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摘 要 高樓玻璃幕墻清洗機器人是特種機器人的一個分支。它是基于壁面移動機器 人技術(shù)，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實用機器人，其工作在垂直危 險的玻璃壁面，能夠克服重力的作用，攜帶清洗設(shè)備，是面向現(xiàn)代高層建筑玻璃 外墻表面保潔、清洗服務(wù)的極限作業(yè)機器人。 論文首先對機器人總體方案進行介紹，在此基礎(chǔ)上，對機器人總體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計分析。其次重點介紹了機器人的驅(qū)動機構(gòu)，討論了機器人的作業(yè)路徑及運動控制規(guī)劃。最后，簡單介紹了機器人的擦洗機構(gòu) 關(guān)鍵詞:玻璃，幕墻清洗機器人，驅(qū)動機構(gòu)，擦洗機構(gòu)，密封機構(gòu) ABSTRACT Glass-wall cleaning robot is one of robot for limited operation,which can walk on Vertical glass-wall with washing devices.It is a robot with specific applied functions,Based on wall-climbing robot techniques.for specific objects.And it works on vertical Glass-wall,where is dangerous for human beings.It is a robot could conquer the gravity effect and carry cleaning equipments,facing to glass-wall surface beautifying service of modern high-rise buildings. Firstly, the whole frame of the glass wall cleaning robot is introduced, based on this, the designing and analyzing Of the structure of the robot are described in details.Then,introducing the drive mechanism of the robot,Discussed the operation of the robot path planning and motion control. Finally, a brief introduction of the robot body scrub Key words: Glass, wall cleaning robot, driving mechanism Scrub mechanism,sealing mechanism 目 錄 摘 要 2 ABSTRACT 2 1 前 言 4 2 玻璃清潔機器人總體方案規(guī)劃 5 2.1 機器人設(shè)計思想 5 2.2機器人總體結(jié)構(gòu)方案 5 3 驅(qū)動機構(gòu)和擦洗機構(gòu) 7 3.1 驅(qū)動機構(gòu)分析 7 3.1.1 驅(qū)動方式 7 3.1.2運動結(jié)構(gòu)和運動規(guī)劃 7 3.1.3運動過程控制原理分析 8 3.1.4外形尺寸選擇 10 3.1.5驅(qū)動力分析 10 3.1.6小結(jié) 11 3.2擦洗機構(gòu)分析 11 4 其它元件選擇 12 4.1密封機構(gòu) 12 4.2換向閥和溢流閥的選擇 12 5 總 結(jié) 13 參考文獻 14 致 謝 15 1 前 言 在現(xiàn)代都市中，高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)景。在建筑業(yè)，由于玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實用美觀，高層建筑的外壁越來越多地采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，但是為了保證建筑外觀的整潔美麗，時間一長，就需要對壁面進行清洗，以美化市容市貌。許多開放性城市都規(guī)定，每年應(yīng)對高樓清洗若干次。 目前高層建筑玻璃幕墻的清洗方法主要有兩種，一種是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗，雖簡便易行，但勞動強度大，工作效率又低，屬于高空極限作業(yè)對人身安全及玻璃壁面都有很大的威脅性。另一種是用安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機對準窗戶進行自動擦洗。這種方式初次投資成本較高(高達數(shù)百萬元)，而且要求在建筑物設(shè)計之初就要考慮擦窗系統(tǒng)，因而限制了其使用，因此急需一種能代替人而又有一定靈活性和適用性的自動機器來完成這項工作，而且玻璃幕墻一般面積較大，大多處于幾十米甚至上百米的高處，且周圍無可攀援的支架，這就使得玻璃幕墻的清洗成為一項繁重、危險、耗資的工作。如果用人去清洗，不僅花費高，而且安全難以保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。 高層建筑清洗機器人正是在這種背景下應(yīng)運而生。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б?、?jīng)濟效益。因此，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)都在積極開展此項研究工作。 2 玻璃清潔機器人總體方案規(guī)劃 2.1 機器人設(shè)計思想 機器人是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機科學(xué)、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度高的自動化設(shè)備。所以該氣動清洗機器人系統(tǒng)包括機械結(jié)構(gòu)、運動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分。 由于我們所開發(fā)的清洗機器人工作場所的特殊性，本課題在機器人結(jié)構(gòu)上的設(shè)計思想是:在保證機器人功能的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、運行穩(wěn)定。 因為爬壁機器人在行進過程中需要克服自身重力，所以較輕的機器人本體結(jié)構(gòu) 是一個需要著重考慮的設(shè)計因素。增加機器結(jié)構(gòu)的靈活性，導(dǎo)致的結(jié)果是機械結(jié) 構(gòu)變得復(fù)雜，需要使用到的機械元器件增多，重量必然增加，同時控制的復(fù)雜性 也增加。 高樓幕墻清洗機器人是一種爬壁機器人，因此，它必須具備兩大功能：負壁和移動功能。 在本機器人系統(tǒng)中，考慮到機器人要有清洗功能，我們就到了水作為清潔劑來清洗，在提供水的過程中，我們又把它當(dāng)做動力源，可以說只要有水就能讓它工作。因此我們主要考慮到了用水射流式清洗機器人。 2.2機器人總體結(jié)構(gòu)方案 運用水射流式清洗機器人，能夠巧妙地把供水，供能，抽氣整合為一體。利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)射器時產(chǎn)生的負壓來控制吸盤，機器人可以抽真空吸附在玻璃上。這樣就不像現(xiàn)已有的機器人那樣，需要帶上一個大大的氣泵。再利用水流經(jīng)射流發(fā)射器產(chǎn)生的被壓來推動活塞桿，實現(xiàn)機器人的爬行驅(qū)動。 為此，我們在結(jié)構(gòu)上采用了2個帶活塞桿吸盤互相運動，來實現(xiàn)機器人的一直往前爬行運動，而避免只有一個活塞吸盤能實現(xiàn)的往復(fù)運動。在再整體結(jié)構(gòu)上帶上2個拖把，隨著機器人的移動而移動來擦洗玻璃。結(jié)構(gòu)如圖1 這種結(jié)構(gòu)的該機器人，總體來說，具有如下特點： 1，模塊化設(shè)計，整個外形由同一種高分子有計劃和工程材料組成，便于連接和控制。 2，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量輕，同一動力實現(xiàn)吸附和爬行運動兩種功能，減少動力來源。便于協(xié)調(diào)控制。 圖1 這款機器人在總體結(jié)構(gòu)上輕巧，簡單，把玻璃清潔機器人兩個最重要的部分：吸附機構(gòu)和擦洗機構(gòu)巧妙地融合在一起，減少了以其它動力來實現(xiàn)這兩種功能的復(fù)雜性，具有很好的研究前景。 3 驅(qū)動機構(gòu)和擦洗機構(gòu) 3.1 驅(qū)動機構(gòu)分析 3.1.1 驅(qū)動方式 80年代以來，自動化、省力化得到迅速發(fā)展。自動化、省力化的主要方式有: 機械方式、電氣方式、電子方式、液壓方式和氣動方式等。這些方式都有各自的 優(yōu)缺點及其最適合的使用范圍。實際應(yīng)用中必須對各種技術(shù)進行比較，揚長避短， 選出最適合方式或幾種方式的恰當(dāng)組合，以使系統(tǒng)更可靠、更經(jīng)濟、更安全、更 簡單。 表1 各種傳動與控制方式的比較 機械方式 電氣方式 電子方式 液壓方式 氣動方式 驅(qū)動力 不太大 不太大 小 大 稍大 驅(qū)動速度 小 大 大 小 大 受負載影響 幾乎沒有 幾乎沒有 幾乎沒有 較小 大 維護 簡單 有技術(shù)要求 技術(shù)要求高 簡單 簡單 遠程操作 難 很好 很好 較良好 良好 綜合表1的比較，且由于機械驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量重，與前面吸附方式不合適，所以排除。吸附機構(gòu)沒用汽缸，固驅(qū)動方式也不用了。再則，與前面的水射流式吸附方式匹配，我們用液壓方式驅(qū)動，只是把所用的油改成水。這種特殊的驅(qū)動方式結(jié)合了液壓驅(qū)動原理和水的功能，做到了水既是清潔劑，又是動力源。 3.1.2運動結(jié)構(gòu)和運動規(guī)劃 本機器人從運動結(jié)構(gòu)來說，只是沿壁上下運動，由兩個吸盤結(jié)構(gòu)組組成。兩吸附面要嚴格在同一平面上，保證一個吸住后，另一個也牢牢靠在玻璃上，不但活塞桿與吸盤間有密封，吸盤與玻璃壁面間也要有良好的密封裝置。前一個吸盤外殼與后一個吸盤中的活塞桿相連，而后一個吸盤外殼與前一吸盤中的活塞桿相連，實現(xiàn)吸盤的互補運動，巧妙地把活塞缸的往復(fù)運動變?yōu)橐恢蓖暗闹本€運動。 其直線運動簡圖如圖2 機器人直線運動簡圖2 最早時上吸盤活塞靠底部，下活塞在中部。簡單運動過程如下： 1：上吸盤吸附，壓力推動活塞桿往上移動，移動過程中帶動下吸盤移動。 此時，下吸盤底部靠到下活塞。 2：下吸盤吸附，壓力推動活塞桿往上移動，移動過程中推動上吸盤移動。 此時，兩吸盤回到原來的初始相對位置。完成一次運動過程。 3.1.3運動過程控制原理分析 機器人采用清潔水來驅(qū)動，其控制過程如圖3所示： 運動過程分析： （1）2YA通電，工作腔1進水，滿后，2YA斷電，與此同時，1腔里的水經(jīng)射流發(fā)射器噴出，帶走里面的空氣，形成負壓，使得吸盤A吸附在玻璃上。 （2）此時，4YA通電，3腔進水，滿后，1YA通電，使2腔進水，推動活塞桿a向前移動，拉動吸盤B往前移動，活塞至中間位置后，壓下行程開關(guān)。 （3）此時，1YA，4YA斷電，3腔再次水滿，3腔水經(jīng)水射流發(fā)射器噴水，產(chǎn)生負壓，吸住吸盤B. 圖3 （4）此時，2YA通電，1腔進滿水后，3YA通電，使4腔進水，推動活塞桿b前進，使其推動吸盤A前進，活塞桿至中間位置后壓下行程開關(guān)，2YA，3YA斷電，此時1再次充滿水，再射流，如此循環(huán)下去，實現(xiàn)機器人的爬行運動。 電磁鐵的動作表2 1YA 2YA 3YA 4YA 1腔進水 + 1腔水滿射流 3腔進水 + 2，3腔同進水 + + 3腔水滿射流 1腔進水 + 1，4腔同進水 + + 1腔水滿 表2為電磁鐵動作表，通過此表可以看出工作中液壓系統(tǒng)的基本回路。 3.1.4外形尺寸選擇 因吸盤帶有活塞桿，我們把吸盤設(shè)計成長方體，為減輕整體重量，盡量把它設(shè)計簡單，輕巧，受力面積相對厚度盡量大，使負壓大，重量輕，保證機器人牢牢吸附在玻璃上。則所選尺寸如下： 長L=150mm， 寬B=100mm； 厚H=40mm， 壁厚h=10mm； 設(shè)計行程為s=50mm 其它尺寸選擇：活塞厚d=30mm， 桿截面取矩形，長l=30mm，寬b=15mm 兩個拖把直接連接在吸盤的外壁上，體積與整體結(jié)構(gòu)相配合，重量輕。 3.1.5驅(qū)動力分析 要實現(xiàn)機器人的吸附和運動，在吸附力面積有限，而又有水的自身重力的情況下，保證機器人不掉下了和能夠驅(qū)動它，就必須要求材料輕。而要保證來自水的驅(qū)動而不變形或破裂，就要求這種材料滿足機器人所必須的強度和硬度。因此，選擇一種工程塑料來作為機器人的整體材料。 今選擇聚酰胺PA（又稱尼龍或綿綸），根據(jù)機械工程材料表9-2， 選擇 PA-66,它的抗拉強度為57~83MP，抗壓強度為90~120MP，抗彎強度為60~110MP，密度為1.14~1.15。這種材料可用于汽車，機械等零部件。 設(shè)定推動活塞桿的速度是u=5mm/s 它所需流量Q=0.0050.080.03=0.000012m/s=0.72升/分 兩管同時進水時流量Q=20.72=1.44升/分 今選用水泵參數(shù)如表3所示： 表 3 型 號 最大流量L/min 最高 揚程m 進出口 內(nèi)徑mm 工作 電流A 工作 電壓V 最大輸出壓力 ASP5526 2.6 55 進6出10 <=2.2 12 0.55MP 要驅(qū)動機器人，所需要的驅(qū)動力必須要克服總重力加摩擦力 即 其中 因推動活塞運動時，另一個吸盤已經(jīng)失效，所以要牽引運動的吸盤的吸附力不大，摩擦力也就不大。 此時，G=gv=21.0100.050.080.03=0.24N 估計外殼質(zhì)量 每千克螺栓質(zhì)量（帶螺母）為46kg 則7個為322g 由于射流器選用小型的，質(zhì)量小，估計1000g. 則 由于需要克服的總重力和摩擦力不大，用液壓方式的水來驅(qū)動遠滿足要求。 由于元件有6mm和8mm的通徑或者內(nèi)徑。選用內(nèi)徑為6mm外徑為8mm的硅膠水管及其內(nèi)徑為8mm外徑為10mm的硅膠水管。 3.1.6小結(jié) 在驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計和規(guī)劃中，重點介紹了機器人的驅(qū)動方式，通過液壓方式的驅(qū)動系統(tǒng)原理介紹，運動規(guī)劃圖來詳細介紹所設(shè)計機器人。 3.2擦洗機構(gòu)分析 由于考慮到機器人領(lǐng)域的整體復(fù)雜性，而且本機器人的主要目的是為了實現(xiàn)機器人的吸附和爬行運動。擦洗機構(gòu)就用兩個拖把固定在機器人的外殼上，隨著機器人的運動而運動但必須保證吸盤吸附時，拖把能緊緊貼在玻璃上，實現(xiàn)擦洗功能。這樣的話，拖把在生產(chǎn)與安裝上都要達到一定制造精度和配合精度，實現(xiàn)把玻璃擦干凈。由于水往機器人兩側(cè)噴水，擦洗機構(gòu)也就固定在吸盤兩側(cè)。 4 其它元件選擇 4.1密封機構(gòu) 由于玻璃平面有一定程度的凸凹不平，機器人在移動過程中就必須實現(xiàn)吸盤的可靠性密封，這就要求密閉機構(gòu)要有一定的防泄漏能力，為此，設(shè)計一種密閉結(jié)構(gòu)安裝在矩形吸盤的四周，它由鋁片和橡膠片組成。如圖5 圖4 不但吸盤與玻璃壁之間要有密封機構(gòu)，活塞與吸盤之間也要有密封，選用型密封圈，因為它具有良好的密封性能，耐高壓，壽命長，通過調(diào)節(jié)壓緊力，可獲得最佳的密封效果。主要用與活塞桿的往復(fù)運動密封。 4.2換向閥和溢流閥的選擇 在液壓控制機器人的運動過程中，必須選用一些液壓控制閥來控制機構(gòu)運動。首先，選用一個o型三位四通電磁換向閥，不通電時，P,A,B,T四口全封閉，電磁鐵通電后，所對應(yīng)的管口就接通，進行工作。其次，還選用一個直動型溢流閥，它可以起到調(diào)壓，穩(wěn)壓和限壓的作用。再次，選用兩個行程開關(guān)，它配合電磁換向閥來工作，使提供吸附作用的水和驅(qū)動機器人移動的水完美結(jié)合使用。 5 總 結(jié) 目前高樓玻璃幕墻清洗機器人在我國大多只是應(yīng)用在試驗室階段，并沒有具體作為產(chǎn)品推廣，而國外已經(jīng)開始投入具體實際應(yīng)用。因此，國內(nèi)清洗機器人有十分廣闊的應(yīng)用前景，盡快研制出一種能真正投入實際應(yīng)用的清洗機器人就顯得十分必要。 本文針對國內(nèi)高樓玻璃幕墻的清洗現(xiàn)狀，結(jié)合高樓玻璃幕墻清洗作業(yè)的具體 工作環(huán)境，開發(fā)設(shè)計出了一種專用于高樓玻璃幕墻清洗的水射流式清洗機器人，該清洗機器人具有結(jié)構(gòu)新穎、安全可靠、重量輕、效率高的特點。 本文主要進行了以下幾個方面的工作并得出了結(jié)論: 1，設(shè)計出了一個完整的水射流式清洗機器人系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、擦洗機構(gòu)分析。對機器人作業(yè)中的具體行走路徑進行了規(guī)劃，并對整個機器人運動的液壓控制原理進行了分析，來保證機器人的正常工作。 2，與傳統(tǒng)的機器人體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配備一個大大的氣泵相比，本機器人充分運用水的功能，既作為清潔劑，又是動力源。 3，對系統(tǒng)中的主要元器件進行了參數(shù)設(shè)計及選型，并詳細介紹了其主要性能參數(shù)。 參考文獻 [1]王園宇，武利生，李元宗.壁面清洗機器人發(fā)展趨勢淺析.引進與咨詢.2002.4 [2]陳沛富.玻璃幕墻清洗機器人設(shè)計研究：【碩士學(xué)位論文】重慶大學(xué).2006.5 [3]宗光華.高層建筑擦窗機器人.機器人技術(shù)與應(yīng)用.1998:20 [4]楊其嘉.機器人清潔工現(xiàn)狀及未來.環(huán)境導(dǎo)報.1994.3 [5]朱龍根.簡明機械零件設(shè)計手冊.機械工業(yè)出版社.1997.11 [6〕張兆君，周廷武，宗光華.擦窗機器人在高層建筑清洗中的應(yīng)用.建筑技術(shù).2001.9 [7]蔡立群.窗玻璃清洗機器人.住宅科技.1994.11 [8]邵浩，趙言正，王炎，劉淑霞，劉淑良.用于玻璃幕墻清洗作業(yè)的爬壁機器人系統(tǒng).制造業(yè)自動化.2000.2 [9]譚建榮，張樹有，陸國棟，施岳定.圖學(xué)基礎(chǔ)教程.高等教育出版社.2004.10 [10]于永泗，齊民.機械工程材料（第七版）.大連理工大學(xué)出版社.2007.2 [11]陳奎生.液壓與氣壓傳動.武漢理工大學(xué)出版社.2005.3 [12]楊明忠，朱家誠.機械設(shè)計.武漢理工大學(xué)出版社2006.12 致 謝 在即將完成本科學(xué)習(xí)之際，首先我衷心感謝所有教過我的老師在這四年來對我知識的傳授和人文的關(guān)懷。由于你們的無私關(guān)心、幫助和指導(dǎo)，使我受益匪淺。其次，特別感謝饒洪輝老師在百忙之中來指導(dǎo)我完成畢業(yè)設(shè)計。導(dǎo)師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的科研精神和對學(xué)術(shù)的執(zhí)著追求將使我終身受益。 在畢業(yè)設(shè)計期間，導(dǎo)師給予了我全面鍛煉的機會，導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求使我的研究生學(xué)習(xí)和論文得以順利進行。在此成文之際，謹向饒老師致以我最深切的敬意和最衷心的感謝。 感謝在學(xué)習(xí)期間，給予我鼓勵和幫助的所有同學(xué)及朋友。 感謝對論文進行評審、提出寶貴意見的各位指導(dǎo)老師。 15