爬壁清洗機器人的設(shè)計 玻璃外墻幕墻-真空吸附式【三維CREO】【5張CAD圖紙、說明書】

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It is 828 meters high, with 162 floors and 142,000 square meters of glass curtain walls. The tallest building built in China is the Shanghai Center Tower, with a total height of 632 meters and a glass curtain wall of 140,000 square meters. These buildings are the crystallization of science and technology and are landmarks for every city. However, the glass curtain wall will bring about some clean problems while people enjoy it. The cleaning of these high-rise exterior walls is done manually. Manual cleaning takes a long time. It is very costly and accident-prone. The danger is high. When robot technology becomes more and more mature, and high-rise buildings mostly use glass as the curtain wall, robots have become an application trend instead of manual cleaning. Therefore, wall-climbing robots have broad application prospects and good social benefits. In this paper, a cleaning device is installed on the robot body, and a sucker is used to adsorb the wall surface. The driving method adopts a cylinder to realize the lifting and falling of the sucker, and the movable walking is achieved through two suckers that can relatively rotate, so that the cleaning process of the glass curtain wall is automated. This paper uses Proe to complete the three-dimensional drawing of the robot and design the main parameters of the structure. Finally, the design of the control part of the wall-climbing robot is performed through the PLC. Keywords: Wall climbing cleaning robot；Proe； PLC 目錄 1 緒論 1 1.1 選題背景及意義 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 1.2.1國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 3 1.3高樓清洗爬壁機器人存在的問題 3 1.4 研究內(nèi)容 4 1.4.1爬壁清洗機器人的爬壁系統(tǒng)的設(shè)計 4 1.4.2爬壁清洗機器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計 4 1.4.3爬壁清洗機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計 4 1.5本章小結(jié) 5 2 爬壁清洗機器人總體方案 6 2.1 設(shè)計準則與要求 6 2.2爬壁清洗機器人行走越障機構(gòu)設(shè)計 6 2.3 爬壁清洗機器人清洗裝置設(shè)計 7 2.4 本章小結(jié) 8 3 爬壁清洗機器人清洗機構(gòu)的設(shè)計 9 3.1滾刷裝置的設(shè)計 9 3.2清洗液的噴灑和循環(huán)裝置設(shè)計 10 3.3水泵的選擇 12 3.4本章小結(jié) 13 4 爬壁清洗機器人爬壁越障機構(gòu)的設(shè)計 14 4.1爬壁清洗機器人驅(qū)動方式 14 4.2吸附裝置的設(shè)計 14 4.3機器人跨越障礙和路徑規(guī)劃 16 4.4氣缸運動部分 17 4.5本章小結(jié) 18 5 爬壁清洗機器人控制部分設(shè)計 19 5.1 PLC的概述 19 5.2 PLC的I/O口分配 19 5.3 PLC選型 20 5.4 PLC梯形圖 20 5.5本章小結(jié) 21 參考文獻 1 致 謝 2 附錄A 裝配圖和零件圖 3 附錄B 外文翻譯 7 V 1 緒論 1.1 選題背景及意義 機器人是人類當(dāng)今社會的一項偉大的發(fā)明之一，它是利用自身機構(gòu)和電子控制系統(tǒng)來達成人們想要實現(xiàn)的各種功能。機器人集合了控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)、電子元件、計算機和傳感器技術(shù)等綜合性學(xué)科的高科技產(chǎn)物。是一種按照設(shè)定的指令工作并高速運行的仿人類操作和高精度的自動化機器。自從機器人成功問世以來，不但使我們的制造業(yè)和科學(xué)研發(fā)向前邁進了一大步，對人類的生活產(chǎn)生了很深遠的影響。各種各樣的機器人已經(jīng)成為當(dāng)今社會各行各業(yè)所不能缺少的一份子。機器人的出現(xiàn)使得科學(xué)實驗的失誤率降到最低，它還代替人類進行手術(shù)，服務(wù)與各行各業(yè)，推動了全世界自動化行業(yè)的大力發(fā)展。 一個城市的興起，最先體現(xiàn)在一棟棟拔地而起的高樓上，這些高樓大多數(shù)都是采用玻璃作為幕墻。這些玻璃幕墻逐漸演繹成了一道美麗的“城市外衣”，但是對于這些越來越多的高層建筑上的玻璃幕墻，如何清洗卻成為了一個大問題。當(dāng)越來越多的高樓采用玻璃作為幕墻后，使用傳統(tǒng)的人工清洗方法已經(jīng)遠遠的達不到需求。而且，因為樓層的高度越來越高，人工清洗面臨的風(fēng)險越來越大，停止使用蜘蛛人的呼聲也越來越急切?，F(xiàn)在急需一個新的高效清洗玻璃幕墻的方法。所以對于爬壁清洗機器人的研究就迫在眉睫了。 因為玻璃幕墻這種新型的墻體建材，它可以將建筑的外觀、節(jié)能、采光等屬性結(jié)合在一起，所以近年來成為了高層建筑外墻的首選材料。根據(jù)調(diào)查顯示，我國玻璃幕墻的面積大概有三十億平方米，而且每年還有近千萬平方千米的玻璃幕墻產(chǎn)生，而玻璃幕墻的清潔費用早超過百億元。因為城市發(fā)展的越來越快，所以國內(nèi)多個城市對于幕墻的清潔也進行了規(guī)范。因為每棟樓的玻璃幕墻都不相同，所以對于不同的建筑清潔規(guī)定也不同，但這也不可避免的加大了市場對玻璃幕墻清潔服務(wù)的需求。比如：北京五星級、四星級建筑的玻璃幕墻按照政府規(guī)定每季度必須清潔一次。北京的五星級飯店就有20多家，四星級飯店也有20多家，三星級飯店有100多家，二星級飯店有168家，對于北京火車站，也是由玻璃作為幕墻的，每到重大節(jié)假日都需要人工來進行清潔，而每一次的清潔費用就需要20多萬。同樣的上海聯(lián)華大廈、北京天倫王朝飯店這些玻璃幕墻一次的清潔費都超過了10萬元。所以說爬壁清洗機器人有很大的潛在市場。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1.2.1國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 自從爬壁機器人面世以來，就是各國重點研究的項目，每個國家都投入了大量的資源來進行機器人的研發(fā)，如美國、日本、英國、俄羅斯等國，并且也取得了不錯的成果。日本就是世界上最早研發(fā)成果爬壁機器人的國家，在1966年的日本大阪府立大學(xué)部西亮教授制作了第一個單吸盤爬壁機器人，并且根據(jù)樣機很快研發(fā)出了一系列的爬壁機器人。在1987年，日本成功研制除了多足爬壁機器人Walker如下圖1.1，這款機器人將人們對于爬壁機器人的研究向前推進了一大步。1982年，日本宮崎大學(xué)成功研發(fā)出了一種爬壁機器人，這款機器人可以通過腿部頂端的吸盤來貼緊墻面，利用兩條腿的循環(huán)吸附來實現(xiàn)機器人的移動，在腳底適當(dāng)?shù)膬A斜一下，然后通過圓規(guī)腳的開合就能越過一定的障礙物。除了吸盤式爬壁機器人外日本還研制出履帶式機器人、磁吸附車輪式機器人等等。 圖1-1 Walker 圖1-2 履帶式機器人 圖1-3 Robug 圖1-4 吸盤吸附機器人 美國對于爬壁機器人的研究也有很長的時間，在1986年美國國際機器人公司就研發(fā)了一款可以成功清洗玻璃外墻的機器人“SkyWasher”。在這之后，1989年美國州立威寄托大學(xué)也研發(fā)成功了一個機器人系列ROSTAM系列，這款機器人上面有傳感器和攝像頭，可以用來探測路面和路障，它有四個吸盤組，可以進行上下左右的移動，在這之后美國所設(shè)計的爬壁機器人都是在這款機器人的原型上進行研制的。英國從上世紀80年代就開始研發(fā)爬壁清洗機器人。在1994年終于研制成功了一款多足真空吸附的爬壁清洗機器人，如上圖1.3。在這個基礎(chǔ)上，英國人又研發(fā)出了Robug如圖1.3，這款機器人有8只類似于蜘蛛一樣的足，每個足的根部都有一個吸盤不但可以進行壁面移動還可以從一個壁面移動到另一個壁面，研發(fā)者將款機器人派往搶險救災(zāi)工作中。 1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 我國對于爬壁清洗機器人的研究時間要比國外遲很多，在七十年代初期，我國才開始研發(fā)壁面清洗機器人。1975年，北京舉行的科技交流會上，日本的川崎重工業(yè)公司第一次在中國演示了工業(yè)機器人，此次演示后，我國拉開了機器人研究的序幕。上海大學(xué)是第一個由科學(xué)研究委員會和國家共同支持研究爬壁機器人的大學(xué)。在這之后，北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等學(xué)校都設(shè)立了爬壁機器人研究單位。目前都獲得了豐富的設(shè)計經(jīng)驗和研究結(jié)果。在經(jīng)過長時間的不懈努力，先后研制了多種類型的爬壁機器人，比如多吸盤輪式驅(qū)動爬壁機器人如下圖（圖1-7），磁吸附履帶式爬壁機器人如下圖（圖1-5）。北京航空航天大學(xué)機器人研究所設(shè)計出的壁虎系列爬壁機器人等，如下圖（圖1-6）該機器人利用十字型氣缸可以進行快速的平面運動，利用機器人周圍的傳感器來辨別障礙，控制系統(tǒng)有兩種人工控制和全自動控制，該機器人可以靈活地調(diào)轉(zhuǎn)方向、行動迅速，可以越過一定的障礙物。 圖1-5 磁吸附履帶式爬壁機器人 圖1-6 十字氣缸型爬壁機器人 圖1-7 履帶吸盤式爬壁清洗機器人 1.3高樓清洗爬壁機器人存在的問題 高樓清洗爬壁機器人的研究已有幾十年，但是現(xiàn)在的玻璃幕墻清洗大多數(shù)還是由人工完成，雖然我們研發(fā)了各種各樣的機器人，但是總體來說每一款機器人都存在一些問題： 1）吸附能力與玻璃幕墻壁面適應(yīng)性的矛盾。因為現(xiàn)在的玻璃幕墻并不是采用全玻璃，有的幕墻有縫隙有的幕墻有凸起或凹陷有的幕墻有瓷磚等。就是這種多種多樣的幕墻才使得爬壁機器人的工作難度越來越大，要實現(xiàn)大多數(shù)的幕墻清洗，必須解決密封性、跨越障礙、移動轉(zhuǎn)彎等等技術(shù)問題，要不然會使機器人的清洗效率大大降低， 2清洗機構(gòu)與機器人負重能力的矛盾。清洗玻璃幕墻就需要大量的水，但是機器人的吸附力是有限的，不可能攜帶大量的水進行高空作業(yè)，用水管進行供水也只能解決一定高度的清洗問題，因為隨著高度的增加，水管的自身的重量也會增加，也會導(dǎo)致機器人吸附力不足。所以就需要規(guī)劃一個水自循環(huán)的系統(tǒng)。 3）移動技術(shù)與機器人靈活性的矛盾。因為我們要設(shè)計一個盡可能小型化的機器人，并且需要機器人有一定的負載攜帶能力，還需要機器人高效的移動、轉(zhuǎn)向、跨越障礙等等問題。 1.4 研究內(nèi)容 近幾年來，隨著高層建筑越來越多，人們對于幕墻清洗機器人的研究也越來越深入，出現(xiàn)了各種各樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是真正能應(yīng)用到現(xiàn)實世界中的結(jié)構(gòu)設(shè)計很少，所以本論文從以下幾個方面進行研究設(shè)計。 1.4.1爬壁清洗機器人的爬壁系統(tǒng)的設(shè)計 爬壁機器人根據(jù)爬壁方式可分為吸盤吸附爬壁機器人、磁吸附爬壁機器人、飛翔式爬壁機器人、繩子牽引式爬壁機器人、粘著劑吸附式爬壁機器人。由于幕墻的多種多樣，就會出現(xiàn)玻璃墻面高低不一的情況，會有一點凸起的瓷磚或者擋板，所以機器人的爬壁系統(tǒng)需要有一定的越障功能。通過對機器人吸盤位置的設(shè)計、直徑的計算、吸附方式設(shè)計、跨越障礙物高度設(shè)計等設(shè)計出一種簡單方便的爬壁系統(tǒng)。 1.4.2爬壁清洗機器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計 爬壁清洗機器人清洗作業(yè)系統(tǒng)中有噴霧沖洗、清洗盤刷洗、刮板刮洗、水循環(huán)回收等設(shè)計，噴霧裝置既可以沖刷壁面，清洗盤可以大面積清洗，刮板對水回收利用，這套清洗系統(tǒng)能有效的清洗幕墻壁面，并且加大清洗效率。 1.4.3爬壁清洗機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計 本次設(shè)計采用的是PLC來進行爬壁清洗機器人的控制，因為PLC的操作簡單，便于控制，PLC需要對該款機器人進行吸盤脫離、吸盤吸附、電機正傳、電機反轉(zhuǎn)、清洗順序等控制。 1.5本章小結(jié) 本章主要論述了課題的鉆研背景和意義，另外對國內(nèi)外爬壁機器人的發(fā)展歷程、研究成果、和發(fā)展現(xiàn)狀做了簡單的了解。對爬壁清洗機器人未來發(fā)展的預(yù)期和對機器人設(shè)計內(nèi)容進行了簡單的分析，明確了主要的研究內(nèi)容和研究方向。 2 爬壁清洗機器人總體方案 2.1 設(shè)計準則與要求 爬壁清洗機器人的設(shè)計是為了代替人工清洗，因為高層建筑距離地面過高，所以為了提高安全性，機器人的總體重量必須控制在一定范圍。因為機器人自身的重量和所攜帶的負載，本身需要有定的剛度。所以采用高強度鋁合金為爬壁清洗機器人的主要支撐架的材料。機器人總設(shè)計三維裝配圖如下： 圖2-1 機器人總設(shè)計三維裝配圖 1-移動吸附裝置 2-刮板 3-噴管 4-接水裝置 5-水箱 6-電機 7-外殼 如上圖所示，爬壁清洗機器人由兩部分機構(gòu)組成，清洗機構(gòu)和爬壁越障機構(gòu)。1是機器人移動吸附裝置，主要用來移動和跨越障礙。2是清潔系統(tǒng)的刮板，主要作用是清除壁面上殘留水漬。3是清潔系統(tǒng)中的噴管，主要作用是沖洗壁面。4是清潔系統(tǒng)中的接水裝置，主要用來收集刮板上清除之后的水漬。5是水箱，主要作用提供清水。6是電機，主要作用是帶動清洗盤。7是機身外殼，主要作用是連接各個部件。 2.2爬壁清洗機器人行走越障機構(gòu)設(shè)計 爬壁清洗機器人的爬壁系統(tǒng)是由兩個固定的吸盤組成，總共有四個吸盤組。兩個吸盤都可以轉(zhuǎn)動，并且轉(zhuǎn)動過程中可以帶動另一個吸盤動，每一個吸盤上面裝有一個氣缸，用來實現(xiàn)吸盤的上下運動，吸盤上面有一個孔，連接的是真空發(fā)生器，用來實現(xiàn)吸盤吸住和分離，采用的是負壓。氣缸上面的固定架有一個齒條，爬壁清洗機器人主體和吸盤的連接軸上有一個電機，電機上有個齒輪，這個齒輪和齒輪條嚙合，通過電機正傳和反轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)從一個吸盤到另一個吸盤的運動，也就是機器人的移動功能。在氣缸的收縮下，吸盤可以跨越一定的高度，這個高度最大值就是氣缸的最大行程，這個也就是機器人的越障功能。移動吸盤的三維設(shè)計圖如下圖2-2所示。 圖2-2移動吸盤 1-電機 2-離合器 3-氣缸 4-真空發(fā)生器 5-吸盤 如上圖所示。1是電機，主要作用是帶動吸盤做相互運動和在兩個吸盤之間移動。2是離合器，主要作用是用來對電機軸的分離合嚙合。3是氣缸，主要用來推動吸盤做上下運動。4是真空發(fā)生器，主要用來使吸盤產(chǎn)生負壓吸住壁面。5是吸盤，起吸附作用。 2.3 爬壁清洗機器人清洗裝置設(shè)計 高層建筑玻璃幕墻上面的污垢基本上都是大氣塵土，沒有特別難以清洗的污漬，清潔系統(tǒng)采用滾刷盤的形式，一次清洗到位，而且可以達到最大清洗面積。機器人前面有噴嘴沖洗、中間有滾刷盤的刷洗、后面還有刮板刮洗，采用這種聯(lián)合清洗方式就可以完全清除幕墻上面的大氣塵土。具體設(shè)計如下圖2-3所示。 圖2-3 清洗系統(tǒng)裝配圖 1-噴管 2-刮板 3-接水器 4-水箱 5-外殼 6-電機 清洗系統(tǒng)的清洗步驟：先由1號噴嘴通過水箱中水泵抽出形成噴霧沖洗玻璃幕墻，可以清除玻璃幕墻上附著力小的污漬，并且還能浸泡玻璃幕墻；然后6號電機通過主軸帶動5號清洗盤進行同步轉(zhuǎn)動，通過清洗盤上的刷子進行進一步清洗，之后由2號刮板刮去殘留污漬和水漬，再經(jīng)由3號接水裝置通過管道流入水箱。形成水的循環(huán)利用。通過這種聯(lián)合清洗的方式可以完全清楚玻璃幕墻上的大氣塵土。 2.4 本章小結(jié) 本章確定了爬壁清洗機器人材料的選擇，詳細闡述了機器人的總體結(jié)構(gòu)、爬壁系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)。對機器人的總體框架進行了構(gòu)思，對移動越障方案、清洗方案設(shè)計、水循環(huán)方案進行了設(shè)計。 3 爬壁清洗機器人清洗機構(gòu)的設(shè)計 爬壁清洗機器人的清洗機構(gòu)是圓形的清洗機構(gòu)，這種清洗機構(gòu)即可以清洗徹底，而且清洗面積大，并且驅(qū)動方便，只需要一個電機和減速裝置就可以帶動清洗盤清洗。水循環(huán)系統(tǒng)由刮板底下的接水漏斗通過管道伸入水箱中的過濾裝置來完成水循環(huán)，這樣可以節(jié)約用水。因為機器人會向左或者向右移動，所以機器人的左右兩邊都需要放置一個噴管和刮板，需要兩個水泵。沖洗方式是噴霧式灑水，水泵連接一個有多個噴嘴的管道，機器人開始行動，水泵就同步啟動，會將水箱里面的水噴灑到玻璃表面，霧狀噴灑可以有效節(jié)約用水，并且噴灑均勻。 3.1滾刷裝置的設(shè)計 圖3-1 滾刷盤 1-刷子 2-滾刷盤 3-滾刷盤軸心 如上圖3-1所示，清洗機構(gòu)成圓形清洗裝置。清洗面上有多個塑料制作的刷頭，2號圓形洗盤的直徑為400mm,上面對應(yīng)1號刷頭的螺紋孔為15mm。這個刷頭一頭是毛刷，一頭是螺紋式的，直接擰進清洗圓盤上的螺紋孔。毛刷的長度越長，越容易跨過障礙，也不能過長，過長就會使吸盤所承受的拉力增大。所以毛刷的長度為80mm。3號電機軸直徑為40mm。圓形的清洗裝置可以實現(xiàn)最大面積的清洗區(qū)域，可以有效保證玻璃的清潔度。吸盤吸住墻面，清洗盤就會開始工作。 3.2清洗液的噴灑和循環(huán)裝置設(shè)計 機器人左右兩邊各有一個刮板，刮板主要是在清洗盤清洗過后刮去上面的水漬，刮板尾部有一個接水裝置，將刮板收集的水漬收集處理，通過過濾流回水箱，這樣可以實現(xiàn)水循環(huán)利用，節(jié)約水資源。刮板設(shè)計圖如下圖3-2所示。 圖3-2 刮板 1-支撐架 2-刮板 上圖3-2中。1是支撐架，長度230mm，主要作用是連接刮板和機器人外殼。2是刮板，長度60mm，主要作用是刮去壁面殘留水漬。因為吸附裝置是吸盤吸附墻面，所以墻面上的水漬不能太多，不然會影響吸盤在墻面的吸附，那么就需要一個刮板來去除墻面多余水漬。刮板結(jié)構(gòu)由兩部分組成，支撐架和刮板。市面上刮板和支撐架的材料類型有鐵、鋁合金和塑料三種。刮板需要對壁面保持一定的壓力，并且還需要一定彈性，所以支撐架的制作材料為塑料。因為清洗盤為圓形，清洗外殼也是圓形，沒有豎直的平面安防刮板，只能采取類7形狀的裝置從清洗盤的頂部通過螺絲來固定刮板。這樣設(shè)計可以使刮板具備良好的韌性。 下圖3-3中.1是噴管，長度400mm,主要作用噴灑清水或清潔液、沖洗壁面。2是支架,長度為330mm,主要作用是連接噴管和機器人外殼。噴管的設(shè)計主要是為了沖洗墻面上的浮土和浸潤墻面，刮板的設(shè)計為類7字型，所以噴管也設(shè)計成7字型，這樣既可以保持一致，也能更好的固定噴管。只需要在水箱里裝一個小型水泵，通過水泵將水送入2噴水管道中，再由2噴水管道上的噴嘴噴出形成沖擊力清洗墻面。噴管的設(shè)計如下圖所示: 圖3-3噴管 1—噴管支架 2—噴水管道 因為機器人是用四個吸盤來固定，每個吸盤所能承受的力大約是機器人總重量的四分之一，機器人攜帶的水箱越大，一次清洗的面積也就越大，相應(yīng)的每個吸盤所承受的力也就越大，為了達到清洗面積的最大值。就需要對水進行循環(huán)利用，這樣不僅可以減輕機器人總體重量，也可以讓吸盤在墻面達到最好的吸附效果，還能節(jié)約用水，保護環(huán)境。水循環(huán)示意圖如下圖。 圖3-4 水循環(huán)示意圖 如上圖所示，清水從水箱中噴灑沖洗壁面，然后經(jīng)過滾刷盤的刷洗，再由刮板通過漏斗狀接水裝置收集起來，通過污水過濾器進行過濾，然后流回水箱。這樣就實現(xiàn)了水的循環(huán)利用，節(jié)約水資源的同時，也減輕了機器人的負載。 3.3水泵的選擇 因為機器人總體尺寸的限制，本次設(shè)計的水泵為微型水泵，水泵的選擇需要確定液體在管道中的流動數(shù)，需要知道液體在在管道中流動的雷諾數(shù)。在水管中流動的水流，局部壓力損失很小，需要確定的是壓力損失，根據(jù)雷諾數(shù)公式： Re=Vdv （3-1） 上式中：Re—雷諾數(shù)； V—流體的平均速度,單位m/s； d—管道的直徑。單位m; v—流體運動粘度，單位m2/s。 網(wǎng)上查知水泵參數(shù)如下表 表3-1水泵技術(shù)參數(shù)表 型號 工作電壓 工作電流 功率 開口流量 吸程 最大輸出壓力 體積（最大外形） 重量 (V DC) (A) (W) (L/min) (M) (Bar/M pa) (mm) (kg) HSP11050T 12 ≤126.0 ≤126.0 7 約1 11.0/1.1 225×103×100 2.8 24 ≤6.0 ≤144.0 HSP11050 12 ≤10.5 ≤126.0 7 約1 11.0/1.1 255×110×100 2.6 24 ≤6.0 ≤144.0 HSP8050 12 ≤9.5 ≤114.0 5.5 約1 8.0/0.8 24 ≤5.6 ≤134.4 HSP4045 12 ≤7.0 ≤84.0 4.5 約1 4.1/0.4 196×110×100 2.2 24 ≤4.0 ≤96.0 根據(jù)表3.1中參數(shù)和實際需求選擇水泵型號為HSP8050，該款水泵工作電壓24V，工作電流≤5.6A，功率≤134.4W，開口流量5.5，吸程約為1，最大輸出壓力8.0，重量2.6KG。 水泵性能參數(shù)如下圖： 圖3-6 HSP8050的Q-H曲線 由圖3-6可知，在開口流量為5.5時，該水泵揚程為15米，按照雷諾數(shù)公式可得： Re=0.13×151.005×10-6=1.94×106 （3—2） 由機械手冊得知，當(dāng)Re=1.94×106時，該管道的沿程能量損失為0.0045米，基本可以忽略不計。所以型號為HSP8050的微型水泵滿足條件。 3.4本章小結(jié) 本章內(nèi)主要介紹了爬壁清洗機器人的清洗系統(tǒng)的設(shè)計方案，對清洗系統(tǒng)各個部件的詳細設(shè)計，還有對水循環(huán)方式進行了設(shè)計，選擇水泵的樣式也做了說明。  4 爬壁清洗機器人爬壁越障機構(gòu)的設(shè)計 在爬壁清洗機器人中，機器人的爬壁和越障的非常重要，一個完善的設(shè)計方案，不但可以使機器人快速行走、可靠爬行，還可以實現(xiàn)跨越障礙，靈活轉(zhuǎn)彎等功能。 4.1爬壁清洗機器人驅(qū)動方式 我們常見的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種方式。 液壓驅(qū)動因為是由油管相互接在一起的，它可以隨意的放置傳動機構(gòu)。液壓驅(qū)動裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小也是一大優(yōu)點，而且可以大范圍的實現(xiàn)無極調(diào)速，傳遞運動均勻平穩(wěn)，負載變化速度也比較穩(wěn)定。但是也因為液體傳動，系統(tǒng)中也存在漏油的缺點，因為液壓油對溫度特別敏感，所以液壓傳動也受溫度影響較大。 氣壓傳動是以大氣作為介質(zhì)，取之不竭用之不盡。用過之后可以直接排放，不用考慮尾氣處理等問題。氣壓傳動用時較小，響應(yīng)時間段，而且維修也簡單。并且氣體的粘度很小，只有液壓油的萬分之一，所以氣體流動阻力也小，便于向氣缸中供氣。但是由于空氣的可壓縮性很大，氣壓傳動的速度穩(wěn)定性一般，對那些要求快速高精度的系統(tǒng)有較大影響，而且氣壓傳動系統(tǒng)的噪聲很大，尤其是排出氣體時，必須要加消音器，降低噪音。 電機驅(qū)動的優(yōu)勢是精度高，節(jié)省能源，調(diào)速方便，能改善環(huán)保水平，但推力較小，大推力時的成本很高。 綜上所述，選擇氣壓驅(qū)動方式作為爬壁清洗機器人的主要驅(qū)動方式。 4.2吸附裝置的設(shè)計 爬壁清洗機器人中移動系統(tǒng)是最重要的。爬壁清洗機器人的移動系統(tǒng)是由四個相同的吸盤組構(gòu)成的，每個吸盤組中有兩個吸盤，這兩個吸盤都可以和另一個吸盤進行相對運動，由PLC來控制電機的轉(zhuǎn)動來控制吸盤轉(zhuǎn)動的角度。如果左右移動，吸盤轉(zhuǎn)動的角度就是180°或-180°，如果上下移動就是90°或者-90°。因為吸盤主要依靠吸力來克服機器人的重力，所以給每個吸盤配備了一個真空發(fā)生器，由這個真空發(fā)生器來保證吸盤具備足夠的吸力。每個吸盤上面還會有一個氣缸，這個氣缸會使吸盤進行垂直于壁面的運動，這樣機器人就會具備一定的越障能力，跨越障礙的高度取決于氣缸的行程。氣缸上面有一個離合器，離合器的作用就是分開使吸盤的自轉(zhuǎn)和齒輪的轉(zhuǎn)動所分開。離合器上面就是齒輪，齒輪軸是由一個小型步進電機帶動的，當(dāng)吸盤做相對運動的時候，離合器嚙合，齒輪不轉(zhuǎn)。當(dāng)離合器分開的時候，吸盤不轉(zhuǎn)，齒輪轉(zhuǎn)動帶動機器人做移動。爬壁清洗機器人的吸盤組三維設(shè)計圖如下圖4-1所示。 圖4-1 吸盤組三維圖 1-電機 2-離合器 3，8-氣缸 4，6-真空發(fā)生器 5-吸盤 爬壁清洗機器人的移動主要就是靠上圖中的電機帶動齒輪的正傳反轉(zhuǎn)，正傳會使機器人從右邊的吸盤移動到左邊的吸盤，反轉(zhuǎn)會使機器人從左邊的吸盤移動到右邊的吸盤。具體的移動過程為：5、6號吸盤吸住墻面1號電機正傳，從6號吸盤移動到5號吸盤，7號真空發(fā)生器關(guān)閉，6號吸盤松開壁面，8號氣缸收縮,1號電機正轉(zhuǎn)180°，8號氣缸伸出，7號發(fā)生器開啟，6號吸盤吸住壁面，1號電機反轉(zhuǎn)從5號吸盤移動到6號吸盤，4號真空發(fā)生器關(guān)閉，5號吸盤松開壁面，3號氣缸收縮，1號電機反轉(zhuǎn)180°，3號氣缸伸出，4號真空發(fā)生器打開，5號吸盤吸住壁面這樣重復(fù)動作。下圖4-2是爬壁清洗機器人的齒輪齒條三維設(shè)計圖。 圖4-2 輪齒條的設(shè)計 1-齒條 2-齒輪 4.3機器人跨越障礙和路徑規(guī)劃 爬壁清洗機器人氣缸的最大行程為95mm，吸盤上面的刷子長度為80mm，所以機器人跨越障礙的理論最大高度為80mm，實際上，為了機器人的安全，機器人跨越障礙的最大高度必須不超過刷子的80%，也就是64mm。 因為現(xiàn)在的玻璃幕墻一般都是長方形，所以機器人的路徑規(guī)劃為弓字形路徑，這樣的軌跡簡單，而且沒有遺漏，還可以避開大多數(shù)障礙物，能使機器人盡可能的節(jié)約能量。機器人從玻璃幕墻上的角落開始平行行走，走到最右邊的時候向下走一個身位的距離，然后往左走，走到最左邊的時候，再向下走，走一個身位的距離，再向右走，重復(fù)這樣。爬壁清洗機器人移動過程示意圖如下圖4-3所示。 圖4-3 爬壁清洗機器人移動過程示意圖 吸盤直徑的選取。真空吸盤的種類有很多，硅橡膠類的吸盤可以在高溫下長時間的工作，硅橡膠做成的吸盤很是適合于吸住玻璃幕墻做成的平面，吸盤的選材用聚氨酯，因為它比較耐用。而且用真空吸盤抓取平面是經(jīng)濟實惠的一種方式。另外，在生產(chǎn)真空吸盤的過程中，因為吸盤需要具備耐油性，那么我們就可以使用聚氨酯、丁腈橡膠或則含乙烯基的聚合物等材料來制作吸盤。我們?yōu)榱吮苊獗晃P的表面劃傷，最好的選擇就是由丁腈橡膠或硅橡膠制作而成的帶有波紋管的吸盤。因為這種吸盤具備很大的扯斷力，是真空裝備的執(zhí)行器之一。 吸盤直徑公式 D≥M×9.8×S×1000π×n×p （4-1） 式中： M—承受質(zhì)量 S—吸盤吸附系數(shù)，垂直吸附S=8; P—真空壓力（Kpa）; n—吸盤個數(shù) 吸盤的參數(shù)如下表所示： 表4—1 吸盤參數(shù) 型號 電壓 負載電流 功率 流量 真空度（絕對壓力） 負壓 體積（最大包容尺寸） 重量（大約值） 三種單位換算 V DC A W L/min K pa mmHg mbar K Pa （mm） （g） VCH1028 24 ＜2.0 ＜48 28 10 76 100 209×78×115 2600 對于標準大氣壓 101 760 1013 根據(jù)表4—1所示的數(shù)據(jù)代入得： D≥50×9.8×8×1000π×6×90=48mm （4-2） 因為吸盤在工作過程中會產(chǎn)生形變，所以吸盤的吸附面積要比吸盤直徑小一點，吸附面積因為吸盤制作的材質(zhì)、形狀、橡膠等不同而有所區(qū)別。因此，我在計算吸盤直徑時需要留出一定的余量,吸盤計算中的安全系數(shù)中也包括了其中的變形部分。 吸附面積： A=3.14×D24×100 （4-3） 上式中：A—吸附面積（cm2）; D—吸盤直徑（mm）。 將吸盤直徑代入上式4-3中得： Amin=3.14×4824×100=18.08cm2 （4-4） 吸盤的外徑就是吸盤的直徑，但是吸盤工作時因為真空抽取形成負壓，吸盤的吸附面積也會比吸盤原本的直徑小，變小后的吸盤吸附面積稱之為吸盤的有效吸附面積，而這時吸盤的直徑稱之為有效吸盤直徑。 因為吸盤的制作方式、吸附面的摩擦系數(shù)、材料本身以及真空壓力的不同，有效吸盤直徑也會不同，一般情況下吸盤的有效吸附直徑都會比吸盤原本直徑小。 當(dāng)吸盤直徑D=50mm： A有效=3.14×5024×100×90%=17.66cm2>Amin （4-5） 所以直徑為D=50mm的吸盤符合要求。 4.4氣缸運動部分 爬壁清洗機器人的移動方式大體上可以分為三類，履帶式、車輪式和腳步行式，履帶式機器人對墻面的適應(yīng)能力強，但是體積太大，而且不容易轉(zhuǎn)彎。車輪式移動方式是由很多帶有吸盤的輪子組成，每個輪子都有電機來驅(qū)動，優(yōu)點是移動速度快，便于控制，但是摩擦力小。腳步式移動是由多個腳的反復(fù)吸附與脫落進行移動，帶負載能力強，吸附力強，挪動速度較慢。綜合考慮，選擇了一種新的腳步式移動和電機驅(qū)動相結(jié)合的方式來進行移動。 4.5本章小結(jié) 本章通過對機器人工作環(huán)境和工作方式的研究，設(shè)計機器人的移動方案和跨越障礙方案。選擇了氣動方式進行驅(qū)動，利用吸盤組來實現(xiàn)機器人的上下左右運動，利用吸盤組的相對運動實現(xiàn)機器人的掉頭轉(zhuǎn)向，并對機器人的移動過程進行了總結(jié)，對機器人路徑進行了最優(yōu)規(guī)劃。吸盤的選擇做了計算。  5 爬壁清洗機器人控制部分設(shè)計 5.1 PLC的概述 PLC控制系統(tǒng)，Programmable Logic Controller，是一種可以用編寫的程序來進行控制的系統(tǒng)，它是為工業(yè)生產(chǎn)所設(shè)計的一種將數(shù)字信息改為控制信息的電子裝備。在20世紀70年代生產(chǎn)出來的PLC就可完成順序控制功能， 20世紀70年代末至80年代初，可編程控制器的處置速率大進步，增加了很多提別的功效，使得可編程控制器不但可以進行邏輯節(jié)制，而且可以對模擬量進行定制。 20世紀80年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器為核心的可編程控制器也得到迅猛發(fā)展，其功能越來越強。 國際電工委員會（IEC）在1987年2月公布了PLC的尺度草案（第三稿），草案對PLC作了以下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操縱的電子原件，專為了控制操作。它采取可編程序的存儲器方式，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行步驟控制、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等指令，并經(jīng)由數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的裝置或運動過程。PLC有很多的優(yōu)點，比如通用性強、性能穩(wěn)定、模塊化結(jié)構(gòu)、編程簡單、系統(tǒng)易于設(shè)計、容易安裝、維護簡單等。 PLC的類別有：按輸入/輸出點數(shù)分：小型機（小型的PLC I/O總點數(shù)在256點以下，用戶程序存儲容量在4KB左右。）、中型機（中型PLC I/O總點數(shù)在256∽2048點之間，用戶程序存儲容量在8KB左右）、大型機（大型PLC I/O總點數(shù)在2048點以上，用戶程序存儲容量在16KB以上。）。 5.2 PLC選型 ?根據(jù)設(shè)計系統(tǒng)所需要的I/O口個數(shù)，選用三菱FX1N-24MR-001。FX1N有很多的優(yōu)點，I/O點最多可擴展128，對于一些需要特殊需求的控制系統(tǒng)它也可以增設(shè)，還可以繼續(xù)給系統(tǒng)加入擴展板。他有非常好的通信功能，對于一些在體積、特殊功能或者對通信方面要求較高的系統(tǒng)，這款PLC可以起到很好的控制作用。它還有其他很多重要功能，比如內(nèi)置24V電源，可以作為其他電子設(shè)備的電源來使用。還有時鐘和計時功能，而且時鐘指令操作簡單，對于設(shè)備維護，計時功能可以根據(jù)時長來確定何時維護。它可以設(shè)計一個八位數(shù)的密碼來保護程序不被泄漏。還有遠程維護功能、在線程序編程功能、持續(xù)掃描功能等等。 5.3 PLC的I/O口分配 由爬壁清洗機器人運動過程分析可知，輸入端口的操作控制和輸出端口的執(zhí)行操作，詳情見下表。 表5—1 PLC輸入與輸出控制端口 端口 操作控制 端口 執(zhí)行操作 X0000 1號吸盤吸住 Y0000 1號吸盤吸住 X0001 1號吸盤放開 Y0001 1號吸盤放開 X0002 2號吸盤吸住 Y0002 2號吸盤吸住 X0003 2號吸盤放開 Y0003 2號吸盤放開 X0004 1號氣缸抬起 Y0004 1號氣缸抬起 X0005 1號氣缸放下 Y0005 1號氣缸放下 X0006 2號氣缸抬起 Y0006 2號氣缸抬起 X0007 2號氣缸放下 Y0007 2號氣缸放下 X0008 清洗盤電機打開 Y0008 清洗盤電機打開 X0009 噴頭打開 Y0009 噴頭打開 X0010 吸盤電機正轉(zhuǎn)（90°） Y0010 吸盤電機正轉(zhuǎn)（90°） X0011 吸盤電機反轉(zhuǎn)（90°） Y0011 吸盤電機反轉(zhuǎn)（90°） X0012 吸盤電機正傳（1—2） Y0012 吸盤電機正傳（1—2） X0013 吸盤電機反轉(zhuǎn)（2—1） Y0013 吸盤電機反轉(zhuǎn)（2—1） X0014 吸盤電機正傳（180°） Y0014 吸盤電機正傳（180°） X0015 吸盤電機反轉(zhuǎn)（180°） Y0015 吸盤電機反轉(zhuǎn)（180°） X0016 1號真空發(fā)生器打開 Y0016 1號真空發(fā)生器打開 X0017 1號真空發(fā)生器關(guān)閉 Y0017 1號真空發(fā)生器關(guān)閉 X0018 2號真空發(fā)生器打開 Y0018 2號真空發(fā)生器打開 X0019 2號真空發(fā)生器關(guān)閉 Y0019 2號真空發(fā)生器關(guān)閉 X0020 停止 5.4 PLC控制框圖 根據(jù)所選擇的PLC性能和爬壁機器人的移動步驟可以設(shè)計PLC框圖如下圖5-1所示。 圖5-1 機器人控制系統(tǒng)框圖 因為本論文設(shè)計的機器人是全自動行走，所以必須設(shè)計機器人過載保護，以防止機器人因為過載而掉落。 圖5-2 機器人過載保護 5.5本章小結(jié) 本章對PLC進行了簡單的介紹，對于本論文所選的三菱FX1N-24MR-001特點進行了詳細的介紹，對于I/O口進行了分配，對機器人控制系統(tǒng)原理圖和過載保護進行了設(shè)計。 結(jié)論 通過一學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計，使我發(fā)揮出了所學(xué)知識，針對現(xiàn)階段我國對高層建筑人工清洗費時費力、效率低的清洗弊端，在國內(nèi)外清洗機器人的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種利用電氣驅(qū)動來進行移動和清洗的爬壁機器人。并得到了以下結(jié)論。 1）爬壁機器人清潔系統(tǒng)的設(shè)計。本論文設(shè)計的是一個自帶水循環(huán)利用的清潔系統(tǒng)，水循環(huán)為：水從水箱中微型水泵到噴灑水管、刮板集水再通過管道流入過濾流回水箱。 2）爬壁機器人爬壁越障系統(tǒng)的設(shè)計。本論文設(shè)計的吸盤組利用吸盤來吸附壁面，固定機器人、吸盤組的相互移動來進行平面移動，利用氣缸的伸縮跨越障礙物，能適應(yīng)大多數(shù)的高空幕墻。為了節(jié)約能源，機器人需要用最短的路線來達到最優(yōu)的清洗面積。本論文設(shè)計了“弓”字型移動路徑，從上到下清洗。本論文采用三菱FX1N-24MR-001對機器人進行吸盤吸附、電機正反轉(zhuǎn)、清潔系統(tǒng)順序吸附的控制。 27 爬壁清洗機器人的設(shè)計 參考文獻 [1] 吳神麗.新型高樓清洗爬壁機器人的研究與設(shè)計[D].成都理工大學(xué)，2009. 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[18] 陳敏華.機器人機構(gòu)的優(yōu)化綜合[J].機械設(shè)計，2003,20（4）. 致 謝 首先需要感謝吳神麗老師在畢業(yè)設(shè)計中給我的幫助和指導(dǎo)，在這一學(xué)期的學(xué)習(xí)和設(shè)計中，老師經(jīng)常督促我們抓緊時間找資料、找論文，從開題報告開始，老師就經(jīng)常詢問我們設(shè)計進度。每一次的設(shè)計方案，都有老師的身影，在不斷失敗，不斷改進中，老師不僅教會了我簡單高效的學(xué)習(xí)方法，還對我生活工作中多方關(guān)懷，是老師的經(jīng)常督促和悉心指導(dǎo)使我的畢業(yè)論文順利進行，再一次衷心地感謝吳老師。 感謝在撰寫論文時給提供設(shè)計思路的同學(xué)、舍友，感謝在畢業(yè)論文期間給我生活幫助的所有人，是他們的幫助使我能更好的學(xué)習(xí)和設(shè)計。 29 附錄A 裝配圖和零件圖 附1- 1 刮板零件圖 附1- 2 清洗盤零件圖 附1- 3 噴管零件圖 附1- 4 裝配圖 附1- 5 爬壁機器人俯視圖 附1- 6 爬壁機器人裝配圖左視圖 附1- 7 爬壁機器人裝配圖俯視圖 附1- 8 爬壁機器人裝配圖斜視圖 附錄B 外文翻譯 With the development of urban construction, more and more high-rise buildings stand in modern cities. For the sake of beauty and lighting, many high-rise buildings have adopted glass curtain walls, which has brought about the problem of cleaning the glass windows (ceilings, walls). It is a heavy and dangerous job to clean the windows of tall buildings and is currently in the country. There are two main methods used. One is to lift the glass window and wall manually by lifters or hanging baskets; the other is to align the window wiper with the track and sling system installed on the roof. Windows are automatically scrubbed. For example, the Shinjuku Center Tower, which is 219.5 meters high in Tokyo, Japan, uses this method to clean 54 high-rise windows.Adopting the second method requires that the window cleaning system be taken into account at the beginning of the building design, and it cannot adapt to the wall surface or window surface of the ladder shape, which limits the use of this method. Therefore, the first method is still widely used glass scrubbing of high-rise buildings. In recent years, high-rise glass windows have mushroomed in China. As the building design is still not standard, most of the high-rise buildings in China are still cleaned by baskets, such as the Beijing-Guangzhou Building. Manually cleaning high-rise buildings is not only inefficient, but also very cumbersome and costly to operate. Modern railway terminal buildings also face this problem. Railway passenger station is the window of transportation. The railway passenger station is the window of transportation. It is one of the symbols of the spiritual civilization of the environmental health department. The railway department urgently needs to clean the window and mechanize and automate it. In view of this situation, in 1996 the Robot Research Institute of Beijing University of Aeronautics and Astronautics and the Beijing Railway Research Institute of the Ministry of Railways jointly developed a practical high-rise building window cleaning robot prototype for the Beijing West Railway Station glass roof (about 3,000 square meters). The robot is driven by full air pressure and consists of two parts: the robot body and the ground support vehicle. The robot body (hereinafter referred to as the robot) is the subject that crawls along the glass wall and completes the scrubbing action. He is lightweight (only 25 kg), can walk and scrub dexterously according to the actual environment, and has extremely high reliability. He has the following main features: 1. The “Ten” frame type structure is adopted, and there are two rodless cylinders with a cross shape of “10”. The robot can move along the X or Y direction on the glass surface. The combination of such structural components and drive components has the advantages of simplified structure and reduced weight. 2. There are four Z-guiding cylinders at the top of the X and Y directio