遥控式爬壁清洁机器人之行驶系、转向系设计.docx

遥控式爬壁清洁机器人之行驶系、转向系设计 摘 要：阐述了研制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过程中所涉及的形式系统、换向机构部分的设计思路和设计方案。 关键词：爬壁清洁机器人；行驶系统；换向机构；汽车 前言 注：遥控式爬壁清洁机器人是04级工业工程赵英学姐组队参加浙江大学第12届大学生机械设计竞赛的作品，当时尚处于大二阶段的我出于兴趣参与了一些她们的设计活动，并充分发挥自己汽车专业的优势，在现有汽车行驶系、转向系的基础上协助设计了此机器人的相应部分，以下主要就这一部分的设计过程进行展开。 随着近几年来城市化进程的不断加快，城市大规模基础项目改造的不断开展，高层建筑日趋增多，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。高楼玻璃幕墙清洗是一项量大面广的作业，目前国内外基本上还停留在人工清洗阶段[3]。这种作业方式不仅效率低，而且存在着很大的安全隐患。 机器人技术的创新和发展，使机器人在各个领域中得到广泛的应用，而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。于是作为极限作业机器人之一的爬壁清洁机器人应运而生，它的出现使实现高楼玻璃幕墙清洗作业的自动化成为了可能。 目前，爬壁清洁机器人的研制与开发已经有了一定的成果。下面就目前的爬墙清洁机器人进行分析： 清洁方式：基本上采用湿洗，清洁机器人在爬行时，边喷雾边刷洗和用刮板刮。我们认为这种清洗方式固然可以达到很高的清洗效率，但在水干了之后，难免会留下污垢，这样清洁效果就难以保证了。 体积重量：目前的这类清洁机器人体积和重量都很大，如哈尔滨工业大学研制的爬墙清洁机器人堪称小型轻量化，重达23.2kg。 爬行方式：目前主要有轮式的，履带式的，足式的三种。轮式的越障能力相对较差，虽然目前有人把轮式的设计成如下图1所示的结构，使它的越障能力有一定的提高，但它却容易在障碍比较窄的地方卡死；履带式的只适用清洁金属表面的锈斑，因为它是靠磁力吸附在壁面上的，一般用于轮船等以钢铁为壁??地方；足式的越障能力比较强，灵活性也比较好，但控制比较麻烦。 控制方式：基本上以遥控为主。 在现实生活中，爬墙清洁机器人没能得到广泛的应用，主要因为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。 我们设计的遥控式爬壁清洁机器人较好地解决了以上问题。它结构简单，体积小，重量轻，且采用干擦，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。 设计思路及方案 此次设计的遥控式爬墙清洁机器人由主体板、移动系统、吸附装置、清洁装置、控制系统、安全辅助装置六个部分组成。下面主要就其整体结构及转向系、行驶系进行展开： 2.1主体板的设计 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400mm，宽为200mm，厚为5mm。主体板上的布局如图1所示 电源箱定位孔 驱动电机搁板 驱动电机定位孔 电源箱安装位 后清洁刷定位销孔 前清洁刷定位销孔 换向机构 导气孔 转向电机安装位 开关安装位 微型抽气泵定位孔 导气孔 齿轮安装孔 图1主体板结构及布局 2.2 行驶系的设计 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，预估计机器人的总重量为2.5千克，移动速度为0.4米每秒，因此根据公式，可计算得到前进所需功率至少为10瓦。加上清洁所需的功率大概为4w，再考虑摩檫损失等因素，初步选择功率大小为15w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60r/min。 车轮及动力传递 从节约成本及运用场景出发，该机器人的驱动布置摒弃了汽车上复杂的传动、差速机构，由驱动电机直接驱动后轮转动，前轮则依靠主体板推动作用实现其前进功能。车轮直径100毫米，宽30毫米，内芯的材料为硬质塑料，外皮为一种高分子材料处理后的橡胶，其与玻璃的摩擦系数约为0.6（实测实验数据请参见表1）。车轮结构如图2所示： 图2 车轮结构 车轮受力分析： 前进受力分析 车轮和吸盘在主体板上的位置如图3所示。取清洁机器人整体为分析对象， F1为壁面对前轮的支持力，F2为前吸盘的吸力，F3为后吸盘的吸力，F4为壁面对后轮的支持力。 图3 受力分析示意图 我们选取的微型真空泵吸气时负压为50-75，这里我们出于安全考虑，取负压（即真空度）为50，吸盘截面半径为30，则理论计算一个吸盘最大可承载的外拔力为： 取安全