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畢業(yè)設計開題報告 設 計 題 目: 高樓清洗機機電系統(tǒng)設計 院 系 名 稱: 機電工程學院 專 業(yè) 班 級: 機械設計08-12班 學 生 姓 名: 金鵬 導 師 姓 名: 國紹文 開 題 時 間: 2012年3月16號 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 1. 課題研究的目的和意義 隨著城市現代化得發(fā)展和人口的日益增加，為了節(jié)省土地資源，高層建筑越來越多，各式各樣的摩天大樓成為現代都市中一道亮麗的風景。在建筑業(yè)中，由于玻璃的采光性好，保溫、防潮，而且采用彩色玻璃使用美觀，高層建筑的外觀越來越多的采用玻璃幕墻結構沒有玻璃覆蓋的地方也多采用瓷磚覆蓋以增加建筑的美感，但也衍生出繁重的幕墻清洗任務。 我國大多數高層建筑清洗工作還是由傳統(tǒng)的人力完成，這種高空極限作業(yè)相當危險，如遇強空氣流，對人身安全及玻璃面都有很大的威脅。因此需要一種能代替人工完成高層建筑清洗任務又有一定靈活性和適應性的自動機器來取代人工作業(yè)。 高層外墻清洗機正是在這種背景下應用而生，它可在垂直壁面及屋頂移動進行物體表面的清洗。它的出現及進一步研究將極大降低建筑外墻的清洗成本改善工人的勞動環(huán)境，提高生產效率，并帶來相當的社會效益和經濟效益。 2．文獻綜述（課題研究現狀及分析） 工業(yè)機器人已經在機器人領域中大量投入使用，如汽車、冶金等行業(yè)。然而，隨著人們生活水平的提高，在機器人領域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務機器人已經出現。 服務機器人主要涉及清洗、運送、監(jiān)視、檢查和探測等類型的工作，為人類提供和完成服務。其中，清洗是服務機器人應用最廣的領域之一。而高樓林立的今天，更需要爬壁清洗機器人的技術可以得到不斷改進和提高。 2.1國外壁面清洗機器人研究現狀 第一個成功制造出來的清洗機器人是德國漢薩斯航空公司委托制作的“SKYWAH”（清洗巨人），如圖1所示。其主要結構是一個作用距離為33米的多關節(jié)巨型伸縮臂，有11個自由度，6個主軸，3個腕關節(jié)及兩個自適應軸，總共12個可編程序軸。余的運動鏈系使得它可以做各復雜運動，而其結構不會有任何變化。所有軸均由液壓驅動并采用抗拉鋼材，因而其結構重量輕。清洗刷長1.2m，定位精度為50mm,滾刷與飛機外形精確匹配。該機器人安裝在一個標準汽車地盤上，可以從四個位置出發(fā)，機器人在人的監(jiān)視下按照預定的模式運動，完成對飛機幾乎所有表面的清洗工作。其特點是動作靈活，適合于各種規(guī)格的飛機。 日本BE公司成功研制的一種固定軌道式自動擦窗機器人，機器人靠安裝在樓頂的軌道及吊裝系統(tǒng)使擦窗機對準窗戶，沿固定安裝在建筑物表面的導槽垂直上下移動進行清洗，清洗機構帶有多個旋盤刷。該設備的自動化程度的效率都很高，但價格也很昂貴。另外，要求在建筑物設計之初就將擦窗系統(tǒng)考慮進去，鋪設軌道，這大大限制了該機器人的使用范圍及效率。 圖1 圖2 德國馬格堡的弗勞恩霍費爾自動控制與操作研究所（IPA）是德國主要的生產及自動化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自動系統(tǒng)。圖2所示是其中之一，對柏林新建火車站的巨大玻璃隧道進行了自動清洗。該機器人懸掛在水平的橫向軌道上，可沿軌道左右移動，同時橫向軌道可以沿垂直導槽上下移動，從而完成對整塊玻璃的清洗。 德國的Fraunhofer研究所研制了一種名為SIRIUSC壁面清洗機器人。該機器人作業(yè)時在機器人上方的建筑物頂部有一個隨動小車，該小車除了起一個安全作用外，還是機器人位移的定位裝置，機器人只能做上下運動，左右運動靠隨動小車牽引實現。爬行機構是基于兩隊線性模塊上，每個模塊裝有幾個真空吸盤，每對模塊有一個伺服電機驅動。 美國國際機器人公司研制了用于清洗摩天大樓的爬壁機器人“Sky Washer”,它重19.95kg，約0.9×0.9m，該機器人的移動由兩組L型框架相對滑動，交替吸附來實現，每組框架有三只腳掌，每只腳掌上有兩只真空吸盤，吸盤相對于壁面可以作直線運動，該機器人允許橫向移動，并可跨越一定高度的障礙。同時配備有洗滌液和擦抹系統(tǒng)，以完成擦窗工作，作業(yè)能力為每天4645㎡，并可越5cm高、25cm寬的障礙。 除此以外，加拿大、德國、西班牙、以色列、新加坡、奧地利、俄羅斯、英國、澳大利亞等國家相繼開展了壁面清洗機器人的研究。 2.2國內壁面清洗機器人研究現狀 國內爬壁機器人的研究雖然起步晚，但發(fā)展比較迅速。我國研究和發(fā)展機器人始于七十年代初。1975年在北京舉辦的日本科技展覽會上，川崎重工公司首先在中國展出了工業(yè)機器人，以此為起點，我國掀起了第一個研制機器人的浪潮。上海大學從1987年開始在上海市科委和國家“863”的支持下，率先從事爬壁機器人的研究，此后，哈爾濱工業(yè)大學，北京航空航天大學、上海交通大學等單位也相繼在幕墻清洗、高空檢查、鍋爐水冷壁檢測、大橋拉索涂裝和維護等領域開展研究。 自1988年以來，上海大學先后研制了玻璃窗清洗機器人和球形爬壁機器人。前者采用多層框架式機構，真空吸盤吸附，伺服電機驅動，但重量大，且沒有裝備清洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動機構，足端為帶有裙邊的鉸接式真空吸盤，設計者從滿足穩(wěn)定性和控制復雜程度的綜合，考慮到吸盤穩(wěn)定性較差，安全性不是很好。此外，他們還在清洗裝備和工藝做了較為深入的研究，并根據玻璃幕墻障礙的特點，開發(fā)了一種全方位越障機構，大幅度提高了機器人的越障能力。 哈爾濱工業(yè)大學也是國內壁面移動機器人研究較早的單位，在國家“863”智能機器人的支持下，已經先后開發(fā)出兩個系列共5個品種的爬壁機器人。較早完成的是輪式負壓吸附壁面爬行遙控檢查機器人，如圖3所示。該機器人采用雙輪進行驅動。主體下部是一個帶有驅動輪的滑動密封式負壓吸盤。清洗機構置于尾部，同時還設有卷揚機，地面支援小車等附屬設施。由于密封裝置采用柔性設計，對壁面的適應能力較強，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運動，但越障和面面轉換能力較差。 圖3 圖4 北京航空航天大學自1996年以來，在國家“863”計劃的大力資助下，先后研制成功了WASHMAN、CLEANBOTⅠ、SKYCLEAN、“靈巧型擦窗機器人”、“吊籃式擦窗機器人”、 “藍天潔寶”等系列幕墻清洗機器人樣機。前三種均為全自動清洗機器人，采用十字構型，為自主步行移動機器人，機器人運動和功能統(tǒng)一。其中CLEANBOT-Ⅰ的縱橫氣缸之間有一能做微小角度轉動的腰關節(jié)，以實現機器人運動方向的調整，如圖4所示。之后北航又推出藍天潔士Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型擦窗機器人。 2000年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機器人，但重量小的多，僅有20kg。該機器人本體結構采用具有滑動密封負壓吸附裝置的履帶式驅動的雙車體結構，能實現越障和曲面轉換功能。2001年研制開發(fā)的“吊籃式擦窗機器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進行作業(yè)?！八{天潔寶”屬于被動清洗機器人，使用大面積負壓吸盤吸附，利用風機產生真空，結構簡單，工作效率高，具有很高的實用價值。 香港大學和內地大學合作，研制了一系列高樓清洗爬壁機器人。Cleanbot-Ⅰ采用北航機器人原型，Cleanbot-Ⅱ采用了一種仿坦克的爬壁機器人原型設計。該機器人采用多個轉盤組成的吸附機構和單鏈條爬行及轉向機構，可以在玻璃幕墻和船殼等墻面上連續(xù)爬行，并有一定的越障能力。 2.3高層建筑外墻清洗機發(fā)展趨勢 由于清洗工作環(huán)境及任務的特殊性，清洗爬壁機器人的總體設計要求相當苛刻。其總的設計原則是：減輕重量，降低造價，安全可靠，能適應多種建筑物表面，且要有足夠高的清洗效率。 從清洗機的工作環(huán)境來看，其主機可能有兩個發(fā)展方向： 其一：適用于平整瓷磚和玻璃幕墻清洗，它結構簡單，易于控制，屬小型輕量化。 其二：適用于復雜墻面，如階梯墻面，壁面多窗戶的壁面清洗，它的結構、動作、控制都很復雜。 其三：以壁面機器人為載體，配以專用的清洗機構，可以適應不同壁面機構。 3. 基本內容、擬解決的主要問題 3.1 設計基本內容 1) 清洗爬壁機器人總體方案設計 （1）方案概述 （2）方案選擇 （3）對整體方案的改進設計 2) 清洗機器人的清洗系統(tǒng)方案設計 （1） 傳動方案設計 （2） 滾刷設計 （3） 清洗噴水裝置設計 3) 清洗機器人的爬壁系統(tǒng)方案設計 （1） 驅動方式方案 （2） 移動方式方案 （3） 吸附方式方案 （4） 各方案參數確定 （5） 性能分析 4) 清洗機器人的控制系統(tǒng)方案設計 （1）單片機控制方案 （2）控制系統(tǒng)硬件設計 （3）控制系統(tǒng)軟件設計 3.2 擬待解決問題 1. 傳動方案設計：各參數的計算，校核。 2. 清洗方案：滾刷轉速、噴水量及回收水裝置的參數計算 3. 吸附系統(tǒng)的各參數計算，校核及可行性。 4. 單片機控制系統(tǒng)的設計 4. 技術路線或研究方法 1． 參閱相關產品的技術資料，擬確定各結構設計方案，從而實現高樓清洗機的機電傳動及清洗功能。 2． 要從各種方案中選擇合適的方案，分析出各方案的優(yōu)缺點，綜合優(yōu)化各種設計方案，確定最后設計方案。如圖5所示 3．完成清洗機各機構的設計、強度計算、校核計算，確定各機構主要零件結構尺寸并畫出草圖 4．完成總裝配圖，零件圖，部件圖設計和說明書的撰寫。 機器人本體 吸附部分 推進部分 清潔部分 控制部分 安全保護部分 風壓懸吊吸附 履足 沖洗、滾筒刷洗、盤洗聯合作用 單片機控制 繩索牽引保護 圖 5 5. 進度安排 2月27日~3月16日：查找和閱讀參考資料，熟悉課題，撰寫完成開題報告。 3月17日~4月10日：機電系統(tǒng)總體技術方案設計與優(yōu)化。 4月11日~4月30日：機械系統(tǒng)詳細設計。 5月1日~5月20日：控制系統(tǒng)詳細設計。 5月21日~5月31日：導師審核圖紙和說明書。 6月1日~6月15日：修改圖紙和設計說明書，準備答辯。 6. 主要參考文獻 [1] 于今, 劉雪飛. 一種新型爬壁機器人研究[J]. 液壓與氣動, 2010, (10). 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