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壁面清洗機(jī)器人設(shè)計(jì) 56
摘 要
壁面清洗機(jī)器人是一個(gè)實(shí)用性很強(qiáng)的裝置。自從本世紀(jì)六十年代以來，爬壁機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注，但是，大都是進(jìn)行了一些試驗(yàn)性質(zhì)的研究，其相關(guān)的理論分析尚不成熟。作為清洗用的爬壁機(jī)器人來說，其清洗工作具有簡(jiǎn)單、重復(fù)的特點(diǎn)，比較適合機(jī)器人自主工作，壁面清洗機(jī)器人是以清洗高層建筑為目的的壁面移動(dòng)機(jī)器人，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(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)率，也必將極大地推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，壁面清洗機(jī)器人有著良好的應(yīng)用前景。
本文首先對(duì)壁面清洗機(jī)器人這個(gè)課題的來源、目的及意義進(jìn)行了闡述，簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)外壁面清洗機(jī)器人的發(fā)展情況，對(duì)壁面清洗機(jī)器人的幾種不同的移動(dòng)方式及吸附方式進(jìn)行了比較，最后采用了多吸盤的框架式結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。接著對(duì)壁面清洗機(jī)器人的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了行走機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過平動(dòng)氣缸與腿部氣缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，并且通過對(duì)壁面吸附可靠性的分析選擇了吸盤、吸盤支座及快擰接頭等部件，還對(duì)其它的氣動(dòng)元件進(jìn)行了選型，并且繪制了氣壓系統(tǒng)圖。最后對(duì)壁面清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用了三菱的FX系列可編程控制器進(jìn)行控制，并對(duì)可編程控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，然后分析了本設(shè)計(jì)中壁面清洗機(jī)器人的工作過程，對(duì)可編程控制器的輸入輸出端口進(jìn)行了分配，并且編寫了程序的梯形圖。
關(guān)鍵詞：壁面清洗機(jī)器人，多吸盤的框架式結(jié)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，壁面吸附可靠性，可編程控制器
ABSTRACT
Wall-cleaning robot is a very practical device.Since the sixties of this century,the climbing robot and related technology have greatly provoked word wide attention.But most of them are carried out some pilot studies,the relevant theoretical analysis is not yet mature.Used as a cleaning climbing robot,its cleaning is simple and repetitive,and to compare autonomous robots for work.Wall-cleaning robot is cleaning high-rise building wall for the purpose of mobile robot,its appearance would be extremely reduce the cost of cleaning high-rise buildings,improve the working environment of workers and increase productivity.It will also greatly promote the cleaning industry, bringing considerable social and economic benefits.Therefore,the wall-cleaning robot has a good prospect.
This article first wall-cleaning robot from the subject,purpose and meaning is described,briefly introduced the development of domestic and international situation wall-cleaning robot for wall-cleaning robot moving in several different ways and adsorption compared.Finally,using the framework of multi-suction-type structure,with simple and convenient operation.Then on the wall-cleaning robot has been designed overall program designed to walk institutions and steering mechanism,through the translation cylinder and cylinder to achieve the robot’s legs move,and by adsorption on the wall of the reliability of selected sucker,sucker bearing and quick screw joints and other components,also carried out other pneumatic components selection,and rendering the air pressure system diagram.Finally,wall-cleaning robot control system design,using a Mitsubishi FX series programmable controller to control,and the structural features of PLC and working principle of a simple introduction,and then analyzes the design the working process of wall-cleaning robot,the programmable controller input and output ports of the distribution,and has prepared a program of the ladder.
Key words:wall-cleaning robot, framework of multi-suction-type structure, walk institutions, steering mechanism, adsorption on the wall of the reliability, the programmable controller
目 錄
1緒論 1
1.1爬壁機(jī)器人 1
1.2課題的來源、目的與意義 2
1.3國(guó)內(nèi)外壁面清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 2
1.4課題主要內(nèi)容及技術(shù)參數(shù) 12
1.5本章小結(jié) 13
2壁面清洗機(jī)器人設(shè)計(jì) 14
2.1壁面清洗機(jī)器人的組成 14
2.2行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15
2.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23
2.4吸附裝置的選取 27
2.5壁面清洗機(jī)器人的框架以及吸盤安裝板的設(shè)計(jì) 31
2.6控制閥及其它氣動(dòng)元件的選取 34
2.7氣路的設(shè)計(jì) 37
2.8本章小結(jié) 38
3壁面清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 39
3.1引言 39
3.2可編程序控制器的簡(jiǎn)單介紹 39
3.3壁面清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 44
3.4本章小結(jié) 52
4結(jié)論 53
參考文獻(xiàn) 54
致謝 55
1緒論
1.1爬壁機(jī)器人
捷克的劇作家卡雷爾·凱培爾最先提出了機(jī)器人這個(gè)詞語，體現(xiàn)出了人類想要?jiǎng)?chuàng)造出一種能夠模仿人的行動(dòng)的機(jī)器，從而能代替人類去進(jìn)行不同的工作的一種長(zhǎng)久的愿望。國(guó)際ISO組織把機(jī)器人定義為一種自動(dòng)的、位置可以控制的、具有編程功能的多功能機(jī)械手，然而我國(guó)的蔣新松院士則建議把機(jī)器人定義為一種擬人功能的機(jī)械電子裝置。機(jī)器人是一種涉及到電子學(xué)、機(jī)械工程、控制理論、人工智能、仿生學(xué)、力學(xué)等多種學(xué)科相互交叉以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)等多種技術(shù)相互融合的復(fù)雜系統(tǒng)，也是一種邊緣科學(xué)。機(jī)器人技術(shù)水平的高低在某種意義上能夠體現(xiàn)出一個(gè)國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)能力與科技水平的綜合能力，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以及人類生產(chǎn)和生活需求的不斷增長(zhǎng)，機(jī)器人技術(shù)被廣泛應(yīng)用到人類生活中的方方面面，它已經(jīng)成為了高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的研究目標(biāo)，并且為社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)以及發(fā)展不但從根本上改變了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)，對(duì)人類的社會(huì)生活也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
壁面爬行機(jī)器人是從極限作業(yè)機(jī)器人中產(chǎn)生出的一個(gè)分支，它主要在壁面或者高空中移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，由于在現(xiàn)代社會(huì)中有許多作業(yè)場(chǎng)合對(duì)人的身體有比較大的傷害，甚至不適合人類親身投入其中，這種情況下壁面爬行機(jī)器人便可以代替人類去完成這些危險(xiǎn)工作，因此爬壁機(jī)器人的重要性越來越得到人類的認(rèn)可。目前國(guó)內(nèi)外的許多現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中已經(jīng)投入了相當(dāng)數(shù)量的壁面爬行機(jī)器人，其主要集中在以下幾個(gè)行業(yè)：
（1）核工業(yè)：對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺檢查、測(cè)厚以及焊縫探傷等
（2）石化工業(yè)：對(duì)圓形大罐或者球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐等
（3）建筑行業(yè)：用于噴涂巨型墻面，安裝瓷磚并且對(duì)瓷磚和玻璃壁面進(jìn)行清洗等
（4）消防部門：用于傳遞救援物資，進(jìn)行救援工作等
（5）造船行業(yè)：用于噴涂船體或輪船內(nèi)壁等
（6）電力行業(yè)：用于對(duì)電站鍋爐水冷壁管壁厚度進(jìn)行測(cè)量等
本文所設(shè)計(jì)的壁面清洗機(jī)器人屬于壁面爬行機(jī)器人在建筑行業(yè)中的運(yùn)用，主要用于對(duì)建筑物玻璃以及光滑外壁的清洗。
1.2課題的來源、目的與意義
清洗工人搭乘吊籃、升降平臺(tái)或者直接腰系繩索，進(jìn)行高空擦洗。雖然簡(jiǎn)便易行，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，稍有不慎還就會(huì)出現(xiàn)墜落事故，造成傷亡，人工作業(yè)的效率也很低。隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量和工作環(huán)境的要求越來越高，為了提高清洗效率并且把清洗工人從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來，有待開發(fā)一種自動(dòng)清洗作業(yè)系統(tǒng)。
壁面清洗機(jī)器人是一種實(shí)用性很強(qiáng)的裝置。自從本世紀(jì)六十年代以來，爬壁機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的研究受到了人們廣泛的關(guān)注，但是大都只是進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的研究，其相關(guān)的理論分析還不成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然百花齊放，但真正能用于實(shí)際工作的卻很少。作為清洗用的爬壁機(jī)器人來說，其清洗工具具有簡(jiǎn)單、重復(fù)的特點(diǎn)，比較適合機(jī)器人的自主工作，壁面清洗機(jī)器人是以清洗高層建筑為目的的壁面移動(dòng)機(jī)器人，它的出現(xiàn)將會(huì)極大地降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，壁面清洗機(jī)器人具有良好的應(yīng)用前景。
1.3國(guó)內(nèi)外壁面清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
壁面清洗機(jī)器人是一種由兩部分組成的清洗用機(jī)器人，兩個(gè)組成部分分別是可以自由移動(dòng)的本體以及本體上搭載的清洗系統(tǒng)，由于壁面清洗機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)是設(shè)計(jì)的主體，因此壁面清洗機(jī)器人與壁面移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展有著很大的關(guān)聯(lián)。
1.3.1國(guó)外壁面清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
壁面移動(dòng)機(jī)器人是能夠在垂直的壁面上進(jìn)行移動(dòng)的一種機(jī)器人，在機(jī)械上有顯著成就的日本壁面移動(dòng)機(jī)器人的研究方面尤其積極。1966年，大阪府立大學(xué)工學(xué)部的講師西亮就已經(jīng)用電風(fēng)扇的進(jìn)氣一側(cè)的低壓空氣所產(chǎn)生的負(fù)壓來產(chǎn)生吸附力，從而制造了壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)。1975年，升為宮崎大學(xué)工學(xué)部教授的西亮制作了二號(hào)樣機(jī)，該樣機(jī)為單吸盤結(jié)構(gòu)，并且使用輪子作為行走方式的爬壁機(jī)器人。1978年，化工機(jī)械技術(shù)服務(wù)株式會(huì)社制造了名為Walker的爬壁機(jī)器人，這個(gè)爬壁機(jī)器人使用單吸盤結(jié)構(gòu)，用真空泵產(chǎn)生負(fù)壓來產(chǎn)生吸附力，由兩個(gè)滾子和兩條用來行走的皮帶組成行走機(jī)構(gòu)，滾子和皮帶能夠形成真空的腔體。該爬壁機(jī)器人的轉(zhuǎn)向是由兩個(gè)滾子和皮帶的速度之間的差來完成的。該機(jī)器人由一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，當(dāng)壁面上出現(xiàn)裂縫時(shí)，它的真空便很難維持。
圖1-1 Walker機(jī)器人
關(guān)西電力株式會(huì)社制造的履帶式壁面移動(dòng)機(jī)器人利用均勻分布在履帶上及本體底部的吸盤來完成直線和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，但是越障能力較差。
圖1-2 履帶式壁面移動(dòng)機(jī)器人
日本日揮株式會(huì)社的佐藤多秀研發(fā)制造了一種利用負(fù)壓吸盤來吸附的雙吸盤結(jié)構(gòu)輪式爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人由前后兩個(gè)吸盤以及中間的本體結(jié)構(gòu)組成。吸盤與壁面由密封的氣囊來接觸，該密封氣囊在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠維持吸盤內(nèi)部的吸附壓力。在機(jī)器人的前后兩個(gè)吸盤上各自安裝有四個(gè)輪子，吸盤通過安裝在其內(nèi)部的輪子來進(jìn)行吸附。前后兩端的輪子分別由一個(gè)電機(jī)來控制，通過同一個(gè)吸盤上的兩個(gè)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速來改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。
圖1-3 輪式壁面移動(dòng)機(jī)器人
日本宮崎大學(xué)研制的推力吸附機(jī)器人借鑒了航空航天的技術(shù)，利用螺旋槳或者涵道風(fēng)扇來產(chǎn)生推力，從而讓機(jī)器人吸附在壁面上，并且吸附穩(wěn)定可靠。由于螺旋槳或涵道風(fēng)扇所產(chǎn)生的推力是指向壁面的，因此該機(jī)器人能夠非常容易地跨越障礙。
圖1-4 推力吸附機(jī)器人概念模型
日本東京消防廳所屬的消防科學(xué)研究所研究制造了一種用作急救的攀援機(jī)器人，該機(jī)器人是采用單吸盤的履帶式結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，通過履帶間的速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。東京煤氣公司與日立制作所研發(fā)了一種用來檢查工作時(shí)的球形煤氣罐的焊縫的壁面爬行機(jī)器人，該機(jī)器人采用步行式的行走機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的內(nèi)外兩個(gè)框架上各自裝了八個(gè)帶吸盤的腳，由裝在腳上的氣缸來控制腳的伸縮，兩個(gè)框架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由直流伺服閥通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，該結(jié)構(gòu)具有帶負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。日本國(guó)際機(jī)器人公司研發(fā)的名為空中勇士的壁面清洗機(jī)器人使用了腳步式的行走機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人由兩個(gè)本體組成，各自安裝有三只腳，三只腳可以進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，每只腳的端部都裝有吸盤，通過兩個(gè)本體上的腳的交互吸附來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。
英國(guó)的樸茨茅斯大學(xué)研制了名為Robug的爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人的腳借鑒了蜘蛛腳的結(jié)構(gòu)，每個(gè)腳上都裝有吸盤，通過吸盤吸附壁面從而在壁面上進(jìn)行移動(dòng)。Robug III型爬壁機(jī)器人有八只腳，在每只腳上都安裝了微處理器和吸盤。采用氣缸對(duì)腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人與其它機(jī)器人最大的不同是每條腿上都裝有控制器，通過對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控可以控制機(jī)器人往任何方向移動(dòng)。另外樸茨茅斯大學(xué)還設(shè)計(jì)了Bigfoot、Toad、The Nero Series Vehicles、Tribot等多種壁面爬行機(jī)器人，這些壁面爬行機(jī)器人都是根據(jù)使用要求的不同而被設(shè)計(jì)出來的。
圖1-5 Robug III機(jī)器人
意大利卡塔尼亞大學(xué)研發(fā)制造的Alicia系列機(jī)器人是用來對(duì)壁面進(jìn)行檢測(cè)的爬壁機(jī)器人，其中Alicia2型機(jī)器人由一個(gè)吸盤和兩個(gè)輪子所組成，吸盤的作用是對(duì)壁面進(jìn)行吸附，使用兩個(gè)直流電機(jī)來控制兩個(gè)輪子，從而能夠使轉(zhuǎn)向更加的靈活。該爬壁機(jī)器人最大的缺點(diǎn)就是越障能力較差，而Alicia3型機(jī)器人正是由于越障能力差這種缺點(diǎn)而被開發(fā)出來的，該型號(hào)機(jī)器人由三個(gè)Alicia2型機(jī)器人組成，兩兩間用一根桿來連接，要進(jìn)行越障動(dòng)作時(shí)其中兩個(gè)機(jī)器人吸附另外一個(gè)機(jī)器人抬起便能輕松地實(shí)現(xiàn)越障功能。
圖1-6 Alicia3機(jī)器人
1986年，美國(guó)國(guó)際機(jī)器人公司研發(fā)制造了名為SkyWasher的壁面爬行機(jī)器人，該機(jī)器人用來對(duì)摩天大樓進(jìn)行清洗。它由兩組L型的框架相對(duì)地進(jìn)行滑動(dòng)以及交替地吸附來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，在每組框架上都裝有三個(gè)腳掌，每個(gè)腳掌上還安裝有兩個(gè)真空吸盤，真空吸盤能夠與壁面進(jìn)行相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人還可以實(shí)現(xiàn)橫向的移動(dòng)，并且具有一定的越障能力。
圖1-7 SkyWasher機(jī)器人
1990年，美國(guó)的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Wolfe研發(fā)制造了一種以十字幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的直動(dòng)式壁面移動(dòng)機(jī)器人ANDI。該機(jī)器人采用了由龍骨和橫梁構(gòu)成的十字構(gòu)型，在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高了爬壁機(jī)器人的工作效率。機(jī)器人的橫梁沿著龍骨滑動(dòng)并且通過足部的吸盤對(duì)壁面交替進(jìn)行吸附來實(shí)現(xiàn)梁式行走，在橫梁上裝有渦流探測(cè)器，能夠起到檢測(cè)的作用，在橫梁沿著龍骨運(yùn)動(dòng)的同時(shí)能夠使探測(cè)器對(duì)壁面進(jìn)行掃描。這種機(jī)器人還裝有四個(gè)攝像頭，沿著龍骨排成一排，四個(gè)攝像頭中緊鄰探測(cè)器的攝像頭為廣角鏡頭并且處在最高的位置，能夠在監(jiān)控機(jī)器人的同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航和避開障礙等動(dòng)作。這種機(jī)器人第一次將十字構(gòu)型用到機(jī)器人結(jié)構(gòu)當(dāng)中，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)爬壁機(jī)器人的移動(dòng)和越障功能，更能夠簡(jiǎn)化控制的算法，從而提高爬壁機(jī)器人的工作效率和工作可靠性。
圖1-8 ANDI爬壁機(jī)器人
德國(guó)的Fraunhofer研究所研發(fā)制造的SIRIUSC壁面清洗機(jī)器人在工作時(shí)在機(jī)器人工作的建筑物的頂部有一個(gè)隨動(dòng)小車，這個(gè)小車除了起到安全的作用外，還能夠?qū)Ρ诿媲逑礄C(jī)器人的側(cè)向移動(dòng)進(jìn)行控制，由于該壁面清洗機(jī)器人只有上下運(yùn)動(dòng)的功能，隨動(dòng)小車則用來控制機(jī)器人的左右運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)線性模塊組成的，在每個(gè)模塊上都安裝了真空吸盤，模塊采用伺服電機(jī)進(jìn)行控制。
圖1-9 SIRIUSC壁面清洗機(jī)器人
從1990年開始，西班牙的CSIC大學(xué)的工業(yè)自動(dòng)化研究所研發(fā)制造了兩種不同的磁吸附壁面爬行機(jī)器人。一種是推進(jìn)式壁面爬行機(jī)器人，該機(jī)器人由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈所組成，運(yùn)動(dòng)鏈的末端有兩個(gè)電磁吸附元件。該機(jī)器人由三個(gè)關(guān)節(jié)組成，每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)直流電機(jī)和齒輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，最大旋轉(zhuǎn)角速度為130度/秒，運(yùn)動(dòng)鏈的長(zhǎng)度為200毫米，機(jī)器人本體重6千克。另一種是名為REST的壁面爬行機(jī)器人，該機(jī)器人有六條腿，每條腿由電機(jī)和齒輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人的控制器裝在本體上。
圖1-10 REST爬壁機(jī)器人
加拿大的University of British Columbia研發(fā)制造的名為Window Washer的爬壁機(jī)器人主要用于清洗玻璃窗，該機(jī)器人也采用了十字構(gòu)型，其水平臂和垂直臂呈十字形分布，通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，水平臂和垂直臂上都安裝有吸盤組，通過吸盤組交替進(jìn)行吸附與兩臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向和水平方向的移動(dòng)，機(jī)器人有四個(gè)圓盤刷，兩個(gè)一組分別安裝于垂直臂的兩端，機(jī)器人沿著垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)壁面或玻璃進(jìn)行清洗。該機(jī)器人的吸附方式采用了用電動(dòng)來驅(qū)動(dòng)的真空吸附式，能夠改善采用全氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人的氣動(dòng)位置的伺服精度以及驅(qū)動(dòng)力不夠的問題。
圖1-11 Window Washer機(jī)器人
1.3.2國(guó)內(nèi)壁面清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
在我們國(guó)家從七十年代的初期開始研究以及開發(fā)機(jī)器人，1975年，川崎重工業(yè)公司在北京舉辦的日本科技展覽會(huì)上展出了Unimate-2000型的搬運(yùn)機(jī)器人，從此在我國(guó)便掀起了第一個(gè)機(jī)器人的研究浪潮，許多單位都開始了對(duì)機(jī)器人的研制。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的機(jī)器人研究所研發(fā)設(shè)計(jì)了我國(guó)的第一臺(tái)爬壁式遙控檢查機(jī)器人，它主要用來對(duì)核廢料儲(chǔ)罐的安全情況進(jìn)行檢查，該機(jī)器人的特點(diǎn)為用了一種稱為“全方位輪”的新結(jié)構(gòu)輪子作為行走的機(jī)構(gòu)，這是瑞典的MECANUM公司的全新的技術(shù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)從1988年起研發(fā)制造了兩種壁面爬行機(jī)器人，1996年研發(fā)成功的多功能履帶式罐壁噴涂檢測(cè)磁吸附爬壁機(jī)器人是針對(duì)石油企業(yè)的儲(chǔ)油和儲(chǔ)水鋼罐定期噴砂除銹、噴漆防腐及涂層厚度等進(jìn)行檢測(cè)工作而研發(fā)制作的；哈爾濱工業(yè)大學(xué)所研發(fā)制造的另外一種機(jī)器人是一種單吸盤的輪式爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人為真空吸附式，并且采用了全方位的車輪結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人本體的方向位置不改變的狀況下可以沿著任意的直線方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)器人本體重量為20千克，能夠負(fù)載15千克，移動(dòng)速度為0-2米/分鐘，控制系統(tǒng)采用了微機(jī)控制與遙控。
圖1-12 多功能履帶式罐壁噴涂檢測(cè)磁吸附爬壁機(jī)器人
圖1-13 單吸盤輪式驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器人
北京航空航天大學(xué)從1996年開始先后研發(fā)制造了WHSHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、靈巧型擦窗機(jī)器人、吊籃式擦窗機(jī)器人以及藍(lán)天潔寶等等一系列的清洗機(jī)器人，前三種壁面清洗機(jī)器人都是全氣動(dòng)式的自主步行移動(dòng)清洗機(jī)器人，采用了十字框架結(jié)構(gòu)，機(jī)器人上所有的部件都是由氣缸來驅(qū)動(dòng)的，十字框架結(jié)構(gòu)由兩個(gè)無桿氣缸組成，這樣的壁面清洗機(jī)器人有著結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。機(jī)器人在可以伸縮的腿部上裝有真空吸盤，能夠通過腿部交替的吸附以及氣缸的運(yùn)動(dòng)在玻璃幕墻或壁面上進(jìn)行橫向或者縱向的運(yùn)動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)越障功能。CLEANBOT和SKYCLEANER這兩種清洗機(jī)器人在兩個(gè)主要?dú)飧字g設(shè)置了腰關(guān)節(jié)，在機(jī)器人發(fā)生偏斜的時(shí)候能夠通過糾偏運(yùn)動(dòng)讓機(jī)器人回到正常運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，SKYCLEANER機(jī)器人的腿部與吸盤采用了微動(dòng)鉸鏈連接，可以克服玻璃面上的二度折角變化。靈巧型擦窗機(jī)器人重量只有20kg，尺寸為0.4m×0.8m×0.2m（寬×長(zhǎng)×高）。吊籃式擦窗機(jī)器人通過模擬人類的手擦窗的動(dòng)作來進(jìn)行清洗作業(yè)，藍(lán)天潔寶是一種被動(dòng)式的清洗機(jī)器人，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高等特點(diǎn)。
圖1-14 WHSHMAN機(jī)器人
圖1-15 CLEANBOT機(jī)器人
圖1-16 SKYCLEANER機(jī)器人
北京清華大學(xué)的機(jī)器人與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室研發(fā)制作出名為TH-ClimberI的大型油罐的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以磁吸附式壁面爬行機(jī)器人作為載體的，在磁吸附式壁面爬行機(jī)器人的左右兩邊各自裝了兩個(gè)帶輪，兩個(gè)帶輪以前后分布，分別與安裝了永磁塊的履帶進(jìn)行嚙合，從而組成了機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種機(jī)器人采用了以兩個(gè)后輪為主驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)方式，由一臺(tái)直流伺服電機(jī)通過諧波減速器來帶動(dòng)后輪。在磁吸附式壁面爬行機(jī)器人的面對(duì)壁面的一邊安裝了渦流檢測(cè)組件，這種組件通過直流電機(jī)與同步帶機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)渦流探頭在垂直于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線的方向上來回地進(jìn)行移動(dòng)，通過繼電器及行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。這種機(jī)器人能夠自動(dòng)糾正運(yùn)動(dòng)路線上的偏差并且識(shí)別出機(jī)器人當(dāng)前所在的位置，是一種擁有一定智能的爬壁機(jī)器人。
上海大學(xué)的特種機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究室研發(fā)制造了多真空吸盤的多層框架式壁面爬行機(jī)器人，這種機(jī)器人擁有三層框架，上下兩個(gè)框架都能夠與中間框架進(jìn)行相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)，中間框架則可以帶動(dòng)上框架一起與下框架作相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在上下兩個(gè)框架上分別安裝了四個(gè)真空吸盤，可以通過上下框架的吸盤的交替吸附實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面上的移動(dòng)，該機(jī)器人的最大移動(dòng)速度為7m/min，機(jī)器人本體重量為50kg，負(fù)載能力為55kg，能夠越過高為60mm的高度，控制系統(tǒng)采用了無線射頻的遙控操作。
浙江工業(yè)大學(xué)的機(jī)電學(xué)院正在自行研發(fā)一種以氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器為基礎(chǔ)的小型多吸盤式壁面爬行機(jī)器人，這種壁面爬行機(jī)器人采用真空吸附，可以實(shí)現(xiàn)在平地或壁面上進(jìn)行直線或彎曲的爬行。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、吸附裝置以及提升裝置構(gòu)成。吸附裝置包括五個(gè)吸盤以及相同數(shù)量的真空發(fā)生器，運(yùn)動(dòng)時(shí)保持三個(gè)以上的吸盤同時(shí)進(jìn)行吸附。
香港城市大學(xué)研制了一種十字架構(gòu)的全氣動(dòng)式爬壁機(jī)器人，這種壁面爬行機(jī)器人由壁面爬行機(jī)器人本體、供應(yīng)小車、空壓機(jī)以及控制器組成，本體長(zhǎng)度為1220mm，寬為1340mm，高度為370mm，機(jī)器人本體重量為30kg。該機(jī)器人的本體由兩個(gè)垂直正交的氣缸所組成，通過兩個(gè)垂直正交的氣缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在各個(gè)方向上的移動(dòng)，這種機(jī)器人還有一個(gè)由擺動(dòng)氣缸所組成的腰關(guān)節(jié)，用來校正方向上的誤差。在機(jī)器人的水平和垂直氣缸的端部安裝有4個(gè)垂直于壁面的氣缸作為機(jī)器人的腿部，通過機(jī)器人的4條退的伸縮來完成機(jī)器人的越障動(dòng)作。機(jī)器人的清洗裝置安裝在水平氣缸的兩側(cè)，清洗裝置能夠通過水平氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)左右方向的清洗工作。機(jī)器人的每條腿上都安裝有4個(gè)吸盤，機(jī)器人通過這些吸盤對(duì)壁面進(jìn)行吸附，從而保證機(jī)器人不會(huì)滑落。機(jī)器人可以通過由一個(gè)CCD攝像機(jī)和兩個(gè)激光二極管所組成的視覺系統(tǒng)來測(cè)量其本體與窗戶的相對(duì)位置，視覺系統(tǒng)還具有識(shí)別工作表面的衛(wèi)生情況以及確定要清洗的位置的功能。這種機(jī)器人由于采用了十字架構(gòu)以及真空吸附，并且采用氣壓來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活性好，但是存在著清洗的盲區(qū)，以及整體的剛性比較差等缺點(diǎn)。
圖1-17 十字型架構(gòu)的全氣動(dòng)式爬壁機(jī)器人
1.4課題主要內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)
課題主要內(nèi)容：
（1）完成壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算，真空吸附、氣壓驅(qū)動(dòng)的框架式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，清洗作業(yè)裝置的設(shè)計(jì)；
（2）氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
（3）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
壁面清洗機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)列表：
（1）爬行速度：4-10m/min
（2）爬行高度：0-100m
（3）清洗速率：100-150mz/h
（4）越障高度：50mm
（5）控制方式：PLC控制
（6）本體重量：20kg
（7）負(fù)載能力：15kg
（8）移動(dòng)方式：腳步移動(dòng)式
1.5本章小結(jié)
本章對(duì)課題的來源、目的與意義進(jìn)行了介紹，對(duì)國(guó)內(nèi)外壁面清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并且列出了本課題的主要內(nèi)容和技術(shù)參數(shù)。
2壁面清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)
2.1壁面清洗機(jī)器人的組成
一個(gè)完整的壁面清洗機(jī)器人應(yīng)該包含有本體以及控制兩個(gè)部分，其中本體結(jié)構(gòu)又包括移動(dòng)部分、吸附部分和清洗裝置。移動(dòng)部分包括了壁面清洗機(jī)器人的行走與轉(zhuǎn)向，通過氣缸來控制機(jī)器人的行走，步進(jìn)電機(jī)與蝸輪蝸桿則控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向；吸附部分由機(jī)器人腿部的吸盤組成，通過吸盤組來保證壁面清洗機(jī)器人在壁面上吸附的可靠性；清洗裝置包括了三相電機(jī)與圓盤刷，通過電機(jī)帶動(dòng)圓盤刷轉(zhuǎn)動(dòng)來起到清洗的目的?？刂撇糠謩t采用了可編程控制器，也就是PLC來對(duì)整個(gè)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行控制，以便達(dá)到控制簡(jiǎn)單可靠的目的。
壁面爬行機(jī)器人的主要功能分為移動(dòng)及吸附功能，由于存在多種不同的移動(dòng)方式與吸附方式，因此要對(duì)這些移動(dòng)和吸附方式進(jìn)行分析比較，從而選擇出最適合本課題的結(jié)構(gòu)。
表2-1 壁面移動(dòng)機(jī)器人的各種移動(dòng)方式比較
移動(dòng)方式
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
車輪式
移動(dòng)速度快，行走控制簡(jiǎn)單
著地面積小，維持吸附力較困難
履帶式
對(duì)壁面適應(yīng)能力強(qiáng)，著地面積大
體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎比較困難，重量較大
腳步式
對(duì)壁面適應(yīng)能力、越障能力和帶載能力均較強(qiáng)
移動(dòng)速度慢，動(dòng)作有間歇性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大
框架式
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性較好，控制方便，越障能力和帶載能力均較強(qiáng)
移動(dòng)速度慢，有間歇性
表2-2 壁面移動(dòng)機(jī)器人的各種吸附方式比較
吸附方式
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
單吸盤真空吸附式
容易實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制
要求壁面有一定的平滑度，越障能力低，不適應(yīng)復(fù)雜壁面環(huán)境，遇到裂縫或凹凸面負(fù)壓難維持
多吸盤真空吸附式
吸盤尺寸小，密封性較好，吸附穩(wěn)定可靠，越障能力和帶載能力較強(qiáng)
吸盤的增多會(huì)帶來結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，控制的難度也增加
續(xù)表2-2
吸附方式
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
永磁體磁吸附式
能產(chǎn)生較大的吸附力，不受壁面凹凸或裂縫的限制，不消耗電能，不受斷電的影響
只能在導(dǎo)磁壁面上爬行，步行時(shí)磁體與壁面脫離需要較大的力
電磁體磁吸附式
能產(chǎn)生較大的吸附力，不受壁面凹凸或裂縫的影響，控制比較方便
只能在導(dǎo)磁壁面上爬行，維持吸附力需要耗能，電磁體本身重量很大
推力吸附式
無泄漏問題，對(duì)壁面形狀、材料適應(yīng)能力強(qiáng)
負(fù)載小，難以控制，噪音很大，體積大效率低
參照上表中對(duì)壁面清洗機(jī)器人的幾種移動(dòng)方式與吸附方式的分析比較，這里采用了多吸盤框架式結(jié)構(gòu)的壁面清洗機(jī)器人。框架式結(jié)構(gòu)比起其它幾種結(jié)構(gòu)有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性較好、控制方便、越障能力與帶載能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于磁吸附式對(duì)壁面的材料有特殊要求，而推力吸附式又有著負(fù)載小、難控制、體積大等缺點(diǎn)，又因?yàn)槎辔P有著尺寸小、密封性好、吸附穩(wěn)定可靠、越障能力和帶載能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此這里采用了真空吸附式的多吸盤結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)吸附功能。
2.2行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要由1個(gè)平動(dòng)氣缸與6個(gè)腿部氣缸來共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走功能，機(jī)器人由兩個(gè)外形相似的框架組成，每個(gè)框架上安裝有三個(gè)提升氣缸，每個(gè)提升氣缸上則安裝有一組吸盤組，兩個(gè)框架中間還有一塊中間旋轉(zhuǎn)板，中間旋轉(zhuǎn)板上裝有一個(gè)平動(dòng)氣缸與兩個(gè)導(dǎo)軌。當(dāng)機(jī)器人要開始移動(dòng)時(shí)，上框架的提升氣缸的吸盤脫離吸附，提升氣缸縮回，然后中間旋轉(zhuǎn)板上的平動(dòng)氣缸伸出，帶動(dòng)上框架沿著導(dǎo)軌的方向移動(dòng)，氣缸完全伸出后，上框架的提升氣缸伸出，氣缸上的吸盤吸附住壁面，然后下框架的提升氣缸上的吸盤脫離吸附，提升氣缸縮回，中間旋轉(zhuǎn)板上的平動(dòng)氣缸縮回，帶動(dòng)下框架移動(dòng)，平動(dòng)氣缸完全縮回，下框架的提升氣缸伸出，氣缸上的吸盤吸附住壁面，這樣就完成了一次行走過程。
圖2-1 壁面清洗機(jī)器人的平動(dòng)示意圖
2.2.1平動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì)與校核
平動(dòng)氣缸主要用來實(shí)現(xiàn)壁面清洗機(jī)器人的前后移動(dòng)，它安裝在上下框架間的中間旋轉(zhuǎn)板上，由于機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)時(shí)氣缸的活塞桿會(huì)承受比較大的徑向力，因此在平動(dòng)氣缸的兩邊分別安裝有一個(gè)與氣缸的活塞桿平行的導(dǎo)軌。
圖2-2 平動(dòng)氣缸與導(dǎo)軌的位置關(guān)系圖
（1）平動(dòng)氣缸的受力分析
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)平動(dòng)氣缸有三種受力狀態(tài)，分別是垂直向上爬行時(shí)，垂直向下爬行時(shí)與水平爬行時(shí)。
1）垂直向上爬行時(shí)：
當(dāng)機(jī)器人垂直向上爬行時(shí)，平動(dòng)氣缸有兩種受力情況，一種是下框架吸附時(shí)氣缸帶動(dòng)上框架向上伸出，這時(shí)平動(dòng)氣缸受到軸向的壓力F。
圖2-3 垂直上爬下框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖
圖2-3中F為平動(dòng)氣缸受到的軸向壓力。
（2-1）
垂直向上爬時(shí)的另外一種受力情況是上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸帶動(dòng)下框架向上運(yùn)動(dòng)，這時(shí)氣缸的活塞桿承受拉力F。
圖2-4 垂直上爬上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖
圖2-4中F為平動(dòng)氣缸的活塞桿所承受的拉力。
（2-2）
2）垂直向下爬行時(shí)：
壁面清洗機(jī)器人在垂直向下爬行時(shí)，平動(dòng)氣缸也有兩種不同的受力情況。一種是下框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸帶動(dòng)上框架向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)平動(dòng)氣缸的活塞桿受到拉力F。
圖2-5 垂直下爬下框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖
圖2-5中F為平動(dòng)氣缸的活塞桿受到的拉力。
垂直向下爬行時(shí)的另外一種受力情況是上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸帶動(dòng)下框架向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)氣缸的活塞桿受到壓力F。
圖2-6 垂直下爬上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖
圖2-6中F為平動(dòng)氣缸的活塞桿受到的壓力。
3）水平運(yùn)動(dòng)時(shí)：
壁面清洗機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸也處于水平狀態(tài)，這時(shí)氣缸的伸縮只要克服徑向的摩擦力，由于導(dǎo)軌和氣缸的活塞桿都是光滑的，可以認(rèn)為氣缸的活塞桿不受拉力和壓力，由徑向力產(chǎn)生的彎矩由兩邊的導(dǎo)軌來承受，這樣可以起到保護(hù)氣缸的作用。
（2）平動(dòng)氣缸的選型
根據(jù)以上所作的受力分析來看，平動(dòng)氣缸承受的最大拉力與最大壓力都為245N，因此選用雙作用單活塞桿氣缸，氣缸需要滿足以下式子：
（2-3）
式子中的D為活塞的直徑，d為活塞桿的直徑，F(xiàn)為氣缸承受的最大壓力，P為工作壓力，這里取為6bar。
經(jīng)過選型這里選擇德國(guó)Festo公司的DNG-40-250-PPV-A型氣缸作為平動(dòng)氣缸，型號(hào)中的40表示活塞直徑為40mm，250則表示行程為250mm。氣缸的兩端有可調(diào)緩沖器，該氣缸在6bar工作壓力下的理論推力為753N，理論返回力為633N，比計(jì)算所得的最大壓力和最大拉力都大。氣缸重量為1790g，氣接口為G1/4，活塞桿上的螺紋為M12×1.25。
（3）平動(dòng)氣缸的校核
平動(dòng)氣缸在壁面清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中有兩種受力狀態(tài)：受軸向的拉、壓力和受到徑向的彎矩。軸向的拉、壓力大約是機(jī)器人重量的一半，氣缸的活塞桿完全可以承受，因此需要校核平動(dòng)氣缸所受到的徑向彎矩。機(jī)器人在水平移動(dòng)時(shí)平動(dòng)氣缸的活塞桿受到徑向力，為了提高抗彎強(qiáng)度，在平動(dòng)氣缸的兩邊分別設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌和滑塊，用來分擔(dān)平動(dòng)氣缸承受到的大部分彎矩。
圖2-7 平動(dòng)氣缸彎矩校核計(jì)算圖
如上圖所示，（a）圖為平動(dòng)氣缸縮回時(shí)的受力圖，（b）圖為平動(dòng)氣缸伸出時(shí)的受力圖，從圖中可以看出平動(dòng)氣缸沒有受到扭矩的作用，因此只需要對(duì)彎矩進(jìn)行校核。
首先對(duì)（a）圖的狀態(tài)列出力和力矩方程，以作用力N的作用線上的某一點(diǎn)為基準(zhǔn)，可得：
（2-4）
（2-5）
由式（2-5）可得：
然后對(duì)（b）圖的狀態(tài)列出力和力矩方程，以O(shè)點(diǎn)位基準(zhǔn)，可得：
（2-6）
由式（2-4）可得：
代入式（2-6）可得：
（2-7）
機(jī)器人總重為35kg，G為機(jī)器人重量的一半左右，因此G可以取18N，F(xiàn)=
0.18×18=32.4N，即平動(dòng)氣缸的活塞桿所受的最大力為32.4N，由選定氣缸的行程為250mm可在圖2-8中查得所能承受的最大側(cè)向力為45N，因此該氣缸滿足抗彎條件，可以使用。
圖2-8 Festo氣缸側(cè)向力與行程關(guān)系圖
2.2.2腿部氣缸的設(shè)計(jì)與校核
（1）腿部氣缸的受力分析
本課題設(shè)計(jì)的壁面清洗機(jī)器人在上下框架上分別裝有三個(gè)提升氣缸，移動(dòng)時(shí)主要作伸出時(shí)吸附于壁面以及縮回時(shí)脫離吸附這兩個(gè)動(dòng)作，伸出和縮回時(shí)基本不承受任何的軸向力，但是承受一定的徑向力。氣缸伸出時(shí)徑向力較大，等于機(jī)器人的總重，從參數(shù)列表中得出機(jī)器人總重為35kg，這個(gè)重量由機(jī)器人的提升氣缸承受；縮回時(shí)的徑向力由吸盤、吸盤支座及吸盤安裝板所產(chǎn)生，由于這些部件的重量很輕，因此徑向力較小。
（2）腿部氣缸的選型
腿部氣缸基本上不承受軸向的力，因此從行程和盡量輕的原則上來選型。本課題的腿部氣缸選擇了德國(guó)Festo公司的DNC-40-50-PPV-A型氣缸，型號(hào)中的40代表活塞的直徑為40mm，50代表氣缸的行程為50mm，氣缸兩端有可調(diào)緩沖器，氣缸重量為1025g，氣接口為G1/4，活塞桿的螺紋為M12×1.25，通過該螺紋實(shí)現(xiàn)氣缸與吸盤安裝板的連接。
圖2-9 腿部氣缸、吸盤與吸盤安裝板的安裝示意圖
（3）腿部氣缸的校核
通過上面的受力分析可以知道，腿部氣缸在伸出時(shí)承受機(jī)器人的總重，這時(shí)腿部氣缸主要承受彎矩，而在縮回時(shí)則主要承受吸盤、吸盤支座和吸盤安裝板等部件的重力所產(chǎn)生的彎矩和扭矩，要分別對(duì)彎矩和扭矩進(jìn)行校核。
1）彎矩校核：
分析腿部氣缸伸出和縮回時(shí)的彎矩大小可以得知?dú)飧咨斐鰰r(shí)受到的彎矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縮回時(shí)受到的彎矩，因此這里針對(duì)氣缸伸出時(shí)的彎矩進(jìn)行校核。根據(jù)所選氣缸的型號(hào)可以得知腿部氣缸的行程為50mm，查圖2-8得氣缸可以承受的最大側(cè)向力為140N，當(dāng)三個(gè)氣缸同時(shí)作用時(shí)能承受的最大側(cè)向力則為140×3=420N。壁面清洗機(jī)器人的總重為35kg，完全可以滿足彎矩條件。
2）扭矩校核：
由于氣缸只在活塞桿縮回時(shí)才可能受到扭矩的作用，若受到扭矩的作用，該扭矩由吸盤、吸盤支架與吸盤安裝板產(chǎn)生?；钊麠U伸出時(shí)，至少有三個(gè)氣缸呈正三角形分布吸附，因此氣缸沒有受到扭矩的作用，這里要校核扭矩只需要對(duì)氣缸活塞桿伸出時(shí)的情況進(jìn)行分析。
圖2-10 腿部氣缸力臂圖
如圖2-10所示，MN為一條鉛垂線，圖中的三個(gè)圓代表了三個(gè)吸盤，它們呈正三角形分布，O點(diǎn)代表氣缸的軸心，A、B、C三點(diǎn)代表把吸盤假象為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置，α角為吸盤組順時(shí)針轉(zhuǎn)過的角度，r1、r2、r3為三個(gè)吸盤的力臂，假設(shè)每個(gè)吸盤以及吸盤支架的重量為G，正三角形ABC的邊長(zhǎng)為a。則可得：
（2-8）
（2-9）
（2-10）
由式（2-8）、（2-9）、（2-10）可得：
（2-11）
由上式可以看出中心點(diǎn)O受到的扭矩為0，因此氣缸的活塞桿所受的扭矩為0，所選氣缸可以使用。
2.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
本課題設(shè)計(jì)的壁面清洗機(jī)器人擁有轉(zhuǎn)向的功能，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一對(duì)蝸輪蝸桿的減速機(jī)構(gòu)組成。一開始機(jī)器人的六個(gè)腿部氣缸都處于吸附狀態(tài)，當(dāng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上框架脫離吸附，氣缸縮回，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪再帶動(dòng)中間旋轉(zhuǎn)板和上框架一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)完畢后上框架的氣缸伸出吸附，這樣安裝在中間旋轉(zhuǎn)板上的平動(dòng)氣缸與導(dǎo)軌也轉(zhuǎn)動(dòng)了相同的角度，機(jī)器人便完成了一次轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2-11 步進(jìn)電機(jī)與蝸輪蝸桿安裝示意圖
2.3.1步進(jìn)電機(jī)的選型
本設(shè)計(jì)中的壁面清洗機(jī)器人是一個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)軸的中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人在壁面進(jìn)行工作時(shí)受到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩很?。ㄖ挥心Σ廉a(chǎn)生的力矩），基本上可以忽略不計(jì)，在步進(jìn)電機(jī)的選型上本設(shè)計(jì)選用了南京華興電機(jī)制造有限公司所生產(chǎn)的57BYG3504型三相混合式步進(jìn)電機(jī)，主要參數(shù)如下表：
表2-3 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)列表
型號(hào)
步距角
相數(shù)
驅(qū)動(dòng)電壓（V）
相電流（A）
保持轉(zhuǎn)矩（N·m）
空載起動(dòng)頻率（步/秒）
空載運(yùn)行頻率（千步/秒）
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg·cm2）
相電感（mH）
重量（Kg）
57BYG3504
0.6°
3
36
3
1.1
1600
≥20
0.46
-
1.1
2.3.2蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)與校核
壁面清洗機(jī)器人的動(dòng)力源為三相混合式步進(jìn)電機(jī)，其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，蝸輪通過蝸輪軸與中間旋轉(zhuǎn)板固接。
（1）蝸桿的選型
GB/T10085-1988推薦采用漸開線蝸桿（ZI蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便的漸開線型圓柱蝸桿（ZI蝸桿）。
（2）蝸桿副的材料
壁面清洗機(jī)器人中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為45～55HRC，以提高表面耐磨性；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZcuSn10P1，采用金屬模鑄造。
（3）蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
取中心距a=50mm，傳動(dòng)比i=82，模數(shù)m=1mm。
蝸桿的參數(shù)與尺寸：
頭數(shù)，模數(shù)m=1mm，軸向齒距為：
（2-12）
軸向齒厚為：
（2-13）
分度圓直徑，直徑系數(shù)為：
（2-14）
分度圓導(dǎo)程角為：
（2-15）
取齒頂高系數(shù)，徑向間隙系數(shù)，則齒頂圓直徑為：
（2-16）
齒根圓直徑為：
（2-17）
蝸輪的參數(shù)與尺寸：
齒數(shù)，模數(shù)m=1mm，分度圓直徑為：
（2-18）
變位系數(shù)為：
（2-19）
蝸輪喉圓直徑為：
（2-20）
蝸輪齒根圓直徑為：
（2-21）
蝸輪咽喉母圓半徑為：
（2-22）
（4）校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
由蝸桿頭數(shù)，傳動(dòng)比i=82，可以算出蝸輪齒數(shù)。
則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)為：
（2-23）
根據(jù)蝸輪變位系數(shù)和當(dāng)量齒數(shù)，查得齒形系數(shù)
，螺旋角影響系數(shù)為：
（2-24）
根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，查得蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力為：
蝸輪的壽命系數(shù)為：
（2-25）
蝸輪的許用彎曲應(yīng)力為：
（2-26）
蝸輪的齒根彎曲應(yīng)力為：
（2-27）
可見，，蝸輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。
2.4吸附裝置的選取
2.4.1吸附可靠性分析
壁面清洗機(jī)器人要可靠穩(wěn)定地吸附在壁面上需要克服兩個(gè)力：重力和傾覆力矩?？朔亓Φ淖饔檬且贡诿媲逑礄C(jī)器人在重力的作用下不會(huì)滑落，克服傾覆力矩的作用是使壁面清洗機(jī)器人不會(huì)再傾覆力矩的作用下脫離吸附。綜合分析本設(shè)計(jì)中的壁面清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可以得出，上框架的氣缸縮回、下框架的氣缸吸附并且一個(gè)腿部氣缸在上、兩個(gè)腿部氣缸在下處于同一水平線上時(shí)最容易跌落，因此對(duì)這種狀態(tài)下的機(jī)器人的受力情況進(jìn)行分析。
圖2-12 壁面清洗機(jī)器人的受力分析圖
上圖中F為吸盤組的真空吸附力，N為壁面對(duì)吸盤組的法向推力，G為壁面清洗機(jī)器人的總重力，f為吸盤組受到的摩擦力，為上面一組吸盤的幾何中心與后面兩組吸盤的幾何中心的連線的垂直距離，為壁面清洗機(jī)器人以及負(fù)載的等效中心與壁面的距離。壁面清洗機(jī)器人能夠可靠吸附壁面的條件是重力要比最大靜摩擦力小，根據(jù)摩擦力的特性，在一般的工作情況下，最大靜摩擦力比滑動(dòng)摩擦力大，為了防止壁面清洗機(jī)器人從壁面上滑落，必須要滿足以下式子：
（2-28）
上式中f為下框架所有吸盤組的總滑動(dòng)摩擦力，為吸盤對(duì)于壁面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。分析垂直于壁面方向與平行于壁面方向的受力情況，可以列出以下兩個(gè)力的平衡方程：
（2-29）
（2-30）
上面一組吸盤的幾何中心到下面兩組吸盤的幾何中心的連線的距離為
（2-31）
上式中r為三個(gè)吸盤組所在的圓的半徑?？紤]到真空吸附力、壁面對(duì)吸盤的法向推力和重力可以列出以下力矩方程：
（2-32）
為了使計(jì)算更加簡(jiǎn)單，這里假設(shè)每個(gè)吸盤組的真空度是相同的，這樣每個(gè)吸盤組受到的真空吸附力也是相同的，壁面對(duì)下面兩組吸盤的法向推力也是相同的，這樣可以得出，，代入式（2-32）可得：
（2-33）
把式（2-33）代入式（2-29）得：
（2-34）
吸盤要克服傾覆力矩保持不脫落要滿足的條件。
結(jié)合上述式子可以得出：
（2-35）
（2-36）
（2-37）
上面三個(gè)式子為壁面清洗機(jī)器人在壁面上工作的可靠吸附條件，式（2-35）、（2-36）為壁面清洗機(jī)器人不會(huì)傾覆的條件，式（2-37）為壁面清洗機(jī)器人在重力的作用下不會(huì)下滑的條件。
2.4.2吸附裝置的選取
（1）吸盤等吸附裝置的選取
本設(shè)計(jì)中壁面清洗機(jī)器人的所有氣動(dòng)元件都是德國(guó)Festo公司的產(chǎn)品，吸盤與建筑壁面的摩擦系數(shù)也是根據(jù)Festo公司所提供的數(shù)據(jù)選取。本設(shè)計(jì)中選擇的吸盤材料為丁腈橡膠，考慮到壁面清洗機(jī)器人的工作表面為瓷磚或玻璃，相比瓷磚玻璃的摩擦系數(shù)更小，因此出于安全考慮這里采用玻璃的摩擦系數(shù)，其值為0.5，由于清洗時(shí)玻璃表面會(huì)變得濕潤(rùn)，因此摩擦系數(shù)將會(huì)降低10%～40%，為了使機(jī)器人的吸附更加安全可靠，這里取摩擦系數(shù)會(huì)降低的最大值40%，可求得摩擦系數(shù)為：
（2-38）
從所給的壁面清洗機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)可以得知機(jī)器人的本體重量為20kg，負(fù)載能力為15kg，因此總重G=35kg。從繪制的裝配圖中可以量得三個(gè)吸盤組所在的圓的半徑為r=572mm，上面一組吸盤的幾何中心與后面兩組吸盤的幾何中心的連線的垂直距離，將這些參數(shù)代入式（2-35）可得F=448N，代入式（2-36）可得，代入式（2-37）可得F=1166.7N。式（2-36）是一個(gè)驗(yàn)證條件，在選取吸盤的計(jì)算中可以不考慮，但是在選取吸盤后要用這個(gè)式子來驗(yàn)證。從三個(gè)式子的計(jì)算結(jié)果可以得出對(duì)于壁面清洗機(jī)器人的吸附可靠性影響最大的是式（2-37），即機(jī)器人在重力作用下的下滑力，因此選取吸盤時(shí)以式（2-37）為依據(jù)。從式（2-37）可以看出所有處于吸附狀態(tài)的吸盤要保證機(jī)器人在重力的作用下不下滑所要產(chǎn)生的真空吸附力為1166.7N，這個(gè)真空吸附力由三個(gè)吸盤組共9個(gè)吸盤來分擔(dān)，每個(gè)吸盤要分擔(dān)129.6N的力。由下式可以選取吸盤的直徑：
（2-39）
上式中F為單個(gè)吸盤的吸附能力，p為吸盤的真空度，根據(jù)實(shí)際情況取-0.08MP，為吸盤的實(shí)際面積，為吸盤的有效面積，一般取吸盤實(shí)際面積的80%，α為安全系數(shù)，選取為2。由這些參數(shù)可以得到吸盤的實(shí)際直徑為：
（2-40）
從計(jì)算結(jié)果可以選擇吸盤的直徑為80mm，從Festo公司給的吸盤參數(shù)可以看出直徑80mm的吸盤在-0.07MP下的脫離力為309.7N，結(jié)合式子（2-36）可以得出：只要有四個(gè)吸盤同時(shí)吸附并且最上面的吸盤組至少有一個(gè)吸盤吸附時(shí)壁面清洗機(jī)器人就不會(huì)從壁面脫離從而導(dǎo)致滑落或傾覆。
本設(shè)計(jì)中選取了Festo公司的ESS-80-SN型的真空吸盤及ESH-HA-5-G型的支座，吸盤型號(hào)中的ESH代表該型號(hào)的整套吸盤，80代表吸盤的直徑為80mm，SN代表材料為丁腈橡膠的普通圓形吸盤，另外為了氣管便于安裝，為每一個(gè)吸盤配了一個(gè)快擰接頭，安裝在吸盤支座的上面，快擰接頭的型號(hào)為QSR-G1/8-6,這種快擰接頭的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、便于安裝、氣管固定牢靠、即便在腿部氣缸的伸縮所產(chǎn)生的較大的張力之下也可以正常地工作。
圖2-13 吸盤、吸盤支座與快擰接頭的結(jié)構(gòu)圖
（2）吸盤的布局
根據(jù)計(jì)算可得每組吸盤由三個(gè)單獨(dú)的吸盤組成，吸盤組的排列一般有兩種形式：正三角形與直線形。無論采用哪種排列方式，根據(jù)力的合成原理總可以把三個(gè)吸盤的吸附力合成為一個(gè)作用在幾何中心的、方向與三個(gè)吸盤各自的吸附力方向相同的、力的大小等于三個(gè)吸盤的力的大小總和的合成力，并且不附加任何的力矩，因此采取任何一種排列方式都對(duì)壁面清洗機(jī)器人整體的抵抗傾覆的能力沒有大的影響，但是考慮到吸盤組排列的緊湊性與吸附的穩(wěn)定性，這里就采用了三角形的排列形式。
圖2-14 吸盤的兩種排列形式
2.5壁面清洗機(jī)器人的框架以及吸盤安裝板的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中壁面清洗機(jī)器人的框架及吸盤的安裝板等都是由自己設(shè)計(jì)的，為了減輕機(jī)器人的重量以及滿足強(qiáng)度的要求，材料都選用鋁合金，鋁合金的密度為，比鋼鐵的密度要小得多，強(qiáng)度也滿足需要。
2.5.1下框架的設(shè)計(jì)
下框架上安裝有3個(gè)腿部氣缸，蝸輪蝸桿被安裝在下框架的下部，蝸輪軸通過下框架中心的孔與中間旋轉(zhuǎn)板固接，在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)下框架負(fù)責(zé)吸附壁面，以保持機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定。下框架采用鋁合金材料，板的厚度為5mm，設(shè)計(jì)時(shí)要滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單質(zhì)量輕的條件，還要滿足強(qiáng)度的要求，整塊板采用了鑄造工藝，成型后再進(jìn)行切削加工。
圖2-15 下框架的結(jié)構(gòu)圖
2.5.2上框架的設(shè)計(jì)
上框架的結(jié)構(gòu)與下框架相似，由于上框架與下框架有一定的垂直距離，為了保持腿部氣缸在同一個(gè)平面上工作，在上框架上設(shè)計(jì)了一個(gè)凸出的平臺(tái)，腿部氣缸安裝在平臺(tái)上，這樣就可以使上下框架上安裝的腿部氣缸沒有垂直距離差。上框架通過雙耳環(huán)與安裝在中間旋轉(zhuǎn)板上的平動(dòng)氣缸連接，另外在上框架上安裝有兩個(gè)滑塊，與中間旋轉(zhuǎn)板上的導(dǎo)軌配合，通過平動(dòng)氣缸的伸出帶動(dòng)上框架向前運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)，轉(zhuǎn)向時(shí)蝸輪通過與中間旋轉(zhuǎn)板固接的軸帶動(dòng)中間旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)，中間旋轉(zhuǎn)板則通過平動(dòng)氣缸與導(dǎo)軌來帶動(dòng)上框架一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2-16 上框架的結(jié)構(gòu)圖
2.5.3中間旋轉(zhuǎn)板的設(shè)計(jì)
在上下兩框架的中間設(shè)計(jì)了一塊中間旋轉(zhuǎn)板，中間旋轉(zhuǎn)板通過一根垂直的軸與下框架連接，當(dāng)蝸輪蝸桿工作時(shí)可以相對(duì)下框架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)