玻璃清洁机器人驱动及擦洗机构设计.docx
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玻璃清洁机器人驱动及擦洗机构设计
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，在此基础上，对机器人总体结构进行了设计分析。
其次重点介绍了机器人的驱动机构，讨论了机器人的作业路径及运动控制规划。
最后，简单介绍了机器人的擦洗机构
关键词:
玻璃，幕墙清洗机器人，驱动机构，擦洗机构，密封机构
ABSTRACT
Glass-wallcleaningrobotisoneofrobotforlimitedoperation,whichcanwalkonVerticalglass-wallwithwashingdevices.Itisarobotwithspecificappliedfunctions,Basedonwall-climbingrobottechniques.forspecificobjects.AnditworksonverticalGlass-wall,whereisdangerousforhumanbeings.Itisarobotcouldconquerthegravityeffectandcarrycleaningequipments,facingtoglass-wallsurfacebeautifyingserviceofmodernhigh-risebuildings.
Firstly,thewholeframeoftheglasswallcleaningrobotisintroduced,basedonthis,thedesigningandanalyzingOfthestructureoftherobotaredescribedindetails.Then,introducingthedrivemechanismoftherobot,Discussedtheoperationoftherobotpathplanningandmotioncontrol.Finally,abriefintroductionoftherobotbodyscrub
Keywords:
Glass,wallcleaningrobot,drivingmechanism
Scrubmechanism,sealingmechanism
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，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。
2玻璃清洁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
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。
2.2机器人总体结构方案
运用水射流式清洗机器人，能够巧妙地把供水，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。
图1
这款机器人在总体结构上轻巧，简单，把玻璃清洁机器人两个最重要的部分：
吸附机构和擦洗机构巧妙地融合在一起，减少了以其它动力来实现这两种功能的复杂性，具有很好的研究前景。
3驱动机构和擦洗机构
3.1驱动机构分析
3.1.1驱动方式
80年代以来，自动化、省力化得到迅速发展。
自动化、省力化的主要方式有:
机械方式、电气方式、电子方式、液压方式和气动方式等。
这些方式都有各自的
优缺点及其最适合的使用范围。
实际应用中必须对各种技术进行比较，扬长避短，
选出最适合方式或几种方式的恰当组合，以使系统更可靠、更经济、更安全、更
简单。
表1各种传动与控制方式的比较
机械方式
电气方式
电子方式
液压方式
气动方式
驱动力
不太大
不太大
小
大
稍大
驱动速度
小
大
大
小
大
受负载影响
几乎没有
几乎没有
几乎没有
较小
大
维护
简单
有技术要求
技术要求高
简单
简单
远程操作
难
很好
很好
较良好
良好
综合表1的比较，且由于机械驱动方式结构复杂，重量重，与前面吸附方式不合适，所以排除。
吸附机构没用汽缸，固驱动方式也不用了。
再则，与前面的水射流式吸附方式匹配，我们用液压方式驱动，只是把所用的油改成水。
这种特殊的驱动方式结合了液压驱动原理和水的功能，做到了水既是清洁剂，又是动力源。
3.1.2运动结构和运动规划
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本机器人从运动结构来说，只是沿壁上下运动，由两个吸盘结构组组成。
两吸附面要严格在同一平面上，保证一个吸住后，另一个也牢牢靠在玻璃上，不但活塞杆与吸盘间有密封，吸盘与玻璃壁面间也要有良好的密封装置。
前一个吸盘外壳与后一个吸盘中的活塞杆相连，而后一个吸盘外壳与前一吸盘中的活塞杆相连，实现吸盘的互补运动，巧妙地把活塞缸的往复运动变为一直往前的直线运动。
其直线运动简图如图2
机器人直线运动简图2
最早时上吸盘活塞靠底部，下活塞在中部。
简单运动过程如下：
1：
上吸盘吸附，压力推动活塞杆往上移动，移动过程中带动下吸盘移动。
此时，下吸盘底部靠到下活塞。
2：
下吸盘吸附，压力推动活塞杆往上移动，移动过程中推动上吸盘移动。
此时，两吸盘回到原来的初始相对位置。
完成一次运动过程。
3.1.3运动过程控制原理分析
机器人采用清洁水来驱动，其控制过程如图3所示：
运动过程分析：
（1）2YA通电，工作腔1进水，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水，产生负压，吸住吸盘B.
图3
（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。
电磁铁的动作表2
1YA
2YA
3YA
4YA
1腔进水
+
1腔水满射流
3腔进水
+
2，3腔同进水
+
+
3腔水满射流
1腔进水
+
1，4腔同进水
+
+
1腔水满
表2为电磁铁动作表，通过此表可以看出工作中液压系统的基本回路。
3.1.4外形尺寸选择
因吸盘带有活塞杆，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。
3.1.5驱动力分析
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和能够驱动它，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57~83MP，抗压强度为90~120MP，抗弯强度为60~110MP，密度为1.14~1.15
。
这种材料可用于汽车，机械等零部件。
设定推动活塞杆的速度是u=5mm/s
它所需流量Q=0.005
0.08
0.03=0.000012m
/s=0.72升/分
两管同时进水时流量Q=2
0.72=1.44升/分
今选用水泵参数如表3所示：
表3
型
号
最大流量L/min
最高
扬程m
进出口
内径mm
工作
电流A
工作
电压V
最大输出压力
ASP5526
2.6
55
进
6出
10
<=2.2
12
0.55MP
要驱动机器人，所需要的驱动力必须要克服总重力加摩擦力
即
其中
因推动活塞运动时，另一个吸盘已经失效，所以要牵引运动的吸盘的吸附力不大，摩擦力也就不大。
此时，G
=
gv=2
1.0
10
0.05
0.08
0.03=0.24N
估计外壳质量
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由于需要克服的总重力和摩擦力不大，用液压方式的水来驱动远满足要求。
由于元件有6mm和8mm的通径或者内径。
选用内径为6mm外径为8mm的硅胶水管及其内径为8mm外径为10mm的硅胶水管。
3.1.6小结
在驱动结构设计和规划中，重点介绍了机器人的驱动方式，通过液压方式的驱动系统原理介绍，运动规划图来详细介绍所设计机器人。
3.2擦洗机构分析
由于考虑到机器人领域的整体复杂性，而且本机器人的主要目的是为了实现机器人的吸附和爬行运动。
擦洗机构就用两个拖把固定在机器人的外壳上，随着机器人的运动而运动但必须保证吸盘吸附时，拖把能紧紧贴在玻璃上，实现擦洗功能。
这样的话，拖把在生产与安装上都要达到一定制造精度和配合精度，实现把玻璃擦干净。
由于水往机器人两侧喷水，擦洗机构也就固定在吸盘两侧。
4其它元件选择
4.1密封机构
由于玻璃平面有一定程度的凸凹不平，机器人在移动过程中就必须实现吸盘的可靠性密封，这就要求密闭机构要有一定的防泄漏能力，为此，设计一种密闭结构安装在矩形吸盘的四周，它由铝片和橡胶片组成。
如图5
图4
不但吸盘与玻璃壁之间要有密封机构，活塞与吸盘之间也要有密封，选用型密封圈，因为它具有良好的密封性能，耐高压，寿命长，通过调节压紧力，可获得最佳的密封效果。
主要用与活塞杆的往复运动密封。
4.2换向阀和溢流阀的选择
在液压控制机器人的运动过程中，必须选用一些液压控制阀来控制机构运动。
首先，选用一个o型三位四通电磁换向阀，不通电时，P,A,B,T四口全封闭，电磁铁通电后，所对应的管口就接通，进行工作。
其次，还选用一个直动型溢流阀，它可以起到调压，稳压和限压的作用。
再次，选用两个行程开关，它配合电磁换向阀来工作，使提供吸附作用的水和驱动机器人移动的水完美结合使用。
5总结
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参考文献
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致谢
在即将完成本科学习之际，首先我衷心感谢所有教过我的老师在这四年来对我知识的传授和人文的关怀。
由于你们的无私关心、帮助和指导，使我受益匪浅。
其次，特别感谢饶洪辉老师在百忙之中来指导我完成毕业设计。
导师严谨的治学态度，一丝不苟的科研精神和对学术的执着追求将使我终身受益。
在毕业设计期间，导师给予了我全面锻炼的机会，导师的悉心指导和严格要求使我的研究生学习和论文得以顺利进行。
在此成文之际，谨向饶老师致以我最深切的敬意和最衷心的感谢。
感谢在学习期间，给予我鼓励和帮助的所有同学及朋友。
感谢对论文进行评审、提出宝贵意见的各位指导老师。
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