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玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)設(shè)計
學(xué)校代碼：10410
序 號：20050383
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計
題目： 玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)設(shè)計
學(xué) 院： 工 學(xué) 院
姓 名： 沈 華 平
學(xué) 號： 20050383
專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
年 級： 機制051
指導(dǎo)教師： 饒 洪 輝
二OO九年 五 月
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，提出了分層次規(guī)劃的體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對機器人總體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計分析，并應(yīng)用有關(guān)計算理論和計算軟件進行了主要參數(shù)設(shè)計和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，討論了機器人的作業(yè)路徑,運動控制規(guī)劃及吸附機構(gòu)的設(shè)計，最后，應(yīng)用Pro/ENG三維軟件針對所設(shè)計的機器人建立了三維實體模型。
關(guān)鍵詞:玻璃幕墻清洗，機器人，運動分析
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, and theLevel-based planning is discussed also. Based on this, the designing and analyzing Of the structure of the robot are described in details,the main parameters designing and structure designing of the key parts are also processed by using some of correlative calculating theories and soft .Then,mission-oriented and local motion planning are discussed.At last,three-dimensional model of the robot are established by
Means of Pro/ENGINEER,soft.
Key words:Glass-wallcleaning robotvacuum adsorption system
目錄
摘 要 2
ABSTRACT 2
1前 言 3
2機器人總體方案規(guī)劃 4
2.1 機器人設(shè)計思想 4
2.2外形尺寸選擇 6
3 吸附機構(gòu) 6
3.1吸附方式 6
3.1.1吸附方式選擇 7
3.1.2吸盤結(jié)構(gòu)簡圖 7
3.1.3機器人控制原理圖 8
3.2吸附力分析 9
3.2.1 材料選擇 9
3.2.2吸附力計算 10
3.2.3系統(tǒng)抗傾覆計算 10
3.3其他機構(gòu)的選擇 11
3.3.1射流器選擇 11
3.3.2水泵和水管的選擇 12
3.3.3密封機構(gòu) 12
4 總 結(jié) 14
參考文獻 15
致 謝 16
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(zhǔn)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(fù)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。
水射流式清洗機器人，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(fù)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 外形圖
2.2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(fù)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 吸附機構(gòu)
3.1吸附方式
3.1.1吸附方式選擇
爬壁機器人最主要的一個特點是機器人可以克服重力作用，在一點傾斜度，垂直或倒立的壁面上具有靜止及移動的能力。目前爬壁機器人吸附方式主要包裹磁吸附，負(fù)壓吸附，螺旋槳推壓等，今年來又出來現(xiàn)了膠吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蝸牛的濕吸附，類攀巖抓持吸附，該類吸附方式只適合在導(dǎo)磁面上吸附；低真空度負(fù)壓吸附采用風(fēng)機旋轉(zhuǎn)將負(fù)壓腔內(nèi)的空氣抽出產(chǎn)生負(fù)壓來吸附，具有一定的壁面適應(yīng)能力，但存在噪音大，體積大的缺點；高真空度負(fù)壓吸附方式則由真空泵在真空吸盤內(nèi)產(chǎn)生一定得真空度，其具有噪音小，易于小型化集成的優(yōu)點，但對壁面的光潔度及透氣性有較高的要求；螺旋槳推壓靠合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力將機器人貼附在壁面上，但也存在噪音大的缺點。由于負(fù)壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負(fù)壓真空吸附的爬壁機器人具有壁面適應(yīng)能力強和運動速度快等優(yōu)點，因此目前負(fù)壓吸附在爬壁機器人中得到廣泛的應(yīng)用。
真空泵式要帶一個大大的氣泵，且設(shè)計要求需要清潔水擦玻璃，固采用水射流式抽氣吸附。這種方案前面已經(jīng)提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盤里后，經(jīng)射流器力射流泵提供的動力，再把水經(jīng)噴頭往外噴，把里面的空氣帶走，噴完后，吸盤內(nèi)外形成負(fù)壓，把吸盤吸住。
水主要是往兩側(cè)噴，避免水噴在中間的路徑上影響機器人的吸附和運動，而且，機器人的拖把也固定在兩側(cè)，噴完水后，水正好配合運動過程中的擦洗功能。
3.1.2吸盤結(jié)構(gòu)簡圖
由于吸盤也是機器人運動時類是于液壓缸機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：
它是長方形吸盤，工作時最多只有一半用來射流噴水產(chǎn)生吸附，實現(xiàn)機器人的吸附功能。
圖2 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖
3.1.3機器人控制原理圖
機器人的吸附與運動機構(gòu)都要水的參與，工作過程如下：
1：2YA通電，工作腔1沖水，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(fù)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(fù)壓，吸住吸盤B.
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。
圖3 機器人控制原理圖
3.2吸附力分析
3.2.1 材料選擇
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，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。
3.2.2吸附力計算
要保證機器人不沿壁下滑，則
FminG（G=G+G)
要保證機器人不會掉下，就必須在最小的吸附力作用下時，機器人還不會掉下，因此：
當(dāng) Amin=0.05×0.08=0.004m
Fmin=Pc×0.004
假設(shè)Pc=P0時，即腔里完全真空。 Fmin=Pc×0.004=P0×0.004=400N
=0.2，F(xiàn)min=400×0.2=80N
此時，G=gv=3×1.0×10×0.05×0.08×0.03=0.36N
3.2.3系統(tǒng)抗傾覆計算
機器人結(jié)構(gòu)材料的密度小，整體體積不是很大，所以重量小，加上水后所產(chǎn)生的總重力也遠小于摩擦力。
該機器人，不僅要求在結(jié)構(gòu)上采用盡量簡單的結(jié)構(gòu)來減輕機器人的本體量，同時機器人還有一個重要的基本功能就是運動。因此怎樣保證機器人的運動過程中的動態(tài)負(fù)載能力和平衡，這對于機器人本體的安全運行非常的重要。機器人在壁面上移動時,都是通過兩個類是活塞缸的洗盤提供的吸力來維持機器人在壁面移動時力的平衡。結(jié)合這一簡單結(jié)構(gòu)的特點，機器人在運動時，其力的示意圖如圖4所示:
其中F代表機器人在壁面行走時由一個吸盤提供的最小吸力，G代表機器人的本體重力，N代表位于壁面下端的一個吸盤在移動過程中墻壁對它的支持力。由圖4知，系統(tǒng)最容易以A點為中心發(fā)生傾覆，因此，以A點為中心，建立系統(tǒng)的力矩方程，使機器人能穩(wěn)定可靠的在壁面上行走和工作，就必須滿足式3的要求:
（1）
式中: 為真空吸盤產(chǎn)生的力矩，為系統(tǒng)重力力矩。
圖4
由式1知，為了使機器人能在玻璃壁面可靠吸附、安全作業(yè)，就應(yīng)該增加吸盤的吸力，同時增加其力臂Ll。另外，在減輕機器人本體重量的同時，應(yīng)該減小其作用力臂L2。這也是我們進行總體方案設(shè)計時所遵循的一個重要原則。
而本設(shè)計的機器人由于吸附力F大于重力G很多，且L1>L2,機器人有很好的抗顛覆能力，保證機器人不會因為翻轉(zhuǎn)而掉下。
3.3其他機構(gòu)的選擇
3.3.1射流器選擇
由于機器人采用水射流式吸附方式，故必須選用射流器噴水，把吸盤里的空氣帶走，產(chǎn)生負(fù)壓，使機器人緊靠在玻璃上。由于1秒的時間里要把吸盤里的水噴完。它的主要部分是由帶噴頭的射流泵組成，外形有兩出水口，經(jīng)這兩出水口，使射流出的水往兩邊流，用于擦洗玻璃。
其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5示：
圖5 射流器結(jié)構(gòu)圖
3.3.2水泵和水管的選擇
設(shè)定推動活塞桿的速度是u=5mm/s
它所需流量Q=0.005X0.08X0.03=0.000012m/s=0.72升/分
兩管同時進水時流量Q=2X7.2=1.44升/分
今選用水泵參數(shù)如下表所示：
型號
最大流量
最高
揚程
進出口
內(nèi)徑
工作
電流A
工作
電壓V
最大輸出壓力
ASP5526
2.6L/min
55米
進6出10
<=2.2
12
0.55MP
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。
3.3.3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6
圖6 密封裝置簡圖
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 總 結(jié)
目前高樓玻璃幕墻清洗機器人在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，而國外已經(jīng)開始投入具體實際應(yīng)用。我國在這方面的研究大多只是應(yīng)用在試驗室階段，并沒有具體作為產(chǎn)品推廣。如我們平時所看到的新聞也只是介紹有一款機器人可以用來擦玻璃，但它還是處于試驗運行階段，并沒廣泛推廣，而國內(nèi)目前絕大多數(shù)高層建筑仍采用吊籃+人工完成清洗工作，。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、真空吸附系統(tǒng)設(shè)計等幾個部分，并對系統(tǒng)的一個步距的運動進行了分析，全面了解了這種機器人的結(jié)構(gòu)和功能。
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)。
4，對機器人作業(yè)中的具體行走路徑進行了規(guī)劃，并對整個機器人的吸附和運動的液壓控制原理進行了分析和研究，來保證機器人的正常工作。
參考文獻
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致 謝
本學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師饒洪輝老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到論文的最終完成，饒老師都始終給予我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。在設(shè)計過程中，我翻閱了很多專業(yè)方面的資料，并充分利用校圖書館的資源。半年以來，我遇到了很多專業(yè)方面的問題，我認(rèn)真思考，而且不斷和同學(xué)討論一起解決，同時我的導(dǎo)師饒老師給我提出了很多寶貴的意見，為論文進一步的完善提供了許多幫助。
雖然設(shè)計的過程是漫長而且辛酸的，但在導(dǎo)師的幫助下，我克服了許多困難，學(xué)到了很多東西，包括課堂當(dāng)中沒有涉及到得內(nèi)容。這次設(shè)計使我樹立了面對困難，并勇于解決問題的信心。十分感謝導(dǎo)師給我的大力支持和精心指導(dǎo)。
最后，我向所有參加答辯的老師致意，感謝你們在百忙之中抽出時間來參加我的畢業(yè)設(shè)計答辯，對此我表示真摯的謝意！
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