117 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
117 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),玻璃,清潔,機(jī)器人,吸附,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)
江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）課 題 名 稱玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 沈華平 院（系） 工學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化指導(dǎo)教師 饒洪輝 職 稱 講師 學(xué) 歷 博士畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求：1 熟練掌握 AotoCAD 和 Pro/E 繪圖。2 對機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)具有較深入的理解和認(rèn)識。3 具有創(chuàng)新型設(shè)計(jì)思想。4 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運(yùn)行可靠。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容與技術(shù)參數(shù)：內(nèi) 容：1 用 AotoCAD 軟件設(shè)計(jì)玻璃清潔機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和擦洗機(jī)構(gòu)。2 編寫論文說明書。技術(shù)參數(shù)：長 L=150mm， 寬 B=100mm； 厚 H=40mm， 壁厚 h=10mm；設(shè)計(jì)行程為 s=50mm活塞厚 d=30mm， 桿截面取矩形，長 l=30mm，寬 b=15mm畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作計(jì)劃：3 月中旬至 4 月中旬；總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)原理的可行性。4 月中旬；用 Pro/E 畫出總體的立體圖。4 月中旬到 5 月初；用 AotoCAD 繪出機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。5 月中旬；撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。5 月中旬；制作 PPT接受任務(wù)日期 年 月 日 要求完成日期 年 月 日學(xué) 生 簽 名 年 月 日指導(dǎo)教師簽名 年 月 日院長（主任）簽名 年 月 日 編 號 20050365 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 材 料專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化學(xué)生姓名 俞建峰材 料 目 錄序號 附 件 名 稱 數(shù)量 備注1 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 CAD 圖紙 83 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 2二〇〇九年五月題 目 玻璃清潔機(jī)器人驅(qū)動及擦洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文,課題名稱：玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
指導(dǎo)教師：饒 洪 輝
姓名： 沈 華 平
專業(yè)班級：機(jī)制051
2009年5月,目錄,前言
機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
吸附方案選擇
吸附力分析
總結(jié),前言,課題的研究背景
發(fā)展?fàn)顩r
市場需求,總體結(jié)構(gòu)圖,,,總裝圖,,吸附方式,磁吸附： 吸附方式只適合在導(dǎo)面上吸 附，
對壁面要求嚴(yán)格
負(fù)壓吸附： 適用面廣，不受壁面材料限制
壁面適應(yīng)能力強(qiáng)和運(yùn)動速度
快等優(yōu)點(diǎn)
螺旋槳推壓：噪音大，體積大
選用負(fù)壓吸附,負(fù)壓吸附,真空泵式抽氣：噪音小，壁面光潔度幾 透氣性要求高
風(fēng)機(jī)式抽氣：噪音大，體積大
射流器式抽氣：使用面光，壁面材料要求??；適用能力強(qiáng)，運(yùn)動速度快,吸盤結(jié)構(gòu)簡圖,,原理圖,課題的研究背景
發(fā)展?fàn)顩r
市場需求,材料選擇,選擇 聚酰胺PA-66;
抗拉強(qiáng)度57~83MP;
抗壓強(qiáng)度90~120MP;
抗彎強(qiáng)度60~110MP;
密度為1.14~1.15
這種材料可用于汽車，機(jī)械等零部件.,吸附力計(jì)算,,外形尺寸選擇,長L=150mm， 寬B=100mm；
厚H=40mm， 壁厚h=10mm；
設(shè)計(jì)行程為s=50mm
活塞厚d=30mm，
桿截面取矩形，長l=30mm，寬b=15mm,水泵選擇,設(shè)定速度u=5mm/s
Q=0.005X0.08X0.03=0.72升/分
Qmax=2X7.2=1.44升/分
水泵參數(shù),其他機(jī)構(gòu)選擇,吸盤與玻璃間密封機(jī)構(gòu)：
鋁片和橡膠片組成；
閥的選擇：
o型三位四通電磁換向閥；
直動型溢流閥..,總結(jié),通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了以往學(xué)習(xí)中存在的許多不足，從中自己學(xué)到了很多新的知識，但畢竟能力有限，設(shè)計(jì)中難免存在許多不足，許多地方還有待完善．
最后，感謝指導(dǎo)老師的耐心輔導(dǎo)，并非常高興能得到各評委老師的點(diǎn)評指正．,謝謝！,衷心祝愿各位老師
工作順利、生活愉快！,學(xué)校代碼：10410序 號：20050383本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題目： 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 工 學(xué) 院 姓 名： 沈 華 平 學(xué) 號： 20050383 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化年 級： 機(jī)制 051 指導(dǎo)教師： 饒 洪 輝 二 OO 九年 五 月 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2摘 要高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人是特種機(jī)器人的一個(gè)分支。它是基于壁面移動機(jī)器人技術(shù)，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實(shí)用機(jī)器人，其工作在垂直危險(xiǎn)的玻璃壁面，能夠克服重力的作用，攜帶清洗設(shè)備，是面向現(xiàn)代高層建筑玻璃外墻表面保潔、清洗服務(wù)的極限作業(yè)機(jī)器人。論文首先對機(jī)器人總體方案進(jìn)行介紹，提出了分層次規(guī)劃的體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并應(yīng)用有關(guān)計(jì)算理論和計(jì)算軟件進(jìn)行了主要參數(shù)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，討論了機(jī)器人的作業(yè)路徑,運(yùn)動控制規(guī)劃及吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后，應(yīng)用 Pro/ENG 三維軟件針對所設(shè)計(jì)的機(jī)器人建立了三維實(shí)體模型。關(guān)鍵詞:玻璃幕墻清洗，機(jī)器人，運(yùn)動分析 ABSTRACTGlass-wall cleaning robot is one of robot for limited operation,which can walk on Vertical glass-wall with washing devices.It is a robot with specific applied functions,Based on wall-climbing robot techniques.for specific objects.And it works on vertical Glass-wall,where is dangerous for human beings.It is a robot could conquer the gravity effect and carry cleaning equipments,facing to glass-wall surface beautifying service of modern high-rise buildings.Firstly, the whole frame of the glass wall cleaning robot is introduced, and theLevel-based planning is discussed also. Based on this, the designing and analyzing Of the structure of the robot are described in details,the main parameters designing and structure designing of the key parts are also processed by using some of correlative calculating theories and soft .Then,mission-oriented and local motion planning are discussed.At last,three-dimensional model of the robot are established by 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3Means of Pro/ENGINEER,soft.Key words:Glass-wallcleaning robotvacuum adsorption system目錄摘 要 ....................................................2ABSTRACT..................................................21 前 言 ..................................................32 機(jī)器人總體方案規(guī)劃 ......................................42.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)思想 .....................................42.2 外形尺寸選擇 ........................................63 吸附機(jī)構(gòu) ................................................63.1 吸附方式 ............................................63.1.1 吸附方式選擇 ..................................73.1.2 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖 ..................................73.1.3 機(jī)器人控制原理圖 ..............................83.2 吸附力分析 .........................................93.2.1 材料選擇 ......................................93.2.2 吸附力計(jì)算 ...................................103.2.3 系統(tǒng)抗傾覆計(jì)算 ...............................103.3 其他機(jī)構(gòu)的選擇 ....................................113.3.1 射流器選擇 ...................................113.3.2 水泵和水管的選擇 .............................123.3.3 密封機(jī)構(gòu) .....................................124 總 結(jié) ..................................................14參考文獻(xiàn) .................................................15致 謝 ....................................................16玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)41 前 言 在現(xiàn)代都市中，高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)景。在建筑業(yè)，由于玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實(shí)用美觀，高層建筑的外壁越來越多地采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，但是為了保證建筑外觀的整潔美麗，時(shí)間一長，就需要對壁面進(jìn)行清洗，以美化市容市貌。許多開放性城市都規(guī)定，每年應(yīng)對高樓清洗若干次。目前高層建筑玻璃幕墻的清洗方法主要有兩種，一種是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃幕墻的清洗，雖簡便易行，但勞動強(qiáng)度大，工作效率又低，屬于高空極限作業(yè)對人身安全及玻璃壁面都有很大的威脅性。另一種是用安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機(jī)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動擦洗。這種方式初次投資成本較高(高達(dá)數(shù)百萬元) ，而且要求在建筑物設(shè)計(jì)之初就要考慮擦窗系統(tǒng)，因而限制了其使用，因此急需一種能代替人而又有一定靈活性和適用性的自動機(jī)器來完成這項(xiàng)工作，而且玻璃幕墻一般面積較大，大多處于幾十米甚至上百米的高處，且周圍無可攀援的支架，這就使得玻璃幕墻的清洗成為一項(xiàng)繁重、危險(xiǎn)、耗資的工作。如果用人去清洗，不僅花費(fèi)高，而且安全難以保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進(jìn)行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。高層建筑清洗機(jī)器人正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б妗⒔?jīng)濟(jì)效益。因此，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項(xiàng)研究工作。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)52 機(jī)器人總體方案規(guī)劃2.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)思想機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度高的自動化設(shè)備。所以該氣動清洗機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分。由于我們所開發(fā)的清洗機(jī)器人工作場所的特殊性，本課題在機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)思想是:在保證機(jī)器人功能的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定。因?yàn)榕辣跈C(jī)器人在行進(jìn)過程中需要克服自身重力，所以較輕的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)是一個(gè)需要著重考慮的設(shè)計(jì)因素。增加機(jī)器結(jié)構(gòu)的靈活性，導(dǎo)致的結(jié)果是機(jī)械結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，需要使用到的機(jī)械元器件增多，重量必然增加，同時(shí)控制的復(fù)雜性也增加。高樓幕墻清洗機(jī)器人是一種爬壁機(jī)器人，因此，它必須具備兩大功能：負(fù)壁和移動功能。在本機(jī)器人系統(tǒng)中，考慮到機(jī)器人要有清洗功能，我們就到了水作為清潔劑來清洗，在提供水的過程中，我們又把它當(dāng)做動力源，可以說只要有水就能讓它工作。因此我們主要考慮到了用水射流式清洗機(jī)器人。水射流式清洗機(jī)器人，巧妙地把供水，供能，抽氣整合為一體。利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)射器時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓來控制吸盤，機(jī)器人可以抽真空吸附在玻璃上。這樣就不像現(xiàn)已有的機(jī)器人那樣，需要帶上一個(gè)大大的氣泵。再利用水流經(jīng)射流發(fā)射器產(chǎn)生的被壓來推動活塞桿，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行驅(qū)動。為此，我們在結(jié)構(gòu)上采用了 2 個(gè)帶活塞桿吸盤互相運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的一直往前爬行運(yùn)動，而避免只有一個(gè)活塞吸盤能實(shí)現(xiàn)的往復(fù)運(yùn)動。在再整體結(jié)玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)6構(gòu)上帶上 2 個(gè)拖把，隨著機(jī)器人的移動而移動來擦洗玻璃。結(jié)構(gòu)如圖 1這種結(jié)構(gòu)的該機(jī)器人，總體來說，具有如下特點(diǎn)：1，模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)外形由同一種高分子有計(jì)劃和工程材料組成，便于連接和控制。2，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量輕，同一動力實(shí)現(xiàn)吸附和爬行運(yùn)動兩種功能，減少動力來源。便于協(xié)調(diào)控制。圖 1 外形圖2.2 外形尺寸選擇因吸盤帶有活塞桿，我們把吸盤設(shè)計(jì)成長方體，為減輕整體重量，盡量把它設(shè)計(jì)簡單，輕巧，受力面積相對厚度盡量大，使負(fù)壓大，重量輕，保證機(jī)器人牢牢吸附在玻璃上。則所選尺寸如下：長 L=150mm， 寬 B=100mm；厚 H=40mm， 壁厚 h=10mm；設(shè)計(jì)行程為 s=50mm其它尺寸選擇：活塞厚 d=30mm，桿截面取矩形，長 l=30mm，寬 b=15mm兩個(gè)拖把直接連接在吸盤的外壁上，體積與整體結(jié)構(gòu)相配合，重量輕。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)73 吸附機(jī)構(gòu)3.1 吸附方式3.1.1 吸附方式選擇爬壁機(jī)器人最主要的一個(gè)特點(diǎn)是機(jī)器人可以克服重力作用，在一點(diǎn)傾斜度，垂直或倒立的壁面上具有靜止及移動的能力。目前爬壁機(jī)器人吸附方式主要包裹磁吸附，負(fù)壓吸附，螺旋槳推壓等，今年來又出來現(xiàn)了膠吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蝸牛的濕吸附，類攀巖抓持吸附，該類吸附方式只適合在導(dǎo)磁面上吸附；低真空度負(fù)壓吸附采用風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)將負(fù)壓腔內(nèi)的空氣抽出產(chǎn)生負(fù)壓來吸附，具有一定的壁面適應(yīng)能力，但存在噪音大，體積大的缺點(diǎn)；高真空度負(fù)壓吸附方式則由真空泵在真空吸盤內(nèi)產(chǎn)生一定得真空度，其具有噪音小，易于小型化集成的優(yōu)點(diǎn)，但對壁面的光潔度及透氣性有較高的要求；螺旋槳推壓靠合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力將機(jī)器人貼附在壁面上，但也存在噪音大的缺點(diǎn)。由于負(fù)壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負(fù)壓真空吸附的爬壁機(jī)器人具有壁面適應(yīng)能力強(qiáng)和運(yùn)動速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此目前負(fù)壓吸附在爬壁機(jī)器人中得到廣泛的應(yīng)用。真空泵式要帶一個(gè)大大的氣泵，且設(shè)計(jì)要求需要清潔水擦玻璃，固采用水射流式抽氣吸附。這種方案前面已經(jīng)提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盤里后，經(jīng)射流器力射流泵提供的動力，再把水經(jīng)噴頭往外噴，把里面的空氣帶走，噴完后，吸盤內(nèi)外形成負(fù)壓，把吸盤吸住。水主要是往兩側(cè)噴，避免水噴在中間的路徑上影響機(jī)器人的吸附和運(yùn)動，而且，機(jī)器人的拖把也固定在兩側(cè)，噴完水后，水正好配合運(yùn)動過程中的擦洗功能。 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)83.1.2 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖由于吸盤也是機(jī)器人運(yùn)動時(shí)類是于液壓缸機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示：它是長方形吸盤，工作時(shí)最多只有一半用來射流噴水產(chǎn)生吸附，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附功能。圖 2 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖3.1.3 機(jī)器人控制原理圖機(jī)器人的吸附與運(yùn)動機(jī)構(gòu)都要水的參與，工作過程如下：1：2YA 通電，工作腔 1 沖水，滿后，2YA 斷電，與此同時(shí)，1 腔里的水經(jīng)射流發(fā)射器噴出，帶走里面的空氣，形成負(fù)壓，使得吸盤 A 吸附在玻璃上。2：此時(shí)，4YA 通電，3 腔進(jìn)水，滿后，1YA 通電，使 2 腔進(jìn)水，推動活塞桿 a 向前移動，拉動吸盤 B 往前移動，活塞至中間位置后，壓下行程開關(guān)。3：此時(shí)，1YA，4YA 斷電，3 腔再次水滿，3 腔水經(jīng)水射流發(fā)射器噴水，產(chǎn)生負(fù)壓，吸住吸盤 B.4：此時(shí)，2YA 通電，1 腔進(jìn)滿水后，3YA 通電，使 4 腔進(jìn)水，推動活塞桿 b 前進(jìn)，使其推動吸盤 A 前進(jìn)，活塞桿至中間位置后壓下行程開關(guān)，玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)92YA，3YA 斷電，此時(shí) 1 再次充滿水，再射流，如此循環(huán)下去，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行運(yùn)動。圖 3 機(jī)器人控制原理圖3.2 吸附力分析3.2.1 材料選擇要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附和運(yùn)動，在吸附力面積有限，而又有水的自身重力的情況下，保證機(jī)器人不掉下了，就必須要求材料輕。而要保證來自水的驅(qū)動而不變形或破裂，就要求這種材料滿足機(jī)器人所必須的強(qiáng)度和硬度。因此，選擇一種工程塑料來作為機(jī)器人的整體材料。今選擇聚酰胺 PA（又稱尼龍或綿綸） ，根據(jù)機(jī)械工程材料表 9-2，選擇 PA-66,它的抗拉強(qiáng)度為 57~83MP，抗壓強(qiáng)度為 90~120MP，抗彎強(qiáng)度為60~110MP，密度為 1.14~1.15 。這種材料可用于汽車，機(jī)械等零部件。3??cmg玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)103.2.2 吸附力計(jì)算要保證機(jī)器人不沿壁下滑，則 Fmin G （G =G +G ) 摩 ?總 總 水 其 他 材 料要保證機(jī)器人不會掉下，就必須在最小的吸附力作用下時(shí)，機(jī)器人還不會掉下，因此：當(dāng) Amin =0.05×0.08=0.004m 吸 2Fmin =Pc×0.004吸假設(shè) Pc=P0 時(shí)，即腔里完全真空。 Fmin =Pc×0.004=P0×0.004=400N吸=0.2，F(xiàn)min =400×0.2=80N?摩此時(shí)，G = gv=3×1.0×10 ×0.05×0.08×0.03=0.36N 水 ?33.2.3 系統(tǒng)抗傾覆計(jì)算機(jī)器人結(jié)構(gòu)材料的密度小，整體體積不是很大，所以重量小，加上水后所產(chǎn)生的總重力也遠(yuǎn)小于摩擦力。該機(jī)器人，不僅要求在結(jié)構(gòu)上采用盡量簡單的結(jié)構(gòu)來減輕機(jī)器人的本體量，同時(shí)機(jī)器人還有一個(gè)重要的基本功能就是運(yùn)動。因此怎樣保證機(jī)器人的運(yùn)動過程中的動態(tài)負(fù)載能力和平衡，這對于機(jī)器人本體的安全運(yùn)行非常的重要。機(jī)器人在壁面上移動時(shí),都是通過兩個(gè)類是活塞缸的洗盤提供的吸力來維持機(jī)器人在壁面移動時(shí)力的平衡。結(jié)合這一簡單結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，機(jī)器人在運(yùn)動時(shí)，其力的示意圖如圖 4 所示:其中 F 代表機(jī)器人在壁面行走時(shí)由一個(gè)吸盤提供的最小吸力，G 代表機(jī)器人的本體重力，N 代表位于壁面下端的一個(gè)吸盤在移動過程中墻壁對它的支持力。由圖 4 知，系統(tǒng)最容易以 A 點(diǎn)為中心發(fā)生傾覆，因此，以 A 點(diǎn)為中心，建立系統(tǒng)的力矩方程，使機(jī)器人能穩(wěn)定可靠的在壁面上行走和工作，就必須滿足式 3的要求: 21LGF??玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)11（1） 式中: 為真空吸盤產(chǎn)生的力矩， 為系統(tǒng)重力力矩。1LF?2LG?圖 4由式 1 知，為了使機(jī)器人能在玻璃壁面可靠吸附、安全作業(yè)，就應(yīng)該增加吸盤的吸力，同時(shí)增加其力臂 Ll。另外，在減輕機(jī)器人本體重量的同時(shí)，應(yīng)該減小其作用力臂 L2。這也是我們進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時(shí)所遵循的一個(gè)重要原則。而本設(shè)計(jì)的機(jī)器人由于吸附力 F 大于重力 G 很多，且 L1>L2,機(jī)器人有很好的抗顛覆能力，保證機(jī)器人不會因?yàn)榉D(zhuǎn)而掉下。3.3 其他機(jī)構(gòu)的選擇3.3.1 射流器選擇由于機(jī)器人采用水射流式吸附方式，故必須選用射流器噴水，把吸盤里的空氣帶走，產(chǎn)生負(fù)壓，使機(jī)器人緊靠在玻璃上。由于 1 秒的時(shí)間里要把吸盤里的水噴完。它的主要部分是由帶噴頭的射流泵組成，外形有兩出水口，經(jīng)這兩出水口，使射流出的水往兩邊流，用于擦洗玻璃。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 5 示：玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)12圖 5 射流器結(jié)構(gòu)圖3.3.2 水泵和水管的選擇 設(shè)定推動活塞桿的速度是 u=5mm/s它所需流量 Q=0.005X0.08X0.03=0.000012m /s=0.72 升/分3兩管同時(shí)進(jìn)水時(shí)流量 Q=2X7.2=1.44 升/分今選用水泵參數(shù)如下表所示：型號 最大流量最高揚(yáng)程進(jìn)出口內(nèi)徑工作電流 A工作電壓 V最大輸出壓力ASP5526 2.6L/min 55 米 進(jìn) 6 出 10?<=2.2 12 0.55MP由于元件有 6mm 和 8mm 的通徑或者內(nèi)徑。選用內(nèi)徑為 6mm 外徑為 8mm 的硅膠水管及其內(nèi)徑為 8mm 外徑為 10mm 的硅膠水管。3.3.3 密封機(jī)構(gòu)由于玻璃平面有一定程度的凸凹不平，機(jī)器人在移動過程中就必須實(shí)現(xiàn)吸盤的可靠性密封，這就要求密閉機(jī)構(gòu)要有一定的防泄漏能力，為此，設(shè)計(jì)一種密閉結(jié)構(gòu)安裝在矩形吸盤的四周，它由鋁片和橡膠片組成。如圖 6玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)13圖 6 密封裝置簡圖不但吸盤與玻璃壁之間要有密封機(jī)構(gòu)，活塞與吸盤之間也要有密封，選用型密封圈，因?yàn)樗哂辛己玫拿芊庑阅?，耐高壓，壽命長，通過調(diào)節(jié)壓緊力，可獲得最佳的密封效果。主要用與活塞桿的往復(fù)運(yùn)動密封。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)144 總 結(jié)目前高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，而國外已經(jīng)開始投入具體實(shí)際應(yīng)用。我國在這方面的研究大多只是應(yīng)用在試驗(yàn)室階段，并沒有具體作為產(chǎn)品推廣。如我們平時(shí)所看到的新聞也只是介紹有一款機(jī)器人可以用來擦玻璃，但它還是處于試驗(yàn)運(yùn)行階段，并沒廣泛推廣，而國內(nèi)目前絕大多數(shù)高層建筑仍采用吊籃+人工完成清洗工作， 。因此，國內(nèi)清洗機(jī)器人有十分廣闊的應(yīng)用前景，盡快研制出一種能真正投入實(shí)際應(yīng)用的清洗機(jī)器人就顯得十分必要。本文針對國內(nèi)高樓玻璃幕墻的清洗現(xiàn)狀，結(jié)合高樓玻璃幕墻清洗作業(yè)的具體工作環(huán)境，開發(fā)設(shè)計(jì)出了一種專用于高樓玻璃幕墻清洗的水射流式清洗機(jī)器人，該清洗機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)新穎、安全可靠、重量輕、效率高的特點(diǎn)。本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作并得出了結(jié)論:1，設(shè)計(jì)出了一個(gè)完整的水射流式清洗機(jī)器人系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、真空吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分，并對系統(tǒng)的一個(gè)步距的運(yùn)動進(jìn)行了分析，全面了解了這種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能。2，與傳統(tǒng)的機(jī)器人體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配備一個(gè)大大的氣泵相比，本機(jī)器人充分運(yùn)用水的功能，既作為清潔劑，又是動力源。3，對系統(tǒng)中的主要元器件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)及選型，并詳細(xì)介紹了其主要性能參數(shù)。4，對機(jī)器人作業(yè)中的具體行走路徑進(jìn)行了規(guī)劃，并對整個(gè)機(jī)器人的吸附和運(yùn)動的液壓控制原理進(jìn)行了分析和研究，來保證機(jī)器人的正常工作。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)15參考文獻(xiàn)[1]王園宇，武利生，李元宗.壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢淺析.引進(jìn)與咨詢.2002.4[2]陳沛富.玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)研究.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.5[3]宗光華.高層建筑擦窗機(jī)器人.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.1998:20[4]楊其嘉.機(jī)器人清潔工現(xiàn)狀及未來.環(huán)境導(dǎo)報(bào).1994.3[5]吳仲治，李開生，王巍，宗光華.靈巧擦窗機(jī)器人速度跟蹤控制系統(tǒng).制造業(yè)自動化.Vol23.No.4;2001:2 卜 30[6〕張兆君，周廷武，宗光華.擦窗機(jī)器人在高層建筑清洗中的應(yīng)用.建筑技術(shù).2001.9[7]蔡立群.窗玻璃清洗機(jī)器人.住宅科技.1994.11[8]邵浩，趙言正，王炎，劉淑霞，劉淑良.用于玻璃幕墻清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人系統(tǒng).制造業(yè)自動化.2000.2[9]譚建榮，張樹有，陸國棟，施岳定.圖學(xué)基礎(chǔ)教程.高等教育出版社.2004.10[10]于永泗，齊民.機(jī)械工程材料（第七版）.大連理工大學(xué)出版社.2007.2[11]陳奎生.液壓與氣壓傳動.武漢理工大學(xué)出版社.2005.3[12]楊明忠，朱家誠.機(jī)械設(shè)計(jì).武漢理工大學(xué)出版社 2006.12玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)16致 謝本學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師饒洪輝老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到論文的最終完成，饒老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在設(shè)計(jì)過程中，我翻閱了很多專業(yè)方面的資料，并充分利用校圖書館的資源。半年以來，我遇到了很多專業(yè)方面的問題，我認(rèn)真思考，而且不斷和同學(xué)討論一起解決，同時(shí)我的導(dǎo)師饒老師給我提出了很多寶貴的意見，為論文進(jìn)一步的完善提供了許多幫助。雖然設(shè)計(jì)的過程是漫長而且辛酸的，但在導(dǎo)師的幫助下，我克服了許多困難，學(xué)到了很多東西，包括課堂當(dāng)中沒有涉及到得內(nèi)容。這次設(shè)計(jì)使我樹立了面對困難，并勇于解決問題的信心。十分感謝導(dǎo)師給我的大力支持和精心指導(dǎo)。最后，我向所有參加答辯的老師致意，感謝你們在百忙之中抽出時(shí)間來參加我的畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯，對此我表示真摯的謝意！江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）課 題 名 稱玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 沈華平 院（系） 工學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化指導(dǎo)教師 饒洪輝 職 稱 講師 學(xué) 歷 博士畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求：1 熟練掌握 AotoCAD 和 Pro/E 繪圖。2 對機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)具有較深入的理解和認(rèn)識。3 具有創(chuàng)新型設(shè)計(jì)思想。4 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運(yùn)行可靠。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容與技術(shù)參數(shù)：內(nèi) 容：1 用 AotoCAD 軟件設(shè)計(jì)玻璃清潔機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和擦洗機(jī)構(gòu)。2 編寫論文說明書。技術(shù)參數(shù)：長 L=150mm， 寬 B=100mm； 厚 H=40mm， 壁厚 h=10mm；設(shè)計(jì)行程為 s=50mm活塞厚 d=30mm， 桿截面取矩形，長 l=30mm，寬 b=15mm畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作計(jì)劃：3 月中旬至 4 月中旬；總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)原理的可行性。4 月中旬；用 Pro/E 畫出總體的立體圖。4 月中旬到 5 月初；用 AotoCAD 繪出機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。5 月中旬；撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。5 月中旬；制作 PPT接受任務(wù)日期 年 月 日 要求完成日期 年 月 日學(xué) 生 簽 名 年 月 日指導(dǎo)教師簽名 年 月 日院長（主任）簽名 年 月 日 編 號 20050365 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 材 料專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化學(xué)生姓名 俞建峰材 料 目 錄序號 附 件 名 稱 數(shù)量 備注1 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 CAD 圖紙 83 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 2二〇〇九年五月題 目 玻璃清潔機(jī)器人驅(qū)動及擦洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文,課題名稱：玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
指導(dǎo)教師：饒 洪 輝
姓名： 沈 華 平
專業(yè)班級：機(jī)制051
2009年5月,目錄,前言
機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
吸附方案選擇
吸附力分析
總結(jié),前言,課題的研究背景
發(fā)展?fàn)顩r
市場需求,總體結(jié)構(gòu)圖,,,總裝圖,,吸附方式,磁吸附： 吸附方式只適合在導(dǎo)面上吸 附，
對壁面要求嚴(yán)格
負(fù)壓吸附： 適用面廣，不受壁面材料限制
壁面適應(yīng)能力強(qiáng)和運(yùn)動速度
快等優(yōu)點(diǎn)
螺旋槳推壓：噪音大，體積大
選用負(fù)壓吸附,負(fù)壓吸附,真空泵式抽氣：噪音小，壁面光潔度幾 透氣性要求高
風(fēng)機(jī)式抽氣：噪音大，體積大
射流器式抽氣：使用面光，壁面材料要求小；適用能力強(qiáng)，運(yùn)動速度快,吸盤結(jié)構(gòu)簡圖,,原理圖,課題的研究背景
發(fā)展?fàn)顩r
市場需求,材料選擇,選擇 聚酰胺PA-66;
抗拉強(qiáng)度57~83MP;
抗壓強(qiáng)度90~120MP;
抗彎強(qiáng)度60~110MP;
密度為1.14~1.15
這種材料可用于汽車，機(jī)械等零部件.,吸附力計(jì)算,,外形尺寸選擇,長L=150mm， 寬B=100mm；
厚H=40mm， 壁厚h=10mm；
設(shè)計(jì)行程為s=50mm
活塞厚d=30mm，
桿截面取矩形，長l=30mm，寬b=15mm,水泵選擇,設(shè)定速度u=5mm/s
Q=0.005X0.08X0.03=0.72升/分
Qmax=2X7.2=1.44升/分
水泵參數(shù),其他機(jī)構(gòu)選擇,吸盤與玻璃間密封機(jī)構(gòu)：
鋁片和橡膠片組成；
閥的選擇：
o型三位四通電磁換向閥；
直動型溢流閥..,總結(jié),通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了以往學(xué)習(xí)中存在的許多不足，從中自己學(xué)到了很多新的知識，但畢竟能力有限，設(shè)計(jì)中難免存在許多不足，許多地方還有待完善．
最后，感謝指導(dǎo)老師的耐心輔導(dǎo)，并非常高興能得到各評委老師的點(diǎn)評指正．,謝謝！,衷心祝愿各位老師
工作順利、生活愉快！,學(xué)校代碼：10410序 號：20050383本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題目： 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 工 學(xué) 院 姓 名： 沈 華 平 學(xué) 號： 20050383 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化年 級： 機(jī)制 051 指導(dǎo)教師： 饒 洪 輝 二 OO 九年 五 月 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2摘 要高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人是特種機(jī)器人的一個(gè)分支。它是基于壁面移動機(jī)器人技術(shù)，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實(shí)用機(jī)器人，其工作在垂直危險(xiǎn)的玻璃壁面，能夠克服重力的作用，攜帶清洗設(shè)備，是面向現(xiàn)代高層建筑玻璃外墻表面保潔、清洗服務(wù)的極限作業(yè)機(jī)器人。論文首先對機(jī)器人總體方案進(jìn)行介紹，提出了分層次規(guī)劃的體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并應(yīng)用有關(guān)計(jì)算理論和計(jì)算軟件進(jìn)行了主要參數(shù)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，討論了機(jī)器人的作業(yè)路徑,運(yùn)動控制規(guī)劃及吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后，應(yīng)用 Pro/ENG 三維軟件針對所設(shè)計(jì)的機(jī)器人建立了三維實(shí)體模型。關(guān)鍵詞:玻璃幕墻清洗，機(jī)器人，運(yùn)動分析 ABSTRACTGlass-wall cleaning robot is one of robot for limited operation,which can walk on Vertical glass-wall with washing devices.It is a robot with specific applied functions,Based on wall-climbing robot techniques.for specific objects.And it works on vertical Glass-wall,where is dangerous for human beings.It is a robot could conquer the gravity effect and carry cleaning equipments,facing to glass-wall surface beautifying service of modern high-rise buildings.Firstly, the whole frame of the glass wall cleaning robot is introduced, and theLevel-based planning is discussed also. Based on this, the designing and analyzing Of the structure of the robot are described in details,the main parameters designing and structure designing of the key parts are also processed by using some of correlative calculating theories and soft .Then,mission-oriented and local motion planning are discussed.At last,three-dimensional model of the robot are established by 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3Means of Pro/ENGINEER,soft.Key words:Glass-wallcleaning robotvacuum adsorption system目錄摘 要 ....................................................2ABSTRACT..................................................21 前 言 ..................................................32 機(jī)器人總體方案規(guī)劃 ......................................42.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)思想 .....................................42.2 外形尺寸選擇 ........................................63 吸附機(jī)構(gòu) ................................................63.1 吸附方式 ............................................63.1.1 吸附方式選擇 ..................................73.1.2 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖 ..................................73.1.3 機(jī)器人控制原理圖 ..............................83.2 吸附力分析 .........................................93.2.1 材料選擇 ......................................93.2.2 吸附力計(jì)算 ...................................103.2.3 系統(tǒng)抗傾覆計(jì)算 ...............................103.3 其他機(jī)構(gòu)的選擇 ....................................113.3.1 射流器選擇 ...................................113.3.2 水泵和水管的選擇 .............................123.3.3 密封機(jī)構(gòu) .....................................124 總 結(jié) ..................................................14參考文獻(xiàn) .................................................15致 謝 ....................................................16玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)41 前 言 在現(xiàn)代都市中，高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)景。在建筑業(yè)，由于玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實(shí)用美觀，高層建筑的外壁越來越多地采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，但是為了保證建筑外觀的整潔美麗，時(shí)間一長，就需要對壁面進(jìn)行清洗，以美化市容市貌。許多開放性城市都規(guī)定，每年應(yīng)對高樓清洗若干次。目前高層建筑玻璃幕墻的清洗方法主要有兩種，一種是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃幕墻的清洗，雖簡便易行，但勞動強(qiáng)度大，工作效率又低，屬于高空極限作業(yè)對人身安全及玻璃壁面都有很大的威脅性。另一種是用安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機(jī)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動擦洗。這種方式初次投資成本較高(高達(dá)數(shù)百萬元) ，而且要求在建筑物設(shè)計(jì)之初就要考慮擦窗系統(tǒng)，因而限制了其使用，因此急需一種能代替人而又有一定靈活性和適用性的自動機(jī)器來完成這項(xiàng)工作，而且玻璃幕墻一般面積較大，大多處于幾十米甚至上百米的高處，且周圍無可攀援的支架，這就使得玻璃幕墻的清洗成為一項(xiàng)繁重、危險(xiǎn)、耗資的工作。如果用人去清洗，不僅花費(fèi)高，而且安全難以保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進(jìn)行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。高層建筑清洗機(jī)器人正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б妗⒔?jīng)濟(jì)效益。因此，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項(xiàng)研究工作。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)52 機(jī)器人總體方案規(guī)劃2.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)思想機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度高的自動化設(shè)備。所以該氣動清洗機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分。由于我們所開發(fā)的清洗機(jī)器人工作場所的特殊性，本課題在機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)思想是:在保證機(jī)器人功能的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定。因?yàn)榕辣跈C(jī)器人在行進(jìn)過程中需要克服自身重力，所以較輕的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)是一個(gè)需要著重考慮的設(shè)計(jì)因素。增加機(jī)器結(jié)構(gòu)的靈活性，導(dǎo)致的結(jié)果是機(jī)械結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，需要使用到的機(jī)械元器件增多，重量必然增加，同時(shí)控制的復(fù)雜性也增加。高樓幕墻清洗機(jī)器人是一種爬壁機(jī)器人，因此，它必須具備兩大功能：負(fù)壁和移動功能。在本機(jī)器人系統(tǒng)中，考慮到機(jī)器人要有清洗功能，我們就到了水作為清潔劑來清洗，在提供水的過程中，我們又把它當(dāng)做動力源，可以說只要有水就能讓它工作。因此我們主要考慮到了用水射流式清洗機(jī)器人。水射流式清洗機(jī)器人，巧妙地把供水，供能，抽氣整合為一體。利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)射器時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓來控制吸盤，機(jī)器人可以抽真空吸附在玻璃上。這樣就不像現(xiàn)已有的機(jī)器人那樣，需要帶上一個(gè)大大的氣泵。再利用水流經(jīng)射流發(fā)射器產(chǎn)生的被壓來推動活塞桿，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行驅(qū)動。為此，我們在結(jié)構(gòu)上采用了 2 個(gè)帶活塞桿吸盤互相運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的一直往前爬行運(yùn)動，而避免只有一個(gè)活塞吸盤能實(shí)現(xiàn)的往復(fù)運(yùn)動。在再整體結(jié)玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)6構(gòu)上帶上 2 個(gè)拖把，隨著機(jī)器人的移動而移動來擦洗玻璃。結(jié)構(gòu)如圖 1這種結(jié)構(gòu)的該機(jī)器人，總體來說，具有如下特點(diǎn)：1，模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)外形由同一種高分子有計(jì)劃和工程材料組成，便于連接和控制。2，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量輕，同一動力實(shí)現(xiàn)吸附和爬行運(yùn)動兩種功能，減少動力來源。便于協(xié)調(diào)控制。圖 1 外形圖2.2 外形尺寸選擇因吸盤帶有活塞桿，我們把吸盤設(shè)計(jì)成長方體，為減輕整體重量，盡量把它設(shè)計(jì)簡單，輕巧，受力面積相對厚度盡量大，使負(fù)壓大，重量輕，保證機(jī)器人牢牢吸附在玻璃上。則所選尺寸如下：長 L=150mm， 寬 B=100mm；厚 H=40mm， 壁厚 h=10mm；設(shè)計(jì)行程為 s=50mm其它尺寸選擇：活塞厚 d=30mm，桿截面取矩形，長 l=30mm，寬 b=15mm兩個(gè)拖把直接連接在吸盤的外壁上，體積與整體結(jié)構(gòu)相配合，重量輕。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)73 吸附機(jī)構(gòu)3.1 吸附方式3.1.1 吸附方式選擇爬壁機(jī)器人最主要的一個(gè)特點(diǎn)是機(jī)器人可以克服重力作用，在一點(diǎn)傾斜度，垂直或倒立的壁面上具有靜止及移動的能力。目前爬壁機(jī)器人吸附方式主要包裹磁吸附，負(fù)壓吸附，螺旋槳推壓等，今年來又出來現(xiàn)了膠吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蝸牛的濕吸附，類攀巖抓持吸附，該類吸附方式只適合在導(dǎo)磁面上吸附；低真空度負(fù)壓吸附采用風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)將負(fù)壓腔內(nèi)的空氣抽出產(chǎn)生負(fù)壓來吸附，具有一定的壁面適應(yīng)能力，但存在噪音大，體積大的缺點(diǎn)；高真空度負(fù)壓吸附方式則由真空泵在真空吸盤內(nèi)產(chǎn)生一定得真空度，其具有噪音小，易于小型化集成的優(yōu)點(diǎn)，但對壁面的光潔度及透氣性有較高的要求；螺旋槳推壓靠合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力將機(jī)器人貼附在壁面上，但也存在噪音大的缺點(diǎn)。由于負(fù)壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負(fù)壓真空吸附的爬壁機(jī)器人具有壁面適應(yīng)能力強(qiáng)和運(yùn)動速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此目前負(fù)壓吸附在爬壁機(jī)器人中得到廣泛的應(yīng)用。真空泵式要帶一個(gè)大大的氣泵，且設(shè)計(jì)要求需要清潔水擦玻璃，固采用水射流式抽氣吸附。這種方案前面已經(jīng)提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盤里后，經(jīng)射流器力射流泵提供的動力，再把水經(jīng)噴頭往外噴，把里面的空氣帶走，噴完后，吸盤內(nèi)外形成負(fù)壓，把吸盤吸住。水主要是往兩側(cè)噴，避免水噴在中間的路徑上影響機(jī)器人的吸附和運(yùn)動，而且，機(jī)器人的拖把也固定在兩側(cè)，噴完水后，水正好配合運(yùn)動過程中的擦洗功能。 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)83.1.2 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖由于吸盤也是機(jī)器人運(yùn)動時(shí)類是于液壓缸機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示：它是長方形吸盤，工作時(shí)最多只有一半用來射流噴水產(chǎn)生吸附，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附功能。圖 2 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖3.1.3 機(jī)器人控制原理圖機(jī)器人的吸附與運(yùn)動機(jī)構(gòu)都要水的參與，工作過程如下：1：2YA 通電，工作腔 1 沖水，滿后，2YA 斷電，與此同時(shí)，1 腔里的水經(jīng)射流發(fā)射器噴出，帶走里面的空氣，形成負(fù)壓，使得吸盤 A 吸附在玻璃上。2：此時(shí)，4YA 通電，3 腔進(jìn)水，滿后，1YA 通電，使 2 腔進(jìn)水，推動活塞桿 a 向前移動，拉動吸盤 B 往前移動，活塞至中間位置后，壓下行程開關(guān)。3：此時(shí)，1YA，4YA 斷電，3 腔再次水滿，3 腔水經(jīng)水射流發(fā)射器噴水，產(chǎn)生負(fù)壓，吸住吸盤 B.4：此時(shí)，2YA 通電，1 腔進(jìn)滿水后，3YA 通電，使 4 腔進(jìn)水，推動活塞桿 b 前進(jìn)，使其推動吸盤 A 前進(jìn)，活塞桿至中間位置后壓下行程開關(guān)，玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)92YA，3YA 斷電，此時(shí) 1 再次充滿水，再射流，如此循環(huán)下去，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行運(yùn)動。圖 3 機(jī)器人控制原理圖3.2 吸附力分析3.2.1 材料選擇要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附和運(yùn)動，在吸附力面積有限，而又有水的自身重力的情況下，保證機(jī)器人不掉下了，就必須要求材料輕。而要保證來自水的驅(qū)動而不變形或破裂，就要求這種材料滿足機(jī)器人所必須的強(qiáng)度和硬度。因此，選擇一種工程塑料來作為機(jī)器人的整體材料。今選擇聚酰胺 PA（又稱尼龍或綿綸） ，根據(jù)機(jī)械工程材料表 9-2，選擇 PA-66,它的抗拉強(qiáng)度為 57~83MP，抗壓強(qiáng)度為 90~120MP，抗彎強(qiáng)度為60~110MP，密度為 1.14~1.15 。這種材料可用于汽車，機(jī)械等零部件。3??cmg玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)103.2.2 吸附力計(jì)算要保證機(jī)器人不沿壁下滑，則 Fmin G （G =G +G ) 摩 ?總 總 水 其 他 材 料要保證機(jī)器人不會掉下，就必須在最小的吸附力作用下時(shí)，機(jī)器人還不會掉下，因此：當(dāng) Amin =0.05×0.08=0.004m 吸 2Fmin =Pc×0.004吸假設(shè) Pc=P0 時(shí)，即腔里完全真空。 Fmin =Pc×0.004=P0×0.004=400N吸=0.2，F(xiàn)min =400×0.2=80N?摩此時(shí)，G = gv=3×1.0×10 ×0.05×0.08×0.03=0.36N 水 ?33.2.3 系統(tǒng)抗傾覆計(jì)算機(jī)器人結(jié)構(gòu)材料的密度小，整體體積不是很大，所以重量小，加上水后所產(chǎn)生的總重力也遠(yuǎn)小于摩擦力。該機(jī)器人，不僅要求在結(jié)構(gòu)上采用盡量簡單的結(jié)構(gòu)來減輕機(jī)器人的本體量，同時(shí)機(jī)器人還有一個(gè)重要的基本功能就是運(yùn)動。因此怎樣保證機(jī)器人的運(yùn)動過程中的動態(tài)負(fù)載能力和平衡，這對于機(jī)器人本體的安全運(yùn)行非常的重要。機(jī)器人在壁面上移動時(shí),都是通過兩個(gè)類是活塞缸的洗盤提供的吸力來維持機(jī)器人在壁面移動時(shí)力的平衡。結(jié)合這一簡單結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，機(jī)器人在運(yùn)動時(shí)，其力的示意圖如圖 4 所示:其中 F 代表機(jī)器人在壁面行走時(shí)由一個(gè)吸盤提供的最小吸力，G 代表機(jī)器人的本體重力，N 代表位于壁面下端的一個(gè)吸盤在移動過程中墻壁對它的支持力。由圖 4 知，系統(tǒng)最容易以 A 點(diǎn)為中心發(fā)生傾覆，因此，以 A 點(diǎn)為中心，建立系統(tǒng)的力矩方程，使機(jī)器人能穩(wěn)定可靠的在壁面上行走和工作，就必須滿足式 3的要求: 21LGF??玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)11（1） 式中: 為真空吸盤產(chǎn)生的力矩， 為系統(tǒng)重力力矩。1LF?2LG?圖 4由式 1 知，為了使機(jī)器人能在玻璃壁面可靠吸附、安全作業(yè)，就應(yīng)該增加吸盤的吸力，同時(shí)增加其力臂 Ll。另外，在減輕機(jī)器人本體重量的同時(shí)，應(yīng)該減小其作用力臂 L2。這也是我們進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時(shí)所遵循的一個(gè)重要原則。而本設(shè)計(jì)的機(jī)器人由于吸附力 F 大于重力 G 很多，且 L1>L2,機(jī)器人有很好的抗顛覆能力，保證機(jī)器人不會因?yàn)榉D(zhuǎn)而掉下。3.3 其他機(jī)構(gòu)的選擇3.3.1 射流器選擇由于機(jī)器人采用水射流式吸附方式，故必須選用射流器噴水，把吸盤里的空氣帶走，產(chǎn)生負(fù)壓，使機(jī)器人緊靠在玻璃上。由于 1 秒的時(shí)間里要把吸盤里的水噴完。它的主要部分是由帶噴頭的射流泵組成，外形有兩出水口，經(jīng)這兩出水口，使射流出的水往兩邊流，用于擦洗玻璃。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 5 示：玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)12圖 5 射流器結(jié)構(gòu)圖3.3.2 水泵和水管的選擇 設(shè)定推動活塞桿的速度是 u=5mm/s它所需流量 Q=0.005X0.08X0.03=0.000012m /s=0.72 升/分3兩管同時(shí)進(jìn)水時(shí)流量 Q=2X7.2=1.44 升/分今選用水泵參數(shù)如下表所示：型號 最大流量最高揚(yáng)程進(jìn)出口內(nèi)徑工作電流 A工作電壓 V最大輸出壓力ASP5526 2.6L/min 55 米 進(jìn) 6 出 10?<=2.2 12 0.55MP由于元件有 6mm 和 8mm 的通徑或者內(nèi)徑。選用內(nèi)徑為 6mm 外徑為 8mm 的硅膠水管及其內(nèi)徑為 8mm 外徑為 10mm 的硅膠水管。3.3.3 密封機(jī)構(gòu)由于玻璃平面有一定程度的凸凹不平，機(jī)器人在移動過程中就必須實(shí)現(xiàn)吸盤的可靠性密封，這就要求密閉機(jī)構(gòu)要有一定的防泄漏能力，為此，設(shè)計(jì)一種密閉結(jié)構(gòu)安裝在矩形吸盤的四周，它由鋁片和橡膠片組成。如圖 6玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)13圖 6 密封裝置簡圖不但吸盤與玻璃壁之間要有密封機(jī)構(gòu)，活塞與吸盤之間也要有密封，選用型密封圈，因?yàn)樗哂辛己玫拿芊庑阅?，耐高壓，壽命長，通過調(diào)節(jié)壓緊力，可獲得最佳的密封效果。主要用與活塞桿的往復(fù)運(yùn)動密封。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)144 總 結(jié)目前高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，而國外已經(jīng)開始投入具體實(shí)際應(yīng)用。我國在這方面的研究大多只是應(yīng)用在試驗(yàn)室階段，并沒有具體作為產(chǎn)品推廣。如我們平時(shí)所看到的新聞也只是介紹有一款機(jī)器人可以用來擦玻璃，但它還是處于試驗(yàn)運(yùn)行階段，并沒廣泛推廣，而國內(nèi)目前絕大多數(shù)高層建筑仍采用吊籃+人工完成清洗工作， 。因此，國內(nèi)清洗機(jī)器人有十分廣闊的應(yīng)用前景，盡快研制出一種能真正投入實(shí)際應(yīng)用的清洗機(jī)器人就顯得十分必要。本文針對國內(nèi)高樓玻璃幕墻的清洗現(xiàn)狀，結(jié)合高樓玻璃幕墻清洗作業(yè)的具體工作環(huán)境，開發(fā)設(shè)計(jì)出了一種專用于高樓玻璃幕墻清洗的水射流式清洗機(jī)器人，該清洗機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)新穎、安全可靠、重量輕、效率高的特點(diǎn)。本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作并得出了結(jié)論:1，設(shè)計(jì)出了一個(gè)完整的水射流式清洗機(jī)器人系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、真空吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分，并對系統(tǒng)的一個(gè)步距的運(yùn)動進(jìn)行了分析，全面了解了這種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能。2，與傳統(tǒng)的機(jī)器人體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配備一個(gè)大大的氣泵相比，本機(jī)器人充分運(yùn)用水的功能，既作為清潔劑，又是動力源。3，對系統(tǒng)中的主要元器件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)及選型，并詳細(xì)介紹了其主要性能參數(shù)。4，對機(jī)器人作業(yè)中的具體行走路徑進(jìn)行了規(guī)劃，并對整個(gè)機(jī)器人的吸附和運(yùn)動的液壓控制原理進(jìn)行了分析和研究，來保證機(jī)器人的正常工作。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)15參考文獻(xiàn)[1]王園宇，武利生，李元宗.壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢淺析.引進(jìn)與咨詢.2002.4[2]陳沛富.玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)研究.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.5[3]宗光華.高層建筑擦窗機(jī)器人.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.1998:20[4]楊其嘉.機(jī)器人清潔工現(xiàn)狀及未來.環(huán)境導(dǎo)報(bào).1994.3[5]吳仲治，李開生，王巍，宗光華.靈巧擦窗機(jī)器人速度跟蹤控制系統(tǒng).制造業(yè)自動化.Vol23.No.4;2001:2 卜 30[6〕張兆君，周廷武，宗光華.擦窗機(jī)器人在高層建筑清洗中的應(yīng)用.建筑技術(shù).2001.9[7]蔡立群.窗玻璃清洗機(jī)器人.住宅科技.1994.11[8]邵浩，趙言正，王炎，劉淑霞，劉淑良.用于玻璃幕墻清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人系統(tǒng).制造業(yè)自動化.2000.2[9]譚建榮，張樹有，陸國棟，施岳定.圖學(xué)基礎(chǔ)教程.高等教育出版社.2004.10[10]于永泗，齊民.機(jī)械工程材料（第七版）.大連理工大學(xué)出版社.2007.2[11]陳奎生.液壓與氣壓傳動.武漢理工大學(xué)出版社.2005.3[12]楊明忠，朱家誠.機(jī)械設(shè)計(jì).武漢理工大學(xué)出版社 2006.12玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)16致 謝本學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師饒洪輝老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到論文的最終完成，饒老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在設(shè)計(jì)過程中，我翻閱了很多專業(yè)方面的資料，并充分利用校圖書館的資源。半年以來，我遇到了很多專業(yè)方面的問題，我認(rèn)真思考，而且不斷和同學(xué)討論一起解決，同時(shí)我的導(dǎo)師饒老師給我提出了很多寶貴的意見，為論文進(jìn)一步的完善提供了許多幫助。雖然設(shè)計(jì)的過程是漫長而且辛酸的，但在導(dǎo)師的幫助下，我克服了許多困難，學(xué)到了很多東西，包括課堂當(dāng)中沒有涉及到得內(nèi)容。這次設(shè)計(jì)使我樹立了面對困難，并勇于解決問題的信心。十分感謝導(dǎo)師給我的大力支持和精心指導(dǎo)。最后，我向所有參加答辯的老師致意，感謝你們在百忙之中抽出時(shí)間來參加我的畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯，對此我表示真摯的謝意！
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