基于Pro/E的清潔機(jī)器人爬壁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

呂雪　牛海霞

摘 要：在國內(nèi)外已有研究基礎(chǔ)上，本文基于Pro/E軟件設(shè)計(jì)清洗玻璃幕墻等壁面的爬壁機(jī)器人，對(duì)其爬壁構(gòu)造進(jìn)行分析研究。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人為四輪小車型爬壁機(jī)器人，應(yīng)用傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的開閉合來實(shí)現(xiàn)吸排氣的控制。其驅(qū)動(dòng)方式為后輪驅(qū)動(dòng)，吸附方式采用地面連接真空泵，通過真空吸盤吸附，使吸附力更穩(wěn)定且易于控制。最終所設(shè)計(jì)的機(jī)器人在水平面與垂直面乃至任意角度的玻璃壁面均能自由行走。

關(guān)鍵詞：真空吸附；清潔機(jī)器人；Pro/E

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.147

0 引言

近年來，我國的城市面容發(fā)生了巨大的改變。相比于以前，高樓大廈多了很多，大部分的高樓為了美觀和成本，墻壁都是玻璃幕墻，提高了外觀，但也面臨著各種問題。其中高空玻璃幕墻的清潔是一個(gè)非常典型的難題，目前清潔玻璃幕墻的方式大多是人工進(jìn)行，采用懸吊裝置上下升降，保潔人員親自在高空進(jìn)行作業(yè)，這種勞動(dòng)效率低下，安全性沒有保障，不符合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展觀[1]。

于是爬壁清潔機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，在某些危險(xiǎn)、繁重、枯燥的崗位使用機(jī)器人代替人工勞動(dòng)的行為，已逐漸發(fā)展成當(dāng)代社會(huì)的一種趨勢。爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)，必須具備兩種功能：在任意角度的無磁甚至凹凸不平的壁面上的吸附功能和移動(dòng)功能。以此為要求，這些年來研究人員研發(fā)了多種爬壁機(jī)器人的方案，但大多有瑕疵和不穩(wěn)定性，不能成功的投入工作。例如磁力吸盤爬壁機(jī)器人，只能局限于吸附在金屬的壁面上，而目前需要工作的大多是玻璃面，局限性太高；又例如大型懸掛式清潔機(jī)器人，占地面積過大、清洗復(fù)雜成本高，工作時(shí)需要特定的軌道[2]。

1 爬壁機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人為真空吸盤式爬壁清潔機(jī)器人，因?yàn)橐诖怪钡谋诿嫔闲凶?，所以四輪小車相?duì)于其它小車更具有穩(wěn)定性。該四輪小車（約為500mm×100mm×400mm），每個(gè)車輪都分兩排，每排12個(gè)，共裝有24個(gè)真空吸盤，通過地面上的真空泵提供壓力進(jìn)行吸附工作。故本機(jī)器人不需要樓梯懸掛系統(tǒng)，直接通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)吸排氣進(jìn)行控制。

爬壁機(jī)器人最基本的需求是能夠在360°的壁面進(jìn)行自由移動(dòng)，所以重點(diǎn)設(shè)計(jì)機(jī)器人的吸附裝置。吸附和行走是爬壁機(jī)器人的兩個(gè)最基本功能，爬壁機(jī)器人受工作環(huán)境的限制，必須擁有強(qiáng)大的吸附能力，吸附力必須大于機(jī)器人以及載體的重量，在不跌落的情況下保持前進(jìn)。該機(jī)器人的移動(dòng)速度初始設(shè)定為0.15米/秒。爬壁機(jī)器人若發(fā)生墜落，極有可能是由于車體的平行滑落導(dǎo)致，因?yàn)槠湮P在機(jī)器人垂直的狀態(tài)下最容易發(fā)生掉落。

2 爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在爬壁機(jī)器人兩側(cè)的輪子上固定裝上真空吸盤，該真空吸盤通過吸排氣的閉合，從而達(dá)到真空狀態(tài)，在墻壁與機(jī)器人之間直接產(chǎn)生吸附力。設(shè)定該四輪車輪子的直徑為20cm，真空吸盤采用ZHP-50-W-M6型號(hào)真空吸盤，如圖1所示。該產(chǎn)品的優(yōu)勢為：國內(nèi)自主生產(chǎn)，供貨速度快，成本低。機(jī)器人小車的每個(gè)輪子上固定有24只直徑8cm的真空吸盤均勻分布。每排12個(gè)真空盤，一共2排，每兩個(gè)吸盤之間的隔離角度為30°，輪子上的兩排吸盤每兩個(gè)之間相錯(cuò)開15°。這種情況下無論何時(shí)至少有3個(gè)吸盤處于吸附的狀態(tài)，一輛小車四個(gè)車輪，所以整個(gè)機(jī)器人一共有12個(gè)吸盤處于吸附狀態(tài)，通過氣壓的差距，將機(jī)器人牢牢地吸附在壁面上。因?yàn)槲P的工作路線為同一輪子上的24個(gè)吸盤同時(shí)工作，通過安裝在四輪車內(nèi)的管路，將真空吸盤吸取的氣體運(yùn)輸?shù)綒怏w分配器上，再從氣體分配器運(yùn)輸?shù)秸婵毡脙?nèi)，這樣的一套路線組成真空抽氣系統(tǒng)。所以吸盤的吸附能力是穩(wěn)定的，不會(huì)隨著吸盤數(shù)量的增加或減少而變化。

爬壁機(jī)器人的最大特點(diǎn)是采用純機(jī)械式氣體分布器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人吸盤的抽吸和排程的有序控制[3]。為了降低傳感器的使用頻率，使得機(jī)器人更容易控制，于是設(shè)計(jì)了一個(gè)月牙型真空室，通過與地面真空泵相連，為吸盤提供負(fù)壓，進(jìn)行吸附，吸排氣的同時(shí)控制機(jī)器人的吸附狀態(tài)。

氣體分布器中有月牙型真空室，如圖2所示，后側(cè)氣體入口與真空泵連接，前側(cè)在分配器下部1/4處開有月牙型吸氣入口，氣體分配盤（即車輪的輪轂，見圖3）與其之間緊密密封，氣體分配盤上共有12個(gè)孔，每一個(gè)孔的噴嘴連接一個(gè)真空吸盤。帶有月牙型真空室的氣體分布器則固定在車體上，防止運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下密閉性受損，導(dǎo)致吸附能力下降，所以需保持固定狀態(tài)。當(dāng)爬壁機(jī)器人由電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)時(shí)，吸盤完全暴露在壁上，相應(yīng)的噴嘴也進(jìn)入真空室的吸入口，從而形成空氣通道，真空泵開始抽氣。當(dāng)吸盤即將從壁面上脫離時(shí)，相應(yīng)的噴嘴正好轉(zhuǎn)出了吸氣口，并與大氣連通，吸盤裝置便可以與壁面脫離，從而使機(jī)器人完成吸附與脫離的工作步驟，如圖4所示。

月牙室里，月牙盤突出，其原因是氣體分布器固定在機(jī)器人的機(jī)體上，真空室平面與輪盤之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須確保不存在太多的泄漏，這里有四分之一的部位突出既可以保證真空室的壁面可以與真空吸盤上的空氣管道完美連接，而提高了與車輪的接觸力，增強(qiáng)了吸附力的同時(shí)還可以減少兩個(gè)結(jié)構(gòu)的因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力，并給動(dòng)力能帶來額外的負(fù)荷以及過度的摩擦，提高了機(jī)器人的使用壽命。

真空室的月牙盤的中心角是40°，板長2cm，由于在工作狀態(tài)下真空室必須同時(shí)為輪子上的三個(gè)真空吸盤提供負(fù)壓，并且兩個(gè)吸盤與圓盤之間的界面的差異為15°，所以圓心角應(yīng)略大于30°。因?yàn)檩啽P上的孔的直徑約為6mm，為了使孔進(jìn)入到真空室，所以真空室的寬度必須大于6mm，故設(shè)置為7mm。此外，真空室應(yīng)該與真空泵連接，因此需要將月牙形圓盤上的孔打開到真空室。月牙盤的設(shè)計(jì)提高了加工的難度，但是降低了操作難度。此處在運(yùn)行過程中的設(shè)計(jì)要求較高：不僅要能產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要保證有足夠的密封性。

3 爬壁機(jī)器人Pro/E運(yùn)動(dòng)仿真

本次設(shè)計(jì)在建模過程中使用了一個(gè)簡單的空心桁架結(jié)構(gòu)。即將提供吸附能力的真空泵安裝在地面上，通過將電機(jī)連接到減速器上傳動(dòng)動(dòng)力，帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)。利用Pro/E軟件，對(duì)爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，設(shè)定參數(shù)如表1所示。

首先，進(jìn)入裝配模塊，組裝車輪、真空艙、蝸桿減速器和機(jī)器人本體，構(gòu)建機(jī)器人的整個(gè)模型，然后在Pro/E軟件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真模塊下，設(shè)置伺服電機(jī)。建立運(yùn)動(dòng)聯(lián)系，設(shè)置參數(shù)Start time和End time，然后建立運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)定開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的參數(shù)，并選擇當(dāng)前位置作為運(yùn)動(dòng)分析的初始位置，最后運(yùn)行運(yùn)動(dòng)分析，通過最終得出的結(jié)果證明了該爬壁機(jī)器人是可行的。

4 結(jié)論

清洗爬壁機(jī)器人的目的是為了取代人工清潔高層建筑的玻璃幕墻等高危險(xiǎn)性工作。本文設(shè)計(jì)機(jī)器人為四輪式后輪驅(qū)動(dòng)方式，采用真空吸盤吸附方式可以減小在爬行過程中出現(xiàn)墜落的幾率，在爬壁過程中是安全的，并且在爬墻期間不會(huì)沿墻滑動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在水平面與垂直面乃至任意角度的玻璃壁面均能自由行走。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘆書榮.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2016（01）.

[2]姜雪梅.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[D].山東科技大學(xué)，2013.

[3]談士力，沈林勇.垂直壁面行走機(jī)器人系統(tǒng)研制[J].機(jī)器人，2009，18（04）：242-247.

作者簡介：呂雪（1986-），女，安徽舒城人，碩士研究生，講師，研究方向：先進(jìn)材料制造及軟件模擬加工技術(shù)。