玻璃清潔機器人吸附機構設計

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1、 題目： 玻璃清潔機器人吸附機構設計 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，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，攜帶清洗設備，是面向現(xiàn)代高層建筑玻璃 外墻表面保潔、清洗服務的極限作業(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)劃的體系結構。在此基礎上，對機器人總體結構進行了設計分析，并應用有

2、關計算理論和計算軟件進行了主要參數(shù)設計和關鍵部件的結構設計，討論了機器人的作業(yè)路徑,運動控制規(guī)劃與吸附機構的設計，最后，應用三維軟件針對所設計的機器人建立了三維實體模型。 關鍵詞:玻璃幕墻清洗，機器人，運動分析 . , , . ,

3、 . 目錄 摘 要 前 言 機器人總體方案規(guī)劃 機器人設計思想 外形尺寸選擇 吸附機構 吸附方式 吸附方式選擇 吸盤結構簡圖 機器人控制原理圖 吸附力分析 材料選擇 吸附力計算 系統(tǒng)抗傾覆計算 其他機構的選擇 射流器選擇 水泵和水管的選擇 密封機構 總 結 參考文獻 致 謝 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

4、一道亮麗的風景。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構，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)對人身安全與玻璃壁面都有很大的威脅性。另一種是用安裝在樓頂?shù)能壍琅c吊索系統(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計之初就要考慮擦窗系統(tǒng)，因

5、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?shù)纳鐣б?、?jīng)濟效益。因此，國內(nèi)外多家研究機構都在積極開展此

6、項研究工作。 機器人總體方案規(guī)劃 機器人設計思想 機器人是傳統(tǒng)的機構學與近代電子技術相結合的產(chǎn)物，是計算機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多學科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復操作和精度高的自動化設備。所以該氣動清洗機器人系統(tǒng)包括機械結構、運動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅動系統(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，本課題在機器人結構上的設計思想是:在保證機器人功能的前提下，力求結構簡單、可

7、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構 是一個需要著重考慮的設計因素。增加機器結構的靈活性，導致的結果是機械結 構變得復雜，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

8、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)機器人的爬行驅動。 為此，我們在結構上采用了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)的往復運動。在再整體結構上帶上個拖把，隨著機器人的移動而移動來擦洗玻璃。結構如圖 這種結構的該機器人，總體來說，具有如下特點： ，模塊化設計，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。 ，結構簡單緊湊，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

9、于協(xié)調(diào)控制。 圖 外形圖 外形尺寸選擇 因吸盤帶有活塞桿，我們把吸盤設計成長方體，為減輕整體重量，盡量把它設計簡單，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， 寬； 厚， 壁厚； 設計行程為 其它尺寸選擇：活塞厚， 桿截面取矩形，長，寬 兩個拖把直接連接在吸盤的外壁上，體積與整體結構相配合，重量輕。

10、 吸附機構 吸附方式 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與移動的能力。目前爬壁機器人吸附方式主要包裹磁吸附，負壓吸附，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磁面上吸附；低真空度負壓吸附采用風機旋轉將負壓腔內(nèi)的空氣抽出產(chǎn)生負壓來吸附，具有一定的壁面適應能力，但存在噪音大，體積大的缺點；高真空度負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，但對壁面的光潔度與透氣

11、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。由于負壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負壓真空吸附的爬壁機器人具有壁面適應能力強和運動速度快等優(yōu)點，因此目前負壓吸附在爬壁機器人中得到廣泛的應用。 真空泵式要帶一個大大的氣泵，且設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)外形成負壓，把吸盤吸住。 水主要是往兩側噴，避免水噴在中間的路徑上影響機器人的吸附和運動，而且

12、，機器人的拖把也固定在兩側，噴完水后，水正好配合運動過程中的擦洗功能。 吸盤結構簡圖 由于吸盤也是機器人運動時類是于液壓缸機構，其結構圖如圖所示： 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 吸盤結構簡圖 機器人控制原理圖 機器人的吸附與運動機構都要水的參與，工作過程如下： ：通電，工作腔沖水，滿后，斷電，與此同時，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，使得吸盤吸附在玻璃上。 ：此時，通電，腔進水，滿后，通電，

13、使腔進水，推動活塞桿向前移動，拉動吸盤往前移動，活塞至中間位置后，壓下行程開關。 ：此時，，斷電，腔再次水滿，腔水經(jīng)水射流發(fā)射器噴水，產(chǎn)生負壓，吸住吸盤. ：此時，通電，腔進滿水后，通電，使腔進水，推動活塞桿前進，使其推動吸盤前進，活塞桿至中間位置后壓下行程開關，，斷電，此時再次充滿水，再射流，如此循環(huán)下去，實現(xiàn)機器人的爬行運動。 圖 機器人控制原理圖 吸附力分析 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動而不變形或破裂，就要求這種材料滿足機器人所必須

14、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（又稱尼龍或綿綸），根據(jù)機械工程材料表， 選擇 ,它的抗拉強度為，抗壓強度為，抗彎強度為，密度為。這種材料可用于汽車，機械等零部件。 吸附力計算 要保證機器人不沿壁下滑，則 （) 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 × × 假設時，即腔里完全真空。 ×× ，× 此時，××××× 系統(tǒng)抗傾覆計算 機器人結構材料的密度小，

15、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，不僅要求在結構上采用盡量簡單的結構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。結合這一簡單結構的特點，機器人在運動時，其力的示意圖如圖所示: 其中代表機器人在壁面行走時由一個吸盤提供的最小吸力，代表機器人的本體重力，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。由圖知，系統(tǒng)最容易以點為

16、中心發(fā)生傾覆，因此，以點為中心，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，就必須滿足式的要求: （） 式中: 為真空吸盤產(chǎn)生的力矩，為系統(tǒng)重力力矩。 圖 由式知，為了使機器人能在玻璃壁面可靠吸附、安全作業(yè)，就應該增加吸盤的吸力，同時增加其力臂。另外，在減輕機器人本體重量的同時，應該減小其作用力臂。這也是我們進行總體方案設計時所遵循的一個重要原則。 而本設計的機器人由于吸附力大于重力很多，且>

17、,機器人有很好的抗顛覆能力，保證機器人不會因為翻轉而掉下。 其他機構的選擇 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)生負壓，使機器人緊靠在玻璃上。由于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。 其結構簡圖如圖示： 圖 射流器結構圖 水泵和水管的選擇 設定推動活塞桿的速度是 它所需流量升分 兩管同時進水時流量升

18、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 工作 電壓 最大輸出壓力 米 進出 < 由于元件有和的通徑或者內(nèi)徑。選用內(nèi)徑為外徑為的硅膠水管與其內(nèi)徑為外徑為的硅膠水管。 密封機構 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，這就要求密閉機構要有一定的防泄漏能力，為此，設計一種密閉結構安裝在矩形吸盤的四周，它由鋁片和橡膠片組成。如圖 圖 密封裝置簡圖 不但吸盤與玻璃壁之間要有密封機構，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

19、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運動密封。 總 結 目前高樓玻璃幕墻清洗機器人在我國應用還基本上沒有展開，而國外已經(jīng)開始投入具體實際應用。我國在這方面的研究大多只是應用在試驗室階段，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用前景，盡快研制出一種能真正投入實際應用的清洗機器人就顯得十分必要。

20、 本文針對國內(nèi)高樓玻璃幕墻的清洗現(xiàn)狀，結合高樓玻璃幕墻清洗作業(yè)的具體 工作環(huán)境，開發(fā)設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構新穎、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論: ，設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)包括結構設計、驅動系統(tǒng)設計、真空吸附系統(tǒng)設計等幾個部分，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構和功能。 ，與傳統(tǒng)的機器人體積大，結構復雜，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。 ，對系統(tǒng)中的主要元器件進行了

21、參數(shù)設計與選型，并詳細介紹了其主要性能參數(shù)。 ，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 []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 []陳沛富.玻璃幕墻清洗機器人設計研究.重慶大學碩士學位論文 []宗光華.高層建筑擦窗機器人.機器人技術與應用 []楊其嘉.機器人清潔工現(xiàn)狀與未來.環(huán)境導報 []吳仲治，李開生，王巍，宗光華.靈巧擦窗機器人速度跟蹤控制系統(tǒng).制造業(yè)自動化卜 [〕

22、張兆君，周廷武，宗光華.擦窗機器人在高層建筑清洗中的應用.建筑技術 []蔡立群.窗玻璃清洗機器人.住宅科技 []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 []譚建榮，張樹有，陸國棟，施岳定.圖學基礎教程.高等教育出版社 []于永泗，齊民.機械工程材料（第七版）.大連理工大學出版社 []陳奎生.液壓與氣壓傳動.武漢理工大學出版社 []楊明忠，朱家誠.機械設計.武漢理工大學出版社 致 謝 本學位論文是在我的導師饒洪輝老師的親切關懷和悉心指

23、導下完成的。她嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，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和不懈的支持。在設計過程中，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，我認真思考，而且不斷和同學討論一起解決，同時我的導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。 雖然設計的過程是漫長而且辛酸的，但在導師的幫助下，我克服了許多困難，學到了很多東西，包括課堂當中沒有涉與到得內(nèi)容。這次設計使我樹立了面對困難，并勇于解決問題的信心。十分感謝導師給我的大力支持和精心指導。 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)設計答辯，對此我表示真摯的謝意！