爬壁清洁机器人.docx

爬壁清洁机器人 摘 要：随着城市化的进程，城市中的高楼越来越多，随之带来的高楼玻璃窗擦洗问题也出现了，目前市场上所研制的玻璃清洗装置或机器人存在着清洗效果不佳，系统复杂等问题，基于上述情况设计者构思并设计了用于高楼玻璃幕墙或瓷砖墙面擦洗作业的遥控式爬壁清洁机器人，该机器人由主体板、移动系统、换向机构、吸附装置、清洁装置、控制系统和安全辅助装置六部分组成，通过这些结构能基本实现在垂直玻璃面上的上下移动以及小幅度左右侧转弯运动，4mm高障碍物的自动监测和跨越以及玻璃面的清洗功能。 关键词：爬壁清洁机器人 遥控 换向机构 越障 1. 研究背景及意义 随着近几年来城市化进程的不断加快，城市中的高楼大厦越来越多，这些高楼的壁面也因大都采用瓷砖和玻璃幕墙作为装饰给清洗带来了一些麻烦。爬壁机器人技术的日趋成熟，为解决高楼墙面清洁作业提供了一种新的思路。目前也已有好多的机构、研究所等设计并制造出一些可以代替人工完成高层建筑清洗任务的玻璃擦洗装置，着实带来了一定的经济效益。虽然爬壁清洁机器人的研制与开发已经有了一定的成果，但由于它们存在清洁效果差、结构复杂、体积和重量大、成本高等不利因素，在现实生活中一直没能得到广泛应用。从目前国内外已研制出的一些用于玻璃幕墙清洗的装置或机器人我们可以了解到，这些机器人有以下的特点： 1. 机器人本体体积庞大。如北京航空航天大学机器人研究所研制的用于清洗国家大剧院玻璃幕墙的样机甚至达到了2870 mm，对于一些高层、宽阔的玻璃幕墙来说，清洗效率比较高，这无疑是一个很好的选择，但对于一些玻璃单元比较小的低矮建筑物来说，则让人感觉“大”材“小”用。 2. 机器人无法跨越障碍。现实生活中，玻璃幕墙不可能是一个理想的平面，往往在壁面上存在着胶条、窗框，这些障碍的存在极大阻碍了清洗工作的连续顺利进行。 3. 清洗效果不佳。现有的清洗机器人大都是一边行进一边擦洗，不易彻底去除顽强的污垢。 4. 机体辅助装置多。 5. 机器人整体系统复杂，效率低，功耗大。往往，很多清洗机器人的设计都走入这样一个误区：片面??求机构的复杂而背离了设计的初衷。 因此如何高效、安全地进行高楼玻璃幕墙或瓷砖墙面清洁作业的问题逐渐被人们提上日程。而我们设计的新型遥控式爬壁清洁机器人较好地解决了以上问题。它以四驱车为基本造型参考，外形美观，结构简单，体积小，重量轻，且大胆地提出干擦的理念，能达到预期的清洁效果。我们综合运用遥控技术和机械技术，利用现在已研究较为成熟的爬壁原理，并在此基础上，主要对机器人的清洁机构、前进机构、换向机构、越障控制等进行创新设计和创新组合，以较为有效地实现高楼玻璃幕墙的清洁作业。 2. 产品功能 我们设计的新型遥控式爬壁清洁机器人重约3kg，整体尺寸约为600mm×200mm×120mm。该机器人的主要功能是基本实现在垂直玻璃面上的上下移动以及小幅度左右侧转弯运动，通过光电开关的原理实现4mm高障碍物的自动监测和跨越，同时设计的清洁机器人能实现对玻璃面的清洗功能。 3. 工作原理及构造 机器人整体示意图，如图1所示。 图1 整体原理图 3.1 主体板 主体板的主要功能为固定和连接其它四个功能装置，是机器人的主体部分，其大小决定了机器人的整体结构尺寸。考虑到机器人的结构紧凑问题，我们取主体板的长为330mm，宽为140mm，厚为2mm。 3.2 移动系统 3.2.1 驱动电机 综合考虑机器人各组成部分的重量、清洁效率等性能指标，我们估计机器人的总重量为2.5千克，移动速度为0.2米每秒，因此根据公式，可计算得到前进所需功率至少为5w。加上清洁所需的功率大概为4w，再考虑摩檫损失等因素，我们选择功率大小为12w的直流24v电机作为驱动电机。该电机自带减速器和制动机构，转速大小为100r/min。 3.2.2 换向机构 为使清洁机器人能在壁面上左右转弯爬行，我们在机器人的移动系统中添加了一个换向机构。此换向机构直接与前轮相连接，由换向电机和车轮转向轴（如图2）、换向移动杆（如图3）、二个零件组成。换向电机选择玩具汽车中的普通微型电机。 图2 车轮转向轴 图3 换向移动杆 3.3 吸附装置 3.3.1 吸盘 我们选择了一种“自适应式多真空室吸盘”，可以在壁面有沟槽的地方正常工作，如图4所示： 图4 吸附装置 3.3.2导管及弹簧 连接抽气泵和吸盘的导管设计成软质导管和硬质导管两段。其中与抽气泵直接相连的那段导管为软质导管，采用一般的橡皮管。介于软质导管和吸盘之间的那段导管为硬质导管，材料为纯铝，并将其固定于主体板上。 在导管外添加一根弹簧，该弹簧与吸盘相连，其主要功能是对吸盘实现缓冲、减震和回复等，以保证吸盘