玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)設(shè)計

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1、中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）分類號 密級 U D C 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)設(shè)計玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)設(shè)計姓 名： 廖祖勝 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 25201102 學(xué) 號： 2520110218 指導(dǎo)教師： 劉麗明 助教 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）論文外文題目： 玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)設(shè)計 論文主題詞： 玻璃清潔機器人 復(fù)合吸附方式 螺旋槳式軸流風(fēng)機 外文主題詞： lass-wall cleaning robot Combined suction

2、method Propeller type axial flow fan 論文答辯日期： 答辯委員會主席： 評閱教師： 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）I原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文

3、）II摘摘 要要玻璃幕墻清潔機器人是具有特定功能的壁面移動機器人，是特種機器人的一個分支。它不僅可以用于高層建筑外表面幕墻的清洗，還可用于特殊環(huán)境或者特殊設(shè)備的表面清洗以及檢查。它是基于壁面移動機器人技術(shù)，并針對具體的作業(yè)對象研發(fā)具有明確功能的實用型機器人。其主要工作在高層建筑的玻璃幕墻表面，克服重力對自身的作用，攜帶清洗作業(yè)設(shè)備對建筑物玻璃幕墻表面進行清洗，從而將人們從危險的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，不僅可以避免發(fā)生意外事故，而且可以提高清洗效率、節(jié)約成本，具有可觀的市場前景。本文將在分析玻璃清潔機器人常見的吸附方式，以及國內(nèi)外對玻璃清潔機器人所開發(fā)的新型吸附方式后，提出采用螺旋槳式軸流風(fēng)機產(chǎn)

4、生負壓作為作為吸附方式的經(jīng)濟適用型吸附機構(gòu)。在對機器人整體設(shè)計方案進行介紹，提出模塊化的組裝結(jié)構(gòu)。在這基礎(chǔ)上，對機器人的吸附機構(gòu)進行設(shè)計分析，然后應(yīng)用相關(guān)理論和設(shè)計軟件進行參數(shù)設(shè)計和部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，驗證吸附機構(gòu)。最后利用 Pro/ENGINEER 創(chuàng)建出所設(shè)計的玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)三維實體模型以及機器人整體模型。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：玻璃清潔機器人 復(fù)合吸附方式 螺旋槳式軸流風(fēng)機中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）IIIAbstractGlass-curtain-wall-cleaning robot is a wall climbing robot with

5、 special functions, with is a branch of special robot. It not only can be used for cleaning the outer surface of the curtain wall of high-rise buildings, can also be used for surface cleaning and checking of special circumstances and special objects. It is a practical robot based on technology of th

6、e wall-climbing robot and having a clear function for specific research and development of the robot. Its main function is to overcome the effects of gravity on their own with cleaning equipment for cleaning in the glass-curtain wall-cleaning surface of high-rise buildings so that it can free people

7、 from dangers of aerial working environment, thus avoiding accidents, improving the efficiency of cleaning and saving costs. It has a considerable market prospect. In this paper, analysis of glass cleaning robots popular method of adsorption, as well as adsorption to glass cleaning robots developed

8、by the new approach, using propeller-type axial-flow fan to create negative pressure as the economic application of adsorption mechanism of adsorption.Describes the overall design of the robot, presented modular assembling structures. On this basis, the adsorption mechanism and the design of the rob

9、ot, and then apply the relevant theory and design structure design of software for design and components, verify the adsorption mechanism. Final application of Pro/engineer to design the robot building solid model.Key words: Glass-wall cleaning robot; Combined suction method; Propeller type axial fl

10、ow fan中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）IV目目 錄錄第一章第一章 引言引言1.1 課題研究的背景及意義.11.2 國內(nèi)外對玻璃清潔機器人吸附方式的研究概況.11.3 吸附方式的發(fā)展趨勢.31.3.1 吸附方式將更多地采用仿生技術(shù).41.3.2 向適應(yīng)微小型化機器人發(fā)展.41.4 小結(jié).5第二章第二章 玻璃清潔機器人總體規(guī)劃玻璃清潔機器人總體規(guī)劃2.1 吸附機構(gòu).62.2 清潔結(jié)構(gòu).82.3 行走機構(gòu).82.4 水電供應(yīng)系統(tǒng).92.5 小結(jié).10第三章第三章 吸附機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計吸附機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 吸附原理.113.2 吸附方式的實現(xiàn).123.2.1

11、 風(fēng)機推力.123.2.2 負壓的產(chǎn)生.143.3.3 真空腔的負壓與葉片推力可合成.153.3 小結(jié).17第四章第四章 模型建設(shè)與仿真驗證模型建設(shè)與仿真驗證4.1 GAMBIT 幾何造型建模圖 .184.2 仿真驗證.194.3 詳細結(jié)構(gòu)方案.224.4 小結(jié).23結(jié)束語結(jié)束語.2424致致 謝謝.2525參考文獻參考文獻.2626附錄附錄.2727中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1第一章第一章 引言引言1.1 課題研究的背景及意義課題研究的背景及意義玻璃清潔機器人是擁有特殊功能的壁面移動機器人，是可以在垂直和傾斜的玻璃表面上進行清洗作業(yè)的特種機器人1

12、。作為一種可在高空極限環(huán)境下工作的自動化機械裝置，它的發(fā)展現(xiàn)在越來越受到人們的關(guān)注。而吸附裝置是玻璃清潔機器人包括移動裝置、清潔裝置、控制裝置在內(nèi)的核心裝置，玻璃清潔機器人性能的優(yōu)異直接取決于機器人吸附裝置性能的優(yōu)異。玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)的研究，有兩個問題必須要妥善處理好：一是如何穩(wěn)當(dāng)?shù)匚接诓ＡП砻?；二是使機器人吸附在玻璃表面的同時又不影響機器人在玻璃表面上移動。玻璃清潔機器人要想具備有良好的移動能力就得損失一定的吸附能力，但是當(dāng)吸附裝置提供的吸附力過強又會給機器人在玻璃表面的移動帶來困難，所以機器人在玻璃表面上的吸附與移動這是個自身矛盾的問題。就是優(yōu)化吸附和移動的關(guān)系，既要求吸附裝置的研

13、究設(shè)計方案在保證玻璃清潔機器人吸附裝置為機器人提供足夠的吸附力的同時，又不影響機器人在玻璃表面面的移動能力2。因此國內(nèi)外的許多科研機構(gòu)在設(shè)計壁面移動機器人時，都在對這問題展開相關(guān)的探討和研究。1.2 國內(nèi)外對玻璃清潔機器人吸附方式的研究概況國內(nèi)外對玻璃清潔機器人吸附方式的研究概況通過按吸附方式的不同，可將玻璃幕墻清潔機器人的吸附機構(gòu)分為三種，即磁吸附、真空吸附和推力吸附3。其中磁吸附按提供吸附力材質(zhì)的不同，可分為電磁體和永磁體兩種。對壁面的平整程度都沒有要求，不僅機器人的有效載荷遠勝于真空吸附和推力吸附，而且在作業(yè)過程中不存在真空漏氣的問題，但要求機器人工作時所吸附的壁面必須是導(dǎo)磁材料，這一點

14、使得采用磁吸附作為吸附方式的機器人的應(yīng)用環(huán)境收到嚴(yán)重地限制；真空吸附按吸盤個數(shù)又分為單吸盤和多吸盤兩種，真空吸附雖然不受壁面材料限制但對吸盤的密封性能卻要求較高，在附著面不平整時吸盤容易漏氣，使密封性能下降從而造成吸附力下降，使得機器人的實際承載能力降低；推力吸附方式整合了前兩者的優(yōu)點，有一定的吸附力而且對壁面的平整程度沒有要求，但是由于要求風(fēng)機排風(fēng)量很大所以整體重量會很重。各種方式優(yōu)缺點如下表 1.14。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）2表表 1.11.1 玻璃清潔機器人吸附方式的比較玻璃清潔機器人吸附方式的比較吸附方式缺點優(yōu)點永磁吸附移動時需要機器人

15、主體跟吸附表面分離不需要外部施加能量，安全性高磁吸附電磁吸附要外部施加能量，電磁鐵重量大，機器人笨重容易實現(xiàn)機器人主體與壁面的離合，吸附力強單吸盤吸附吸盤的泄露量一旦超過極限，本體將失去吸附能力允許有一定的泄露量，允許壁面有凹凸真空吸附多吸盤吸附對壁面要求高，壁面有凹凸或裂縫時將會有泄露吸盤尺寸小，機器人更加靈活推力吸附風(fēng)機噪聲大啊，機器人重量大，體積大對壁面適應(yīng)性強，不存在泄露問題圖 1.1 是清華大學(xué)采用電磁體吸附方式研制的用于儲罐表面檢測的磁吸附機器人TH-Climber-I 5，行走方式為履帶驅(qū)動機器人在儲罐表面行走檢測。實驗表明，它具有較高的運動速率、具有很好穩(wěn)定性和定位精度，其運動

16、速率最大可達 8m/min ，可以跨越10mm 以上的焊縫和表面凸起障礙，角度誤差也可控制在 0.2 度以內(nèi)。圖 1.2 為加拿大戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué)研制的壁面移動機器人6，它的吸附裝置使用永磁體吸附履帶。使用永磁體方式使機器人吸附于儲罐表面，然后電機驅(qū)動履帶帶動機器人在儲罐表面移動檢測。 圖圖 1.11.1 清華大學(xué)磁吸附清華大學(xué)磁吸附 圖圖 1.21.2 戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué)的戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué)的機器人機器人 TH-Climber-ITH-Climber-I 永磁體吸附履帶壁面移動機器人永磁體吸附履帶壁面移動機器人77圖 1.3 是年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的 CLR-II

17、型壁面清洗壁面移動機器人8，它的吸附機構(gòu)采用的就是單吸盤真空吸附，清洗裝置懸掛于機器人下方。機器人有效載荷為 5kg，爬行速率最快為 10m/min，每次爬行高度是最高 100m，操控方式是有線遙控及 PLC 線路控制，行走方式采用雙輪式無級調(diào)速，機器自身攜帶有高壓水槍、旋轉(zhuǎn)刷從而在清洗作業(yè)時可實現(xiàn)機器人自主清洗作業(yè)。由于它是專為建筑物外表面瓷磚壁面的清洗而設(shè)計制造的,所以目前已有成品并投入生產(chǎn)應(yīng)用。圖 1.4 是在 1990-1993 日本東京工業(yè)大學(xué)間研究設(shè)計的 NINJA9，第一代型號為 NINJIA-I,自 1994 年開始，NINJA-II 在 NINJIA-I 的基中國地質(zhì)大學(xué)江城

18、學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3礎(chǔ)上不斷的改善升級，可用于高樓壁面的檢查等。NINJIA-I 和 NINJA-II 的主要技術(shù)參考是相同，吸附裝置也都采用的多吸盤真空吸附。 圖圖 1.31.3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的 CLR-IICLR-II 圖圖 1.41.4 日本東京工業(yè)大學(xué)研制的日本東京工業(yè)大學(xué)研制的 NINJIANINJIA1990 年西亮教授研制的爬壁機器人的吸附裝置采用的是推力吸附，如圖 1.5 為理論設(shè)計圖。在吸附原理上它借鑒直升機原理，使用螺旋槳產(chǎn)生的高速氣流推動機器人在墻壁表面移動的同時貼合墻壁表面。螺旋槳的軸線與壁面大約成 200

19、夾角，如此高速氣流產(chǎn)生的推力在水平方向始終有分力指向壁面，從而實現(xiàn)了機器人的吸附吸附在建筑表面上：在豎直方向也有向上的分力，使機器人可以緊貼壁面移動，且使機器人具有一定的越障能力。掌舵機構(gòu)控制機器人的移動方向和傾斜角度，由于使用柴油機，所以不需要帶電源線，使用起來很方便。圖 1.6 為實物圖。 圖圖 1.51.5 螺旋槳式推力吸附壁面螺旋槳式推力吸附壁面 圖圖 1.61.6 螺旋槳式推力吸附壁面螺旋槳式推力吸附壁面移動機器人理論設(shè)計圖移動機器人理論設(shè)計圖 移動機器人實物圖移動機器人實物圖1.3 吸附方式的發(fā)展趨勢吸附方式的發(fā)展趨勢經(jīng)過上文分析闡述，并且結(jié)合當(dāng)下機器人技術(shù)和科技前沿發(fā)展的總體趨勢

20、，我認為中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）4玻璃清潔機器人作為具有特殊功能的壁面移動機器人，那么它吸附機構(gòu)的也該順應(yīng)壁面移動機器人吸附機構(gòu)發(fā)展的如下趨勢。1.3.1 吸附方式將更多地采用仿生技術(shù)吸附方式將更多地采用仿生技術(shù)在目前現(xiàn)有技術(shù)的的支持下真空吸附方式和磁吸附方式發(fā)展得相對成熟，并伴隨著各種成熟產(chǎn)品相繼投入市場，所以這些技術(shù)目前得到適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，但他們的缺點卻不利于該技術(shù)進一步的推廣與應(yīng)用。如果采用仿生技術(shù)，如仿生壁虎的干吸附、仿生蝸牛的濕吸附等，能夠適應(yīng)各種材質(zhì)壁面，而且無噪音，無污染。盡管當(dāng)前采用仿生技術(shù)的吸附裝置吸附能力還比較差，但隨著 MEMS

21、 加工技術(shù)（微型加工技術(shù)） 、3D 打印技術(shù)以及新材料技術(shù)的發(fā)展，相信吸附性能將會有顯著的提升1011。當(dāng)前，西方發(fā)達國家都很注重對壁虎腳掌仿生材料技術(shù)的研究，我國南京航空航天大學(xué)也已經(jīng)對該科研方向展開有關(guān)方面的研究。如圖 1.7 為仿壁虎機器人。圖圖 1.71.7 模仿壁虎的機器人模仿壁虎的機器人1.3.2 向適應(yīng)微小型化機器人發(fā)展向適應(yīng)微小型化機器人發(fā)展微型機器人在未來發(fā)展中將是人們開發(fā)的一種高端科技。仿生微型機器人能夠利用其體型小的優(yōu)點，可以用于特殊環(huán)境檢測作業(yè)。由其發(fā)展的生物醫(yī)療機器人還可以進入人體內(nèi)部進行檢查和實施相關(guān)治療而不傷害人體。相對體積小、質(zhì)量輕的機器人不僅工作時能耗較小，而

22、且更加的靈活，并且在某些特殊場合得工作也只有小型機器人可以勝任12?，F(xiàn)在各種微型驅(qū)動元件、控制元件及新型能源供應(yīng)方式的發(fā)展，為小型化、微型化中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）5提供了技術(shù)支持。所以，壁面移動機器人的小型化和微型化是機器人未來發(fā)展的一個非常重要的趨勢。當(dāng)前為了適應(yīng)爬壁機器人小型化、微型化的發(fā)展趨勢，許多科研單位都在對新型的爬壁機器人吸附方式展開相關(guān)研究13。1.4 小結(jié)小結(jié)本章介紹了課題研究的現(xiàn)實意義以及重要性，分析了國內(nèi)外壁面移動機器人吸附機構(gòu)的分類、特點及當(dāng)下研究狀況，并按照吸附方式的的不同對各種吸附方式進行比較。根據(jù)目前研究的方向和科技

23、發(fā)展的方向，對未來吸附機構(gòu)所可能采用的吸附方式提出構(gòu)想。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）6第二章第二章 玻璃清潔機器人總體規(guī)劃玻璃清潔機器人總體規(guī)劃2.1 吸附機構(gòu)吸附機構(gòu)玻璃清潔機器人的吸附機構(gòu)由機器人腔體、自鎖絞桿、自絞鎖固定板、橡膠墊片、軸流風(fēng)機、軸流風(fēng)機槳葉，上安全防護罩和下安全防護罩組成。這樣設(shè)計的要求一是使機器人整體重心更加貼近于玻璃幕墻表面；二是滿足市場上現(xiàn)有的軸流風(fēng)機的規(guī)格尺寸，及保證了設(shè)備的裝配空間同時還要減省了機器人腔體的材料，從而減輕機器人的整體重量14。在機器氣人腔體上安全防護罩裝配連接上，由于需要承載的自由防護罩自身的重量，所以

24、沒有采用螺紋連接，而是采用傳統(tǒng)而簡單的鎖卡模式。在腔體上預(yù)留所鎖卡鍵然后在安全防護罩上預(yù)留與之相應(yīng)的鍵槽，如下圖 2.1（a） 和圖 2.1（b） 。 （a）預(yù)留的鎖卡鍵預(yù)留的鎖卡鍵 （b b）預(yù)留的鍵槽）預(yù)留的鍵槽圖圖 2.12.1 鎖卡鍵與鍵槽示意圖鎖卡鍵與鍵槽示意圖圖圖 2.22.2 機器人腔體與安全防護罩結(jié)合機器人腔體與安全防護罩結(jié)合中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）7機器人的腔體將采用在工程塑料制作。工程塑料擁有優(yōu)秀的綜合性能，在現(xiàn)實應(yīng)用中具有剛性大，機械強度高，電絕緣性好等特點，并且能夠在較苛刻的化學(xué)、物理環(huán)境中回收再利用，而且在有些工程項目中

25、可替代金屬作為工程結(jié)構(gòu)材料使用，是一種理想而且環(huán)保的制造原料15。安全防護罩設(shè)計成孔狀會對風(fēng)道產(chǎn)生較大的阻礙，設(shè)計成柵狀是一為了保證風(fēng)道的暢通，二是與網(wǎng)狀相比柵狀更加節(jié)省材料。安全防護罩由于在機器人整體機構(gòu)中除自身外不承載其他機構(gòu)，所以防護罩采用常見的耐沖擊硬膠耐沖擊性聚苯乙烯制作。自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配在一起，作為軸流風(fēng)機與機器人腔體的連接裝置，不僅要求自鎖絞桿和自絞鎖固定板自身連接穩(wěn)固，而在部件制作的材料的選擇上要求剛性大，蠕變小，機械強度高。而由于機器人在重量上有要求限制，所以自鎖絞桿采用航空鋁材料，自絞鎖固定板采用常見的耐沖擊硬膠耐沖擊性聚苯乙烯制作。木質(zhì)家具兩構(gòu)件連接時常采用一種

26、凹凸處理的接合方式，這在我國傳統(tǒng)實木家制作過程中稱這一工藝結(jié)構(gòu)為榫卯結(jié)構(gòu)。凸出的那部分叫榫；凹進那部分叫卯。在機器人自鎖絞桿和自絞鎖固定板的設(shè)計中，借鑒了古老而又科學(xué)的設(shè)計方法。如下圖 2.3（a） 所示為兩根自鎖絞桿連接示意圖，其中桿 2 限制了桿 1，使其不能轉(zhuǎn)動也不能；桿 2 本身可以轉(zhuǎn)動也可以移動。當(dāng)兩根自鎖絞桿裝配到自絞鎖固定板后，如下圖 2.3（b） 所示，在桿 2 的位置上用銷使其定位，從而限制桿 2 的移動與轉(zhuǎn)動。自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配如下圖 2.4 。 （a a）自鎖絞桿連接）自鎖絞桿連接 （b b）自鎖絞桿在自絞鎖固定板內(nèi)部）自鎖絞桿在自絞鎖固定板內(nèi)部中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)

27、院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）8圖圖 2.32.3 自鎖絞桿示意圖自鎖絞桿示意圖圖圖 2.42.4 自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配由于軸流電機市場上有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以根據(jù)實際需求選擇 YWF2S-250 型軸流電機。YWF2S-250 型軸流電機額定電壓 220 V ，轉(zhuǎn)速 2400 rpm ，風(fēng)量 1400 m3/h 。軸流電機槳葉采用耐沖擊性聚苯乙烯制作，葉片長度根據(jù)機器人腔體直徑在做調(diào)整。2.2 清潔結(jié)構(gòu)清潔結(jié)構(gòu)玻璃清潔機器人清洗機構(gòu)外掛于機器人腔體后輪處，采用外部供水。首先沖洗玻璃表面，然后小型電機通過帶傳動，帶動粘有高密度聚乙烯條的輥筒滾動

28、清潔玻璃表面。其組成部件由行走輪、供水管、套蓋、輥筒組成，如下圖 2.5 。圖圖 2.52.5 玻璃清潔機器人清洗機構(gòu)玻璃清潔機器人清洗機構(gòu)1 1 行走輪行走輪 2 2 供水管供水管 3 3 驅(qū)動電機驅(qū)動電機 4 4 輥筒輥筒 5 5 套蓋套蓋2.3 行走機構(gòu)行走機構(gòu)清潔機器人的行走機構(gòu)由左右兩邊的轉(zhuǎn)向輪和尾部的從動輪組成，轉(zhuǎn)向輪在驅(qū)動電中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）9機的驅(qū)動下實現(xiàn)請進、后退以及轉(zhuǎn)向，如下圖 2.6 。從動輪是萬向輪，方便轉(zhuǎn)向同時起到平衡支撐機器人作用，如下圖 2.7 。行走機構(gòu)個零件也可采用耐沖擊硬膠耐沖擊性聚苯乙烯制作，行走輪則采

29、用密度小的泡沫橡膠制作。圖圖 2.62.6 行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向裝置行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向裝置1 1 轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向輪 2 2 轉(zhuǎn)向輪支架轉(zhuǎn)向輪支架 3 3 驅(qū)動電機驅(qū)動電機圖圖 2.72.7 行走機構(gòu)從動裝置行走機構(gòu)從動裝置1 1 從動輪從動輪 2 2 從動輪轉(zhuǎn)向桿從動輪轉(zhuǎn)向桿 3 3 從動輪轉(zhuǎn)向桿支架從動輪轉(zhuǎn)向桿支架2.4 水電供應(yīng)系統(tǒng)水電供應(yīng)系統(tǒng)玻璃清潔機器人為了減輕本身的重量，所以將采用外部提供清潔劑，既清潔所用的水由外部管道直接提供給清潔機構(gòu)。在為了減輕重量的同時提高工作時效，所有電機的電源采用外接，機器人本身將不攜帶電池。這樣在機器人工作時既節(jié)省能量，也可以減輕機器氣人的重量。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)

30、計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）102.5 小結(jié)小結(jié)玻璃清潔機器人的總體設(shè)計按照模塊化的設(shè)計理念，從而在結(jié)構(gòu)上追求簡潔，方便清洗機器人是拆卸與組裝。同時機器所有機構(gòu)和零件的制作材料都采用密度輕而且復(fù)合設(shè)計使用強度的材質(zhì)，這樣可以為電機提供更多的選擇空間。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）11第三章第三章 吸附機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計吸附機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 吸附原理吸附原理要保證玻璃清潔機器人在玻璃表面安全穩(wěn)定地吸附，就必須在氣路殼體內(nèi)產(chǎn)生一個真空負壓，這就需要有一個負壓產(chǎn)生裝置。采用風(fēng)機抽風(fēng)使得機器人氣路殼體內(nèi)產(chǎn)生真空負壓，這里要求該裝置重量輕、體積小、

31、噪音小、機構(gòu)簡單而且安裝方便、排風(fēng)量大、能夠迅速建立真空負壓，即要求瞬時響應(yīng)的時間非常短。目前使用的通風(fēng)機按氣流的運動方向大致有三類，即為離心式、軸流式和混流式。氣體在離心式通風(fēng)機的通風(fēng)機葉輪帶動下，是沿離心方向 (即沿半徑方向) 流動的，所以也被稱之為徑流式；氣體在軸流式通風(fēng)機的腔體內(nèi)部，沿軸線的方向流動；氣體在混流式通風(fēng)機的通風(fēng)機葉輪中帶動下，氣體的流動方向介于離心式和軸流式通風(fēng)機之間，也被稱為斜流式。離心式通風(fēng)機的特點是比轉(zhuǎn)數(shù)低(通常在 ns=2.014.5) ,全壓高，流量小，被應(yīng)用于需要提高壓力而流量小的場合。因為其流量小，所以對裝置的密封性要求嚴(yán)格，對空氣泄露敏感。當(dāng)壁面與吸盤之間

32、存在間隙時，隨著吸盤與壁面間隙的擴大，吸盤內(nèi)負壓將會急劇下降。這對機器人在不足夠平整的壁面工作極為不利。同時，為了保證密封性而在吸盤邊緣設(shè)計的各種密封墊在機器人移動時，不僅會產(chǎn)生阻力而且自身由于摩擦也會產(chǎn)生磨損的問題。因此，這種吸附方式對于通用建筑表面的清潔機器人來說并不是非常理想的。軸流式通風(fēng)機的特點是比轉(zhuǎn)數(shù)高(通常在 ns=14.590) ，全壓低，風(fēng)機內(nèi)氣體流量大，被應(yīng)用于流量大而風(fēng)壓要求不高的場合。并且由于軸流式風(fēng)機獨特的翼型葉片形狀，還可以產(chǎn)生一定的反推力。這樣產(chǎn)生的復(fù)合推力可以被我們所利用?；炝魇酵L(fēng)機整體機構(gòu)比較復(fù)雜，而且空氣的流向也復(fù)雜，應(yīng)用起來較為困難，所以一般不采用。在本文

33、中玻璃清潔機器人的負壓及反推力產(chǎn)生裝置需要流量大，但對全壓要求不高，故采用軸流風(fēng)機?；趶?fù)合吸附方式的玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)基本上由兩部分組成，風(fēng)扇產(chǎn)生的推力和空氣流場產(chǎn)生的負壓。這兩部分都包括若干個設(shè)計參數(shù)，在這些參數(shù)共同作用下，決定了機器人的吸附效果。為了清晰的說明玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)的吸附原理，本文接下來的部分依照以下三個部分分別論述：風(fēng)機推力、負壓的產(chǎn)生以及推力和負壓的復(fù)合推力。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）123.2 吸附方式的實現(xiàn)吸附方式的實現(xiàn)3.2.1 風(fēng)機推力風(fēng)機推力與其他利用反推作用力的壁面移動機器人類似，本文的吸附方式壁面機器人同

34、樣是利用螺旋槳的推力將機器人緊壓向壁面。與其他利用反推作用力的壁面移動機器人的區(qū)別在于，其他利用反推作用力的機器人螺旋槳轉(zhuǎn)軸與墻面成一個傾角，這樣推力的一部分可以平衡機器人本體的重力，同時推力垂直于墻面的分量用于產(chǎn)生墻面與機器人行走輪之間的摩擦力。這個方案使平衡重力的推力達到最大效率，但是這要求螺旋槳轉(zhuǎn)軸與墻面的夾角必須精確控制，否則平衡被打破機器人就會傾覆。本文的吸附方式中，螺旋槳推力垂直指向墻面，這樣就避免了對推力夾角的復(fù)雜控制。由于復(fù)合吸附方式中的推力沒有得到最高效的利用，我們更需要盡可能尋求增大推力值的途徑。為論述如何增大螺旋槳推力，首先討論的是螺旋槳產(chǎn)生推力的原理。軸流風(fēng)機中的槳葉與

35、飛行器的螺旋槳類似，槳葉單一處豎截面形狀如下圖 3.1 所示。電機帶動槳葉旋轉(zhuǎn)，空氣以下圖的中方式流過槳葉翼面。由于翼面上下線性長度不同但同時到達后緣的關(guān)系，所以翼面上下氣流速度則不同。圖圖 3.13.1 槳葉對氣流的影響槳葉對氣流的影響由于自然界中的流體都遵守流體三大守恒定律，從而我們能夠了解流速、壓強等運動參數(shù)在流流體流動過程中相互影響的變化規(guī)律。即得到伯努利理想氣體方程，氣體總壓=靜壓與動壓的和。總壓是常數(shù)，而動壓隨流速變化，在數(shù)值上等于空氣密度乘速度的平方的一半。葉片表面的彎曲度使得一側(cè)表面的空氣流速更快從而動壓更大，由于總壓不變這一側(cè)表面的靜壓就小了。兩側(cè)翼面的靜壓不同產(chǎn)生壓力差，從

36、而產(chǎn)生了推力。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）13圖圖 3.23.2 葉柵受力分析圖葉柵受力分析圖在軸流風(fēng)扇理論中，在確定半徑處對槳葉作環(huán)形剖視，可以得到一組葉柵。如圖 2.2 所示。下標(biāo)“1”和“2”分別表示葉柵 (AB，A1B2 ) 氣體入口處和出口處的各個參數(shù)，下標(biāo)“a”表示向量沿葉片轉(zhuǎn)軸方向的分量，w 向量是氣體相對葉片的速度，u 向量是葉片的速度,c 向量是氣體的絕對速度，x 向量是氣體的圓周速度?，F(xiàn)在討論葉柵上的軸向力，葉柵軸向力的和就是系統(tǒng)的總推力取 ABB1A1A 研究，根據(jù)動動量定理，在軸向有方程： 方程（1）+(2 1)= (2 1)

37、其中 Fa 為葉片對氣體的作用力 (N)P2為 A1B1 處氣體靜壓(Pa),P1為 AB 處氣體靜壓(Pa),S 為葉柵面積(m2 ),m 為單位時間流過葉柵面積的氣體質(zhì)量(kg)。因為低速流動時認為氣體密度不變，根據(jù)質(zhì)量守恒有： 方程（2）1= 2根據(jù)伯努利理想氣體方程，有： 方程（3）1+221= 2+222式中 為氣體密度設(shè) Ra 為氣體對風(fēng)機葉片的作用力，則： 方程（4）= 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）14由方程（1）（4）得： 方程（5）= (1+ 2)其中 和 S 是不變的，于是 Ra 正比于葉片速度和出入口處氣流圓周速度(下圖 2.3

38、)和之積。圖圖 3.33.3 氣流圓周速度氣流圓周速度這個結(jié)論對于尋求軸流電機產(chǎn)生最大推力很重要。它表明，螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，其產(chǎn)生的推力就會越大。這時候，如果入口氣流的圓周速度具有與螺旋槳角速度相反的方向，而同時出口氣流圓周速度方向與螺旋槳角速度相同，螺旋槳就可以產(chǎn)生最大的推力。圓周速度與葉片外形有關(guān)，一方面為了追求更大的圓周速度，我們可以選擇具有更大迎角的螺旋槳葉片形狀，但是這樣選擇的同時空氣對螺旋槳的阻力矩也會因此變大，這就需要我們在更高的圓周速度和效率之間做出權(quán)衡的選擇。另一方面，我們可以在氣體入口和 (或) 出口處增加一些導(dǎo)葉得到我們希望的旋轉(zhuǎn)氣流，但這會使得機器人的體積和重量增加。我們

39、也可以通過提高槳葉角速度來獲得更大的推力，但是同時阻力轉(zhuǎn)矩也會因此增大，這就需要驅(qū)動槳葉的電機消耗更大的功率。為了減輕機器人整體重量和提高機器人工作時間，獨立的機器人系統(tǒng)可以外接電源線的供電系統(tǒng)，避免攜帶的電池產(chǎn)生的重量和工作時限上的限制3.2.2 負壓的產(chǎn)生負壓的產(chǎn)生由上文可知根據(jù)伯努利原理，當(dāng)氣流流過翼面時螺旋槳出口面與入口面的氣體靜壓將有一個壓差。如果出口連通大氣，出口氣壓等于大氣壓，則入口端氣壓將低于大氣壓。同時，當(dāng)入口端氣流被外殼包裹時殼壁內(nèi)外存在相通的氣壓差，氣壓差使得外殼受到額外的氣體靜壓力。調(diào)整外殼的角度，可以使得外殼受到氣壓的合力指向來流方向。如下中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

40、（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）15圖 3.4 中所示，圖中（b）中的 Fp 就是我們需要的負壓吸附力。 （a)a) 傳統(tǒng)軸流風(fēng)扇傳統(tǒng)軸流風(fēng)扇 （b)b)改進的軸流風(fēng)扇改進的軸流風(fēng)扇圖圖 3.43.4 軸流風(fēng)機氣體函道外殼軸流風(fēng)機氣體函道外殼這里需要強調(diào)，上文提出的產(chǎn)生負壓的方法與傳統(tǒng)的使用真空泵或者離心風(fēng)機產(chǎn)生負壓的方法是不同的。真空泵和離心風(fēng)機是將負壓腔內(nèi)氣體排出產(chǎn)生高負壓，本文的方法則是利用氣體流速提高時動壓上升而時靜壓下降的原理。此方法帶來的優(yōu)點是由于此方法空氣流量很大，于是吸盤在一定能范圍內(nèi)對流量變化不敏感，這意味著機器人吸盤和墻面之間可以有一個相對交大的間隙，從而提升機

41、器人的越障能力。這對于提升玻璃清潔機器人在復(fù)雜的玻璃表面的適應(yīng)能力有很大的好處。3.3.3 真空腔的負壓與葉片推力可合成真空腔的負壓與葉片推力可合成現(xiàn)在，我們考慮如下圖 3.5 所示的復(fù)合吸附吸盤，推力和負壓在機器人工作時同時產(chǎn)生作用。當(dāng)軸流電機功率一定時，這兩方面的作用最恰當(dāng)組合使得機器人獲得最大的吸附推力。最佳工作方式需要考慮到的因素很多，如吸附腔外殼的形狀和尺寸、吸盤與墻面間隙的高度、腔內(nèi)流場等等。為了簡化對這個問題的討論研究，我們首先分析吸盤與壁面間隙是在機器人工作時產(chǎn)生的影響。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）16圖圖 3.53.5 Pro/eP

42、ro/e 建立的復(fù)合吸附吸盤外形建立的復(fù)合吸附吸盤外形1616當(dāng)機器人工作在圖 2.6(a) 狀態(tài)，即間隙為 0 時，螺旋槳工作在類似真空泵的工作狀態(tài)。此時螺旋槳使負壓腔內(nèi)氣體排出而產(chǎn)生負壓，當(dāng)螺旋槳啟動后不久會達到動態(tài)平衡，氣體停止排出。盡管與圖中 (b) (c)狀態(tài)相比 (a) 狀態(tài)可以獲得最大的負壓，但由于工作原理的不同，但它無法達到真空泵或離心風(fēng)機能實現(xiàn)的負壓。不僅如此，這時阻力提高功率上升，并且由于流量極小，螺旋槳只能獲得非常小的推力。（a a） 高負壓，低推力高負壓，低推力 (b)(b) 中負壓，中推力中負壓，中推力 (c)(c) 低負壓，高推力低負壓，高推力圖圖 3.63.6 間

43、隙不同產(chǎn)生的三種工作狀態(tài)間隙不同產(chǎn)生的三種工作狀態(tài)當(dāng)機器人工作在圖中(c) 狀態(tài)時，軸流電機效率最高，這時工作狀態(tài)與軸流風(fēng)機類似。同時在這種情況下負壓腔基本直接連通大氣，只有在距離螺旋槳很近的區(qū)域才有負壓作用，所以這時吸盤負壓腔不能產(chǎn)生足夠的負壓吸附。盡管狀態(tài)(c) 能夠產(chǎn)生最大的推力作用，但它不能達到最佳的吸附效果。當(dāng)機器人工作在狀態(tài)(b) 時，通道內(nèi)保持有一定量的氣流，這時推力仍然可以近似的由方程(5) 估算。這時氣流經(jīng)過吸盤壁面間隙流入負壓腔時受到阻礙，腔內(nèi)氣體不是直接與大氣相連，于是在腔體內(nèi)外得以產(chǎn)生壓差。盡管狀態(tài)(b) 消耗了比狀態(tài)(c) 更大的功率，但它可以獲得推力和負壓的最佳組合

44、。另一個問題是負壓腔外殼的半徑。如果負壓腔外殼半徑過小，負壓就難以得到充分的利用，如果半徑過大，導(dǎo)致機器人的尺寸和重量又會變大，負壓增大產(chǎn)生的吸附力增加但是卻得不償失。所以這需要研究求得最優(yōu)選擇。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速超過一定值之后，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速仍然會使負壓和推力得到提高，但效率卻會降低。過大的吸附力反而會增大機器人與玻璃表面的摩擦力，阻礙機器人在玻璃表面的移動作業(yè)。綜上所述，當(dāng)軸流電機轉(zhuǎn)速一定時，吸附力大小主要由螺旋槳葉面迎角和吸盤尺寸決定。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）173.3 小結(jié)小結(jié)本章首先對壁面移動機器人的真空吸附方式進行了分析，然后提出了根據(jù)真空吸附

45、方式改進的復(fù)合吸附方式。對新型吸附方式的吸附原理進行了分析推導(dǎo)，確定了新型吸附方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在理論上驗證了新型吸附方式的可行性。第四章第四章 模型建設(shè)與仿真驗證模型建設(shè)與仿真驗證GAMBIT 是一款可以幫助工程人員建立并網(wǎng)格化計算流體力學(xué)（CFD）模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計的一個軟件包。FLUENT 是一個流體動力學(xué)計算軟件包，可以用它對真空腔內(nèi)的空氣進行流體的仿真和計算。它提供了多種流體模型以供用戶仿真計算使用，如可壓縮流體、不可壓縮流體、粘性流體、非粘性流體等。本文中對負壓腔腔體的模型建設(shè)和網(wǎng)格劃分采用 GAMBIT，負壓腔內(nèi)流場的仿真則是使用 FLUENT 完成的。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢

46、業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）184.1 GAMBIT 幾何造型建模圖幾何造型建模圖GAMBIT 采用模塊化建立的模型，建立如下圖 4.1 所示真空腔體的模型。第一層圓柱直徑 376mm ，高度 15mm ；第二層圓臺底層直徑 376mm ，上層直徑 250mm ，圓臺高 28mm ；上層圓柱直徑 250mm ，高 54mm 。采用上述數(shù)據(jù)是為了保證軸流電機螺旋槳葉可以安裝到位的同時減輕真空腔材料從而的重量。圖圖 4.14.1 真空腔體框圖真空腔體框圖如下圖是先用 GAMBIT 建立正空腔體的三維模型，對上文中所述的圓臺和上層圓柱部分移動后使用命令 Volume , Uni

47、te Real Volumes 將原先創(chuàng)建的三個各自獨立部分合并成一個整體。合并后如圖 4.2 。然后在將模型導(dǎo)入 FLUENT 前選擇如圖 4.3 所示的通風(fēng)口面為 Sources(起始面) ，對進行模擬的流場進行網(wǎng)格劃分的預(yù)處理。劃分結(jié)果如圖4.4 。圖圖 4.24.2 建立的真空腔體模型建立的真空腔體模型中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）19圖圖 4.34.3 網(wǎng)格劃分前設(shè)置網(wǎng)格劃分前設(shè)置圖圖 4.44.4 仿真前幾何造型和網(wǎng)格劃分仿真前幾何造型和網(wǎng)格劃分如上圖 4.4 對模型網(wǎng)格劃分結(jié)果所示，在命令操作欄中 Faceting Type 下綠色條左邊

48、越多說明網(wǎng)格劃分越優(yōu)越，根據(jù)上圖顯示檢驗的結(jié)果，將合格的網(wǎng)格導(dǎo) 入 FLUENT 后模擬仿真。4.2 仿真驗證仿真驗證由于軸流電機第二章確定使用 YWF2S-250 型，所以可以應(yīng)用 FLUENT 對轉(zhuǎn)速確定下不同吸盤與壁面間隙以及不同吸盤直徑條件下，吸附裝置產(chǎn)生的吸附力效果進行了仿真計算。依照本課題的條件，在 FLUENT 中做了如下設(shè)定如下參數(shù)solver： “steady state”solving approach： “segregated”algorithm： “implicit”type of flow： “K-Epsilon”material： “air”當(dāng)轉(zhuǎn)速為 2400rpm

49、 吸盤直徑為 316 mm 時，如圖 4.5 中所示，圖（a) 顯示了間隙高度 0mm 時氣體流速分布,圖（b) 和圖（c) 分別顯示了間隙高度是 25mm 和 50mm 時真空吸盤內(nèi)氣體靜壓分布情況。觀察圖（a) ，當(dāng)間隙取 0mm 時，系統(tǒng)在間隙處與外界沒有中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）20氣體交換，而在螺旋槳處有反向氣流產(chǎn)生，這時將產(chǎn)生噪音并且將會提高電機的功耗。表 2.1 顯示了摘自 FLUNT 的仿真數(shù)據(jù)，可以看到負壓值在 0 間隙時取得最大(-350KPa )值，間隙取 50mm 時則最小(-150KPa )值，這兩種情況下，負壓和推力分別

50、占各自情況下的主導(dǎo)作用，但兩者都沒有取得最大的吸附合力。而當(dāng)間隙取 25mm 時，系統(tǒng)獲得了最大的吸附力 20.4N ，這時的負壓和推力兩者作用得到了較好的匹配。（a a）間隙高度）間隙高度 0mm0mm 時氣體流速分布圖時氣體流速分布圖（b b）間隙高度）間隙高度 25mm25mm 時靜壓分布圖時靜壓分布圖 (c)(c) 間隙高度間隙高度 50mm50mm 時靜壓分布圖時靜壓分布圖圖圖 4.54.5 吸盤直徑吸盤直徑 316mm316mm 時不同間隙高度腔內(nèi)靜壓仿真時不同間隙高度腔內(nèi)靜壓仿真中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21表表 2.1 間隙不同時吸

51、附力對比間隙不同時吸附力對比間隙高度（mm）最大靜壓（Kpa）間隙處氣體流速（m/s）復(fù)合吸附力（N）0-3507.525-31522.720.450-15019.812.8當(dāng)轉(zhuǎn)速為 2400rpm，間隙高度為 25mm 時，直徑分別為 376mm 和 436mm 的負壓腔內(nèi)靜壓分布圖如如圖 4.6 所示。由表 2.2 可以看出，隨著吸盤直徑增大，復(fù)合吸附力也在變大。然而，對比上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸盤直徑由 316mm 增大至 376mm 時，吸附力顯著增大由 19.7N 增至 29.8N 增幅 51.27% ：但是當(dāng)吸盤直徑由 376mm 增大至 436mm 時吸附力增加的幅度卻不是那么明顯，

52、增幅只有 9.06%，而這時機器人會因為吸盤尺寸增大而增加很多重量。所以，適當(dāng)選擇吸附力與重量之比就要依據(jù)吸盤的大小決定，這在具體設(shè)計中是很必要的。(a)(a) 直徑直徑 376mm376mm 時靜壓分布圖時靜壓分布圖(b)(b) 直徑直徑 436mm436mm 時靜壓分布圖時靜壓分布圖圖圖 4.64.6 間隙高度為間隙高度為 25mm25mm 時不同吸盤直徑腔內(nèi)靜壓仿真時不同吸盤直徑腔內(nèi)靜壓仿真中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）22表表 2.2 吸盤直徑不同時吸附力對比吸盤直徑不同時吸附力對比吸盤直徑（mm）最大靜壓（KPa）間隙處氣體流速（m/s）復(fù)合

53、吸附力（N）316-34221.319.7376-33820.729.8436-21618.832.54.3 詳細結(jié)構(gòu)方案詳細結(jié)構(gòu)方案根據(jù)前文分析，本文提出提出玻璃清潔機器人的整體結(jié)構(gòu)以及機器人合吸附吸盤設(shè)計方案如圖 4.7 和 4.8 ：圖圖 4.74.7 玻璃清潔機器人整體機構(gòu)示意圖玻璃清潔機器人整體機構(gòu)示意圖圖圖 4.84.8 復(fù)合吸附吸盤設(shè)計方案分解示意圖復(fù)合吸附吸盤設(shè)計方案分解示意圖1 1 機器人腔體機器人腔體 2 2 從動輪轉(zhuǎn)向桿從動輪轉(zhuǎn)向桿 3 3 從動輪轉(zhuǎn)向桿支架從動輪轉(zhuǎn)向桿支架 4 4 自鎖絞桿自鎖絞桿 5 5 右轉(zhuǎn)向輪支架右轉(zhuǎn)向輪支架 6 6 上上安全防護罩安全防護罩 7

54、7 自絞鎖固定板自絞鎖固定板 8 8 橡膠墊片橡膠墊片 9 9 軸流電機槳葉軸流電機槳葉 1010 軸流電機軸流電機 1111 下安全防護下安全防護罩罩 1212 轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向輪 1313 左轉(zhuǎn)向輪支架左轉(zhuǎn)向輪支架 1414 驅(qū)動電機驅(qū)動電機中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）23吸盤的外殼殼體采用輕質(zhì)材料制成，上部是帶有軸流電機、螺旋槳以及自鎖固定裝置的圓柱形通風(fēng)道，是下部圓錐形負壓腔吸盤。風(fēng)道進口以及出口都設(shè)有安全防護罩，在保證氣流通暢的同時防止意外情況發(fā)生時異物飛濺傷人。吸盤兩側(cè)是兩個相互獨立驅(qū)動輪系統(tǒng)，該系統(tǒng)由支架、電機、輪子構(gòu)成，在直線行走同時相互獨

55、立可完成轉(zhuǎn)向。另有一萬向輪從動，與兩個驅(qū)動輪一起支撐殼體，保持吸盤與壁面之間的間隙。為使吸盤內(nèi)流場盡可能不受額外干擾，驅(qū)動輪和從動輪全部安裝在吸盤殼體外側(cè)，并盡量貼近玻璃表面。4.4 小結(jié)小結(jié)本章節(jié)利用 GAMBIT 和 FLUENT 軟件建模、網(wǎng)格劃分與模擬仿真、分析的功能，對上一章節(jié)中提出的新型吸附方式的效果進行了軟件仿真，驗證了前文的理論分析可操作性。最后利用三維設(shè)計軟件 Pro/Engineer 生成更為生動的復(fù)合吸吸附機構(gòu)數(shù)字。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）24結(jié)束語結(jié)束語機器人的研發(fā)結(jié)合了機械、電子、控制、人工智能計算機等多學(xué)科領(lǐng)域的知識，

56、代表著當(dāng)今研究的前沿學(xué)科，在某種程度上代表著一個國家的科研實力。玻璃清潔機器人吸附裝置的研制，有助于完善機器人性能，提高高危環(huán)境工作的安全性和有效性。最終有助于玻璃清潔機器人市場普及。減小工作人員危險和工作強度，降低成本，有著很大的現(xiàn)實意義。本文核心就是玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)方面展開了闡述論證，主要研究工作和結(jié)論如下:1）玻璃清潔機器人因為其所具備的特殊而又實用的功能，所以在眾多壁面移動機器人格外的受人關(guān)注。本文中先對國內(nèi)、外壁面機器人的發(fā)展現(xiàn)狀進行研究，并按照吸附方式的不同將壁面移動機器人進行分類比較，并分析玻璃清潔機器人可以選用的吸附方式。描述了基于復(fù)合吸附原理的玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)以及

57、實現(xiàn)方案。該吸附機構(gòu)采用源于真空吸附技術(shù)的一種單吸盤吸附方式，方案同時結(jié)合了螺旋槳反推力的作用。吸盤與壁面之間有一個相對較大的間隙，這提升了機器人的越障能力使機器人對復(fù)雜的玻璃慕表面具有更強的適應(yīng)性。2）文中玻璃清潔機器人采用的吸附方式具有創(chuàng)新性，為今后的深入研究打下了一定的基礎(chǔ)。目前對該復(fù)合吸附方式的研究還比較有限，有些問題還有待進一步研究。玻璃清潔機器人螺旋槳槳葉外形、真空吸盤與壁面間隙大小，吸盤負壓腔形狀尺寸等都會對機器人最終的吸附效果產(chǎn)生影響，這些都需要根據(jù)機器人具體的應(yīng)用場合進行一定的調(diào)整。對于文中復(fù)合吸附方式的研究，下一步的研究重點應(yīng)在改進真空腔內(nèi)流場控制方面，例如改進吸盤負壓腔形

58、狀、改進螺旋槳槳葉外形以及排列方式等從而在降低功耗、提高效率和減少噪音方有所提高。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）25致致 謝謝本文是在我的指導(dǎo)老師師劉麗明老師的指導(dǎo)下完成的，劉老師在課題進展的各個階段都對我進行我耐心而又認真的教導(dǎo)。在我的畢業(yè)設(shè)計完成時，感覺自己最美好的大學(xué)時光就要結(jié)束了，我很想向我的我的父母、母校、我的老師以及我的大學(xué)同學(xué)們表達我最衷心的謝意。本畢業(yè)設(shè)計的完成我首先要向?qū)W院表達誠摯的謝意，是學(xué)院給我提供優(yōu)異的學(xué)習(xí)環(huán)境，使我學(xué)習(xí)到了許多專業(yè)知識，學(xué)校“明德大愛，創(chuàng)新篤行”的校訓(xùn)也使我深受教育。指導(dǎo)老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、為人誠懇、學(xué)識淵博，為我提

59、供了一種良好的精神氣氛。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中每次困難，我都會尋求老師的幫助。老師每次也都會抽空來幫我解決，然后給出有價值的解決辦法。而且在做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從選題、查閱資料和論文提綱的確定，到中期論文的修改、后期論文格式調(diào)整等各個環(huán)節(jié)中，老師都給予了我悉心的指導(dǎo)。我從老師身上學(xué)到了很多解決問題的經(jīng)驗和學(xué)習(xí)方法，這些學(xué)到的東西在畢業(yè)論文上給予了我許多的幫助，在此，我向我的導(dǎo)師劉麗明老師表示崇高的敬意和真摯的謝意！在論文撰寫過程中，寢室的各位同學(xué)們在生活上給予的幫助，是他們給大家創(chuàng)造一個安靜地環(huán)境。同時感謝武漢全通自動化設(shè)備有限公司的詹漢懷師傅在材料選擇和人生的認識上給予的指導(dǎo)，真誠地感謝詹老

60、師和和同學(xué)們的指導(dǎo)和幫助。最后，深深地感謝我的父母，尤其是我的母親在我寒假在家撰寫論文過程期間給予的理解和關(guān)懷！中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）26參考文獻參考文獻 1 李曙生.具有輪換移動機構(gòu)的爬壁機器人研究J.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2002, 2(3):14-182 國家 863 計劃智能機器人主題專家組.邁向新世紀(jì)的中國機器人國家863計劃智能機器人主題回顧與展望M.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2011.2.3 潘雷.趙言正.錢志源.付莊.曹其新.具有雙負壓吸盤的爬壁機器人吸附特性J.上海交通大學(xué)學(xué)報.2005.39(6)4 劉淑霞.趙言正,王炎.高

61、樓壁面清洗機器人及相關(guān)技術(shù)的研究J.自動化博覽.1999:22-26.5 肖立.佟仕忠.丁啟敏.等.爬壁機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展J.自動化博覽.2005.22(1):80-83.6 RAFAEL ARACIL, ROQUE J SALTARN, OSCAR REINOSO.A Climbing Parallel Robot A Robot to Climb Along Tubular and Metallic StructuresJ. IEEE Robotics & Automation Magazin , 2006, 13:16-227 Love P.Kalra, Jason Gu, Max Me

62、ng.A Wall Climbing Robot for Oil Tank InspectionC. International Conference on Robotics and Biomimetics.Kunming, China.20068 楊宏,劭浩.劉淑良.王炎.壁面清洗機器人控制系統(tǒng)的研制J.機器人ROBOT.1998.20(4):7-109 日本機器人學(xué)會編著.宗光華等譯.機器人技術(shù)手冊M.科學(xué)出版社.201010 張秀麗,鄭浩峻.陳懇,等.機器人仿生學(xué)研究綜述J.機器人.2012,24(2):185-19211 吉愛紅.戴振東.周來水.仿生機器人的研究進展J.機器人.2005

63、,27(3):280-28512 許宏巖.付宜利.王樹國.等.仿生機器人的研究J.機器人.2004,26(3):276-28813 王俊玲.磁性爬壁噴涂機器人J.機電產(chǎn)品市場.2002.(1 /2):2714 肖立.佟仕忠.丁啟敏,吳俊生.爬壁機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展J.自動化博覽.2008,22(1):76-7915 劉世平,李喜秋,趙軼.基于Pro/Engineer的三維設(shè)計與制造M.華中科技大學(xué)出版社,200716 周延武,宗光華.Cleanbot-I.擦窗機器人的智能化技術(shù)J.機器人ROBOT.2002.24(1):6-11.中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）27附錄附錄