侯杰，倪受東

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211800)

0 引言

隨著全球?qū)茉吹拈_(kāi)采和消費(fèi)，人類(lèi)社會(huì)目前正面臨化石燃料日趨枯竭和生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重污染的局面。太陽(yáng)能作為一種理想的清潔能源，使光伏產(chǎn)業(yè)成為解決化石能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題的有效途徑。但灰塵顆粒的影響一直是降低光伏電站發(fā)電量的致命問(wèn)題。為了確保整個(gè)光伏電站的發(fā)電效率，光伏清潔機(jī)器人的研究與應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)。

目前，我國(guó)西北的集中式光伏電站為了提高太陽(yáng)能的利用率，已經(jīng)逐漸開(kāi)始在光伏支架裝置上安裝太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)。與固定式支架裝置相比太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)能使光伏組件的太陽(yáng)輻射接收量增加35%以上，顯著提高太陽(yáng)能光伏組件的發(fā)電效率[1]。為確保光伏組件有最佳的工作角度，太陽(yáng)追蹤裝置的角度調(diào)節(jié)范圍一般為-70°～70°左右，因此要使清潔機(jī)器人能可靠完成光伏組件的清潔任務(wù)，則清潔機(jī)器人應(yīng)具有70°坡度的爬坡能力。另外，光伏組件在矩陣排布時(shí)相鄰兩塊太陽(yáng)能電池板中間都有大約為2cm的排布間隙，所以清潔機(jī)器人在行走過(guò)程中吸附系統(tǒng)必須能克服排布間隙帶來(lái)的影響。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，履帶式多吸盤(pán)行走機(jī)構(gòu)對(duì)工作平面的適應(yīng)性強(qiáng)、行進(jìn)速度較快，可越過(guò)一般的障礙物。這種運(yùn)動(dòng)方案不僅可以使光伏清潔機(jī)器人安全可靠地在太陽(yáng)能電池板表面上行走，并能順利地克服排布間隙對(duì)吸附系統(tǒng)的影響。所以采用履帶行走方式配合多個(gè)真空吸盤(pán)吸附的運(yùn)動(dòng)方案。

1 光伏清潔機(jī)器人的受力分析

光伏清洗機(jī)器人吸附行走機(jī)構(gòu)的吸盤(pán)與電池板表面具有局部柔性，但總體看來(lái)，局部柔性對(duì)整個(gè)光伏清潔機(jī)器人受力狀況影響很小。為了簡(jiǎn)化模型的受力分析，在建立力學(xué)模型前，假設(shè)認(rèn)為光伏清潔機(jī)器人是剛體[2]。清潔機(jī)器人為剛體的受力狀況可簡(jiǎn)化為平面力系(圖1)。清潔機(jī)器人以速度v 在光伏面板上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，忽略空氣阻力。

圖1 光伏清潔機(jī)器人的受力分析圖

圖中將清潔機(jī)器人與光伏面板接觸的部位簡(jiǎn)化為O1、O2兩點(diǎn)，這兩點(diǎn)分別為清潔機(jī)器人與光伏面板接觸的最頂端和最低端。由摩擦理論可知，當(dāng)外力的作用錐δ小于物體摩擦錐θ時(shí)，不管外力有多大，物體始終保持靜止?fàn)顟B(tài)。由此可知，當(dāng)吸附力系合力P與重力G合力的作用錐δ<θ時(shí)，清潔機(jī)器人沒(méi)有下滑趨勢(shì)。重力G對(duì)支撐點(diǎn)O1的力矩稱(chēng)為翻倒力矩，用MO1(G)表示，翻倒力矩的大小與清潔機(jī)器人的質(zhì)量、重心的高度及工作平面的傾角有關(guān)。吸附力系的合力對(duì)支撐點(diǎn)O1的力矩為附著力矩，用MO1(P)表示，附著力矩的大小與清潔機(jī)器人的吸附裝置的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)位置有關(guān)，當(dāng)清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定時(shí)，附著力矩的大小也就隨之確定[3]。

以清潔機(jī)器人前進(jìn)方向?yàn)閥軸，橫向方向?yàn)閤軸，光伏面板的法線方向?yàn)閦軸。將圖1中各參數(shù)代入平面任意力系的平衡方程式可得：

(1)

式中：F1是O1點(diǎn)的靜摩擦力(N)； F2是O2點(diǎn)的靜摩擦力(N)；α是光伏面板與水平面的夾角(°)；N1是O1點(diǎn)的反支力(N)；N2是O2點(diǎn)的反支力(N)；P1是O1點(diǎn)的等效吸附力(N)；P2是O2點(diǎn)的等效吸附力(N)。

1.1 傾覆力矩計(jì)算

由圖1的受力分析圖可以推導(dǎo)出傾覆力矩計(jì)算公式為：

(2)

式中：L是履帶吸盤(pán)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的距離；h是清潔機(jī)器人重心到工作平面的距離；G是清潔機(jī)器人的重力(N)；α是光伏面板與水平面的夾角；β是支撐點(diǎn)和幾何重心的連線與工作平面法線的夾角，稱(chēng)為抗傾覆特征角，由清潔機(jī)器人的自身結(jié)構(gòu)確定。

由式(2)可知，當(dāng)α>β時(shí)，翻倒力矩可用公式求得；當(dāng)α≤β時(shí)，機(jī)器人沒(méi)有翻倒趨勢(shì)，因此不存在翻倒力矩，于是翻倒力矩可以用式(3)來(lái)表示。

(3)

由式(3)可知， β角稱(chēng)為機(jī)器人的抗翻倒特征角，其大小由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定，只要壁面的斜度小于β 角機(jī)器人就不會(huì)翻倒。α=β為翻倒趨勢(shì)存在的臨界角度，記為α0，稱(chēng)為翻倒臨界角 。翻倒臨界角的大小為:

(4)

1.2 附著力矩計(jì)算

附著力矩隨清潔機(jī)器人吸附系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)不同而變化，清潔機(jī)器人吸附系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有單吸盤(pán)式吸附和多吸盤(pán)式吸附兩種。以 O1點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，則單吸盤(pán)式吸附的附著力矩為：

(5)

式中：D是單吸盤(pán)式的吸附區(qū)域；P是吸盤(pán)腔體內(nèi)的真空度。

多吸盤(pán)式的附著力矩為：

(6)

式中：Di是第i個(gè)吸盤(pán)的吸附區(qū)域；pi是第i個(gè)吸盤(pán)腔體內(nèi)的真空度；n是履帶上吸盤(pán)的數(shù)量。

1.3 吸附的穩(wěn)定性

由以上公式可知，清潔機(jī)器人的吸附穩(wěn)定條件為：吸附力系合力P與重力G合力的作用錐δ<θ時(shí)，清潔機(jī)器人沒(méi)有下滑趨勢(shì)；當(dāng)α≤β時(shí)，機(jī)器人沒(méi)有翻倒趨勢(shì)，或者當(dāng)α>β時(shí)，翻倒力矩小于附著力矩。清潔機(jī)器人的吸附穩(wěn)定條件用公式表示為：

(7)

當(dāng)清潔機(jī)器人滿(mǎn)足以上兩個(gè)吸附穩(wěn)定條件時(shí)，清潔機(jī)器人就可以穩(wěn)定地吸附在工作平面上。

1.4 清潔機(jī)器人行走速度的研究

清潔機(jī)器人的行走速度主要決定于履帶驅(qū)動(dòng)鏈輪的節(jié)圓半徑和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速是由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和減速齒輪箱的減速比決定的[4]。用公式表示為：

(8)

式中：v是清潔機(jī)器人的直線行走速度；n是履帶驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速；r是履帶驅(qū)動(dòng)輪的半徑；n電是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；i是減速齒輪箱的減速比。

由式(8)可知,履帶式清潔機(jī)器人行走速度和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓半徑成正比,和減速齒輪箱的傳動(dòng)比成反比[5]。清潔機(jī)器人的直線行走速度v是根據(jù)設(shè)計(jì)要求的清潔速度推算出來(lái)的，所以由公式可以推導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即:

(9)

該公式作為清潔機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型和減速齒輪箱設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

1.5 清潔機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力的研究

清潔機(jī)器人沿所鋪設(shè)的履帶節(jié)向前滑動(dòng)時(shí)需要克服兩者之間的摩擦阻力以及重力沿工作平面的分量?？朔@個(gè)摩擦阻力的驅(qū)動(dòng)力由履帶節(jié)對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的反向作用力提供[5]，通過(guò)對(duì)清潔機(jī)器人的受力分析可知：

F驅(qū)min=μ×sinα×G+cosα×G

(10)

式中：F驅(qū)min是清潔機(jī)器人的最小驅(qū)動(dòng)力；μ是履帶節(jié)與其滑軌之間的摩擦系數(shù)；α光伏面板與水平面的夾角；G是清潔機(jī)器人的重力(N)。

清潔機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力是由履帶節(jié)對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的反向作用力提供的。由牛頓第三定律可知作用力和反作用力是大小相等方向相反，所以驅(qū)動(dòng)鏈輪對(duì)履帶節(jié)的作用力的大小決定了驅(qū)動(dòng)力的大小。驅(qū)動(dòng)鏈輪對(duì)履帶的作用力由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供。公式表示為：

(11)

式中:F鏈min為驅(qū)動(dòng)鏈輪的最小作用力;T電min為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩;r為履帶驅(qū)動(dòng)輪的半徑;i為減速齒輪箱的減速比。

由于F驅(qū)min和F鏈min是一對(duì)作用力和反作用力，由公式(10)和式(11)可得：

整理后可得驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩公式為：

(12)

由于太陽(yáng)能電池板的承載能力有限，所以清潔機(jī)器人的總質(zhì)量不能>20kg且清潔機(jī)器人的清潔速度需要達(dá)到720m2/h。根據(jù)這些設(shè)計(jì)要求再通過(guò)以上對(duì)光伏清潔機(jī)器人的理論分析，可以得出清潔機(jī)器人的各項(xiàng)性能參數(shù)如表1所示。

表1 光伏清潔機(jī)器人的性能參數(shù)表

根據(jù)光伏清潔機(jī)器人的性能參數(shù)表可以對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體方案的設(shè)計(jì)。

2 清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

履帶式行走機(jī)構(gòu)在清潔機(jī)器人行駛過(guò)程中,與作業(yè)面接觸的部分履帶緊緊地吸附在工作平面上。驅(qū)動(dòng)鏈輪對(duì)履帶節(jié)施加一個(gè)切向的作用力,履帶節(jié)給驅(qū)動(dòng)鏈輪一個(gè)反向的作用力,這個(gè)反作用力是推動(dòng)清潔機(jī)器人向前行駛的驅(qū)動(dòng)力[7]。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力足以克服自身重力和履帶節(jié)與其滑軌之間摩擦阻力時(shí),清潔機(jī)器人就會(huì)向前滑動(dòng)前行[8]。

圖2為單側(cè)多吸盤(pán)履帶機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖，清潔機(jī)器人的行走履帶是由32個(gè)履帶節(jié)組成，每隔一個(gè)履帶節(jié)上面都安裝有1個(gè)吸盤(pán)組件1(吸盤(pán)組件1的詳細(xì)爆炸圖如圖3所示)。吸盤(pán)組件1在隨著履帶節(jié)由主動(dòng)鏈輪4驅(qū)動(dòng)沿著履帶支撐板3滑動(dòng)，同時(shí)凸輪板2與履帶支撐板3之間組成一個(gè)滑槽，而吸盤(pán)組件1上的滾輪4則沿著滑槽滾動(dòng)。由于履帶支撐板和凸輪板之間的間距不等，圖2中橢圓圈內(nèi)區(qū)域履帶支撐板和凸輪板之間的間距就比其他區(qū)域的間距小15mm，吸盤(pán)組件1在該區(qū)域內(nèi)滾輪4會(huì)帶動(dòng)閥桿7向下壓15mm，所以稱(chēng)橢圓圈內(nèi)區(qū)域?yàn)閴嚎s區(qū)域。而正因?yàn)檫@15mm的壓縮量可以使吸盤(pán)組件1由吸盤(pán)泄氣狀態(tài)(圖4(a))變?yōu)槲P(pán)吸附狀態(tài)(圖4(b))，因此吸盤(pán)組件1根據(jù)所處的位置不同而相應(yīng)的有兩種不同的狀態(tài)：吸盤(pán)組件1在圖4中所示壓縮區(qū)域內(nèi)為吸附狀態(tài)，在壓縮區(qū)域以外為泄氣狀態(tài)。

1—吸盤(pán)組件；2—凸輪板；3—履帶支撐板；4—帶減速齒輪箱的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；5—主動(dòng)鏈輪圖2 多吸盤(pán)履帶機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖

吸盤(pán)組件1常態(tài)是靠復(fù)位彈簧8把閥桿7頂在最大行程處，此時(shí)閥體9底面的泄氣孔與吸盤(pán)是連通狀態(tài)，即吸盤(pán)組件1是處于泄氣狀態(tài)(圖4(a))。當(dāng)吸盤(pán)組件1處于壓縮區(qū)域時(shí)，閥桿7會(huì)被向下壓縮10mm，此時(shí)閥桿7上的O型圈會(huì)阻斷泄氣孔與吸盤(pán)的連通，而使吸盤(pán)與閥體9的腔體導(dǎo)通(圖4(b))。閥體9的腔體是與真空泵的負(fù)壓端連通的，所以此時(shí)真空泵會(huì)對(duì)吸盤(pán)進(jìn)行抽真空，使吸盤(pán)吸附在工作平面上。

1—小吸盤(pán)；2—履帶節(jié)；3—滾輪軸；4—滾輪；5—?dú)忾y端蓋；6—卡簧；7—閥桿；8—復(fù)位彈簧；9—閥體；10—過(guò)濾海綿；11—底蓋；12—橡膠密封套；13—十字盤(pán)頭自攻螺絲圖3 小吸盤(pán)組件爆炸圖

圖4 小吸盤(pán)組件不同狀態(tài)的剖視圖

3 多吸盤(pán)履帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的主要目的是為了驗(yàn)證小吸盤(pán)組件在履帶上運(yùn)動(dòng)時(shí)凸輪對(duì)閥桿的壓縮量能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需求值。 多吸盤(pán)履帶行走機(jī)構(gòu)共有16個(gè)小吸盤(pán)組件，這16個(gè)小吸盤(pán)組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)軌跡都是一樣的，所以為了簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的復(fù)雜程度，只對(duì)一個(gè)小吸盤(pán)組件在履帶上的運(yùn)動(dòng)情況做仿真分析。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件采用CreoParametric2.0,首先對(duì)多吸盤(pán)履帶行走機(jī)構(gòu)的3D設(shè)計(jì)圖進(jìn)行連接方式的加載。履帶節(jié)是在履帶支撐板的槽內(nèi)滑動(dòng)，因此定義履帶節(jié)和履帶支撐板的輪廓之間為槽鏈接；定義閥桿和閥體為滑塊鏈接；閥桿的滾輪在凸輪和履帶支持板之間的槽內(nèi)滑動(dòng)，定義閥桿與凸輪輪廓為槽鏈接。接下來(lái)定義仿真的初始條件：定義履帶節(jié)和履帶支撐板的輪廓之間的槽鏈接切向速度為100mm/s，仿真時(shí)間為16s，仿真幀頻為10，初始位置如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型連接方式加載圖

選擇閥桿密封面與閥體底面的距離作為目標(biāo)參數(shù)，目標(biāo)參數(shù)在隨履帶運(yùn)動(dòng)時(shí)在不同時(shí)間位置對(duì)應(yīng)的數(shù)值如圖6所示。

圖6 目標(biāo)參數(shù)隨時(shí)間的變化情況

由圖6可以看出小吸盤(pán)組件從圖5所示的位置向左隨履帶做勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)閥桿密封面與閥體底面的距離為17mm。當(dāng)小吸盤(pán)進(jìn)入壓縮區(qū)域后閥桿密封面與閥體底面的距離為6.5mm，此時(shí)小吸盤(pán)組件處于吸附狀態(tài)(圖4(b))，由此可以驗(yàn)證多吸盤(pán)履帶的機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

在光伏清潔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,完成了整個(gè)光伏清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì),并成功制造了1臺(tái)光伏清潔機(jī)器人樣機(jī)，如圖7所示。

圖7 光伏清潔機(jī)器人樣機(jī)

為檢驗(yàn)該清潔機(jī)器人能否滿(mǎn)足實(shí)際光伏電站的使用需要,利用學(xué)校和合作單位提供的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件,對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)功能和清洗作業(yè)實(shí)驗(yàn)。

清潔機(jī)器人在開(kāi)始工作時(shí)，履帶吸盤(pán)真空泵首先工作，此時(shí)在多吸盤(pán)履帶行走機(jī)構(gòu)的壓縮區(qū)域內(nèi)吸盤(pán)組件處于密閉狀態(tài)，則該區(qū)域內(nèi)的吸盤(pán)被真空泵抽真空后吸附在太陽(yáng)能電池板上，然后2個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)清潔機(jī)器人向前作勻速直線運(yùn)動(dòng)。清潔機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，沿邊行走傳感器貼著太陽(yáng)能電池板邊框行進(jìn)，當(dāng)清潔機(jī)器人偏離運(yùn)動(dòng)軌跡后由控制板控制2個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)做差速運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行修正，確保清潔機(jī)器人不偏離運(yùn)動(dòng)路線。清潔機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)邊緣檢測(cè)傳感器中的3個(gè)超聲波傳感器只有部分失去信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)判斷是太陽(yáng)能電池板排布間隙，則清潔機(jī)器人繼續(xù)前行；若3個(gè)超聲波傳感器全部失去信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)判斷是太陽(yáng)能電池板的邊緣則控制板會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)。清潔機(jī)器人順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后前進(jìn)一個(gè)機(jī)身位再進(jìn)行轉(zhuǎn)向90°，然后沿太陽(yáng)能電池板邊框前行，直到清潔機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中邊緣檢測(cè)傳感器中的3個(gè)超聲波傳感器全部失去信號(hào)后且清潔機(jī)器人轉(zhuǎn)向90°后3個(gè)邊緣檢測(cè)傳感器仍然沒(méi)有信號(hào)，則清潔機(jī)器人認(rèn)為該工作區(qū)域已經(jīng)清掃完畢，清潔機(jī)器人報(bào)警示意。

利用所設(shè)計(jì)的光伏清潔機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)功能和清洗作業(yè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明光伏清潔機(jī)器人可以按照所設(shè)計(jì)行走速度和轉(zhuǎn)向動(dòng)作完成光伏面板的清潔作業(yè)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)原理和理論分析的正確性。