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1、小型壁面清洁机器人高安柱 刘金金程 包为刚 陈熠 余江机电工程学院指导教师：曲建建俊一、课题研究目目的清洗爬壁机器人人的使用将大大大改善工人人的劳动环境境，提高劳动动生产率，具具有一定的社社会、经济意意义和广阔的的应用前景。而而目前用于这这方面的设备备上没有得到到很好的解决决，尤其在载载体方式方面面，世界上有有很多国家都都要开展了这这方面的研究究工作。本项项目开展了新新型载体方式式的清洗爬壁壁机器人的研研究，本课题题的研制成功功，将会实现现清洗作业的的自动化，给给清洗业带来来一次新的革革命，也为爬爬壁机器人载载体方式提供供了一种新的的方式。二、课题背景传统的壁面清洁洁机器人，吸吸附方式多为为负
2、压吸附、真真空吸附和磁磁吸附。磁吸吸附方式，其其适用范围窄窄，一般不能能实现无缆化化。而真空吸吸附和负压吸吸附，如果吸吸附表面有一一定的障碍或或不平整，其其吸附效果会会大大降低。壁面清洁机器人人的研究开始始向更广泛的的多学科交叉叉发展。其涉涉及更多的学学科领域，包包括建筑学、机机械学、电子子学、吸附技技术、控制技技术等。随着应用领域不不断扩大，要要求轻量化、小小型化和清洁洁高效化。因因此，家用或或准家用擦窗窗机器人越来来越受到重视视，并呈现出出很好的发展展前景。高层层建筑清洗业业也会得到蓬蓬勃发展。建建筑物的清洗洗自动化和现现代化成为发发展的必然，机机器人技术在在此领域的应应用逐步会得得到体现
3、。高高性能、高可可靠的机器人人产会随着自自动化技术、传传感器技术和和无线遥控技技术的迅速发发展逐步应用用于各种场合合，不久的将将来，人类将将从繁重的体体力劳动和高高危险性作业业中解脱出来来。三、课题研究主主要内容本课题主要研究究对象是具有有清洁功能的的爬壁机器人人。其中，对对清洗机器人人的共性问题题附着技术、清清洗技术进行行了较为深入入的研究。本文的主要研究究内容如下：第一、对壁面清清洁机器人吸吸附技术进行行了研究与创创新。在总结结以前的壁面面清洁机器人人吸附技术的的基础上，引引入全新的基基于正压吸附附原理的吸附附技术，将正正压原理与负负压原理相结结合，使其壁壁面适应性强强，越障更加加容易实现
4、。第二、对壁面清清洁机器人清清洗问题进行行了研究。将其清洗方方式定位为干干擦与湿擦相相结合的方式式。干擦即清清理灰尘的功功能，同时离离心风叶不断断的抽空气，使使其通过过滤滤网，又起到到滤尘的作用用。湿擦即有有水擦洗，有有污水回水装装置。并带有有湿刷抬起装装置，可将湿湿刷抬起，单单独进行干擦擦。第三、对壁面清清洁机器人移移动方式进行行了研究。采采用四轮驱动动，两侧单独独驱动，可灵灵活前进、后后退及转弯。第四、对壁面清清洁机器人的的整体构型及及设计原则进进行了研究。在在保证要求强强度及要求指指标的前提下下，合理设计计其构型，力力求用最简单单、最可靠且且重量最轻的的构型来达到到规定要求。第五、对壁面
5、清清洁机器人的的控制进行了了研究。采用用无线遥控技技术，发射机机发射信号，接接收机接收信信号，进行相相应动作。四、 结论（一）创新点本设计采用正负负压结合的吸吸附方式。螺旋桨通过桨叶叶异型曲面产产生的空气动动力与桨叶扭扭角向后推空空气产生的反反作用力共同同作用，产生生指向壁面的的正压力；内内部离心风叶叶，高速旋转转，将内腔中中空气沿径向向导出，使腔腔内外形成一一定压差，在在外表面上产产生指向壁面面的负压力。同时，其也起到吸尘的作用，携带灰尘的空气经过滤网后可将灰尘过滤。螺旋桨和离心风风叶共同旋转转，正、负压压吸附有机结结合，共同作作用于机器人人本体，产生生足够大的摩摩擦力来克服服自身重力，使使
6、机器人吸附附在壁面上。这种方式吸附力强，壁面适应性好，越障容易，以能够弥补单一吸附所带来的不足，达到良好吸附效果。（二）特色1. 清扫方式，采用用滚刷清洁，效效率及清洗效效果较其他类类清洗方式更更好。2. 本设计采用四轮轮推进方式,其控制及运运动灵活,操操作方式,宜宜于操作。3. 本设计配备干擦擦和湿擦两种种功能，适应应面广。并设设计有吸水刷刷抬起机构，人人性化设计，只只需用手抬起起，即可单独独执行吸灰功功能。4. 本设计采用遥控控方式控制其其前进、后退退和转弯，操操作灵活，人人机交互性好好；而且可遥遥控控制螺旋旋桨及离心风风叶的转速，进进而灵活地调调节其吸附力力，以适应不不同的场合。5. 本
7、设计综合运用用机械、电控控等领域的技技术，具备机机、电相结合合的特点，符符合现代机械械行业发展趋趋势。本项目在继承传传统吸附方式式的同时，引引入正压吸附附，这不仅丰丰富了壁面机机器人的吸附附技术，弥补补吸附方式的的不足，同时时也对吸附技技术朝更深层层次领域发展展起到了推进进作用，为正正压吸附领域域的研究奠定定了一定基础础。（三）项目总结结本项目的目的在在于提供一种种基于正负压压吸附原理的的，结构简单单，具有一定定壁面适应能能力的，可以以遥控的小型型壁面清洁机机器人。一个实用的壁面面清洁机器，要要能良好的吸吸附于接近垂垂直的壁面；要有良好的的移动方式，以以便于高效率率作业；要有有良好的清洁洁方式
8、，以便便于达到彻底底清洁的目的的。1. 功能要求（1）可以牢固固地吸附于壁壁面上；（2）可以在有有一定曲率半半径或有一定定障碍的壁面面行走；（3）可以灵活活的前进、后后退和转向；（4）可以达到到高效率清洁洁的目的。 2. 基本参数如下（1）基本尺寸寸：长4000mm宽4410mm高200mmm；（2）整体重量量：6千克；（3）工作壁面面：玻璃壁面面和墙面；（4）载体方式式：正、负压压吸附原理相结结合；（5）移动方式式：四轮驱动动；（6）移动速度度：10m/min，可可调速；（7）控制方式式：遥控；（8）越障能力力：可跨越115mm以下下的障碍。3. 具体实现方案本项目从整体上上来说，分为为五部
9、分，如如下所示。 机器人本体吸附部分推进部分清洁部分控制部分安全保护部分正负压相结合四轮驱动干、湿擦结合遥控绳索牵引保护图1 机器人本本体正视图 图2 机器器人本体后视视图各部分的实施方方式与关键点点如下：（1）吸附部分分吸附技术是本项项目的关键技技术。此处采采用正压吸附附原理和负压压吸附原理相相结合的吸附附方式。正压吸附，即通通过在机体外外表面安装螺螺旋桨，通过过桨叶异型曲曲面产生的空空气动力与桨桨扭角向后推推空气产生的的反作用力共共同作用，产产生指向壁面面的正压力，通通过螺旋桨传传递到电机，进进而传递车体体，使车轮与与壁面产生摩摩擦力来克服服重力，以达达到吸附的目目的。而且正正压吸附能降降
10、低机器人对对作业表面属属性的依赖程程度。图3 螺旋桨正正压吸附原理理示意图 图图4 螺旋桨桨实物关于螺旋桨产生生的正压静拉拉力大小可由由下式计算： 式中中：为静拉力，单位位为克；为螺旋桨的桨距距，单位为英英寸；为螺旋桨的直径径，单位为英英寸；为螺旋桨的转速速，单位为千千转/分钟。表1 各型号桨桨静拉力计算算编号 参数桨距P（英寸）直径D（英寸）转速KRP（rr/min）静拉力T(g)161380002391.7281380003189.0361480002987.2481480003982.9581580004898.9上面表1列举了了几种不同参参数的螺旋桨桨所产生的静静拉力的数值值。由此可以
11、以看出，只要要选好一定参参数的桨，使使其达到某种种转速时，即即可达到所要要求的静拉力力。负压吸附，即内内部安装有离离心风叶，高高速旋转，将将内腔中空气气沿径向导出出，使腔内外外形成一定压压差，在外表表面上产生指指向壁面的负负压力，同样样也使车轮与与壁面产生摩摩擦力来克服服重力，达到到吸附目的。负负压吸附技术术是利用真空空原理进行吸吸附的，采用用离心式风机机作为真空发发生源，真空空度通常在22kpa115kpa之之间，因此称称为负压吸附附。图5 负压吸附附原理示意图图 图6 离心叶片片实物 图7 机器人附附着模型简图图关于离心风机产产生的负压力力大小可由下下式计算：式中：为负压力，单位位为牛顿；
12、为内压腔的压差差，即真空度度，单位为帕帕斯卡;为有效作用面积积，单位为平平方米。设定可达到真空空度为3kppa,有效作作用面积为3340mm3340mm,则计算得为为231.22N。本项目将两种吸吸附方式相结结合，电动机机固定在内腔腔中，带动螺螺旋桨和离心心风叶旋转，正正、负压原理理有机结合，共共同作用于机机器人本体，产产生足够大的的摩擦力来克克服自身重力力，使机器人人本体吸附在在壁面上。而而且共同作用用，将会降低低滑落、翻倒倒的可能性，使使吸附效果达达到最佳状态态。机器人的附着模模型如图7，计计算如下：式中：G表示机器人的的重力（N）；表示的等效附着着力（N）；表示的等效附着着力（N）；表示
13、点的反力（NN）；表示点的反力（NN）；表示点的驱动力力（N）；表示点的驱动力力（N）；表示壁面与水平平面的夹角；表示，由机器人人的结构确定定。表2 电机相关关参数编 号马达型号电压范围KV值(rpmm/v)电调(A)电池(节)/桨桨XYH-W-0023OK-C42550-A6v-18v60060LiPoX4表1中电机的外外型尺寸为42.5XX50（mm），出 轴为5.00X20.00(mm)，重重量为1955g。 图8 主电机 图9 无刷电子子调速器配合电机选用无无刷电子调速速器，其特征征及技术参数数如下所示。 特征:无刷电子调速器器主要特性和和功能如下： 电调功功能设定简单单, 操作方方便
14、。 油油门行程会自自动设定，线性极好，具具有平滑细腻腻的手感 安全通电功功能，接通电电源时无论遥遥控器的油门门摇杆在任何何位置均不会会立即启动电电机，防止电电机突然旋转转伤人。 防堵转设计计，电机出现现堵转时自动动切断电源避避免电调损坏坏。 调制制频率(PWWM):8KKHZ 超超温保护 1110。 遥控信信号丢失3秒秒后自动关断断。 可以以连接编程卡卡，容易地设设定电调的各各种参数。 具有两种种设置模式以以满足不同磁磁铁极数电机机的要求。aa：软模式 适合普通电电机（2， 4， 6 极） 提供供最大效率bb：硬模式 适合6极或或更多极数电电机 提供最最高转速和电电流技术参数: 产品名称：HiiModell 60A 无刷电子调调速器厂家编编号：FLYY-60A重重量: 355g 尺寸: 222185mm 标准电电流: 600A 最大电电流: 700A (100秒) BEC输输出: 无(需另配UBBEC)输入入: 2-66节锂电池, 或6-116节镍氢电电池图10 机器人人本体剖视图图综
