[发明专利]基于负压吸附原理的壁面移动机器人离心叶轮的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离心叶轮的设计方法，特别涉及一种基于负压吸附原理的壁面移动机器人专用离心叶轮的设计方法。

背景技术

微小型壁面移动机器人是能够在危险的、不易到达的垂直壁面环境下代替人类工作的一类机器人，主要用于石化企业对圆柱形大罐进行探伤检查或喷漆处理，或进行建筑物的清洁和喷涂，在核工业中用来检查测厚等，还可以用于消防、造船、反恐等领域。该机器人必须具备两个基本功能：壁面吸附功能和移动功能。目前的吸附方式主要包括磁吸附、负压吸附、螺旋桨推压等。基于磁吸附原理的机器人对壁面的要求具有很大的局限性，这类机器人普遍体积笨重，功耗较大，不易实现无缆化。依靠螺旋桨反推力吸附的机器人控制难度大，移动不灵活。目前最流行的壁面移动机器人吸附原理当属负压(真空)吸附原理，即通过真空发生装置在密封腔内部形成负压，从而使机器人吸附在壁面上。离心叶轮为该种原理的机器人吸附系统的核心器件，由于其高速旋转将腔内气体甩出，才造成了内部的有效负压。现阶段，世界上许多国家的研究机构或公司均实现了该原理的机器人，如美国的City Climber，意大利的Alicia II，韩国的LARVA等，我国哈工大等院校也推出了同类机器人。

上述机器人或者未采用专用离心叶轮，或者虽然采用离心叶轮，但是仅以普通风机用离心叶轮的设计指标进行叶轮设计。通过计算、优化叶轮的七个设计参数(内外径D₁、D₂，进出口宽度B₁、B₂，进出口角度β_1A、β_2A，叶片数z)确定叶轮整体物理结构，如说明书附图1所示，采用圆弧法、两段法等叶片成形方法确定叶片流道，使机器人在满足工作负压的条件下，降低噪声。

然而，普通风机用叶轮的设计方法不适用于机器人吸附系统。首先，普通的叶轮设计中没有对全压升H中的静压升H_s和动压升H_d定量地加以区分。这样，由于微小型的机器人无法提供通风机的附件如蜗壳、导流器、扩压器等动能收集元件，如果设计的叶轮中气流动压升过大，机器人吸附系统将无法利用这部分能量，反而会增大粘性损失。其次，叶轮设计中的压升指标与机器人的吸附力的关系显然在风机的叶轮设计方法中得不到解决，也就是说粗略的认为腔内负压与叶轮全压相等容易造成叶轮设计结果的不准确。因此，这样的叶轮在理论上均无法使机器人准确工作在预定的负压状态下，从而影响到了机器人的吸附及移动性能。

需要给出一种专用于机器人吸附系统的离心叶轮设计方法，该方法应具有简单的实施性、明确的设计指标、设计参数，使能满足机器人吸附力的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，需要给出一种专用于机器人吸附系统的离心叶轮设计方法，该方法应以腔体内负压为设计指标，并具有简单的实施性、明确的设计指标、设计参数，使能满足机器人吸附力的要求。

本发明提出了一种基于负压吸附原理的壁面移动机器人离心叶轮的设计方法。为了将腔内负压期望值与叶轮设计参数联系起来，需要对吸附系统做进一步的流场分析。下面通过详细分析气流在吸附系统中流动的过程中的状态变化，推导出吸附力与叶轮做功能力之间的关系，从而得到用于机器人用离心叶轮设计中的关键设计公式。

图2为叶片进出口速度示意图，图中涵盖了后文用到的设计参数，u为叶轮牵连圆周速度，w为气流相对速度，v为气流绝对速度，下标1代表进口参数，下标2代表出口参数，下标v表示径向参数，下标u代表周向参数。

将气流在吸附系统中的运动分成三个过程，如说明书附图3中所示的“状态1”、“状态2”、“状态3”，状态1是指气流经过密封件减压后进入吸盘腔底部的状态，用动、静压组合(ρv₁²/2，P_s1)来表示；状态2是指气流经过吸盘流道后进入叶轮入口时的状态，用动、静压组合(ρv₂²/2，P_s2)来表示；状态3是指气流经过叶轮增压后流出叶轮出口的状态，用动、静压组合(ρv₃²/2，P_s3)来表示。其中，ρ为空气密度，v为空气速度，P_s1、P_s2、P_s3分别表示状态1、状态2和状态3下的静压。

气流由大气环境的自然滞止状态加速再流过密封件后到达状态1，如果忽略气流在进入密封件之前的能量损失，可以根据能量守恒列出方程：