小型壁面清洁机器人

小型壁面清洁机器人

一、课题研究目的

清洗爬壁机器人的使用将大大改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有一定的社会、经济意义

与广阔的应用前景。而目前用于这方面的设备上没有得到很好的解决，特别在载体方式方面，世界上有

很多国家都要开展了这方面的研究工作。本项目开展了新型载体方式的清洗爬壁机器人的研究，本课题

的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命，也为爬壁机器人载体方式提供

了一种新的方式。

二、课题背景

传统的壁面清洁机器人，吸附方式多为负压吸附、真空畋附与磁吸附。磁吸附方式，其适用范围

窄，通常不能实现无缆化。而真空吸附与负压吸附，假如吸附表面有一定的障碍或者不平整，其吸附效

果会大大降低。

八壁面清洁%器人的研究开始向更广泛的多学科交叉进展。其涉及更多的学科领域，包含建筑学、机

械学、电子学、吸附技术、操纵技术等。

随着应用领域不断扩大，要求轻量化、小型化与清洁高效化。因此，家用或者准家用擦窗机器人越

来越受到重视，并呈现出很好的进展前景。高层建筑清洗业也会得到蓬勃进展。建筑物的清洗自动化与

现代化成为进展的必定，机器人技术在此领域的应用逐步会得到表达。高性能、高可靠的机器人产会随

看自动化技术、传感器技术与无线遥控技术的迅速进展逐步应用于各类场合，不久的将米，人类将从繁

重的体力劳动与高危险性作业中解脱出来。

三、课题研究要紧内容

本课题要紧研究对象是具有清洁功能的爬壁机器人。其中，对清洗机器人的共性问题一附着技术、

清洗技术进行了较为深入的研究,

本文的要紧研究内容如下：

第一、对壁面清洁机器人吸附技术进行了研究与创新。在总结往常的壁面清洁机器人吸附技术的基

础上，引入全新的基于正压吸附原理的吸附技术，将正压原理与负压原理相结合，使其壁面习惯性强，

越障更加容易实现。

第二、对壁面清洁机器人清洗问题进行了研究。将其清洗方式定位为干擦与湿擦相结合的方式。干

擦却清理灰尘的功能，同时离心风叶不断的抽空气，使其通过过滤网，又起到滤尘的作用。湿擦即有水

擦洗，有污水回水装置。并带有湿刷抬起装置，可将湿刷抬起，单独进行干擦。

第三、对壁面清洁机器人移动方式进行了研究。使用四轮驱动，两侧单独驱动，可灵活前进、后退

及转弯。

第四、对壁面清洁机器人的整体构型及设计原则进行了研究。在保证要求强度及要求指标的前提

下，合理设计其构型，力求用最简单、最可靠且重量最轻的构型来达到规定要求。

第五、对壁面清洁机器人的操纵进行了研究。使用无线遥控技术，发射机发射信号，接收机接收信

号，进行相应动作。

四、结论

(—)创新点

本设计使用加负压结合的吸附方式。

螺旋桨通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨叶扭角向后推空气产生的反作用力共同作用，产生

指向壁面的止压力；内部离心风叶，高速旋转，将内腔中空气沿径向导出，使腔内外形成一定压差，

在外表面上产生指向壁面的负压力。同时'其也起到吸尘的作用，携带灰尘的空气通过滤网后可将灰

〜螺旋桨与离心风叶共同旋转.正、负压吸附有机结合，共同作用于机器人本体，产生足够大的摩

擦力来克服自身重力，使机器人吸附在壁面上。这种方式吸附力强，壁面习惯性好，越障容易，以能

够弥补单一吸附所带来的不足，达到良好吸附效果。

(二)特色

1.清扫方式，使用滚刷清洁，效率及消洗效果较其他类清洗方式更好“

2.本设计使用四轮推进方戈其操纵及运动灵活，操作方式,宜于操作。

3.本设计配备干擦与湿擦两种功能，习惯面广。并设计有吸水刷抬起机构，人性化设计，只需用

手招起，即可单独执行吸灰功能,

4.本设计使用遥控方式操纵其前进、后退与转弯，操作灵活，人机交互性好；而且可遥控操纵螺

旋桨及离心风叶的转速，继而灵活地调节其吸附力，以习惯不一致的场合。

5.本设计综合运用机械、电控等领域的技术，具备机、电相结合的特点，符合现代机械行业进展

趋势。

本项目在继承传统吸附方式的同时，引入正压吸附，这不仅丰富了壁面机器人的吸附技术，弥补吸

附方式的不足，同时也对吸附技术朝更深层次领域进展起到了推进作用，为正压吸附领域的研究奠定了

一定基础。

（三）项目总结

本项目的目的在于提供一种基于正负压吸附原理的，结构简单，具有一定壁面习惯能尢的，能够遥

控的小型壁面清洁机器人。

一个有用的壁面清洁机器，要能良好的吸附于接近垂直的壁面；要有良好的移动方式，以便于高效

率作业；要有良好的清洁方式，以便「达到完全清洁的目的。

1.功能要求

（1）能够牢固地吸附于壁底上；

（2）能够在有一定曲率半径或者有一定障碍的壁面行走;

（3）能够灵活的前进、后退与转向；

（4）能够达到高效率清洁的目的。

2.基本参数如下

（1）基本尺寸：长400nlmX宽高200mm；

（2）整体重量：6千克；

（3）工作壁面：玻璃壁面与墙面；

（4）载体方式：正、负压吸附原理相结合；

（5）移动方式：四轮驱动；

（6）移动速度：10m/min,可调速；

（7）操纵方式：遥控；

（8）越障能力：可跨越151ml下列的障碍。

3.具体实现方案

本项目从整体上来说，分为五部分，如下所示。

机器人本体

清洁部分|

吸附部分推进部分操纵部分

正负压相结四轮驱动干、湿擦结I遥控

图1机器人本体正视图图2机器人本体后视佟

各部分的实施方式与关键点如下：

（1）吸附部分

吸附技术是本项目的关键技术。此处使用正压吸附原理与负压吸附原理相结合的吸附方式。

正压吸附，即通过在机体外表面安装螺旋桨，通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨扛角向后推空

气产生的反作用力共同作用，产生指向壁面的正压力，通过螺旋桨传递到电机，继而传递车体，使车轮

与壁面产生摩擦力来克服重力，以达到吸附的目的。而且正压吸附能降低机器人对作业表面属性的依靠

程度。

图4螺旋桨实物

关于螺旋桨产生的正压静拉力大小可由下式计算:

式中：

丁为静拉力，单位为克；

产为螺旋桨的桨距，单位为英寸；

。为螺旋桨的直径，单位为英寸；

为螺旋桨的转速，单位为千转/分钟。

表1各型号桨静拉力计算

转速KRP

编号参数桨距P（英寸）直径I）（英寸）静拉力T（g）

(r/min)

161380002391.7

281380003189.0

361480002987.2

481480003982.9

581580004898.9

上面表1列举了几种不一致参数的螺旋桨所产生的静拉力的数值。由此能够看出，只要选好一定参

数的桨，使其达到某种转速时，即可达到所要求的静拉力。

负压吸附，即内部安装有离心风叶，高速旋转，将内腔中空气沿径向导出，使腔内外形成一定压

差，在外表面上产生指向壁面的负压力，同样也使车轮与壁面产生摩擦力来克服重力，达到吸附目的。

负压吸附技术是利用真空原理进行吸附的，使用离心式风机作为真空发生源，真空度通常在2kpa-15kpa

之间，

图8主电机图9无刷电子调速器

配合电机选用无刷电子调速器，其特征及技术参数如下所示。

无刷电子调速器要紧

特性与功能如下：

・电调功能设定简

单，操作方便.

•油门行程会自动

设定，线性极好，具

有平滑细腻的手感

•安全通电功能，

接通电源时不管遥控

器的油门摇杆在任何

位置均不可能立即启

动电机，防止电机突

然旋转伤人。

•防堵转设计，电

机出现堵转时自动切

断电源避免电调损

坏。

•调制频率

(PWM):8KHZ

•超温保护

110℃o

•遥控信号丢失3

秒后自动关断。

・能够连接编程

卡，容易地设定电调

的各类参数。

・具有两种设置模

式以满足不一致磁铁

极数电机的要求。

a：软模式适合普通

电机(2,4,6

极)提供最大效率

b：硬模式适合6极

或者更多极数电机

提供最高转速与电流

产品名称：HiModel

60A无刷电子调速

器

厂家编号:FLY-60A

重量:35g

尺寸：22X18X5nm

标准电流：60A

最大电流:70A（10

秒）

BEC输出：无（需另

配LBEC）

输入：2-6节锂电

池，或者6-16节银

氢电池

离心风叶内工电机螺旄桨

图10机器人本体剖视图

综上所述：正压力与负压力共同作用，产生拉力为约为280N,取橡胶车轮与墙面的摩擦系数为

0.3,则可使重量为8.4Kg的车体吸附于壁面。即项目所设定机器人本体重量满足要求。

（2）推进部分

这里使用四轮驱动。机器人本体左、右侧单独驱动，四轮皆可产生有用的摩擦力来克服重力。当两

侧速度相同时，可实现直线前进与后退。当两侧速度不一致时，可实现转弯。

前后车轮装配图如图所示。其中车轮表面要求齿状挂胶处理，以增加其表面与壁面的摩擦力。

图12从动轮装配图

车轮电机配制有CSKJ无级弓子调速器，可制电机速度大小及方向，其产品特性及参数如下。

CSKJ比例遥控双向带刹无级电子调速器使用微处理器为操纵芯片，智能化处理信号，利用软件优

化，提高了抗干扰能力。

刹车功能。打油门是刹车，回中，再反打油门即可倒车。前进一一刹车一一回中一一后退。

运转平滑性。出功率为PWM调制，调制频率为3KHz,极大地提高了马达从低速到高速的运转平滑

性，特别是低速时，马达的运转线性非常平滑。

低内阻输出。精心选择的低内阻大功率场效应管，确保动力澎湃。

体积：45mmx35mmx23mm

重量:55g

持续电流：前75A后75A

瞬间峰值电流：150A

内阻：4亳欧-即0.004欧

工作电压:5V17V

BEC:5V/1A

图13CSKJ比例遥控双向带刹无级电子调速器

（3）清洁部分

机器人本体内部配有十擦与湿擦双清洁结构。

干刷旋转时，将壁面的灰尘扫起，同时离心风叶又起到抽气吸尘的作用，将灰尘吸起通过过滤网将

其过滤收集。

湿擦为有水清洗，湿刷与海绵材料制作，带水擦洗，污水沿壁面流下，流经吸水转子将水收集，并

与挤水柜子相挤，将污水挤出，回收到污水收集箱。

当壁面只需要扫灰而不需要带水清洗时，可将湿刷停转，将吸水辐子沿槽抬起，在结构上设计有卡

槽，将吸水辑子移动到卡槽内，并用弹簧卡住固定，如今只进行干擦洗。

图14机器人内部结构视图图15抬起机构局部视图

湿刷电机选用德国冯哈勃Faulhaber空心杯减速电机2342L012,电机通过联轴器连接有蜗轮蜗杆减

速器减速，通过齿轮传动将动力传递至湿刷。电机参数如下。

FAULHABER

2342L012S

图16德国汨哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012

工作电压：12V

空载转速:8100RPM（转每分钟）

减速后速：120RPM（转每分钟）

直径：30mm

电机长度:42mm

总共长度：85mm

出轴直径：6mm

出轴长度：35mm

输出功率：17W

空载电流：75mA

堵转电流：1400mA

减速箱型号：口本定制（全金属精密行星减速箱）

减速比：64：1

（4）操纵部分

本机器人使用遥控操纵。操作人员可在地面进行操作。

根据实际壁面的情况来调节螺旋桨与风叶动力电机的转速，继而提高吸附力，以习惯不一致壁面要

求；也能够遥控调节其左右侧推进电机的转速来实现前进、后退与转向；调节湿刷与喷水的频率，来习

惯不一致壁面的清洗。

发射机

接收机

（5）安全保护部分

在垂直壁面上吸附作业时，为避免其滑落，需要有保险装置对这种意外情况实施保险，।中

者屋顶提供保险绳作为安全保险措施。1号电子调速器|2号电子调速器|

主电机左车轮

图17机器人吸附于表面的图片

五、问题、体会与收获

壁面清洁机器人技术作为多学科交叉的特种机器人技术，尚有诸多共性问题亟待进一步研究。

1、机器人载体设计中的通用性技术的深入研究，如吸附技术、能源供给技术、新材料、多传感

器融合技术等，使壁面清洗机器人设计做到面向对象与通用性相结合。

2、对机器人路径规划器之间的问题应作深入的研究，找到适合于机器人作业的路径规划方法。

3、针对壁面清洁机器人样机应进一步提高其工作效率，减轻载体重量，并进行结构简化，以求

具有更加良好的习惯性与机动性,

在项目进展过程中，我们体会最深就是创新。所谓创新，既要求所做的项FI要求一定的创新性，

要不一致于以往，要有所突破，也能够有所借鉴，不仅所提出来的思想要新，而且要有可行性。好的

东西保留，不好的东西舍弃，并将这些东西合理地运用在自己的项目中去，通过一定的努力去将事实

上现。这就是我们所懂得的创新,

本项目从设计到制作的过程中，发现理论与实践有较大差距。有的时候我们所想象出来的办法或

者结构，尽管想的很好，但是与实际脱凯。当我们带着兴奋而又紧张的心情，拿着辛辛苦苦画好的图

纸来到工厂准备加工时，工人师博往往都在看后，给我们的设计指出了很多的错误，需要做较大的改

动，由于有些零件是不合理的或者根本加工不出来的。比如，我们最初的设计方案为六轮驱动，但是

从重量与结构稳固性方面考虑是不合理的，因此经师傅们指点改为了四轮驱动。由此我们体会到，设

计零部件时不仅要从整体上考虑，而且还要结合加工手段及工艺来设计。

关于方案的确定，充分合理的调研是很重要的。好的方案确定需要反复的调研与比较。在最初立

项时，我们查阅很多论文及专利.参观了一些基于负压吸附的机器人，在充分熟悉其性能与各项功能

的司时，还要考虑其优缺点，比如缺点是负压只适合平整壁面，磁吸附习惯范围窄，优点是其吸附力

较大，技术较成熟等，对•其优点能够发扬，缺点加以改进，保留以往负压吸附方式的同时，与正压吸

附相结合，以达到最优的吸附效果，并配合有高效率干擦与湿擦机构，组合在一起，即拟出了一个好

的方案。

在这半年的时间里，我们深刻地体会到做一件事、一个创新项目不容易，做出做好就更难了。以

往的设计是无约束的设计，我们想到什么就能够去设计什么，但是我们的创新项目，是有约束的设

计，即要求其能稳固的吸附在壁面上，并要求其整体重量尽可能的保持最轻。在前期，通过做一个简

易的装置，将螺旋桨与离心叶片安装上去，去实验验证正压与负压吸附方式，吸附力的大小，并通过

改进螺旋桨的安装方式与整体的密封方式，达到指定吸附要求。

在项目进展过程中，我们的指导老师曲建俊教授，•直关心与鼓励着我们。当我们束手无策时，

不知项目该从何下手时，老师给我们以灵感与启发，鼓励着我们去前进。当我们遇到难攻克的问题

时，老师给我们以指导，启发并引导我们如何去解决问题。当我懈怠时，老师又激励着我们，给我们

以动力，让我们一直有热情•、有激情的、执着的走下去。按惯例每两周有一次见面会，是我们与老师

面对面交流的时候，内容包含前期进展，问题探讨，下一步进展等，每一次的见面都收获很多，从小

组的，作分配，结构设计的优化到报告的撰写，真正地学到了•些课堂上学不到的东西，继而将具在

项目进展中应用与拓展。

从我们这半年的经历来说，多学科的交流会为我们的创新提供很多的灵感，会启发我们的思维。

我们做机器人，螺旋桨动力部分熟悉较少，通过与校航模协会的沟通，让我们对其性能有了更深的熟

悉，包含购买产品的渠道及有关信息也熟悉的更多。多学一些，多熟悉一些，不仅在我们做项目的过

程起到了很大的作用，可能会在将来的某天，在做某些项目时，也能灵活地将各学科的知识运用到自

己的设计上面去。多学科的交流也会给我们以思考、从别人的设计中去提炼粗华，去找出其不足之

处，这也是一个自我能力提升的机会。

总的来说，创新的道路并不平坦，有苦有甜。有的时候，我们跌倒了，但是不要悲伤，由于这种

收获比起那跌倒来说更为珍贵，有一句话说的好，即使跌倒，也要豪迈的笑。阳光总在风雨后，没有

经历过风雨洗礼，就没有日后的彩虹.我们会一直地坚持的，执着的走下去，由于我们自信，自信是

我们小组一直走下去的动力，团结是我们高效工作的前提，那么我们的最终的项目成果相信也必定是

一流的。

六、建议

每一个项目都涉及很多领域，各个学科的知识都能在项目制作过程中得到应用，那么我们就要加强

多学科交叉及融合。希望能提供一个多学科进展的平台，让学生们能在这个平台上能够有所收获，互相

交流与学习，共同进步。

七、结束语与致谢

一路走来，从开始的选题、立项到最后的验收与答辩，我们走得很辛苦，但是我们学到了很多东

西，尽管走过弯路，体验过失败，但是我们都坚强地