真空吸附系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化等特點,在擦窗機(jī)器人應(yīng)用中具有不可替代的作用。吸盤作為吸附系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,直接影響吸附系統(tǒng)的整體性能,由于單個吸盤的不足和局限,所以在機(jī)器人設(shè)計中往往采用多吸盤的形式出現(xiàn)。該文結(jié)合“新型擦窗機(jī)器人”吸附系統(tǒng)設(shè)計,分析了吸盤的越障功能以及機(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,是壁面清洗機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一,并在多種氣動機(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,孤立地考慮單個吸盤的工作狀態(tài)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(jié)合“新型擦窗機(jī)器人”（如圖1a）,對機(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個吸盤及12個真空發(fā)生器組成。吸盤安裝在吸盤連接件上,為了簡化結(jié)構(gòu),真空發(fā)生器的出氣口連在如圖1a所示吸盤上端的進(jìn)氣口。機(jī)器人運動時,當(dāng)前縱向氣缸吸盤組*接觸工作表面到達(dá)吸附狀態(tài)時,與之對應(yīng)的電磁閥（在圖中并未表示出）打開,與之相連的真空發(fā)生器工作產(chǎn)生真空,吸盤吸附在工作表面上。反之,隨著機(jī)器人前進(jìn),當(dāng)這組吸盤即將要離開平面時,對應(yīng)的電磁閥關(guān)閉,則吸盤的吸附力逐漸降到零,而可以脫離工作表面。在設(shè)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(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為單個吸盤的真空吸附:

a）新型擦窗機(jī)器人　　b）單個吸盤結(jié)構(gòu)

圖1　機(jī)器人與吸盤結(jié)構(gòu)

　　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(jī)器人踩踏在這些障礙上的吸盤往往會漏氣導(dǎo)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(qiáng)度,不會導(dǎo)致吸附連接的失效。因此吸盤組具有越障功能,在設(shè)計吸盤組時需要將這一因素考慮進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(dān)了機(jī)器人全部的傾覆負(fù)載,因而吸盤組必須具有較強(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,對吸附系統(tǒng)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(zhuǎn)換。4、安全性校核

　　當(dāng)擦窗機(jī)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(fù)載或運行參數(shù)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(jī)器人的負(fù)載能力和安全運動條件是十分必要的,也是進(jìn)行設(shè)計和運動控制的基礎(chǔ)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(dāng)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(tài)吸附的情況,此時擦窗機(jī)器人的受力情況如圖2所示。

圖2　豎直壁面工作時機(jī)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;fi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(jī)器人的等效重心到玻璃壁面的距離;L1為zui前面的吸盤到工作吸盤（即無桿氣缸吸盤）之間的距離;L2為爬壁機(jī)器人在2個吸盤的縱向聯(lián)結(jié)到機(jī)器人中心的距離,ΔL為1/2吸盤縱向中心距。

　　（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,在顛覆力矩的作用下,應(yīng)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(yīng)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(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,擦窗機(jī)器人的吸盤所需的zui小吸力與其處于吸附狀態(tài)下吸盤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)生器使吸盤產(chǎn)生的吸力能夠滿足此時的條件,那么就可以認(rèn)為擦窗機(jī)器人在整個運動過程中都是安全的。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)吸附時的安全性,得到了機(jī)器人在靜態(tài)時的穩(wěn)定性分析的模型。通過這個模型,可以很方便地在機(jī)器人設(shè)計過程中合理的協(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)器人的加速運動和傾斜面作業(yè)情況較為復(fù)雜,需進(jìn)一步的分析。