玻璃清潔機(jī)器人的設(shè)計摘要高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人是特種機(jī)器人的一個分支。它是基于壁面移動機(jī)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(jī)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(jī)器人。論文首先對機(jī)器人總體方案進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上，對機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計分析。其次重點介紹了機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，討論了機(jī)器人的作業(yè)路徑及運動控制規(guī)劃。最后，簡單介紹了機(jī)器人的擦洗機(jī)構(gòu)。關(guān)鍵詞玻璃，幕墻清洗機(jī)器人，驅(qū)動機(jī)構(gòu)，擦洗機(jī)構(gòu)，密封機(jī)構(gòu)DESIGNOFGLASSCLEANINGROBOTABSTRACTGLASSWALLCLEANINGROBOTISONEOFROBOTFORLIMITEDOPERATION,WHICHCANWALKONVERTICALGLASSWALLWITHWASHINGDEVICESITISAROBOTWITHSPECIFICAPPLIEDFUNCTIONS,BASEDONWALLCLIMBINGROBOTTECHNIQUESFORSPECIFICOBJECTSANDITWORKSONVERTICALGLASSWALL,WHEREISDANGEROUSFORHUMANBEINGSITISAROBOTCOULDCONQUERTHEGRAVITYEFFECTANDCARRYCLEANINGEQUIPMENTS,FACINGTOGLASSWALLSURFACEBEAUTIFYINGSERVICEOFMODERNHIGHRISEBUILDINGSFIRSTLY,THEWHOLEFRAMEOFTHEGLASSWALLCLEANINGROBOTISINTRODUCED,BASEDONTHIS,THEDESIGNINGANDANALYZINGOFTHESTRUCTUREOFTHEROBOTAREDESCRIBEDINDETAILSTHEN,INTRODUCINGTHEDRIVEMECHANISMOFTHEROBOT,DISCUSSEDTHEOPERATIONOFTHEROBOTPATHPLANNINGANDMOTIONCONTROLFINALLY,ABRIEFINTRODUCTIONOFTHEROBOTBODYSCRUBKEYWORDSGLASS,WALLCLEANINGROBOT,DRIVINGMECHANISMSCRUBMECHANISM,SEALINGMECHANISM1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(jìn)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(jìn)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(jī)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動擦洗。這種方式初次投資成本較高高達(dá)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(jī)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(jìn)行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。高層建筑清洗機(jī)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妗⒔?jīng)濟(jì)效益。因此，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項研究工作。2玻璃清潔機(jī)器人總體方案規(guī)劃21機(jī)器人設(shè)計思想機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)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(jī)器人工作場所的特殊性，本課題在機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的設(shè)計思想是在保證機(jī)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(jī)器人在行進(jìn)過程中需要克服自身重力，所以較輕的機(jī)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(jī)器結(jié)構(gòu)的靈活性，導(dǎo)致的結(jié)果是機(jī)械結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，需要使用到的機(jī)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(jī)器人是一種爬壁機(jī)器人，因此，它必須具備兩大功能負(fù)壁和移動功能。在本機(jī)器人系統(tǒng)中，考慮到機(jī)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(jī)器人。22機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案運用水射流式清洗機(jī)器人，能夠巧妙地把供水，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(jī)器人可以抽真空吸附在玻璃上。這樣就不像現(xiàn)已有的機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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機(jī)器人活塞吸盤結(jié)構(gòu)圖這款機(jī)器人在總體結(jié)構(gòu)上輕巧，簡單，把玻璃清潔機(jī)器人兩個最重要的部分吸附機(jī)構(gòu)和擦洗機(jī)構(gòu)巧妙地融合在一起，減少了以其它動力來實現(xiàn)這兩種功能的復(fù)雜性，具有很好的研究前景。3驅(qū)動機(jī)構(gòu)和擦洗機(jī)構(gòu)31驅(qū)動機(jī)構(gòu)分析311驅(qū)動方式80年代以來，自動化、省力化得到迅速發(fā)展。自動化、省力化的主要方式有機(jī)械方式、電氣方式、電子方式、液壓方式和氣動方式等。這些方式都有各自的優(yōu)缺點及其最適合的使用范圍。實際應(yīng)用中必須對各種技術(shù)進(jìn)行比較，揚長避短，選出最適合方式或幾種方式的恰當(dāng)組合，以使系統(tǒng)更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更安全、更簡單。表1各種傳動與控制方式的比較機(jī)械方式電氣方式電子方式液壓方式氣動方式驅(qū)動力不太大不太大小大稍大驅(qū)動速度小大大小大受負(fù)載影響幾乎沒有幾乎沒有幾乎沒有較小大維護(hù)簡單有技術(shù)要求技術(shù)要求高簡單簡單遠(yuǎn)程操作難很好很好較良好良好綜合表1的比較，且由于機(jī)械驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量重，與前面吸附方式不合適，所以排除。吸附機(jī)構(gòu)沒用汽缸，固驅(qū)動方式也不用了。再則，與前面的水射流式吸附方式匹配，我們用液壓方式驅(qū)動，只是把所用的油改成水。這種特殊的驅(qū)動方式結(jié)合了液壓驅(qū)動原理和水的功能，做到了水既是清潔劑，又是動力源。312運動過程控制原理分析機(jī)器人采用清潔水來驅(qū)動，其控制過程如圖2所示運動過程分析（1）2YA通電，工作腔1進(jìn)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(jìn)水，滿后，1YA通電，使2腔進(jìn)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B3YA4YA1YA2三三2XO三三三三2X圖2控制過程驅(qū)動圖（4）此時，2YA通電，1腔進(jìn)滿水后，3YA通電，使4腔進(jìn)水，推動活塞桿B前進(jìn)，使其推動吸盤A前進(jìn)，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(jī)器人的爬行運動。電磁鐵的動作表21YA2YA3YA4YA1腔進(jìn)水1腔水滿射流3腔進(jìn)水2，3腔同進(jìn)水3腔水滿射流1腔進(jìn)水1，4腔同進(jìn)水1腔水滿表2為電磁鐵動作表，通過此表可以看出工作中液壓系統(tǒng)的基本回路。313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(jī)器人牢牢吸附在玻璃上。則所選尺寸如下長L150MM，寬B100MM；厚H40MM，壁厚H10MM；設(shè)計行程為S50MM其它尺寸選擇活塞厚D30MM，桿截面取矩形，長L30MM，寬B15MM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。314小結(jié)在驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計和規(guī)劃中，重點介紹了機(jī)器人的驅(qū)動方式，通過液壓方式的驅(qū)動系統(tǒng)原理介紹，運動規(guī)劃圖來詳細(xì)介紹所設(shè)計機(jī)器人。32擦洗機(jī)構(gòu)分析由于考慮到機(jī)器人領(lǐng)域的整體復(fù)雜性，而且本機(jī)器人的主要目的是為了實現(xiàn)機(jī)器人的吸附和爬行運動。擦洗機(jī)構(gòu)就用兩個拖把固定在機(jī)器人的外殼上，隨著機(jī)器人的運動而運動但必須保證吸盤吸附時，拖把能緊緊貼在玻璃上，實現(xiàn)擦洗功能。這樣的話，拖把在生產(chǎn)與安裝上都要達(dá)到一定制造精度和配合精度，實現(xiàn)把玻璃擦干凈。由于水往機(jī)器人兩側(cè)噴水，擦洗機(jī)構(gòu)也就固定在吸盤兩側(cè)。4其它元件選擇41密封機(jī)構(gòu)由于玻璃平面有一定程度的凸凹不平，機(jī)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(jī)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5圖3密封示意圖不但吸盤與玻璃壁之間要有密封機(jī)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。42換向閥和溢流閥的選擇在液壓控制機(jī)器人的運動過程中，必須選用一些液壓控制閥來控制機(jī)構(gòu)運動。首先，選用一個O型三位四通電磁換向閥，不通電時，P,A,B,T四口全封閉，電磁鐵通電后，所對應(yīng)的管口就接通，進(jìn)行工作。其次，還選用一個直動型溢流閥，它可以起到調(diào)壓，穩(wěn)壓和限壓的作用。再次，選用兩個行程開關(guān)，它配合電磁換向閥來工作，使提供吸附作用的水和驅(qū)動機(jī)器人移動的水完美結(jié)合使用。5總結(jié)目前高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人在我國大多只是應(yīng)用在試驗室階段，并沒有具體作為產(chǎn)品推廣，而國外已經(jīng)開始投入具體實際應(yīng)用。因此，國內(nèi)清洗機(jī)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(jī)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(jī)器人，該清洗機(jī)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(jìn)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(jī)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、擦洗機(jī)構(gòu)分析。對機(jī)器人作業(yè)中的具體行走路徑進(jìn)行了規(guī)劃，并對整個機(jī)器人運動的液壓控制原理進(jìn)行了分析，來保證機(jī)器人的正常工作。2，與傳統(tǒng)的機(jī)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(jī)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(jìn)行了參數(shù)設(shè)計及選型，并詳細(xì)介紹了其主要性能參數(shù)。參考文獻(xiàn)1王園宇，武利生，李元宗壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢淺析引進(jìn)與咨詢【J】200242陳沛富玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計研究【D】重慶大學(xué)200653宗光華高層建筑擦窗機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用【J】1998204楊其嘉機(jī)器人清潔工現(xiàn)狀及未來環(huán)境導(dǎo)報【J】199435朱龍根簡明機(jī)械零件設(shè)計手冊【M】機(jī)械工業(yè)出版社