2708 高樓清洗機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì),高樓,清洗,機(jī)電,電機(jī),系統(tǒng),設(shè)計(jì) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告設(shè) 計(jì) 題 目 : 高樓清洗機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 名 稱: 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí): 機(jī)械設(shè)計(jì) 08-12 班 學(xué) 生 姓 名: 金鵬 導(dǎo) 師 姓 名: 國(guó)紹文 開 題 時(shí) 間: 2012 年 3 月 16 號(hào) 1. 課題研究的目的和意義指導(dǎo)委員會(huì)審查意見：簽字： 年 月 日隨著城市現(xiàn)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(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)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(jié)構(gòu)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(wù)。我國(guó)大多數(shù)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(dāng)危險(xiǎn)，如遇強(qiáng)空氣流，對(duì)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(wù)又有一定靈活性和適應(yīng)性的自動(dòng)機(jī)器來取代人工作業(yè)。高層外墻清洗機(jī)正是在這種背景下應(yīng)用而生，它可在垂直壁面及屋頂移動(dòng)進(jìn)行物體表面的清洗。它的出現(xiàn)及進(jìn)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(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，并帶來相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。2．文獻(xiàn)綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在機(jī)器人領(lǐng)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(jī)器人領(lǐng)域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)。服務(wù)機(jī)器人主要涉及清洗、運(yùn)送、監(jiān)視、檢查和探測(cè)等類型的工作，為人類提供和完成服務(wù)。其中，清洗是服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用最廣的領(lǐng)域之一。而高樓林立的今天，更需要爬壁清洗機(jī)器人的技術(shù)可以得到不斷改進(jìn)和提高。2.1 國(guó)外壁面清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀第一個(gè)成功制造出來的清洗機(jī)器人是德國(guó)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(jié)構(gòu)是一個(gè)作用距離為 33米的多關(guān)節(jié)巨型伸縮臂，有 11 個(gè)自由度，6 個(gè)主軸，3 個(gè)腕關(guān)節(jié)及兩個(gè)自適應(yīng)軸，總共 12 個(gè)可編程序軸。余的運(yùn)動(dòng)鏈系使得它可以做各復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，而其結(jié)構(gòu)不會(huì)有任何變化。所有軸均由液壓驅(qū)動(dòng)并采用抗拉鋼材，因而其結(jié)構(gòu)重量輕。清洗刷長(zhǎng) 1.2m，定位精度為 50mm,滾刷與飛機(jī)外形精確匹配。該機(jī)器人安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)汽車地盤上，可以從四個(gè)位置出發(fā)，機(jī)器人在人的監(jiān)視下按照預(yù)定的模式運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)飛機(jī)幾乎所有表面的清洗工作。其特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，適合于各種規(guī)格的飛機(jī)。日本 BE 公司成功研制的一種固定軌道式自動(dòng)擦窗機(jī)器人，機(jī)器人靠安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跹b系統(tǒng)使擦窗機(jī)對(duì)準(zhǔn)窗戶，沿固定安裝在建筑物表面的導(dǎo)槽垂直上下移動(dòng)進(jìn)行清洗，清洗機(jī)構(gòu)帶有多個(gè)旋盤刷。該設(shè)備的自動(dòng)化程度的效率都很高，但價(jià)格也很昂貴。另外，要求在建筑物設(shè)計(jì)之初就將擦窗系統(tǒng)考慮進(jìn)去，鋪設(shè)軌道，這大大限制了該機(jī)器人的使用范圍及效率。圖 1 圖 2德國(guó)馬格堡的弗勞恩霍費(fèi)爾自動(dòng)控制與操作研究所（IPA）是德國(guó)主要的生產(chǎn)及自動(dòng)化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自動(dòng)系統(tǒng)。圖 2 所示是其中之一，對(duì)柏林新建火車站的巨大玻璃隧道進(jìn)行了自動(dòng)清洗。該機(jī)器人懸掛在水平的橫向軌道上，可沿軌道左右移動(dòng)，同時(shí)橫向軌道可以沿垂直導(dǎo)槽上下移動(dòng)，從而完成對(duì)整塊玻璃的清洗。德國(guó)的 Fraunhofer 研究所研制了一種名為 SIRIUSC 壁面清洗機(jī)器人。該機(jī)器人作業(yè)時(shí)在機(jī)器人上方的建筑物頂部有一個(gè)隨動(dòng)小車，該小車除了起一個(gè)安全作用外，還是機(jī)器人位移的定位裝置，機(jī)器人只能做上下運(yùn)動(dòng)，左右運(yùn)動(dòng)靠隨動(dòng)小車牽引實(shí)現(xiàn)。爬行機(jī)構(gòu)是基于兩隊(duì)線性模塊上，每個(gè)模塊裝有幾個(gè)真空吸盤，每對(duì)模塊有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。美國(guó)國(guó)際機(jī)器人公司研制了用于清洗摩天大樓的爬壁機(jī)器人“Sky Washer”,它重 19.95kg，約 0.9×0.9m，該機(jī)器人的移動(dòng)由兩組 L 型框架相對(duì)滑動(dòng)，交替吸附來實(shí)現(xiàn)，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(duì)于壁面可以作直線運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人允許橫向移動(dòng)，并可跨越一定高度的障礙。同時(shí)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(guó)、西班牙、以色列、新加坡、奧地利、俄羅斯、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家相繼開展了壁面清洗機(jī)器人的研究。2.2 國(guó)內(nèi)壁面清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究雖然起步晚，但發(fā)展比較迅速。我國(guó)研究和發(fā)展機(jī)器人始于七十年代初。1975 年在北京舉辦的日本科技展覽會(huì)上，川崎重工公司首先在中國(guó)展出了工業(yè)機(jī)器人，以此為起點(diǎn)，我國(guó)掀起了第一個(gè)研制機(jī)器人的浪潮。上海大學(xué)從 1987 年開始在上海市科委和國(guó)家“863”的支持下，率先從事爬壁機(jī)器人的研究，此后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也相繼在幕墻清洗、高空檢查、鍋爐水冷壁檢測(cè)、大橋拉索涂裝和維護(hù)等領(lǐng)域開展研究。自 1988 年以來，上海大學(xué)先后研制了玻璃窗清洗機(jī)器人和球形爬壁機(jī)器人。前者采用多層框架式機(jī)構(gòu)，真空吸盤吸附，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但重量大，且沒有裝備清洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，足端為帶有裙邊的鉸接式真空吸盤，設(shè)計(jì)者從滿足穩(wěn)定性和控制復(fù)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(jù)玻璃幕墻障礙的特點(diǎn)，開發(fā)了一種全方位越障機(jī)構(gòu)，大幅度提高了機(jī)器人的越障能力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也是國(guó)內(nèi)壁面移動(dòng)機(jī)器人研究較早的單位，在國(guó)家“863”智能機(jī)器人的支持下，已經(jīng)先后開發(fā)出兩個(gè)系列共 5 個(gè)品種的爬壁機(jī)器人。較早完成的是輪式負(fù)壓吸附壁面爬行遙控檢查機(jī)器人，如圖 3 所示。該機(jī)器人采用雙輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主體下部是一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)輪的滑動(dòng)密封式負(fù)壓吸盤。清洗機(jī)構(gòu)置于尾部，同時(shí)還設(shè)有卷?yè)P(yáng)機(jī)，地面支援小車等附屬設(shè)施。由于密封裝置采用柔性設(shè)計(jì)，對(duì)壁面的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運(yùn)動(dòng)，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差。圖 3 圖 4北京航空航天大學(xué)自 1996 年以來，在國(guó)家“863”計(jì)劃的大力資助下，先后研制成功了 WASHMAN、CLEANBOTⅠ、SKYCLEAN、“靈巧型擦窗機(jī)器人”、“吊籃式擦窗機(jī)器人”、 “藍(lán)天潔寶”等系列幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)。前三種均為全自動(dòng)清洗機(jī)器人，采用十字構(gòu)型，為自主步行移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)的腰關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的調(diào)整，如圖 4 所示。之后北航又推出藍(lán)天潔士Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型擦窗機(jī)器人。2000 年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機(jī)器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機(jī)器人，但重量小的多，僅有 20kg。該機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動(dòng)密封負(fù)壓吸附裝置的履帶式驅(qū)動(dòng)的雙車體結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。2001 年研制開發(fā)的“吊籃式擦窗機(jī)器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進(jìn)行作業(yè)?！八{(lán)天潔寶”屬于被動(dòng)清洗機(jī)器人，使用大面積負(fù)壓吸盤吸附，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，具有很高的實(shí)用價(jià)值。香港大學(xué)和內(nèi)地大學(xué)合作，研制了一系列高樓清洗爬壁機(jī)器人。Cleanbot-Ⅰ采用北航機(jī)器人原型，Cleanbot-Ⅱ采用了一種仿坦克的爬壁機(jī)器人原型設(shè)計(jì)。該機(jī)器人采用多個(gè)轉(zhuǎn)盤組成的吸附機(jī)構(gòu)和單鏈條爬行及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，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(jī)發(fā)展趨勢(shì)由于清洗工作環(huán)境及任務(wù)的特殊性，清洗爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)要求相當(dāng)苛刻。其總的設(shè)計(jì)原則是：減輕重量，降低造價(jià)，安全可靠，能適應(yīng)多種建筑物表面，且要有足夠高的清洗效率。從清洗機(jī)的工作環(huán)境來看，其主機(jī)可能有兩個(gè)發(fā)展方向：其一：適用于平整瓷磚和玻璃幕墻清洗，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，屬小型輕量化。其二：適用于復(fù)雜墻面，如階梯墻面，壁面多窗戶的壁面清洗，它的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作、控制都很復(fù)雜。其三：以壁面機(jī)器人為載體，配以專用的清洗機(jī)構(gòu)，可以適應(yīng)不同壁面機(jī)構(gòu)。3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題3.1 設(shè)計(jì)基本內(nèi)容1) 清洗爬壁機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)（1）方案概述（2）方案選擇（3）對(duì)整體方案的改進(jìn)設(shè)計(jì)2) 清洗機(jī)器人的清洗系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（1（ 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)（2（ 滾刷設(shè)計(jì)（3（ 清洗噴水裝置設(shè)計(jì)3) 清洗機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（1（ 驅(qū)動(dòng)方式方案（2（ 移動(dòng)方式方案（3（ 吸附方式方案（4（ 各方案參數(shù)確定（5（ 性能分析4) 清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（1）單片機(jī)控制方案（2）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（3）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.2 擬待解決問題1. 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)：各參數(shù)的計(jì)算，校核。2. 清洗方案：滾刷轉(zhuǎn)速、噴水量及回收水裝置的參數(shù)計(jì)算3. 吸附系統(tǒng)的各參數(shù)計(jì)算，校核及可行性。4. 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4. 技術(shù)路線或研究方法1． 參閱相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)資料，擬確定各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)高樓清洗機(jī)的機(jī)電傳動(dòng)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(diǎn)，綜合優(yōu)化各種設(shè)計(jì)方案，確定最后設(shè)計(jì)方案。如圖 5 所示3．完成清洗機(jī)各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、校核計(jì)算，確定各機(jī)構(gòu)主要零件結(jié)構(gòu)尺寸并畫出草圖4．完成總裝配圖，零件圖，部件圖設(shè)計(jì)和說明書的撰寫。 機(jī)器人本體吸附部分 推進(jìn)部分 清潔部分 控制部分 安全保護(hù)部分風(fēng)壓懸吊吸附履足 沖洗、滾筒刷洗、盤洗聯(lián)合作用單片機(jī)控制 繩索牽引保護(hù)圖 55. 進(jìn)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(bào)告。3 月 17 日~4 月 10 日：機(jī)電系統(tǒng)總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化。4 月 11 日~4 月 30 日：機(jī)械系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。5 月 1 日~5 月 20 日：控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。5 月 21 日~5 月 31 日：導(dǎo)師審核圖紙和說明書。6 月 1 日~6 月 15 日：修改圖紙和設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯。6. 主要參考文獻(xiàn)[1] 于今, 劉雪飛. 一種新型爬壁機(jī)器人研究[J]. 液壓與氣動(dòng), 2010, (10).[2] 吳成東, 趙博宇, 陳莉. 一種基于 DSP 的爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, (2).[3] 黃之峰, 王鵬飛, 李滿天等. 基于柔性靜電吸附技術(shù)的爬壁機(jī)器人研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2011, 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