真空吸附系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化等特點(diǎn),在擦窗機(jī)器人應(yīng)用中具有不可替代的作用。吸盤(pán)作為吸附系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,直接影響吸附系統(tǒng)的整體性能,由于單個(gè)吸盤(pán)的不足和局限,所以在機(jī)器人設(shè)計(jì)中往往采用多吸盤(pán)的形式出現(xiàn)。該文結(jié)合“新型擦窗機(jī)器人”吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì),分析了吸盤(pán)的越障功能以及機(jī)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(tǒng)具有輕量化、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等諸多特點(diǎn),是壁面清洗機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一,并在多種氣動(dòng)機(jī)器人中得到了廣泛應(yīng)用。

　　由于壁面清洗機(jī)器人的真空吸附系統(tǒng)受到作業(yè)環(huán)境(包括障礙、表面缺陷、面面轉(zhuǎn)換、曲面度等) 、受力狀態(tài)等諸多條件限制,有著不同于其他真空吸附系統(tǒng)的特殊要求,孤立地考慮單個(gè)吸盤(pán)的工作狀態(tài)是不夠的往往需要將某一部分吸盤(pán)甚至所有吸盤(pán)作為一個(gè)整體,即以吸盤(pán)組的形式考慮。

　　本文結(jié)合“新型擦窗機(jī)器人”(如圖1a),對(duì)機(jī)器人的吸附系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2、吸附機(jī)構(gòu)

　　吸附系統(tǒng)由12個(gè)吸盤(pán)及12個(gè)真空發(fā)生器組成。吸盤(pán)安裝在吸盤(pán)連接件上,為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),真空發(fā)生器的出氣口連在如圖1a 所示吸盤(pán)上端的進(jìn)氣口。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),當(dāng)前縱向氣缸吸盤(pán)組完全接觸工作表面到達(dá)吸附狀態(tài)時(shí),與之對(duì)應(yīng)的電磁閥(在圖中并未表示出) 打開(kāi),與之相連的真空發(fā)生器工作產(chǎn)生真空, 吸盤(pán)吸附在工作表面上。反之,隨著機(jī)器人前進(jìn), 當(dāng)這組吸盤(pán)即將要離開(kāi)平面時(shí), 對(duì)應(yīng)的電磁閥關(guān)閉,則吸盤(pán)的吸附力逐漸降到零, 而可以脫離工作表面。在設(shè)計(jì)中,任何時(shí)刻都至少保證有4 個(gè)吸盤(pán)同時(shí)吸附在工作表面上,以產(chǎn)生足夠的吸附力, 防止機(jī)器人從墻壁上滑下或傾翻。

　　圖1b 為單個(gè)吸盤(pán)的真空吸附:

a) 新型擦窗機(jī)器人　　b) 單個(gè)吸盤(pán)結(jié)構(gòu)

圖1 　機(jī)器人與吸盤(pán)結(jié)構(gòu)

　　F吸=ΔPu·A

　　其中ΔPu 為真空吸盤(pán)的真空度, A 為真空吸盤(pán)的有效吸附面積。

3、吸盤(pán)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(jī)器人踩踏在這些障礙上的吸盤(pán)往往會(huì)漏氣導(dǎo)致該吸盤(pán)的吸附力喪失。如果是單個(gè)吸盤(pán)則吸附連接將失效,但對(duì)于吸盤(pán)組一般只會(huì)一定程度地削弱吸盤(pán)組的連接強(qiáng)度,不會(huì)導(dǎo)致吸附連接的失效。因此吸盤(pán)組具有越障功能,在設(shè)計(jì)吸盤(pán)組時(shí)需要將這一因素考慮進(jìn)去。

　　如縱向布置的多個(gè)吸盤(pán)組,前氣缸吸盤(pán)組主要承受軸向力,所以,應(yīng)該考慮選用軸向剛度較大的吸盤(pán);后氣缸吸盤(pán)組主要承受切向力,下層吸盤(pán)組的防滑能力要好,應(yīng)選用具有防滑功能的吸盤(pán),以提高吸盤(pán)組的切向承載能力。對(duì)于橫向布置的吸盤(pán)組,由于吸盤(pán)組承擔(dān)了機(jī)器人全部的傾覆負(fù)載,因而吸盤(pán)組必須具有較強(qiáng)的抗傾覆能力。

　　擦窗機(jī)器人的工作環(huán)境為垂直玻璃或傾角的幕墻面,對(duì)吸附系統(tǒng)的要求較高,不但要求吸盤(pán)承受較大的軸向力,還要吸盤(pán)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(duì)吸附和移動(dòng)的影響。所以,氣缸下的吸盤(pán)為縱向布置,在前后縱向氣缸下面的吸盤(pán)4 個(gè)一組以適合面面轉(zhuǎn)換。

4、安全性校核

　　當(dāng)擦窗機(jī)器人工作時(shí),需要在本體上配有包括控制板等的裝置,如果負(fù)載或運(yùn)行參數(shù)超過(guò)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(jī)器人的負(fù)載能力和安全運(yùn)動(dòng)條件是十分必要的,也是進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)和約束條件。由于每時(shí)每刻至少有4 個(gè)吸盤(pán)吸附在玻璃壁面上,所以我們只要分析當(dāng)4 個(gè)吸盤(pán)吸附在墻壁上時(shí)的安全性, 而此時(shí)又分為2 種情況:前后氣缸下的吸盤(pán)吸附和只有無(wú)桿氣缸的吸盤(pán)吸附。相對(duì)第1 種有8 個(gè)吸盤(pán)吸附的情況,第2 種僅有無(wú)桿氣缸的4 個(gè)吸盤(pán)吸附時(shí)更加危險(xiǎn)。為了簡(jiǎn)化, 這里只考慮靜態(tài)吸附的情況,此時(shí)擦窗機(jī)器人的受力情況如圖2 所示。

圖2 　豎直壁面工作時(shí)機(jī)器人受力分析

　　各符號(hào)意義如下:

　　Ni 為玻璃壁面對(duì)第i 個(gè)吸盤(pán)的法向支撐力(垂直于壁面) , i = 1 , 2 , 3 , 4 ; Fi 為作用在第i 個(gè)吸盤(pán)上的真空吸力, i = 1 , 2 , 3 , 4 ; f i 為墻壁對(duì)第i 個(gè)吸盤(pán)的摩擦力, i = 1 , 2 , 3 , 4 ; G2為無(wú)桿氣缸、滑臺(tái)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(jī)器人的等效重心到玻璃壁面的距離; L1為最前面的吸盤(pán)到工作吸盤(pán)(即無(wú)桿氣缸吸盤(pán)) 之間的距離; L 2 為爬壁機(jī)器人在2 個(gè)吸盤(pán)的縱向聯(lián)結(jié)到機(jī)器人中心的距離,ΔL 為1/2 吸盤(pán)縱向中心距。

　　(1) 為了避免機(jī)器人從壁面上滑下,根據(jù)摩擦力的特性有:

　　式中μ為摩擦系數(shù)。

　　(2) 為了避免機(jī)器人從壁面上傾翻下來(lái),在顛覆力矩的作用下,應(yīng)該滿足:

Ni > 0 (2)

　　此時(shí),垂直壁面方向和平行壁面方向的受力應(yīng)該滿足:

　　所受的平衡力矩為:

　　由于選用相同的真空吸盤(pán),所以:

N1 = N2 , N3 = N4 (7)

　　各個(gè)吸盤(pán)的真空度是相等的, 則作用在吸盤(pán)上的吸力為:

F = Fi = pA (8)

　　式中p ———吸盤(pán)的真空度
　　　　A ———單個(gè)吸盤(pán)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(jī)器人的穩(wěn)定吸附的約束條件:

　　從擦窗機(jī)器人安全吸附的靜態(tài)約束條件看,當(dāng)其重力和其重心到玻璃壁面的距離以及摩擦系數(shù)一定時(shí),擦窗機(jī)器人的吸盤(pán)所需的最小吸力與其處于吸附狀態(tài)下吸盤(pán)之間的上下及左右的跨度成反比的關(guān)系,所以只要真空發(fā)生器使吸盤(pán)產(chǎn)生的吸力能夠滿足此時(shí)的條件,那么就可以認(rèn)為擦窗機(jī)器人在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都是安全的。

5、結(jié)論

　　本文以新型擦窗機(jī)器人為例,討論了以真空吸盤(pán)組作為吸附裝置的擦窗機(jī)器人的越障性能和靜態(tài)吸附時(shí)的安全性,得到了機(jī)器人在靜態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性分析的模型。通過(guò)這個(gè)模型,可以很方便地在機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中合理的協(xié)調(diào)真空發(fā)生裝置和所負(fù)的載荷,使機(jī)器人能夠安全可靠地作業(yè)。機(jī)器人的加速運(yùn)動(dòng)和傾斜面作業(yè)情況較為復(fù)雜,需進(jìn)一步的分析。