輪腿式壁面清洗機器人真空耦合傳遞系統研究?

王妹婷，齊永鋒，蔣 偉，李生權，包加桐，程宏輝，陸柳延

（揚州大學 能源與動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

國內外大中型城市高層建筑外壁面多采用玻璃幕墻結構，常年裸露在外，必須定期清潔。國內外眾多研究機構研發了不少壁面清洗機器人樣機［1，2］用于替代人工作業，但目前還沒有實用化，究其原因是建筑外墻情況復雜，工作環境惡劣，機器人受到自身的通用性、環境適應能力、越障能力等關鍵技術的制約。本文作者提出并采用模塊化設計方法研究了一種輪腿式壁面清洗機器人［3］，它采用多吸盤真空吸附方式，輪腿式與輪式相結合的移動方式，結構簡單，運動速度快，壁面適應能力與越障能力強。其中，真空耦合傳遞系統是該機器人的重要組成部分，可解決真空發生器相對機器人不動而吸盤相對轉動的難題，為機器人壁面可靠作業提供吸附力。

1 輪腿式壁面清洗機器人系統

輪腿式壁面清洗機器人的結構如圖1所示，它主要由機器人本體、清洗系統、連接機構、安全保險裝置組成。其中，機器人本體主要由集吸附、運動、越障功能于一體的輪腿吸盤機構與普通輪式機構組成。

2 真空耦合傳遞系統

2．1 系統構成

真空耦合傳遞系統包括真空發生器、負壓同步分配器和吸盤3部分，如圖2所示。

真空發生器與機器人固連，吸盤隨輪腿相對于機器人轉動，具有自密封功能的負壓同步分配器連接真空發生器和吸盤，真空發生器對吸盤抽真空。負壓同步分配器由正、負分配頭及其密封機構組成。正分配頭通過防轉銷安裝于機器人側壁上，具有弧形真空通道，經耦合真空管與真空發生器固連。負分配頭與驅動軸同步旋轉，沿圓周方向均勻布置盲孔，盲孔與輪腿轉臂一一對應，經輪腿轉臂、球關節與吸盤連接。軸上安裝了彈簧座和彈簧，以提供負壓同步分配器的密封壓力。

圖1 輪腿式壁面清洗機器人結構簡圖

2．2 負壓同步分配器截面形狀

負壓同步分配器依據正、負分配頭的不同截面形狀分為3個方案，如圖3所示。

圖2 真空耦合傳遞系統結構示意圖

2．2．1 方案一

方案一的工作過程如下：真空發生器產生的負壓進入弧形真空通道后，負分配頭隨軸旋轉過程中某個吸盤與壁面接觸時，對應的盲孔對準弧形真空通道，負壓便進入盲孔和對應吸盤，而與壁面分離的吸盤在真空安全閥的作用下自動與系統氣路斷開。吸盤要脫離壁面時，對應的盲孔與大氣孔對齊，相應吸盤解除吸附力。依次周而復始，機器人可實現壁面自動爬行與作業。

2．2．2 方案二

方案二工作過程為：負壓首先進入弧形真空通道后經盲孔進入負分配頭上與壁面接觸的吸盤，而與壁面不接觸的吸盤與弧形真空通道不連通，不對吸盤抽真空，也不會泄漏真空。吸盤要脫離壁面時，對應的盲孔經大氣孔與空氣連通，解除吸盤真空。該方案無面面轉換功能，原因是面面轉換時盲孔與弧形真空通道不連通致使機器人不能吸附于該壁面。

2．2．3 方案三

方案三工作過程為：負壓進入弧形真空通道后便隨之進入所有盲孔，與壁面接觸的吸盤可吸附于壁面，與壁面分離的吸盤在真空安全閥的作用下斷開與系統氣路的連接。在前進過程中，吸盤要脫離壁面時，必須依靠輪腿上的驅動力矩。

圖3 負壓同步分配器截面形狀

2．2．4 不同方案機器人性能分析

分別采用上述3種負壓同步分配器的機器人性能指標見表1。對比可知，采用方案一的機器人具有良好的地壁轉換功能和面面轉換功能，吸盤可自動脫離壁面，綜合性能比其他方案好。

表1 三種壁面清洗機器人性能對比分析

2．3 負壓同步分配器密封機構設計

負壓同步分配器正、負分配頭間相對低速旋轉，密封腔中為負壓且要求密封性能好，因此采用機械密封方式。彈簧提供正、負分配頭之間的端面密封壓力，根據經驗，彈簧壓力Fs為［4］：

其中：ps為彈簧施加到密封環帶單位面積上的壓緊力，Pa；A為密封環帶面積，m2。

3 結論

從實用化角度出發研究了輪腿式壁面清洗機器人，為解決其相對機器人靜止的真空發生器對隨輪腿同步旋轉的吸盤抽真空難題，重點研究了真空耦合傳遞系統及其負壓同步分配器機構。分析了真空耦合傳遞系統構成后，根據正、負分配頭的不同截面形狀，提出了3種負壓同步分配器方案，設計了密封機構，并分析了采用3種方案的機器人特性和適用場合。用戶可根據工作環境和對機器人的性能要求選擇不同方案。

［1］ Sadjadi H，Jarrah Ｍ Ａ．Autonomous cleaning system for Dubai International Airport［J］．Journal of the Franklin Institute，2011，348（1）：112－124．

［2］ Tan Shili， Wang Meiting， Zhang Haihong． Key technology research on wall－cleaning robot with single suction cup ［C］／／The Proceedings of the 2007 International Conference on Life System Modeling and Simulation．Shanghai：Springer，2007：100－104．

［3］ 王妹婷．壁面自動清洗機器人關鍵技術研究［D］．上海：上海大學，2010：32－35．

［4］ 徐灝．密封［M］．北京：冶金工業出版社，1999．