多吸盘式擦窗机器人的吸附系统研究
真空吸附系统具有结构紧凑、轻量化等特点,在擦窗机器人应用中具有不可替代的作用。吸盘作为吸附系统的关键部件,直接影响吸附系统的整体性能,由于单个吸盘的不足和局限,所以在机器人设计中往往采用多吸盘的形式出现。该文结合“新型擦窗机器人”吸附系统设计,分析了吸盘的越障功能以及机器人可靠吸附于垂直壁面的基本吸附条件。
1、引言
真空吸附系统具有轻量化、体积小、结构紧凑、可靠性高等诸多特点,是壁面清洗机器人关键技术之一,并在多种气动机器人中得到了广泛应用。
由于壁面清洗机器人的真空吸附系统受到作业环境(包括障碍、表面缺陷、面面转换、曲面度等) 、受力状态等诸多条件限制,有着不同于其他真空吸附系统的特殊要求,孤立地考虑单个吸盘的工作状态是不够的往往需要将某一部分吸盘甚至所有吸盘作为一个整体,即以吸盘组的形式考虑。
本文结合“新型擦窗机器人”(如图1a),对机器人的吸附系统进行分析。
2、吸附机构
吸附系统由12个吸盘及12个真空发生器组成。吸盘安装在吸盘连接件上,为了简化结构,真空发生器的出气口连在如图1a 所示吸盘上端的进气口。机器人运动时,当前纵向气缸吸盘组完全接触工作表面到达吸附状态时,与之对应的电磁阀(在图中并未表示出) 打开,与之相连的真空发生器工作产生真空, 吸盘吸附在工作表面上。反之,随着机器人前进, 当这组吸盘即将要离开平面时, 对应的电磁阀关闭,则吸盘的吸附力逐渐降到零, 而可以脱离工作表面。在设计中,任何时刻都至少保证有4 个吸盘同时吸附在工作表面上,以产生足够的吸附力, 防止机器人从墙壁上滑下或倾翻。
图1b 为单个吸盘的真空吸附:
a) 新型擦窗机器人 b) 单个吸盘结构
图1 机器人与吸盘结构
F吸=ΔPu·A
其中ΔPu 为真空吸盘的真空度, A 为真空吸盘的有效吸附面积。
3、吸盘组的越障性能
工作壁面往往存在胶条、接缝及微小表面凹凸等障碍,清洗机器人踩踏在这些障碍上的吸盘往往会漏气导致该吸盘的吸附力丧失。如果是单个吸盘则吸附连接将失效,但对于吸盘组一般只会一定程度地削弱吸盘组的连接强度,不会导致吸附连接的失效。因此吸盘组具有越障功能,在设计吸盘组时需要将这一因素考虑进去。
如纵向布置的多个吸盘组,前气缸吸盘组主要承受轴向力,所以,应该考虑选用轴向刚度较大的吸盘;后气缸吸盘组主要承受切向力,下层吸盘组的防滑能力要好,应选用具有防滑功能的吸盘,以提高吸盘组的切向承载能力。对于横向布置的吸盘组,由于吸盘组承担了机器人全部的倾覆负载,因而吸盘组必须具有较强的抗倾覆能力。
擦窗机器人的工作环境为垂直玻璃或倾角的幕墙面,对吸附系统的要求较高,不但要求吸盘承受较大的轴向力,还要吸盘组能够尽量减小幕墙局部小凸起和凹陷以及胶条等障碍对吸附和移动的影响。所以,气缸下的吸盘为纵向布置,在前后纵向气缸下面的吸盘4 个一组以适合面面转换。
4、安全性校核
当擦窗机器人工作时,需要在本体上配有包括控制板等的装置,如果负载或运行参数超过其允许范围,就有可能从墙壁上滑下或者倾翻,因此分析爬壁机器人的负载能力和安全运动条件是十分必要的,也是进行设计和运动控制的基础和约束条件。由于每时每刻至少有4 个吸盘吸附在玻璃壁面上,所以我们只要分析当4 个吸盘吸附在墙壁上时的安全性, 而此时又分为2 种情况:前后气缸下的吸盘吸附和只有无杆气缸的吸盘吸附。相对第1 种有8 个吸盘吸附的情况,第2 种仅有无杆气缸的4 个吸盘吸附时更加危险。为了简化, 这里只考虑静态吸附的情况,此时擦窗机器人的受力情况如图2 所示。
图2 竖直壁面工作时机器人受力分析
各符号意义如下:
Ni 为玻璃壁面对第i 个吸盘的法向支撑力(垂直于壁面) , i = 1 , 2 , 3 , 4 ; Fi 为作用在第i 个吸盘上的真空吸力, i = 1 , 2 , 3 , 4 ; f i 为墙壁对第i 个吸盘的摩擦力, i = 1 , 2 , 3 , 4 ; G2为无杆气缸、滑台及活塞杆连接件等组件的重量; G1 、G3 为纵向前后气缸以及清洗装置等组件的重量; L 为擦窗机器人的等效重心到玻璃壁面的距离; L1为最前面的吸盘到工作吸盘(即无杆气缸吸盘) 之间的距离; L 2 为爬壁机器人在2 个吸盘的纵向联结到机器人中心的距离,ΔL 为1/2 吸盘纵向中心距。
(1) 为了避免机器人从壁面上滑下,根据摩擦力的特性有:
式中μ为摩擦系数。
(2) 为了避免机器人从壁面上倾翻下来,在颠覆力矩的作用下,应该满足:
Ni > 0 (2)
此时,垂直壁面方向和平行壁面方向的受力应该满足:
所受的平衡力矩为:
由于选用相同的真空吸盘,所以:
N1 = N2 , N3 = N4 (7)
各个吸盘的真空度是相等的, 则作用在吸盘上的吸力为:
F = Fi = pA (8)
式中p ———吸盘的真空度
A ———单个吸盘的有效吸附面积
由式(3) ～式(8) 解得:
综合(1) 、(2) 两式得到爬壁机器人的稳定吸附的约束条件:
从擦窗机器人安全吸附的静态约束条件看,当其重力和其重心到玻璃壁面的距离以及摩擦系数一定时,擦窗机器人的吸盘所需的最小吸力与其处于吸附状态下吸盘之间的上下及左右的跨度成反比的关系,所以只要真空发生器使吸盘产生的吸力能够满足此时的条件,那么就可以认为擦窗机器人在整个运动过程中都是安全的。
5、结论
本文以新型擦窗机器人为例,讨论了以真空吸盘组作为吸附装置的擦窗机器人的越障性能和静态吸附时的安全性,得到了机器人在静态时的稳定性分析的模型。通过这个模型,可以很方便地在机器人设计过程中合理的协调真空发生装置和所负的载荷,使机器人能够安全可靠地作业。机器人的加速运动和倾斜面作业情况较为复杂,需进一步的分析。
