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      玻璃幕墻清洗機器人攀爬部分真空吸盤結構設計

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-22 09:27:55    瀏覽次數:15    評論:0
      導讀

      在對玻璃幕墻清洗機器人攀爬部分結構進行研究的基礎上,首先根據機器人工作的現場實際,對機器人的構型及設計原理進行了研究;其次結合真空吸附式墻面清洗機器人的具體性能要求,采用多吸盤真空吸附、氣體吸盤組結構,極大地降低了系統的負載能力,提高了速度;再次通過計算確定吸盤的直徑和數量,并合理安排吸盤布局

      摘要:在對玻璃幕墻清洗機器人攀爬部分結構進行研究的基礎上,首先根據機器人工作的現場實際,對機器人的構型及設計原理進行了研究;其次結合真空吸附式墻面清洗機器人的具體性能要求,采用多吸盤真空吸附、氣體吸盤組結構,極大地降低了系統的負載能力,提高了速度;再次通過計算確定吸盤的直徑和數量,并合理安排吸盤布局,根據系統的負載和用氣量選擇合適的空氣壓縮機和氣缸;最后完成了真空吸附式墻面清洗機器人樣機的試制,并在不同環境中進行了自攀爬和清洗作業實驗,機器人在壁面上行走穩定,清洗效果良好。

      關鍵詞:爬壁機器人;真空吸盤;移動結構;攀爬結構

      多吸盤爬壁機器人的移動方式多采用腳足式、履帶式或框架式結構。田靜眉[1]提出了真空吸附式壁面清洗機器人的構型設計基本原則,探索了此類型機器人的設計理論。KIM等[2]認為機器人結構應簡單,具有真空吸盤的履帶式或輪式、具有滑動框架[3]等結構都可以滿足這種要求。王妹婷[4]研制了履帶式磁吸附爬壁機器人,主要采用履帶結構,實現機器人爬壁動作。丁官元[5]設計了一種由自適應吸盤越障結構與輪式雙十字氣動平移框架結構組成的機器人爬壁系統。MAHBOUBIDOUST等[6]研發的自驅動機構,依靠自身的重力和雙真空吸盤表面上的提升力,可以在光滑的玻璃表面移動。AHMED等[7]通過數學建模和有限元分析完成了爬壁機器人的腿部結構設計。LIU等[8]研究了輪輻式爬壁,并對結構進行了力學建模。劉祥勇[9]提出了可以伸縮的柔性桿,通過伸縮臂的伸縮實現了爬壁機器人的手臂伸縮結構,并分析了機器人在兩種主要運動下所需的驅動力矩大小與姿態角度關系的變化規律。孫景福等[10]通過對帶電絕緣子清洗機器人的運動學分析,得到了運動學正解和逆解方程,并用ADAMS對絕緣子帶電干冰清洗機器人的運動特性進行了動力學仿真分析。姚毅等[11]構建了在靜態未知環境下用于路徑規劃的模糊神經網絡,對移動機器人的路徑進行規劃,從而獲得機器人的最優走道路徑。董偉光等[12]通過變換矩陣將2種基本運動模式的運動學表達式關聯起來,同時引入附著面傾角,提出一種基于吸附安全性的求解優化方案。以上這些機械結構各有自己的優點,但是爬壁的摩擦性能以及速率沒法控制,穩定性不足,而且都沒有完整設計真空負壓吸附墻面自由行動清潔玻璃幕墻,清潔率直接受到影響。因此迫切需要設計一款能在現有玻璃幕墻上快速便捷地清掃污物的新型玻璃幕墻爬壁機器人。

      1 小車運動及吸附部分結構設計

      玻璃幕墻清洗機器人系統主要包括氣體驅動的吸盤組機構、小車移動機構、4個卡爪等。設計時應通過計算確定吸盤的直徑和數量,合理布局吸盤,并根據系統的負載大小選擇合適的空壓機和氣缸,最后通過受力分析確定履帶型號。

      1.1 履帶傳動受力分析

      履帶行走裝置內張力的應力分布不均。圖1(a)所示為履帶后輪驅動受力圖,圖中T0為履帶的總預張力,為主動輪上的牽引力,Fzk為履帶的內部牽引力。為了盡量減小履帶的振動、噪聲和磨損等,可以對履帶預加張力??傤A張力T0包括預加動張力和預加靜張力兩部分,主動輪上的牽引力的作用是克服履帶行動裝置的內部阻力和外部阻力。而履帶的內部牽引力Fzk包括所有作用在履帶上的牽引力,即

      圖1 后驅動

      1.2 水泵的選擇

      液體在等徑直管中流動時的局部壓力損失可忽略。雷諾數是液流的慣性作用對黏性作用的比。

      雷諾數Re為:

      Re=vd/υ

      (1)

      式中:v為流體平均速度,m/s;d為管道直徑,m;υ為液體運動黏度,m2/s。

      初步選擇型號為6RZ的水泵,其輸出量為4.5L/min,軟管輸入端與輸出端接口直徑為14mm,質量約為0.8kg。

      Re= 0.13×14×1 000 000/1.005=1 810 000

      從《機械設計》手冊查得,當Re=1 810 000時,沿程損失為0.004 5m,可忽略不計。根據爬壁機器人的設計要求,選用型號為MP-6RZ 的磁力泵。

      1.3 吸附方式的選擇

      真空負壓吸附中的單盤吸附結構雖然簡單,但吸盤無冗余度,吸盤穩定性和抗傾覆能力差,一旦遇到窗上的玻璃窗框或溝槽,真空度很容易被破壞,因此本文設計的機器人采用多吸盤真空吸附方式。

      吸盤受力可由式(2)算得[1]。

      F=pA有效/?

      (2)

      式中:p為吸盤的真空度,根據實際情況取-0.08MPa;F為單個吸盤的吸吊能力,計算得29.4N;A有效為吸盤有效面積,一般取吸盤實際面積的80%,即其中D為吸盤的實際直徑:?為安全系數,取值2。選取吸盤直徑D [10]為:

      (3)

      2 運動學模型的建立

      該裝置受力分析如圖2所示,吸盤和履帶都承受摩擦力Ff1Ff2,吸附力F1F2,總重力G以及運動的牽引力。假設履帶與玻璃面是純滾動、無滑動、無側移,則可以將移動本體模型理想化成缸體運動。如圖3所示,XOY為全局坐標系,XRORYR為與移動本體固定連接的局部坐標系,局部坐標系原點OR設定為兩驅動輪的連接線中心位置。XR軸為兩驅動輪連線,YR軸是與XR軸垂直的軸,局部坐標系隨著本體移動而不斷改變著相對于全局坐標系的位置,兩驅動輪連線的中間位置OR代表了移動本體在全局坐標系中的位置,兩驅動輪連線及局部坐標系XR軸與全局坐標系X軸的夾角θ代表了移動本體的姿態,如圖3所示。

      圖2 吸盤吸附受力圖

      圖3 移動姿態

      移動本體坐標系繞全局坐標系的Z軸旋轉角度θ,移動本體坐標系沿全局坐標系的X,Y軸平移,移動本體坐標系與全局坐標系的轉換圖如圖4所示。

      圖4 移動本體坐標系與全局坐標系的轉換

      移動本體與全局坐標轉換關系:

      (4)

      式中:X0Y0分別為移動全局坐標系的X向和Y向向量為從0到t的轉秩矩陣;xryr分別為移動本體坐標系的x向和y向向量。首先,變換旋轉矩陣為R[Z,θ(t)],其次變換對應的平行矩陣為trans[X(t),Y(t),0]。由于上述變換是相對于全局坐標系,所以變化矩陣必須從左往右作乘。那么移動坐標系相對于全局坐標系的變換如下:

      (5)

      式中:X(t)和Y(t)為移動坐標系原點在全局坐標系中的X,Y坐標;θ為移動本體相對于整體坐標系移動姿態的轉角。(tt)是本體坐標系繞全局坐標系旋轉φ角經過的Δt時間,轉角θ與角速度ω的關系為θ=ωΔt,在t時刻的本體移動坐標系中度量(tt)時刻移動本體坐標系原點為(rsinφ,r(1-cosφ))。在全局坐標系中,(tt)時刻移動本體坐標系繞Z軸逆時針旋轉φ角,t與Δt時刻的移動本體坐標如圖5所示。由前所述的(tt)與t時刻本體移動坐標系與全局坐標系的關系,可得到(tt)移動本體坐標系變化到t時刻的移動本體坐標系位姿的變化矩陣:

      (6)

      由此可得(tt)時刻移動本體坐標系轉換到全局坐標系的變化矩陣。

      圖5 t與(tt)時刻的移動本體坐標系

      (7)

      由此可知,裝置在移動過程中可將本體移動坐標系轉換到全局坐標系,因此可以實現t時刻對移動本體的全局定位。如果已知移動本體的角速度和位姿,依照上述計算便可獲知(tt)時刻移動本體在全局坐標系中的位姿,從而實現了差速驅動系統的機器人在全局位置中的定位、移動、運行狀態變換[11-12]。

      3 清洗技術和真空吸附

      清洗包括滾刷裝置、噴淋裝置、污水回收裝置以及潔面裝置。

      水箱內的水經水泵傳送至兩個滾刷,右側滾刷起到噴刷和浸潤壁面的作用,左側滾刷起到二次潔面的作用。磁力傳動離心泵具有全密封、無泄露、耐腐蝕的特點,泵的磁性聯軸器通過轉動電機能夠起到過載保護的作用。本裝置采用雙滾刷和刮板聯合作業的清洗方式,刮板上的污水槽回收污水,污水在重力作用下通過污水管道進入密封污水箱。污水經過過濾,進入下層凈水箱后通過水泵分別將凈水輸送到左右兩側滾刷。根據現場需要,在污水箱中添加隔間,并在不同的隔間添加不同的清洗劑,可以實現對不同污染程度壁面的清洗作業。

      真空吸附主要通過真空泵和底部的真空吸盤實現,既要保證管子不漏氣還要保證氣壓足夠穩定,使吸盤吸附在玻璃上不會掉下來。

      4 機械本體總體設計

      機械本體部分由3個部分組成:1)4個卡爪部分。4個卡爪的腳是4個真空吸盤,靠真空吸附吸緊在玻璃上,完成一個局部區域的清洗后中間的主真空泵通過CPU指令,頂著機械本體使其中2個腳吸緊玻璃,另外2個腳完成換位動作。2)移動小車部分。該部分由履帶行走機構、齒輪傳動機構和驅動電機組成,主要通過CPU控制其移動。由于4個卡爪吸附在玻璃面上,在局部區域小車的移動就主要靠CPU控制電機使履帶移動,使小車在玻璃面上行走,從而完成行走功能。3)滾刷部分。滾刷部分也是靠齒輪驅動,電機帶動齒輪和履帶,一方面完成小車移動,另一方面完成滾刷清洗動作,其機械結構如圖6所示。

      圖6 運動及自攀爬部分實物圖

      5 結束語

      本文通過對爬壁機器人結構的分析與建模完成了整個裝備的研發、調試與實驗現場的運行,主要完成以下工作:

      1)完成了爬壁機器人移動機構的運動學模型。對移動機構的運動結構建立了數學模型和運動學模型,使機器人在不同壁面連續運動時能利用運動學模型進行運動規劃和分時控制,并且針對運動學分析,利用位姿變換矩陣建立運動模式的變換。

      2)利用負壓吸附原理,通過設計和計算,實現了爬壁機器人在光滑壁面上的吸附、清洗、爬行和污水回收等功能。

      3)在試驗現場,機器人在豎直壁面上運行穩定,運行速度可調,吸附力有較大的冗余,有利于系統功能的進一步擴展。

      在后續工作中,將結合傳感器進一步提高爬壁機器人壁面運動的自主性。


       
      (文/小編)
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