真空吸附系統具有結構緊湊、輕量化等特點,在擦窗機器人應用中具有不可替代的作用。吸盤作為吸附系統的關鍵部件,直接影響吸附系統的整體性能,由于單個吸盤的不足和局限,所以在機器人設計中往往采用多吸盤的形式出現。該文結合“新型擦窗機器人”吸附系統設計,分析了吸盤的越障功能以及機器人可靠吸附于垂直壁面的基本吸附條件。

1、引言

　　真空吸附系統具有輕量化、體積小、結構緊湊、可靠性高等諸多特點,是壁面清洗機器人關鍵技術之一,并在多種氣動機器人中得到了廣泛應用。

　　由于壁面清洗機器人的真空吸附系統受到作業環境(包括障礙、表面缺陷、面面轉換、曲面度等) 、受力狀態等諸多條件限制,有著不同于其他真空吸附系統的特殊要求,孤立地考慮單個吸盤的工作狀態是不夠的往往需要將某一部分吸盤甚至所有吸盤作為一個整體,即以吸盤組的形式考慮。

　　本文結合“新型擦窗機器人”(如圖1a),對機器人的吸附系統進行分析。

2、吸附機構

　　吸附系統由12個吸盤及12個真空發生器組成。吸盤安裝在吸盤連接件上,為了簡化結構,真空發生器的出氣口連在如圖1a 所示吸盤上端的進氣口。機器人運動時,當前縱向氣缸吸盤組完全接觸工作表面到達吸附狀態時,與之對應的電磁閥(在圖中并未表示出) 打開,與之相連的真空發生器工作產生真空, 吸盤吸附在工作表面上。反之,隨著機器人前進, 當這組吸盤即將要離開平面時, 對應的電磁閥關閉,則吸盤的吸附力逐漸降到零, 而可以脫離工作表面。在設計中,任何時刻都至少保證有4 個吸盤同時吸附在工作表面上,以產生足夠的吸附力, 防止機器人從墻壁上滑下或傾翻。

　　圖1b 為單個吸盤的真空吸附:

a) 新型擦窗機器人　　b) 單個吸盤結構

圖1 　機器人與吸盤結構

　　F吸=ΔPu·A

　　其中ΔPu 為真空吸盤的真空度, A 為真空吸盤的有效吸附面積。

3、吸盤組的越障性能

　　工作壁面往往存在膠條、接縫及微小表面凹凸等障礙,清洗機器人踩踏在這些障礙上的吸盤往往會漏氣導致該吸盤的吸附力喪失。如果是單個吸盤則吸附連接將失效,但對于吸盤組一般只會一定程度地削弱吸盤組的連接強度,不會導致吸附連接的失效。因此吸盤組具有越障功能,在設計吸盤組時需要將這一因素考慮進去。

　　如縱向布置的多個吸盤組,前氣缸吸盤組主要承受軸向力,所以,應該考慮選用軸向剛度較大的吸盤;后氣缸吸盤組主要承受切向力,下層吸盤組的防滑能力要好,應選用具有防滑功能的吸盤,以提高吸盤組的切向承載能力。對于橫向布置的吸盤組,由于吸盤組承擔了機器人全部的傾覆負載,因而吸盤組必須具有較強的抗傾覆能力。

　　擦窗機器人的工作環境為垂直玻璃或傾角的幕墻面,對吸附系統的要求較高,不但要求吸盤承受較大的軸向力,還要吸盤組能夠盡量減小幕墻局部小凸起和凹陷以及膠條等障礙對吸附和移動的影響。所以,氣缸下的吸盤為縱向布置,在前后縱向氣缸下面的吸盤4 個一組以適合面面轉換。

4、安全性校核

　　當擦窗機器人工作時,需要在本體上配有包括控制板等的裝置,如果負載或運行參數超過其允許范圍,就有可能從墻壁上滑下或者傾翻,因此分析爬壁機器人的負載能力和安全運動條件是十分必要的,也是進行設計和運動控制的基礎和約束條件。由于每時每刻至少有4 個吸盤吸附在玻璃壁面上,所以我們只要分析當4 個吸盤吸附在墻壁上時的安全性, 而此時又分為2 種情況:前后氣缸下的吸盤吸附和只有無桿氣缸的吸盤吸附。相對第1 種有8 個吸盤吸附的情況,第2 種僅有無桿氣缸的4 個吸盤吸附時更加危險。為了簡化, 這里只考慮靜態吸附的情況,此時擦窗機器人的受力情況如圖2 所示。

圖2 　豎直壁面工作時機器人受力分析

　　各符號意義如下:

　　Ni 為玻璃壁面對第i 個吸盤的法向支撐力(垂直于壁面) , i = 1 , 2 , 3 , 4 ; Fi 為作用在第i 個吸盤上的真空吸力, i = 1 , 2 , 3 , 4 ; f i 為墻壁對第i 個吸盤的摩擦力, i = 1 , 2 , 3 , 4 ; G2為無桿氣缸、滑臺及活塞桿連接件等組件的重量; G1 、G3 為縱向前后氣缸以及清洗裝置等組件的重量; L 為擦窗機器人的等效重心到玻璃壁面的距離; L1為最前面的吸盤到工作吸盤(即無桿氣缸吸盤) 之間的距離; L 2 為爬壁機器人在2 個吸盤的縱向聯結到機器人中心的距離,ΔL 為1/2 吸盤縱向中心距。

　　(1) 為了避免機器人從壁面上滑下,根據摩擦力的特性有:

　　式中μ為摩擦系數。

　　(2) 為了避免機器人從壁面上傾翻下來,在顛覆力矩的作用下,應該滿足:

Ni > 0 (2)

　　此時,垂直壁面方向和平行壁面方向的受力應該滿足:

　　所受的平衡力矩為:

　　由于選用相同的真空吸盤,所以:

N1 = N2 , N3 = N4 (7)

　　各個吸盤的真空度是相等的, 則作用在吸盤上的吸力為:

F = Fi = pA (8)

　　式中p ———吸盤的真空度
　　　　A ———單個吸盤的有效吸附面積

　　由式(3) ～式(8) 解得:

　　綜合(1) 、(2) 兩式得到爬壁機器人的穩定吸附的約束條件:

　　從擦窗機器人安全吸附的靜態約束條件看,當其重力和其重心到玻璃壁面的距離以及摩擦系數一定時,擦窗機器人的吸盤所需的最小吸力與其處于吸附狀態下吸盤之間的上下及左右的跨度成反比的關系,所以只要真空發生器使吸盤產生的吸力能夠滿足此時的條件,那么就可以認為擦窗機器人在整個運動過程中都是安全的。

5、結論

　　本文以新型擦窗機器人為例,討論了以真空吸盤組作為吸附裝置的擦窗機器人的越障性能和靜態吸附時的安全性,得到了機器人在靜態時的穩定性分析的模型。通過這個模型,可以很方便地在機器人設計過程中合理的協調真空發生裝置和所負的載荷,使機器人能夠安全可靠地作業。機器人的加速運動和傾斜面作業情況較為復雜,需進一步的分析。