玻璃清洁机器人驱动及擦洗机构设计

玻璃清洁机器人的设计摘要高楼玻璃幕墙清洗机器人是特种机器人的一个分支。它是基于壁面移动机器人技术，并针对具体的作业对象，具有明确功能的实用机器人，其工作在垂直危险的玻璃壁面，能够克服重力的作用，携带清洗设备，是面向现代高层建筑玻璃外墙表面保洁、清洗服务的极限作业机器人。论文首先对机器人总体方案进行介绍，在此基础上，对机器人总体结构进行了设计分析。其次重点介绍了机器人的驱动机构，讨论了机器人的作业路径及运动控制规划。最后，简单介绍了机器人的擦洗机构。关键词玻璃，幕墙清洗机器人，驱动机构，擦洗机构，密封机构DESIGNOFGLASSCLEANINGROBOTABSTRACTGLASSWALLCLEANINGROBOTISONEOFROBOTFORLIMITEDOPERATION,WHICHCANWALKONVERTICALGLASSWALLWITHWASHINGDEVICESITISAROBOTWITHSPECIFICAPPLIEDFUNCTIONS,BASEDONWALLCLIMBINGROBOTTECHNIQUESFORSPECIFICOBJECTSANDITWORKSONVERTICALGLASSWALL,WHEREISDANGEROUSFORHUMANBEINGSITISAROBOTCOULDCONQUERTHEGRAVITYEFFECTANDCARRYCLEANINGEQUIPMENTS,FACINGTOGLASSWALLSURFACEBEAUTIFYINGSERVICEOFMODERNHIGHRISEBUILDINGSFIRSTLY,THEWHOLEFRAMEOFTHEGLASSWALLCLEANINGROBOTISINTRODUCED,BASEDONTHIS,THEDESIGNINGANDANALYZINGOFTHESTRUCTUREOFTHEROBOTAREDESCRIBEDINDETAILSTHEN,INTRODUCINGTHEDRIVEMECHANISMOFTHEROBOT,DISCUSSEDTHEOPERATIONOFTHEROBOTPATHPLANNINGANDMOTIONCONTROLFINALLY,ABRIEFINTRODUCTIONOFTHEROBOTBODYSCRUBKEYWORDSGLASS,WALLCLEANINGROBOT,DRIVINGMECHANISMSCRUBMECHANISM,SEALINGMECHANISM1前言在现代都市中，高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。在建筑业，由于玻璃的采光性好，保温防潮性能好，彩色玻璃实用美观，高层建筑的外壁越来越多地采用玻璃幕墙结构，但是为了保证建筑外观的整洁美丽，时间一长，就需要对壁面进行清洗，以美化市容市貌。许多开放性城市都规定，每年应对高楼清洗若干次。目前高层建筑玻璃幕墙的清洗方法主要有两种，一种是靠升降平台或吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗，虽简便易行，但劳动强度大，工作效率又低，属于高空极限作业对人身安全及玻璃壁面都有很大的威胁性。另一种是用安装在楼顶的轨道及吊索系统将擦窗机对准窗户进行自动擦洗。这种方式初次投资成本较高高达数百万元，而且要求在建筑物设计之初就要考虑擦窗系统，因而限制了其使用，因此急需一种能代替人而又有一定灵活性和适用性的自动机器来完成这项工作，而且玻璃幕墙一般面积较大，大多处于几十米甚至上百米的高处，且周围无可攀援的支架，这就使得玻璃幕墙的清洗成为一项繁重、危险、耗资的工作。如果用人去清洗，不仅花费高，而且安全难以保证。特别是目前一些国家和地区已经通过立法对包括擦窗作业在内的人工高空攀爬进行了限制，人们不得不寻找其它解决办法。高层建筑清洗机器人正是在这种背景下应运而生。它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。因此，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。2玻璃清洁机器人总体方案规划21机器人设计思想机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度高的自动化设备。所以该气动清洗机器人系统包括机械结构、运动规划、传感器系统、驱动系统、控制系统等几部分。由于我们所开发的清洗机器人工作场所的特殊性，本课题在机器人结构上的设计思想是在保证机器人功能的前提下，力求结构简单、可靠性高、运行稳定。因为爬壁机器人在行进过程中需要克服自身重力，所以较轻的机器人本体结构是一个需要着重考虑的设计因素。增加机器结构的灵活性，导致的结果是机械结构变得复杂，需要使用到的机械元器件增多，重量必然增加，同时控制的复杂性也增加。高楼幕墙清洗机器人是一种爬壁机器人，因此，它必须具备两大功能负壁和移动功能。在本机器人系统中，考虑到机器人要有清洗功能，我们就到了水作为清洁剂来清洗，在提供水的过程中，我们又把它当做动力源，可以说只要有水就能让它工作。因此我们主要考虑到了用水射流式清洗机器人。22机器人总体结构方案运用水射流式清洗机器人，能够巧妙地把供水，供能，抽气整合为一体。利用清洁水流经射流发射器时产生的负压来控制吸盘，机器人可以抽真空吸附在玻璃上。这样就不像现已有的机器人那样，需要带上一个大大的气泵。再利用水流经射流发射器产生的被压来推动活塞杆，实现机器人的爬行驱动。为此，我们在结构上采用了2个带活塞杆吸盘互相运动，来实现机器人的一直往前爬行运动，而避免只有一个活塞吸盘能实现的往复运动。在再整体结构上带上2个拖把，随着机器人的移动而移动来擦洗玻璃。结构如图1这种结构的该机器人，总体来说，具有如下特点1，模块化设计，整个外形由同一种高分子有计划和工程材料组成，便于连接和控制。2，结构简单紧凑，重量轻，同一动力实现吸附和爬行运动两种功能，减少动力来源。便于协调控制。图1机器人活塞吸盘结构图这款机器人在总体结构上轻巧，简单，把玻璃清洁机器人两个最重要的部分吸附机构和擦洗机构巧妙地融合在一起，减少了以其它动力来实现这两种功能的复杂性，具有很好的研究前景。3驱动机构和擦洗机构31驱动机构分析311驱动方式80年代以来，自动化、省力化得到迅速发展。自动化、省力化的主要方式有机械方式、电气方式、电子方式、液压方式和气动方式等。这些方式都有各自的优缺点及其最适合的使用范围。实际应用中必须对各种技术进行比较，扬长避短，选出最适合方式或几种方式的恰当组合，以使系统更可靠、更经济、更安全、更简单。表1各种传动与控制方式的比较机械方式电气方式电子方式液压方式气动方式驱动力不太大不太大小大稍大驱动速度小大大小大受负载影响几乎没有几乎没有几乎没有较小大维护简单有技术要求技术要求高简单简单远程操作难很好很好较良好良好综合表1的比较，且由于机械驱动方式结构复杂，重量重，与前面吸附方式不合适，所以排除。吸附机构没用汽缸，固驱动方式也不用了。再则，与前面的水射流式吸附方式匹配，我们用液压方式驱动，只是把所用的油改成水。这种特殊的驱动方式结合了液压驱动原理和水的功能，做到了水既是清洁剂，又是动力源。312运动过程控制原理分析机器人采用清洁水来驱动，其控制过程如图2所示运动过程分析（1）2YA通电，工作腔1进水，满后，2YA断电，与此同时，1腔里的水经射流发射器喷出，带走里面的空气，形成负压，使得吸盘A吸附在玻璃上。（2）此时，4YA通电，3腔进水，满后，1YA通电，使2腔进水，推动活塞杆A向前移动，拉动吸盘B往前移动，活塞至中间位置后，压下行程开关。（3）此时，1YA，4YA断电，3腔再次水满，3腔水经水射流发射器喷水，产生负压，吸住吸盘B3YA4YA1YA2三三2XO三三三三2X图2控制过程驱动图（4）此时，2YA通电，1腔进满水后，3YA通电，使4腔进水，推动活塞杆B前进，使其推动吸盘A前进，活塞杆至中间位置后压下行程开关，2YA，3YA断电，此时1再次充满水，再射流，如此循环下去，实现机器人的爬行运动。电磁铁的动作表21YA2YA3YA4YA1腔进水1腔水满射流3腔进水2，3腔同进水3腔水满射流1腔进水1，4腔同进水1腔水满表2为电磁铁动作表，通过此表可以看出工作中液压系统的基本回路。313外形尺寸选择因吸盘带有活塞杆，我们把吸盘设计成长方体，为减轻整体重量，尽量把它设计简单，轻巧，受力面积相对厚度尽量大，使负压大，重量轻，保证机器人牢牢吸附在玻璃上。则所选尺寸如下长L150MM，宽B100MM；厚H40MM，壁厚H10MM；设计行程为S50MM其它尺寸选择活塞厚D30MM，杆截面取矩形，长L30MM，宽B15MM两个拖把直接连接在吸盘的外壁上，体积与整体结构相配合，重量轻。314小结在驱动结构设计和规划中，重点介绍了机器人的驱动方式，通过液压方式的驱动系统原理介绍，运动规划图来详细介绍所设计机器人。32擦洗机构分析由于考虑到机器人领域的整体复杂性，而且本机器人的主要目的是为了实现机器人的吸附和爬行运动。擦洗机构就用两个拖把固定在机器人的外壳上，随着机器人的运动而运动但必须保证吸盘吸附时，拖把能紧紧贴在玻璃上，实现擦洗功能。这样的话，拖把在生产与安装上都要达到一定制造精度和配合精度，实现把玻璃擦干净。由于水往机器人两侧喷水，擦洗机构也就固定在吸盘两侧。4其它元件选择41密封机构由于玻璃平面有一定程度的凸凹不平，机器人在移动过程中就必须实现吸盘的可靠性密封，这就要求密闭机构要有一定的防泄漏能力，为此，设计一种密闭结构安装在矩形吸盘的四周，它由铝片和橡胶片组成。如图5图3密封示意图不但吸盘与玻璃壁之间要有密封机构，活塞与吸盘之间也要有密封，选用型密封圈，因为它具有良好的密封性能，耐高压，寿命长，通过调节压紧力，可获得最佳的密封效果。主要用与活塞杆的往复运动密封。42换向阀和溢流阀的选择在液压控制机器人的运动过程中，必须选用一些液压控制阀来控制机构运动。首先，选用一个O型三位四通电磁换向阀，不通电时，P,A,B,T四口全封闭，电磁铁通电后，所对应的管口就接通，进行工作。其次，还选用一个直动型溢流阀，它可以起到调压，稳压和限压的作用。再次，选用两个行程开关，它配合电磁换向阀来工作，使提供吸附作用的水和驱动机器人移动的水完美结合使用。5总结目前高楼玻璃幕墙清洗机器人在我国大多只是应用在试验室阶段，并没有具体作为产品推广，而国外已经开始投入具体实际应用。因此，国内清洗机器人有十分广阔的应用前景，尽快研制出一种能真正投入实际应用的清洗机器人就显得十分必要。本文针对国内高楼玻璃幕墙的清洗现状，结合高楼玻璃幕墙清洗作业的具体工作环境，开发设计出了一种专用于高楼玻璃幕墙清洗的水射流式清洗机器人，该清洗机器人具有结构新颖、安全可靠、重量轻、效率高的特点。本文主要进行了以下几个方面的工作并得出了结论1，设计出了一个完整的水射流式清洗机器人系统。整个系统包括结构设计、驱动系统设计、擦洗机构分析。对机器人作业中的具体行走路径进行了规划，并对整个机器人运动的液压控制原理进行了分析，来保证机器人的正常工作。2，与传统的机器人体积大，结构复杂，需要配备一个大大的气泵相比，本机器人充分运用水的功能，既作为清洁剂，又是动力源。3，对系统中的主要元器件进行了参数设计及选型，并详细介绍了其主要性能参数。参考文献1王园宇，武利生，李元宗壁面清洗机器人发展趋势浅析引进与咨询【J】200242陈沛富玻璃幕墙清洗机器人设计研究【D】重庆大学200653宗光华高层建筑擦窗机器人技术与应用【J】1998204杨其嘉机器人清洁工现状及未来环境导报【J】199435朱龙根简明机械零件设计手册【M】机械工业出版社