爬壁机器人真空吸附及运动方式探讨(2)

液压气动与密封／２００７年第１期

可避免地造成密封气体的泄漏。因此爬壁机器人是否能够在垂直壁面上安全地附着，取决于真空腔内的气体泄漏量，而气体的泄漏量又取决于密封气囊上所受的接触压力，接触压力越大密封效果就越好。而影响接触压力分布的参数主要有：（１）名义载荷（竖直方向）；（２）名义载荷与壁面之间的垂直距离；（３）密封气垫及驱动轮与壁面之间的摩擦系数。名义载荷越小、离壁面越近，气垫的摩擦系数越小，驱动轮的摩擦系数越大，则机器人的吸附稳定性越好［２５］。

２多吸盘吸附

采用多吸盘吸附的爬壁机器人，通常采用昆虫足

２５、１２、１５］

式爬行机构，每只脚装一个或多个吸盘［３、，如图２所示，或者采用仿坦克的履带式爬行机构，每条履带上装若干个真空吸盘，利用吸盘与墙面的静摩擦力和负

１３、２４］

压使机器人紧贴墙面爬行［１１、。也有的将多个单吸盘吸附系统（一个单吸盘和两个轮子的组合）组合，形成多吸盘吸附［５］。相对单吸盘吸附而言，多吸盘吸附稳定可靠，抗倾覆承载能力和越障能力较高，但其移动是间断的（昆虫足式），控制比较复杂，移动速度较慢。

图３

ＳＲＦ吸盘模型［８］

常好的效果。排布方式的确定是针对昆虫足式多吸盘

１８］

吸附而言，目前多采用吸盘组的设计方法［１２、。

此外，多吸盘吸附要实现吸盘个体频繁的吸附与剥离，因此要求每个吸盘要有快速产生负压和消除负压的能力，这也是多吸盘设计中的关键内容。

２．２多吸盘的承载能力和越障能力

多吸盘吸附有多个支撑点，通过各吸盘的交替吸附与剥离来实现行走和越障，一般情况下，多吸盘吸附的承载能力和越障能力均比单吸盘吸附强。参考文献［５］中从

ＡｌｉｃｉａＩ、ＡｌｉｃｉａＩＩ到Ａｌｉｃｉａ３的改进过程正是源于这一点。

对于昆虫足式爬壁机构，抗倾覆承载能力除与吸力成正比外，还取决于与重力方向一致的吸盘分布尺寸，增大这些尺寸有助于提高承载能力；一般而言，随着吸盘数目的增加，承载能力随之增大，但也有吸盘数量的增加反致抗倾覆承载能力下降的特殊情况［１０］。由于爬壁机构的抗倾覆承载能力不完全与吸盘的数量成正比，应在步态实时规划或立足点位置选择时引起足够的注意。

图２

多吸盘吸附（昆虫足式）［２５］

３真空的形成和消除方式

形成真空是真空吸附的根本、是爬壁机器人吸附力的来源，而消除真空实现吸盘的剥离则是多吸盘吸附机器人移动的必然要求，它们是吸盘设计的关键内容。要提高爬壁机器人的性能，就得设计出快速、可靠的真空产生和消除方式。目前，真空的形成和消除各有几种不同的实现方式。

２．１多吸盘的设计

由于需要利用吸盘与墙面的静摩擦力，故应选择摩擦系数较大的材料，通常选用聚氨酯。聚氨酯的摩擦系数较大且耐磨性好。当聚氨酯吸盘与壁面间有滑动趋势时，吸盘还会产生粘着效应和滞后效应，能够增大与壁面间的摩擦力［１３］。

多吸盘的设计主要表现为吸盘个体和排布方式的确定。

一般情况下，用于多吸盘吸附的吸盘设计成圆锥形。ＳＲＦ［８］是一个集真空泵、微型阀门、压力传感器于一体的吸盘模型，如图３所示，自重３５ｇ，在玻璃表面能承

受１．２￣１．５ｋｇ负载，而ＳＲＦ的下一代将在此基础上发展成为电池驱动、集接触传感微控制器和摄影机于一体的新型吸盘。可以预见，ＳＲＦ应用于多吸盘吸附，将起到非

１２

３．１真空的形成方法

吸盘真空的形成多采用抽风机或真空泵。真空泵提供的支持力比抽风机大，但是抽风机在处理吸盘气体泄漏方面能做得更好［３］。

采用由真空泵或抽风机抽吸空气产生吸附力的主动吸附方式，需要外接气源，连接大量的支持设备，能量耗费大，而且一般伴有较大的噪声，机器人的体积和活动范围都受到限制，不宜在小型爬壁机器人上使用。