基于涵道推力式擦玻璃机器人的可行性分析

宋沛奇　王国军

摘 要：本文提出了一种利用涵道高速推进器的提供正推力使得工作机器人贴附在清洁面上的原理，通过力学上的计算证明了该设备的可行性，并试制了一款样机来验证其实际利用价值。

关键词：擦玻璃机器人；涵道高速推进器；推力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.195

1 压力式擦玻璃机器人原理

本文所设计的高空玻璃清洁机器人可分为行走机构、擦除机构、冲洗机构几部分组成，可在任意角度的墙面进行自由行走，停附，通过其他的部件可以实现对现有高空建筑的外墙面棚顶等极限位置的玻璃进行清洁工作。机器人的行走动力由橡胶车轮与其直接相连的大扭矩电机提供，吸附力即为涵道风机提供推力，同时依靠正推力和墙面产生足够摩擦力使得机器人抓牢，停附。由于涵道风机的推力较大需要控制在一定范围之内，以保证行走装置克服摩擦自由行走，同时机器人不会滑落。

当机器人停附在清洁面上时，机器人的自身重力和涵道风机的重力会造成一定的倾覆力，所以需要通过推算，来确定机器人的底盘与接触面的距离，以及涵道风机施加推力时保持最佳推力利用的距离。经过合理计算，巧妙实现了机器人克服倾覆力而停附及行走的功能。

2 论设计及计算校核

2.1 倾覆力分析

由于两个涵道推进器分布于四个轮子中间位置，产生推力时与机器人的重心重合，不会产生倾覆力矩[1]。

2.2 可行性分析[2]

擦玻璃机器人有两个极限位置，一是当机器人与墙面垂直位置，如下图2所示，此时机器人动力和抓地力由轮子提供，车轮与墙面（或者玻璃）的摩擦力必须克服小车整体重量；二是小车倒立与屋檐（即小车能倒立悬浮在空中），如下图3所示，此时机器人的车轮提供动力，涵道推进器的推力需大于重力。

（1）当擦玻璃机器人所处的玻璃墙面为与地面垂直状态时，小车受到四个力同时作用，即：小车重力G，推进器的推力T，玻璃墙面对小车的支撑力N，及由小车轮子与墙面之间产生的摩擦力F。

查资料可知，橡胶与一般玻璃间的摩擦系数为0.2～0.3取值为0.2。设计车辆自重为2KG，初选推进器的正推力为6G（每个）；当处于此状态下，墙面给小车的摩擦力需大于等于小车重力，才能使小车能停附和行走。

摩擦力：F=N*f=T*f=6*2*0.2*9.8=23.52（牛顿）

重力：G=M*g=2*9.8=19.6（牛顿）

在此状态下：F>G，故小车能在墙面停附及行走。

（2）当擦玻璃机器人所处的玻璃墙面倒悬与地面时（屋顶状态），小车受到三个力同时作用，即：小车重力G，推进器的推力T，玻璃墙面对小车的支撑力N当小车需要运动时，由小车轮子与墙面之间产生的摩擦力F提供动力。当处于此状态下，涵道提供的正推力需大于等于小车重力，才能使小车能停附和行走。

推力：T=T*2=6*2*9.8=117.6（牛顿）

重力：G=M*g=2*9.8=19.6（牛顿）

在此状态下：T>G，故小车能在墙面停附及行走。

考虑到小车处于两种极限位置时小车均能正常停附及行走，故该设计方案可行。

2.3 机器人结构

机器人主要由涵道风机推力装置及底盘组成。底盘又由行走机构、清理机构及冲洗机构组成。底盘保证了擦玻璃机器人在清洁面上工作，而涵道推进器推力装置实现机器贴附在清洁面上以实现清洁工作的可靠与稳定。

3 样机的测试

为了验证设计的机器人方案的可实施性，最后选取了现在比较成熟的航模的涵道推进器高速风机，以及相应标配的电池和控制部件，带细软毛刷的丝杆螺母等为自制部件，初步制造出了简易模型，进行实物测试。

该擦玻璃机器人在没有更换电池的条件下，在玻璃和墙面上进行了行走，转向，静止清洁以及行走时清洁等试验，机器人能够正常工作，无滑动和倾覆现象，攀爬性能良好，并且有良好的贴附性能。

4 结论

该擦玻璃机器人依靠负载的电池能够短时间内的完成攀爬以及清洁工作，能够贴附在清洁面完成全方位的转换，性能较为优良。抓地式爬墙机器人在贴附墙面，清洁效率，以及跨越障碍的性能都有很大的进步，实现了初步的设计目的。采用擦玻璃机器人，提供正面压力产生摩擦的形式，让小车自由行动在清洁面上，能够跨越多种障碍；结构合理，操作方便，可代替工人的危险工作，保证了工人的人生安全，具有很好的推广应用价值。

参考文献：

[1]盛冬发，刘军等.理论力学[M].北京：北京大学出版社，2013（09）.

[2]江励，管贻生，蔡传武等.仿生攀爬机器人的步态分析[J].机械工程学报，2010（10）.