高空擦玻璃機器人本體設(shè)計與計算過程案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u6669高空擦玻璃機器人本體設(shè)計與計算過程案例概述 1124441.1前言 19691.2提升以及橫移裝置設(shè)計 1257051.3高空擦玻璃機器人旋翼設(shè)計 361451.4螺旋槳推力與刷盤水平摩擦力的關(guān)系 643531.5旋翼傾角的確定 7281801.6高空擦玻璃機器人的清潔系統(tǒng)設(shè)計 9133981.7噴嘴的選擇 101.1前言本次課題的研究目標為針對城市高樓幕墻外表面環(huán)境，設(shè)計一種能代替人工，自動清潔壁面的高空擦玻璃機器人。同時，對驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)進行設(shè)計計算，選擇合適的提升橫移裝置、驅(qū)動電機及螺旋翼、清洗驅(qū)動電機。1.2提升以及橫移裝置設(shè)計高空擦玻璃機器人工作時，需要的力來自兩個方向：由電機帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生垂直于壁面的力，這是清洗所需要的，螺旋槳正轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸附壁于墻面的動作，螺旋槳反轉(zhuǎn)產(chǎn)生離開墻面的動作，同時調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使機器人保持在距離墻面一定的距離內(nèi)。提升裝置完成清洗機器人上升與下降的動作；導軌上的滑輪與同步帶連接在一起，并有蝸輪蝸桿減速電機驅(qū)動。機器人正常工作時，提升裝置上的電機帶動卷筒進行勻速轉(zhuǎn)動，使鋼絲繩帶動擦玻璃機器人勻速下降，同時機器人在自身螺旋槳的推動下吸附在玻璃壁面上，從而達到清潔的目的。當一個區(qū)域的玻璃平面被清潔完后，機器人需要越障到另一個區(qū)域，此時需要渦輪蝸桿減速電機驅(qū)動提升裝置進行上下或左右運動，同時擦玻璃機器人的螺旋槳翻轉(zhuǎn)，以防止機器人接觸到壁面，越障結(jié)束后，裝置會重復之前的運動進行另一個區(qū)域的清潔[19]。對提升裝置的指標要求如表3-1所示。表3-1提升裝置參數(shù)參數(shù)指標起重量100kg起升高度25m起升速度6m/min運行速度6m/min跨距25m鋼絲繩直徑6mm要求快速制動、準確定位、頻繁啟動由表3-1可知，從提升裝置的功能來看，市場上現(xiàn)有的帶行走機構(gòu)的電動葫蘆（圖3-1）可以完成其功能。行走式電動葫蘆由橫向行走機構(gòu)和提升機構(gòu)組成。電動葫蘆的橫向行走機構(gòu)由導軌上的滑輪與同步帶連接在一起，并有蝸輪蝸桿減速電機驅(qū)動，控制電動葫蘆的左右運動。起升機構(gòu)用市面上已有的電動葫蘆就能達到技術(shù)要求[14]。經(jīng)過SolidWorks實體建模，帶行走機構(gòu)的電動葫蘆三維模型如圖3-2所示。圖3-1電動葫蘆實物圖圖3-2提升橫移裝置三維模型圖選擇合適的電動葫蘆。根據(jù)提升裝置參數(shù)設(shè)定，選擇H-K微型電動葫蘆規(guī)格H-K201[19]，其主要參數(shù)如表3-2所示。表3-2電動葫蘆參數(shù)型號額定起重量（kg）起升高度（m）起升速度（m/min）輸入功率（w）H-K201電動葫蘆20025811501.3高空擦玻璃機器人旋翼設(shè)計通過第二章的分析研究可知，高空擦玻璃機器人是利用四個角的螺旋翼的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，從而使整個結(jié)構(gòu)連續(xù)穩(wěn)定地吸附在玻璃壁面上。這時，機器人會給壁面一定的壓力，方向垂直于壁面內(nèi)部。同時，建筑物的壁面不可能都是豎直的，存在帶有傾角的斜面墻，這種墻面有兩種：即負角度墻和正角度墻，一種是沿垂直墻向外傾斜，一種是沿著垂直墻向內(nèi)傾斜。當擦玻璃機器人工作遇到到這兩種壁面時，機器人的運動和正常狀態(tài)下一樣，與壁面的吸附力仍然由四組螺旋槳產(chǎn)生的推力提供。機器人在清理正負傾玻璃壁面時，需要克服機器人自身在越障和正常工作過程中的重力[15]。因此，在確定螺旋槳驅(qū)動電機和螺旋槳型號之前，必須對機器人在這兩種狀態(tài)下進行受力分析，確定其臨界傾角。臨界狀態(tài)下的機器人受力情況如圖3-3所示。負角度墻正角度墻負角度墻正角度墻圖3-3兩種狀態(tài)下機器人的受力（1）機器人在負角度壁面上的受力。清洗機器人的四組螺旋翼的總推力需要機器人與壁面之間有一定的正壓N才能達到清洗的目的。因此，螺旋翼的總推力應(yīng)滿足下式：F推>式中：F推——四組螺旋翼產(chǎn)生的總推力；G——機器人重力；a——壁面傾角；F壓——機器人吸附在壁面上所需要的壓力。由式(3-1)可得知該高空擦玻璃機器人臨界狀態(tài)下的傾角為：a=sin（2）機器人在正角度壁面上的受力。清洗機器人的四組螺旋翼的總推力需要機器人與壁面之間有一定的正壓N才能達到清洗的目的。因此，螺旋翼的總推力應(yīng)滿足下式：F推>由式(3-3)可得知該高空擦玻璃機器人臨界狀態(tài)下的傾角為：a=sin由空氣動力學知識可知，單個旋翼在工作狀態(tài)中推力F推為：F推式中：F推——單個旋翼在工作狀態(tài)下的推力，N；d——螺旋槳直徑，mm；l——螺旋槳螺距，mm；b——螺旋槳寬度，mm；n——驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，r/s；P——一個標準大氣壓，MPa[16]。經(jīng)過研究和計算，最終選擇x2212-980KV型直流無刷電機與APC1047型螺旋槳搭配組成旋翼系統(tǒng)[19]，其參數(shù)如圖3-4、3-5所示。圖3-4x2212-980KV型直流無刷電機參數(shù)圖3-5APC1047型螺旋槳參數(shù)由圖3-5可知，當驅(qū)動電機達到額定電流時，搭配螺旋槳后可提供的最大推力：F推故當四組驅(qū)動電機和螺旋槳能達到的最大總推力：F總推取擦玻璃機器人本體重力G=100N，機器人與壁面之間的正壓力F壓將以上參數(shù)帶入上述公式(3-2)、(3-4)中，計算得出該高空擦玻璃機器人的臨界負角度傾角約為42°，臨界正角度傾角約為66°。1.4螺旋槳推力與刷盤水平摩擦力的關(guān)系螺旋槳驅(qū)動電機停止旋轉(zhuǎn)，整個擦玻璃機器人平行于待清洗區(qū)域。當螺旋槳驅(qū)動電機由靜止轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)時，清潔機器人也將進入工作狀態(tài)。隨著螺旋槳驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速r的增大，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的推力F推也會增大，刷盤與玻璃壁面的摩擦力f也隨之增大[17]。我們可以推導出螺旋槳電機轉(zhuǎn)速n與刷盤摩擦力f之間的關(guān)系式。摩擦力公式：f=μ?F結(jié)合式（3-7）換算后可得：f=μ?式中：μ、d、l、b在式（3-5）為常量，自變量為螺旋槳電機轉(zhuǎn)速n，設(shè)螺旋槳電機轉(zhuǎn)速變化范圍為0，a，則可取：［r,r+dr則：dff=推出，螺旋槳電機轉(zhuǎn)速n與刷盤摩擦力f之間的關(guān)系式為：f=0.002?1.5旋翼傾角的確定高空擦玻璃機器人在工作過程中，刷盤驅(qū)動系統(tǒng)中刷盤的旋轉(zhuǎn)會對機器人的整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沿玻璃面水平運動的摩擦力。高空擦玻璃機器人這會使機器人整體結(jié)構(gòu)向水平方向運動，這是機器人工作時所不允許的，所以要在螺旋槳及驅(qū)動電機上安裝一個可以改變角度的轉(zhuǎn)向器，當螺旋槳轉(zhuǎn)動一定角度時，水平推力可以與刷盤的水平摩擦力相互抵消[19]。在增加了轉(zhuǎn)向器后，對整個系統(tǒng)進行受力分析，如圖3-6所示，為了使水平推力可以與刷盤的水平摩擦力相互抵消，達到穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)向器的傾角非常重要。必須當轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)到以定的角度后，使螺旋槳推力在水平方向的分力與刷盤在避免的摩擦力相等，方向相反。故要滿足式：F推總?由上述可知每個旋翼可提供的推力F推=11.5N，則四組旋翼可提供的總推力F推總=92N。由圖3-6對螺旋槳轉(zhuǎn)向后整體結(jié)構(gòu)的受力分析可知,其滿足式：F推垂直=F推平行=圖3-6螺旋槳轉(zhuǎn)向后整體結(jié)構(gòu)受力分析因為F推平行方向沿機器人本體對角線且向外，且四組螺旋翼分布在正方形四個頂點上，故可將F推平行分解為一個水平方向的F水平，一個豎直方向上的F豎直，且與F推平行各成45°，故滿足式：F水平=因此四組旋翼的水平總分力即為：F總水平=即平衡條件應(yīng)滿足：f=最終計算求得轉(zhuǎn)向器的傾角θ為40°。1.6高空擦玻璃機器人的清潔系統(tǒng)設(shè)計高空擦玻璃機器人的清潔系統(tǒng)主要通過兩個電機驅(qū)動刷盤使刷盤旋轉(zhuǎn)，利用刷盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力來達到清潔的目的。刷盤的材料選擇尼龍材料包裹外層，通過置于刷盤上的多個分布均勻的扇形吸水海綿片與待清洗壁面的摩擦來實現(xiàn)對壁面的清洗功能。所以，我們要選擇合適的刷盤驅(qū)動電機的型號，使電機能夠滿足清潔的要求。下面對刷盤驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、功率和扭矩進行分析計算，選擇合適的電機型號。（1）轉(zhuǎn)速設(shè)計。結(jié)合現(xiàn)實生活并查閱相關(guān)文獻，設(shè)計高空擦玻璃機器人刷盤的線速度為v=1.2m/s，刷盤半徑r=0.12m.假設(shè)n為刷盤轉(zhuǎn)速，單位r/s。則刷盤速度與電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：v=2πrn根據(jù)上式可知：n=v（2）電機的功率。在清洗機器人作業(yè)過程中，清潔刷盤一直在玻璃壁面的表面進行運動，而且運動的軌跡是從上到下，從左到右，故可以把整個結(jié)構(gòu)的運動當做直線運動。查閱機械技術(shù)手冊，玻璃與海綿之間的摩擦系數(shù)μ=0.7。故兩刷盤與壁面的摩擦力；f=μF總推假設(shè)P為電機的功率，單位kW；F為刷盤驅(qū)動電機運行的阻力，即摩擦力f，單位N；η為機械效率，取η=0.87。結(jié)合線性運動功率計算公式：P=（3）電機的扭矩。假設(shè)T為電機所需的扭矩，N·m。直線運動扭矩公式：T=9550查閱相關(guān)參考文件[19]，選擇型號JGA25-13CPR直流減速電機，具體參數(shù)如表3-3所示：表3-3刷盤電機參數(shù)電機型號最大轉(zhuǎn)速（r/min）額定功率額定輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）額定電壓（V）JGA25-13CPR直流減速電機95303121.7噴嘴的選擇清潔系統(tǒng)中，水泵將水箱里的清潔劑通過導管引導出來，再經(jīng)過刷盤上面的導管末端的噴頭將清潔劑噴灑在玻璃壁面上來進行清潔。而且，通過噴頭噴淋出來的清潔劑的壓力較高，可以直接對墻壁污漬進行清洗，這樣提高了清洗效率。查閱流體力學的文章，可知清潔劑經(jīng)噴嘴噴出后，形成初始區(qū)、主區(qū)和末端區(qū)三個區(qū)域。噴嘴噴出的水霧形成圓錐形，為了使墻面能大范圍地接受噴頭噴出的水，應(yīng)使水流的末端區(qū)噴灑在壁面上，形成圓形擴散區(qū)域，這樣清潔效率會達到最大，而且不會浪費清潔劑[19]。所以應(yīng)該設(shè)計噴嘴距離壁面的距離，清潔系統(tǒng)所安裝噴頭的數(shù)量，噴頭噴出的水流的速度，以及噴嘴水流在末端區(qū)擴散區(qū)域所形成圓形區(qū)域的半徑大小，初始速度v0是由噴嘴出口的壓力決定的，假設(shè)噴嘴入口壓