一種新型負壓式爬壁機器人吸附特性分析

中圖分類號：TP242

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.06.007 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：i

Analysis of Adhesion Characteristics of Novel Negative-pressure Adhesion Wall-climbing Robots

DONG Weiguang1* LIU Aihua2 SONG Yifeng2

1.School of Transportation and Vehicle Engineering，Wuxi University，Wuxi，Jiangsu，214105

2.State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang，110016

Abstract： Addressing the challenge in optimizing the adhesion performance of wall-climbing robots based on negative pressure adhesion method due to the complexity of internal flow fields and difficulties in precise modeling，a flow field modeling method was proposed based on flow rate conservation.According to the structural characteristics of negative pressure adhesion systems of a wal-climbing robot，mathematical models of airflow field in negative pressure adhesion systems were built by combining the laws of thermodynamics and N-S equations using air flow rate as the related factor. Then，key influencing factors of adhesion performance were identified based on the model： sealing ring width，leakage gap height，and centrifugal pump power. The effective adhesion forces were changing with airflow of adhesion systems.Results of the simulation and prototype experiments show that the models constructed herein may accurately reflect the changing rules of adhesion performance，and may provide evidences for the optimization of adhesion performance of wall climbing robots with negative pressure adhesion method. Finally，according to the movement characteristics of the wall-climbing robots，adsorption performance optimization strategy was increasing the rated adsorption force to self gravity ratio while decreasing the effective adsorption force to self gravity ratio.

Key words： wal-climbing robot； negative-pressure adhesion; flow field model; flow analysis

0 引言

壁面爬行機器人（以下簡稱爬壁機器人）能夠代替操作人員在各種不同傾角的壁面上工作，達到提高工作效率、保護生命安全以及節約成本的目的[1-2]，其應用場景包括船舶外表面除銹與噴涂、建筑物外表面清洗與檢測、油罐表面探傷與噴涂以及風機葉片或水電大壩檢修與維護等[2]。根據工作環境的不同，爬壁機器人可以設計不同的吸附方式，常見的有負壓吸附、磁吸附、推力吸附等。由于負壓吸附方式可以和多種類型的移動機構配合，在可靠吸附壁面的同時達到較好的移動性能，因此在爬壁機器人中應用比較廣泛[3-4]。負壓吸附方式的缺陷在于，當機器人附著的壁面存在裂縫、局部凸起或凹陷以及壁面彎曲等不利因素時會影響爬壁機器人的吸附效果，甚至導致傾覆、掉落等嚴重后果[5-6]。

為此，通常有兩類解決問題的思路：一是從增大吸附力角度考慮，通過增加吸盤數量或者優化吸盤結構來提高吸附性能[7-10]；二是從規避風險的角度考慮，通過改善機器人的運動控制策略來保障運動安全[11-12]。文獻[7-8]研制的負壓式爬壁機器人將密封腔分成7個小的吸附腔，即使某個吸附腔嚴重漏氣仍能夠維持足夠的總體吸附力。文獻9利用流體網格理論對研制的負壓吸附式爬壁機器人構建吸附系統流場模型，分析結構優化策略，保障吸附安全性。文獻[10研制了具有滾動密封結構的負壓吸附式爬壁機器人，基于滾動密封機理構建爬壁機器人吸附失效模型，進而提出吸附可靠性優化原則并改進結構設計。文獻[11基于伯努利原理設計了負壓吸附式水下船體爬壁機器人，用滑動網格理論進行流體動力學建模，研究螺旋槳速度、機器人底板與吸附物間隙等吸附力影響因素，探索最佳的吸附性能。文獻12-13研制的小型爬壁機器人配備有智能吸盤足，能有效偵測吸附狀態，從控制的角度對機器人運動路徑進行有效規劃，規避不良吸附環境。

以上研究大多偏向于通過機構、控制策略優化的方法，以增重或降低機動性為代價來提高吸附安全性，并沒有達到整體性能優化的目的。部分研究人員以流場理論為指導，對吸附系統進行流場建模研究，從結構優化角度分析吸附性能影響因素，能獲取吸附性能優化的綜合策略，本文遵循這一思路展開研究。

1爬壁機器人及其吸附系統

試驗樣機如圖1所示[14]，是一種采用負壓吸附方式的輪足復合型爬壁機器人。該機器人由負壓模塊、真空模塊和一個行星輪系機構組成，共有4個自由度。移動裝置安裝在密封腔內部，由2個驅動輪和1個支撐輪組成。同時，行星輪系機構配合真空吸盤和密封腔的吸附作用組成雙足移動機構。機器人具備輪式運動模式、雙足運動模式和復合運動模式，能夠實現不同傾角壁面上的移動、轉向、跨越障礙以及交叉壁面間過渡等功能。機器人主要技術指標見表1。

表1機器人樣機主要技術參數

該爬壁機器人以輪式運動模式為主，通過特殊設計的負壓吸附系統與其配合，實現期望的運動功能。負壓吸附系統結構如圖2所示，主要由離心泵和帶有密封圈的密封腔組成。離心泵包含馬達和離心風扇，是形成密封腔內負壓的動力來源。在離心泵作用下，密封腔內的空氣被抽吸至外部，在密封腔內部形成負壓區（壓力低于大氣壓力）。密封腔和吸附壁面之間通過密封圈增強密封效果，保障密封腔內穩定的負壓，進而在機器人外表面形成穩定的正壓力 F_p ，使其吸附于壁面。密封圈主要由表面覆蓋有特氟龍材料的氣囊組成，可使爬壁機器人在輪式運動模式下既維持良好密封性又減小運動時密封單元的摩擦阻力，同時盡可能減小密封圈所分配的吸附力。在相同密封效果下，吸附力只有盡可能多地分配至驅動輪才能提供更好的驅動性能。

2 吸附系統流場數學模型

為解決負壓吸附系統復雜流場狀態帶來的建模難題，將爬壁機器人負壓吸附系統看成由離心泵單元和密封單元兩個相互聯系的開口系統組成，如圖3所示。分別對各單元進行建模，基于工作狀態下兩個單元的流量關系進行模型整合，形成負壓吸附系統完整的流場模型。

工作狀態下負壓吸附系統的氣流循環始終存在，因此流場狀態有靜參數和總參數之分。密封腔內的流場參數標記為靜壓 、總壓 ?p^?₁^? 、總溫T₁^* 。該參數既是離心泵單元人口氣流參數，又是經密封單元節流之后的氣流參數。氣流經離心泵做功后在離心風扇出口處的氣流參數標記為靜壓?₂ 、總壓 、總溫 T₂^* 。密封圈入口處氣流參數（即外部大氣參數）標記為靜壓 、總壓 ?₀^* 、總溫T₀^* 。由于外部大氣受吸附系統氣流流動影響較小，因此 ?₀^*≈?₀ 。離心風扇出口處氣流影響區域相對較小，因此可以認為 。

2.1 離心泵單元流場建模

對離心泵單元這一開口系應用熱力學第一定律，可知其一般瞬態能量方程為

式中：8Q為系統與外界交換的熱量； dE 為系統總能量的變化； δW 為系統做的功； W_s 為系統做的軸功； 為進出開口系的氣體質量； 為進出開口系氣體的比焓； （c_f）_in 、 （c_f）_out 為進出開口系的空氣流速； （gz）_in 、（gz）_out 為進出開口系的單位質量氣體所具有的勢能； g 為重力加速度； z 為氣體在離心泵中的移動高度。

穩定工作狀態下，該開口系內空氣流動可看作一維定常流動，因此

根據式（1）可得單位質量氣體的一維定常流動能量方程為

式中： q 為單位質量氣體的能量； Δh 為離心泵進出口氣體比焓的變化； Δc_f 為離心泵進出口氣體速度的變化； 為軸功； w₁ 為技術功。離心泵單元進出口高度接近， gΔz≈0 。

對于離心泵單元，與氣體得到的功相比，流動過程向外界散熱較少，可以忽略。工作狀態可看作絕熱等熵過程，技術功等于焓的減少。此時離心泵單元的功耗為

π_C=ρ₂/ρ₁

式中： κ 為定熵指數； R_g 為氣體常數； T₁ 為密封腔內的流場靜態溫度。

利用總參數進行表達時，離心泵單元功耗為

π_c^*=p₂^*/p₁^*

式中： h₁，h₂ 分別為離心泵進出口的氣體靜比焓； 分別為離心泵進出口的氣體總比焓； c_f1，cf2 分別為離心泵 進出口的氣體速度。

離心泵單元流速大、摩擦大，工作中存在不可逆損失，用離心泵效率 η_c 來衡量此損失，則

η_c=τ_c^p/τ_c^N

式中： w_c^N 為實際不可逆過程所消耗的功。

離心泵效率與其設計和制造精度有關，通常η_c 介于 0.8～0.9 之間。

離心泵單元消耗的功率為

式中： q_m2 為質量流量； q_V2 為體積流量； ρ 為氣體密度。

2.2 密封單元流場建模

密封單元的主要參數如圖4所示。由于密封單元和吸附壁面間狹縫很小，可將狹縫視為平面，則狹縫高度 H 為常數。同時，由于 H 很小，雷諾數較小，可認為此處氣流流動為層流。在圖4中建立三維坐標系， X，Y 軸方向如圖所示， Z 軸方向根據右手定則確定。氣流沿 Y，Z 軸方向的流動分速度均可視為零。

通過密封圈的氣流流動可看作黏性不可壓縮流體的定常流動[15]，黏度、密度為常數，由N-S方程簡化得流動方程為

u=μ/ρ

式中： u 為氣體運動黏度； μ 為氣體的動力黏度； p 為密封圈縫隙處的壓力； u 為氣流沿 X 軸方向的流速。

根據質量守恒定律可推得流動過程的連續性方程：

式中： v?w 分別為氣流沿 Y，Z 軸方向的流速。

由于密度為常數，且泄漏縫隙內的空氣流動只沿 X 軸方向，則式（9）可簡化為

在圖4所示坐標系中，根據邊界條件可知

式中： u₀ 為機器人相對于吸附壁面的移動速度。

對于機器人密封圈， Z 方向尺寸比 H 大得多，則 ?u/?z 為微小值，可忽略不計。由連續性方程（式（10））可知， u 與 x 無關，因此， u 僅為 y 的函數。

由流動方程（式（8））可知，壓力與 z 無關，則Σ_P 的表達式可寫為

式中： f（x） 為以 x 為自變量的函數。

由于 H 很小， p 沿 y 方向變化不大，由此可知， ?_P 僅為 x 的函數。

根據以上分析，由式（8）可得

式（13）等號左邊僅與 x 有關，右邊僅與 y 有關，能滿足此方程的條件只能是左右兩邊都等于同一個常數。當壓力梯度為常數時，對式（13）兩次積分，可得

式中： A₁…A₂ 為積分常數。

將邊界條件式（11）代人式（14），可得

當機器人靜止時， u₀=0 ，則

對于爬壁機器人密封圈的泄漏入口，在計算時可將其展開，看成高 H 、長 ξ_l 的長方形。l=2（l_a+l_b），l_a，l_b 為密封圈長邊、短邊的長度。

密封圈氣體泄漏量 q_V1 為

所以

對式（18）積分可得密封圈上壓力分布規律：

式中： c 為積分常數。

密封圈內外壓力已知，令

式中： x₀…p₀ 為密封圈外側在 X 軸方向的坐標及壓力；

為密封圈內側在 X 軸方向的坐標及壓力。

將式（20）代人式（19），可求得積分常數

可知

式中： B 為密封圈寬度。

因此

2.3 負壓系統整體流場模型

吸附系統在穩定工作狀態下密封單元的氣體泄漏量 q_V1 等于離心泵單元的氣體排出量 q_V2 ，因此能夠維持密封腔內外穩定的壓差，即

q_V1=q_V2

結合式（7），可得負壓吸附系統的功率為

3 吸附性能影響因素分析

3.1 密封單元

由式（23）可知，密封單元氣體泄漏量（功耗損失）與縫隙高度的三次方、密封圈周長以及壓差（形成的吸附力）成正比，與密封圈寬度成反比。根據式（23）可以獲得密封單元相關尺寸和空氣泄漏量之間的變化關系，如圖5所示。樣機相關參數取值如表2所示。為進一步分析縫隙高度、密封圈寬度對氣體泄漏量的影響，分別取密封單元泄漏縫隙高度為 0.4mm 和 1mm ，可獲得氣體泄漏量與密封圈寬度之間的變化關系，如圖6所示。其中， F 代表不同壓差對應的有效吸附力，即密封腔內外部壓差與爬壁機器人有效吸附面積的乘積。由圖6可知，縫隙高度增加對氣體泄漏量的影響更大。在泄漏縫隙高度很小 （0.4mm） 門的情況下，密封圈的寬度、壓差對氣體泄漏量并無多大影響。此外，密封圈的寬度受到機器人整體尺寸的限制，不能任意增大以降低氣體泄漏量。且增大寬度后會增大機器人質量，不一定能提高吸附安全性。因此，在密封單元設計時，要盡可能減小泄漏縫隙高度。

表2仿真分析中的相關參數

在密封單元設計一定的前提下，提高吸附力意味著增加密封單元的空氣泄漏量。此時要提高離心泵單元的性能才能在單位時間內排出更多的氣體，從而維持更低的負壓。

3.2 離心泵單元

由式（5）式（7）可知，流量和壓差是離心泵單元性能的重要體現。對于離心泵單元的設計，其流量-壓差特性決定了能否與所設計的密封單元相配合滿足整體的吸附力需求。根據式（7）可獲得吸附力（壓差）、氣體流量以及離心泵功率的變化關系，如圖7所示。其中，有效吸附力為離心泵進出口壓差與爬壁機器人有效吸附面積的乘積。要維持更大的吸附力，單位時間內排除相同的氣體量所需要提供的功率也更大。這對離心泵單元尤其是離心風扇的設計提出了更高的要求。

確定了流量和壓差即可對離心泵單元具體尺寸進行設計，本文不再贅述。

4試驗驗證分析

4.1 簡化模型仿真驗證

在FLUENT仿真環境下構建爬壁機器人簡化模型，如圖8所示，不考慮密封腔內部布局結構及離心泵單元泄漏對流場的影響，然后進行仿真。

仿真I、仿真Ⅱ分別在密封圈泄漏縫隙高度為 2mm 和 1mm 時測試離心泵功率（此處用離心風扇轉速代替）對吸附性能的影響;仿真Ⅲ增加了一定寬度的密封圈。仿真試驗參數設置及吸附力仿真結果見表3。仿真試驗I、Ⅱ、Ⅲ的負壓吸附系統內部壓力分布見圖9、圖10、圖11。

在泄漏縫隙高度一定的前提下，對比仿真I、Ⅱ可知：隨葉輪轉速的增大，有效吸附面上的平均壓力更低，意味著負壓吸附系統能夠提供更大的吸附力。因此，當密封單元氣體泄漏嚴重（如遇到不規則壁面或縫隙）導致內部壓力升高、壁面吸附壓力降低時，可以通過快速提高離心風扇轉速進行補救，但更高的轉速對離心泵單元驅動電機的性能要求也更高，轉速不可能無限提高。

在轉速一定的前提下，對比仿真I、Ⅱ、Ⅲ可知，當減小密封圈泄漏縫隙高度時，氣體泄漏量減小，同時負壓吸附系統能夠提供的吸附力顯著增大，能更好地保證爬壁機器人工作安全性。

綜合仿真結果可知，離心風扇轉速（功率）、密封圈高度以及密封圈寬度都會對吸附力產生影響。當吸附壁面粗糙或不規則導致氣體泄漏量增加時，提高離心風扇轉速是有效的補救措施。但是轉速的增大無疑會增大功耗、提高噪聲、降低效率，甚至會導致振動過大，影響正常工作，因此轉速的選擇應視具體情況而定。通過改進密封圈設計，減小相同壁面狀況下密封單元的泄漏量也能明顯提高吸附性能。

4.2 近似模型仿真驗證

上述簡化模型未考慮負壓腔內部零部件對流場的影響，因此本節建立一個實際物理樣機的近似模型進行流場仿真分析，如圖12所示。基于此模型進行仿真Ⅳ，參數設置及吸附力結果見表3，負壓系統內部壓力分布如圖13所示。

通過仿真分析可知：近似模型與簡化模型相比，在相同風扇轉速下所提供的氣壓差變小，可知密封腔內部設備會對流場運轉效率產生一定影響，因此，在進行機構設計時，應考慮簡化密封腔內部設備布置。

基于簡化模型和近似模型仿真，仿真數據所體現出的各因素對吸附性能變化趨勢的影響與第3節理論模型是一致的，印證了理論模型的有效性。

4.3 樣機試驗驗證

在仿真驗證的基礎上，結合物理樣機對流場數學模型進行測試驗證，如圖14所示。

樣機測試V-1、V-2的密封圈寬度不同，測試環境均為無縫隙平面，代表相同的泄漏縫隙高度。

拉力計的值減機器人自身重力得到吸附系統所能提供的有效吸附力的值。由表4測試結果可知，密封圈寬度增大后，吸附力明顯增大。

樣機測試V-1、√-3的密封圈寬度相同，測試環境分別為平面和曲面，代表不同的泄漏縫隙高度。在樣機測試V-3中，機器人制動，采用拉力計沿曲面切向拉動機器人，進而將拉力計的值減去機器人重力后，通過摩擦因數轉換成有效吸附力的值。由表4測試結果可知，泄漏縫隙增大后，吸附力明顯減小，影響壁面吸附安全性。

通過樣機測試，驗證了密封圈寬度、泄漏縫隙高度等參數對吸附性能的影響，且與理論計算結果所體現的趨勢是一致的，進一步說明所推導流場理論模型的可靠性。

5吸附性能優化策略

對于爬壁機器人，吸附力并非越大越好。從負載、功耗等方面綜合考慮，在提高吸附力的同時應不過分增大機器人質量。同時，爬壁機器人維持正常運動所需要的吸附力應越小越好。因此，本文提出額定吸附力自重比和有效吸附力自重比的概念作為爬壁機器人吸附特性的評價指標。此處設定：額定吸附力為爬壁機器人所能提供的最大吸附力；有效吸附力為爬壁機器人維持正常運動作業所需最小吸附力。對于負壓吸附式爬壁機器人，吸附性能優化策略是在增大額定吸附力自重比的同時減小有效吸附力自重比。

6 結論

1）基于熱力學定律和N-S方程，以空氣流量為關聯要素，構建了負壓吸附式爬壁機器人吸附系統的流場數學模型，為吸附性能影響因素的精細化分析提供了理論依據。

2）在FLUENT仿真環境中對吸附性能的變化規律進行仿真分析，并配合物理樣機進行驗證測試。仿真與樣機試驗結果表明所構建的流場模型能夠正確反映負壓吸附系統吸附性能的變化規律，可以為負壓吸附式爬壁機器人的吸附特性優化提供依據。

3）提出額定吸附力自重比和有效吸附力自重比的概念，為基于本文構建的流場數學模型探索負壓吸附式爬壁機器人吸附性能最佳優化方向提供指引。

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作者簡介：董偉光*（通信作者），男，1984年生，博士、助理研究員。主要研究方向為機器人機構學、道路交通安全與事故預防技術。E-mail：860357@cwxu.edu.cn。

本文引用格式：

董偉光，劉愛華，宋屹峰.一種新型負壓式爬壁機器人吸附特性分析[J].中國機械工程，2025，36（6）：1198-1205.

DONGWeiguang，LIU Aihua，SONGYifeng.Analysisof Adhe-sion Characteristics of Novel Negative-pressure Adhesion Wall-climbing Robots[J].China Mechanical Engineering，2O25，36（6）：1198-1205.