陸偉 陳偉 李子軒

摘 要：隨著時(shí)代的發(fā)展，城市中的高層建筑越來越多，在進(jìn)行建筑外層施工或發(fā)生火災(zāi)等其他危害時(shí)，工作人員需要通過其他方式懸吊在建筑物外圍，提升了工作人員的工作風(fēng)險(xiǎn)，因此代替人類工作的機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。近年來，科技與電子技術(shù)不斷發(fā)展、成熟，將機(jī)器人應(yīng)用到高層建筑的偵查和清洗等任務(wù)已成為可能?，F(xiàn)今的建筑外圍施工中普遍存在著施工人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性較低并且容易受到天氣因素影響等問題。將機(jī)器人應(yīng)用到這類工作中，可降低施工人員高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，減少施工人員數(shù)量，提高工作效率。建筑用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要為攀爬，由于機(jī)器人體積較大、重量較重，因此對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)力學(xué)分析、吸附方式及材料的選擇變得格外重要。建筑用攀爬機(jī)器人應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在玻璃、混凝土等表面的前后、左右移動(dòng)，并具有一定的越障能力，同時(shí)機(jī)器人應(yīng)具有一定的可靠性，便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。機(jī)器人通過工作人員遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行控制，可利用安裝在機(jī)器人上的攝像頭對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行觀察。

關(guān)鍵詞：攀爬機(jī)器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照大賽要求，攀爬機(jī)器人要求至少能在以下的任一種表面上可靠附著并行走、攀爬： 1.建筑結(jié)構(gòu)的豎直立面（例如各種墻面）; 2.建筑結(jié)構(gòu)的水平下表面（類似天花板）; 3.其它類型的表面（如鋼管、鋼絲繩等） 也可選擇在以上1、2表面交替附著并行走、攀爬。 常用的建筑結(jié)構(gòu)表面材料有：金屬材料、水泥石灰墻面、石材、玻璃等。根據(jù)以上要求，確定了攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。

由于攀爬機(jī)器人工作表面為玻璃或混凝土、瓷磚等表面，因此吸附方式采用靜電吸附;移動(dòng)方式采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以滿足機(jī)器人在建筑表面的自由移動(dòng)，同時(shí)還具有一定的越障能力。機(jī)器人可通過底盤移動(dòng)機(jī)構(gòu)上方的工作手臂實(shí)現(xiàn)對(duì)需安裝玻璃的攜帶，及協(xié)助安裝，手臂上同樣裝有真空吸盤，用來吸附需安裝的玻璃。該機(jī)器人通過兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一臺(tái)負(fù)責(zé)前進(jìn)，另一臺(tái)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向。前進(jìn)時(shí)用減速齒輪逐級(jí)傳遞實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向則通過機(jī)器人底盤內(nèi)的差速器實(shí)現(xiàn)中樞轉(zhuǎn)向。

圖1為攀爬機(jī)器人底盤內(nèi)部俯視圖。圖中上方的黃色電機(jī)用來負(fù)責(zé)機(jī)器人的前后移動(dòng)，下方的黃色電機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)器人轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時(shí)由于差速器使左右兩履帶出現(xiàn)速度差，從而實(shí)現(xiàn)中樞轉(zhuǎn)向。在前進(jìn)時(shí)，為避免兩電機(jī)互相干涉，在轉(zhuǎn)向齒輪上裝有同步器。在需要轉(zhuǎn)向時(shí)，負(fù)責(zé)前后移動(dòng)的電機(jī)停止工作，隨后轉(zhuǎn)向電機(jī)工作，同步器與圓柱齒輪同步，帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

通過在機(jī)器人底盤移動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝工作手臂來完成相應(yīng)任務(wù)，機(jī)械手臂可拆卸、更換以完成不同任務(wù)。如圖2中所示安裝了帶有偵查攝像裝置的手臂，在發(fā)生高層建筑劫持人質(zhì)或火災(zāi)可用于在建筑外側(cè)對(duì)內(nèi)進(jìn)行偵查的任務(wù)，亦可用于攜帶救援設(shè)備。機(jī)器人自身也裝有攝像監(jiān)控裝置，在建筑表面移動(dòng)時(shí)，可用于觀察周圍情況。機(jī)器人自身通過外接電源設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)，高壓供電模塊和機(jī)械手臂的供電，其目的在于減輕機(jī)器人自身質(zhì)量，從而可攜帶更多設(shè)備。

2攀爬機(jī)器人應(yīng)力分析

有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件，從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。

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（1.嘉興市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測院，浙江 嘉興 314000;2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院浙江，浙江 嘉興 314000）