基于涵道推力式擦玻璃機器人的可行性分析

摘 要：本文提出了一種利用涵道高速推進器的提供正推力使得工作機器人貼附在清潔面上的原理，通過力學上的計算證明了該設備的可行性，并試制了一款樣機來驗證其實際利用價值。

關鍵詞：擦玻璃機器人；涵道高速推進器；推力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.195

1 壓力式擦玻璃機器人原理

本文所設計的高空玻璃清潔機器人可分為行走機構、擦除機構、沖洗機構幾部分組成，可在任意角度的墻面進行自由行走，停附，通過其他的部件可以實現對現有高空建筑的外墻面棚頂等極限位置的玻璃進行清潔工作。機器人的行走動力由橡膠車輪與其直接相連的大扭矩電機提供，吸附力即為涵道風機提供推力，同時依靠正推力和墻面產生足夠摩擦力使得機器人抓牢，停附。由于涵道風機的推力較大需要控制在一定范圍之內，以保證行走裝置克服摩擦自由行走，同時機器人不會滑落。

當機器人停附在清潔面上時，機器人的自身重力和涵道風機的重力會造成一定的傾覆力，所以需要通過推算，來確定機器人的底盤與接觸面的距離，以及涵道風機施加推力時保持最佳推力利用的距離。經過合理計算，巧妙實現了機器人克服傾覆力而停附及行走的功能。

2 論設計及計算校核

2.1 傾覆力分析

由于兩個涵道推進器分布于四個輪子中間位置，產生推力時與機器人的重心重合，不會產生傾覆力矩[1]。

2.2 可行性分析[2]

擦玻璃機器人有兩個極限位置，一是當機器人與墻面垂直位置，如下圖2所示，此時機器人動力和抓地力由輪子提供，車輪與墻面（或者玻璃）的摩擦力必須克服小車整體重量；二是小車倒立與屋檐（即小車能倒立懸浮在空中），如下圖3所示，此時機器人的車輪提供動力，涵道推進器的推力需大于重力。

（1）當擦玻璃機器人所處的玻璃墻面為與地面垂直狀態時，小車受到四個力同時作用，即：小車重力G，推進器的推力T，玻璃墻面對小車的支撐力N，及由小車輪子與墻面之間產生的摩擦力F。

查資料可知，橡膠與一般玻璃間的摩擦系數為0.2～0.3取值為0.2。設計車輛自重為2KG，初選推進器的正推力為6G（每個）；當處于此狀態下，墻面給小車的摩擦力需大于等于小車重力，才能使小車能停附和行走。

摩擦力：F=N*f=T*f=6*2*0.2*9.8=23.52（牛頓）

重力：G=M*g=2*9.8=19.6（牛頓）

在此狀態下：F>G，故小車能在墻面停附及行走。

（2）當擦玻璃機器人所處的玻璃墻面倒懸與地面時（屋頂狀態），小車受到三個力同時作用，即：小車重力G，推進器的推力T，玻璃墻面對小車的支撐力N當小車需要運動時，由小車輪子與墻面之間產生的摩擦力F提供動力。當處于此狀態下，涵道提供的正推力需大于等于小車重力，才能使小車能停附和行走。

推力：T=T*2=6*2*9.8=117.6（牛頓）

重力：G=M*g=2*9.8=19.6（牛頓）

在此狀態下：T>G，故小車能在墻面停附及行走。

考慮到小車處于兩種極限位置時小車均能正常停附及行走，故該設計方案可行。

2.3 機器人結構

機器人主要由涵道風機推力裝置及底盤組成。底盤又由行走機構、清理機構及沖洗機構組成。底盤保證了擦玻璃機器人在清潔面上工作，而涵道推進器推力裝置實現機器貼附在清潔面上以實現清潔工作的可靠與穩定。

3 樣機的測試

為了驗證設計的機器人方案的可實施性，最后選取了現在比較成熟的航模的涵道推進器高速風機，以及相應標配的電池和控制部件，帶細軟毛刷的絲桿螺母等為自制部件，初步制造出了簡易模型，進行實物測試。

該擦玻璃機器人在沒有更換電池的條件下，在玻璃和墻面上進行了行走，轉向，靜止清潔以及行走時清潔等試驗，機器人能夠正常工作，無滑動和傾覆現象，攀爬性能良好，并且有良好的貼附性能。

4 結論

該擦玻璃機器人依靠負載的電池能夠短時間內的完成攀爬以及清潔工作，能夠貼附在清潔面完成全方位的轉換，性能較為優良。抓地式爬墻機器人在貼附墻面，清潔效率，以及跨越障礙的性能都有很大的進步，實現了初步的設計目的。采用擦玻璃機器人，提供正面壓力產生摩擦的形式，讓小車自由行動在清潔面上，能夠跨越多種障礙；結構合理，操作方便，可代替工人的危險工作，保證了工人的人生安全，具有很好的推廣應用價值。

參考文獻：

[1]盛冬發，劉軍等.理論力學[M].北京：北京大學出版社，2013（09）.

[2]江勵，管貽生，蔡傳武等.仿生攀爬機器人的步態分析[J].機械工程學報，2010（10）.