爬壁幕墻清洗機器人設計說明書

1、江西省第二屆大學生機械創(chuàng)新設計大賽暨第三屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽江西賽區(qū)選拔賽設 計 說 明 書INSTRUCTION OF DESIGN作 品 名 稱 “小蜘蛛”幕墻攀爬清洗機 參 賽 隊 伍 陳明登 謝信韋 馮江濤 劉連杰 郭曉歡 指 導 老 師 李國臣 吳文通 參 賽 單 位 井 岡 山 大 學 2008年4月18日目 錄摘要i小蜘蛛幕墻攀爬清洗機設計說明書1作品內容簡介11 研制背景及意義12 主要功能和性能指標23 設計方案33.1 機械機構33.2 控制機構34 理論設計計算44.1 真空吸附力計算44.2 幕墻清洗機器人附著的力學分析55機構設計與工作原理75.1攀爬機構85

2、.2清洗機構85.3鉸接連桿支撐機構95.4換氣機構96創(chuàng)新點及應用107作品實物工作圖118應用前景13參考文獻14摘 要：“小蜘蛛”幕墻攀爬清洗機是基于昆蟲攀爬動作的仿生原理制作而成。在國內外現(xiàn)有的壁面移動機器人研究成果的基礎上，結合高空作業(yè)的特點，在對幕墻清洗機器人的共性問題附著技術、爬行技術、清洗技術進行分析的基礎上。模擬昆蟲交錯攀爬的動作，設計了自攀爬機構，實現(xiàn)了吸附機構、清洗機構和攀爬機構的有機結合?！靶≈┲搿蹦粔ε逝狼逑礄C主要包括攀爬運動機構、吸附機構、清洗機構和控制系統(tǒng)等四部分組成，機械結構設計中靈活運用了四桿機構、曲柄滑塊機構、齒輪機構、離合器和控制機構等，結構豐富，其創(chuàng)新點

3、主要體現(xiàn)在：1）仿昆蟲攀爬動作，采用絲杠傳輸機構與連桿鉸接支架的升降機構，實現(xiàn)清洗設備的腿足式交錯移動。2）仿人工清洗習慣動作，采用曲柄滑塊機構，實現(xiàn)玻璃幕墻的往復式擦洗。3）采用連桿鉸接支架的升降控制吸附機構控制閥門的開啟與關閉，通過單片機控制，實現(xiàn)機構移動、換氣機構與清洗機構的有機結合。本產品可廣泛用于高樓大廈的幕墻清洗，設備結構簡單、靈巧便捷，實現(xiàn)了幕墻清洗的自動化，將人類從原始的高強度的高空作業(yè)中解脫出來。試驗表明，此型清洗機器人清洗效果明顯，操作方便，對同類設備的設計有很好的參考價值。關鍵詞：幕墻清洗 玻璃幕墻 機器人 負壓吸附“小蜘蛛”幕墻攀爬清洗機設計說明書設計者：陳明登，謝信韋

4、，馮江濤，劉連杰，郭曉歡（井岡山大學工學院，江西 吉安 343009）作品內容簡介“小蜘蛛”幕墻攀爬清洗機是基于昆蟲攀爬動作的仿生原理制作而成。其主要特點是在模擬昆蟲交錯攀爬動作的基礎上，根據高樓幕墻清洗的特點，在對幕墻清洗機器人的共性問題附著技術、爬行技術、清洗技術進行分析的基礎上。設計了結構簡單、靈活便捷的自攀爬清洗機器人?！靶≈┲搿蹦粔ε逝狼逑礄C主要包括攀爬運動機構、吸附機構、清洗機構和控制系統(tǒng)等四部分組成，機械結構設計中靈活運用了四桿機構、曲柄滑塊機構、齒輪機構、離合器和控制機構等，機械結構豐富，其創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在：1）仿昆蟲攀爬動作，采用絲杠傳輸機構與連桿鉸接支架的升降機構，實現(xiàn)清洗

5、設備的腿足式交錯移動。2）仿人工清洗習慣動作，采用曲柄滑塊機構，實現(xiàn)玻璃幕墻的往復式擦洗。3）采用連桿鉸接支架的升降控制吸附機構控制閥門的開啟與關閉，通過單片機控制，實現(xiàn)機構移動、換氣機構與清洗機構的有機結合。本產品可廣泛用于高樓大廈的幕墻清洗，實現(xiàn)了幕墻清洗的自動化，將人類從原始的高強度的高空作業(yè)中解脫出來。試驗表明，此型清洗機器人清洗效果明顯，操作方便，對同類設備的設計有很好的參考價值。聯(lián)系人：李國臣，聯(lián)系電話E-mail：guochen_li1 研制背景及意義隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，特別是高層建筑的興起，以玻璃幕墻為代表的幕墻結構逐步演繹成華麗的“城市外衣”，就在

6、實現(xiàn)它的功能和實效的同時又衍生出了下一個問題繁重的幕墻清洗任務，并且許多國家已對建筑幕墻的清洗要求做出了明確規(guī)定。此外，越來越奇特的建筑結構使清洗的難度成倍增加，甚至采用傳統(tǒng)的清洗方法己無能為力。然而，在社會文明高度發(fā)展的今天，對生命的關愛達到了前所未有的高度，要求停止使用蜘蛛人的呼聲不絕于耳。因此人們期待新的具有人性化的清洗方式出現(xiàn)。目前大多是用人工清洗，若是低些的幕墻的還好，但現(xiàn)在幾十、幾百米的幕墻水隨處可見，那么幕墻的清洗問題變成了令人們頭疼的一件事了。而傳統(tǒng)的吊籃人工操作清理的方式既危險和枯燥，勞動強度又高。為了彌補現(xiàn)實生活中存在的這一缺陷；為了在清洗工作自動化上能貢獻我們的一點力量與

7、能力；也為了更好的在生活中實現(xiàn)清洗作業(yè)的節(jié)能操作；同時，還為了實現(xiàn)高新技術的綠色、環(huán)保，造福我們的子孫后代。20世紀90年代以來，隨著電子技術的飛速發(fā)展和自動化裝備的不斷成熟，日本的研究人員率先將目光投向自動化的清洗方式，由此幕墻清洗機器人應運而生。目前幕墻清洗機器人技術及其理論的研究已成為熱點，國內外許多科研單位都在進行相關方面的研究并取得可喜成果。但是，研究工作仍然處在樣機的研制和實驗階段，而幕墻清洗機器人的關鍵技術與理論則有待于進一步深入研究。本文的研究目的就是要在幕墻清洗機器人的結構創(chuàng)新上做一些新的探索。2 主要功能和性能指標經試驗，幕墻清洗機可以達到攀爬清洗的效果。其主要功能和指標如

8、下：（1）采用負壓達-0.085KPa的真空泵和幾何尺寸為60mm的圓形洗盤，每個洗盤的吸附力達12KG，攀爬機構上裝有4個洗盤，最大吸附力可達48KG；（2）采用電機型號為M0146，功率達25W，采用螺紋絲杠傳遞動力，可實現(xiàn)支撐機構和清洗機構的交替移動；（3）通過曲柄滑塊機構帶動清洗器，清洗器包括清洗液噴頭和刮擦器，噴頭的噴洗壓力和根據所配備的水泵控制壓力，可適應不同清洗場合；（4）通過遙控器和單片機控制機構，實驗清洗機器的遠程作業(yè)，遙控器的發(fā)射功率為30mW，可控距離達500米；（5）整個機器結構緊湊，長500mm，寬200mm，高170mm，清洗寬度為200mm，清洗速度為1m/分鐘，

9、作業(yè)效率為12m2/小時。3 設計方案3.1 機械結構采用鉸接連桿支架、螺紋傳動、齒輪機構、離合機構和曲柄滑塊機構實現(xiàn)整個機構的移動和清洗操作。其運動機構簡圖如圖1所示：圖1 機構運動簡圖1 支撐架 2 電機 3 絲杠 4 擦洗支撐機構 5 電機 6 絞接支架 7絲杠8擦洗支撐機構用吸盤 9支撐架用吸盤 10 齒輪 11 圓盤（曲柄）12 連桿和滑塊 13 清洗器 14 清洗液噴頭運動過程簡述：1）電機2運動，帶動絲杠3轉動，實現(xiàn)擦洗支撐機構4沿支撐架1的滑道向前運動；同時，擦洗支撐機構4帶動擦洗機構13，實現(xiàn)移動擦洗。2）當4 擦洗支撐機構由A點運動到B點，控制機構作用，電機2停止；電機5運

10、動，并帶動絲杠7轉動，絲杠7的轉動帶動絞接支架6的收攏，同時，擦洗支撐機構4的吸盤開始吸附，而支撐架1的吸盤停止吸附。4固定支撐，而1變?yōu)橐苿又Ъ堋?）電機2反轉，絲杠3帶動支撐架1沿滑道向前運動，擦洗支撐機構4轉變?yōu)楣潭ㄖ螜C構；當支撐架1的A端到擦洗支撐機構4時，停止運動。4）重復布驟1。3.2 控制結構在擦洗支撐機構4和支架1上安裝行程開關，實現(xiàn)電動機1和5的停轉和正、反轉，同時加裝氣體控制閥，實現(xiàn)吸盤8和9的交替吸附。其控制過程示意圖如2所示：圖2 控制過程控制過程簡述：1）單片機讀取遙控器無線信號，控制電機的正反轉，實現(xiàn)爬行。2）單片機讀取無線電信號，根據讀取的信號，經判斷，轉入不同

11、的子程序，控制兩個電機的先后工作順序和正反情況。4 理論設計計算4.1 真空吸附力計算圖3 真空吸附系統(tǒng)新型壁面清洗機器人采用真空吸附方式，單吸盤雙風機吸附結構，吸盤由橡膠和鋼板支架構成，吸附機構依靠風機的高速旋轉將空氣由吸盤腔內抽出，在吸盤腔內產生負壓，依靠吸盤的內外壓差將清洗機器人吸附在工作壁面上，吸附力可由下式求出，即 （1）式中：Pa為大氣壓強，Pc為吸盤腔內的壓強，A為吸盤有效密封面積。吸盤腔內的壓力值可通過吸附機構的氣流量平衡式推導，即 （2）式中：Q1為工作風機的抽氣量；Q2為輔助風機的泄漏量；Qm必為密封氣囊與壁面間的縫隙泄漏量。 （3）式中：為動力粘度；為密封氣囊與壁面間的縫

12、隙高度；為空氣質量密度；P為吸盤腔內外壓差；rl，r2為密封氣囊在有效密封寬度下的內外徑。4.2幕墻清洗機器人附著的力學分析雖然幕墻清洗機器人上與壁面接觸的清洗頭、附著裝置和驅動裝置具有局部柔性，但總體看來，局部柔性對整個幕墻清洗機器人受力狀況影響較小，同時為了簡化問題分析，在建立力學模型前，做以下合理假設。(1) 剛體假設即認為幕墻清洗機器人總是剛體。(2) 對稱假設即認為幕墻清洗機器人在水平方向所受的力總是對稱的。由上述假設，幕墻清洗機器人的受力狀況可簡化為平面力系。設幕墻清洗機器人以速度v向上沿幕墻做勻速直線運動，其受力情況(為簡化分析，忽略了阻力的作用)，如圖4所示。O1點為機器人的翻

13、倒支撐點，由剛體假設，該點即機器人與壁面接觸的最低點當發(fā)生翻倒失效時，機器人繞該點發(fā)生翻倒。其平衡條件如下： （4）將圖中各參數帶入得： （5）式中(G-機器人的重力（N）；P-等效附著力（N）；N-幕墻對機器人的等效反力（N）；F-機器人的驅動力（N），F(xiàn)=N，（為摩擦系數）；M-P、N向重心O簡化時，所得對O1點的附著力矩（Nm），M =f(P，N)，f（*）由機器人的結構參數確定；-壁面與水平面的夾角。解上述方程組即可求得平衡狀態(tài)下，機器人的各力學參數。同時也可以此對機器人的附著狀態(tài)做出判斷。在圖示的坐標系中，機器人的重力可分解為Y軸和z軸兩個方向分量，平衡狀態(tài)下，重力的Y分量由驅動力來

14、平衡，而重力產生的翻倒力矩由附著力矩M來平衡。然而，考慮到外力干擾和慣性力等因素，實際的驅動力比上式求得的要大得多，因此，驅動力F介于0Fmax之間。Fmax由機器人驅動裝置與幕墻面之間的最大靜摩擦力確定，其大小與介質摩擦系數和作用于驅動裝置的附著力有關。同樣實際可能產生的附著力矩比上式求得的值要大得多，并在一定范圍內隨外力的變化而變化，即附著力矩M介于0Mmax之間。Mmax為最大附著力矩，其大小由附著力和機器人的結構尺寸和附著方式決定?？梢姡瑱C器人的附著狀態(tài)與參數Fmax和Mmax存在直接關系，實際值與最大值之差越大則抗干擾能力越強，機器人附著的穩(wěn)定性也越好。圖4 受力分析5 機構設計與工

15、作原理本作品主要由攀爬機構、1你機構曲柄滑塊機構、鉸接連桿支撐機構、吸附機構五個部分組成。工作原理為：通電后，電動機轉動帶動螺紋傳動機構運轉，帶動絲桿傳動的同時，鉸接交叉結構采取伸展方式來促使吸盤在換氣結構輔助的情況下，從而達到行走的目的；絲桿傳動也提供曲柄滑塊結構運行的動力，進而與滑塊結構相連接的清洗裝置將對玻璃進行清洗。同時此裝置中加入了單片機自動控制裝置，從而完全實現(xiàn)了操作自動化。各部分結構的功能具體闡述如下：5.1 攀爬機構電機清洗機構支架支撐架絲杠圖5 攀爬機構電機正轉和反轉，結合支撐架和清洗機構支架的交替吸附，即交替作為滑動機構的支撐，實現(xiàn)機構整體的交替前行。5.2 清洗機構如圖6

16、所示，傳動電機的動力經一對錐齒輪將動力傳遞給圓盤（曲柄），并由曲柄滑塊機構帶動清洗器沿機器的運動軌跡來回擦洗。因齒輪機構內嵌入超越離合器，使清洗運動配合清洗機構支架的前進，而當清洗機構支架靜止時，清洗機構不會隨著隨著齒輪的轉動而轉動?；瑝K曲柄超越離合器清洗毛刷圖6 清洗機構支撐架5.3 鉸接連桿支撐機構鉸接支架電機清洗機構支架絲杠圖7 絞接連桿支撐機構電機正轉和反轉，帶動絞接支架沿鉸接點轉動，結合支撐架和清洗機構支架的交替吸附，實現(xiàn)整體移動機構的交換支撐。5.4 換氣機構 真空泵吸盤閥桿控制開關2位3通閥圖8 吸附機構真空泵產生的負壓，經2位3通閥，與吸盤相通，實現(xiàn)吸盤的吸附功能。閥桿控制開關

17、與絞接連桿支撐機構同步運動，并控制兩個2位3通閥，每個閥門分別控制支撐架和清洗機構支架的4個吸盤，從而實現(xiàn)各支撐機構的交替吸附。6 創(chuàng)新點及應用由于幕墻清洗高空作業(yè)的危險性，本產品所設計根據安全穩(wěn)定性、以及結構和操控簡單性的原則，主要創(chuàng)新點體現(xiàn)如下幾個方面： 1）仿昆蟲攀爬動作，采用絲杠傳輸機構與連桿鉸接支架的升降機構，實現(xiàn)清洗設備的腿足式交錯移動。2）仿人工清洗習慣動作，采用曲柄滑塊機構，實現(xiàn)玻璃幕墻的往復式擦洗。3）采用連桿鉸接支架的升降控制吸附機構控制閥門的開啟與關閉，通過單片機控制，實現(xiàn)機構移動、換氣機構與清洗機構的有機結合。圖9 清洗機構控制系統(tǒng)7 作品實物工作圖（a）“小蜘蛛”幕墻

18、攀爬清洗機的正視外觀圖案（b）攀爬玻璃-后視（c）攀爬玻璃-側視（d）攀爬玻璃-正視圖10 實物工作圖8 應用前景鱗次櫛比的摩天大樓已成為現(xiàn)代城市的主要特征，由于幕墻裝飾采光好、美觀，越來越多的高樓采用幕墻裝飾。由于傳統(tǒng)人工清洗的勞動強度大，且危險程度高，設計簡單實用的幕墻清洗機必將有廣闊的發(fā)展前途和巨大的社會效益。據有關部門統(tǒng)計，目前全國已建造了數百萬平方米的大型玻璃幕墻。按規(guī)定五星級飯店的玻璃幕墻每年至少要清洗4次，而全球每年的幕墻清洗產值高達6億美元，如此巨大的市場為幕墻清洗機器人發(fā)展奠定了基礎。但是我們也應該看到，由于清洗機器人需要在不同的工作環(huán)境中進行工作，要滿足諸多用戶的不同需求，就目前階段而言，高樓清洗機器人的穩(wěn)定性和設備的適應性等問題函待完善，此外，作為一種全新的清洗概念和作業(yè)方式，它必然還要經歷一個傳統(tǒng)方式的退出和人們對新事物的接受、認同過程。不管起步多么艱難，清洗機器人正在逐步的切入市場，現(xiàn)在我們已經看到了曙光，相信不久的將來，清洗機器人將取代人力成為清洗行業(yè)的主力軍，也必將吹響服務型機器人大批進入市場的號角！參考文獻1 張芹主編. 幕墻工程1000問. 機械工業(yè)出版社，2006.32 胡慶偉主編. 幕墻安裝工程質量竣工資料實例. 同濟大學出版社，2006.43 張彥化主編. 工