小型壁面清洁机器人

1、word小型壁面清洁机器人 高安柱 刘金程 包为刚 陈熠 机电工程学院 指导教师：曲建俊 余江 一、课题研究目的 清洗爬壁机器人的使用将大大改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有一定的社会、经济意义和 广阔的应用前景。而目前用于这方面的设备上没有得到很好的解决，尤其在载体方式方面，世界上有很多 国家都要开展了这方面的研究工作。本工程开展了新型载体方式的清洗爬壁机器人的研究，本课题的研制 成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命，也为爬壁机器人载体方式提供了一种新 的方式。 二、课题背景 传统的壁面清洁机器人，吸附方式多为负压吸附、真空吸附和磁吸附。磁吸附方式，其适用范围窄，

2、一般不能实现无缆化。而真空吸附和负压吸附，如果吸附外表有一定的障碍或不平整，其吸附效果会大大 降低。 壁面清洁机器人的研究开始向更广泛的多学科交叉开展。其涉及更多的学科领域，包括建筑学、机械 学、电子学、吸附技术、控制技术等。 随着应用领域不断扩大，要求轻量化、小型化和清洁高效化。因此，家用或准家用擦窗机器人越来越 受到重视，并呈现出很好的开展前景。高层建筑清洗业也会得到蓬勃开展。建筑物的清洗自动化和现代化 成为开展的必然，机器人技术在此领域的应用逐步会得到表达。高性能、高可靠的机器人产会随着自动化 技术、传感器技术和无线遥控技术的迅速开展逐步应用于各种场合，不久的将来，人类将从繁重的体力劳

3、动和高危险性作业中解脱出来。 三、课题研究主要内容 本课题主要研究对象是具有清洁功能的爬壁机器人。其中，对清洗机器人的共性问题附着技术、清 洗技术进行了较为深入的研究。 本文的主要研究内容如下： 第一、对壁面清洁机器人吸附技术进行了研究与创新。在总结以前的壁面清洁机器人吸附技术的根底 上，引入全新的基于正压吸附原理的吸附技术，将正压原理与负压原理相结合，使其壁面适应性强，越障 更加容易实现。 第二、对壁面清洁机器人清洗问题进行了研究。将其清洗方式定位为干擦与湿擦相结合的方式。干擦 即清理灰尘的功能，同时离心风叶不断的抽空气，使其通过过滤网，又起到滤尘的作用。湿擦即有水擦洗， 有污水回水装置。并

4、带有湿刷抬起装置，可将湿刷抬起，单独进行干擦。 第三、对壁面清洁机器人移动方式进行了研究。采用四轮驱动，两侧单独驱动，可灵活前进、后退及 转弯。 第四、对壁面清洁机器人的整体构型及设计原那么进行了研究。在保证要求强度及要求指标的前提下， 合理设计其构型，力 求用最简单、最可靠且重量最轻的构型来到达规定要求。 第五、对壁面清洁机器人的控制进行了研究。采用无线遥控技术，发射机发射信号，接收机接收信号， 进行相应动作。 四、 结论 一创新点 本设计采用正负压结合的吸附方式。 螺旋桨通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨叶扭角向后推空气产生的反作用力共同作用，产生 指向壁面的正压力；内部离心风叶，高速旋转

5、，将内腔中空气沿径向导出，使腔内外形成一定压差， 在外外表上产生指向壁面的负压力。同时，其也起到吸尘的作用，携带灰尘的空气经过滤网后可将灰 尘过滤。 1 螺旋桨和离心风叶共同旋转，正、负压吸附有机结合，共同作用于机器人本体，产生足够大的摩 擦力来克服自身重力，使机器人吸附在壁面上。这种方式吸附力强，壁面适应性好，越障容易，以能 够弥补单一吸附所带来的缺乏，到达良好吸附效果。 二特色 1. 清扫方式，采用滚刷清洁，效率及清洗效果较其他类清洗方式更好。 2. 本设计采用四轮推进方式,其控制及运动灵活,操作方式,宜于操作。 3. 本设计配备干擦和湿擦两种功能，适应面广。并设计有吸水刷抬起机构，人性化

6、设计，只需用手 抬起，即可单独执行吸灰功能。 4. 本设计采用遥控方式控制其前进、后退和转弯，操作灵活，人机交互性好；而且可遥控控制螺旋 桨及离心风叶的转速，进而灵活地调节其吸附力，以适应不同的场合。 5. 本设计综合运用机械、电控等领域的技术，具备机、电相结合的特点，符合现代机械行业开展趋 势。 本工程在继承传统吸附方式的同时，引入正压吸附，这不仅丰富了壁面机器人的吸附技术，弥补吸附 方式的缺乏，同时也对吸附技术朝更深层次领域开展起到了推进作用，为正压吸附领域的研究奠定了一定 根底。 三工程总结 本工程的目的在于提供一种基于正负压吸附原理的，结构简单，具有一定壁面适应能力的，可以遥控 的小型

7、壁面清洁机器人。 一个实用的壁面清洁机器，要能良好的吸附于接近垂直的壁面；要有良好的移动方式，以便于高效率 作业；要有良好的清洁方式，以便于到达彻底清洁的目的。 1. 功能要求 1可以牢固地吸附于壁面上； 2可以在有一定曲率半径或有一定障碍的壁面行走； 3可以灵活的前进、后退和转向； 4可以到达高效率清洁的目的。 2. 根本参数如下 1根本尺寸：长 400mm×宽 410mm×高 200mm； 2整体重量：6 千克； 3工作壁面：玻璃壁面和墙面； 4载体方式：正、负压吸附原理相结合； 5移动方式：四轮驱动； 6移动速度：10m/min，可调 速； 7控制方式：遥控； 8越障

8、能力：可跨越 15mm 以下的障碍。 3. 具体实现方案 本工程从整体上来说，分为五局部，如下所示。 机器人本体 吸附局部 推进局部 清洁局部 控制局部 平安保护局部 正负压相结合 四轮驱动 干、湿擦结合 遥控 绳索牵引保护 2 图 1 机器人本体正视图 图 2 机器人本体后视图 各局部的实施方式与关键点如下： 1吸附局部 吸附技术是本工程的关键技术。此处采用正压吸附原理和负压吸附原理相结合的吸附方式。 正压吸附，即通过在机体外外表安装螺旋桨，通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨扭角向后推空气 产生的反作用力共同作用，产生指向壁面的正压力，通过螺旋桨传递到电机，进而传递车体，使车轮与壁 面产生摩

9、擦力来克服重力，以到达吸附的目的。而且正压吸附能降低机器人对作业外表属性的依赖程度。 图 3 螺旋桨正压吸附原理示意图 关于螺旋桨产生的正压静拉力大小可由下式计算： 图 4 螺旋桨实物 T = 2.835 × 10 3 × P × D 3 × KRPM 2 式中： T 为静拉力，单位为克； P 为螺旋桨的桨距，单位为英寸； D 为螺旋桨的直径，单位为英寸； KRPM 为螺旋桨的转速，单位为千转/分钟。 表 1 各型号桨静拉力计算 编号 1 2 3 4 5 参数 桨距 P英寸 6 8 6 8 8 直径 D英寸 13 13 14 14 15 转速 KRPr/

10、min 8000 8000 8000 8000 8000 静拉力 T(g 2391.7 3189.0 2987.2 3982.9 4898.9 上面表 1 列举了几种不同参数的螺旋桨所产生的静拉力的数值。由此可以看出，只要选好一定参数的 桨，使其到达某种转速时，即可到达所要求的静拉力。 负压吸附，即内部安装有离心风叶，高速旋转，将内腔中空气沿径向导出，使腔内外形成一定压差， 3 在外外表上产生指向壁面的负压力，同样也使车轮与壁面产生摩擦力来克服重力，到达吸附目的。负压吸 附技术是利用真空原理进行吸附的，采用离心式风机作为真空发生源，真空度通常在 2kpa15kpa 之间， 因此称为负压吸附。

11、图 5 负压吸附原理示意图 图 6 离心叶片实物 关于离心风机产生的负压力大小可由下式计算： 图 7 机器人附着模型简图 T ' = p × A 式中： T ' 为负压力，单位为牛顿； p 为内压腔的压差，即真空度，单位为帕斯卡; A 为有效作用面积，单位为平方米。 设定可到达真空度 p 为 3kpa,有效作用面积为 340mm × 340mm,那么计算得 T ' 为 231.2N。 本工程将两种吸附方式相结合，电动机固定在内腔中，带动螺旋桨和离心风叶旋转，正、负压原理有 机结合，共同作用于机器人本体，产生足够大的摩擦力来克服自身重力，使机器人本体吸

12、附在壁面上。而 且共同作用，将会降 低滑落、翻倒的可能性，使吸附效果到达最正确状态。 机器人的附着模型如图 7，计算如下： Y = F + F G sin = 0 Z = N + N P P G cos = 0 M = 0.5 L + 4h G sin( ( P N 1 2 1 2 1 2 2 2 01 2 2 L = 0 式中： G 表示机器人的重力N ； P1 表示 O1 的等效附着力N ； P2 表示 O2 的等效附着力N ； 4 表示壁面与水平面的夹角； 表示 O1OD ，由机器人的结构确定。 表 2 电机相关参数 编 号 马达型号 电压范围 KV 值(rpm/v 电调(A 电池(节/

13、桨 XYHOK-C4250-A 6v-18v 600 60 LiPoX4 XYH-W-023 表 1 中电机的外型尺寸为42.5X50mm ，出 轴为5.0X20.0(mm，重量为 195g。 N 1 表示 O1 点的反力N ； N 2 表示 O2 点的反力N ； F1 表示 O1 点的驱动力N ； F2 表示 O2 点的驱动力N ； 图 8 主电机 图 9 无刷电子调速器 配合电机选用无刷电子调速器，其特征及技术参数如下所示。 特 征: 无刷电子调速器主要特性和功能如下： 电调功能设定简单, 操作方便。 油门行程会自动设定，线性极好，具有平滑细腻的手感 平安通电功能，接通电源时无论遥控器的油

14、门摇杆在任何位置均不会立即启动电机，防止电机突然 旋转伤人。 防堵转设计，电机出现堵转时自动切断电源防止电调损坏。 调制频率(PWM:8KHZ 超温保护 110。 遥控信号丧失 3 秒后自动关断。 可以连接编程卡，容易地设定电调的各种参数。 具有两种设置模式以满足不同磁铁极数电机的要求。 a：软模式 适合普通电机2， 4， 6 极 提供最大效率 b：硬模式 适合 6 极或更多极数电机 提供最高转速和电流 技术参数: 技术参数: 产品名称：HiModel 60A 无刷电子调速器 厂家编号：FLY-60A 重量: 35g 尺寸: 22×18×5mm 标准电流: 60A 5 最大

15、电流: 70A (10 秒 BEC 输出: 无(需另配 UBEC 输入: 2-6 节锂电池, 或 6-16 节镍氢电池 图 10 机器人本体剖视图 综上所述：正压力与负压力共同作用，产生拉力为约为 280N，取橡胶车轮与墙面的摩擦系数为 0.3， 那么可使重量为 8.4Kg 的车体吸附于壁面。即工程所设定机器人本体重量满足要求。 2推进局部 这里采用四轮驱动。机器人本体左、右侧单独驱动，四轮皆可产生有用的摩擦力来克服重力。当两侧 速度相同时，可实现直线前进与后退。当两侧速度不同时，可实现转弯。 前后车轮装配图如下图。其中车轮外表要求齿状挂胶处理，以增加其外表与壁面的摩擦力。 图 11 主动轮装

16、配图 6 图 12 从动轮装配图 车轮电机配制有 CSKJ 无级电子调速器，可制电机速度大小及方向，其产品特性及参数如下。 特 征: CSKJ 比例遥控双向带刹无级电子调速 器采用微处理器为控制芯片，智能化处理信号，利用软件优化， 提高了抗干扰能力。 刹车功能。打油门是刹车，回中，再反打油门即可倒车。前进刹车回中后退。 运转平滑性。出功率为 PWM 调制，调制频率为 3KHz，极大地提高了马达从低速到高速的运转平滑性， 特别是低速时，马达的运转线性非常平滑。 低内阻输出。精心挑选的低内阻大功率场效应管，确保动力澎湃。 技术参数: 技术参数: 体积：45mm x 35mm x 23mm 重量：5

17、5g 持续电流：前 75A 后 75A 瞬间峰值电流：150A 内阻：4 毫欧-即 0.004 欧 工作电压：5V17V BEC: 5V /1A 图 13 CSKJ 比例遥控双向带刹无级电子调速器 3清洁局部 机器人本体内部配有干擦和湿擦双清洁结构。 干刷旋转时，将壁面的灰尘扫起，同时离心风叶又起到抽气吸尘的作用，将灰尘吸起通过过滤网将其 过滤收集。 湿擦为有水清洗，湿刷和海绵材料制作，带水擦洗，污水沿壁面流下，流经吸水辊子将水收集，并与 挤水辊子相挤，将污水挤出，回收到污水收集箱。 当壁面只需要扫灰而不需要带水清洗时， 可将湿刷停转， 将吸水辊子沿槽抬起， 在结构上设计有卡槽， 将吸水辊子移

18、动到卡槽内，并用弹簧卡住固定，此时只进行干擦洗。 7 图 14 机器人内部结构视图 图 15 抬起机构局部视图 湿刷电机选用德国冯哈勃 Faulhaber 空心杯减速电机 2342L012， 电机通过联轴器连接有蜗轮蜗杆减速 器减速，通过齿轮传动将动力传递至湿刷。电机参数如下。 图 16 德国冯哈勃 Faulhaber 带编码器空心杯减速电机 2342L012 工作电压: 12V 空载转速：8100RPM转每分钟 减速后速：120RPM转每分钟 直 径：30mm 电机长度：42mm 总共长度：85mm 出轴直径：6mm 出轴长度：35mm 输出功率：17W 空载电流：75mA 堵转电流：140

19、0mA 减速箱型号：日本定制全金属精密行星减速箱 减速比：64：1 4控制局部 8 本机器人采用遥控控制。操作人员可在地面进行操作。 根据实际壁面的情况来调节螺旋桨和风叶动力电机的转速，进而提高吸附力，以适应不同壁面要求； 也可以遥控调节其左右侧推进电机的转速来实现前进、后退和转向；调节湿刷和喷水的频率，来适应不同 壁面的清洗。 发射机 接收机 1号电子调速器 2号电子调速器 3号电子调速器 主电机 左车轮 右车轮 5平安保护局部 在垂直壁面上吸附作业时，为防止其滑落，需要有保险装置对这种意外情况实施保险，可在楼顶或屋 顶提供保险绳作为平安保险措施。 图 17 机器人吸附于外表的图片 问题、

20、五、 问题、体会与收获 壁面清洁机器人技术作为多学科交叉的特种机器人技术，尚有诸 多共性问题亟待进一步研究。 1、机器人载体设计中的通用性技术的深入研究，如吸附技术、能源供应技术、新材料、多传感器 融合技术等，使壁面清洗机器人设计做到面向对象与通用性相结合。 2、对机器人路径规划器之间的问题应作深入的研究，找到适合于机器人作业的路径规划方法。 3、针对壁面清洁机器人样机应进一步提高其工作效率，减轻载体重量，并进行结构简化，以求具 有更加良好的适应性和机动性。 在工程进展过程中，我们体会最深就是创新。所谓创新，既要求所做的工程要求一定的创新性， 要不同于以往，要有所突破，也可以有所借鉴，不仅所提

21、出来的思想要新，而且要有可行性。好的东 西保存，不好的东西舍弃，并将这些东西合理地运用在自己的工程中去，通过一定的努力去将其实现。 9 这就是我们所理解的创新。 本工程从设计到制作的过程中，发现理论与实践有较大差距。有时我们所想象出来的想法或结构， 虽然想的很好，但是与实际脱轨。当我们带着冲动而又紧张的心情，拿着辛辛苦苦画好的图纸来到工 厂准备加工时，工人师傅往往都在看后，给我们的设计指出了很多的错误，需要做较大的改动。因为 有些零件是不合理的或根本加工不出来的。比方，我们最初的设计方案为六轮驱动，但是从重量和结 构稳定性方面考虑是不合理的，所以经师傅们指点改为了四轮驱动。由此我们体会到，设计

22、零部件时 不仅要从整体上考虑，而且还要结合加工手段及工艺来设计。 对于方案确实定，充分合理的调研是很重要的。好的方案确定需要反复的调研和比拟。在最初立 项时，我们查阅很多论文及专利，参观了一些基于负压吸附的机器人，在充分了解其性能和各项功能 的同时，还要考虑其优缺点，比方缺点是负压只适合平整壁面，磁吸附适应范围窄，优点是其吸附力 较大，技术较成熟等，对其优点可以发扬，缺点加以改良，保存以往负压吸附方式的同时，与正压吸 附相结合，以到达最优的吸附效果，并配合有高效率干擦与湿擦机构，组合在一起，即拟出了一个好 的方案。 在这半年的时间里，我们深刻地体会到做一件事、一个创新工程不容易，做出做好就更难

23、了。以 往的设计是无约束的设计，我们想到什么就可以去设计什么，但是我们的创新工程，是有约束的设计， 即要求其能稳定的吸附在壁面上，并要求其整体重量尽可能的保持最轻。在前期，通过做一个简易的 装置，将螺旋桨和离心叶片安装上去，去实验验证正压和负压吸附方式，吸附力的大小，并通过改良 螺旋桨的安装方式和整体的密封方式，到达指定 吸附要求。 在工程进展过程中，我们的指导老师曲建俊教授，一直关心和鼓励着我们。当我们束手无策时， 不知工程该从何下手时，老师给我们以灵感与启发，鼓励着我们去前进。当我们遇到难攻克的问题时， 老师给我们以指导，启发并引导我们如何去解决问题。当我懈怠时，老师又鼓励着我们，给我们以

24、动 力，让我们一直有热情、有激情的、执着的走下去。按惯例每两周有一次见面会，是我们和老师面对 面交流的时候，内容包括前期进展，问题探讨，下一步进展等，每一次的见面都收获很多，从小组的 工作分配，结构设计的优化到报告的撰写，真正地学到了一些课堂上学不到的东西，进而将其在工程 进展中应用与拓展。 从我们这半年的经历来说，多学科的交流会为我们的创新提供很多的灵感，会启发我们的思维。 我们做机器人，螺旋桨动力局部了解较少，通过与校航模协会的沟通，让我们对其性能有了更深的了 解，包括购置产品的渠道及相关信息也了解的更多。多学一些，多了解一些，不仅在我们做工程的过 程起到了很大的作用，可能会在将来的某天，

25、在做某些工程时，也能灵活地将各学科的知识运用到自 己的设计上面去。多学科的交流也会给我们以思考，从别人的设计中去提炼粗华，去找出其缺乏之处， 这也是一个自我能力提升的时机。 总的来说，创新的道路并不平坦，有苦有甜。有的时候，我们跌倒了，但是不要悲伤，因为这种 收获比起那跌倒来说更为珍贵，有一句话说的好，即使跌倒，也要豪迈的笑。阳光总在风雨后，没有 经历过风雨洗礼，就没有日后的彩虹。我们会一直地坚持的，执着的走下去，因为我们自信，自信是 我们小组一直走下去的动力，团结是我们高效工作的前提，那么我们的最终的工程成果相信也必定是 一流的。 六、建议 每一个工程都涉及很多领域，各个学科的知识都能在工程

26、制作过程中得到应用，那么我们就要加强多 学科交叉及融合。希望能提供一个多学科开展的平台，让学生们能在这个平台上能够有所收获，互相交流 与学习，共同进步。 七、结束语与致谢 一路走来，从开始的选题、立项到最后的验收和辩论，我们走得很辛苦，但是我们学到了很多东西。 虽然走过弯路，体验过失败，但是我们都坚强地挺了过来，在指导老师的指引下，在教务处及学院相关老 师的关注下，在国家、学校及学院的大力支持下，我们成功了。 在此，首先我要感谢国家对我们工程的资助，让我们有时机去施展自己平时所学的知识，去扩展自己 的思维。再次，要感谢学校、学院对此工程的鼎力支持，我们才 能有今天的成就。还要感谢我们的指导老 师曲建俊教授，没有他平日里的悉心指导，没有他对我们工程严谨的态度，我们是不会有今天