高层楼宇墙壁自动清洗机行走机构设计及性能仿真

1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)高层楼宇墙壁自动清洗机行走机构设计及性能仿真HIGH-RISEBUILDINGWALLSAUTOMATIC WASHINGMACHINE RUNNINGGEAR DESINGAND PERFORMANCESIMULATION学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期：年月日学位论文版

2、权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名：日期：年月日 日期：年月日摘要本文首先介绍了国内外爬壁机器人的研究现状及发展趋势，阐明了本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍本高楼自动清洗机器人总体结构和各部件方案的选择，并在此基础上进行了高楼自动清洗机器人的机

3、械结构的设计计算，主要包括框架设计、电机选取、爬行机构设计、转向机构设计，清洗机构中连杆机构设计以及轴和轴承的设计校核等。关键词: 清洗机 ；爬壁机器人 ；自动机构 ；设计AbstractAutomatic washing machine of skyscraper is part of the development of robot. Its controlled by computer, which is used to achieve path planning, complete position and stance operation, etc. At the same time

4、, it displays the robots position and stance, sends a series of order to PLC. It also used the technology of sensor and trace. Furthermore, the operation of this robot is easy and convenient.In this paper, at first, research condition and development tendency of this robot is described. And then, it

5、 lays out the purpose and importance of this subject. Finally, it mainly introduced this robots whole mechanical structure, concluding frame design, motor selection, climbing structure design, steering structure design, mechanical linkage designs, the design and checking of shaft and shaft bearing e

6、tc .Keywords: washing machine wall-climbing robot automatic structure design目 录1 绪论11.1课题研究的背景21.2 爬壁机器人的分类21.3目前国内外壁面清洗机器人发展状况及趋势2国外壁面清洗机器人发展状况21.3.2 国内壁面清洗机器人发展状况51.3.3 壁面自动清洗机器人的发展方向62 方案原理的设计82.1 总体方案的选择及说明82.1.1 各种方案的比较82.1.2 总体方案实现的性能要求9总体方案实现系统组成框图92.2 各部件选择及说明11爬壁机构的方案选择及说明112.2.2 真空吸附装置的选择及

7、说明122.2.3 行走机构的工作原理说明14清洗机构的工作原理及说明152.3楼顶辅助系统说明153 设计计算163.1框架设计以及重量估算163.2 电机选取163.3谐波减速器选取18柔轮与刚轮的设计18波发生器的设计20柔轮的校核213.4爬行机构设计23直齿轮设计23轴的设计26锥齿轮设计273.5转向机构的设计29第一对齿轮设计29第二对齿轮设计323.6按承载能力设计机架总体尺寸及吸盘吸力363.7清洗机构中连杆机构的设计373.8钢丝绳的设计及滑轮选取373.9轴的设计及校核373.10轴承的选择及校核394清洗爬壁机器人UG仿真. 40 4.1 UG软件仿真简介. 40 4.

8、2 UG 有限元分析. 404.2.1 机器人移行走构有限元分析 . 404.2.2 机器人Z 向气缸有限元分析 . 424.3爬壁清洗机器人UG机构分析 . 434.3.1 机器人清洗机构动力学分析. 434.3.2 机器人移动机构动力学分析. 444.3.2.1 Z 向气缸动力学分析. 454.3.2.2 X 向和Y 向气缸动力学分析. 464.4本章小结. 47结论48致谢49参考文献501 绪论随着社会的进步，物质文明的发展，人口膨胀，一座座高耸入云的大厦应运而生。可是随之而来的问题是如何保持大厦的清洁，使整个城市焕然一新，为我们提供一个良好的生活环境。为了解决这个难题，许多国家开始着

9、手研究，提出了多种方案，当然，人们最先想到的是靠人工擦洗，但人工擦洗工作效率低，劳动强度大，而且危险系数很高，于是擦窗玻璃机产生。但它的适应面非常窄，需要凭借人的操作以及开启窗户。人们于是又转向了研究机器人，来进行高楼清洗。“机器人”体现了人类长期以来的一种愿望，即用一种具有拟人功能的机器，来代替人去进行各种活动。早在三千多年前西周时代，有个叫偃师的工匠，就巧妙的制造了一个能歌舞的称为“倡者”的“机器人”。虽然它实质上是一个木偶，但这也许是文献记载里最早的“机器人”的雏形。在二千多年的东汉时代，张衡发明了指南车，在车辆运动过程中木人的手总会指向南方，这是世界上最早的移动式“机器人”的雏形。传说

10、中三国时，诸葛亮创造了木牛流马，是另一种移动式机器人。说明了中国追求机器人实现的努力由来已久。人类加入近代之后，随着产业革命，各种机械装置的发明和应用，日本、西欧等国家出现了精巧的“机器人”玩具。这些装置大多由时钟机构驱动，用凸轮和杠杆传递动力。1920年捷克剧作家K.凯比可在他的科幻情节剧罗沙姆万能机器人公司中，第一次提出了ROBOT这个词。进入50，60年代后，随着机构理论和数控伺服技术的发展，机器人进入实用化阶段，到70年代后，随着计算机技术，控制技术，传感技术和人工智能技术的发展，使得这两种机器人在技术水平和应用领域方面得到迅猛地发展。高楼自动清洗机是机器人在高楼清洗上地运用。爬壁机器

11、人是机器人领域的一个新兴研究方向，正式的研究始于20世纪80年代中期，经过近20年的发展，爬壁机器人的研究已取得了很大的进步，并逐步走向实际应用。尤其是高层建筑壁面清洗机器人，由于清洗行业的迫切需求，世界各地很多国家都在竞相研制，然而现有的壁面清洗机器人往往因为结构复杂、适应性差、成本高等多种原因而最终很难大规模地进入实际使用。在国内,爬壁机器人的研究虽然比较晚，但发展比较迅速，上海大学从1987年开始在上海市科委和国家863地支持下，率先从事爬壁机器人的研究。此后哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学等单位也相继开展了这方面的研究，目前已取得阶段性的成果。其中北京航空航天大学机器人研

12、究所研制的擦窗机器人，在爬壁机器人载体方面有重大的创新。由于所学知识十分有限，经验不足，设计过程难免会出现不正确或不够完善的地方，还望各位老师多多指正，不胜感激！1.1课题研究的背景在现代都市中，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。这些高楼的壁面多采用瓷砖和玻璃幕墙作为装饰，有的还要敷设铝塑板等，这些装饰材料美观、漂亮，但是时间一长，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。可见清洗高层建筑外墙将来可能会成为各清洁公司的主要业务。长期以来，对高层建筑的清洗工作主要是由人工完成的。传统常用的幕墙清洗方式无非是“人工吊板”或“

13、人工吊篮”。前者利用一条简陋的绳索悬挂木板载人擦拭（即我们通常所说的“蜘蛛人”），不仅效率低，而且易出事故。后者利用吊装机悬挂吊篮载人擦拭，相对较为安全，但前期设备投资较大，清洗成本高。因此，人们迫切希望能设计制造出一种可以代替人工完成高层建筑清洗任务的装置，于是，高层建筑清洗机器人应运而生。壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人。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。但由于现代建筑艺术的个性化讲究，所以清洗作业的自动化仍面临着来自对象化

14、的巨大挑战。1.2 爬壁机器人的分类壁面清洗机器人是以爬壁机器人为基础开发出来的，是爬壁机器人的用途之一。机器人能够在壁面上自由移动，必须具备两大机能，即吸附机能、移动机能。一般来讲，爬壁机器人主要按吸附机能和移动机能来进行分类。按照吸附机能分类，爬壁机器人可分为:真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。按照移动方式分类，爬壁机器人可分为车轮式、履带式、多层框架式和腿足式。根据不同的贴附方式和移动方式可以组成多种不同功能和用途的爬壁机器人。如单吸盘真空负压式爬壁机器人，负压吸附履带式爬壁机器人，电磁吸附多足式爬壁机器人，永磁吸附车轮式壁面移动机器人，靠螺旋桨产生推力的推力附着轮式壁面移动机器人等。每一

15、种形式的爬壁机器人都各有其特点，分别适用于不同的场合，选用时需根据具体的使用条件进行不同的选择。鉴于建筑物壁面的非导磁性，所以壁面清洗机器人多采用真空吸附方式，由风扇、空气压缩机等真空发生设备在机器人和墙壁的接触面间形成负压，依靠压差使机器人吸附在墙壁上。1.3 目前国内外壁面清洗机器人发展状况及趋势1.3.1 国外壁面清洗机器人发展状况1) 单吸盘爬壁机器人发展概况1966年日本大坂府立大学工学部的西亮讲师成功制作了世界上第一台垂直壁面移动机器人的原理样机，并于1975年制作了以实用化为目标的第二号样机,如图1-1所示。该机器人采用单个大吸盘结构，利用电风扇产生的吸附力，使机器人可靠贴附在壁

16、面上；利用履带机构实现爬壁机器人在垂直壁面上进行移动。1978年开始，日本化工机械技术服务株式会社就致力于壁面移动机器人的研究，研制成功了核电站炉心内壁上附着清扫机器人，该机器人采用单吸盘结构，由抽气泵产生负压，吸盘周围是弹性物质，以顺应壁面的凹凸但自身无行走能力，靠上面的绞车拖动，此后，该公司又研制一种叫“WALKER”壁面移动机器人，如图1-2所示。L41-Ij1“walker”自身具有行走能力，它由上下两个行走滚子和左右两个行走带驱动行走，真空室由滚子和皮带自然围成，通过左右滚轮和皮带的速度差实现转向。2000-2001年，美国ultrastrip公司开发了一种单吸盘吸附式喷漆机器人，如

17、图1-5所示。该机器人利用中央吸盘吸附在壁面上，电机驱动车轮带动机器人运动，机器人本体上装有喷头，实现对船体、墙面等壁面的喷漆作业。图1-1 西亮的二号机器图1-2 “walker”机器人图1-3 喷漆机器人2) 多吸盘爬壁机器人发展概况1988年，日本化工机械技术服务株式会社在成功研制“walker”机器人的基础上，研制成功了多吸履带式式真空吸附爬壁机器人“VACS”,如图1-4所示。它的主要技术特点是在履带上做出多个独立的吸附室（小吸盘），当某个吸附室与壁面相接触时，它就自动与真空管路相连而形成真空腔；而当吸附室与壁面脱离时，能自动与真空管路断开而连接大气。每个吸附室的真空均由各自的真空发

18、生器产生。“VACS”左右各有一条履带，两条履带中间有一个中央吸盘，用以实现机器人大角度转向，这种结构的爬壁机器人具有移动连续、吸盘不易磨损、对壁面适应性强等优点。但是，机构复杂，日本关西电力综合技术研究所已用该技术做出了“混凝土建筑物的壁面检查机器人”，如图1-5所示。1992年，Nagoya大学开发了多吸盘可变结构履带移动式爬壁机器人，如图1-6所示。该机器人在变结构的履带上配备有多个真空吸盘，多个吸盘集中供气，由特殊设计得机械式接触阀，保证吸盘与壁面接触时，吸盘与真空发生装置相连，吸盘与壁面脱离时，吸盘与大气相连；机器人本体上装有驱动电机、转向电机和改变履带式形状得变形电机，通过三个电机

19、的不同组合，机器人能够在曲面上的稳定可靠爬行，并且可以改变运动方向，翻越障碍等。图1-4 “VACS”爬壁机器人图1-5 壁面诊断机器人图1-6可变结构履带式爬壁机器人图1-7日本工业技术院的机器人1993年，日本工业技术院的似野智昭研制了另一种形式的壁面步行机器人，如图1-7所示。该机器人由两条足端装有五个吸盘的额脚足机构组成，每条腿可以绕另一条腿旋转，不同的旋转角度就形成了机器人的直线和转向运动。机器人可以在壁面上实现全方位移动和越过一定高度的障碍。1986年，美国国际机器人公司研制了用于清洗摩天大楼的爬壁移动机器人“SKYWASHER”,如图1-8所示该机器人的移动由两组L型手臂相对滑动

20、，交替吸附来实现。该机构可实现直线运动和横向运动，并可跨越一定的障碍。图1-8 “SkyWasher”爬壁清洗机器人英国南岸大学从八十年代以来，一直致力于爬壁机器人的研究。近年来在研制出四足壁面步行机器人Robug的基础上，又开发了Robug爬壁机器人，如图1-9所示。该机器人有八条腿，类似巨型蜘蛛，它可负重100，能进行地面到壁面、壁面到天花板等多种工作中工作面之间的转换，能够跨越楼梯等障碍。3) 磁吸附爬壁机器人况发展概如果壁面材料为导磁材料时，采用磁吸附有很大的优点。1984年，日本钢管株式会社(NNK)开发了车轮型磁吸附爬壁机器人，如图1-10所示。它可以吸附在各种大型构造物上，如:油

21、罐、船体等，用于代替人工进行检查或修理作业。图1-9 Robug爬壁机器人1989年，日本东京工业大学的广濑茂男等人研究了吸盘式磁吸附爬壁机器人，如图1-11所示。吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘壁面的要求依然很大，并且在遇到壁面的突起或焊缝时，可以让吸盘一个一个地翻越，保证机器人运动平稳和吸附可靠。图1-10 车轮式磁吸附爬壁机器人图1-1吸盘式磁吸附爬壁机器人1.3.2 国内壁面清洗机器人发展状况在国内爬壁机器人的研究虽然比较晚，但发展比较迅速，上海大学从1987年开始在上海市科委和国家863地支持下，率先从事爬壁机器人的研究。此后哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学

22、等单位也相继开展了这方面的研究，目前已取得阶段性的成果。图1-12 上海大学壁面清洗机器人上海大学特种机器人技术研究室开发研制了多层框架、多真空吸盘式爬壁机器人系列，如图1-12所示。该机器人由三层框架组成，内外框分别可以相对于中间框架作直线运动，中间框架带着外框架可作相对于内框架的回转运动，内外框架上各装有四个真空吸盘，通过内外吸盘的交替吸附使机器人在壁面上自由运动，最大工作移动速度7.0m/min,自重50。负载能力55，越障能力60，采用无线射频遥控操作。2001年，该机器人研究室成功开发了一种新型单吸盘轮式爬壁机器人。2002年，又成功开发了一种球形爬壁机器人。图1-13 哈工大壁面清

23、洗机哈尔滨工业大学先后研制了两种类型的爬壁机器人，一种是单吸盘轮式驱动爬壁机器人；另一种是磁吸附履带式爬壁机器人。真空吸附式爬壁机器人采用全方位车轮机构，在机器人本体方位保持不变的情况下，机器人能够沿任意直线移动，该机器人自重20，负载能力15，移动速度0-2m/min，采用微机控制和有线遥控。磁吸附履带式爬壁机器人采用呈圆弧形的永磁体提供贴附力，由电机驱动左右履带实现机器人的移动。2000年哈工大机器人研究所在原开发的壁面清洗机器人的基础上与中国蓝星化学清洗总公司合作成功开发了“蓝色超人”壁面清洗机器人，如图1-13所示。图1-14 十字框架型壁面清洗机器人北京航空航天大学机器研究所研制了壁

24、虎系列爬壁机器人，如图1-14所示。该机器人采用双层十字框架本体结构，通过十字架之间的相对运动，完成机器人的上下、左右运动，八只吸盘分两组与十字架相连，通过吸盘的交替吸附实现机器人的贴附和移动功能，通过吸盘相对于壁面伸缩运动，实现机器人的越障功能。1998年，该研究所又开发了一种新型的擦窗机器人，它借鉴了航空技术，机器人主体部分为一涵道风扇，由电机驱动产生指向壁面的推力，使机器人贴附在壁面上，通过装在楼顶的缆绳拉动，实现机器人的上下运动，其移动部分不带动力。图1-16 油罐容积测量用爬壁机器人图 1-15蓝天洁士2002年，该机器人研究所为上海科技馆开发生产了“蓝天洁士”玻璃幕墙清洗机器人，如

25、图1-15所示。该机器人由搂顶随动分系统、地面支援分系统和机器人本体三部分组成。上海交通大学研制了履带式磁吸附式爬壁机器人，如图1-16所示。该机器人主要用于测量储油罐中油品的容积，根据测量要求，机器人本体上装有位置及姿态传感器，为防止机器人从壁面上脱落，采用了载荷分散机构。1.3.3 壁面自动清洗机器人的发展方向目前,壁面自动清洗机器人成为国内外的一个研究热点。从实用化和产业化的角度出发，壁面清洗机器人的主要研究方向为：1) 高清洗效率的壁面机器人。一方面开发出新的壁面清洗装置，清洁、高效的清洗壁面；另一方面开发出高效的清洗装置的载体（即机器人本体），提高机器人的机动性、灵活性。2) 对壁面

26、广泛适应性的机器人,以满足特殊壁面的清洗要求。3) 合理的性价比、高可靠性和通用型性的壁面机器人。2 方案原理的设计2.1 总体方案的选择及说明2.1.1 各种方案的比较。4.4本章小结利用UG 软件中的CAE 运动分析模块，对清洗机器人的各个机构进行了有限元与机构分析，研究结果可知，各零部件之间没有干涉，运动稳定，在理论上证实了了机器人行方式的可行性。结论本次设计的高楼自动清洗机选用了一种最典型的爬行机构-三层框架式爬臂机构，采用真空吸附方式该机构可以实现壁面的吸附功能。1）该机构行走灵活，自重设计为55kg，允许负载50kg，允许最大的行走速度为7m/min。对壁面的适应性较强。通过该机构

27、，清洗机可以在竖直壁面实现平稳的爬行和任意角度的转向，能够实现对壁面的全面清洗。2）本次设计在爬行机构传动中选用了谐波减速器，谐波减速器的谐波传动利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力，其体积不大，但是精度却很高。3）设计的过程中主要考虑了各零部件的定位和结构设计以及正确的安装。通过大量的数值计算，保证各个部件（包括轴、齿轮、蜗轮、蜗杆等）的合理性。为以后的改进提供了数据基础。当然，本次设计中还有很多地方没有考虑到。该自动清洗机只是在一种假设的光滑的壁面的情况下才能进行工作，对墙壁有凹凸不平有障碍物或裂缝等情况还需进一步的研究改进。致谢参考文献1 赵言正.全方位壁面移动机器人系统的研究 D

28、.哈尔滨：哈尔滨工业大学，1992.2 刘琦.玻璃幕墙清洗机器人控制系统研究 D.上海：上海大学，2004.3 西村文维.真空吸着壁面自走车(VACS) J .油空压技术,1988,No.11 Vol.6：111-1214 A .Nagakubo,S.Hirose.WAIing and running of the quadruped wall-climbing robot. Proc. of IEEE int. conference on robotics and automation. 1994:1005-10125 Patrice Kroczynshi, Brian Wade. The

29、skywasher: A building washing robot J . Proc. of 17 international sym. On industrial robots. 1987:11-196 B.L. luk, A.A. Collie et al. Robug II: An intelligent wall climbing robot. Proceeding of the 1991 IEEE int. conf J. On robotics and automation.1991:2342-23477. Jack.Hollingum. Hazardous climb to industrial recognition. Industrial robot J Vol.24,No.2,1997:135-1398 柳春辉，赵言正等. 爬壁机器人技术及应用机器人技术与应用 J .No.2；1996：4-79 谈士力，沈林勇等，垂直壁面行走机器人系统研制.Vol.18,No.4;1996:232-23710 谈士力.爬壁机器人系统设计及仿真 D.上海：上海科技大学，199