朱海東，高 健

(浙江水利水電學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

在一些對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的作用的工作中必須要采取安全的防范措施，有很多各種各樣的爬壁機(jī)器人已經(jīng)被投放到或即將要被投放到各種作業(yè)中[1-4].其中，主要被應(yīng)用在核工業(yè)等輻射力比較強(qiáng)的作業(yè)中.在建筑行業(yè)也有一些工作需要機(jī)器人代替工人去作業(yè)，比如高層建筑表面的玻璃幕墻清洗、瓷磚等外裝飾的安裝，外墻壁表面的噴涂和墻面的清潔等，此外還有消防部門、造船行業(yè)、石油化工等行業(yè).總之隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人將會(huì)得到越來越多地應(yīng)用.

負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人有著較長(zhǎng)的發(fā)展歷史[5-8].在20世紀(jì)60年代，日本就設(shè)計(jì)出了一臺(tái)原理樣機(jī)，其原理為利用小型電風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，在與其貼近的墻壁之間產(chǎn)生低壓空氣，從而產(chǎn)生負(fù)壓作為吸附力，使得爬壁機(jī)器人能克服其重力而吸附在墻壁表面上.自此，負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人技術(shù)引起了許多科研工作者的關(guān)注，在世界范圍內(nèi)獲得了快速地發(fā)展與改進(jìn).近些年來，在這負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，美國、英國等多個(gè)國家業(yè)已取得了很大的進(jìn)步；在我國，對(duì)負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人最早的研究，是20世紀(jì)80年代末哈爾濱工業(yè)大學(xué)率先進(jìn)行的，現(xiàn)經(jīng)過了20～30年的發(fā)展，上海交通大學(xué)、北京航天航空大學(xué)、上海大學(xué)及長(zhǎng)春光機(jī)所等一些知名的學(xué)府及研究所也相繼加入研發(fā)，都為國內(nèi)負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的研究做出了重要的貢獻(xiàn).

本文著重分析了一般的負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的體重問題，考慮到壁面可能存在的傾角，即垂直、倒立及有一定傾角的三種情況，初步給出其體重設(shè)計(jì)因數(shù)，為后續(xù)研究提供了有利的參考.

1 負(fù)壓式吸附技術(shù)

自1643年著名的意大利物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家托里拆利做了有關(guān)大氣壓力實(shí)驗(yàn)，和1654年德國物理學(xué)家蓋利克做了著名的“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”以后，人們逐漸開始發(fā)現(xiàn)并利用真空現(xiàn)象.所謂“真空”是一種物理現(xiàn)象，指在給定的空間之內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài).由此，人們通常把稀薄的氣體狀態(tài)稱之為真空狀態(tài)，把處于真空狀態(tài)的氣體壓力與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力相比較的差值的絕對(duì)值稱為“真空度”.顯然，對(duì)于真空度，其值越大，則真空度越高，反之，則意味著真空度越低.

負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人就是制造真空度從而產(chǎn)生負(fù)壓吸附，其原理簡(jiǎn)單而言，就是采用旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)抽出負(fù)壓腔內(nèi)的空氣產(chǎn)生負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)壁面吸附，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力.目前，根據(jù)不同種類的負(fù)壓吸附特點(diǎn)，有幾類風(fēng)機(jī)得到了比較廣泛的開發(fā)與使用[9].最早開發(fā)的一種負(fù)壓吸附是徑流式離心風(fēng)扇，其原理是將爬壁機(jī)器人吸附腔中的空氣甩出產(chǎn)生真空度而形成負(fù)壓.徑流式離心風(fēng)扇工作時(shí)，吸附腔中的空氣是從與墻壁接觸的密封裙吸入，后又從風(fēng)扇的四周極速排出，形成最大真空度可達(dá)40 kPa的工作負(fù)壓.

龍卷風(fēng)式風(fēng)扇是模擬龍卷風(fēng)中心氣壓較低的裝置，其風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)，由風(fēng)扇吸入的氣體流量等于風(fēng)扇四周排出的氣體流量，在爬壁機(jī)器人與墻壁之間制造出一個(gè)模擬的龍卷風(fēng)低壓區(qū)，使得爬壁機(jī)器人吸附在墻壁上，這一吸附方式的特點(diǎn)是機(jī)器人的吸附腔與外界的墻壁沒有直接接觸，機(jī)器人吸附腔的密封圈與墻壁間的阻力近乎為零.

具體的負(fù)壓吸附技術(shù)，還有真空泵、文丘里器等，它們的共同特點(diǎn)都是制造真空度，形成負(fù)壓，從而實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人能吸附在工作壁面上.

2 體重設(shè)計(jì)

負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人最主要的一個(gè)特征，就是機(jī)器人可以克服其重力的作用，在垂直、倒立及一定傾斜度的壁面上靜止及移動(dòng)，其體重是首要考慮的問題[10-11].

2.1 垂直體重

對(duì)于垂直墻壁，負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人用于平衡沿垂直方向的重力的是來自其車輪與墻壁之間的摩擦力Ff.這里，負(fù)壓產(chǎn)生的吸力所起到的作用是產(chǎn)生摩擦力Ff所必須的側(cè)向正壓力FN，其方向?yàn)檠貕Ρ诜ň€的水平方向(見圖1).

圖1 垂直狀態(tài)受力圖

設(shè)負(fù)壓吸盤所產(chǎn)生的平均負(fù)壓為Δp，即外界氣壓p0與吸盤內(nèi)的氣壓p之差值.令吸盤的橫截面面積為S，則由負(fù)壓Δp產(chǎn)生的吸力為[12]：

Fa=ΔpS.

根據(jù)理論力學(xué)，摩擦力Ff受爬壁機(jī)器人的車輪與墻壁的靜摩擦因數(shù)μ所限，即滿足Ff<μFa.要使摩擦力能平衡重力為G的爬壁機(jī)器人，即Ff=G，則有：

G<μΔpS

(1)

在式子(1)中，爬壁機(jī)器人的重力G是不許超過靜摩擦因數(shù)μ、負(fù)壓Δp及橫截面面積S的乘積.

2.2 倒立體重

對(duì)于爬壁機(jī)器人倒立在天花板上行駛(見圖2)，那么其重力G不再是由摩擦力Ff參與平衡，而是被垂直向上的負(fù)壓吸力Fa所平衡，滿足的平衡條件為[12]：

G

即：

G<ΔpS

(2)

圖2 倒立狀受力圖

對(duì)比式子(1)與(2)，由于靜摩擦因數(shù)通常小于1，即μ<1，這時(shí)對(duì)負(fù)壓的要求可以降低，可見爬壁機(jī)器人在天花板上倒立看起來驚險(xiǎn)無比，事實(shí)上卻要比在垂直壁面作業(yè)更容易實(shí)現(xiàn)些.

2.3 傾斜體重

在大于90°的傾斜面上，爬壁機(jī)器人最容易出現(xiàn)的狀況是前輪懸空(見圖3).這個(gè)時(shí)候，爬壁機(jī)器人既需要克服重力，又要防止后翻跌落，即妨礙爬壁機(jī)器人穩(wěn)定作業(yè)的力不只有重力，還有由重力引起的后翻力矩.

圖3 傾斜狀態(tài)受力圖

當(dāng)爬壁機(jī)器人的前輪由于傾角θ的存在而離開了壁面，考慮到離開壁面的距離較小，由此產(chǎn)生的可Δθ忽略不計(jì)，即θ+Δθ≈θ，那么有：

G(a+l)sinθ

其中，a為爬壁機(jī)器人重心與壁面的間距，l為兩輪胎間距的一半.根據(jù)實(shí)驗(yàn)，這里的Fa=ΔpS/θ，考慮到間距a與傾角θ通常都比較小，即a≈0，tanθ≈θ，則：

G<ΔpS/θ2

(3)

對(duì)比式子(1)與(3)，為了確保安全，當(dāng)μ<1/θ2時(shí)，負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的體重設(shè)計(jì)應(yīng)首要考慮條件(1)，但當(dāng)1/θ2<μ時(shí)，負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的

體重設(shè)計(jì)應(yīng)首要考慮條件(3).注意，這里所研究的是前輪離開了壁面的情況，與雙輪緊貼壁面的垂直與倒立時(shí)的情況不同.

3 結(jié) 語

本文針對(duì)負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人在壁面上爬行時(shí)的三種情況進(jìn)行分析，爬壁機(jī)器人在實(shí)際工作中經(jīng)常遇到傾角不一的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這些具體情況的分析是相當(dāng)復(fù)雜，本文中所考慮到的情況與方法謹(jǐn)為進(jìn)一步的研究提供理論參考.