基于Pro/E的清洁机器人爬壁机构设计

吕雪　牛海霞

摘 要：在国内外已有研究基础上，本文基于Pro/E软件设计清洗玻璃幕墙等壁面的爬壁机器人，对其爬壁构造进行分析研究。本文所设计的机器人为四轮小车型爬壁机器人，应用传统机械传动机构的开闭合来实现吸排气的控制。其驱动方式为后轮驱动，吸附方式采用地面连接真空泵，通过真空吸盘吸附，使吸附力更稳定且易于控制。最终所设计的机器人在水平面与垂直面乃至任意角度的玻璃壁面均能自由行走。

关键词：真空吸附；清洁机器人；Pro/E

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.147

0 引言

近年來，我国的城市面容发生了巨大的改变。相比于以前，高楼大厦多了很多，大部分的高楼为了美观和成本，墙壁都是玻璃幕墙，提高了外观，但也面临着各种问题。其中高空玻璃幕墙的清洁是一个非常典型的难题，目前清洁玻璃幕墙的方式大多是人工进行，采用悬吊装置上下升降，保洁人员亲自在高空进行作业，这种劳动效率低下，安全性没有保障，不符合当前社会发展观[1]。

于是爬壁清洁机器人应运而生，在某些危险、繁重、枯燥的岗位使用机器人代替人工劳动的行为，已逐渐发展成当代社会的一种趋势。爬壁机器人的设计，必须具备两种功能：在任意角度的无磁甚至凹凸不平的壁面上的吸附功能和移动功能。以此为要求，这些年来研究人员研发了多种爬壁机器人的方案，但大多有瑕疵和不稳定性，不能成功的投入工作。例如磁力吸盘爬壁机器人，只能局限于吸附在金属的壁面上，而目前需要工作的大多是玻璃面，局限性太高；又例如大型悬挂式清洁机器人，占地面积过大、清洗复杂成本高，工作时需要特定的轨道[2]。

1 爬壁机器人的方案设计

本文设计的机器人为真空吸盘式爬壁清洁机器人，因为要在垂直的壁面上行走，所以四轮小车相对于其它小车更具有稳定性。该四轮小车（约为500mm×100mm×400mm），每个车轮都分两排，每排12个，共装有24个真空吸盘，通过地面上的真空泵提供压力进行吸附工作。故本机器人不需要楼梯悬挂系统，直接通过机械传动机构吸排气进行控制。

爬壁机器人最基本的需求是能够在360°的壁面进行自由移动，所以重点设计机器人的吸附装置。吸附和行走是爬壁机器人的两个最基本功能，爬壁机器人受工作环境的限制，必须拥有强大的吸附能力，吸附力必须大于机器人以及载体的重量，在不跌落的情况下保持前进。该机器人的移动速度初始设定为0.15米/秒。爬壁机器人若发生坠落，极有可能是由于车体的平行滑落导致，因为其吸盘在机器人垂直的状态下最容易发生掉落。

2 爬壁机器人的结构设计

在爬壁机器人两侧的轮子上固定装上真空吸盘，该真空吸盘通过吸排气的闭合，从而达到真空状态，在墙壁与机器人之间直接产生吸附力。设定该四轮车轮子的直径为20cm，真空吸盘采用ZHP-50-W-M6型号真空吸盘，如图1所示。该产品的优势为：国内自主生产，供货速度快，成本低。机器人小车的每个轮子上固定有24只直径8cm的真空吸盘均匀分布。每排12个真空盘，一共2排，每两个吸盘之间的隔离角度为30°，轮子上的两排吸盘每两个之间相错开15°。这种情况下无论何时至少有3个吸盘处于吸附的状态，一辆小车四个车轮，所以整个机器人一共有12个吸盘处于吸附状态，通过气压的差距，将机器人牢牢地吸附在壁面上。因为吸盘的工作路线为同一轮子上的24个吸盘同时工作，通过安装在四轮车内的管路，将真空吸盘吸取的气体运输到气体分配器上，再从气体分配器运输到真空泵内，这样的一套路线组成真空抽气系统。所以吸盘的吸附能力是稳定的，不会随着吸盘数量的增加或减少而变化。

爬壁机器人的最大特点是采用纯机械式气体分布器实现对机器人吸盘的抽吸和排程的有序控制[3]。为了降低传感器的使用频率，使得机器人更容易控制，于是设计了一个月牙型真空室，通过与地面真空泵相连，为吸盘提供负压，进行吸附，吸排气的同时控制机器人的吸附状态。

气体分布器中有月牙型真空室，如图2所示，后侧气体入口与真空泵连接，前侧在分配器下部1/4处开有月牙型吸气入口，气体分配盘（即车轮的轮毂，见图3）与其之间紧密密封，气体分配盘上共有12个孔，每一个孔的喷嘴连接一个真空吸盘。带有月牙型真空室的气体分布器则固定在车体上，防止运动状态下密闭性受损，导致吸附能力下降，所以需保持固定状态。当爬壁机器人由电机驱动移动时，吸盘完全暴露在壁上，相应的喷嘴也进入真空室的吸入口，从而形成空气通道，真空泵开始抽气。当吸盘即将从壁面上脱离时，相应的喷嘴正好转出了吸气口，并与大气连通，吸盘装置便可以与壁面脱离，从而使机器人完成吸附与脱离的工作步骤，如图4所示。

月牙室里，月牙盘突出，其原因是气体分布器固定在机器人的机体上，真空室平面与轮盘之间有相对运动。同时，当两个结构彼此相对运动时，必须确保不存在太多的泄漏，这里有四分之一的部位突出既可以保证真空室的壁面可以与真空吸盘上的空气管道完美连接，而提高了与车轮的接触力，增强了吸附力的同时还可以减少两个结构的因为相对运动而产生的摩擦力，并给动力能带来额外的负荷以及过度的摩擦，提高了机器人的使用寿命。

真空室的月牙盘的中心角是40°，板长2cm，由于在工作状态下真空室必须同时为轮子上的三个真空吸盘提供负压，并且两个吸盘与圆盘之间的界面的差异为15°，所以圆心角应略大于30°。因为轮盘上的孔的直径约为6mm，为了使孔进入到真空室，所以真空室的宽度必须大于6mm，故设置为7mm。此外，真空室应该与真空泵连接，因此需要将月牙形圆盘上的孔打开到真空室。月牙盘的设计提高了加工的难度，但是降低了操作难度。此处在运行过程中的设计要求较高：不仅要能产生相对转动，而且要保证有足够的密封性。

3 爬壁机器人Pro/E运动仿真

本次设计在建模过程中使用了一个简单的空心桁架结构。即将提供吸附能力的真空泵安装在地面上，通过将电机连接到减速器上传动动力，带动机器人移动。利用Pro/E软件，对爬壁机器人的运动进行仿真，设定参数如表1所示。

首先，进入装配模块，组装车轮、真空舱、蜗杆减速器和机器人本体，构建机器人的整个模型，然后在Pro/E软件的机械运动仿真模块下，设置伺服电机。建立运动联系，设置参数Start time和End time，然后建立运动分析，设定开始时间和结束时间的参数，并选择当前位置作为运动分析的初始位置，最后运行运动分析，通过最终得出的结果证明了该爬壁机器人是可行的。

4 结论

清洗爬壁机器人的目的是为了取代人工清洁高层建筑的玻璃幕墙等高危险性工作。本文设计机器人为四轮式后轮驱动方式，采用真空吸盘吸附方式可以减小在爬行过程中出现坠落的几率，在爬壁过程中是安全的，并且在爬墙期间不会沿墙滑动，可实现在水平面与垂直面乃至任意角度的玻璃壁面均能自由行走。

参考文献：

[1]芦书荣.机械设计基础[M].西安：西北工业大学出版社，2016（01）.

[2]姜雪梅.工业机器人运动学研究[D].山东科技大学，2013.

[3]谈士力，沈林勇.垂直壁面行走机器人系统研制[J].机器人，2009，18（04）：242-247.

作者简介：吕雪（1986-），女，安徽舒城人，硕士研究生，讲师，研究方向：先进材料制造及软件模拟加工技术。