朱海東，高 健

(浙江水利水電學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

在一些對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的作用的工作中必須要采取安全的防范措施，有很多各種各樣的爬壁機(jī)器人已經(jīng)被投放到或即將要被投放到各種作業(yè)中[1-4].其中，主要被應(yīng)用在核工業(yè)等輻射力比較強(qiáng)的作業(yè)中.在建筑行業(yè)也有一些工作需要機(jī)器人代替工人去作業(yè)，比如高層建筑表面的玻璃幕墻清洗、瓷磚等外裝飾的安裝，外墻壁表面的噴涂和墻面的清潔等，此外還有消防部門、造船行業(yè)、石油化工等行業(yè).總之隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人將會(huì)得到越來(lái)越多地應(yīng)用.

負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人有著較長(zhǎng)的發(fā)展歷史[5-8].在20世紀(jì)60年代，日本就設(shè)計(jì)出了一臺(tái)原理樣機(jī)，其原理為利用小型電風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，在與其貼近的墻壁之間產(chǎn)生低壓空氣，從而產(chǎn)生負(fù)壓作為吸附力，使得爬壁機(jī)器人能克服其重力而吸附在墻壁表面上.自此，負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人技術(shù)引起了許多科研工作者的關(guān)注，在世界范圍內(nèi)獲得了快速地發(fā)展與改進(jìn).近些年來(lái)，在這負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，美國(guó)、英國(guó)等多個(gè)國(guó)家業(yè)已取得了很大的進(jìn)步；在我國(guó)，對(duì)負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人最早的研究，是20世紀(jì)80年代末哈爾濱工業(yè)大學(xué)率先進(jìn)行的，現(xiàn)經(jīng)過(guò)了20～30年的發(fā)展，上海交通大學(xué)、北京航天航空大學(xué)、上海大學(xué)及長(zhǎng)春光機(jī)所等一些知名的學(xué)府及研究所也相繼加入研發(fā)，都為國(guó)內(nèi)負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的研究做出了重要的貢獻(xiàn).

本文著重分析了一般的負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的體重問(wèn)題，考慮到壁面可能存在的傾角，即垂直、倒立及有一定傾角的三種情況，初步給出其體重設(shè)計(jì)因數(shù)，為后續(xù)研究提供了有利的參考.

1 負(fù)壓式吸附技術(shù)

自1643年著名的意大利物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家托里拆利做了有關(guān)大氣壓力實(shí)驗(yàn)，和1654年德國(guó)物理學(xué)家蓋利克做了著名的“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”以后，人們逐漸開始發(fā)現(xiàn)并利用真空現(xiàn)象.所謂“真空”是一種物理現(xiàn)象，指在給定的空間之內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài).由此，人們通常把稀薄的氣體狀態(tài)稱之為真空狀態(tài)，把處于真空狀態(tài)的氣體壓力與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力相比較的差值的絕對(duì)值稱為“真空度”.顯然，對(duì)于真空度，其值越大，則真空度越高，反之，則意味著真空度越低.

負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人就是制造真空度從而產(chǎn)生負(fù)壓吸附，其原理簡(jiǎn)單而言，就是采用旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)抽出負(fù)壓腔內(nèi)的空氣產(chǎn)生負(fù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)壁面吸附，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力.目前，根據(jù)不同種類的負(fù)壓吸附特點(diǎn)，有幾類風(fēng)機(jī)得到了比較廣泛的開發(fā)與使用[9].最早開發(fā)的一種負(fù)壓吸附是徑流式離心風(fēng)扇，其原理是將爬壁機(jī)器人吸附腔中的空氣甩出產(chǎn)生真空度而形成負(fù)壓.徑流式離心風(fēng)扇工作時(shí)，吸附腔中的空氣是從與墻壁接觸的密封裙吸入，后又從風(fēng)扇的四周極速排出，形成最大真空度可達(dá)40 kPa的工作負(fù)壓.

龍卷風(fēng)式風(fēng)扇是模擬龍卷風(fēng)中心氣壓較低的裝置，其風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)，由風(fēng)扇吸入的氣體流量等于風(fēng)扇四周排出的氣體流量，在爬壁機(jī)器人與墻壁之間制造出一個(gè)模擬的龍卷風(fēng)低壓區(qū)，使得爬壁機(jī)器人吸附在墻壁上，這一吸附方式的特點(diǎn)是機(jī)器人的吸附腔與外界的墻壁沒有直接接觸，機(jī)器人吸附腔的密封圈與墻壁間的阻力近乎為零.

具體的負(fù)壓吸附技術(shù)，還有真空泵、文丘里器等，它們的共同特點(diǎn)都是制造真空度，形成負(fù)壓，從而實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人能吸附在工作壁面上.

2 體重設(shè)計(jì)

負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人最主要的一個(gè)特征，就是機(jī)器人可以克服其重力的作用，在垂直、倒立及一定傾斜度的壁面上靜止及移動(dòng)，其體重是首要考慮的問(wèn)題[10-11].

2.1 垂直體重

對(duì)于垂直墻壁，負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人用于平衡沿垂直方向的重力的是來(lái)自其車輪與墻壁之間的摩擦力Ff.這里，負(fù)壓產(chǎn)生的吸力所起到的作用是產(chǎn)生摩擦力Ff所必須的側(cè)向正壓力FN，其方向?yàn)檠貕Ρ诜ň€的水平方向(見圖1).

圖1 垂直狀態(tài)受力圖

設(shè)負(fù)壓吸盤所產(chǎn)生的平均負(fù)壓為Δp，即外界氣壓p0與吸盤內(nèi)的氣壓p之差值.令吸盤的橫截面面積為S，則由負(fù)壓Δp產(chǎn)生的吸力為[12]：

Fa=ΔpS.

根據(jù)理論力學(xué)，摩擦力Ff受爬壁機(jī)器人的車輪與墻壁的靜摩擦因數(shù)μ所限，即滿足Ff<μFa.要使摩擦力能平衡重力為G的爬壁機(jī)器人，即Ff=G，則有：

G<μΔpS

(1)

在式子(1)中，爬壁機(jī)器人的重力G是不許超過(guò)靜摩擦因數(shù)μ、負(fù)壓Δp及橫截面面積S的乘積.

2.2 倒立體重

對(duì)于爬壁機(jī)器人倒立在天花板上行駛(見圖2)，那么其重力G不再是由摩擦力Ff參與平衡，而是被垂直向上的負(fù)壓吸力Fa所平衡，滿足的平衡條件為[12]：

G

即：

G<ΔpS

(2)

圖2 倒立狀受力圖

對(duì)比式子(1)與(2)，由于靜摩擦因數(shù)通常小于1，即μ<1，這時(shí)對(duì)負(fù)壓的要求可以降低，可見爬壁機(jī)器人在天花板上倒立看起來(lái)驚險(xiǎn)無(wú)比，事實(shí)上卻要比在垂直壁面作業(yè)更容易實(shí)現(xiàn)些.

2.3 傾斜體重

在大于90°的傾斜面上，爬壁機(jī)器人最容易出現(xiàn)的狀況是前輪懸空(見圖3).這個(gè)時(shí)候，爬壁機(jī)器人既需要克服重力，又要防止后翻跌落，即妨礙爬壁機(jī)器人穩(wěn)定作業(yè)的力不只有重力，還有由重力引起的后翻力矩.

圖3 傾斜狀態(tài)受力圖

當(dāng)爬壁機(jī)器人的前輪由于傾角θ的存在而離開了壁面，考慮到離開壁面的距離較小，由此產(chǎn)生的可Δθ忽略不計(jì)，即θ+Δθ≈θ，那么有：

G(a+l)sinθ

其中，a為爬壁機(jī)器人重心與壁面的間距，l為兩輪胎間距的一半.根據(jù)實(shí)驗(yàn)，這里的Fa=ΔpS/θ，考慮到間距a與傾角θ通常都比較小，即a≈0，tanθ≈θ，則：

G<ΔpS/θ2

(3)

對(duì)比式子(1)與(3)，為了確保安全，當(dāng)μ<1/θ2時(shí)，負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的體重設(shè)計(jì)應(yīng)首要考慮條件(1)，但當(dāng)1/θ2<μ時(shí)，負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的

體重設(shè)計(jì)應(yīng)首要考慮條件(3).注意，這里所研究的是前輪離開了壁面的情況，與雙輪緊貼壁面的垂直與倒立時(shí)的情況不同.

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人在壁面上爬行時(shí)的三種情況進(jìn)行分析，爬壁機(jī)器人在實(shí)際工作中經(jīng)常遇到傾角不一的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這些具體情況的分析是相當(dāng)復(fù)雜，本文中所考慮到的情況與方法謹(jǐn)為進(jìn)一步的研究提供理論參考.