吸附式爬壁清洗機設(shè)計-履帶式爬壁機器人【三維PROE】【8張CAD圖紙、說明書】【YC系列】

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隨著城市現(xiàn)代化發(fā)展，特別是高層建筑的興起，以玻璃壁面為代表的壁面結(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)，并且許多國家已經(jīng)對建筑壁面的清洗要求做出了明確規(guī)定。另一方面，越來越奇特的建筑結(jié)構(gòu)使清洗的難度越來越大，甚至采用傳統(tǒng)的清洗方法已無能為力。然而，在社會文明高度發(fā)展的今天，人們對生命安全越來越重視，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) 在高層建筑墻面清潔工作中，爬壁清潔機得到了廣泛關(guān)注，它將人類從繁重、危險的高樓清洗工作中解放出來，它憑借能夠成為高空極限作業(yè)的一種自動機械裝置的優(yōu)良特性，越來越受到人們的重視。爬壁清洗機能有效降低高層建筑的清洗成本，提高清潔效率，同時也推動了清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б?、?jīng)濟效益。 本課題主要設(shè)計一種履帶吸盤式爬壁清洗劑，采用履帶式移動方式，雙履帶和車體構(gòu)成機器人的基本框架；真空吸盤式吸附方式加以完善的配氣系統(tǒng)，可為清洗機提供足夠的吸附力。吸盤式結(jié)構(gòu)克服了現(xiàn)有爬壁機器人結(jié)構(gòu)上的缺點與不足，提高了爬壁機器人的實用性能。因此，本課題的研究具有較高的科研價值和經(jīng)濟價值。 2 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 爬壁移動機器人廣泛應(yīng)用于維護、檢查、消防、救援、清洗、情報和國防領(lǐng)域等，必將為人類帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都投入大量人力物力，積極進行其理論和技術(shù)研究，如日本、美國、英國、俄羅斯、德國、奧地利、西班牙等國相繼研制出一些各具特色的爬壁移動機器人實驗樣機。我國在國家自然基金和863計劃的大力支持下，從上世紀(jì)90年代中期也相繼開發(fā)出一些爬壁移動機器人樣機。 爬壁移動機器人是一種能夠在垂直壁面進行移動作業(yè)的極限作業(yè)機器人，世界機器人大國日本在極限作業(yè)機器人研究方面尤為積極。早在1966年，在大阪府立大學(xué)工學(xué)部任講師的西亮利用電風(fēng)扇進行側(cè)低壓空氣產(chǎn)生的負(fù)壓作為吸附力制作了一臺垂直壁面移動機器人的原理樣機。1975年，已經(jīng)身為宮崎大學(xué)工學(xué)院部教授的西亮又制作了以實用化為目標(biāo)的二號樣機，這是個單吸盤結(jié)構(gòu)、靠輪子行走的壁面移動機器人。此次以后各國著名的大學(xué)、研究所、公司紛紛投入力量廣泛開展用于極限作業(yè)的壁面移動式機器人的研究。 相對國外，我國研究和開發(fā)機器人始于七十年代初期，國內(nèi)爬壁移動機器人研究起步較晚。1975年在北京舉行的日本科技展覽會上，川崎重工業(yè)公司首先在中國展出了工業(yè)機器人，以此為起點，我國掀起了第一個研制機器人的浪潮。北京自動化研究所、上海交大、沈陽自動化所、大連組合機床所。廣州機床所等十幾個單位紛紛開始研制機器人。 目前高層建筑墻面作為高樓外防護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象越來越普遍，為了保證玻璃外觀的整潔美麗，就需要定期對玻璃表面進行清洗，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或吊繩懸掛由人進行玻璃幕墻的清洗，作業(yè)方式簡單易行，但效率低且成本高，更重要的是高空環(huán)境條件惡劣易引發(fā)安全事故。隨著控制和機電技術(shù)的發(fā)展，壁面清洗機器人應(yīng)運而生。利用壁面清洗機器人作業(yè)將大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率，具有相當(dāng)?shù)纳鐣?、?jīng)濟意義和廣闊的應(yīng)用前景。玻璃幕墻爬壁清洗機器人的研制成功，將會實現(xiàn)清洗作業(yè)的自動化，給清洗業(yè)帶來一次新的革命。 3 研究內(nèi)容 3.1 吸附式爬壁清洗機基本工作原理； 吸附式爬壁清洗機主要由吸附部分、移動部分和清洗部分組成。爬壁清洗機應(yīng)該具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)大于清洗機的重力，從而防止墜落，同時還應(yīng)具有驅(qū)動機構(gòu)，能夠使清洗機在壁面上自由移動，并且有電機控制清潔頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)清洗機在壁面上移動時能夠完成對壁面的清潔工作。 3.2清洗機履帶結(jié)構(gòu)設(shè)計； 爬行機構(gòu)要簡單、高效、小型。使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)直線移動，保證機器人能夠按照地面操作人員的遙控進行工作，用履帶與履帶輪相嚙合形成履帶的設(shè)計。 圖1 三履帶輪平行履帶 3.3清洗機吸附機構(gòu)設(shè)計； 吸附機構(gòu)采用真空吸附技術(shù)，設(shè)計吸附機構(gòu)要能產(chǎn)生一定的吸附力，確保機器人工作過程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。 圖2 爬壁機器人受力示意圖 Fi：清洗機爬行所用的力；G:爬壁清洗機的重力；d:壁面與爬壁清洗機重心的距離 3.4清洗機行走機構(gòu)的設(shè)計； 設(shè)計清洗機的行走機構(gòu)能夠在壁面上完成直線移動，并且能夠跨越高度為5厘米的障礙，并且在運動過程中實現(xiàn)清洗的目的。 圖3 履帶與履帶輪嚙合原理圖` 3.5清洗機清洗機構(gòu)的設(shè)計； 清潔機構(gòu)是與爬壁機器人相配合用于壁面清潔的機器人附件，實現(xiàn)對壁面的清洗。 圖4 清洗機清洗部分示意簡圖 4 研究方案 4.1 總體方案 爬壁清洗機本體主要包括吸附和移動兩大部分，移動部分由直線行走部分組成，將吸盤的真空吸附方式和履帶式移動方式相結(jié)合，真空吸盤固定在柔性的履帶上，采用雙履帶對稱結(jié)構(gòu)，通過電機帶動履帶運行使清洗機能夠進行直線運動，吸盤部分通過吸盤固定裝置固定在可以產(chǎn)生足夠大的吸附力，使清洗機能夠在爬行的過程中安全可靠地吸附在工作壁面上；控制系統(tǒng)主要任務(wù)是控制清洗機在壁面上的作業(yè)功能；清洗系統(tǒng)的主要任務(wù)是清洗壁面，通過電機控制清潔頭旋轉(zhuǎn)達(dá)到清洗目的。 4.2 擬采取的技術(shù)措施 爬壁清洗機融合了吸盤式真空吸附和履帶式移動方式的優(yōu)點，吸盤在履帶上的分布和履帶自身柔性使得清洗機能夠跨越障礙物，又因為有吸盤的存在，使履帶不直接與壁面接觸，可能的障礙有玻璃的連接處等，壁面凹凸起伏不大，履帶吸盤式的結(jié)構(gòu)具有逾越較小障礙的功能；同時，考慮到機器人運行的平穩(wěn)性和履帶的使用壽命，因此清洗機履帶結(jié)構(gòu)由驅(qū)動輪（主動輪）置中，導(dǎo)向輪（從動輪）對稱分布，從動輪對稱布置的方式使履帶受力最大處避開了履帶彎曲處，驅(qū)動輪及導(dǎo)向輪兼做支撐輪，可增大接觸面積且使履帶上受力集中處遠(yuǎn)離履帶彎曲處，減少了對履帶的損害提高了履帶的使用壽命。 吸盤式真空吸附方式適用于多種工作環(huán)境，擴大了清洗機的工作范圍。真空吸附機構(gòu)包括氣動回路、真空泵和吸盤系統(tǒng)，吸附機構(gòu)由吸盤、配氣盤組件、氣動回路等組成。吸盤通過吸盤固定裝置固定在履帶上，在清洗機工作的過程中隨著履帶轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，配氣盤給達(dá)到相應(yīng)位置的吸盤組件進行抽氣或者進氣，從而產(chǎn)生或是破壞真空的環(huán)境。 爬壁清洗機的行走機構(gòu)主要由吸盤組件、履帶、履帶輪、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等構(gòu)成。履帶輪與履帶的聯(lián)結(jié)方式模擬齒輪齒條嚙合，使清洗機能夠平穩(wěn)快速地在壁面上移動，通過配氣盤給吸盤組件進行抽氣或進氣，產(chǎn)生或是破壞真空的環(huán)境，使吸盤吸附或離開壁面，在清洗機工作過程時，保證同時有若干組吸盤出于工作狀態(tài)，完成清洗機在壁面上的吸附以及移動，通過改變左、右電機的轉(zhuǎn)動方向，可以實現(xiàn)爬壁清洗機的前進、后退以及轉(zhuǎn)彎動作。 爬壁清洗機的清洗機構(gòu)由清潔系統(tǒng)支架、清潔電機、滾刷、電池、開關(guān)等組成，清潔電機由電池供電，清潔口安裝在電機伸出桿上。閉合控制開關(guān)，滾刷旋轉(zhuǎn)，機器人在壁面上移動時即可完成對壁面的清潔工作。 5 進度計劃 2013年12月---- 2014年1月：收集資料，確定設(shè)計系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻(xiàn)，書寫開題報告。 2014年2月---- 2014年3月：清洗機的車體總體結(jié)構(gòu)方案分析 2014年3月---- 2014年4月：清洗機總體方案及結(jié)構(gòu)的確定、詳細(xì)設(shè)計與計算 2014年4月---- 2014年5月：清洗機行走機構(gòu)、吸附機構(gòu)的設(shè)計與計算 2014X年5月---- 2014年5月：清洗機車體各關(guān)鍵部件及裝配圖的繪制 2014年5月---- 2014年6月：編寫畢業(yè)論文。 2014年6月---- 2014年6月：畢業(yè)答辯準(zhǔn)備和答辯。 參考文獻(xiàn) [1] 何雪明， 丁毅，朱明波. 真空吸附式爬壁機器人設(shè)計.西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1997 [2]胡啟寶.多吸盤式玻璃幕墻清洗機器人本體設(shè)計.上海交通大學(xué)，2007 [3]蔡麗君.履帶式爬壁機器人設(shè)計與研究.上海工程技術(shù)大學(xué)，2011 [4]田靜眉.真空吸附式壁面清洗機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究.西南交通大學(xué)，2013 [5]吳神麗.新型高樓清洗爬壁機器人的研究與設(shè)計.成都理工大學(xué)，2009 [6] 徐東; 楊鳴凱; 齊文; 陳戈. 豎直玻璃幕墻清洗機器人的設(shè)計.中國科技信息，2011 [7]陳沛富.高樓玻璃幕墻清洗機器人設(shè)計研究.重慶大學(xué)，2006 [8] 姬國釗，張世偉，王奇斌，李俊秀，王卓.真空吸附式爬壁清洗機器人的研制.中國真空學(xué)會2008年學(xué)術(shù)年會論文摘要集，2008 [9]張國平，楊杰，高婧宇.爬壁機器人真空吸附及運動方式探討.液壓氣動與密封，2007 [10] 白琨. 履帶式移動機器人越障能力的研究.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2007 [11] Ruey Fang Shyu , Hsiarng Yang.Vacuum suction aid for microlens array formation using 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