高樓外壁清洗機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、高樓外壁清洗機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)生：黃龍平學(xué)生：黃龍平班級(jí)：機(jī)械班級(jí)：機(jī)械1110611106班班指導(dǎo)老師：呂志鵬指導(dǎo)老師：呂志鵬 根據(jù)清洗爬壁機(jī)器人清洗作業(yè)的要求,機(jī)器人首先必須具備清洗作業(yè)功能和控制功能,此外清洗爬壁機(jī)器人還必須在高層建筑物表面進(jìn)行吸附和移動(dòng),因此清洗爬壁機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)包括三大部分。 1.清洗系統(tǒng)清洗系統(tǒng) 2.爬壁系統(tǒng)爬壁系統(tǒng) 3控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)（本論文不作研究）（本論文不作研究）清洗系統(tǒng)清洗系統(tǒng) 思路思路 ： 高層建筑壁面的污垢主要是大氣塵垢,清洗系統(tǒng)是清洗爬壁機(jī)器人的重要組成部分之一,考慮清洗爬壁機(jī)器人代替人工進(jìn)行有效率的清洗工作,清洗爬壁機(jī)器人在工作時(shí)不能對(duì)工作表面如玻璃造

2、成劃痕和腐蝕,也不能留有大塊的水漬和斑點(diǎn),且對(duì)環(huán)境無污染,效率要高,且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此本課題采用機(jī)械力清洗作用方式,即沖洗、刷洗、刮洗聯(lián)合作用方式。整體清洗作業(yè)步驟如圖2-2所示。高壓水沖洗壁面,便于除去壁面上附著力較小的污垢并浸潤壁面;電機(jī)通過同步傳動(dòng)齒形帶帶動(dòng)滾刷旋轉(zhuǎn),通過滾刷刷洗,便于除去附著力較大的污垢。利用水或其他清潔劑浸潤污垢,通過滾刷和刮板施加機(jī)械力達(dá)到清洗目的。刮板可以刮凈和回收殘留在壁面的液滴,通過污水管進(jìn)入污水箱。水是循環(huán)使用,有利于增加清洗爬壁機(jī)器人的效率,右側(cè)的滾刷用適量的循環(huán)水洗刷,對(duì)污垢進(jìn)行浸潤,左側(cè)的滾刷始終用清水進(jìn)行沖洗,可以去掉殘留的污垢。針對(duì)壁面的不同污

3、染程度,沖洗時(shí)高壓水中可以添加不同的清洗劑,以利于下一步的清洗作業(yè)。 設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案整個(gè)清洗作業(yè)系統(tǒng)包括滾刷系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、水循環(huán)回收系統(tǒng)和潔面系統(tǒng),清洗爬壁機(jī)器人的清洗系統(tǒng)三維實(shí)體模型如圖3-3 1,4滾刷 2電動(dòng)機(jī) 3同步齒形帶 5水箱 圖 3-3 清洗爬壁機(jī)器人的清洗系統(tǒng) 12345 1.傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng) 傳動(dòng)方案采用同步傳動(dòng)齒形帶傳動(dòng),如圖 3-1 所示。 同步傳動(dòng)齒形帶具有精確的傳動(dòng)比、傳動(dòng)效率高、節(jié)能、無潤滑油污染、緩和載荷沖擊、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無噪聲等優(yōu)點(diǎn),而且過載時(shí),帶輪跳齒,具有一定的過載保護(hù)能力。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),帶的凸齒與帶輪齒梢相嚙合,來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力圖 3-1 同步傳動(dòng)齒形帶1電動(dòng)

4、機(jī) 2同步傳動(dòng)帶 3滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)軸 4滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)軸 圖 3-2 滾刷傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖2.水循環(huán)回收裝置水循環(huán)回收裝置 無回收的清洗對(duì)水資源浪費(fèi)較大,對(duì)環(huán)境也會(huì)造成破壞,清洗后形成的污水會(huì)再次污染壁面,降低了清洗效率,因此水循環(huán)系統(tǒng)是清洗爬壁機(jī)器人不可缺少的裝置。 清洗爬壁機(jī)器人進(jìn)行清洗工作時(shí)采用自帶水箱以及水循環(huán)回收系統(tǒng)可以減少由于水管從頂樓供水造成的沿程損耗,也可解決由清洗整個(gè)工程中由底部供水水泵功率不能滿足的問題。1,7水泵 2,6污水收集器 3,4滾刷 5負(fù)壓發(fā)生器 8粗濾網(wǎng) 9精濾網(wǎng) 10清洗液 11水箱 圖 3-6 水循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)圖 2.1水泵的選擇水泵的選擇 采用水泵可以將水箱內(nèi)的水通過管道傳

5、送到兩個(gè)滾刷下方。右側(cè)滾刷起到浸潤壁面和噴刷的主要作用,左側(cè)滾刷主要起到二次潔面的作用。在這里考慮使用磁力傳動(dòng)離心泵,簡稱微型磁力泵,它利用永磁體的磁力泵傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)扭矩的無接觸傳遞的一種新型泵,具有全密封、無泄露、耐腐蝕之類的特點(diǎn)圖 3-8 MP-6RZ 水泵外形結(jié)構(gòu)圖 3.清潔裝置清潔裝置 清洗噴水裝置采用標(biāo)準(zhǔn)金屬扇形噴霧噴嘴,其特點(diǎn)是能產(chǎn)生高沖擊力的液柱或扇形噴霧,噴流角度為 0-110,這種噴嘴產(chǎn)生的噴霧分布均勻,液滴大小為小到中等。1滾刷 2,3,4噴嘴 5建筑物壁面 圖 3-10 噴嘴安裝位置圖 清洗潔面裝置清洗潔面裝置在清洗機(jī)器人清洗建筑物壁面時(shí),滾刷會(huì)使壁面留有水漬,不僅使機(jī)器人在

6、移動(dòng)中出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,而且影響了機(jī)器人的清洗工作效率。在滾刷左右兩側(cè)分別安裝刮水板,刮水板與壁面存在一定的壓力,且能通過一定的變形越過窗框,在下側(cè)安裝接水板,材料選用彈性高和耐磨性好的橡膠板。其結(jié)構(gòu)圖如圖 3-11 所示。1刮條座 2滾刷 3刮水板 4建筑物壁面 圖 3-11 滾刷結(jié)構(gòu)上的刮水板爬壁系統(tǒng)機(jī)器人移動(dòng)吸附系統(tǒng)是清洗爬壁機(jī)器人的核心部分,由移動(dòng)系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)組成,在機(jī)器人工作過程中攜帶機(jī)器人的清洗系統(tǒng),吸附在建筑物壁面上,實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物壁面清洗的功能。 機(jī)器人主體部分由可以相互平移的兩個(gè)呈十字型框架構(gòu)成,其中任意一個(gè)框架可以相對(duì)另一個(gè)進(jìn)行平移,每個(gè)框架成組配置可獨(dú)立控制的腿足結(jié)構(gòu)。腿足結(jié)

7、構(gòu)具有一個(gè)主動(dòng)直動(dòng)關(guān)節(jié)。隨著腿部的交替吸附和框架主體的相對(duì)運(yùn)動(dòng),機(jī)器人實(shí)現(xiàn)壁面自由移動(dòng)的功能?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)主要依賴于本體自由度與腿足自由度的結(jié)構(gòu),各部分結(jié)構(gòu)簡單,滿足靈活性和機(jī)動(dòng)性的要求。 清洗壁面機(jī)器人移動(dòng)吸附系統(tǒng)機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型如圖 2-4 和圖 2-5 所示1,2十字框架十字框架 3X 向氣缸向氣缸 4Y 向氣缸向氣缸 圖 3-4 機(jī)器人移動(dòng)吸附系統(tǒng)三維模型主視圖 1,3,5Z 向氣缸向氣缸 2,4,6吸盤組吸盤組 圖3-5 機(jī)器人移動(dòng)吸附系統(tǒng)三維模型側(cè)視圖1.清洗爬壁機(jī)器人的移動(dòng)方式 清洗爬壁機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為車輪式、履帶式和腳步行式。 綜合考慮,移動(dòng)部分主要設(shè)計(jì)成十字交叉直線移動(dòng)

8、方式,可以實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng),且結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,剛性好,便于控制。十字移動(dòng)機(jī)構(gòu)十字移動(dòng)機(jī)構(gòu)十字框架結(jié)構(gòu)使機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)緊湊,可以保證機(jī)器人的整體剛度,在移動(dòng)吸附過程中,使機(jī)器人可以自由移動(dòng)。1,2十字框架 3X 向氣缸 4Y 向氣缸 圖 4-1 機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)主視圖2.清洗爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 常用的三種驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 氣壓驅(qū)動(dòng)是最簡單的,在工業(yè)上應(yīng)用很廣。其中不少氣動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用可歸為機(jī)器人。氣動(dòng)執(zhí)行元件既有直線氣缸,也有旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)馬達(dá)。優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、易于編程,在所有機(jī)器人中重量最輕,成本也最低,可以實(shí)現(xiàn)模塊化,維修管理容易,無污染,傳動(dòng)介質(zhì)空氣來源于大氣,可在高溫、

9、粉塵等惡劣環(huán)境中工作,防爆防燃。清洗爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方清洗爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式式1）X 向氣缸和 Y 向氣缸根據(jù)機(jī)器人的移動(dòng)特性,在這里 X 向和 Y 向氣缸選用雙作用無桿氣缸,此種氣缸運(yùn)動(dòng)通過可移動(dòng)外部滑塊的磁偶合力鎖傳遞,這意味著不需要任何活塞桿,行程長,安裝空間比雙作用有桿氣缸要節(jié)省,氣缸內(nèi)腔與外部滑塊密封之間不用機(jī)械連接,避免泄露損失。2） Z 向氣缸 根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì),共有四條腿,因此需要四個(gè) Z 向氣缸,分別與十字交叉型框架和吸盤組連接。Z 向氣缸主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)動(dòng)作伸出和收縮。圖 4-14 雙作用無桿氣缸三維實(shí)體模型圖 4-15 DNC-40-50-PPV-A 雙作用氣缸三維實(shí)體模型3

10、.清洗爬壁機(jī)器人的吸附方式清洗爬壁機(jī)器人的吸附方式 爬壁機(jī)器人吸附可分為三類,即真空吸附、磁吸附和推力吸附。其優(yōu)缺點(diǎn)如表 所示。多吸盤真空吸附多吸盤真空吸附綜合考慮,吸附方式選用框架式結(jié)構(gòu)下的多吸盤組真空吸附。具體原因如下 :1)由于機(jī)器人自動(dòng)清洗系統(tǒng)的建筑物壁面裝飾材料多樣,如玻璃、瓷磚和涂11料等,一般為非導(dǎo)磁材質(zhì),因此采用真空吸盤。 2)考慮到越障能力的高要求和穩(wěn)定性,因此采用吸盤組結(jié)構(gòu)。1真空發(fā)生器 2分配閥 3真空安全閥 4吸盤 圖 4-6 吸盤組的真空系統(tǒng)4.機(jī)器人的工作路徑規(guī)劃機(jī)器人的工作路徑規(guī)劃 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分解為縱向移動(dòng)和橫向的清洗運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方式符合優(yōu)化清洗規(guī)劃方法要求,效率高并且可以避免二次污染。 為了提高機(jī)器人的清洗效率,進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)要求整個(gè)過程中動(dòng)作最少,單位擦洗面積最大,保證機(jī)器人的主運(yùn)動(dòng)方向與路徑的規(guī)劃方向相同。避免建筑物壁面二次污染,因此將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑設(shè)計(jì)為自上而下。 行走行走步驟步驟圖圖機(jī)