1、 題目：玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)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，提出了分層次規(guī)劃的體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并應(yīng)用有關(guān)計(jì)算理論和計(jì)算軟件進(jìn)行了主要參數(shù)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，討論了機(jī)器人的作業(yè)路徑，運(yùn)動控制規(guī)劃及吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后，應(yīng)用Pro/ENG三維軟件針對所設(shè)計(jì)的機(jī)器人建立了三維實(shí)體模型。關(guān)鍵詞:玻璃幕墻清

2、洗，機(jī)器人，運(yùn)動分析ABSTRACTGlass-wallcleaningrobotisoneofrobotforlimitedoperation9whichcanwalkonVerticalglass-wallwithwashingdevices.Itisarobotwithspecificappliedfunctions,Basedonwall-climbingrobottechniques.forspecificobjects.AnditworksonverticalGlass-wall,whereisdangerousforhumanbeings.Itisarobotcouldconqu

3、erthegravityeffectandcarrycleaningequipmentsfacingtoglass-wallsurfacebeautifyingserviceofmodernhigh-risebuildings.Firstly,thewholeframeoftheglasswallcleaningrobotisintroduced,andtheLevel-basedplanningisdiscussedalso.Basedonthis,thedesigningandanalyzingOfthestructureoftherobotaredescribedindetails,th

4、emainparametersdesigningandstructuredesigningofthekeypartsarealsoprocessedbyusingsomeofcorrelativecalculatingtheoriesandsoft.Then,mission-orientedandlocalmotionplanningarediscussed.Atlast,three-dimensionalmodeloftherobotareestablishedbyMeansofPro/ENGINEER,soft.Keywords:Glasswallcleaningrobotvacuumad

5、sorptionsystem目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 摘要1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document ABSTRACT1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1前言3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2機(jī)器人總體方案規(guī)劃4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1機(jī)器人設(shè)計(jì)思想4 HYPERLINK l bookmar

6、k16 o Current Document 2.2外形尺寸選擇5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3吸附機(jī)構(gòu)6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.1吸附方式6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.1.1吸附方式選擇6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.1.2吸盤結(jié)構(gòu)簡圖7 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.1.3機(jī)器人控制原理圖7

7、 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.2吸附力分析8 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.2.1材料選擇8 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.2.2吸附力計(jì)算9 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 3.2.3系統(tǒng)抗傾覆計(jì)算9 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.3其他機(jī)構(gòu)的選擇10 HYPERLINK l bookmark54 o Curr

8、ent Document 3.3.1射流器選擇10 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.3.2水泵和水管的選擇11 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.3.3密封機(jī)構(gòu)11 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 4總結(jié)13 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 參考文獻(xiàn)14151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

9、好，彩色玻璃實(shí)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(qiáng)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(jì)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

10、來完成這項(xiàng)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(xiàng)繁重、危險、耗資的工作。如果用人去清洗，不僅花費(fèi)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(yùn)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?、?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(xiàng)研究工作。2機(jī)器人總體方案規(guī)劃2.1機(jī)器人設(shè)計(jì)思想機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子

11、技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(yùn)行穩(wěn)定。因?yàn)榕辣跈C(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(jì)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

12、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。水射流式清洗機(jī)器人，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(shí)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(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的一直往前爬行運(yùn)動，而避免只

13、有一個活塞吸盤能實(shí)現(xiàn)的往復(fù)運(yùn)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(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)，整個外形由同一種高分子有計(jì)劃和工程材料組成，便于連接和控制。結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量輕，同一動力實(shí)現(xiàn)吸附和爬行運(yùn)動兩種功能，減少動力來源。便于協(xié)調(diào)控制。圖1外形圖22外形尺寸選擇因吸盤帶有活塞桿，我們把吸盤設(shè)計(jì)成長方體，為減輕整體重量，盡量把它設(shè)計(jì)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L=150mm，寬B=100mm；厚H=40mm，壁厚h=10mm；設(shè)計(jì)行程為s=50mm其它尺寸

14、選擇：活塞厚d=30mm,桿截面取矩形，長l=30mm,寬b=15mm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。3吸附機(jī)構(gòu)3.1吸附方式3.1.1吸附方式選擇爬壁機(jī)器人最主要的一個特點(diǎn)是機(jī)器人可以克服重力作用，在一點(diǎn)傾斜度，垂直或倒立的壁面上具有靜止及移動的能力。目前爬壁機(jī)器人吸附方式主要包裹磁吸附，負(fù)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(dǎo)磁面上吸附；低真空度負(fù)壓吸附采用風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)將負(fù)壓腔內(nèi)的空氣抽出產(chǎn)生負(fù)壓來吸附，具有一定的壁面適應(yīng)能力，但存在噪音大，體積大的缺點(diǎn)；高真空度負(fù)壓吸附方式則由真空泵

15、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(diǎn)，但對壁面的光潔度及透氣性有較高的要求；螺旋槳推壓靠合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力將機(jī)器人貼附在壁面上，但也存在噪音大的缺點(diǎn)。由于負(fù)壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負(fù)壓真空吸附的爬壁機(jī)器人具有壁面適應(yīng)能力強(qiáng)和運(yùn)動速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此目前負(fù)壓吸附在爬壁機(jī)器人中得到廣泛的應(yīng)用。真空泵式要帶一個大大的氣泵，且設(shè)計(jì)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(fù)壓，

16、把吸盤吸住。水主要是往兩側(cè)噴，避免水噴在中間的路徑上影響機(jī)器人的吸附和運(yùn)動，而且，機(jī)器人的拖把也固定在兩側(cè)，噴完水后，水正好配合運(yùn)動過程中的擦洗功能。3.1.2吸盤結(jié)構(gòu)簡圖由于吸盤也是機(jī)器人運(yùn)動時類是于液壓缸機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附功能。圖2吸盤結(jié)構(gòu)簡圖3.1.3機(jī)器人控制原理圖機(jī)器人的吸附與運(yùn)動機(jī)構(gòu)都要水的參與，工作過程如下：1：2YA通電，工作腔1沖水，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

17、，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B.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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行運(yùn)動。圖3機(jī)器人控制原理圖3.2吸附力分析3.2.1材料選擇要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附和運(yùn)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(jī)器人不掉下了，就必須要求材料輕。而要保證來自水的驅(qū)動而不變形或破裂，就要求這種材料滿足機(jī)

18、器人所必須的強(qiáng)度和硬度。因此，選擇一種工程塑料來作為機(jī)器人的整體材料。今選擇聚酰胺PA（又稱尼龍或綿綸），根據(jù)機(jī)械工程材料表9-2，選擇PA-66,它的抗拉強(qiáng)度為5783MP，抗壓強(qiáng)度為90120MP，抗彎強(qiáng)度為60110MP，密度為1.141.15g-cm-3。這種材料可用于汽車，機(jī)械等零部件。3.2.2吸附力計(jì)算要保證機(jī)器人不沿壁下滑，則Fmin摩總9總=G水+G其他材料要保證機(jī)器人不會掉下，就必須在最小的吸附力作用下時，機(jī)器人還不會掉下，因此：當(dāng)Amin=0.05X0.08=0.004m2吸Fmin=PcX0.004吸假設(shè)Pc=P0時，即腔里完全真空。Fmin=PcX0.004=P0X0

19、.004=400N吸卩=0.2，F(xiàn)min=400X0.2=80N摩此時，G水=pgv=3X1.0X103X0.05X0.08X0.03=0.36N3.2.3系統(tǒng)抗傾覆計(jì)算機(jī)器人結(jié)構(gòu)材料的密度小，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(yuǎn)小于摩擦力。該機(jī)器人，不僅要求在結(jié)構(gòu)上采用盡量簡單的結(jié)構(gòu)來減輕機(jī)器人的本體量，同時機(jī)器人還有一個重要的基本功能就是運(yùn)動。因此怎樣保證機(jī)器人的運(yùn)動過程中的動態(tài)負(fù)載能力和平衡，這對于機(jī)器人本體的安全運(yùn)行非常的重要。機(jī)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(jī)器人在壁面移動時力的平衡。結(jié)合這一簡單結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，機(jī)器人在運(yùn)動時，其力的

20、示意圖如圖4所示：其中F代表機(jī)器人在壁面行走時由一個吸盤提供的最小吸力，G代表機(jī)器人的本體重力，N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4知，系統(tǒng)最容易以A點(diǎn)為中心發(fā)生傾覆，因此，以A點(diǎn)為中心，建立系統(tǒng)的力矩方程，使機(jī)器人能穩(wěn)定可靠的在壁面上行走和工作，就必須滿足式3的要求:(1)式中：FxL為真空吸盤產(chǎn)生的力矩，GxL為系統(tǒng)重力力矩。12TI圖4-面可!安全作業(yè)，就應(yīng)該增加吸體重量的同時，應(yīng)該減小由式1知，為了使機(jī)器人能在玻而本設(shè)計(jì)的機(jī)器人由于吸附力FC于重力G很多，且L1L2,機(jī)器人有很好的盤的吸力，同時增加其力臂Ll。命外在減輕機(jī)器人本其作用力臂L2。這也是我們進(jìn)行

21、總體方案設(shè)計(jì)時所遵循的一個重要原則?？诡嵏材芰?，保證機(jī)器人不會因?yàn)榉D(zhuǎn)而掉下。3.3其他機(jī)構(gòu)的選擇3.3.1射流器選擇由于機(jī)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(fù)壓，使機(jī)器人緊靠在玻璃上。由于1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(jié)構(gòu)簡圖如圖5示:3.3.2水泵和水管的選擇設(shè)定推動活塞桿的速度是u=5mm/s它所需流量Q=0.005X0.08X0.03=0.000012m3/s=0.72升/分兩管同時進(jìn)水時流量Q=2X7.2=1.44升/分今選用水泵參數(shù)如下表所

22、示：型號最大流量最高揚(yáng)程進(jìn)出口內(nèi)徑工作電流A工作電壓V最大輸出壓力ASP55262.6L/min55米進(jìn)6出10=2.2120.55MP由于元件有6mm和8mm的通徑或者內(nèi)徑。選用內(nèi)徑為6mm外徑為8mm的硅膠水管及其內(nèi)徑為8mm外徑為10mm的硅膠水管。3.3.3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(shí)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(jì)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6圖6密封裝置簡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?yàn)樗哂辛己玫拿芊庑阅?，耐高壓，壽命長，通過

23、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(yùn)動密封。_LtXH-Iu乙5J丿11經(jīng)VU-aCrPbJAlj口！呵口itt.JUiiUtWUl-UtXkItXH步進(jìn)電拭hutoCAl圖形64KB覦帶utoCAL明形91KB軸2AutoCAD圖形63KBMicrosoftFowerF.SOOKB畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)評語參考MicrosoftWord文檔畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書MiqrosbftWord31KB文檔成績呈報表MicrozuftExcel21KB答辯老師專用LIicroecitWordV檔34KB齒輪AutoCAD圖形76KB聯(lián)軸器AutoCAD圖形62KB軸AutoCAD圖形68KB裝配

24、圖AntoCAT圖形105KB畢業(yè)設(shè)計(jì)資料袋封面LIicrosuftWdrd文社36KE江西農(nóng)業(yè)犬學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)申諳書MicrosoftWord文社評審意見表MiurosoftWqrd文檔29KB指導(dǎo)老師評分表.MiprosbftWord文檔31KB4總結(jié)目前高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，而國外已經(jīng)開始投入具體實(shí)際應(yīng)用。我國在這方面的研究大多只是應(yīng)用在試驗(yàn)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(jī)器人可以用來擦玻璃，但它還是處于試驗(yàn)運(yùn)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(jī)器人有十分廣闊的應(yīng)用

25、前景，盡快研制出一種能真正投入實(shí)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(jì)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(diǎn)。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(jì)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(jì)、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、真空吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)等幾個部分，并對系統(tǒng)的一個步距的運(yùn)動進(jìn)行了分析，全面了解了這種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能。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(yùn)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(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)及選型，并詳細(xì)介紹了其主要性能參數(shù)。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