爬壁幕墙清洗机器人设计说明书

江西省第二届大学生机械创新设计大赛江西省第二届大学生机械创新设计大赛 暨第三届全国大学生机械创新设计大赛暨第三届全国大学生机械创新设计大赛 江西赛区选拔赛江西赛区选拔赛 设设 计计 说说 明明 书书 INSTRUCTION OF DESIGN 作 品 名 称 小蜘蛛小蜘蛛 幕墙攀爬清洗机幕墙攀爬清洗机 参 赛 队 伍 陈明登陈明登 谢信韦谢信韦 冯江涛冯江涛 刘连杰刘连杰 郭晓欢郭晓欢 指 导 老 师 李国臣李国臣 吴文通吴文通 参 赛 单 位 井井 冈冈 山山 大大 学学 20082008年年4 4月月1818日日 目目 录录 摘要 i 小蜘蛛幕墙攀爬清洗机设计说明书 1 作品内容简介 1 1 研制背景及意义 1 2 主要功能和性能指标 2 3 设计方案 3 3 1 机械机构 3 3 2 控制机构 3 4 理论设计计算 4 4 1 真空吸附力计算 4 4 2 幕墙清洗机器人附着的力学分析 5 5 机构设计与工作原理 7 5 1 攀爬机构 8 5 2 清洗机构 8 5 3 铰接连杆支撑机构 9 5 4 换气机构 9 6 创新点及应用 10 7 作品实物工作图 11 8 应用前景 13 参考文献 14 摘摘 要要 小蜘蛛 幕墙攀爬清洗机是基于昆虫攀爬动作的仿生原理制作而成 在国 内外现有的壁面移动机器人研究成果的基础上 结合高空作业的特点 在对幕墙 清洗机器人的共性问题 附着技术 爬行技术 清洗技术进行分析的基础上 模 拟昆虫交错攀爬的动作 设计了自攀爬机构 实现了吸附机构 清洗机构和攀爬 机构的有机结合 小蜘蛛 幕墙攀爬清洗机主要包括攀爬运动机构 吸附机构 清洗机构和 控制系统等四部分组成 机械结构设计中灵活运用了四杆机构 曲柄滑块机构 齿轮机构 离合器和控制机构等 结构丰富 其创新点主要体现在 1 仿昆虫攀爬动作 采用丝杠传输机构与连杆铰接支架的升降机构 实现 清洗设备的腿足式交错移动 2 仿人工清洗习惯动作 采用曲柄滑块机构 实现玻璃幕墙的往复式擦洗 3 采用连杆铰接支架的升降控制吸附机构控制阀门的开启与关闭 通过单 片机控制 实现机构移动 换气机构与清洗机构的有机结合 本产品可广泛用于高楼大厦的幕墙清洗 设备结构简单 灵巧便捷 实现了 幕墙清洗的自动化 将人类从原始的高强度的高空作业中解脱出来 试验表明 此型清洗机器人清洗效果明显 操作方便 对同类设备的设计有很好的参考价值 关键词关键词 幕墙清洗 玻璃幕墙 机器人 负压吸附 小蜘蛛小蜘蛛 幕墙攀爬清洗机设计说明书幕墙攀爬清洗机设计说明书 设计者 陈明登 谢信韦 冯江涛 刘连杰 郭晓欢 井冈山大学工学院 江西 吉安 作品内容简介作品内容简介 小蜘蛛 幕墙攀爬清洗机是基于昆虫攀爬动作的仿生原理制作而成 其主 要特点是在模拟昆虫交错攀爬动作的基础上 根据高楼幕墙清洗的特点 在对幕 墙清洗机器人的共性问题 附着技术 爬行技术 清洗技术进行分析的基础上 设计了结构简单 灵活便捷的自攀爬清洗机器人 小蜘蛛 幕墙攀爬清洗机主要包括攀爬运动机构 吸附机构 清洗机构和 控制系统等四部分组成 机械结构设计中灵活运用了四杆机构 曲柄滑块机构 齿轮机构 离合器和控制机构等 机械结构丰富 其创新点主要体现在 1 仿昆虫攀爬动作 采用丝杠传输机构与连杆铰接支架的升降机构 实现 清洗设备的腿足式交错移动 2 仿人工清洗习惯动作 采用曲柄滑块机构 实现玻璃幕墙的往复式擦洗 3 采用连杆铰接支架的升降控制吸附机构控制阀门的开启与关闭 通过单 片机控制 实现机构移动 换气机构与清洗机构的有机结合 本产品可广泛用于高楼大厦的幕墙清洗 实现了幕墙清洗的自动化 将人类 从原始的高强度的高空作业中解脱出来 试验表明 此型清洗机器人清洗效果明 显 操作方便 对同类设备的设计有很好的参考价值 联系人 李国臣 联系电话 E mail guochen li 1 1 研制背景及意义研制背景及意义 随着城市现代化的发展 特别是高层建筑的兴起 以玻璃幕墙为代表的幕墙 结构逐步演绎成华丽的 城市外衣 就在实现它的功能和实效的同时又衍生出 了下一个问题 繁重的幕墙清洗任务 并且许多国家已对建筑幕墙的清洗要求做 出了明确规定 此外 越来越奇特的建筑结构使清洗的难度成倍增加 甚至采用 传统的清洗方法己无能为力 然而 在社会文明高度发展的今天 对生命的关爱 达到了前所未有的高度 要求停止使用蜘蛛人的呼声不绝于耳 因此人们期待新 的具有人性化的清洗方式出现 目前大多是用人工清洗 若是低些的幕墙的还好 但现在几十 几百米的幕 墙水随处可见 那么幕墙的清洗问题变成了令人们头疼的一件事了 而传统的吊 篮人工操作清理的方式既危险和枯燥 劳动强度又高 为了弥补现实生活中存在 的这一缺陷 为了在清洗工作自动化上能贡献我们的一点力量与能力 也为了更 好的在生活中实现清洗作业的节能操作 同时 还为了实现高新技术的绿色 环 保 造福我们的子孙后代 20 世纪 90 年代以来 随着电子技术的飞速发展和自动化装备的不断成熟 日本的研究人员率先将目光投向自动化的清洗方式 由此幕墙清洗机器人应运而 生 目前幕墙清洗机器人技术及其理论的研究已成为热点 国内外许多科研单位 都在进行相关方面的研究并取得可喜成果 但是 研究工作仍然处在样机的研制 和实验阶段 而幕墙清洗机器人的关键技术与理论则有待于进一步深入研究 本 文的研究目的就是要在幕墙清洗机器人的结构创新上做一些新的探索 2 2 主要功能和性能指标主要功能和性能指标 经试验 幕墙清洗机可以达到攀爬清洗的效果 其主要功能和指标如下 1 采用负压达 0 085KPa 的真空泵和几何尺寸为 60mm 的圆形洗盘 每个 洗盘的吸附力达 12KG 攀爬机构上装有 4 个洗盘 最大吸附力可达 48KG 2 采用电机型号为 M0146 功率达 25W 采用螺纹丝杠传递动力 可实现 支撑机构和清洗机构的交替移动 3 通过曲柄滑块机构带动清洗器 清洗器包括清洗液喷头和刮擦器 喷 头的喷洗压力和根据所配备的水泵控制压力 可适应不同清洗场合 4 通过遥控器和单片机控制机构 实验清洗机器的远程作业 遥控器的 发射功率为 30mW 可控距离达 500 米 5 整个机器结构紧凑 长 500mm 宽 200mm 高 170mm 清洗宽度为 200mm 清洗速度为 1m 分钟 作业效率为 12m2 小时 3 3 设计方案设计方案 3 13 1 机械结构机械结构 采用铰接连杆支架 螺纹传动 齿轮机构 离合机构和曲柄滑块机构实现整 个机构的移动和清洗操作 其运动机构简图如图 1 所示 图 1 机构运动简图 1 支撑架 2 电机 3 丝杠 4 擦洗支撑机构 5 电机 6 绞接支架 7 丝杠 8 擦洗支撑机构用吸盘 9 支撑架用吸盘 10 齿轮 11 圆盘 曲柄 12 连杆和滑块 13 清洗器 14 清洗液喷头 运动过程简述 1 电机 2 运动 带动丝杠 3 转动 实现擦洗支撑机构 4 沿支撑架 1 的滑道向 前运动 同时 擦洗支撑机构 4 带动擦洗机构 13 实现移动擦洗 2 当 4 擦洗支撑机构由 A 点运动到 B 点 控制机构作用 电机 2 停止 电机 5 运动 并带动丝杠 7 转动 丝杠 7 的转动带动绞接支架 6 的收拢 同时 擦洗 支撑机构 4 的吸盘开始吸附 而支撑架 1 的吸盘停止吸附 4 固定支撑 而 1 变 为移动支架 3 电机 2 反转 丝杠 3 带动支撑架 1 沿滑道向前运动 擦洗支撑机构 4 转变 为固定支撑机构 当支撑架 1 的 A 端到擦洗支撑机构 4 时 停止运动 4 重复布骤 1 3 23 2 控制结构控制结构 在擦洗支撑机构 4 和支架 1 上安装行程开关 实现电动机 1 和 5 的停转和正 反转 同时加装气体控制阀 实现吸盘 8 和 9 的交替吸附 其控制过程示意图如 2 所示 图 2 控制过程 控制过程简述 1 单片机读取遥控器无线信号 控制电机的正反转 实现爬行 2 单片机读取无线电信号 根据读取的信号 经判断 转入不同的子程序 控制两个电机的先后工作顺序和正反情况 4 4 理论设计计算理论设计计算 4 14 1 真空吸附力计算真空吸附力计算 图 3 真空吸附系统 新型壁面清洗机器人采用真空吸附方式 单吸盘双风机吸附结构 吸盘由橡 胶和钢板支架构成 吸附机构依靠风机的高速旋转将空气由吸盘腔内抽出 在吸 盘腔内产生负压 依靠吸盘的内外压差将清洗机器人吸附在工作壁面上 吸附力 可由下式求出 即 1 APPF ca 式中 Pa 为大气压强 Pc 为吸盘腔内的压强 A 为吸盘有效密封面积 吸盘腔内的压力值可通过吸附机构的气流量平衡式推导 即 2 m QQQ 21 式中 Q1 为工作风机的抽气量 Q2 为辅助风机的泄漏量 Qm 必为密封气囊与 壁面间的缝隙泄漏量 3 ln 6 1 2 3 r r P Qm 式中 为动力粘度 为密封气囊与壁面间的缝隙高度 为空气质量密 度 P 为吸盘腔内外压差 rl r2为密封气囊在有效密封宽度下的内外径 4 24 2 幕墙清洗机器人附着的力学分析幕墙清洗机器人附着的力学分析 虽然幕墙清洗机器人上与壁面接触的清洗头 附着装置和驱动装置具有局部 柔性 但总体看来 局部柔性对整个幕墙清洗机器人受力状况影响较小 同时为 了简化问题分析 在建立力学模型前 做以下合理假设 1 刚体假设即认为幕墙清洗机器人总是刚体 2 对称假设即认为幕墙清洗机器人在水平方向所受的力总是对称的 由上述假设 幕墙清洗机器人的受力状况可简化为平面力系 设幕墙清洗机 器人以速度 v 向上沿幕墙做匀速直线运动 其受力情况 为简化分析 忽略了阻 力的作用 如图 4 所示 O1 点为机器人的翻倒支撑点 由刚体假设 该点即机 器人与壁面接触的最低点当发生翻倒失效时 机器人绕该点发生翻倒 其平衡条 件如下 4 0 0 0 1O M Z Y 将图中各参数带入得 5 0sin 0cos 0sin 1 MhGM GPNZ GFY O 式中 G 机器人的重力 N P 等效附着力 N N 幕墙对机器人的等效反 力 N F 机器人的驱动力 N F N 为摩擦系数 M P N 向重心 O 简 化时 所得对 O1 点的附着力矩 Nm M f P N f 由机器人的结构参数 确定 壁面与水平面的夹角 解上述方程组即可求得平衡状态下 机器人的各力学参数 同时也可以此对 机器人的附着状态做出判断 在图示的坐标系中 机器人的重力可分解为 Y 轴和 z 轴两个方向分量 平衡 状态下 重力的 Y 分量由驱动力来平衡 而重力产生的翻倒力矩由附着力矩 M 来 平衡 然而 考虑到外力干扰和惯性力等因素 实际的驱动力比上式求得的要大 得多 因此 驱动力 F 介于 0 Fmax 之间 Fmax 由机器人驱动装置与幕墙面之间 的最大静摩擦力确定 其大小与介质摩擦系数和作用于驱动装置的附着力有关 同样实际可能产生的附着力矩比上式求得的值要大得多 并在一定范围内随外力 的变化而变化 即附着力矩 M 介于 0 Mmax 之间 Mmax 为最大附着力矩 其大小 由附着力和机器人的结构尺寸和附着方式决定 可见 机器人的附着状态与参数 Fmax 和 Mmax 存在直接关系 实际值与最大值之差越大则抗干扰能力越强 机器 人附着的稳定性也越好 图 4 受力分析 5 5 机构设计与工作原理机构设计与工作原理 本作品主要由攀爬机构 1 你机构曲柄滑块机构 铰接连杆支撑机构 吸附 机构五个部分组成 工作原理为 通电后 电动机转动带动螺纹传动机构运转 带动丝杆传动的同时 铰接交叉结构采取伸展方式来促使吸盘在换气结构辅助的 情况下 从而达到行走的目的 丝杆传动也提供曲柄滑块结构运行的动力 进而 与滑块结构相连接的清洗装置将对玻璃进行清洗 同时此装置中加入了单片机自 动控制装置 从而完全实现了操作自动化 各部分结构的功能具体阐述如下 5 15 1 攀爬机构攀爬机构 图 5 攀爬机构 电机正转和反转 结合支撑架和清洗机构支架的交替吸附 即交替作为滑动 机构的支撑 实现机构整体的交替前行 5 25 2 清洗机构清洗机构 如图 6 所示 传动电机的动力经一对锥齿轮将动力传递给圆盘 曲柄 并 由曲柄滑块机构带动清洗器沿机器的运动轨迹来回擦洗 因齿轮机构内嵌入超越 离合器 使清洗运动配合清洗机构支架的前进 而当清洗机构支架静止时 清洗 机构不会随着随着齿轮的转动而转动 丝杠 支撑架 清洗机构支架 电机 图 6 清洗机构 5 35 3 铰接连杆支撑机构铰接连杆支撑机构 图 7 绞接连杆支撑机构 电机正转和反转 带动绞接支架沿铰接点转动 结合支撑架和清洗机构支架 的交替吸附 实现整体移动机构的交换支撑 5 45 4 换气机构换气机构 丝杠 支撑架 清洗机构支架 电机 铰接支架 清洗毛刷 滑块 曲柄 超越离合器 图 8 吸附机构 真空泵产生的负压 经 2 位 3 通阀 与吸盘相通 实现吸盘的吸附功能 阀 杆控制开关与绞接连杆支撑机构同步运动 并控制两个 2 位 3 通阀 每个阀门分 别控制支撑架和清洗机构支架的 4 个吸盘 从而实现各支撑机构的交替吸附 6 6 创新点及应用创新点及应用 由于幕墙清洗高空作业的危险性 本产品所设计根据安全稳定性 以及结构 和操控简单性的原则 主要创新点体现如下几个方面 1 仿昆虫攀爬动作 采用丝杠传输机构与连杆铰接支架的升降机构 实现 清洗设备的腿足式交错移动 2 仿人工清洗习惯动作 采用曲柄滑块机构 实现玻璃幕墙的往复式擦洗 3 采用连杆铰接支架的升降控制吸附机构控制阀门的开启与关闭 通过单 片机控制 实现机构移动 换气机构与清洗机构的有机结合 阀杆控制开关 吸盘 2 位 3 通阀 真空泵 图 9 清洗机构控制系统 7 7 作品实物工作图作品实物工作图 a 小蜘蛛 幕墙攀爬清洗机的正视外观图案 b 攀爬玻璃 后视 c 攀爬玻璃 侧视 d 攀爬玻璃 正视 图 10 实物工作图 8 8 应用前景应用前景 鳞次栉比的摩天大楼已成为现代城市的主要特征 由于幕墙装饰采光好 美观 越来越多的高楼采用幕墙装饰 由于传统人工清洗的劳动强度大 且 危险程度高 设计简单实用的幕墙清洗机必将有广阔的发展前途和巨大的社 会效益 据有关部门统计 目前全国已建造了数百万平方米的大型玻璃幕墙 按规定五星级饭店的玻璃幕墙每年至少要清