任志奇 霍文勝

（華北電力大學(xué)，河北保定071003）

0 引言

爬壁機(jī)器人是移動機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個重要分支，屬于特種作業(yè)機(jī)器人，可以替代人在高空危險環(huán)境下作業(yè)，在許多行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用前景，如檢測、消防、反恐偵查、清洗除銹、噴漆等領(lǐng)域。它結(jié)合了吸附技術(shù)、移動技術(shù)和控制技術(shù)，可附著在垂直或者傾斜的壁面上爬行，在運(yùn)動過程中可以在機(jī)器人身上安裝輔助設(shè)備以完成一定的作業(yè)任務(wù)，極大地拓寬了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

本文主要研究設(shè)計(jì)了一種輕量化的爬壁機(jī)器人，它能適應(yīng)一定曲率半徑范圍的曲面。將其作為基本的載體應(yīng)用到各個領(lǐng)域，可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境的不同，搭載不同的設(shè)備來完成特定任務(wù)，具有重要的實(shí)踐意義。

1 爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人在壁面上運(yùn)行時，需利用吸附力使機(jī)器人與壁面產(chǎn)生靜摩擦力，從而避免自身重力造成跌落的可能性。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括：機(jī)身主體、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、吸附系統(tǒng)和行走機(jī)構(gòu)。吸附系統(tǒng)是爬壁機(jī)器人的核心，機(jī)身主體是基礎(chǔ)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)是必需結(jié)構(gòu)。利用三維建模軟件Pro/e對機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種基于負(fù)壓吸附、單吸盤式、三輪支撐運(yùn)動的爬壁機(jī)器人，通過離心風(fēng)扇產(chǎn)生足夠的吸附力，吸附在垂直或者傾斜壁面上運(yùn)行，爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

機(jī)器人在工作過程中始終需要自身提供吸附力，此吸附力可等效看作是對機(jī)器人施加的垂直于壁面的正壓力，從而與壁面產(chǎn)生靜摩擦力，保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。爬壁機(jī)器人要適應(yīng)不同平面和曲面的特殊性，本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人采用單吸盤式負(fù)壓吸附結(jié)構(gòu)。吸附結(jié)構(gòu)由無刷電機(jī)、離心風(fēng)機(jī)葉輪、密封裝置、密封裙等組成。其中，離心式風(fēng)機(jī)葉輪在高速旋轉(zhuǎn)做功過程中，首先將機(jī)器人密封吸盤內(nèi)的氣體排出，使得吸附腔內(nèi)壓力低于外界大氣壓，在內(nèi)外壓差作用下外部大氣經(jīng)過密封組件與壁面之間的縫隙進(jìn)入機(jī)器人本體腔內(nèi)，然后低壓氣流再次被葉輪送出到腔體外，最終形成一個循環(huán)系統(tǒng)，能始終保持吸盤內(nèi)部較為穩(wěn)定的“負(fù)壓”。

爬壁機(jī)器人選用“2個驅(qū)動輪+1個從動輪”來實(shí)現(xiàn)支撐和運(yùn)動，其中從動輪為萬向輪。相比于四輪運(yùn)動機(jī)構(gòu)，三輪運(yùn)動方式能更好地適應(yīng)曲面，同時運(yùn)行也更加穩(wěn)定。機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要針對爬行的表面區(qū)域是凸出壁面，在任意位置時，機(jī)器人都能很好地吸附在壁面上，防止輪子打滑。相比一般的爬壁機(jī)器人將密封機(jī)構(gòu)布置于運(yùn)動輪的外側(cè)，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人密封機(jī)構(gòu)布置于支撐輪內(nèi)側(cè)，密封裙能夠更好地貼合壁面，適應(yīng)凸出的曲面。本設(shè)計(jì)選用降落傘布包裹低密度彈性海綿作為組合密封裙，低密度彈性海綿作為填充物，能減小運(yùn)動阻力，同時能適應(yīng)不同的工作表面；降落傘布的摩擦系數(shù)小，有效減小了運(yùn)動阻力，同時良好的耐磨性能可延長密封裙的使用壽命。

驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括直流減速電機(jī)、減速器和驅(qū)動輪，通過產(chǎn)生驅(qū)動力并傳遞到驅(qū)動輪上，驅(qū)動機(jī)器人在壁面運(yùn)動。驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用雙輪單獨(dú)驅(qū)動的機(jī)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡單；機(jī)器人在轉(zhuǎn)向過程中，可以利用差速驅(qū)動，控制兩輪的轉(zhuǎn)速、大小，在極小的轉(zhuǎn)彎半徑下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

2 爬壁機(jī)器人對曲面的適應(yīng)性分析

爬壁機(jī)器人對弧形壁面有一定適應(yīng)性，影響適應(yīng)能力的主要因素有車輪與底板的垂直距離和車輪之間的距離。曲率半徑示意圖如圖2所示。

圖2 曲率半徑示意圖

如圖2所示，h為輪子距底板的高度，Rs為曲面的曲率半徑，r為輪子接觸點(diǎn)到軸線的距離。由幾何知識可知：

由空間幾何關(guān)系可知，r和h為已知，爬壁機(jī)器人的底板高度需滿足條件：

聯(lián)立式（1）、式（2），可得爬壁機(jī)器人工作曲面的曲率半徑條件為：

3 吸附系統(tǒng)的流道仿真

該爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)的離心風(fēng)扇的流道模型較為特殊，要去除動葉輪模型部分，首先需要建立離心風(fēng)扇流道的三維模型，主要包括進(jìn)風(fēng)口流道、葉輪流道以及出口流道。將保存的風(fēng)扇模型導(dǎo)入Gambit軟件中，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇Fluent5/6求解器，共產(chǎn)生154 856個網(wǎng)格。

在離心風(fēng)扇三維流場模擬中，將生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT軟件中，先建立兩處交接面：選取進(jìn)口流道斷面和葉輪流道斷面重合的邊界，葉輪流道圓周邊界和蝸殼流道內(nèi)側(cè)邊界，并進(jìn)行網(wǎng)格檢查。對風(fēng)扇流道進(jìn)行數(shù)值模擬，初始條件設(shè)置為大流量、高轉(zhuǎn)速情況，轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，仿真計(jì)算得出結(jié)果。

風(fēng)扇流場截面的全壓等于動壓與靜壓之和。選取離心風(fēng)扇葉輪的中間截面，全壓等于出口氣體全壓與入口氣體全壓之差，且全壓在各葉輪之間也呈對稱分布。氣體在剛進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉輪的流道區(qū)域壓強(qiáng)較低，進(jìn)入負(fù)壓腔的空氣迅速向四周擴(kuò)散，造成風(fēng)扇流場中心區(qū)域氣壓較低，且與風(fēng)扇葉輪內(nèi)部有明顯的邊界。設(shè)計(jì)人員通過分析流場內(nèi)部的全壓可以預(yù)測風(fēng)扇的性能。

4 爬壁機(jī)器人吸附實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)人員通過加工制作機(jī)器人的零件并進(jìn)行裝配完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試，暫不考慮外部因素（風(fēng)力、濕度、工作表面清潔程度等）的影響。機(jī)器人在表面有2 mm高、3 mm寬縫隙的垂直壁面可以穩(wěn)定吸附；實(shí)驗(yàn)機(jī)器人可以穩(wěn)定吸附于曲面半徑約為1 m的圓形壁面，同時實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)調(diào)整爬壁機(jī)器人在不同姿態(tài)時，都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定吸附。

機(jī)器人吸附能力測試中，將爬壁機(jī)器人置于負(fù)壓吸附力方向與自身重力方向相反的壁面進(jìn)行測試。經(jīng)過反復(fù)多次測試吸附力得出，該機(jī)器人的吸附力約為100 N。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人的離心式葉輪及流道能產(chǎn)生較高的負(fù)壓；組合密封裙可以很好地適應(yīng)弧形壁面，彈性海綿能及時地適應(yīng)工作表面的變化，始終維持密封腔內(nèi)部穩(wěn)定的負(fù)壓。設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人能適應(yīng)一定曲率范圍的弧形壁面，為后續(xù)機(jī)器人適應(yīng)不同環(huán)境進(jìn)行多任務(wù)作業(yè)提供了一定參考。