王 侃,何繼紅,周幫平

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院,北京 100144)

0 引言

為了解決玻璃幕墻的清潔問(wèn)題，已生產(chǎn)出各種手動(dòng)和自動(dòng)的玻璃清潔裝置來(lái)代替人工進(jìn)行危險(xiǎn)的壁面清洗工作，但在功能上仍有許多改進(jìn)需要：①不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，遇到玻璃邊框等不能跨越，對(duì)人依賴(lài)大；②清潔過(guò)程存在盲區(qū)；③效率低。為此本文提出了一種新型自動(dòng)擦玻璃機(jī)器人，致力于解決實(shí)際問(wèn)題，提高機(jī)器人的實(shí)用性，并通過(guò)分析機(jī)器人的力學(xué)特性，獲得不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的安全吸附區(qū)間，為其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制提供依據(jù)。

1 擦玻璃機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析

為保持機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性、安全性和有效性，合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)。本機(jī)器人采用輪足組合式機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1-絲杠螺母機(jī)構(gòu)Ⅰ；2-絲杠螺母機(jī)構(gòu)Ⅱ；3-絲杠螺母機(jī)構(gòu)Ⅲ； 4-支架；5-清潔底板；6-底板；7-絲杠螺母機(jī)構(gòu)Ⅳ； 8-導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)；9-導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)；10-絲杠螺母機(jī)構(gòu)Ⅴ； 11-驅(qū)動(dòng)輪密封蓋；12-同步帶傳動(dòng)；13-清潔布； 14-驅(qū)動(dòng)輪； 15-吸盤(pán)組Ⅱ；16-滑槽；17-刮條；18-吸盤(pán)組Ⅰ； 19-支撐輪；20-密封腔；21-吸盤(pán)組Ⅲ

1.1 移動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

機(jī)器人在初始狀態(tài)采用如圖1(c)所示的四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，支撐輪采用球形輪，通過(guò)調(diào)整兩驅(qū)動(dòng)輪輪速改變機(jī)器人姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)和轉(zhuǎn)向的功能。該四輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，且當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)輪輪速相等反向時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑為零，自轉(zhuǎn)中心為機(jī)器人幾何中心，便于實(shí)現(xiàn)在狹窄空間的轉(zhuǎn)向。

1.2 吸附裝置設(shè)計(jì)

機(jī)器人具有8個(gè)普通吸盤(pán)，由真空泵通過(guò)電磁閥控制其吸附動(dòng)作。初始狀態(tài)時(shí)只有吸盤(pán)組Ⅰ和吸盤(pán)組Ⅲ 4個(gè)吸盤(pán)吸附，清潔底板和清潔布與底板形成密封腔，在四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下與壁面間形成滑動(dòng)式吸盤(pán)。當(dāng)探測(cè)到可跨越障礙時(shí)變換為普通(靜止)吸盤(pán)，實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)交替吸附，進(jìn)行越障動(dòng)作。

1.3 越障裝置設(shè)計(jì)

圖2為越障機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。越障裝置采用蠕動(dòng)行進(jìn)方式，同時(shí)增加了吸盤(pán)升降機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)越障。通過(guò)吸盤(pán)的升降和交替吸附跨越一定尺寸的障礙，由于每組吸盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，互不干涉，通過(guò)控制可以適應(yīng)平面或錯(cuò)位平面間的過(guò)渡，如推拉式玻璃面。

1-直線驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)Ⅰ；2-吸盤(pán)組Ⅰ； 3-吸盤(pán)組Ⅱ； 4-吸盤(pán)組Ⅲ； 5-直線驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)Ⅲ； 6-直線驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)Ⅱ； 7-直線驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)Ⅳ

1.4 清潔裝置設(shè)計(jì)

清潔裝置由微型水泵、水箱、水槽、刮條和清潔布組成，水槽裝有噴水軟管與水泵連接，下方附有清潔布。清洗時(shí)每隔一段時(shí)間噴灑少量清潔劑潤(rùn)濕清潔布，同時(shí)通過(guò)移動(dòng)時(shí)清潔布與壁面間的摩擦實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)，由刮條刮除多余水漬，防止驅(qū)動(dòng)輪打滑。整個(gè)清洗過(guò)程為擦-刮-刮-擦，可用于大面積清洗，提高了清潔度，減少了人輔助噴灑清潔劑的工作。

2 擦玻璃機(jī)器人工作原理

本輪足組合式擦玻璃機(jī)器人由輪式模塊和足式模塊組成，相應(yīng)地有兩種運(yùn)動(dòng)模式：①輪式運(yùn)動(dòng)模式，即底板采用四輪機(jī)構(gòu)平穩(wěn)移動(dòng)，通過(guò)調(diào)整兩驅(qū)動(dòng)輪輪速改變機(jī)器人姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)和轉(zhuǎn)向，同時(shí)在真空泵的作用下底板攜帶的移動(dòng)裝置和清潔裝置與壁面形成滑動(dòng)式吸盤(pán)，利用清潔裝置與壁面間的摩擦進(jìn)行清洗作業(yè)；②足式運(yùn)動(dòng)模式，即足端吸盤(pán)為普通吸盤(pán)，輪子不再工作，螺母與吸盤(pán)腿固定，當(dāng)足端吸盤(pán)固定吸附于玻璃壁面時(shí)，螺母不動(dòng)，通過(guò)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人本體的升降和前進(jìn)后退運(yùn)動(dòng);當(dāng)吸盤(pán)足端脫離壁面，則通過(guò)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)螺母帶動(dòng)吸盤(pán)組移動(dòng)，該過(guò)程采用蠕動(dòng)行進(jìn)方式利用真空交替吸附和絲杠螺母機(jī)構(gòu)使機(jī)器人在垂直壁面跨越障礙。兩種模式可自由轉(zhuǎn)換，分別用于清洗狀態(tài)和越障狀態(tài)。

3 擦玻璃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

圖3為擦玻璃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。其中，垂直壁面橫向?yàn)閄軸、縱向?yàn)閅軸，垂直于壁面方向?yàn)閆軸。

圖3 擦玻璃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

圖3(a)中，陰影部分為密封腔，黑色吸盤(pán)為工作狀態(tài)，白色為不工作，機(jī)器人在輪式運(yùn)動(dòng)模式下共有4種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)：①沿豎直方向移動(dòng)；②沿水平方向移動(dòng)；③沿與X軸成一定夾角方向移動(dòng)；④沿垂直于壁面方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3(b)中①～⑩為機(jī)器人在足式運(yùn)動(dòng)模式下一個(gè)周期的步序，通過(guò)多個(gè)周期疊加，可實(shí)現(xiàn)不同尺寸障礙的跨越。

4 靜力學(xué)分析

4.1 輪式運(yùn)動(dòng)模式

當(dāng)機(jī)器人靜止吸附于玻璃上時(shí)，車(chē)輪被制動(dòng)，僅考慮機(jī)器人與壁面間相對(duì)滑動(dòng)的情況。下面分別對(duì)沿X軸和Y軸方向運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行受力分析。擦玻璃機(jī)器人清洗狀態(tài)靜力學(xué)分析如圖4所示。

圖4 擦玻璃機(jī)器人清洗狀態(tài)靜力學(xué)分析

圖4(a)中，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為機(jī)器人左側(cè)和右側(cè)外框與壁面的接觸點(diǎn)；h為機(jī)器人重心到壁面的距離；S2為左輪或右輪到外框的距離；L2為兩驅(qū)動(dòng)輪間距；G為機(jī)器人重力；P為作用于滑動(dòng)吸盤(pán)幾何中心線上的集中吸附力；N2i(i=1,2,3,4)為壁面對(duì)左、右驅(qū)動(dòng)輪和前、后支撐輪的反作用力；Ns為清潔布對(duì)本體的等效集中反作用力；f2i(i=1,2,3,4)為壁面對(duì)左、右車(chē)輪和前、后支撐輪的靜摩擦阻力；fs為清潔布與壁面間的摩擦阻力。

圖4(b)中，C點(diǎn)和D點(diǎn)分別為機(jī)器人上、下側(cè)外框與壁面的接觸點(diǎn)；L1為兩支撐輪的間距；S1為上支撐輪或下支撐輪到外框的距離。

4.1.1 機(jī)器人沿X向運(yùn)動(dòng)受力分析

機(jī)器人不發(fā)生滑落和傾覆的臨界條件為沿Y、Z方向所受的合力以及對(duì)A點(diǎn)、B點(diǎn)的合力矩等于零，即∑Fy=0，∑Fz=0,∑MA=0,∑MB=0，則有：

G-(f21+f22+f23+f24)-fs=0.

(1)

P-(N21+N22+N23+N24)-Ns=0.

(2)

(3)

(4)

機(jī)器人為對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)，有N23+N24=N21+N22，又f2i=μN(yùn)2i，fs=μsNs(其中，μ為輪胎與壁面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，μs為清潔布與壁面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù))，則由式(1)、式(2)得到滑動(dòng)吸盤(pán)吸附力：

(5)

要使機(jī)器人能夠在壁面上可靠吸附，必須滿(mǎn)足N21≥0，由式(1)、式(3)、式(4)得：

(6)

聯(lián)立式(5)和式(6)得滑動(dòng)吸盤(pán)吸附力為：

(7)

4.1.2 機(jī)器人沿Y向運(yùn)動(dòng)受力分析

同理可解得滑動(dòng)吸盤(pán)吸附力為：

(8)

式(7)、式(8)因存在包含關(guān)系，所以：

(9)

又因?yàn)镹s>0，引入安全系數(shù)k，則有：

(10)

式(10)即為擦玻璃機(jī)器人在清洗狀態(tài)下獲得良好運(yùn)動(dòng)性能和安全穩(wěn)定性的最佳吸附區(qū)間。由此可得，擦玻璃機(jī)器人的安全吸附不僅與壁面與輪子之間的摩擦因數(shù)相關(guān)，也與機(jī)器人自身重量和機(jī)構(gòu)相關(guān)尺寸有關(guān)。

4.2 足式運(yùn)動(dòng)模式

機(jī)器人越障時(shí)采用多個(gè)吸盤(pán)交替吸附，當(dāng)吸盤(pán)組Ⅱ伸出吸附，本體攜帶吸盤(pán)組Ⅰ和吸盤(pán)組Ⅲ沿Y軸向上越障時(shí)最危險(xiǎn)，容易發(fā)生傾覆，因此對(duì)該狀態(tài)進(jìn)行受力分析。

機(jī)器人越障狀態(tài)靜力學(xué)分析如圖5所示，此時(shí)為吸盤(pán)組Ⅱ伸出吸附，吸盤(pán)組Ⅰ和吸盤(pán)組Ⅲ縮回，本體上移至滑槽一端后停止的狀況。圖5中，E點(diǎn)為機(jī)器人下方吸盤(pán)中心與壁面的接觸點(diǎn)；L為吸盤(pán)組Ⅱ相鄰兩吸盤(pán)間距；H為機(jī)器人整體質(zhì)心到壁面的垂直距離；P1i(i=5,6,7,8)為單個(gè)吸盤(pán)對(duì)壁面的吸附力；N1i(i=5,6,7,8)為壁面對(duì)單個(gè)吸盤(pán)的反作用力；f1i為單個(gè)吸盤(pán)靜止吸附于垂直壁面所受的摩擦力。

圖5 機(jī)器人越障狀態(tài)靜力學(xué)分析

此時(shí)，機(jī)器人依靠普通吸盤(pán)吸附于壁面，質(zhì)心與壁面間距增大，為避免發(fā)生滑移和傾覆，需滿(mǎn)足沿Y、Z方向所受的合力和對(duì)E點(diǎn)的合力矩等于零，即∑Fy=0，∑Fz=0，∑ME=0，則有：

G-(f15+f16+f17+f18)=0.

(11)

(P15+P16+P17+P18)-(N15+N16+N17+N18)=0.

(12)

[(P15+P16)-(N15+N16)]·L-G·H=0.

(13)

由式(11)、式(12)得：

(14)

其中：μ′為普通吸盤(pán)與壁面間的摩擦因數(shù)。

設(shè)P15=P16=P17=P18，N15=N16=N17=N18，機(jī)器人不發(fā)生傾覆必須滿(mǎn)足N1i≥0，由式(13)得：

(15)

綜上，為保證穩(wěn)定吸附，單個(gè)吸盤(pán)壓力應(yīng)滿(mǎn)足：

(16)

5 結(jié)語(yǔ)

新型擦玻璃機(jī)器人具有輪式模式和足式模式兩種模式，與其他同類(lèi)清潔裝置相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：①輪足組合運(yùn)動(dòng)，既實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)清洗又可自動(dòng)越障，進(jìn)行連續(xù)清洗工作，解放人力；②普通吸盤(pán)既可以提供滑動(dòng)吸盤(pán)的吸附力，又可以作為越障時(shí)的足，實(shí)現(xiàn)越障運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊；③清洗裝置攜帶有水箱，便于大面積清洗且使清潔效果更佳；④可實(shí)現(xiàn)雙向清洗和越障動(dòng)作，提高工作效率。另外，為使機(jī)器人可靠地完成整個(gè)擦玻璃過(guò)程，盡可能降低能耗，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行受力分析，得到合理的吸附力范圍及影響安全性的因素，為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件選型及控制提供了理論依據(jù)。

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