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一种斜推式爬墙机器人的分析与设计


一种斜推式爬墙机器人的分析与设计
徐 聪,韩奉林,刘曼玉,张瑞强,陈 帅
(中南大学 机电工程学院 长沙 410012)

摘要:为解决爬墙机器人载重小、效率低等问题,提出了一种利用涵道风扇的斜推力使机器人吸附在墙面的爬墙原理,并制 作了一款样机验证原理的可行性。 这种爬墙机器人的风扇推力与墙面之间有一个夹角, 将推力分解成沿墙面竖直向上的

分力 和垂直于墙面的附着力。机器人依靠风扇向上的分力和因附着力产生的摩擦力的合力而停服在墙面。通过实验,机器人停附 在墙面上所需推力小于自身重力,推力的利用率高。 关键词: 爬墙机器人;涵道风扇;斜推力;吸附 中图分类号:TP24 文献标识码:A

Analysis and Design of a Wall-climbing Robot rely on Oblique Thrust
XU Cong,HAN Feng-lin,LIU Man-yu ,ZANG Rui-qiang,CHEN shuai (College of Mechanical and electrical engineering , Central South University, Changsha 410012, China) Abstract: Advance a new theory which makes a robot on the wall relay on the culvert fan's oblique thrust .Then product a model machine to prove the theory is right. The thrust has a angle between the wall and fan. Because of the angle, the thrust becomes vertical and horizontal force .The total lift is the sum total of the vertical force and the friction which is caused by the horizontal force .By experiment, the robot just needs a thrust which is less than its gravity to work on the wall. Keywords: wall-climbing robot; culvert fan ;oblique thrust ; adsorb

引言
随着人类的建筑物高度不刷新,高层建筑的各 种问题随之而来,高层建筑的维护、救援成了一个 棘手问题
[1, 2]

正压力使机器人与墙面之间产生摩擦力从而停留 在墙面的原理。这种爬墙机器人虽然可以利用目前 非常成熟的大功率喷气类发动机,但是大部分物体 间的摩擦系数都在 0.3-0.8 之间
[7]

。除了建筑方面,在诸如造船、石油
[3, 4]

, 机器人停留在

化工等工业领域

,高空极限作业也成了不可避

墙面的推力是机器人自身重力 2 倍左右,显然比较 困难。因此在实际应用中 ,这种机器人一般是通过 绞盘缆线悬挂,风扇所提供的仅仅是贴附力,实际

免的工作。正是在这种背景下爬墙机器人应运而 生。 现有的爬墙机器人大部分依靠吸盘吸附方式
[5]

应用存在诸多不便

[8]



,对墙面要求高,大部分依靠步行前进

? 6?

,行进

本文所讨论的爬墙机器人是一种基于笔者所 提出的斜压式新型爬墙原理,机器人依靠风扇向上

速度缓慢,实际应用并不理想。还有一种依靠喷气

作者简介:徐聪(1991-) ,男,辽宁鞍山人,本科生在读,主要从事机械设计、创新设计方面研究 通信联系人:韩奉林(1983-) ,男,讲师,博士学历,E-mail:hanfl@mail.csu.edu.cn

的分力和因附着力产生的摩擦力的合力而停附 在 墙面。

扇推力 F 的 1 ? ? 倍(图 1b) ,所需最小推力比
2

自身重力要小。引言里所提到的采用正压力吸附的 爬墙机器人,则需要自身重力 1.5— 3 倍左右的推 力。因此采用斜推方式,风扇推力的利用率被大大 的提高了。 机器人的附着力大小为 F附 =F ? cos ? ,附着力 在这里保证了机器人能很好的帖附于墙面,不能随 意滑动。同时,在机器人行进过程中,因贴附力所 产生的摩擦力充当了机器人前进时的轮缘牵引力。

1 斜推式爬墙机器人原理
斜推式爬墙机器人主要由底盘和旋动喷气装 置组成,能在任意角度的平面内 360°行驶、转向 以及悬停。通过增加相关附件,可以在墙面、棚顶 等极限环境进行清洗、检查等工作。 机器人的升力由风扇产生,风扇与车体之间 有一夹角,推力被分解成沿墙面竖直向上的分力和 垂直于墙面的附着力(图 1a) 。机器人的总升力为 风扇向上的分力和因附着力产生的摩擦力之和。要 保证风扇的推力在一定范围之内以免机器人发生 滑动。在墙面上时,机器人的重力与风扇推力会产 生一个扭转力矩,因此需合理的设计机器人结构才 能保证机器人不发生倾覆。机器人在墙面转向行驶 时,必须要保持风扇的推力方向始终向上,通过合 理设计,依靠风扇和电池的自重力,很巧妙的实现 了风扇自重力竖直。 1.1 升力、附着力计算 为了便于计算,将机器人的受力状态用一个在 墙上受到一斜向上推力 F 作用的物体代替(图 1b) 。 物体受到向上的合力为 F升 ,当摩擦力方向向上时, 数 ? 的关系为:

a 图 1 基本原理图

b

1.2 抗滑移分析 为保证机器人在墙面的平稳运行,一定要防止 车体在墙面上发生滑移,因此要保证风扇的推力在 一定范围之内,风扇推力过大轮胎与墙面之间将发 生滑动摩擦,机器人将向上滑动,反之,当推力不 足时将向下滑移
?7?

F升 与风扇和车体间夹角 ? 及轮胎和墙面间摩擦系
F升 =F cos? ? F sin? ? ? =F ? 1 ? ? 2 sin? ? ? ? ? (1.1 )



下面以保持风扇偏转角最优(即 ? ? ? 时,计算风扇推力范围。 (1)最小推力 Fmin : 当

2

?? )

其中,? 为与摩擦系数? 有关的参数 cos? ?

F升max=G 时,推力 F 的值最小,此时推
Fmin ? G 1? ? 2 (1.2)

?
1? ?
2

力 F 为:

最佳偏转角,显然,此时 ? ? ?

为提高风扇的利用率,取 F升 最大时的 ? 角为

(2)最大推力 Fmax : 随着 F 的逐渐增大,当 F ? cos? ? G 时,机器 人 与 墙 面间 的 静 摩擦 力 方向 向 下, 当

受到的最大升力为 F升max ? 1 ? ? F 。
2

2

? ? 。而机器人所

当 ? 为最佳偏转角时, 机器人的总升力 F升 是风

F cos? ? F sin ? ? ? ? G 时, F 达到最大值。所

以,易得风扇的最大推力为:

Fmax ?

G cos ? ? sin ? ? ?

(1.3)

F Gh ? N1 ? ( H cot ? ? l )sin ? ? ? ? L L ? F ? N ? ( L ? l ? H cot ? )sin ? ? Gh 2 ? ? L L
N1 ? N 2 ? F 2Gh (2 H cot ? +2l ? L) sin ? ? L L

(1.6)

综上所述,在 ? 不变时,风扇推力范围为:

G ~ 2 cos ? ? sin ? ? ? 1? ?

G

(1.4)

(1.7)

当机器人轴距 L 和 l 满足上述关系时,机器人 前后轮与墙面压力相同,车体不会发生倾覆趋势。 由上式可以发现,车体倾覆发生的原因主要与 轴距 L 和 l 大小有关,既与风扇的位置有关。 1.4 风扇自重力竖直原理 机器人在墙上转向时,为确保机器人在车体发 生偏转时仍然能够安全的贴附于墙面,须始终保证 风扇推力的方向不变,风扇不能随车体底盘一起偏 转。其中一种方案是设计一个可绕底盘中心轴自由 旋转的支架,并将风扇和电池置于支架后方,使其 重心远离旋转中心(见图 3) 。如果不考虑风扇推力 影响,支架整体会像一个重力摆一样永远保证竖 直。考虑到风扇有远大于支架本身重力的推力,因 此做以下分析: 风扇有向上推力,其作用方向指向旋转中心 O(图 3),当车体偏转时,假设支架中心线与竖直方 向有一偏角 ? , 此时重力 P 的方向已不再指向旋转 中心 O,P 将产生一个回复力矩 M,满足以下关系:

为对以上各式有更直观的认识,取橡胶与粗
9 糙水泥的摩擦系数 ? ? 0.5 ? ? 为轮胎与墙面之间的

摩擦系数时,风扇在竖直平面最佳偏转角 , 机器人获得升力 F升 为 1.12F, 附着力 F附 ? =26.56? 为 0.45F,风扇推力范围为 0.89G~1.49G。 1.3 抗倾覆分析 斜推式爬墙机器人风扇推力和重心与车体平 面不重叠,将会产生一个易使机器人倾覆的力矩, 下面结合图 2 分析机器人在墙面上的受力情况: (忽略轮胎摩擦力矩的影响)

? N1 ? N 2 ? F ? sin ? (1.5) ? ? F ( H cot ? +L ? l )sin ? ? N 2 L ? Gh ? 0
其中,H 、h 分别为风扇作用点及重心距离车 体表面高度,L 为前后轮轴距, l 为风扇距后轮轴距 离。

? ? M 轴 ? Pk sin ? ? ? ?M 轴 ? M f

(1.8)

式中,P、k 分别为支架、电池、风扇总重量及 其重心与旋转轴之间的距离; M f 为风扇因装配误 差产生的推力偏心力矩及旋转轴摩擦力矩之和,是 个很小的值。 由于 Pk 比 M f 大很多, 因此支架偏转 角 ? 非常小,无论车体如何偏转,支架与竖直平面 的夹角始终控制在这个很小的偏转角内,风扇推力 的方向没有受到明显影响。

图 2 受力分析

2.2 结构设计

图 3 风扇自重力竖直原理

2 新型爬墙机器人结构
2.1 基本结构 爬墙机器人主要由底盘和旋动喷气装置两部 分组成(图 4) 。底盘是保证机器人在壁面运行的装 置,旋动喷气装置则保证了机器人稳定地帖附在墙 面上。下面对底盘和旋动喷气装置进行介绍。 底盘包括动力、传动、推进、转向、控制等部 分。由直流电机通过带有自锁功能的蜗轮蜗杆减速 器驱动。减速器的自锁功能保证了车体在墙面静止 工作时可以稳定的帖附于墙面上,不能产生滑动。 机器人的推进方式可为两种:轮式推进和履带推 进。采用轮式推进,结构简单、行驶方便、快捷。 采用履带推进可以增强机器人的越障能力和附着 力,适合应用在更恶劣的环境。 旋动喷气装置以一支架为主体,集中安装有风 扇、电池等部件。风扇可以在支架上俯仰偏转从而 使其适应不同角度的平面。支架通过可自由旋转的 轴与底盘相连,风扇和电池安装在支架后方,当车 体在墙面上转向时,支架依靠重力可以实现自动竖 直,保证了风扇的推力始终向上。
图 5 设计流程图

(1)总体设计要求: 确定机器人设计要求: 空重≤500g, 载重≥50g, 总尺寸不大于 300× 250,控制距离≥50m,续航时 间≥10min。 (2)确定相关参数: 如在式 1.4 中,取橡胶与粗糙水泥的摩擦系数 取 ? ? 0.5 ,根据式( 1.1)风扇偏转角θ =26.56? 取标准推力 F=1.2G。 H 由风扇半径 R 和支架高度 Δ 确定

H?

R cos ? ? ? 2

(2.1)

根据设计要求,选取 64 涵道式风扇,标配 2200mAh 电池和 KV2000 的电机, 风扇标准推力为 700g,半径为 32。旋转支架高度Δ 在 5—10 之间, 所以 H=35 h 由车体、电池、风扇之间的重量和位置关系 决定,通过估计计算,得 h ?

由以上相关参数,结合(1.7)得:

1 H ? 12 3

N1 ? N 2 ?

F L (l ? ? 44.7) L 2

(2.2)

当 N1 ? N 2 =0 前后轮对墙面压力相等,车 体受力平衡,此时 L 与 l 的关系为:
图 4 机器人结构

L ? l ? 47.7 2

(2.3)

根据风扇、电机和电池尺寸, l 的范围为:

l ? M cos? ? b
所以 l ? 35

(2.4)

式中,M=25 为风扇宽度,b=15 为电池宽度,

依据设计要求总体尺寸在 250×200 之内,所以 选取 l=35,此时轴距 L=165 为确保车体在墙面任何方向上自由行使时均不 发生倾覆,我们取轮距 B=L,则 B=165。最终确定 车体主要参数如下:
表 1 斜推式爬墙机器人主要尺寸 长度 宽度 212 181 高度 轴距 123 165 轮距 165 风扇倾角 总重 载重 图 6 实物演示

4 结束语
利用风扇斜推力使机器人停留在墙面,在爬墙 类机器人的研究中这是一种新的尝试。它对墙体表 面没有特殊要求,对风扇推力利用率又较高,可以 采用快速的轮式或履带推进方式,具有一定越障能 力,适用性较强。另外还可以广泛采用航空领域成 熟的技术,利于将这种爬墙机器人推向一个广阔的 发展应用平台
[10]

26.56?

510 70
单位为 mm、g

3 样机验证
为了验证这种斜推式爬墙原理的可行性,最终 利用专业航空模型上使用的风扇、电池、控制器等 部件,制作出原理验证实物 采用实地实物的测试方法对机器人的基本情 况进行测试。在没有更新电源的情况下,机器人分 别在一块墙面和一块平整的石头上进行了行驶、转 向、静止共计 2 分 30 秒的测试(图 6) 。在测试中, 机器人运行正常,没有出现滑动、倾覆现象,吸附 性能良好。 实验结果表明:该机器人只需依靠自身携带的 电池,便能很好地吸附在墙壁甚至石头上,能实现 平面内 360°行驶。斜推式爬墙机器人在墙面适应 性、运行速度、可靠性方面具有很大优势,达到了 初步的设计目的。 实验过程中也发现了一些不足之处,首先是风 扇的震动比较强烈,噪声较大。其次是由于风扇转 动时会有一个逆向力矩给车体,造成了机器人两侧 履带与墙面之间的抓地力不同,使机器人在转向时 受到影响。在后续的工作中将在这两方面进行改 进。



参考文献 (References):
[1] 江励,管贻生,蔡传武 ,等. 仿生攀爬机器人的步态分析[J]. 机械工程学报, 2010(10):18-22 [2] 刘明芹 ,戴永雄 ,黄文攀,等 .小型吸附式爬壁机器人机械 结构及平衡性[J].机械设计及制造.2011(5):146-148 [3]王园宇,武利生,李元宗. 壁面清洗机器人发展趋势浅析 [J]. 引进与咨询, 2002( 4):3-4 [4]S.Kim,A.T.asbeck,M.R.Cutkosky,W.R.Provancher.SpinybotI I: Climbing Hard Walls with Compliant Microspines[C]. IEEE ICAR, Seattle, WA, 2005, 601 - 606 [5]潘裴林,韩秀琴,赵言正,等. 日本吸附移动平台的研究 现状[J].机器人.1994,16( 6)379-382 [6]Juan Carlos Grieco, Manuel Prieto, Manuel Armada, Pablo Gonzalez de Santos. A six-legged climbing robot for high payload[C]. Proceedings of IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, Trieste,WA,1992, 446-450. [7]秦大同,谢里阳.现代机械设计手册[M].北京 :化学工业出 版,2001:8-9 [8]史强,李露 ,邱自学 . 悬吊式高空消防机器人的设计及姿态 控制原理[J]. 机械设计与制造,2013(1):162-164 [9]孙建林 ,萧田国 ,黄立宇 , 等 . 橡胶轮胎与路面间摩擦模型

及分析[J]. 青海大学学报,2004( 4):2-5 [10]杜辉, 陈葆实,胡国荣,蒋大智 . 风扇/压气机气动设计系统 建设初探[J]. 航空动力学报,2007,22(3):453-459

作 者 简 介 : 徐 聪 ( 1991- ) ,男,辽宁鞍山 人,本科生在读, 主要从事机械 设计、创新设计方面研 究,E-mail:xucong19910412@163.com 通信联系人:韩奉林(1983-) ,男,中南大学讲师,博士学历,E-mail: hanfl2013@163.com 联系方式:18874017124(优先) 0731-88876612 邮编 410012

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