1、学校代码： 10410 序 号： 20050383 本 科 毕 业 设 计 题目： 玻璃清洁机器人吸附机构设计 摘 要 高楼玻璃幕墙清洗机器人是特种机器人的一个分支。它是基于壁面移动机 器 人技术，并针对具体的作业对象，具有明确功能的实用机器人，其工作在垂直危 险的玻璃壁面，能够克服重力的作用，携带清洗设备，是面向现代高层建筑玻璃 外墙表面保洁、清洗服务的极限作业机器人。 论文首先对机器人总体方案进行介绍，提出了分层次规划的体系结构。在此基础上，对机器人总体结构进行了设计分析，并应用有关计算理论和计算软件进行了主要参数设计和关键部件的结构设计，讨论了机器人的作业路径 ,运动控制玻璃清洁机器人吸
2、附机构设计 2 规划及吸附机构的设计，最后，应用 Pro/ENG 三维软件针对所设计的机器人建立了三维实体模型。 关键词 :玻 璃幕墙清洗，机器人，运动分析 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
3、 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 r
4、obot 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 theo
5、ries 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 目录 摘 要 . 1 ABSTRACT . 2 1 前 言 . 3 2 机器人总体方案规划 . 4 2.1 机器人设计思想 . 4 2.2 外形
6、尺寸选择 . 6 3 吸附机构 . 6 3.1 吸附方式 . 7 3.1.1 吸附方式选择 . 7 玻璃清洁机器人吸附机构设计 3 3.1.2 吸盘结构简图 . 7 3.1.3 机器人控制原理图 . 8 3.2 吸附力分析 . 9 3.2.1 材料选择 . 9 3.2.2 吸附力计算 . 10 3.2.3 系统抗倾覆计算 . 10 3.3 其他机构的选择 . 11 3.3.1 射流器选择 . 11 3.3.2 水泵和水管的选择 . 12 3.3.3 密封机构 . 12 4 总 结 . 14 参考文献 . 15 致 谢 . 16 1 前 言 在现代都市中，高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为
7、现代都市中一道亮丽的风景。在建筑业，由于玻璃的采光性好，保温防潮性能好，彩色玻璃实用美观，高层建筑的外壁越来越多 地采用玻璃幕墙结构，但是为了保证建筑外观的整洁美丽，时间一长，就需要对壁面进行清洗，以美化市容市貌。许多开放性城市都规定，每年应对高楼清洗若干次。 目前高层建筑玻璃幕墙的清洗方法主要有两种，一种是靠升降平台或吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗，虽简便易行，但劳动强度大，工作效率又低，属于高空极限作业对人身安全及玻璃壁面都有很大的威胁性。另一种是用安装在楼玻璃清洁机器人吸附机构设计 4 顶的轨道及吊索系统将擦窗机对准窗户进行自动擦洗。这种方式初次投资成本较高 (高达数百万元 )，而且要
8、求在建筑物设计之初就要考虑擦窗系统，因而限制了其使用， 因此急需一种能代替人而又有一定灵活性和适用性的自动机器来完成这项工作，而且玻璃幕墙一般面积较大，大多处于几十米甚至上百米的高处，且周围无可攀援的支架，这就使得玻璃幕墙的清洗成为一项繁重、危险、耗资的工作。如果用人去清洗，不仅花费高，而且安全难以保证。特别是目前一些国家和地区已经通过立法对包括擦窗作业在内的人工高空攀爬进行了限制，人们不得不寻找其它解决办法。 高层建筑清洗机器人正是在这种背景下应运而生。它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展 ，带来相当的社会效益、经济效益。因此，
9、国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。 2 机器人总体方案规划 2.1 机器人设计思想 机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度高的自动化设备。所以该气动清洗机器人系统包括机械结构、运动规划、传感器系统、驱动系统、控制系 统等几部分。 由于我们所开发的清洗机器人工作场所的特殊性，本课题在机器人结构上的设计思想是 :在保证机器人功能的前提下，力求结构简单、可靠性高、运行稳定。 因为爬壁机器人在行进过程中需要克服自身重力，所以较轻的机器人本体结构 玻璃清洁机器人吸附机构
10、设计 5 是一个需要着重考虑的设计因素。增加机器结构的灵活性，导致的结果是机械结 构变得复杂，需要使用到的机械元器件增多，重量必然增加，同时控制的复杂性 也增加。 高楼幕墙清洗机器人是一种爬壁机器人，因此，它必须具备两大功能：负壁和移动功能。 在本机器人系统中，考虑到机器 人要有清洗功能，我们就到了水作为清洁剂来清洗，在提供水的过程中，我们又把它当做动力源，可以说只要有水就能让它工作。因此我们主要考虑到了用水射流式清洗机器人。 水射流式清洗机器人，巧妙地把供水，供能，抽气整合为一体。利用清洁水流经射流发射器时产生的负压来控制吸盘，机器人可以抽真空吸附在玻璃上。这样就不像现已有的机器人那样，需要
11、带上一个大大的气泵。再利用水流经射流发射器产生的被压来推动活塞杆，实现机器人的爬行驱动。 为此，我们在结构上采用了 2 个带活塞杆吸盘互相运动，来实现机器人的一直往前爬行运动，而避免只有一个 活塞吸盘能实现的往复运动。在再整体结构上带上 2 个拖把，随着机器人的移动而移动来擦洗玻璃。结构如图 1 这种结构的该机器人，总体来说，具有如下特点： 1，模块化设计，整个外形由同一种高分子有计划和工程材料组成，便于连接和控制。 2，结构简单紧凑，重量轻，同一动力实现吸附和爬行运动两种功能，减少动力来源。便于协调控制。 玻璃清洁机器人吸附机构设计 6 图 1 外形图 2.2 外形尺寸选择 因吸盘带有活塞杆
12、，我们把吸盘设计成长方体，为减轻整体重量，尽量把它设计简单，轻巧，受力面积相对厚度尽量大，使负压大，重量轻，保证机器人牢牢吸附在玻璃上。则所选尺寸如下： 长 L=150mm， 宽 B=100mm； 厚 H=40mm， 壁厚 h=10mm； 设计行程为 s=50mm 其它尺寸选择：活塞厚 d=30mm， 杆截面取矩形，长 l=30mm，宽 b=15mm 两个拖把直接连接在吸 盘的外壁上，体积与整体结构相配合，重量轻。 3 吸附机构 玻璃清洁机器人吸附机构设计 7 3.1 吸附方式 3.1.1 吸附方式选择 爬壁机器人最主要的一个特点是机器人可以克服重力作用，在一点倾斜度，垂直或倒立的壁面上具有静
13、止及移动的能力。目前爬壁机器人吸附方式主要包裹磁吸附，负压吸附，螺旋桨推压等，今年来又出来现了胶吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蜗牛的湿吸附，类攀岩抓持吸附，该类吸附方式只适合在导磁面上吸附；低真空度负压吸附采用风机旋转将负压腔内的空气抽出产生负压来吸附，具有一定的壁面适应能力，但 存在噪音大，体积大的缺点；高真空度负压吸附方式则由真空泵在真空吸盘内产生一定得真空度，其具有噪音小，易于小型化集成的优点，但对壁面的光洁度及透气性有较高的要求；螺旋桨推压靠合理布置螺旋桨的角度，利用螺旋桨旋转产生的推力将机器人贴附在壁面上，但也存在噪音大的缺点。由于负压吸附具有适用面广，不受壁面材料限制，而且低负压真空吸
14、附的爬壁机器人具有壁面适应能力强和运动速度快等优点，因此目前负压吸附在爬壁机器人中得到广泛的应用。 真空泵式要带一个大大的气泵，且设计要求需要清洁水擦玻璃，固采用水射流式抽气吸附。这种方案前 面已经提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盘里后，经射流器力射流泵提供的动力，再把水经喷头往外喷，把里面的空气带走，喷完后，吸盘内外形成负压，把吸盘吸住。 水主要是往两侧喷，避免水喷在中间的路径上影响机器人的吸附和运动，而且，机器人的拖把也固定在两侧，喷完水后，水正好配合运动过程中的擦洗功能。 3.1.2 吸盘结构简图 由于吸盘也是机器人运动时类是于液压缸机构，其结构图如图 2 所示： 它是长方形吸盘
15、，工作时最多只有一半用来射流喷水产生吸附，实现机器人的吸附功能。 玻璃清洁机器人吸附机构设计 8 图 2 吸盘结构简图 3.1.3机器人控制原理图 机器人的吸附与运动机构都要水的参与，工作过程如下： 1： 2YA 通电，工作腔 1 冲水，满后， 2YA 断电，与此同时， 1 腔里的水经射流发射器喷出，带走里面的空气，形成负压，使得吸盘 A 吸附在玻璃上。 2：此时， 4YA 通电， 3 腔进水，满后， 1YA 通电，使 2 腔进水，推动活塞杆a 向前移动，拉动吸盘 B 往前移动，活塞至中间位置后，压下行程开关。 3：此时， 1YA， 4YA 断电 ， 3 腔再次水满， 3 腔水经水射流发射器喷
16、水，产生负压，吸住吸盘 B. 4：此时， 2YA 通电， 1 腔进满水后， 3YA 通电，使 4 腔进水，推动活塞杆b 前进，使其推动吸盘 A 前进，活塞杆至中间位置后压下行程开关， 2YA， 3YA断电，此时 1 再次充满水，再射流，如此循环下去，实现机器人的爬行运动。 玻璃清洁机器人吸附机构设计 9 图 3 机器人控制原理图 3.2 吸附力分析 3.2.1 材料选择 要实现机器人的吸附和运动，在吸附力面积有限，而又有水的自 身重力的情况下，保证机器人不掉下了，就必须要求材料轻。而要保证来自水的驱动而不变形或破裂，就要求这种材料满足机器人所必须的强度和硬度。因此，选择一种工程塑料来作为机器人
17、的整体材料。 今选择聚酰胺 PA（又称尼龙或绵纶），根据机械工程材料表 9-2， 选择 PA-66,它的抗拉强度为 5783MP，抗压强度为 90120MP，抗弯强度为60110MP，密度为 1.141.15 3cmg 。这种材料可用于汽车，机械等零部件。 玻璃清洁机器人吸附机构设计 10 3.2.2吸附力计算 要保证机器人不沿壁下滑，则 Fmin摩 G总 （ G总 =G水 +G其他材料 ) 要保证机器人不会掉下，就必须在最小的吸附力作用下时，机器人还不会掉下，因此： 当 Amin吸 =0.05 0.08=0.004m2 Fmin吸 =Pc 0.004 假设 Pc=P0 时，即腔里完全真空。
18、Fmin吸 =Pc 0.004=P0 0.004=400N =0.2， Fmin摩 =400 0.2=80N 此时， G水 = gv=3 1.0 103 0.05 0.08 0.03=0.36N 3.2.3 系统抗倾覆计算 机器人结构材料的密度小，整体体积不是很大，所以重量小，加上水后所产生的总重力也远小于摩擦力。 该机器人，不仅要求在结构上采用尽量简单的结构来减轻机器人的本体量，同时机器人还有一个重要的基本功能就是运 动。因此怎样保证机器人的运动过程中的动态负载能力和平衡，这对于机器人本体的安全运行非常的重要。机器人在壁面上移动时 ,都是通过两个类是活塞缸的洗盘提供的吸力来维持机器人在壁面移动时力的平衡。结合这一简单结构的特点，机器人在运动时，其力的示意图如图 4 所示 : 其中 F 代表机器人在壁面行走时由一个吸盘提供的最小吸力， G 代表机器人的本体重力， N 代表位于壁面下端的一个吸盘在移动过程中墙壁对它的支持力。由图 4 知，系统最容易以 A 点为中心发生倾覆，因此，以 A 点为中心，建立系统的力矩方程，使机器人能稳定可靠的在壁面上行走 和工作，就必须满足式 3 的要求 : 21 LGLF （ 1） 式中 : 1LF 为真空吸盘产生的力矩， 2LG 为系统重力力矩。
