玻璃清洁机器人吸附机构设计.docx
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玻璃清洁机器人吸附机构设计
分类号密级
UDC
中国地质大学江城学院
毕业论文（设计）
玻璃清洁机器人吸附机构设计
姓名：
廖祖胜
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
25201102
学号：
2520110218
指导教师：
刘丽明助教
论文外文题目：
玻璃清洁机器人吸附机构设计
论文主题词：
玻璃清洁机器人复合吸附方式螺旋桨式轴流风机
外文主题词：
lass-wallcleaningrobotCombinedsuctionmethodPropellertypeaxialflowfan
论文答辩日期：
答辩委员会主席：
评阅教师：
原创性声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名：
日期：
摘要
玻璃幕墙清洁机器人是具有特定功能的壁面移动机器人，是特种机器人的一个分支。
它不仅可以用于高层建筑外表面幕墙的清洗，还可用于特殊环境或者特殊设备的表面清洗以及检查。
它是基于壁面移动机器人技术，并针对具体的作业对象研发具有明确功能的实用型机器人。
其主要工作在高层建筑的玻璃幕墙表面，克服重力对自身的作用，携带清洗作业设备对建筑物玻璃幕墙表面进行清洗，从而将人们从危险的高空作业环境中解脱出来，不仅可以避免发生意外事故，而且可以提高清洗效率、节约成本，具有可观的市场前景。
本文将在分析玻璃清洁机器人常见的吸附方式，以及国内外对玻璃清洁机器人所开发的新型吸附方式后，提出采用螺旋桨式轴流风机产生负压作为作为吸附方式的经济适用型吸附机构。
在对机器人整体设计方案进行介绍，提出模块化的组装结构。
在这基础上，对机器人的吸附机构进行设计分析，然后应用相关理论和设计软件进行参数设计和部件的结构设计，验证吸附机构。
最后利用Pro/ENGINEER创建出所设计的玻璃清洁机器人吸附机构三维实体模型以及机器人整体模型。
关键词：
玻璃清洁机器人复合吸附方式螺旋桨式轴流风机
Abstract
Glass-curtain-wall-cleaningrobotisawallclimbingrobotwithspecialfunctions,withisabranchofspecialrobot.Itnotonlycanbeusedforcleaningtheoutersurfaceofthecurtainwallofhigh-risebuildings,canalsobeusedforsurfacecleaningandcheckingofspecialcircumstancesandspecialobjects.Itisapracticalrobotbasedontechnologyofthewall-climbingrobotandhavingaclearfunctionforspecificresearchanddevelopmentoftherobot.Itsmainfunctionistoovercometheeffectsofgravityontheirownwithcleaningequipmentforcleaningintheglass-curtainwall-cleaningsurfaceofhigh-risebuildingssothatitcanfreepeoplefromdangersofaerialworkingenvironment,thusavoidingaccidents,improvingtheefficiencyofcleaningandsavingcosts.Ithasaconsiderablemarketprospect.
Inthispaper,analysisofglasscleaningrobotspopularmethodofadsorption,aswellasadsorptiontoglasscleaningrobotsdevelopedbythenewapproach,usingpropeller-typeaxial-flowfantocreatenegativepressureastheeconomicapplicationofadsorptionmechanismofadsorption.
Describestheoveralldesignoftherobot,presentedmodularassemblingstructures.Onthisbasis,theadsorptionmechanismandthedesignoftherobot,andthenapplytherelevanttheoryanddesignstructuredesignofsoftwarefordesignandcomponents,verifytheadsorptionmechanism.FinalapplicationofPro/engineertodesigntherobotbuildingsolidmodel.
Keywords:
Glass-wallcleaningrobot;Combinedsuctionmethod;Propellertypeaxialflowfan
第一章引言
1.1课题研究的背景及意义
玻璃清洁机器人是拥有特殊功能的壁面移动机器人，是可以在垂直和倾斜的玻璃表面上进行清洗作业的特种机器人[1]。
作为一种可在高空极限环境下工作的自动化机械装置，它的发展现在越来越受到人们的关注。
而吸附装置是玻璃清洁机器人包括移动装置、清洁装置、控制装置在内的核心装置，玻璃清洁机器人性能的优异直接取决于机器人吸附装置性能的优异。
玻璃清洁机器人吸附机构的研究，有两个问题必须要妥善处理好：
一是如何稳当地吸附于玻璃表面；二是使机器人吸附在玻璃表面的同时又不影响机器人在玻璃表面上移动。
玻璃清洁机器人要想具备有良好的移动能力就得损失一定的吸附能力，但是当吸附装置提供的吸附力过强又会给机器人在玻璃表面的移动带来困难，所以机器人在玻璃表面上的吸附与移动这是个自身矛盾的问题。
就是优化吸附和移动的关系，既要求吸附装置的研究设计方案在保证玻璃清洁机器人吸附装置为机器人提供足够的吸附力的同时，又不影响机器人在玻璃表面面的移动能力[2]。
因此国内外的许多科研机构在设计壁面移动机器人时，都在对这问题展开相关的探讨和研究。
1.2国内外对玻璃清洁机器人吸附方式的研究概况
通过按吸附方式的不同，可将玻璃幕墙清洁机器人的吸附机构分为三种，即磁吸附、真空吸附和推力吸附[3]。
其中磁吸附按提供吸附力材质的不同，可分为电磁体和永磁体两种。
对壁面的平整程度都没有要求，不仅机器人的有效载荷远胜于真空吸附和推力吸附，而且在作业过程中不存在真空漏气的问题，但要求机器人工作时所吸附的壁面必须是导磁材料，这一点使得采用磁吸附作为吸附方式的机器人的应用环境收到严重地限制；真空吸附按吸盘个数又分为单吸盘和多吸盘两种，真空吸附虽然不受壁面材料限制但对吸盘的密封性能却要求较高，在附着面不平整时吸盘容易漏气，使密封性能下降从而造成吸附力下降，使得机器人的实际承载能力降低；推力吸附方式整合了前两者的优点，有一定的吸附力而且对壁面的平整程度没有要求，但是由于要求风机排风量很大所以整体重量会很重。
各种方式优缺点如下表1.1[4]。
表1.1玻璃清洁机器人吸附方式的比较
吸附方式
缺点
优点
磁吸附
永磁吸附
移动时需要机器人主体跟吸附表面分离
不需要外部施加能量，安全性高
电磁吸附
要外部施加能量，电磁铁重量大，机器人笨重
容易实现机器人主体与壁面的离合，吸附力强
真空吸附
单吸盘吸附
吸盘的泄露量一旦超过极限，本体将失去吸附能力
允许有一定的泄露量，允许壁面有凹凸
多吸盘吸附
对壁面要求高，壁面有凹凸或裂缝时将会有泄露
吸盘尺寸小，机器人更加灵活
推力吸附
风机噪声大啊，机器人重量大，体积大
对壁面适应性强，不存在泄露问题
图1.1是清华大学采用电磁体吸附方式研制的用于储罐表面检测的磁吸附机器人TH-Climber-I[5]，行走方式为履带驱动机器人在储罐表面行走检测。
实验表明，它具有较高的运动速率、具有很好稳定性和定位精度，其运动速率最大可达8m/min，可以跨越10mm以上的焊缝和表面凸起障碍，角度误差也可控制在0.2度以内。
图1.2为加拿大戴尔豪斯大学和香港中文大学研制的壁面移动机器人[6]，它的吸附装置使用永磁体吸附履带。
使用永磁体方式使机器人吸附于储罐表面，然后电机驱动履带带动机器人在储罐表面移动检测。
图1.1清华大学磁吸附图1.2戴尔豪斯大学和香港中文大学的机器人TH-Climber-I永磁体吸附履带壁面移动机器人[7]
图1.3是年哈尔滨工业大学研制的CLR-II型壁面清洗壁面移动机器人[8]，它的吸附机构采用的就是单吸盘真空吸附，清洗装置悬挂于机器人下方。
机器人有效载荷为5kg，爬行速率最快为10m/min，每次爬行高度是最高100m，操控方式是有线遥控及PLC线路控制，行走方式采用双轮式无级调速，机器自身携带有高压水枪、旋转刷从而在清洗作业时可实现机器人自主清洗作业。
由于它是专为建筑物外表面瓷砖壁面的清洗而设计制造的,所以目前已有成品并投入生产应用。
图1.4是在1990-1993日本东京工业大学间研究设计的NINJA[9]，第一代型号为NINJIA-I,自1994年开始，NINJA-II在NINJIA-I的基础上不断的改善升级，可用于高楼壁面的检查等。
NINJIA-I和NINJA-II的主要技术参考是相同，吸附装置也都采用的多吸盘真空吸附。
图1.3哈尔滨工业大学研制的CLR-II图1.4日本东京工业大学研制的NINJIA
1990年西亮教授研制的爬壁机器人的吸附装置采用的是推力吸附，如图1.5为理论设计图。
在吸附原理上它借鉴直升机原理，使用螺旋桨产生的高速气流推动机器人在墙壁表面移动的同时贴合墙壁表面。
螺旋桨的轴线与壁面大约成200°夹角，如此高速气流产生的推力在水平方向始终有分力指向壁面，从而实现了机器人的吸附吸附在建筑表面上：
在竖直方向也有向上的分力，使机器人可以紧贴壁面移动，且使机器人具有一定的越障能力。
掌舵机构控制机器人的移动方向和倾斜角度，由于使用柴油机，所以不需要带电源线，使用起来很方便。
图1.6为实物图。
图1.5螺旋桨式推力吸附壁面图1.6螺旋桨式推力吸附壁面
移动机器人理论设计图移动机器人实物图
1.3吸附方式的发展趋势
经过上文分析阐述，并且结合当下机器人技术和科技前沿发展的总体趋势，我认为玻璃清洁机器人作为具有特殊功能的壁面移动机器人，那么它吸附机构的也该顺应壁面移动机器人吸附机构发展的如下趋势。
1.3.1吸附方式将更多地采用仿生技术
在目前现有技术的的支持下真空吸附方式和磁吸附方式发展得相对成熟，并伴随着各种成熟产品相继投入市场，所以这些技术目前得到适当的应用，但他们的缺点却不利于该技术进一步的推广与应用。
如果采用仿生技术，如仿生壁虎的干吸附、仿生蜗牛的湿吸附等，能够适应各种材质壁面，而且无噪音，无污染。
尽管当前采用仿生技术的吸附装置吸附能力还比较差，但随着MEMS加工技术（微型加工技术）、3D打印技术以及新材料技术的发展，相信吸附性能将会有显著的提升[10][11]。
当前，西方发达国家都很注重对壁虎脚掌仿生材料技术的研究，我国南京航空航天大学也已经对该科研方向展开有关方面的研究。
如图1.7为仿壁虎机器人。
图1.7模仿壁虎的机器人
1.3.2向适应微小型化机器人发展
微型机器人在未来发展中将是人们开发的一种高端科技。
仿生微型机器人能够利用其体型小的优点，可以用于特殊环境检测作业。
由其发展的生物医疗机器人还可以进入人体内部进行检查和实施相关治疗而不伤害人体。
相对体积小、质量轻的机器人不仅工作时能耗较小，而且更加的灵活，并且在某些特殊场合得工作也只有小型机器人可以胜任[12]。
现在各种微型驱动元件、控制元件及新型能源供应方式的发展，为小型化、微型化提供了技术支持。
所以，壁面移动机器人的小型化和微型化是机器人未来发展的一个非常重要的趋势。
当前为了适应爬壁机器人小型化、微型化的发展趋势，许多科研单位都在对新型的爬壁机器人吸附方式展开相关研究[13]。
1.4小结
本章介绍了课题研究的现实意义以及重要性，分析了国内外壁面移动机器人吸附机构的分类、特点及当下研究状况，并按照吸附方式的的不同对各种吸附方式进行比较。
根据目前研究的方向和科技发展的方向，对未来吸附机构所可能采用的吸附方式提出构想。
第二章玻璃清洁机器人总体规划
2.1吸附机构
玻璃清洁机器人的吸附机构由机器人腔体、自锁绞杆、自绞锁固定板、橡胶垫片、轴流风机、轴流风机桨叶，上安全防护罩和下安全防护罩组成。
这样设计的要求一是使机器人整体重心更加贴近于玻璃幕墙表面；二是满足市场上现有的轴流风机的规格尺寸，及保证了设备的装配空间同时还要减省了机器人腔体的材料，从而减轻机器人的整体重量[14]。
在机器气人腔体上安全防护罩装配连接上，由于需要承载的自由防护罩自身的重量，所以没有采用螺纹连接，而是采用传统而简单的锁卡模式。
在腔体上预留所锁卡键然后在安全防护罩上预留与之相应的键槽，如下图2.1（a）和图2.1（b）。
（a）预留的锁卡键（b）预留的键槽
图2.1锁卡键与键槽示意图
图2.2机器人腔体与安全防护罩结合
机器人的腔体将采用在工程塑料制作。
工程塑料拥有优秀的综合性能，在现实应用中具有刚性大，机械强度高，电绝缘性好等特点，并且能够在较苛刻的化学、物理环境中回收再利用，而且在有些工程项目中可替代金属作为工程结构材料使用，是一种理想而且环保的制造原料[15]。
安全防护罩设计成孔状会对风道产生较大的阻碍，设计成栅状是一为了保证风道的畅通，二是与网状相比栅状更加节省材料。
安全防护罩由于在机器人整体机构中除自身外不承载其他机构，所以防护罩采用常见的耐冲击硬胶耐冲击性聚苯乙烯制作。
自锁绞杆和自绞锁固定板装配在一起，作为轴流风机与机器人腔体的连接装置，不仅要求自锁绞杆和自绞锁固定板自身连接稳固，而在部件制作的材料的选择上要求刚性大，蠕变小，机械强度高。
而由于机器人在重量上有要求限制，所以自锁绞杆采用航空铝材料，自绞锁固定板采用常见的耐冲击硬胶耐冲击性聚苯乙烯制作。
木质家具两构件连接时常采用一种凹凸处理的接合方式，这在我国传统实木家制作过程中称这一工艺结构为榫卯结构。
凸出的那部分叫榫；凹进那部分叫卯。
在机器人自锁绞杆和自绞锁固定板的设计中，借鉴了古老而又科学的设计方法。
如下图2.3（a）所示为两根自锁绞杆连接示意图，其中杆2限制了杆1，使其不能转动也不能；杆2本身可以转动也可以移动。
当两根自锁绞杆装配到自绞锁固定板后，如下图2.3（b）所示，在杆2的位置上用销使其定位，从而限制杆2的移动与转动。
自锁绞杆和自绞锁固定板装配如下图2.4。
（a）自锁绞杆连接（b）自锁绞杆在自绞锁固定板内部
图2.3自锁绞杆示意图
图2.4自锁绞杆和自绞锁固定板装配
由于轴流电机市场上有行业标准，所以根据实际需求选择YWF2S-250型轴流电机。
YWF2S-250型轴流电机额定电压220V，转速2400rpm，风量1400m3/h。
轴流电机桨叶采用耐冲击性聚苯乙烯制作，叶片长度根据机器人腔体直径在做调整。
2.2清洁结构
玻璃清洁机器人清洗机构外挂于机器人腔体后轮处，采用外部供水。
首先冲洗玻璃表面，然后小型电机通过带传动，带动粘有高密度聚乙烯条的辊筒滚动清洁玻璃表面。
其组成部件由行走轮、供水管、套盖、辊筒组成，如下图2.5。
图2.5玻璃清洁机器人清洗机构
1行走轮2供水管3驱动电机4辊筒5套盖
2.3行走机构
清洁机器人的行走机构由左右两边的转向轮和尾部的从动轮组成，转向轮在驱动电机的驱动下实现请进、后退以及转向，如下图2.6。
从动轮是万向轮，方便转向同时起到平衡支撑机器人作用，如下图2.7。
行走机构个零件也可采用耐冲击硬胶耐冲击性聚苯乙烯制作，行走轮则采用密度小的泡沫橡胶制作。
图2.6行走机构转向装置
1转向轮2转向轮支架3驱动电机
图2.7行走机构从动装置
1从动轮2从动轮转向杆3从动轮转向杆支架
2.4水电供应系统
玻璃清洁机器人为了减轻本身的重量，所以将采用外部提供清洁剂，既清洁所用的水由外部管道直接提供给清洁机构。
在为了减轻重量的同时提高工作时效，所有电机的电源采用外接，机器人本身将不携带电池。
这样在机器人工作时既节省能量，也可以减轻机器气人的重量。
2.5小结
玻璃清洁机器人的总体设计按照模块化的设计理念，从而在结构上追求简洁，方便清洗机器人是拆卸与组装。
同时机器所有机构和零件的制作材料都采用密度轻而且复合设计使用强度的材质，这样可以为电机提供更多的选择空间。
第三章吸附机构结构设计
3.1吸附原理
要保证玻璃清洁机器人在玻璃表面安全稳定地吸附，就必须在气路壳体内产生一个真空负压，这就需要有一个负压产生装置。
采用风机抽风使得机器人气路壳体内产生真空负压，这里要求该装置重量轻、体积小、噪音小、机构简单而且安装方便、排风量大、能够迅速建立真空负压，即要求瞬时响应的时间非常短。
目前使用的通风机按气流的运动方向大致有三类，即为离心式、轴流式和混流式。
气体在离心式通风机的通风机叶轮带动下，是沿离心方向（即沿半径方向）流动的，所以也被称之为径流式；气体在轴流式通风机的腔体内部，沿轴线的方向流动；气体在混流式通风机的通风机叶轮中带动下，气体的流动方向介于离心式和轴流式通风机之间，也被称为斜流式。
离心式通风机的特点是比转数低（通常在ns=2.0~14.5）,全压高，流量小，被应用于需要提高压力而流量小的场合。
因为其流量小，所以对装置的密封性要求严格，对空气泄露敏感。
当壁面与吸盘之间存在间隙时，随着吸盘与壁面间隙的扩大，吸盘内负压将会急剧下降。
这对机器人在不足够平整的壁面工作极为不利。
同时，为了保证密封性而在吸盘边缘设计的各种密封垫在机器人移动时，不仅会产生阻力而且自身由于摩擦也会产生磨损的问题。
因此，这种吸附方式对于通用建筑表面的清洁机器人来说并不是非常理想的。
轴流式通风机的特点是比转数高（通常在ns=14.5~90），全压低，风机内气体流量大，被应用于流量大而风压要求不高的场合。
并且由于轴流式风机独特的翼型叶片形状，还可以产生一定的反推力。
这样产生的复合推力可以被我们所利用。
混流式通风机整体机构比较复杂，而且空气的流向也复杂，应用起来较为困难，所以一般不采用。
在本文中玻璃清洁机器人的负压及反推力产生装置需要流量大，但对全压要求不高，故采用轴流风机。
基于复合吸附方式的玻璃清洁机器人吸附机构基本上由两部分组成，风扇产生的推力和空气流场产生的负压。
这两部分都包括若干个设计参数，在这些参数共同作用下，决定了机器人的吸附效果。
为了清晰的说明玻璃清洁机器人吸附机构的吸附原理，本文接下来的部分依照以下三个部分分别论述：
风机推力、负压的产生以及推力和负压的复合推力。
3.2吸附方式的实现
3.2.1风机推力
与其他利用反推作用力的壁面移动机器人类似，本文的吸附方式壁面机器人同样是利用螺旋桨的推力将机器人紧压向壁面。
与其他利用反推作用力的壁面移动机器人的区别在于，其他利用反推作用力的机器人螺旋桨转轴与墙面成一个倾角，这样推力的一部分可以平衡机器人本体的重力，同时推力垂直于墙面的分量用于产生墙面与机器人行走轮之间的摩擦力。
这个方案使平衡重力的推力达到最大效率，但是这要求螺旋桨转轴与墙面的夹角必须精确控制，否则平衡被打破机器人就会倾覆。
本文的吸附方式中，螺旋桨推力垂直指向墙面，这样就避免了对推力夹角的复杂控制。
由于复合吸附方式中的推力没有得到最高效的利用，我们更需要尽可能寻求增大推力值的途径。
为论述如何增大螺旋桨推力，首先讨论的是螺旋桨产生推力的原理。
轴流风机中的桨叶与飞行器的螺旋桨类似，桨叶单一处竖截面形状如下图3.1所示。
电机带动桨叶旋转，空气以下图的中方式流过桨叶翼面。
由于翼面上下线性长度不同但同时到达后缘的关系，所以翼面上下气流速度则不同。
图3.1桨叶对气流的影响
由于自然界中的流体都遵守流体三大守恒定律，从而我们能够了解流速、压强等运动参数在流流体流动过程中相互影响的变化规律。
即得到伯努利理想气体方程，气体总压=静压与动压的和。
总压是常数，而动压随流速变化，在数值上等于空气密度乘速度的平方的一半。
叶片表面的弯曲度使得一侧表面的空气流速更快从而动压更大，由于总压不变这一侧表面的静压就小了。
两侧翼面的静压不同产生压力差，从而产生了推力。
图3.2叶栅受力分析图
在轴流风扇理论中，在确定半径处对桨叶作环形剖视，可以得到一组叶栅。
如图2.2所示。
下标“1”和“2”分别表示叶栅（AB，A1B2）气体入口处和出口处的各个参数，下标“a”表示向量沿叶片转轴方向的分量，w向量是气体相对叶片的速度，u向量
是叶片的速度,c向量是气体的绝对速度，x向量是气体的圆周速度。
现在讨论叶栅上的轴向力，叶栅轴向力的和就是系统的总推力取ABB1A1A研究，根据动动量定理，在轴向有方程：
方程
（1）
其中Fa为叶片对气体的作用力（N）
P2为A1B1处气体静压（Pa）,
P1为AB处气体静压（Pa）,
ΔS为叶栅面积（m2）,
Δm为单位时间流过叶栅面积的气体质量（kg）。
因为低速流动时认为气体密度不变，根据质量守恒有：
方程
（2）
根据伯努利理想气体方程，有：
方程（3）
式中ρ为气体密度
设Ra为气体对风机叶片的作用力，则：
方程（4）
由方程
（1）~（4）得：
方程（5）
其中ρ和ΔS是不变的，于是Ra正比于叶片速度和出入口处气流圆周速度（下图2.3）和之积。
图3.3气流圆周速度
这个结论对于寻求轴流电机产生最大推力很重要。
它表明，螺旋桨转速越高，其产生的推力就会越大。
这时候，如果入口气流的圆周速度具有与螺旋桨角速度相反的方向，而同时出口气流圆周速度方向与螺旋桨角速度相同，螺旋桨就可以产生最大的推力。
圆周速度与叶片外形有关，一方面为了追求更大的圆周速度，我们可以选择具有更大迎角的螺旋桨叶片形状，但是这样选择的同时空气对螺旋桨的阻力矩也会因此变大，这就需要我们在更高的圆周速度和效率之间做出权衡的选择。
另一方面，我们可以在气体入口和（或）出口处增加一些导叶得到我们希望的旋转气流，但这会使得机器人的体积和重量增加。
我们也可以通过提高桨叶角速度来获得更大的推力，但是同时阻力
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