畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
課題名稱
玻璃清潔機(jī)器人設(shè)計
院系名稱
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級
學(xué)生姓名
一． 課題的意義
清洗工人搭乘吊籃、升降平臺或者直接腰系繩索，進(jìn)行高空擦洗。雖然簡便易行，但勞動強(qiáng)度大，工作效率低，稍有不慎還就會出現(xiàn)墜落事故，造成傷亡，人工作業(yè)的效率也很低。隨著人類社會的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人們對生活質(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)一種自動清洗作業(yè)系統(tǒng)。
玻璃清潔機(jī)器人是一種實用性很強(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)行了一些實驗性質(zhì)的研究，其相關(guān)的理論分析還不成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然百花齊放，但真正能用于實際工作的卻很少。作為清洗用的爬壁機(jī)器人來說，其清洗工具具有簡單、重復(fù)的特點，比較適合機(jī)器人的自主工作，玻璃清潔機(jī)器人是以清洗高層建筑為目的的壁面移動機(jī)器人，它的出現(xiàn)將會極大地降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，同時提高生產(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)慕?jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，玻璃清潔機(jī)器人具有良好的應(yīng)用前景。
二．本課題的主要研究內(nèi)容
課題主要內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)
課題主要內(nèi)容：
（1）完成壁面移動機(jī)構(gòu)設(shè)計和相關(guān)計算，真空吸附、氣壓驅(qū)動的框架式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，清洗作業(yè)裝置的設(shè)計；
（2）氣動系統(tǒng)的設(shè)計；
玻璃清潔機(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）移動方式：腳步移動式
三．所屬領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r
壁面移動機(jī)器人是能夠在垂直的壁面上進(jìn)行移動的一種機(jī)器人，在機(jī)械上有顯著成就的日本壁面移動機(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)株式會社制造了名為Walker的爬壁機(jī)器人，這個爬壁機(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)向是由兩個滾子和皮帶的速度之間的差來完成的。該機(jī)器人由一個嚴(yán)重的缺點，當(dāng)壁面上出現(xiàn)裂縫時，它的真空便很難維持。
圖1-1 Walker機(jī)器人
關(guān)西電力株式會社制造的履帶式壁面移動機(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，但是越障能力較差。
圖1-2 履帶式壁面移動機(jī)器人
日本日揮株式會社的佐藤多秀研發(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)動時能夠維持吸盤內(nèi)部的吸附壓力。在機(jī)器人的前后兩個吸盤上各自安裝有四個輪子，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電機(jī)來控制，通過同一個吸盤上的兩個電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速來改變機(jī)器人的運(yùn)動方向。
圖1-3 輪式壁面移動機(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)外兩個框架上各自裝了八個帶吸盤的腳，由裝在腳上的氣缸來控制腳的伸縮，兩個框架的相對運(yùn)動是由直流伺服閥通過傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)的，該結(jié)構(gòu)具有帶負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點。日本國際機(jī)器人公司研發(fā)的名為空中勇士的玻璃清潔機(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，每只腳的端部都裝有吸盤，通過兩個本體上的腳的交互吸附來實現(xiàn)機(jī)器人的移動。
英國的樸茨茅斯大學(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。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。采用氣缸對腳進(jìn)行驅(qū)動。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。另外樸茨茅斯大學(xué)還設(shè)計了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)器人是用來對壁面進(jìn)行檢測的爬壁機(jī)器人，其中Alicia2型機(jī)器人由一個吸盤和兩個輪子所組成，吸盤的作用是對壁面進(jìn)行吸附，使用兩個直流電機(jī)來控制兩個輪子，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而被開發(fā)出來的，該型號機(jī)器人由三個Alicia2型機(jī)器人組成，兩兩間用一根桿來連接，要進(jìn)行越障動作時其中兩個機(jī)器人吸附另外一個機(jī)器人抬起便能輕松地實現(xiàn)越障功能。
圖1-6 Alicia3機(jī)器人
1986年，美國國際機(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)器人用來對摩天大樓進(jìn)行清洗。它由兩組L型的框架相對地進(jìn)行滑動以及交替地吸附來實現(xiàn)移動功能，在每組框架上都裝有三個腳掌，每個腳掌上還安裝有兩個真空吸盤，真空吸盤能夠與壁面進(jìn)行相對的直線運(yùn)動，該機(jī)器人還可以實現(xiàn)橫向的移動，并且具有一定的越障能力。
圖1-7 SkyWasher機(jī)器人
1990年，美國的卡內(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)的直動式壁面移動機(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，在簡化結(jié)構(gòu)的同時提高了爬壁機(jī)器人的工作效率。機(jī)器人的橫梁沿著龍骨滑動并且通過足部的吸盤對壁面交替進(jìn)行吸附來實現(xiàn)梁式行走，在橫梁+上裝有渦流探測器，能夠起到檢測的作用，在橫梁沿著龍骨運(yùn)動的同時能夠使探測器對壁面進(jìn)行掃描。這種機(jī)器人還裝有四個攝像頭，沿著龍骨排成一排，四個攝像頭中緊鄰探測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)器人的同時進(jìn)行導(dǎo)航和避開障礙等動作。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)器人的移動和越障功能，更能夠簡化控制的算法，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
德國的Fraunhofer研究所研發(fā)制造的SIRIUSC玻璃清潔機(jī)器人在工作時在機(jī)器人工作的建筑物的頂部有一個隨動小車，這個小車除了起到安全的作用外，還能夠?qū)ΣＡ鍧崣C(jī)器人的側(cè)向移動進(jìn)行控制，由于該玻璃清潔機(jī)器人只有上下運(yùn)動的功能，隨動小車則用來控制機(jī)器人的左右運(yùn)動。該機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)是由兩個線性模塊組成的，在每個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玻璃清潔機(jī)器人
從1990年開始，西班牙的CSIC大學(xué)的工業(yè)自動化研究所研發(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)器人由兩個運(yùn)動鏈所組成，運(yùn)動鏈的末端有兩個電磁吸附元件。該機(jī)器人由三個關(guān)節(jié)組成，每個關(guān)節(jié)由一個直流電機(jī)和齒輪進(jìn)行驅(qū)動，最大旋轉(zhuǎn)角速度為130度/秒，運(yùn)動鏈的長度為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，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)動來實現(xiàn)兩個方向的運(yùn)動，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運(yùn)動機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向和水平方向的移動，機(jī)器人有四個圓盤刷，兩個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)動時對壁面或玻璃進(jìn)行清洗。該機(jī)器人的吸附方式采用了用電動來驅(qū)動的真空吸附式，能夠改善采用全氣動的驅(qū)動方式的機(jī)器人的氣動位置的伺服精度以及驅(qū)動力不夠的問題。
圖1-11 Window Washer機(jī)器人
國內(nèi)玻璃清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
在我們國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上展出了Unimate-2000型的搬運(yùn)機(jī)器人，從此在我國便掀起了第一個機(jī)器人的研究浪潮，許多單位都開始了對機(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)計了我國的第一臺爬壁式遙控檢查機(jī)器人，它主要用來對核廢料儲罐的安全情況進(jìn)行檢查，該機(jī)器人的特點為用了一種稱為“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磁吸附爬壁機(jī)器人是針對石油企業(yè)的儲油和儲水鋼罐定期噴砂除銹、噴漆防腐及涂層厚度等進(jìn)行檢測工作而研發(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，這種機(jī)器人本體重量為20千克，能夠負(fù)載15千克，移動速度為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磁吸附爬壁機(jī)器人
圖1-13 單吸盤輪式驅(qū)動爬壁機(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，前三種玻璃清潔機(jī)器人都是全氣動式的自主步行移動清洗機(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)動的，十字框架結(jié)構(gòu)由兩個無桿氣缸組成，這樣的玻璃清潔機(jī)器人有著結(jié)構(gòu)緊湊的特點。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)動在玻璃幕墻或壁面上進(jìn)行橫向或者縱向的運(yùn)動以及實現(xiàn)越障功能。CLEANBOT和SKYCLEANER這兩種清洗機(jī)器人在兩個主要氣缸之間設(shè)置了腰關(guān)節(jié)，在機(jī)器人發(fā)生偏斜的時候能夠通過糾偏運(yùn)動讓機(jī)器人回到正常運(yùn)動的狀態(tài)，SKYCLEANER機(jī)器人的腿部與吸盤采用了微動鉸鏈連接，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×高）。吊籃式擦窗機(jī)器人通過模擬人類的手擦窗的動作來進(jìn)行清洗作業(yè)，藍(lán)天潔寶是一種被動式的清洗機(jī)器人，它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高等特點。
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)器人與自動化實驗室研發(fā)制作出名為TH-ClimberI的大型油罐的自動檢測系統(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帶輪，兩個帶輪以前后分布，分別與安裝了永磁塊的履帶進(jìn)行嚙合，從而組成了機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)。這種機(jī)器人采用了以兩個后輪為主驅(qū)動輪的驅(qū)動方式，由一臺直流伺服電機(jī)通過諧波減速器來帶動后輪。在磁吸附式壁面爬行機(jī)器人的面對壁面的一邊安裝了渦流檢測組件，這種組件通過直流電機(jī)與同步帶機(jī)構(gòu)來帶動渦流探頭在垂直于機(jī)器人運(yùn)動路線的方向上來回地進(jìn)行移動，通過繼電器及行程開關(guān)來實現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。這種機(jī)器人能夠自動糾正運(yùn)動路線上的偏差并且識別出機(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，上下兩個框架都能夠與中間框架進(jìn)行相對的直線運(yùn)動，中間框架則可以帶動上框架一起與下框架作相對的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在上下兩個框架上分別安裝了四個真空吸盤，可以通過上下框架的吸盤的交替吸附實現(xiàn)機(jī)器人在壁面上的移動，該機(jī)器人的最大移動速度為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)一種以氣動柔性驅(qū)動器為基礎(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)動裝置、吸附裝置以及提升裝置構(gòu)成。吸附裝置包括五個吸盤以及相同數(shù)量的真空發(fā)生器，運(yùn)動時保持三個以上的吸盤同時進(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)器人的本體由兩個垂直正交的氣缸所組成，通過兩個垂直正交的氣缸的伸縮來實現(xiàn)機(jī)器人在各個方向上的移動，這種機(jī)器人還有一個由擺動氣缸所組成的腰關(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)動來實現(xiàn)對左右方向的清洗工作。機(jī)器人的每條腿上都安裝有4個吸盤，機(jī)器人通過這些吸盤對壁面進(jìn)行吸附，從而保證機(jī)器人不會滑落。機(jī)器人可以通過由一個CCD攝像機(jī)和兩個激光二極管所組成的視覺系統(tǒng)來測量其本體與窗戶的相對位置，視覺系統(tǒng)還具有識別工作表面的衛(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，因此結(jié)構(gòu)簡單，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。
圖1-17 十字型架構(gòu)的全氣動式爬壁
四．研究的總體方案
1.行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計
2.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計
3.吸附裝置的選取
4.玻璃清潔機(jī)器人的框架以及吸盤安裝板的設(shè)計
5.控制閥及其它氣動元件的選取
6. 氣路的設(shè)計
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指導(dǎo)教師簽名：
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