毕业设计（论文）-擦玻璃机器人设计

毕业论文玻璃清洗机器人吸附机构设计全套图纸加V信153893706或扣3346389411系部名称：专业班级：学生姓名：指导教师：职称：二○XX年六月TheGraduationDesignDesignofAdsorptionMechanismforGlassCleaningRobotCandidate：Specialty：Class：Supervisor：Shenyanginstituteoftechnology2019-06沈阳工学院毕业设计(论文)1绪论1.1引言在现代都市中，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。1.2研究的目的和意义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。1.3国内外研究现状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NINJIA1990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1.4本文研究的内容和方法目前已有几种真空吸附清洗机器人能够实现自动爬行、供水和擦洗的功能，但它们几乎都存在三个共同的问题：①水、电、气分路控制：供水清洗、爬行驱动和真空吸附三个系统相互独立，需要水泵来供给清洗用水，需要气泵来实现抽真空吸附，需要活塞缸或电动机来驱动机器人爬行，增加了机器人的附属设施和制造成本；②直行与转弯运动分别驱动：采用两套机构来分别驱动机器人的直行和转弯运动，驱动装置复杂、笨重，需要外接驱动电源，降低了可靠性和安全性；③接触式清洗：采用擦布和滚刷组成的复杂机械结构直接磨擦玻璃进行清洗，这种方式容易擦伤高档玻璃的表面保护层，还需要清洁剂，污染环境，更主要的是擦拭所需的下压力正好与机器人的吸附力方向相反，很难保证机器人稳定吸附的同时又有足够的擦拭压力。

针对这些问题，我们设计了一种水射流抽气式清洗机器人，其创新性主要表现在三个方面：①新原理：利用水射流原理，以水为唯一的动力源实现了吸附、爬行和清洗三种功能，系统更紧凑、轻巧；②新结构：采用两个活塞缸实现了直行和转弯两个运动，机构更简单、可靠；③新理念：采用超声波非接触式去污，既无压力、又不加洗涤剂，体现了简洁、环保的设计理念。与以往的真空吸附清洗机器人相比，本作品的技术创新性与成本优势明显，市场竞争力更强。2总体方案设计2.1工作原理水射流抽气式清洗机器人整体结构如图1所示,图1中实线箭头表示水流方向,水流从进水口流入,在水射流抽气元件进水口处把水流分成两股:一股通入到水射流抽气元件用于产生负压,为真空吸盘抽气,抽气过程中气体流向如虚箭头所示,真空吸盘中的空气流经电磁阀进入到水射流抽气元件的抽气口,当电磁阀开启,气路接通,真空吸盘抽气吸附;当电磁阀关闭,气路切断,真空吸盘放气松开。另一股水流通入到水压驱动机构,水压驱动机构与真空吸盘相连接,水压驱动机构的动作与真空吸盘的吸、放动作相结合,实现清洗机器人在清洗壁面上行走。通入到水射流抽气元件用于产生负压的水流与通入到水压驱动机构用于驱动清洗机器人的水流,在完成各自功能后又在水射流抽气元件出水口处被并成一股一起流入清洗机构,为壁面清洗提供用水。水射流式清洗机器人，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组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本作品的主要特点是以水流作为唯一的外部动力源实现清洗机器人的吸附、爬行、清洗三大功能，水既是清洗剂，又是吸附和爬行的动力源。与现有的清洗机器人相比，本作品扔掉了气泵、电动机和复杂的驱动机构，且无需外接动力电源，其结构更简单，体量更轻便，运行更安全，是一种只需接上自来水就能自动清洗玻璃的新型环保机器人。

②本作品利用清洁水流经射流发生器时产生的负压来实现机器人的抽真空吸附，区别于以往采用专门气泵来抽真空吸附的清洗机器人；

③本作品利用清洁水流经射流发生器时产生背压来推动活塞杆，实现机器人的爬行驱动，区别于以往采用专门的电动机动力源来实现驱动的清洗机器人；

④本作品利用两组活塞驱动和吸盘的交叉控制来实现直行和转弯两种运动，实现机器人的二自由度爬行驱动；

⑤本作品利用刷子和滚筒直接擦拭玻璃。图1外形图2.2外形尺寸选择因吸盘带有活塞杆，我们把吸盘设计成盘状，可以直接采购相应的型号吸盘，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：R=25mm高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吸附机构3.1吸附方式3.1.1吸附方式选择爬壁机器人最主要的一个特点是机器人可以克服重力作用，在一点倾斜度，垂直或倒立的壁面上具有静止及移动的能力。目前爬壁机器人吸附方式主要包裹磁吸附，负压吸附，螺旋桨推压等，今年来又出来现了胶吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蜗牛的湿吸附，类攀岩抓持吸附，该类吸附方式只适合在导磁面上吸附；低真空度负压吸附采用风机旋转将负压腔内的空气抽出产生负压来吸附，具有一定的壁面适应能力，但存在噪音大，体积大的缺点；高真空度负压吸附方式则由真空泵在真空吸盘内产生一定得真空度，其具有噪音小，易于小型化集成的优点，但对壁面的光洁度及透气性有较高的要求；螺旋桨推压靠合理布置螺旋桨的角度，利用螺旋桨旋转产生的推力将机器人贴附在壁面上，但也存在噪音大的缺点。由于负压吸附具有适用面广，不受壁面材料限制，而且低负压真空吸附的爬壁机器人具有壁面适应能力强和运动速度快等优点，因此目前负压吸附在爬壁机器人中得到广泛的应用。真空泵式要带一个大大的气泵，且设计要求需要清洁水擦玻璃，固采用水射流式抽气吸附。这种方案前面已经提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盘里后，经射流器力射流泵提供的动力，再把水经喷头往外喷，把里面的空气带走，喷完后，吸盘内外形成负压，把吸盘吸住。水主要是往扫把中心喷，避免水喷在吸盘的路径上影响机器人的吸附和运动，而且，机器人的拖把也固定在中心，喷完水后，水正好配合运动过程中的擦洗功能。3.1.2吸盘结构简图由于吸盘也是机器人运动时类是于液压缸机构，其结构图如图2所示：它是圆形形吸盘，工作时最多只有一半用来射流喷水产生吸附，实现机器人的吸附功能。图2吸盘结构简图3.1.3机器人控制原理图机器人的吸附与运动机构都要水的参与，工作过程如下：1：2YA通电，工作腔1冲水，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.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。图3机器人控制原理图直线运动简图3.2吸附力分析3.2.1材料选择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，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。3.2.2吸附力计算要保证机器人不沿壁下滑，则FminG（G=G+G)要保证机器人不会掉下，就必须在最小的吸附力作用下时，机器人还不会掉下，因此：当Amin=0.05×0.08=0.004mFmin=Pc×0.004假设Pc=P0时，即腔里完全真空。Fmin=Pc×0.004=P0×0.004=400N=0.2，Fmin=400×0.2=80N此时，G=gv=3×1.0×10×0.05×0.08×0.03=0.36N3.2.3系统抗倾覆计算机器人结构材料的密度小，整体体积不是很大，所以重量小，加上水后所产生的总重力也远小于摩擦力。该机器人，不仅要求在结构上采用尽量简单的结构来减轻机器人的本体量，同时机器人还有一个重要的基本功能就是运动。因此怎样保证机器人的运动过程中的动态负载能力和平衡，这对于机器人本体的安全运行非常的重要。机器人在壁面上移动时,都是通过两个类是活塞缸的洗盘提供的吸力来维持机器人在壁面移动时力的平衡。结合这一简单结构的特点，机器人在运动时，其力的示意图如图4所示:其中F代表机器人在壁面行走时由一个吸盘提供的最小吸力，G代表机器人的本体重力，N代表位于壁面下端的一个吸盘在移动过程中墙壁对它的支持力。由图4知，系统最容易以A点为中心发生倾覆，因此，以A点为中心，建立系统的力矩方程，使机器人能稳定可靠的在壁面上行走和工作，就必须满足式3的要求:（1）式中:为真空吸盘产生的力矩，为系统重力力矩。图4由式1知，为了使机器人能在玻璃壁面可靠吸附、安全作业，就应该增加吸盘的吸力，同时增加其力臂Ll。另外，在减轻机器人本体重量的同时，应该减小其作用力臂L2。这也是我们进行总体方案设计时所遵循的一个重要原则。而本设计的机器人由于吸附力F大于重力G很多，且L1>L2,机器人有很好的抗颠覆能力，保证机器人不会因为翻转而掉下。3.3其他机构的选择3.3.1射流器选择由于机器人采用水射流式吸附方式，故必须选用射流器喷水，把吸盘里的空气带走，产生负压，使机器人紧靠在玻璃上。由于1秒的时间里要把吸盘里的水喷完。它的主要部分是由带喷头的射流泵组成，外形有两出水口，经这两出水口，使射流出的水往两边流，用于擦洗玻璃。如图3所示,水射流抽气元件由喷嘴和文丘里管两部分组成。水流通过水射流抽气元件时,水射流抽气元件内部喷嘴相当于一个节流口,根据流体力学原理,由于喷嘴的节流作用,水射流抽气元件进水口处液体压力升高,在该处将高压水流引入水压驱动机构,可以为清洗机器人在清洗壁面行走提供动力。根据水压驱动机构活塞缸的输入压力,按小孔流量方程可知水射流抽气原件的流量图3水射流抽气元件其中q———水射流抽气原件的流量Cd———流量系数A0———喷嘴口横截面面积Δp———水射流抽气原件进水口压力ρ水———水的密度d———喷嘴直径根据公式(2)计算得到的活塞缸的输入压力为p=3.0×105Pa,令Δp=p=3.0×105Pa,取Cd=0.61,A0=0.353×106,ρ水=1000kg/m3,可计算出水射流抽气原件所需流量为q=0.32L/min。此外,水射流在文丘里管缩口处产生负压,利用该负压通过水射流抽气元件抽气口为清洗机器人的真空吸盘抽气,实现清洗机器人在所清洗壁面的吸附。令通过收缩口处的水射流速度流速为v,则根据流体力学中的文丘里原理,抽气口处的负压与水射流速流速的关系如下:(5)其中v为通过收缩口处的水射流速度。v可由公式(4)计算出的流量折算得到:按水射流抽气原件所需流量为q=0.32L/min,收缩口直径d=0.45mm,计算出收缩口处的水射流速度为v=14m/s,进一步计算得到水射流效应在抽气口产生的负压pv=0.98×105Pa,将该负压连接到真空吸盘上,可保证吸盘具有足够的真空度。3.3.2水泵和水管的选择设定推动活塞杆的速度是u=5mm/s它所需流量Q=0.005X0.08X0.03=0.000012m/s=0.72升/分两管同时进水时流量Q=2X7.2=1.44升/分今选用水泵参数如下表所示：型号最大流量最高扬程进出口内径工作电流A工作电压V最大输出压力ASP55262.6L/min55米进6出10<=2.2120.55MP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。3.3.3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6图6密封装置简图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水压驱动机构设计4.1驱动机构分析4.1.1驱动方式80年代以来，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，选出最适合的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。吸附机构没用气缸，所以驱动方式也不采用。为了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，使水既是清洗剂，又是动力源。水压驱动机构的原理如图2所示，可实现爬行、转弯两种运动。爬行运动:在爬行过程中,对角2个吸盘A、B吸紧玻璃固定,吸盘C、D松开,连杆CD在力F的作用下向上下平移,从而实现一步向上爬行。同理,在下一步,对角2个吸盘C、D吸紧玻璃固定,吸盘A、B松开,连杆1在活塞推力的作用下向上下平移,从而带动连杆AB向上下摆动。如此往复运动实现爬行功能。转弯运动:在转弯过程中,对角2个吸盘A、B吸紧玻璃固定,吸盘C、D松开,连杆CD在力F的作用下向左右平移,从而实现一步向左右爬行。在下一步,对角2个吸盘C、D吸紧玻璃固定,吸盘A、B松开,连杆1在活塞推力的作用下向上下平移,从而带动连杆AB向上下摆动。如此往复运动实现爬行功能。两个动作交替进行，实现转弯功能。4.2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（又称尼龙或锦纶），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——1.15g.cm-3.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=0.000012m3/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ASP55262.655进

Φ6出Φ10≤2.2120.55MP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F驱≥G总+F摩其中G总=G水+G壳+G其它因推动活塞运动时，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估计外壳质量每千克螺栓质量为46kg，则7个为322g由于射流器选用小型的，质量小，估计1000g。则m总=800+322+1000=2122gG总=2.122×10+0.24=21.46N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。

4总结目前高楼玻璃幕墙清洗机器人在我国应用还基本上没有展开，而国外已经开始投入具体实际应用。我国在这方面的研究大多只是应用在试验室阶段，并没有具体作为产品推广。如我们平时所看到的新闻也只是介绍有一款机器人可以用来擦玻璃，但它还是处于试验运行阶段，并没广泛推广，而国内目前绝大多数高层建筑仍采用吊篮+人工完成清洗工作，。因此，国内清洗机器人有十分广阔的应用前景，尽快研制出一种能真正投入实际应用的清洗机器人就显得十分必要。本文针对国内高楼玻璃幕墙的清洗现状，结合高楼玻璃幕墙清洗作业的具体工作环境，开发设计出了一种专用于高楼玻璃幕墙清洗的水射流式清洗机器人，该清洗机器人具有结构新颖、安全可靠、重量轻、效率高的特点。本文主要进行了以下几个方面的工作并得出了结论:1，设计出了一个完整的水射流式清洗机器