1 1 2 21.1.2移動(dòng)功能 21.1.3清潔功能 2 3 3 3 31.3.5框架式移動(dòng) 3 4 41.4.2真空吸附方式 4 4 51.5驅(qū)動(dòng)方式的比較與選擇 5 51.5.2液壓驅(qū)動(dòng) 51.5.3氣壓驅(qū)動(dòng) 6 6 7 8 91.1引言玻璃清潔行業(yè)提供了一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以代替人來(lái)進(jìn)行玻璃清潔。因此，本章結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活的背景，分析清潔機(jī)器人的各個(gè)單元的設(shè)計(jì)方案，選擇適合自身的方案，并將這些方案結(jié)合在一起組成整體結(jié)構(gòu)，即利用飛行器的螺旋翼旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生推2優(yōu)缺點(diǎn)。[13。1.2高空擦玻璃機(jī)器人功能需求31.3移動(dòng)方式選擇高空擦玻璃機(jī)器人其優(yōu)缺點(diǎn)如表2-1所示。表2-1移動(dòng)方式種類及優(yōu)缺點(diǎn)移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)4輪式靈活，速度快，控制簡(jiǎn)單足式越障能力強(qiáng)履帶式與壁面接觸面積大，負(fù)載好結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制能力差結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體比較笨重速度慢，運(yùn)動(dòng)不連貫綜合上述的各種移動(dòng)方式，結(jié)合各自的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)以及周圍環(huán)境的影響，本課題為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，選用軌道式移動(dòng)的輔助提升裝置，使機(jī)器人可以上下左右運(yùn)動(dòng)。此方式下的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移動(dòng)速度快、負(fù)載能力好。為了能穩(wěn)定地在玻璃壁面上進(jìn)行清洗和移動(dòng)，選擇合適的吸附方式需要我們謹(jǐn)慎思考決定。目前，主要的吸附方法有磁吸附方式、真空吸附方式、推力吸附方式以及仿生吸附等。1.4.1磁力吸附磁力吸附是通過(guò)磁鐵加載在機(jī)器人系統(tǒng)和磁性材料外壁上產(chǎn)生的磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。磁力吸附按其原理可分為電磁吸附和永磁吸附。電磁吸附采用了電磁繼電器的原理，通過(guò)接通或斷開(kāi)電源，使機(jī)構(gòu)的粘附和分離。永磁吸附是使用磁性相反的磁性材料來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附的。1.4.2真空吸附方式真空吸附方式是利用真空吸盤得內(nèi)部與外界大氣壓的壓力差，從而產(chǎn)生吸附力，當(dāng)若干個(gè)真空吸盤同時(shí)安裝在結(jié)構(gòu)上是，機(jī)構(gòu)就會(huì)穩(wěn)定地被吸附在壁面上，當(dāng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)時(shí)，吸盤會(huì)放開(kāi)真空狀態(tài)，結(jié)束吸附，并進(jìn)行移動(dòng)。1.4.3推力吸附推力吸附采用無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人四角螺旋翼，螺旋翼產(chǎn)生推力。這種非直接接觸吸附方法通過(guò)改變螺旋翼轉(zhuǎn)速來(lái)改變高空擦玻璃機(jī)器人的吸附力。51.4.4仿生吸附仿生吸附是在分析和研究自然生物吸附機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用高分子化學(xué)、材料、生物等學(xué)科，開(kāi)發(fā)出高分子復(fù)合材料，利用分子間作用力，讓機(jī)器人吸附在壁面上。高空擦玻璃機(jī)器人的吸附功能的優(yōu)缺點(diǎn)，如表2-2所示。吸附方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，越障能力差不易控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單限于壁面材料綜合上述的各種吸附方式，結(jié)合各自的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)以及機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)環(huán)境，本課題初步選用推力吸附，此種方式下的擦玻璃機(jī)器人的越障能力強(qiáng)、靈活性能好，但是機(jī)器人的控制能力差，需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)。1.5驅(qū)動(dòng)方式的比較與選擇高空擦玻璃機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式適用于小型機(jī)器人。首先這種驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)是具有精確的位置和速度控制能力，而且現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電能的運(yùn)用非常成熟，電信號(hào)容易處理，最重要的是電能很普遍，容易得到。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩與重量成正比，而電動(dòng)機(jī)不算很重，所以要配合減速器使用。1.5.2液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)是高空擦玻璃機(jī)器人最不適用的動(dòng)力源，雖然調(diào)節(jié)比較容易，但是液壓驅(qū)動(dòng)速度太慢，效果不明顯，還需要專門的液壓設(shè)備來(lái)驅(qū)動(dòng)其工作。結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，最重要的是液壓油的泄露會(huì)使工作環(huán)境受到污染，而且對(duì)人體有害。61.5.3氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)首先最大的優(yōu)點(diǎn)是利用空氣作為動(dòng)力源，不會(huì)污染空氣，并且還能在惡劣的環(huán)境下工作。但相對(duì)的，氣壓驅(qū)動(dòng)受限于研究深度，其控制能力比較差，精確度較低，而且氣壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力相較于電機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)略顯不足。因?yàn)楦呖詹敛ＡC(jī)器人用于民用，企業(yè)使用，液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)體積較大，而且出問(wèn)題修理困難，顯然不能滿足要求。利用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精確控制位置，而且電能很普遍，容易得到。因此，本文采用電驅(qū)動(dòng)。1.6高空擦玻璃機(jī)器人清潔系統(tǒng)玻璃的清潔主要是通過(guò)淋噴清潔劑，并使抹布與玻璃表面的滑動(dòng)摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)的。清洗的效果取決于清潔系統(tǒng)對(duì)壁面的壓力，還與清洗的方式，清洗的時(shí)間，清洗的結(jié)構(gòu)有關(guān)。本次課題設(shè)計(jì)的清潔系統(tǒng)由刮塵條、刷盤、霧化噴嘴組成，再在結(jié)構(gòu)下方安裝污水回流裝置及污水儲(chǔ)存水箱，如圖2-1所示。其中刮塵條的末端材料是柔性硅膠，刷盤上面裹著一層加厚的高纖維抹布，擦玻璃機(jī)器人的外框架直接與加厚的高纖維抹布連接在一起，機(jī)器人上的抹布與玻璃緊密貼合在一起，從而產(chǎn)生一定的幾何形變而吸附在玻璃上，提升橫移裝置帶動(dòng)機(jī)器人外框架的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成對(duì)玻璃的清潔；柔性硅膠刮塵條裝設(shè)在主框架的上下兩端，目的是把灰塵和殘留的污液刮拭干凈；清潔裝置主體要是由刷盤和霧化噴嘴組合而成，霧化噴嘴設(shè)的功用是把微型水泵抽上來(lái)的清潔劑霧化噴在要清潔的玻璃面上，刷盤的功用是利用旋轉(zhuǎn)摩擦力清除污垢[19。7刮條刮條微型水泵8污水箱1.7高空擦玻璃機(jī)器人推力分析當(dāng)高空擦玻璃機(jī)器人在玻璃壁面上進(jìn)行清洗工作時(shí)，吸附力是由機(jī)器人四個(gè)角上的螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，四組螺旋槳相互配合，使機(jī)器人進(jìn)行正常的工作。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生扭矩，會(huì)使整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)發(fā)生上下或左右方向上的偏移，這是清洗作業(yè)所不需要的，所以要控制不同方向上的電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使它們之間的扭矩相互抵消，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。而螺旋槳有正槳和反槳之分，正反槳可以使機(jī)器人產(chǎn)生不同方向的扭矩，無(wú)人機(jī)在空中的提升和下落就是通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人在壁面上運(yùn)動(dòng)可視為平面運(yùn)動(dòng)，設(shè)機(jī)構(gòu)水平移動(dòng)的方向?yàn)閄軸，豎直方向上的運(yùn)動(dòng)為Y軸，這可以將四組螺旋槳?jiǎng)澐衷谧鴺?biāo)系的四個(gè)象限上。如圖2-2所示，圖中，一號(hào)螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，為了抵消一號(hào)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩，與他相鄰的二號(hào)與四號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)要產(chǎn)生與它相反的扭矩，同理，其他三個(gè)電機(jī)與一號(hào)電機(jī)相同。所以如果一號(hào)電機(jī)上裝入螺旋槳的正槳，則二號(hào)與四號(hào)電機(jī)要裝入反槳，三號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝入正槳。經(jīng)過(guò)這樣裝配，可以使四個(gè)電機(jī)的扭矩正好抵消，從而只能產(chǎn)生垂直于壁面的動(dòng)作。81.8高空擦玻璃機(jī)器人的越障功能吸水海綿片與待清洗壁面的摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的清洗功能，當(dāng)刷盤與玻璃壁面接觸(1)當(dāng)高空擦玻璃機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，提升橫移裝置停止上下移動(dòng)；(2)螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止并反向轉(zhuǎn)動(dòng)；(3)同時(shí)，提升橫移裝置上下或左右運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人能夠越過(guò)障礙；(4)螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人緊貼玻璃壁面；(5)提升橫移裝置上下運(yùn)動(dòng)，擦玻璃機(jī)器人重新進(jìn)入清洗工作狀態(tài)。91.9高空擦玻璃機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)