玻璃壁面清洗機(jī)器人負(fù)壓吸附系統(tǒng)的研究

程玉華+袁艷芳++潘越

摘 要：針對(duì)玻璃壁面清洗機(jī)器人風(fēng)機(jī)噪聲大和吸附穩(wěn)定性問題，通過變形設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究方法，設(shè)計(jì)出適合玻璃壁面清洗的負(fù)壓吸附系統(tǒng)，并分析了負(fù)壓吸附原理，給出了與吸附系統(tǒng)相配合的最佳移動(dòng)機(jī)構(gòu)，并提出了低噪聲離心風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的負(fù)壓吸附系統(tǒng)能滿足玻璃壁面清潔與移動(dòng)的基本需求，能夠適應(yīng)高層建筑玻璃清洗的復(fù)雜環(huán)境。

關(guān)鍵詞：玻璃清洗；負(fù)壓吸附；離心風(fēng)扇；噪聲污染

引言

壁面清洗機(jī)器人作為爬壁機(jī)器人的一種，主要在距離地面一定高度、人無法觸及的建筑物豎直表面上進(jìn)行工作，如高層建筑玻璃幕墻的清洗。本文結(jié)合負(fù)壓吸附技術(shù)，針對(duì)低噪聲離心風(fēng)扇、最佳吸附力的選取等方面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)的機(jī)器人樣機(jī)能構(gòu)適應(yīng)高層建筑外壁面的工況環(huán)境。

1 壁面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)

圖1為玻璃壁面清洗機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)。機(jī)器人由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、離心風(fēng)扇、無刷電機(jī)、負(fù)壓腔、清洗裝置構(gòu)成，通過遙控器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信。機(jī)器人接收到控制信號(hào)后，本體吸附在玻璃壁面并通過對(duì)角設(shè)置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)與轉(zhuǎn)向。在機(jī)器人移動(dòng)期間，機(jī)器人底部安裝的清洗抹布可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓腔的密封和玻璃壁面的清洗兩個(gè)功能。

1.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；2.離心風(fēng)扇；3.無刷電機(jī)；4.無線傳輸模塊；5.玻璃壁面；6.清洗裝置；7.負(fù)壓腔；8.無線遙控器

圖1 壁面清洗機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖

1.1 運(yùn)動(dòng)輪接觸應(yīng)力分析

運(yùn)動(dòng)輪包含主動(dòng)輪和被動(dòng)輪，通過研究豎直玻璃壁面上主動(dòng)輪和被動(dòng)輪在滾動(dòng)時(shí)表面的應(yīng)力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響因素，確定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型和驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)器人通過運(yùn)動(dòng)輪在玻璃壁面移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)輪表面會(huì)產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在機(jī)器人靜止時(shí)，運(yùn)動(dòng)輪產(chǎn)生的靜摩擦力可以平衡機(jī)器人自身的重力；當(dāng)機(jī)器人處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，動(dòng)摩擦力的運(yùn)動(dòng)方向與其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)有關(guān)。假設(shè)機(jī)器人與壁面剛性接觸、壁面存在一定傾角，從動(dòng)輪受力情況如圖2所示。

當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)從動(dòng)輪的受力平衡情況，機(jī)器人在壁面上不會(huì)發(fā)生傾覆，可以得出力矩平衡方程：

（1）

式中，N-壁面對(duì)從動(dòng)輪的反作用力；Fp-機(jī)器人本體作用在輪軸上的正壓力；Ff-壁面對(duì)從動(dòng)輪的摩擦力；Mo-墻壁對(duì)從動(dòng)輪的阻力矩；T-輪軸對(duì)從動(dòng)輪的作用力；r-運(yùn)動(dòng)輪半徑。

從動(dòng)輪的動(dòng)摩擦力方向與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相反，起阻礙運(yùn)動(dòng)的作用。機(jī)器人的吸附系統(tǒng)能夠提供的最大吸附力為某一固定值，若機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中存在從動(dòng)輪，本質(zhì)上浪費(fèi)了一定的吸附力，離心風(fēng)扇需要更高的轉(zhuǎn)數(shù)來維持機(jī)器人在壁面不發(fā)生傾覆，增大了負(fù)壓吸附系統(tǒng)的功率。因此本文中運(yùn)動(dòng)論的設(shè)計(jì)不采用從動(dòng)輪的形式，只選取驅(qū)動(dòng)輪。

1.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際情況下，玻璃表面可能沾滿灰塵和污漬，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)既要保證機(jī)器人在豎直壁面靈活快速移動(dòng)同時(shí)保證在壁面上安全吸附，這一技術(shù)難題是玻璃壁面清洗機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示，運(yùn)動(dòng)輪采用摩擦系數(shù)大的軟橡膠，兩個(gè)輪子左右對(duì)角分布在機(jī)器人底盤兩側(cè)，由獨(dú)立的減速電機(jī)控制。改變減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中沒有采用被動(dòng)輪，負(fù)壓腔產(chǎn)生的吸附力垂直于壁面由外向內(nèi)將機(jī)器人“推壓”在玻璃壁面。一般來講，吸附力與以下兩種作用力的合力組成平衡力系：（1）主動(dòng)輪支持力；（2）清潔抹布支持力。二者在數(shù)量關(guān)系上有以下關(guān)系：

圖3 爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維圖

Fa=FN1+FN2 （2）

式中，F(xiàn)a-負(fù)壓腔產(chǎn)生的吸附力；FN1-主動(dòng)輪支持力；FN2-清潔抹布支持力。

為使機(jī)器人安全吸附在玻璃壁面上，需要用摩檫力去平衡機(jī)器人的重力。對(duì)角設(shè)置兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪有以下三方面的作用：（1）只有驅(qū)動(dòng)輪而未設(shè)置從動(dòng)輪可以提高負(fù)壓腔吸附力的利用率；（2）增加了清

潔抹布與玻璃壁面的接觸應(yīng)力，有利于玻璃壁面上較臟污漬的擦拭；（3）減小了機(jī)器人的轉(zhuǎn)向半徑，增強(qiáng)了機(jī)器人的靈活性。

1.3 密封及清潔抹布設(shè)計(jì)

密封及清潔抹布如圖4所示，安裝在機(jī)器人底部，摩擦力適中、密封性能良好的密封系統(tǒng)，同時(shí)可以起到負(fù)壓腔體的密封和玻璃壁面的擦拭兩個(gè)作用。

一般說來，玻璃壁面較為光滑平坦，對(duì)于密封機(jī)構(gòu)的氣密性有較高要求，適合采用有正壓力的密封機(jī)構(gòu)。盡管正壓力的存在，會(huì)抵消一部分吸附力降低吸附利用率，但是對(duì)于玻璃壁面清洗擦拭的場合，使用帶有正壓力的密封機(jī)構(gòu)可以大大改善玻璃壁面的清洗效果同時(shí)降低空氣泄漏量，從而減小吸附功耗。

圖4 密封及清潔抹布設(shè)計(jì)

2 低噪聲負(fù)壓吸附系統(tǒng)的研究

應(yīng)用于室內(nèi)或室外環(huán)境的清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)在具有一定高度的玻璃壁面上，離心風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲是清洗機(jī)器人噪聲的主要來源。研究負(fù)壓吸附系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位——離心風(fēng)扇，設(shè)計(jì)并選取適合低噪聲負(fù)壓吸附系統(tǒng)的離心風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)其各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使負(fù)壓吸附系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大化的吸附力利用，從而在安全吸附的條件下降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)降低噪聲的目的。

2.1 玻璃壁面清洗機(jī)器人吸附及噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析

圖5負(fù)壓吸附系統(tǒng)工作原理，根據(jù)伯努利原理：物體表面流體流速越大，則物體表面所受壓力越小。離心風(fēng)扇在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，負(fù)壓腔內(nèi)的空氣在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)經(jīng)由負(fù)壓腔裙邊排出，這樣就會(huì)在負(fù)壓腔內(nèi)形成一個(gè)瞬時(shí)真空。在豎直的玻璃壁面上，機(jī)器人本體內(nèi)部表層因出現(xiàn)瞬時(shí)真空而受到的大氣壓力會(huì)降低，但是在機(jī)器人本體表面所受到的大氣壓力維持不變，綜上分析，外部大氣壓會(huì)將機(jī)器人本體推壓在玻璃壁面上。

圖5 負(fù)壓吸附系統(tǒng)工作原理

根據(jù)對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成可以分析出，機(jī)器人本體的噪聲主要來源于負(fù)壓發(fā)生裝置。負(fù)壓發(fā)生裝置包括離心風(fēng)扇和無刷電機(jī)，徑流式離心風(fēng)扇相對(duì)于軸流式離心風(fēng)扇能夠?yàn)闄C(jī)器人提供更多的負(fù)壓差；吸盤由裙邊、吸盤腔體、進(jìn)氣分隔欄和密封及清潔抹布組成，裙邊有利于氣體的加壓和排出，密封及清潔抹布可以防止吸盤腔體內(nèi)的空氣泄漏同時(shí)用作玻璃壁面的擦拭。

清洗機(jī)器人吸附在玻璃壁面上，吸附系統(tǒng)中的離心風(fēng)扇的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生噪聲。該噪聲可分為兩類：一類是氣動(dòng)噪聲且占比最大，另一類是機(jī)械噪聲影響較小。氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因是離心風(fēng)扇切割空氣帶動(dòng)空氣旋轉(zhuǎn)而造成的，氣動(dòng)噪聲也可以根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理分為兩類：一類是旋轉(zhuǎn)噪聲，另一類是渦流噪聲。所謂旋轉(zhuǎn)噪聲是因?yàn)樨?fù)壓腔內(nèi)離心風(fēng)扇在切割空氣時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的壓力脈動(dòng)造成的。查找資料可以得到旋轉(zhuǎn)噪聲的諧波頻率：

fi=■i （3）

式中，fi-葉輪轉(zhuǎn)速（rpm）；z-葉片數(shù)；i-諧波次數(shù)，1，2，3…。

渦流噪聲產(chǎn)生原理：負(fù)壓腔中間部分是旋轉(zhuǎn)的氣流，氣流逐漸向四周擴(kuò)散到達(dá)負(fù)壓腔內(nèi)部的壁面附近時(shí)，運(yùn)動(dòng)的氣流因?yàn)槠涔逃械恼硿Σ列耘c靜止的壁面碰撞，產(chǎn)生一個(gè)又一個(gè)帶有渦流的氣團(tuán)，這些渦旋不斷生成又破滅，就會(huì)產(chǎn)生一種壓強(qiáng)脈動(dòng)，當(dāng)這些現(xiàn)象極為劇烈時(shí)就會(huì)輻射出聲音。該渦流噪聲頻率是：

fi=K■ （4）

式中，K-斯特勞哈爾數(shù)；V-氣體與葉片的相對(duì)速度；D-氣體入射方向的物體厚度。

2.2 低噪聲離心風(fēng)扇設(shè)計(jì)

分析旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲的頻率公式可以知道，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人低噪聲運(yùn)行目的，需要在保證機(jī)器人安全吸附的前提下，盡可能降低離心風(fēng)扇的轉(zhuǎn)數(shù)。因此，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于玻璃壁面吸附的低噪聲離心風(fēng)扇，可以在不減少吸附力的前提下，降低噪聲污染，對(duì)于整個(gè)玻璃壁面清洗機(jī)器人有重要的意義。圖6離心風(fēng)扇三維圖。

離心風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度越高，清洗機(jī)器人本體產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲就會(huì)越大，如何在維持吸附力不變的同時(shí)降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)就是本課題要解決的重點(diǎn)問題。本文選取離心風(fēng)扇扇葉數(shù)為12個(gè)，葉片形式類似于飛機(jī)的機(jī)翼——葉片前段是圓弧狀的加厚區(qū)域，這樣設(shè)計(jì)有利于風(fēng)扇揚(yáng)程的增加。

圖6 離心風(fēng)扇三維圖

3 結(jié)束語

玻璃壁面清洗機(jī)器人與一般的智能機(jī)器人不同，該種類機(jī)器人的工作環(huán)境特殊，一般是在距離地面幾米甚至上百米的豎直墻壁外側(cè)工作，這就要求機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過程中實(shí)現(xiàn)安全吸附，盡量避免工作時(shí)發(fā)生掉落、死機(jī)、卡住等危險(xiǎn)事故。本文結(jié)合運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、負(fù)壓吸附技術(shù)，針對(duì)低噪聲離心風(fēng)扇、最佳吸附力的選取等方面進(jìn)行研究。針對(duì)玻璃壁面清洗機(jī)器本體吸附系統(tǒng)吸附噪聲大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)壓維持率低等問題，通過變形設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究方法，對(duì)壁面清洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)放在研究設(shè)計(jì)適合玻璃壁面清洗的負(fù)壓吸附系統(tǒng)，進(jìn)一步分析了負(fù)壓吸附原理，給出了與吸附系統(tǒng)相配合的最佳移動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種適合吸附系統(tǒng)且結(jié)構(gòu)簡單的離心風(fēng)扇。

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