爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)

爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì),清洗,機(jī)器人,設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)  本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書 題 目 爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì) 題目來(lái)源 教師自擬 學(xué)生姓名 史二路 學(xué) 號(hào) 0802130122 專業(yè)班級(jí) 14級(jí)機(jī)械1班 指導(dǎo)教師 吳神麗 職 稱 講師 教 研 室 機(jī)械 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)與要求 本課題要求學(xué)生利用所學(xué)理論和專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出一種爬壁清洗機(jī)器人的機(jī)構(gòu)。 一、畢業(yè)論文應(yīng)完成的主要任務(wù) ①調(diào)研，查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料，清楚爬壁清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)； ②分析爬壁清洗機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀； ③根據(jù)爬壁清洗機(jī)器人的基本原理，對(duì)爬壁清洗機(jī)器人進(jìn)行構(gòu)思； ④進(jìn)行爬壁清洗機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)； ⑤對(duì)爬壁清洗機(jī)器人繪制三維圖并驗(yàn)證方案的可行性； ⑥根據(jù)主要任務(wù)詳細(xì)安排論文進(jìn)度。 二、畢業(yè)論文的基本要求、成果形式及工作量 1、論文要求 ①資料要充分、結(jié)構(gòu)要完整，論述要清晰； ②理論分析與計(jì)算正確，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠； ③重要數(shù)據(jù)及應(yīng)用他人成果必須要有明確出處； ④格式要符合我校論文書寫規(guī)范； ⑤按時(shí)完成畢業(yè)論文各階段工作，不突襲，不抄襲； ⑥每周主動(dòng)和老師溝通論文工作進(jìn)度，探討設(shè)計(jì)內(nèi)容； ⑦形成論文書面周記、論文初稿和論文終稿。 2、成果形式及工作量 ①一份畢業(yè)論文； ②機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙（至少零件圖和裝配圖一張A1或兩張A2）； ③2500字的相關(guān)外文資料翻譯。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作進(jìn)程 2017.12.27~2017.1.15 查（借）閱資料，學(xué)習(xí)相關(guān)基礎(chǔ)理論和知識(shí)，選擇合理的方案并撰寫開題報(bào)告。 2018.01.15~2018.01.29基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成 2018.1.29~2018.4.15完整方案設(shè)計(jì)完成 2018.4.15~2018.4.30 撰寫畢業(yè)論文 2018.5.1~2018.5.13 論文定稿 2018.5.14~2018.5.20 整理資料準(zhǔn)備答辯 指導(dǎo)教師（簽字） 畢業(yè)論文工作組組長(zhǎng)（簽字） 學(xué)生（簽字） 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）起止時(shí)間： 2017 年 12 月 27 日 至 2018 年 5 月 25 日 注：本表由指導(dǎo)教師填寫，于每學(xué)年第1學(xué)期18周，經(jīng)畢業(yè)論文工作組審批，隨畢業(yè)論文裝訂由學(xué)院存檔。  本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告 論文（設(shè)計(jì)）題目 爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 史二路 學(xué)號(hào) 0802130122 指導(dǎo)教師 吳神麗 一、 研究目的及意義 機(jī)器人是人類在當(dāng)今社會(huì)的一項(xiàng)偉大發(fā)明，是近代電子技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)相融合的一項(xiàng)產(chǎn)物，是機(jī)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、傳感技術(shù)和信息科學(xué)等綜合性學(xué)科的高科技產(chǎn)物。它是一種高速運(yùn)行、重復(fù)操作、仿人操作和精密度較高的自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)生了根本性的變化，而且對(duì)當(dāng)今社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機(jī)器人作為高科技領(lǐng)域的一項(xiàng)重要產(chǎn)物，將推動(dòng)各國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展。 隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，一棟棟高層建筑拔地而起，以玻璃面為代表的壁面結(jié)構(gòu)逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任務(wù)。此外，越來(lái)越奇特的建筑結(jié)構(gòu)使清洗的難度越來(lái)越大，甚至采用傳統(tǒng)的清洗方法已無(wú)能為力。然而，在社會(huì)文明高度發(fā)展的今天，人們對(duì)生命安全越來(lái)越重視，要求停止使用蜘蛛人的呼聲已不絕于耳，因此人們期待新的具有人性化的清洗方式出現(xiàn)。 玻璃幕墻作為新型的墻體材料，可將建筑的功能性、節(jié)能屬性以及美學(xué)等各種因素有機(jī)統(tǒng)一在一起，近年來(lái)被廣泛采用。我國(guó)玻璃幕墻面積逾三十億平方米，每年新建玻璃幕墻逾千萬(wàn)平方米，玻璃幕墻清潔服務(wù)的市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)百億。并且，目前國(guó)內(nèi)很多城市通過(guò)了各種形式的行政管理規(guī)定，對(duì)各類不同建筑物外立面清潔提出了明確具體的規(guī)定，并制定了相關(guān)懲罰措施，從而極大促進(jìn)了市場(chǎng)對(duì)高空幕墻清潔服務(wù)需求的提升。例如：如北京的五星級(jí)、四星級(jí)飯店的玻璃幕墻按規(guī)定每年至少要清洗4次。而北京有五星級(jí)飯店20余家，四星級(jí)飯店24家，三星級(jí)飯店126家，二星級(jí)飯店168家，作為北京市的窗口北京站，每年重大節(jié)假日都需要清洗，每次清潔費(fèi)約20萬(wàn)元。上海聯(lián)華大廈、北京天倫王朝飯店幕墻每次的清洗費(fèi)用約12萬(wàn)元。無(wú)疑，這將是一個(gè)龐大的潛在市場(chǎng)。而大部分玻璃幕墻采用人工清洗作業(yè)。這種清洗方法是靠升降平臺(tái)或吊繩懸掛由工人進(jìn)行玻璃幕墻的清洗，作業(yè)方式簡(jiǎn)單易行，單效率低且成本高，更重要的是高空環(huán)境惡劣易引發(fā)安全事故。 隨著控制和機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，壁面清洗機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。利用壁面清洗機(jī)器人作業(yè)，將人類從繁重、危險(xiǎn)的高樓清洗工作中解放出來(lái)，并大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景。玻璃幕墻爬壁清洗機(jī)器人的研制成功，將會(huì)實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)的自動(dòng)化，給清洗業(yè)帶來(lái)一次新的革命清洗作業(yè)的自動(dòng)化，給清洗業(yè)帶來(lái)一次新的革命。 二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1.國(guó)外發(fā)展趨勢(shì) 爬壁清洗機(jī)器人廣泛應(yīng)用于維護(hù)、檢查、消防、救援、清洗、情報(bào)和國(guó)防領(lǐng)域等，必將為人類帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都投入大量人力物力，積極進(jìn)行其理論和技術(shù)研究，如日本、美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、德國(guó)等國(guó)相繼研制出一些各具特色的爬壁移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。世界上最早出現(xiàn)的單吸盤爬壁機(jī)器人是1966年日本大阪府立大學(xué)部的西亮教授成功制作的垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)，并且于1975年制作了以此實(shí)用化為目的的第二號(hào)樣機(jī)。1982年，日本宮崎大學(xué)的教授研制出了雙足爬壁機(jī)器人，通過(guò)兩條腿的交替吸附實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面上的移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)通過(guò)腳底的傾斜與圓規(guī)腳開閉的適當(dāng)組合，可以翻越一定高度的臺(tái)階，進(jìn)而再與腳腕的回轉(zhuǎn)相組合，實(shí)現(xiàn)多種壁面環(huán)境下的移動(dòng)。1986年美國(guó)國(guó)際機(jī)器人公司研制出了用于清洗摩天大樓的爬壁機(jī)器人“SkyWasher”。英國(guó)南岸大學(xué)從八十年代以來(lái)，一直致力于爬壁機(jī)器人的研究。1994年研制出了多足真空吸附式爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人有八條腿，類似巨型蜘蛛，研究者計(jì)劃用于搶險(xiǎn)營(yíng)救工作中。1996年，俄國(guó)機(jī)械科學(xué)家技術(shù)研究院研制成功了稱為WCR RVP-11型機(jī)器人，采用直角坐標(biāo)型氣缸驅(qū)動(dòng)。1998年，又研制成功了WCR RVP-21型機(jī)器人，能夠在兩個(gè)相互垂直的壁面之間跨越行走。1998年，德國(guó)Aalen商業(yè)技術(shù)學(xué)院研制成功了一種單履帶多吸盤的爬壁機(jī)器人。除了單吸盤式和多吸盤式爬壁機(jī)器人，還研制了其他爬壁機(jī)器人，比如：磁吸附爬壁機(jī)器人、飛行式爬壁機(jī)器人、繩索牽引式爬壁機(jī)器人、粘著劑吸附式爬壁機(jī)器人等。 2.國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì) 相對(duì)國(guó)外，我國(guó)研究和開發(fā)機(jī)器人始于七十年代初期，國(guó)內(nèi)爬壁移動(dòng)機(jī)器人研究起步較晚。1975年，在北京舉行的日本科技展覽會(huì)上，川崎重工業(yè)公司首先在中國(guó)展出了工業(yè)機(jī)器人，以此為起點(diǎn)，我國(guó)掀起了第一個(gè)研究機(jī)器人的浪潮。上海大學(xué)從1987年開始在上海市科委和國(guó)家863的支持下，率先從事爬壁機(jī)器人的研究。此后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也相繼開展這方面的研究，目前以取得了階段性的成果。上海大學(xué)特種機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究室先后研制了多層框架、多真空吸盤式爬壁機(jī)器人系列。哈爾濱工業(yè)大學(xué)先后研制了兩種類型的爬壁機(jī)器人，一種是單吸盤輪式驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器人，一種是磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制了壁虎系列爬壁機(jī)器人等。 三、研究?jī)?nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容如下： 1） 爬壁清洗機(jī)器人的基本工作原理； 2） 爬壁清洗機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括吸附系統(tǒng)和移動(dòng)越障系統(tǒng)等； 3） 爬壁清洗機(jī)器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括污水處理系統(tǒng)、滾刷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)水循環(huán)回收系統(tǒng)、潔面系統(tǒng)等； 4） 爬壁清洗機(jī)器人的CAD圖紙繪制。 四、研究方案以及步驟 經(jīng)分析、考量，該設(shè)計(jì)劃分為以下階段： 第一階段：1）查閱相關(guān)資料，整理出所需的信息； 2）明確設(shè)計(jì)要求，借鑒其他文章研究思路； 3）學(xué)習(xí)相關(guān)軟件及算法。 第二階段：1）整理分析方案，進(jìn)行演算操作； 2）初步確定方案，并對(duì)其可行性、操作性能進(jìn)行分析并改進(jìn)； 3）對(duì)改進(jìn)后的計(jì)算方法演算，確定最終分析方案； 4）繪制一份完整的仿真圖。 第三階段：測(cè)試并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行改進(jìn)并反思總結(jié)。 五、論文提綱 摘要 第一章 緒論 1.1 選題背景及意義 1.2 爬壁清洗機(jī)器人概述 1.3高樓清洗爬壁機(jī)器人存在的問(wèn)題 1.4 研究?jī)?nèi)容 1.5 本章小結(jié) 第二章 爬壁清洗機(jī)器人總體方案 2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與要求 2.2 爬壁清洗機(jī)器人行走越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3 爬壁清洗機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.4 本章小結(jié) 第三章 爬壁清洗機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1 滾刷裝置的設(shè)計(jì) 3.2 清洗液的噴灑和循環(huán)裝置的設(shè)計(jì) 3.3 水泵的選擇 3.4 本章小結(jié) 第四章 爬壁清洗機(jī)器人爬壁越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4.1 爬壁清洗機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 4.2 吸附裝置的設(shè)計(jì) 4.3 機(jī)器人跨越障礙和路徑規(guī)劃 4.4 氣缸運(yùn)動(dòng)部分 4.5 本章小結(jié) 第五章 爬壁清洗機(jī)器人的控制部分設(shè)計(jì) 5.1 PLC的概述 5.2 PLC的I/O口分配 5.3 PLC選型 5.4 PLC梯形圖 5.5 本章小結(jié) 六、進(jìn)度計(jì)劃 2017年12月-2018年1月：收集資料，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)總方案，查詢有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻(xiàn)，書寫開題報(bào)告； 2018年2月-2018年3月：清洗機(jī)的車體總體結(jié)構(gòu)方案分析； 2018年3月-2018年4月：清洗機(jī)總體方案及結(jié)構(gòu)的確定、詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算； 2018年4月-2018年5月：清洗機(jī)行走機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，清洗機(jī)車各個(gè)關(guān)鍵部件及裝配圖的繪制； 2018年5月-2018年5月：編寫畢業(yè)論文，畢業(yè)答辯準(zhǔn)備和答辯。 七、工作條件 1）自學(xué)相關(guān)軟件和算法； 2）查閱相關(guān)爬壁清洗機(jī)器人的文獻(xiàn)； 3）老師的專業(yè)指導(dǎo)； 4）利用相關(guān)軟件進(jìn)行仿真模擬。 八、參考文獻(xiàn) [1] 吳神麗.新型高樓清洗爬壁機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[D].成都理工大學(xué)，2009. [2] 吳洪興，趙言正，高學(xué)山.高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,7(4):101-104. [3]宗光華.高層建筑擦窗機(jī)器人[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,1998(2):20-20. [4]談士力,譚林勇,陳振華,龔振邦.垂直壁面行走機(jī)器人系統(tǒng)研制[J].機(jī)器人,1996,18(4):232-237. [5]王榮華.爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)及動(dòng)力性能研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2007. 指導(dǎo)教師意見及建議（從選題、理論與實(shí)證準(zhǔn)備、研究（設(shè)計(jì)）方法、工作安排等方面給出評(píng)價(jià)，并提出指導(dǎo)意見）： 該生對(duì)畢業(yè)論文的開題做了比較充分的前期準(zhǔn)備，參考了許多文獻(xiàn)，最后確定的課題具有一定的實(shí)用價(jià)值。本開題報(bào)告的論文整體組織邏輯較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)清晰，內(nèi)容詳實(shí)，具有一定的研究基礎(chǔ)，能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。研究方案和研究步驟合理，同意該生畢業(yè)論文的開題。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 畢業(yè)論文工作組意見及建議 準(zhǔn)予開題 畢業(yè)論文工作組組長(zhǎng)簽字： 年 月 日 注：1.此表由學(xué)生填寫后，交指導(dǎo)教師簽署意見，經(jīng)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作組審批后，才能開題。  本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 摘要 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和建筑行業(yè)的興起，摩天大樓如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。世界上最高的大樓是迪拜的哈利法塔，高828米，樓層共有162層，玻璃幕墻面積達(dá)到14.2萬(wàn)平方米。中國(guó)修建的最高大樓為上海中心大廈，總高度為632米，玻璃幕墻達(dá)14萬(wàn)平方米。這些建筑都是科技的結(jié)晶，也是每一個(gè)城市的地標(biāo)性建筑。但是玻璃幕墻在給人們美觀享受的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)一些清潔上的問(wèn)題。這些高樓外墻的清洗工作是由人工完成，人工清洗耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，耗資巨大也非常容易出事故，危險(xiǎn)性很高。當(dāng)機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越成熟，高層建筑大多采用玻璃做幕墻時(shí)，機(jī)器人代替人工進(jìn)行清洗作業(yè)已成為應(yīng)用趨勢(shì)。因此，爬壁清洗機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的社會(huì)效益。 本論文在機(jī)器人本體上安裝清洗裝置，利用吸盤來(lái)吸附墻面。驅(qū)動(dòng)方式采用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)吸盤的抬起和落下，通過(guò)兩個(gè)可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的吸盤實(shí)現(xiàn)移動(dòng)行走，使玻璃幕墻的清洗過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。本文采用Proe來(lái)完成機(jī)器人的三維圖繪制并進(jìn)行結(jié)構(gòu)主體參數(shù)設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)PLC進(jìn)行爬壁清洗機(jī)器人控制部分的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：爬壁清洗機(jī)器人；Proe；PLC Abstract With the continuous development of the economy and the rise of the construction industry, skyscrapers have sprung up.The tallest building in the world is Burj Khalifa in Dubai. It is 828 meters high, with 162 floors and 142,000 square meters of glass curtain walls. The tallest building built in China is the Shanghai Center Tower, with a total height of 632 meters and a glass curtain wall of 140,000 square meters. These buildings are the crystallization of science and technology and are landmarks for every city. However, the glass curtain wall will bring about some clean problems while people enjoy it. The cleaning of these high-rise exterior walls is done manually. Manual cleaning takes a long time. It is very costly and accident-prone. The danger is high. When robot technology becomes more and more mature, and high-rise buildings mostly use glass as the curtain wall, robots have become an application trend instead of manual cleaning. Therefore, wall-climbing robots have broad application prospects and good social benefits. In this paper, a cleaning device is installed on the robot body, and a sucker is used to adsorb the wall surface. The driving method adopts a cylinder to realize the lifting and falling of the sucker, and the movable walking is achieved through two suckers that can relatively rotate, so that the cleaning process of the glass curtain wall is automated. This paper uses Proe to complete the three-dimensional drawing of the robot and design the main parameters of the structure. Finally, the design of the control part of the wall-climbing robot is performed through the PLC. Keywords: Wall climbing cleaning robot；Proe； PLC 目錄 1 緒論 1 1.1 選題背景及意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1 1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1 1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 3 1.3高樓清洗爬壁機(jī)器人存在的問(wèn)題 3 1.4 研究?jī)?nèi)容 4 1.4.1爬壁清洗機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 1.4.2爬壁清洗機(jī)器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 1.4.3爬壁清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 1.5本章小結(jié) 5 2 爬壁清洗機(jī)器人總體方案 6 2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與要求 6 2.2爬壁清洗機(jī)器人行走越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2.3 爬壁清洗機(jī)器人清洗裝置設(shè)計(jì) 7 2.4 本章小結(jié) 8 3 爬壁清洗機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9 3.1滾刷裝置的設(shè)計(jì) 9 3.2清洗液的噴灑和循環(huán)裝置設(shè)計(jì) 10 3.3水泵的選擇 12 3.4本章小結(jié) 13 4 爬壁清洗機(jī)器人爬壁越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 4.1爬壁清洗機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 14 4.2吸附裝置的設(shè)計(jì) 14 4.3機(jī)器人跨越障礙和路徑規(guī)劃 16 4.4氣缸運(yùn)動(dòng)部分 17 4.5本章小結(jié) 18 5 爬壁清洗機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 19 5.1 PLC的概述 19 5.2 PLC的I/O口分配 19 5.3 PLC選型 20 5.4 PLC梯形圖 20 5.5本章小結(jié) 21 參考文獻(xiàn) 1 致 謝 2 附錄A 裝配圖和零件圖 3 附錄B 外文翻譯 7 V 1 緒論 1.1 選題背景及意義 機(jī)器人是人類當(dāng)今社會(huì)的一項(xiàng)偉大的發(fā)明之一，它是利用自身機(jī)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)來(lái)達(dá)成人們想要實(shí)現(xiàn)的各種功能。機(jī)器人集合了控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子元件、計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)等綜合性學(xué)科的高科技產(chǎn)物。是一種按照設(shè)定的指令工作并高速運(yùn)行的仿人類操作和高精度的自動(dòng)化機(jī)器。自從機(jī)器人成功問(wèn)世以來(lái)，不但使我們的制造業(yè)和科學(xué)研發(fā)向前邁進(jìn)了一大步，對(duì)人類的生活產(chǎn)生了很深遠(yuǎn)的影響。各種各樣的機(jī)器人已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)各行各業(yè)所不能缺少的一份子。機(jī)器人的出現(xiàn)使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)的失誤率降到最低，它還代替人類進(jìn)行手術(shù)，服務(wù)與各行各業(yè)，推動(dòng)了全世界自動(dòng)化行業(yè)的大力發(fā)展。 一個(gè)城市的興起，最先體現(xiàn)在一棟棟拔地而起的高樓上，這些高樓大多數(shù)都是采用玻璃作為幕墻。這些玻璃幕墻逐漸演繹成了一道美麗的“城市外衣”，但是對(duì)于這些越來(lái)越多的高層建筑上的玻璃幕墻，如何清洗卻成為了一個(gè)大問(wèn)題。當(dāng)越來(lái)越多的高樓采用玻璃作為幕墻后，使用傳統(tǒng)的人工清洗方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的達(dá)不到需求。而且，因?yàn)闃菍拥母叨仍絹?lái)越高，人工清洗面臨的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大，停止使用蜘蛛人的呼聲也越來(lái)越急切?，F(xiàn)在急需一個(gè)新的高效清洗玻璃幕墻的方法。所以對(duì)于爬壁清洗機(jī)器人的研究就迫在眉睫了。 因?yàn)椴Ａ粔@種新型的墻體建材，它可以將建筑的外觀、節(jié)能、采光等屬性結(jié)合在一起，所以近年來(lái)成為了高層建筑外墻的首選材料。根據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)玻璃幕墻的面積大概有三十億平方米，而且每年還有近千萬(wàn)平方千米的玻璃幕墻產(chǎn)生，而玻璃幕墻的清潔費(fèi)用早超過(guò)百億元。因?yàn)槌鞘邪l(fā)展的越來(lái)越快，所以國(guó)內(nèi)多個(gè)城市對(duì)于幕墻的清潔也進(jìn)行了規(guī)范。因?yàn)槊織潣堑牟Ａ粔Χ疾幌嗤?，所以?duì)于不同的建筑清潔規(guī)定也不同，但這也不可避免的加大了市場(chǎng)對(duì)玻璃幕墻清潔服務(wù)的需求。比如：北京五星級(jí)、四星級(jí)建筑的玻璃幕墻按照政府規(guī)定每季度必須清潔一次。北京的五星級(jí)飯店就有20多家，四星級(jí)飯店也有20多家，三星級(jí)飯店有100多家，二星級(jí)飯店有168家，對(duì)于北京火車站，也是由玻璃作為幕墻的，每到重大節(jié)假日都需要人工來(lái)進(jìn)行清潔，而每一次的清潔費(fèi)用就需要20多萬(wàn)。同樣的上海聯(lián)華大廈、北京天倫王朝飯店這些玻璃幕墻一次的清潔費(fèi)都超過(guò)了10萬(wàn)元。所以說(shuō)爬壁清洗機(jī)器人有很大的潛在市場(chǎng)。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 自從爬壁機(jī)器人面世以來(lái)，就是各國(guó)重點(diǎn)研究的項(xiàng)目，每個(gè)國(guó)家都投入了大量的資源來(lái)進(jìn)行機(jī)器人的研發(fā)，如美國(guó)、日本、英國(guó)、俄羅斯等國(guó)，并且也取得了不錯(cuò)的成果。日本就是世界上最早研發(fā)成果爬壁機(jī)器人的國(guó)家，在1966年的日本大阪府立大學(xué)部西亮教授制作了第一個(gè)單吸盤爬壁機(jī)器人，并且根據(jù)樣機(jī)很快研發(fā)出了一系列的爬壁機(jī)器人。在1987年，日本成功研制除了多足爬壁機(jī)器人Walker如下圖1.1，這款機(jī)器人將人們對(duì)于爬壁機(jī)器人的研究向前推進(jìn)了一大步。1982年，日本宮崎大學(xué)成功研發(fā)出了一種爬壁機(jī)器人，這款機(jī)器人可以通過(guò)腿部頂端的吸盤來(lái)貼緊墻面，利用兩條腿的循環(huán)吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，在腳底適當(dāng)?shù)膬A斜一下，然后通過(guò)圓規(guī)腳的開合就能越過(guò)一定的障礙物。除了吸盤式爬壁機(jī)器人外日本還研制出履帶式機(jī)器人、磁吸附車輪式機(jī)器人等等。 圖1-1 Walker 圖1-2 履帶式機(jī)器人 圖1-3 Robug 圖1-4 吸盤吸附機(jī)器人 美國(guó)對(duì)于爬壁機(jī)器人的研究也有很長(zhǎng)的時(shí)間，在1986年美國(guó)國(guó)際機(jī)器人公司就研發(fā)了一款可以成功清洗玻璃外墻的機(jī)器人“SkyWasher”。在這之后，1989年美國(guó)州立威寄托大學(xué)也研發(fā)成功了一個(gè)機(jī)器人系列ROSTAM系列，這款機(jī)器人上面有傳感器和攝像頭，可以用來(lái)探測(cè)路面和路障，它有四個(gè)吸盤組，可以進(jìn)行上下左右的移動(dòng)，在這之后美國(guó)所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人都是在這款機(jī)器人的原型上進(jìn)行研制的。英國(guó)從上世紀(jì)80年代就開始研發(fā)爬壁清洗機(jī)器人。在1994年終于研制成功了一款多足真空吸附的爬壁清洗機(jī)器人，如上圖1.3。在這個(gè)基礎(chǔ)上，英國(guó)人又研發(fā)出了Robug如圖1.3，這款機(jī)器人有8只類似于蜘蛛一樣的足，每個(gè)足的根部都有一個(gè)吸盤不但可以進(jìn)行壁面移動(dòng)還可以從一個(gè)壁面移動(dòng)到另一個(gè)壁面，研發(fā)者將款機(jī)器人派往搶險(xiǎn)救災(zāi)工作中。 1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 我國(guó)對(duì)于爬壁清洗機(jī)器人的研究時(shí)間要比國(guó)外遲很多，在七十年代初期，我國(guó)才開始研發(fā)壁面清洗機(jī)器人。1975年，北京舉行的科技交流會(huì)上，日本的川崎重工業(yè)公司第一次在中國(guó)演示了工業(yè)機(jī)器人，此次演示后，我國(guó)拉開了機(jī)器人研究的序幕。上海大學(xué)是第一個(gè)由科學(xué)研究委員會(huì)和國(guó)家共同支持研究爬壁機(jī)器人的大學(xué)。在這之后，北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等學(xué)校都設(shè)立了爬壁機(jī)器人研究單位。目前都獲得了豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的不懈努力，先后研制了多種類型的爬壁機(jī)器人，比如多吸盤輪式驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器人如下圖（圖1-7），磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人如下圖（圖1-5）。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所設(shè)計(jì)出的壁虎系列爬壁機(jī)器人等，如下圖（圖1-6）該機(jī)器人利用十字型氣缸可以進(jìn)行快速的平面運(yùn)動(dòng)，利用機(jī)器人周圍的傳感器來(lái)辨別障礙，控制系統(tǒng)有兩種人工控制和全自動(dòng)控制，該機(jī)器人可以靈活地調(diào)轉(zhuǎn)方向、行動(dòng)迅速，可以越過(guò)一定的障礙物。 圖1-5 磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人 圖1-6 十字氣缸型爬壁機(jī)器人 圖1-7 履帶吸盤式爬壁清洗機(jī)器人 1.3高樓清洗爬壁機(jī)器人存在的問(wèn)題 高樓清洗爬壁機(jī)器人的研究已有幾十年，但是現(xiàn)在的玻璃幕墻清洗大多數(shù)還是由人工完成，雖然我們研發(fā)了各種各樣的機(jī)器人，但是總體來(lái)說(shuō)每一款機(jī)器人都存在一些問(wèn)題： 1）吸附能力與玻璃幕墻壁面適應(yīng)性的矛盾。因?yàn)楝F(xiàn)在的玻璃幕墻并不是采用全玻璃，有的幕墻有縫隙有的幕墻有凸起或凹陷有的幕墻有瓷磚等。就是這種多種多樣的幕墻才使得爬壁機(jī)器人的工作難度越來(lái)越大，要實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的幕墻清洗，必須解決密封性、跨越障礙、移動(dòng)轉(zhuǎn)彎等等技術(shù)問(wèn)題，要不然會(huì)使機(jī)器人的清洗效率大大降低， 2清洗機(jī)構(gòu)與機(jī)器人負(fù)重能力的矛盾。清洗玻璃幕墻就需要大量的水，但是機(jī)器人的吸附力是有限的，不可能攜帶大量的水進(jìn)行高空作業(yè)，用水管進(jìn)行供水也只能解決一定高度的清洗問(wèn)題，因?yàn)殡S著高度的增加，水管的自身的重量也會(huì)增加，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人吸附力不足。所以就需要規(guī)劃一個(gè)水自循環(huán)的系統(tǒng)。 3）移動(dòng)技術(shù)與機(jī)器人靈活性的矛盾。因?yàn)槲覀円O(shè)計(jì)一個(gè)盡可能小型化的機(jī)器人，并且需要機(jī)器人有一定的負(fù)載攜帶能力，還需要機(jī)器人高效的移動(dòng)、轉(zhuǎn)向、跨越障礙等等問(wèn)題。 1.4 研究?jī)?nèi)容 近幾年來(lái)，隨著高層建筑越來(lái)越多，人們對(duì)于幕墻清洗機(jī)器人的研究也越來(lái)越深入，出現(xiàn)了各種各樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是真正能應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很少，所以本論文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。 1.4.1爬壁清洗機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 爬壁機(jī)器人根據(jù)爬壁方式可分為吸盤吸附爬壁機(jī)器人、磁吸附爬壁機(jī)器人、飛翔式爬壁機(jī)器人、繩子牽引式爬壁機(jī)器人、粘著劑吸附式爬壁機(jī)器人。由于幕墻的多種多樣，就會(huì)出現(xiàn)玻璃墻面高低不一的情況，會(huì)有一點(diǎn)凸起的瓷磚或者擋板，所以機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)需要有一定的越障功能。通過(guò)對(duì)機(jī)器人吸盤位置的設(shè)計(jì)、直徑的計(jì)算、吸附方式設(shè)計(jì)、跨越障礙物高度設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單方便的爬壁系統(tǒng)。 1.4.2爬壁清洗機(jī)器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 爬壁清洗機(jī)器人清洗作業(yè)系統(tǒng)中有噴霧沖洗、清洗盤刷洗、刮板刮洗、水循環(huán)回收等設(shè)計(jì)，噴霧裝置既可以沖刷壁面，清洗盤可以大面積清洗，刮板對(duì)水回收利用，這套清洗系統(tǒng)能有效的清洗幕墻壁面，并且加大清洗效率。 1.4.3爬壁清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用的是PLC來(lái)進(jìn)行爬壁清洗機(jī)器人的控制，因?yàn)镻LC的操作簡(jiǎn)單，便于控制，PLC需要對(duì)該款機(jī)器人進(jìn)行吸盤脫離、吸盤吸附、電機(jī)正傳、電機(jī)反轉(zhuǎn)、清洗順序等控制。 1.5本章小結(jié) 本章主要論述了課題的鉆研背景和意義，另外對(duì)國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展歷程、研究成果、和發(fā)展現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)單的了解。對(duì)爬壁清洗機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的預(yù)期和對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，明確了主要的研究?jī)?nèi)容和研究方向。 2 爬壁清洗機(jī)器人總體方案 2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與要求 爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)是為了代替人工清洗，因?yàn)楦邔咏ㄖ嚯x地面過(guò)高，所以為了提高安全性，機(jī)器人的總體重量必須控制在一定范圍。因?yàn)闄C(jī)器人自身的重量和所攜帶的負(fù)載，本身需要有定的剛度。所以采用高強(qiáng)度鋁合金為爬壁清洗機(jī)器人的主要支撐架的材料。機(jī)器人總設(shè)計(jì)三維裝配圖如下： 圖2-1 機(jī)器人總設(shè)計(jì)三維裝配圖 1-移動(dòng)吸附裝置 2-刮板 3-噴管 4-接水裝置 5-水箱 6-電機(jī) 7-外殼 如上圖所示，爬壁清洗機(jī)器人由兩部分機(jī)構(gòu)組成，清洗機(jī)構(gòu)和爬壁越障機(jī)構(gòu)。1是機(jī)器人移動(dòng)吸附裝置，主要用來(lái)移動(dòng)和跨越障礙。2是清潔系統(tǒng)的刮板，主要作用是清除壁面上殘留水漬。3是清潔系統(tǒng)中的噴管，主要作用是沖洗壁面。4是清潔系統(tǒng)中的接水裝置，主要用來(lái)收集刮板上清除之后的水漬。5是水箱，主要作用提供清水。6是電機(jī)，主要作用是帶動(dòng)清洗盤。7是機(jī)身外殼，主要作用是連接各個(gè)部件。 2.2爬壁清洗機(jī)器人行走越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 爬壁清洗機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)是由兩個(gè)固定的吸盤組成，總共有四個(gè)吸盤組。兩個(gè)吸盤都可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可以帶動(dòng)另一個(gè)吸盤動(dòng)，每一個(gè)吸盤上面裝有一個(gè)氣缸，用來(lái)實(shí)現(xiàn)吸盤的上下運(yùn)動(dòng)，吸盤上面有一個(gè)孔，連接的是真空發(fā)生器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)吸盤吸住和分離，采用的是負(fù)壓。氣缸上面的固定架有一個(gè)齒條，爬壁清洗機(jī)器人主體和吸盤的連接軸上有一個(gè)電機(jī)，電機(jī)上有個(gè)齒輪，這個(gè)齒輪和齒輪條嚙合，通過(guò)電機(jī)正傳和反轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)吸盤到另一個(gè)吸盤的運(yùn)動(dòng)，也就是機(jī)器人的移動(dòng)功能。在氣缸的收縮下，吸盤可以跨越一定的高度，這個(gè)高度最大值就是氣缸的最大行程，這個(gè)也就是機(jī)器人的越障功能。移動(dòng)吸盤的三維設(shè)計(jì)圖如下圖2-2所示。 圖2-2移動(dòng)吸盤 1-電機(jī) 2-離合器 3-氣缸 4-真空發(fā)生器 5-吸盤 如上圖所示。1是電機(jī)，主要作用是帶動(dòng)吸盤做相互運(yùn)動(dòng)和在兩個(gè)吸盤之間移動(dòng)。2是離合器，主要作用是用來(lái)對(duì)電機(jī)軸的分離合嚙合。3是氣缸，主要用來(lái)推動(dòng)吸盤做上下運(yùn)動(dòng)。4是真空發(fā)生器，主要用來(lái)使吸盤產(chǎn)生負(fù)壓吸住壁面。5是吸盤，起吸附作用。 2.3 爬壁清洗機(jī)器人清洗裝置設(shè)計(jì) 高層建筑玻璃幕墻上面的污垢基本上都是大氣塵土，沒有特別難以清洗的污漬，清潔系統(tǒng)采用滾刷盤的形式，一次清洗到位，而且可以達(dá)到最大清洗面積。機(jī)器人前面有噴嘴沖洗、中間有滾刷盤的刷洗、后面還有刮板刮洗，采用這種聯(lián)合清洗方式就可以完全清除幕墻上面的大氣塵土。具體設(shè)計(jì)如下圖2-3所示。 圖2-3 清洗系統(tǒng)裝配圖 1-噴管 2-刮板 3-接水器 4-水箱 5-外殼 6-電機(jī) 清洗系統(tǒng)的清洗步驟：先由1號(hào)噴嘴通過(guò)水箱中水泵抽出形成噴霧沖洗玻璃幕墻，可以清除玻璃幕墻上附著力小的污漬，并且還能浸泡玻璃幕墻；然后6號(hào)電機(jī)通過(guò)主軸帶動(dòng)5號(hào)清洗盤進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)清洗盤上的刷子進(jìn)行進(jìn)一步清洗，之后由2號(hào)刮板刮去殘留污漬和水漬，再經(jīng)由3號(hào)接水裝置通過(guò)管道流入水箱。形成水的循環(huán)利用。通過(guò)這種聯(lián)合清洗的方式可以完全清楚玻璃幕墻上的大氣塵土。 2.4 本章小結(jié) 本章確定了爬壁清洗機(jī)器人材料的選擇，詳細(xì)闡述了機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)、爬壁系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)。對(duì)機(jī)器人的總體框架進(jìn)行了構(gòu)思，對(duì)移動(dòng)越障方案、清洗方案設(shè)計(jì)、水循環(huán)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 3 爬壁清洗機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 爬壁清洗機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)是圓形的清洗機(jī)構(gòu)，這種清洗機(jī)構(gòu)即可以清洗徹底，而且清洗面積大，并且驅(qū)動(dòng)方便，只需要一個(gè)電機(jī)和減速裝置就可以帶動(dòng)清洗盤清洗。水循環(huán)系統(tǒng)由刮板底下的接水漏斗通過(guò)管道伸入水箱中的過(guò)濾裝置來(lái)完成水循環(huán)，這樣可以節(jié)約用水。因?yàn)闄C(jī)器人會(huì)向左或者向右移動(dòng)，所以機(jī)器人的左右兩邊都需要放置一個(gè)噴管和刮板，需要兩個(gè)水泵。沖洗方式是噴霧式灑水，水泵連接一個(gè)有多個(gè)噴嘴的管道，機(jī)器人開始行動(dòng)，水泵就同步啟動(dòng)，會(huì)將水箱里面的水噴灑到玻璃表面，霧狀噴灑可以有效節(jié)約用水，并且噴灑均勻。 3.1滾刷裝置的設(shè)計(jì) 圖3-1 滾刷盤 1-刷子 2-滾刷盤 3-滾刷盤軸心 如上圖3-1所示，清洗機(jī)構(gòu)成圓形清洗裝置。清洗面上有多個(gè)塑料制作的刷頭，2號(hào)圓形洗盤的直徑為400mm,上面對(duì)應(yīng)1號(hào)刷頭的螺紋孔為15mm。這個(gè)刷頭一頭是毛刷，一頭是螺紋式的，直接擰進(jìn)清洗圓盤上的螺紋孔。毛刷的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越容易跨過(guò)障礙，也不能過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)就會(huì)使吸盤所承受的拉力增大。所以毛刷的長(zhǎng)度為80mm。3號(hào)電機(jī)軸直徑為40mm。圓形的清洗裝置可以實(shí)現(xiàn)最大面積的清洗區(qū)域，可以有效保證玻璃的清潔度。吸盤吸住墻面，清洗盤就會(huì)開始工作。 3.2清洗液的噴灑和循環(huán)裝置設(shè)計(jì) 機(jī)器人左右兩邊各有一個(gè)刮板，刮板主要是在清洗盤清洗過(guò)后刮去上面的水漬，刮板尾部有一個(gè)接水裝置，將刮板收集的水漬收集處理，通過(guò)過(guò)濾流回水箱，這樣可以實(shí)現(xiàn)水循環(huán)利用，節(jié)約水資源。刮板設(shè)計(jì)圖如下圖3-2所示。 圖3-2 刮板 1-支撐架 2-刮板 上圖3-2中。1是支撐架，長(zhǎng)度230mm，主要作用是連接刮板和機(jī)器人外殼。2是刮板，長(zhǎng)度60mm，主要作用是刮去壁面殘留水漬。因?yàn)槲窖b置是吸盤吸附墻面，所以墻面上的水漬不能太多，不然會(huì)影響吸盤在墻面的吸附，那么就需要一個(gè)刮板來(lái)去除墻面多余水漬。刮板結(jié)構(gòu)由兩部分組成，支撐架和刮板。市面上刮板和支撐架的材料類型有鐵、鋁合金和塑料三種。刮板需要對(duì)壁面保持一定的壓力，并且還需要一定彈性，所以支撐架的制作材料為塑料。因?yàn)榍逑幢P為圓形，清洗外殼也是圓形，沒有豎直的平面安防刮板，只能采取類7形狀的裝置從清洗盤的頂部通過(guò)螺絲來(lái)固定刮板。這樣設(shè)計(jì)可以使刮板具備良好的韌性。 下圖3-3中.1是噴管，長(zhǎng)度400mm,主要作用噴灑清水或清潔液、沖洗壁面。2是支架,長(zhǎng)度為330mm,主要作用是連接噴管和機(jī)器人外殼。噴管的設(shè)計(jì)主要是為了沖洗墻面上的浮土和浸潤(rùn)墻面，刮板的設(shè)計(jì)為類7字型，所以噴管也設(shè)計(jì)成7字型，這樣既可以保持一致，也能更好的固定噴管。只需要在水箱里裝一個(gè)小型水泵，通過(guò)水泵將水送入2噴水管道中，再由2噴水管道上的噴嘴噴出形成沖擊力清洗墻面。噴管的設(shè)計(jì)如下圖所示: 圖3-3噴管 1—噴管支架 2—噴水管道 因?yàn)闄C(jī)器人是用四個(gè)吸盤來(lái)固定，每個(gè)吸盤所能承受的力大約是機(jī)器人總重量的四分之一，機(jī)器人攜帶的水箱越大，一次清洗的面積也就越大，相應(yīng)的每個(gè)吸盤所承受的力也就越大，為了達(dá)到清洗面積的最大值。就需要對(duì)水進(jìn)行循環(huán)利用，這樣不僅可以減輕機(jī)器人總體重量，也可以讓吸盤在墻面達(dá)到最好的吸附效果，還能節(jié)約用水，保護(hù)環(huán)境。水循環(huán)示意圖如下圖。 圖3-4 水循環(huán)示意圖 如上圖所示，清水從水箱中噴灑沖洗壁面，然后經(jīng)過(guò)滾刷盤的刷洗，再由刮板通過(guò)漏斗狀接水裝置收集起來(lái)，通過(guò)污水過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，然后流回水箱。這樣就實(shí)現(xiàn)了水的循環(huán)利用，節(jié)約水資源的同時(shí)，也減輕了機(jī)器人的負(fù)載。 3.3水泵的選擇 因?yàn)闄C(jī)器人總體尺寸的限制，本次設(shè)計(jì)的水泵為微型水泵，水泵的選擇需要確定液體在管道中的流動(dòng)數(shù)，需要知道液體在在管道中流動(dòng)的雷諾數(shù)。在水管中流動(dòng)的水流，局部壓力損失很小，需要確定的是壓力損失，根據(jù)雷諾數(shù)公式： Re=Vdv （3-1） 上式中：Re—雷諾數(shù)； V—流體的平均速度,單位m/s； d—管道的直徑。單位m; v—流體運(yùn)動(dòng)粘度，單位m2/s。 網(wǎng)上查知水泵參數(shù)如下表 表3-1水泵技術(shù)參數(shù)表 型號(hào) 工作電壓 工作電流 功率 開口流量 吸程 最大輸出壓力 體積（最大外形） 重量 (V DC) (A) (W) (L/min) (M) (Bar/M pa) (mm) (kg) HSP11050T 12 ≤126.0 ≤126.0 7 約1 11.0/1.1 225×103×100 2.8 24 ≤6.0 ≤144.0 HSP11050 12 ≤10.5 ≤126.0 7 約1 11.0/1.1 255×110×100 2.6 24 ≤6.0 ≤144.0 HSP8050 12 ≤9.5 ≤114.0 5.5 約1 8.0/0.8 24 ≤5.6 ≤134.4 HSP4045 12 ≤7.0 ≤84.0 4.5 約1 4.1/0.4 196×110×100 2.2 24 ≤4.0 ≤96.0 根據(jù)表3.1中參數(shù)和實(shí)際需求選擇水泵型號(hào)為HSP8050，該款水泵工作電壓24V，工作電流≤5.6A，功率≤134.4W，開口流量5.5，吸程約為1，最大輸出壓力8.0，重量2.6KG。 水泵性能參數(shù)如下圖： 圖3-6 HSP8050的Q-H曲線 由圖3-6可知，在開口流量為5.5時(shí)，該水泵揚(yáng)程為15米，按照雷諾數(shù)公式可得： Re=0.13×151.005×10-6=1.94×106 （3—2） 由機(jī)械手冊(cè)得知，當(dāng)Re=1.94×106時(shí)，該管道的沿程能量損失為0.0045米，基本可以忽略不計(jì)。所以型號(hào)為HSP8050的微型水泵滿足條件。 3.4本章小結(jié) 本章內(nèi)主要介紹了爬壁清洗機(jī)器人的清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)清洗系統(tǒng)各個(gè)部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，還有對(duì)水循環(huán)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選擇水泵的樣式也做了說(shuō)明。  4 爬壁清洗機(jī)器人爬壁越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 在爬壁清洗機(jī)器人中，機(jī)器人的爬壁和越障的非常重要，一個(gè)完善的設(shè)計(jì)方案，不但可以使機(jī)器人快速行走、可靠爬行，還可以實(shí)現(xiàn)跨越障礙，靈活轉(zhuǎn)彎等功能。 4.1爬壁清洗機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 我們常見的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種方式。 液壓驅(qū)動(dòng)因?yàn)槭怯捎凸芟嗷ソ釉谝黄鸬?，它可以隨意的放置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。液壓驅(qū)動(dòng)裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小也是一大優(yōu)點(diǎn)，而且可以大范圍的實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化速度也比較穩(wěn)定。但是也因?yàn)橐后w傳動(dòng)，系統(tǒng)中也存在漏油的缺點(diǎn)，因?yàn)橐簤河蛯?duì)溫度特別敏感，所以液壓傳動(dòng)也受溫度影響較大。 氣壓傳動(dòng)是以大氣作為介質(zhì)，取之不竭用之不盡。用過(guò)之后可以直接排放，不用考慮尾氣處理等問(wèn)題。氣壓傳動(dòng)用時(shí)較小，響應(yīng)時(shí)間段，而且維修也簡(jiǎn)單。并且氣體的粘度很小，只有液壓油的萬(wàn)分之一，所以氣體流動(dòng)阻力也小，便于向氣缸中供氣。但是由于空氣的可壓縮性很大，氣壓傳動(dòng)的速度穩(wěn)定性一般，對(duì)那些要求快速高精度的系統(tǒng)有較大影響，而且氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲很大，尤其是排出氣體時(shí)，必須要加消音器，降低噪音。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是精度高，節(jié)省能源，調(diào)速方便，能改善環(huán)保水平，但推力較小，大推力時(shí)的成本很高。 綜上所述，選擇氣壓驅(qū)動(dòng)方式作為爬壁清洗機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式。 4.2吸附裝置的設(shè)計(jì) 爬壁清洗機(jī)器人中移動(dòng)系統(tǒng)是最重要的。爬壁清洗機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)是由四個(gè)相同的吸盤組構(gòu)成的，每個(gè)吸盤組中有兩個(gè)吸盤，這兩個(gè)吸盤都可以和另一個(gè)吸盤進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由PLC來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制吸盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。如果左右移動(dòng)，吸盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就是180°或-180°，如果上下移動(dòng)就是90°或者-90°。因?yàn)槲P主要依靠吸力來(lái)克服機(jī)器人的重力，所以給每個(gè)吸盤配備了一個(gè)真空發(fā)生器，由這個(gè)真空發(fā)生器來(lái)保證吸盤具備足夠的吸力。每個(gè)吸盤上面還會(huì)有一個(gè)氣缸，這個(gè)氣缸會(huì)使吸盤進(jìn)行垂直于壁面的運(yùn)動(dòng)，這樣機(jī)器人就會(huì)具備一定的越障能力，跨越障礙的高度取決于氣缸的行程。氣缸上面有一個(gè)離合器，離合器的作用就是分開使吸盤的自轉(zhuǎn)和齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)所分開。離合器上面就是齒輪，齒輪軸是由一個(gè)小型步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的，當(dāng)吸盤做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，離合器嚙合，齒輪不轉(zhuǎn)。當(dāng)離合器分開的時(shí)候，吸盤不轉(zhuǎn)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人做移動(dòng)。爬壁清洗機(jī)器人的吸盤組三維設(shè)計(jì)圖如下圖4-1所示。 圖4-1 吸盤組三維圖 1-電機(jī) 2-離合器 3，8-氣缸 4，6-真空發(fā)生器 5-吸盤 爬壁清洗機(jī)器人的移動(dòng)主要就是靠上圖中的電機(jī)帶動(dòng)齒輪的正傳反轉(zhuǎn)，正傳會(huì)使機(jī)器人從右邊的吸盤移動(dòng)到左邊的吸盤，反轉(zhuǎn)會(huì)使機(jī)器人從左邊的吸盤移動(dòng)到右邊的吸盤。具體的移動(dòng)過(guò)程為：5、6號(hào)吸盤吸住墻面1號(hào)電機(jī)正傳，從6號(hào)吸盤移動(dòng)到5號(hào)吸盤，7號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉，6號(hào)吸盤松開壁面，8號(hào)氣缸收縮,1號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)180°，8號(hào)氣缸伸出，7號(hào)發(fā)生器開啟，6號(hào)吸盤吸住壁面，1號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)從5號(hào)吸盤移動(dòng)到6號(hào)吸盤，4號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉，5號(hào)吸盤松開壁面，3號(hào)氣缸收縮，1號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)180°，3號(hào)氣缸伸出，4號(hào)真空發(fā)生器打開，5號(hào)吸盤吸住壁面這樣重復(fù)動(dòng)作。下圖4-2是爬壁清洗機(jī)器人的齒輪齒條三維設(shè)計(jì)圖。 圖4-2 輪齒條的設(shè)計(jì) 1-齒條 2-齒輪 4.3機(jī)器人跨越障礙和路徑規(guī)劃 爬壁清洗機(jī)器人氣缸的最大行程為95mm，吸盤上面的刷子長(zhǎng)度為80mm，所以機(jī)器人跨越障礙的理論最大高度為80mm，實(shí)際上，為了機(jī)器人的安全，機(jī)器人跨越障礙的最大高度必須不超過(guò)刷子的80%，也就是64mm。 因?yàn)楝F(xiàn)在的玻璃幕墻一般都是長(zhǎng)方形，所以機(jī)器人的路徑規(guī)劃為弓字形路徑，這樣的軌跡簡(jiǎn)單，而且沒有遺漏，還可以避開大多數(shù)障礙物，能使機(jī)器人盡可能的節(jié)約能量。機(jī)器人從玻璃幕墻上的角落開始平行行走，走到最右邊的時(shí)候向下走一個(gè)身位的距離，然后往左走，走到最左邊的時(shí)候，再向下走，走一個(gè)身位的距離，再向右走，重復(fù)這樣。爬壁清洗機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程示意圖如下圖4-3所示。 圖4-3 爬壁清洗機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程示意圖 吸盤直徑的選取。真空吸盤的種類有很多，硅橡膠類的吸盤可以在高溫下長(zhǎng)時(shí)間的工作，硅橡膠做成的吸盤很是適合于吸住玻璃幕墻做成的平面，吸盤的選材用聚氨酯，因?yàn)樗容^耐用。而且用真空吸盤抓取平面是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的一種方式。另外，在生產(chǎn)真空吸盤的過(guò)程中，因?yàn)槲P需要具備耐油性，那么我們就可以使用聚氨酯、丁腈橡膠或則含乙烯基的聚合物等材料來(lái)制作吸盤。我們?yōu)榱吮苊獗晃P的表面劃傷，最好的選擇就是由丁腈橡膠或硅橡膠制作而成的帶有波紋管的吸盤。因?yàn)檫@種吸盤具備很大的扯斷力，是真空裝備的執(zhí)行器之一。 吸盤直徑公式 D≥M×9.8×S×1000π×n×p （4-1） 式中： M—承受質(zhì)量 S—吸盤吸附系數(shù)，垂直吸附S=8; P—真空壓力（Kpa）; n—吸盤個(gè)數(shù) 吸盤的參數(shù)如下表所示： 表4—1 吸盤參數(shù) 型號(hào) 電壓 負(fù)載電流 功率 流量 真空度（絕對(duì)壓力） 負(fù)壓 體積（最大包容尺寸） 重量（大約值） 三種單位換算 V DC A W L/min K pa mmHg mbar K Pa （mm） （g） VCH1028 24 ＜2.0 ＜48 28 10 76 100 209×78×115 2600 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 101 760 1013 根據(jù)表4—1所示的數(shù)據(jù)代入得： D≥50×9.8×8×1000π×6×90=48mm （4-2） 因?yàn)槲P在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生形變，所以吸盤的吸附面積要比吸盤直徑小一點(diǎn)，吸附面積因?yàn)槲P制作的材質(zhì)、形狀、橡膠等不同而有所區(qū)別。因此，我在計(jì)算吸盤直徑時(shí)需要留出一定的余量,吸盤計(jì)算中的安全系數(shù)中也包括了其中的變形部分。 吸附面積： A=3.14×D24×100 （4-3） 上式中：A—吸附面積（cm2）; D—吸盤直徑（mm）。 將吸盤直徑代入上式4-3中得： Amin=3.14×4824×100=18.08cm2 （4-4） 吸盤的外徑就是吸盤的直徑，但是吸盤工作時(shí)因?yàn)檎婵粘槿⌒纬韶?fù)壓，吸盤的吸附面積也會(huì)比吸盤原本的直徑小，變小后的吸盤吸附面積稱之為吸盤的有效吸附面積，而這時(shí)吸盤的直徑稱之為有效吸盤直徑。 因?yàn)槲P的制作方式、吸附面的摩擦系數(shù)、材料本身以及真空壓力的不同，有效吸盤直徑也會(huì)不同，一般情況下吸盤的有效吸附直徑都會(huì)比吸盤原本直徑小。 當(dāng)吸盤直徑D=50mm： A有效=3.14×5024×100×90%=17.66cm2>Amin （4-5） 所以直徑為D=50mm的吸盤符合要求。 4.4氣缸運(yùn)動(dòng)部分 爬壁清洗機(jī)器人的移動(dòng)方式大體上可以分為三類，履帶式、車輪式和腳步行式，履帶式機(jī)器人對(duì)墻面的適應(yīng)能力強(qiáng)，但是體積太大，而且不容易轉(zhuǎn)彎。車輪式移動(dòng)方式是由很多帶有吸盤的輪子組成，每個(gè)輪子都有電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)速度快，便于控制，但是摩擦力小。腳步式移動(dòng)是由多個(gè)腳的反復(fù)吸附與脫落進(jìn)行移動(dòng)，帶負(fù)載能力強(qiáng)，吸附力強(qiáng)，挪動(dòng)速度較慢。綜合考慮，選擇了一種新的腳步式移動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行移動(dòng)。 4.5本章小結(jié) 本章通過(guò)對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境和工作方式的研究，設(shè)計(jì)機(jī)器人的移動(dòng)方案和跨越障礙方案。選擇了氣動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用吸盤組來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上下左右運(yùn)動(dòng)，利用吸盤組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的掉頭轉(zhuǎn)向，并對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)機(jī)器人路徑進(jìn)行了最優(yōu)規(guī)劃。吸盤的選擇做了計(jì)算。  5 爬壁清洗機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 5.1 PLC的概述 PLC控制系統(tǒng)，Programmable Logic Controller，是一種可以用編寫的程序來(lái)進(jìn)行控制的系統(tǒng)，它是為工業(yè)生產(chǎn)所設(shè)計(jì)的一種將數(shù)字信息改為控制信息的電子裝備。在20世紀(jì)70年代生產(chǎn)出來(lái)的PLC就可完成順序控制功能， 20世紀(jì)70年代末至80年代初，可編程控制器的處置速率大進(jìn)步，增加了很多提別的功效，使得可編程控制器不但可以進(jìn)行邏輯節(jié)制，而且可以對(duì)模擬量進(jìn)行定制。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器為核心的可編程控制器也得到迅猛發(fā)展，其功能越來(lái)越強(qiáng)。 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1987年2月公布了PLC的尺度草案（第三稿），草案對(duì)PLC作了以下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操縱的電子原件，專為了控制操作。它采取可編程序的存儲(chǔ)器方式，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行步驟控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等指令，并經(jīng)由數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的裝置或運(yùn)動(dòng)過(guò)程。PLC有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如通用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、模塊化結(jié)構(gòu)、編程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)易于設(shè)計(jì)、容易安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單等。 PLC的類別有：按輸入/輸出點(diǎn)數(shù)分：小型機(jī)（小型的PLC I/O總點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以下，用戶程序存儲(chǔ)容量在4KB左右。）、中型機(jī)（中型PLC I/O總點(diǎn)數(shù)在256∽2048點(diǎn)之間，用戶程序存儲(chǔ)容量在8KB左右）、大型機(jī)（大型PLC I/O總點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，用戶程序存儲(chǔ)容量在16KB以上。）。 5.2 PLC選型 ?根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需要的I/O口個(gè)數(shù)，選用三菱FX1N-24MR-001。FX1N有很多的優(yōu)點(diǎn)，I/O點(diǎn)最多可擴(kuò)展128，對(duì)于一些需要特殊需求的控制系統(tǒng)它也可以增設(shè)，還可以繼續(xù)給系統(tǒng)加入擴(kuò)展板。他有非常好的通信功能，對(duì)于一些在體積、特殊功能或者對(duì)通信方面要求較高的系統(tǒng)，這款PLC可以起到很好的控制作用。它還有其他很多重要功能，比如內(nèi)置24V電源，可以作為其他電子設(shè)備的電源來(lái)使用。還有時(shí)鐘和計(jì)時(shí)功能，而且時(shí)鐘指令操作簡(jiǎn)單，對(duì)于設(shè)備維護(hù)，計(jì)時(shí)功能可以根據(jù)時(shí)長(zhǎng)來(lái)確定何時(shí)維護(hù)。它可以設(shè)計(jì)一個(gè)八位數(shù)的密碼來(lái)保護(hù)程序不被泄漏。還有遠(yuǎn)程維護(hù)功能、在線程序編程功能、持續(xù)掃描功能等等。 5.3 PLC的I/O口分配 由爬壁清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析可知，輸入端口的操作控制和輸出端口的執(zhí)行操作，詳情見下表。 表5—1 PLC輸入與輸出控制端口 端口 操作控制 端口 執(zhí)行操作 X0000 1號(hào)吸盤吸住 Y0000 1號(hào)吸盤吸住 X0001 1號(hào)吸盤放開 Y0001 1號(hào)吸盤放開 X0002 2號(hào)吸盤吸住 Y0002 2號(hào)吸盤吸住 X0003 2號(hào)吸盤放開 Y0003 2號(hào)吸盤放開 X0004 1號(hào)氣缸抬起 Y0004 1號(hào)氣缸抬起 X0005 1號(hào)氣缸放下 Y0005 1號(hào)氣缸放下 X0006 2號(hào)氣缸抬起 Y0006 2號(hào)氣缸抬起 X0007 2號(hào)氣缸放下 Y0007 2號(hào)氣缸放下 X0008 清洗盤電機(jī)打開 Y0008 清洗盤電機(jī)打開 X0009 噴頭打開 Y0009 噴頭打開 X0010 吸盤電機(jī)正轉(zhuǎn)（90°） Y0010 吸盤電機(jī)正轉(zhuǎn)（90°） X0011 吸盤電機(jī)反轉(zhuǎn)（90°） Y0011 吸盤電機(jī)反轉(zhuǎn)（90°） X0012 吸盤電機(jī)正傳（1—2） Y0012 吸盤電機(jī)正傳（1—2） X0013 吸盤電機(jī)反轉(zhuǎn)（2—1） Y0013 吸盤電機(jī)反轉(zhuǎn)（2—1） X0014 吸盤電機(jī)正傳（180°） Y0014 吸盤電機(jī)正傳（180°） X0015 吸盤電機(jī)反轉(zhuǎn)（180°） Y0015 吸盤電機(jī)反轉(zhuǎn)（180°） X0016 1號(hào)真空發(fā)生器打開 Y0016 1號(hào)真空發(fā)生器打開 X0017 1號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉 Y0017 1號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉 X0018 2