外窗玻璃清洗機器人設(shè)計開題報告

廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計開題報告題 目：外窗玻璃清洗機器人設(shè)計 系 別： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 年 月 日- 10 -本科畢業(yè)設(shè)計開題報告系別專業(yè)班級姓名學(xué)號聯(lián)系方式題目外窗玻璃清洗機器人設(shè)計一、選題背景在現(xiàn)代都市中，高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)景。在建筑業(yè)，由于玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實用美觀，高層建筑的外壁越來越多地采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，但是為了保證建筑外觀的整潔美麗，時間一長，就需要對壁面進行清洗，以美化市容市貌。許多開放性城市都規(guī)定，每年應(yīng)對高樓清洗若干次。 目前高層建筑玻璃幕墻的清洗方法主要有兩種，一種是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗，雖簡便易行，但勞動強度大，工作效率又低，屬于高空極限作業(yè)對人身安全及玻璃壁面都有很大的威脅性。另一種是用安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機對準(zhǔn)窗戶進行自動擦洗。這種方式初次投資成本較高(高達數(shù)百萬元)，而且要求在建筑物設(shè)計之初就要考慮擦窗系統(tǒng)，因而限制了其使用，因此急需一種能代替人而又有一定靈活性和適用性的自動機器來完成這項工作，而且玻璃幕墻一般面積較大，大多處于幾十米甚至上百米的高處，且周圍無可攀援的支架，這就使得玻璃幕墻的清洗成為一項繁重、危險、耗資的工作。如果用人去清洗，不僅花費高，而且安全難以保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。 高層建筑清洗機器人正是在這種背景下應(yīng)運而生。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б?、?jīng)濟效益。因此，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)都在積極開展此項研究工作二、課題設(shè)計2.1課題的內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是設(shè)一款外窗玻璃清洗機器人，由地面的真空泵提供負壓和電源。吸附于玻璃頂棚，連接遠程控制裝置，控制其運動。設(shè)計簡單實用。該機器人的設(shè)計內(nèi)容如下：外窗玻璃清洗機器人最主要的要求是能夠在玻璃吸附行走，所以首先在確定的總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計吸附裝置，即爪子與真空發(fā)生裝置，運用了一種機械傳動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機器人稀奇排氣的控制；然后設(shè)計傳動減速裝置，選擇合適的電機后，采用蝸輪蝸桿裝置，選擇聯(lián)軸器和軸承等傳動裝置；由于能力有限，所以本次設(shè)計只要求機器人能夠在玻璃頂棚，實現(xiàn)基本的吸附、移動、轉(zhuǎn)彎、吸塵、半自動避障，不研究智能自動運動工作。2.2課題的目的機器人技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，使機器人在各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，而外窗玻璃清洗機器人技術(shù)的日趨成熟，為解決高樓頂棚清潔作業(yè)提供了一種新的思路。于是作為極限作業(yè)機器人之一的外窗玻璃清洗機器人應(yīng)運而生，它的出現(xiàn)使實現(xiàn)高樓玻璃頂棚清洗作業(yè)的自動化成為了可能。在現(xiàn)實生活中，外窗玻璃清洗機器人機器人沒能得到廣泛的應(yīng)用，主要因為它們存在清潔效果差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積和重量大、成本高等不利因素。我們設(shè)計的遙控式爬壁清潔機器人較好地解決了以上問題。它結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，且采用半濕擦，能達到預(yù)期的清潔效果。我們綜合運用遙控技術(shù)和機械技術(shù)，利用現(xiàn)在已研究較為成熟的爬壁原理，并在此基礎(chǔ)上，主要對機器人的清潔機構(gòu)、前進機構(gòu)、換向機構(gòu)等進行創(chuàng)新設(shè)計和創(chuàng)新組合，以較為有效地實現(xiàn)高樓玻璃幕墻的清潔作業(yè)。2.3課題的意義機器人是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機科學(xué)、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度高的自動化設(shè)備。所以該氣動清洗機器人系統(tǒng)包括機械結(jié)構(gòu)、運動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分。 由于我們所開發(fā)的清洗機器人工作場所的特殊性，本課題在機器人結(jié)構(gòu)上的設(shè)計思想是:在保證機器人功能的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、運行穩(wěn)定。因為爬壁機器人在行進過程中需要克服自身重力，所以較輕的機器人本體結(jié)構(gòu)是一個需要著重考慮的設(shè)計因素。增加機器結(jié)構(gòu)的靈活性，導(dǎo)致的結(jié)果是機械結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，需要使用到的機械元器件增多，重量必然增加，同時控制的復(fù)雜性也增加。 外窗玻璃清洗機器人是一種爬行機器人，因此，它必須具備兩大功能：吸附和移動功能。2.4 文獻綜述工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。氣動技術(shù)有以下優(yōu)點:(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題.(2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。(3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。(5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。(6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。三、課題研究現(xiàn)狀3.1國外研究現(xiàn)狀發(fā)達國家對外窗玻璃清洗機器人的研制起步早、投資大、發(fā)展快,這些國家農(nóng)業(yè)規(guī)模化、多樣化、精確化和設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,有效地促進了外窗玻璃清洗機器人與其他智能化農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展。自20世紀(jì)80年代開始,發(fā)達國家根據(jù)本國實際,紛紛開始外窗玻璃清洗機器人的研發(fā),并相繼研制出了嫁接機器人、扦插機器人、移栽機器人和采摘機器人等多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機器人。如澳大利亞的剪羊毛機器人,荷蘭的擠奶機器人,法國的耕地和分揀機器人,日本和韓國的插秧機器人,丹麥的農(nóng)田除草機器人,西班牙的采摘柑橘機器人,英國的采蘑菇機器人等?？傮w看來,在外窗玻璃清洗機器人的研發(fā)方面,日本居世界領(lǐng)先地位,現(xiàn)已研制出番茄、黃瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收獲的多種可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機器人。但是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、作業(yè)對象及使用者等與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域截然不同,發(fā)達國家已研發(fā)成功的外窗玻璃清洗機器人目前尚未實現(xiàn)商品化生產(chǎn)和大面積普及。進入21世紀(jì),農(nóng)業(yè)勞動力不斷向其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,農(nóng)業(yè)勞動力結(jié)構(gòu)性短缺和日趨老齡化漸已成為全球性問題。設(shè)施農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)和高新技術(shù)的快速發(fā)展,特別是人工作業(yè)成本的不斷攀升,為外窗玻璃清洗機器人的進一步發(fā)展提供了新的動力和可能。如果蔬的采摘不僅季節(jié)性強、勞動量大,而且作業(yè)費用高, 人工收獲的費用通常占全程生產(chǎn)費用的50%左右,因此采摘機器人在日本、美國、荷蘭等國家已有初步使用。法國研制的分揀機器人能在潮濕骯臟的環(huán)境里工作，把大個番茄和小粒櫻桃加以區(qū)別，然后分別裝運開來。它還可用來分揀不同大小的土豆，并且不會碰壞它們。德國科學(xué)家正在創(chuàng)建一個全自動化的，以解決農(nóng)業(yè)工人日趨減少的問題。在這個，耕地、播種、澆水、施肥、噴藥、收獲全部由機器人來操作?？茖W(xué)家利用全球定位系統(tǒng)和經(jīng)過專門改造的電子傳感器，讓犁地機器人從一塊農(nóng)田轉(zhuǎn)到另一塊農(nóng)田，確保機器人之間不互相碰撞，并避開樹木和電線桿之類的障礙物。機器人不僅能進行農(nóng)作，而且能對農(nóng)作物的生長情況進行監(jiān)控，還能及時提供農(nóng)作物生長狀況、氣候及農(nóng)時等數(shù)據(jù)進行分析，并計算出所需的肥料和藥劑的確切用量。另外，機器人還可提出種植何種作物效益最佳的建議。第一部外窗玻璃清洗機器人樣品已經(jīng)制成，預(yù)計在不久的將來，自動化將成為現(xiàn)實。3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀驅(qū)動、傳感、控制等硬軟件技術(shù)的發(fā)展極大地推動了外窗玻璃清洗機器人技術(shù)的發(fā)展,實際應(yīng)用的需求也對外窗玻璃清洗機器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn),外窗玻璃清洗機器人的發(fā)展趨勢歸結(jié)起來主要有以下幾方面。(1)新型吸附技術(shù)的發(fā)展。吸附技術(shù)決定了機器人的應(yīng)用范圍，目前應(yīng)用比較成熟的吸附技術(shù)主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很大的局限性,在很多情況下難以滿足實際應(yīng)用的要求。因此,開發(fā)和研究新型吸附技術(shù)是當(dāng)前外窗玻璃清洗機器人領(lǐng)域的一個重要方向，其中，仿壁虎腳掌仿生粘性材料的發(fā)展是當(dāng)前新型吸附技術(shù)發(fā)展趨勢。(2)清洗機器人的任務(wù)由單一化向多功能化方向發(fā)展。過去所研制的外窗玻璃清洗機器人大多用于清洗、噴涂、檢測等作業(yè),作業(yè)任務(wù)往往只局限于單一的任務(wù)。而目前人們則希望外窗玻璃清洗機器人能夠裝備多種工具,在不同的場合進行工作，實現(xiàn)一機多用的功能。這樣可以減小人類使用機器人的成本，有利于外窗玻璃清洗機器人的發(fā)展。(3)小型化、微型化是當(dāng)前外窗玻璃清洗機器人發(fā)展的趨勢。在滿足功能要求的前提下,體積小、質(zhì)量輕的機器人可較小能耗,具有較高靈活性,可以承載更多的負荷，有利于實現(xiàn)外窗玻璃清洗機器人的多功能性，并且在某些特殊場合也需要機器人具有小的體積。各種微型驅(qū)動元件、控制元件及能源供應(yīng)方式的發(fā)展,以及在納米材料方面取得的進步，為小型化、微型化奠定了基礎(chǔ)。(4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(fā)展。帶纜作業(yè)極大地限制了機器人的作業(yè)空間,所以,為了提高機器人的靈活性和擴大工作空間,無纜化成為現(xiàn)在和未來外窗玻璃清洗機器人的發(fā)展趨勢。(5)由簡單遠距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結(jié)合,使機器人在封閉環(huán)境中能夠具有一定的自主決策能力,完成任務(wù),并具有自我保護能力,是移動機器人發(fā)展的重要方向,也是玻璃頂棚吸塵移動機器人的重要發(fā)展方向。(6)可重構(gòu)是機器人適應(yīng)能力的一項重要指標(biāo)。為了使機器人能夠應(yīng)用于不同場合,根據(jù)任務(wù)需求,在不需要重新設(shè)計系統(tǒng)條件下,充分利用已有的機器人系統(tǒng),應(yīng)使機器人具有可重構(gòu)性,即具有模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)任務(wù)需求,可以把需要的模塊直接連接起來組成新的機器人。此可以大大降低機器人的制造成本。四、課題設(shè)計方案4.1設(shè)計方案選型與分析機器人是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機科學(xué)、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度高的自動化設(shè)備。所以該氣動清洗機器人系統(tǒng)包括機械結(jié)構(gòu)、運動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分。 由于我們所開發(fā)的清洗機器人工作場所的特殊性，本課題在機器人結(jié)構(gòu)上的設(shè)計思想是:在保證機器人功能的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、運行穩(wěn)定。因為爬壁機器人在行進過程中需要克服自身重力，所以較輕的機器人本體結(jié)構(gòu)是一個需要著重考慮的設(shè)計因素。增加機器結(jié)構(gòu)的靈活性，導(dǎo)致的結(jié)果是機械結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，需要使用到的機械元器件增多，重量必然增加，同時控制的復(fù)雜性也增加。 外窗玻璃清洗機器人是一種爬行機器人，因此，它必須具備兩大功能：吸附和移動功能。4.2方案的確定1）吸附裝置；我們利用目前已經(jīng)較為成熟的負壓吸附原理，把底部吸盤安裝在前后輪之間略靠近后輪的位置，以保證其在跨越溝坑時仍然具有足夠的吸附力。但吸盤在保證其密封性的同時，與壁面的摩擦力又很小，類似與一只碗在桌面滑動。2）吸塵清潔裝置；利用常用的吸塵器技術(shù)，在機器人前部安裝在機器人左右輪之間以保障機器人所進過的地方都能進行清潔打掃。3）移動系統(tǒng)；清洗爬壁機器人按照移動方式可分為車輪式、履帶式和腳步行式。履帶式由電機驅(qū)動兩個無軌道履帶，對玻璃頂棚適應(yīng)性強，但體積較大，不宜轉(zhuǎn)彎；腳步行式是通過多個腳的反復(fù)吸附與脫落進行移動，帶載能力強，但移動困難，移動速度慢；車輪式移動速度較快，著地面積小，便于控制但是對于吸附力不夠。爪式機器人所以，在這次設(shè)計過程中，選擇了車輪式機器人。4）控制系統(tǒng)；將機器人所有的動作經(jīng)過PLC輸出傳動，傳感器的輸入信號，控制盒的控制信號，報警輸出信號，都經(jīng)過PLC集中管理統(tǒng)一運行。控制系統(tǒng)主要包括PLC，控制盒，傳感器，傳動輪等電氣元件組成。機器人的控制我們采用了類似于遙控玩具汽車的控制原理，運用遙控板實現(xiàn)對機器人作業(yè)時所需的前進、后退、前左、前右、后左、后右六個方位的動作，通過電路設(shè)計遠程控制實現(xiàn)。清潔機器人由移動系統(tǒng)、吸附裝置、清潔裝置、控制系統(tǒng)、等部分組成。4.3方案的特點及創(chuàng)新本文設(shè)計的外窗玻璃清洗機器人采用四爪式小車形狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單；采用真空吸盤吸附方式，吸盤連接地面空壓機，利用吸盤來完成吸附動作，利用機械結(jié)構(gòu)完成機器人真空吸盤的吸附與排氣控制，避免在每個真空吸盤配備傳感器的需要，降低了控制難度；采用四爪驅(qū)動，四個電機驅(qū)動四個手爪，四爪利用螺紋傳動，使傳動螺母相連的手爪臂圍繞銷軸擺動，再配合吸盤，完成機器人的行走，采用地面供電，地面提供負壓的方式；機器人可以在水平面或者垂直表面直線行走。五、預(yù)期結(jié)果第1周 調(diào) 研；查找相關(guān)資料第2周 調(diào) 研；文獻閱讀；對外文資料進行翻譯第3周 文獻閱讀；初擬設(shè)計方案；書寫開題報告第4周 開題報告審查；完成翻譯；開題報告答辯第5周 學(xué)習(xí)相關(guān)軟件（AutoCAD、PRO/E） 總體機構(gòu)設(shè)計；理論分析計算第6周 總體機構(gòu)設(shè)計；理論分析計算；結(jié)構(gòu)設(shè)計計算；繪 制 草 圖第7周 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算；繪 制 草 圖第10周 完成工作量的6070，即完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括3張A0圖紙的裝配圖、零件圖；六、設(shè)計主要步驟1、 搜集了國內(nèi)外外窗玻璃清洗機器人發(fā)展相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，了解了外窗玻璃清洗機器人的研究現(xiàn)狀；2、 外窗玻璃清洗機器人機械結(jié)構(gòu)原理及方案分析；3、 外窗玻璃清洗機器人機械運動分析及設(shè)計計算，主要包括：外窗玻璃清洗機器人機構(gòu)參數(shù)的選擇、機器人自由度的計算選擇；4、 外窗玻璃清洗機器人末端采摘手抓的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析；5、 繪制外窗玻璃清洗機器人裝配圖及主要零部件CAD圖紙。七、進度計劃序號任務(wù)名稱開始時間結(jié)束時間1選題2查閱中、外文獻資料，外文資料翻譯，確定系統(tǒng)設(shè)計方案3開題4進行畢業(yè)設(shè)計5中期檢查6上交畢業(yè)設(shè)計正稿打印版及電子材料，畢業(yè)設(shè)計及設(shè)計說明書光盤，完成畢業(yè)答辯ppt7畢業(yè)答辯八、參考文獻1 簡潔，張鐵山電動清掃車清掃作業(yè)裝置的設(shè)計與研究J 專用汽車，2012，（7）：85-872 楊首森遙控軌路兩用物料轉(zhuǎn)運小車的研制與應(yīng)用J制造業(yè)自動化，2009，（10）：174-1763 張桂豐電機驅(qū)動清掃裝置的環(huán)保型清掃車總體設(shè)計J福建農(nóng)機，2008，（3）：65-674 潘公宇清掃車清掃裝置的性能研究J筑路機械與施工機械化，1997，14（1）：12-135 A. 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