面上，在局部区域小车的移动就主要靠CPU控制电机使履带移动，使小车在玻璃面上行走，从而完成行走功能。3)滚刷部分。滚刷部分也是靠齿轮驱动，电机带动齿轮和履带，一方面完成小车移动，另一方面完成滚刷清洗动作，其机械结构如图6所示。

图6 运动及自攀爬部分实物图

5 结束语

本文通过对爬壁机器人结构的分析与建模完成了整个装备的研发、调试与实验现场的运行，主要完成以下工作：

1)完成了爬壁机器人移动机构的运动学模型。对移动机构的运动结构建立了数学模型和运动学模型，使机器人在不同壁面连续运动时能利用运动学模型进行运动规划和分时控制，并且针对运动学分析，利用位姿变换矩阵建立运动模式的变换。

2)利用负压吸附原理，通过设计和计算，实现了爬壁机器人在光滑壁面上的吸附、清洗、爬行和污水回收等功能。

3)在试验现场，机器人在竖直壁面上运行稳定，运行速度可调，吸附力有较大的冗余，有利于系统功能的进一步扩展。

在后续工作中，将结合传感器进一步提高爬壁机器人壁面运动的自主性。

[1] 田静眉.真空吸附式壁面清洗机器人结构设计与研究[D]．成都：西南交通大学，2013.

[2] KIM H，KIM D，YANG H，et al．Development of a wall-climbing robot using a tracked wheel mechanism[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22(8)：1490-1498.

[3] 王明开, 王庆.吸附式爬壁机器人结构设计[J]. 江西建材, 2017 (20) :238-239.

[4] 王妹婷.壁面自动清洗机器人关键技术研究[D]．上海：上海大学，2010.

[5] 丁官元.高楼外墙清洁智能机器人的设计与实现[J]．机电一体化，2015(5)：47-50.

[6] MAHBOUBIDOUST A，RAMIAR A，DARDEL M.Numerical investigation of plasma actuated and non-actuated Gurney flaps on aerodynamic characteristics of a plunging airfoil[J]．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering，2015，10：120-130.

[7] AHMED A H，MENON C．On the static structural design of climbing robots[J]．Robotics & Biomimetics，2015，2(1)：1-11.

[8] LIU A H，WANG H，YANG G，et al．Research on a biped-wheel wall-climbing robot system[J]．Global Perspectives on Artificial Intelligence，2015，1(3)：12-20.

[9] 刘祥勇．蒸汽发生器视频检查爬壁机器人机械结构的设计与研究[D]．南昌：华东交通大学，2014.

[10] 孙景福，唐术锋，李华雷．基于Pro/E和ADAMS的绝缘子带电干冰清洗机器人的运动仿真分析[J]．制造业自动化，2015，37(4)：52-55.

[11] 姚毅，陈光建，贾金玲．基于模糊神经网络算法的机器人路径规划研究[J]．四川理工学院学报(自然科学版)，2014，27(6)：30-33.

[12] 董伟光，王洪光，姜勇．一种轮足复合式爬壁机器人机构运动学分析[J]．智能系统学报，2015，10(3)：335-342.