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1、. . . . 1 绪论1.1 高层玻璃幕墙清洗机器人研发意义随着人口规模的不断扩大，城市高层建筑越来越多。摩天大楼逐渐成为生活中常见的一景。由于玻璃具有采光性好、保温性好、防潮性好等诸多优点，同时，由于彩色玻璃美观大方，所以越来越多的高层建筑选择了用玻璃幕墙。目前，我国大部分玻璃幕墙的清洗都需要依靠“蜘蛛人”来完成，但是，这种高空作业有一定的危险性。因此，需要一个能够代替人力完成清洗任务的机器人。1.2 高层玻璃幕墙清洗机器人研究现状与分析1.2.1国外玻璃幕墙清洗机器人研究现状德国相关公司委托制作的“SKYWAH”是这个星球上第一个能够成功制作出来的清洗机器人。这个庞大的机器人主要结构是个
2、多关节巨型伸缩臂，能够在距离33米的地方完成工作。所有的轴采用抗拉钢材并采用液压驱动，所以结构重量较轻。这一款清洗机器装置安装在四轮驱动的汽车相关底盘上，清洗刷较长，定位精度高。该机器人可以在人的监视下完成清洗工作，动作灵活。与我们一衣带水的邻国日本，他们的机器人公司之一BE公司研制过一款轨道已经固定好的的专门用于擦玻璃的机器人，依据安装在楼顶的轨道和相关的提升系统，清洗机可以准确地对准窗户。该设备优点是自动化程度相对较高。但是，一般建筑在设计之初不会将擦窗系统考虑其中，使该机构适用性大大降低。德国玛歌堡的费劳恩霍费尔相关的研究所是德意志国主要的生产和自动化中心，它们在过去的这些年，曾经较为成
3、功地研究了一系列清洗机器人。该机器人可横向、可纵向，随心所欲完成清洗任务。德国佛拉货福尔研究所研制了一种名为SIRIUSC的清洗机器人。在那些要清洗的相关建筑物上，我们放在了上面一辆跟随与其运动的小车，这辆小车不紧急今年能够起到定位的作用，而且还能对装置起到安全保护的作用。机器人坐竖直运动，左右移动依靠小车来完成。美国航空航天宇航局下属的机器人公司，在上个世纪研制了爬壁机器人“Sky Washer”（用于清洗摩天大楼），它重大约四十斤，该机器人利用两组框架（L型）进行相对滑动，交替吸附来实现机器人的移动。每组框架有三个“脚掌”（每个“脚掌”有两个吸盘）。还有，德意志国、西班牙王国、大不列颠与北
4、爱尔兰联合王国、即将举办世界杯和奥运会的巴西、位于马六甲海峡附近的新加坡、深陷战火的以色列、奥地利、澳大利亚、加拿大等国家相继进行了研究。1.2.2 国玻璃幕墙清洗机器人研究现状或许因为历史上的种种原因，我国在相关产业方面起步较晚，但是发展迅速。在二十时期七十年代中期，日本相关企业来到中国进行科技展览会，川崎公司在中国第一次展出了工业机器人，从此，我国开始了机器人研制的相关研究。大学自1988年起，先后进行了玻璃窗清洗机器人以与球形爬壁机器人的研究。前者是那种质量非常大而且还缺少至关重要的清洗系统。后者采用腿足式移动机构，足端为真空吸盘。哈工大研发过多款爬壁机器人。轮式负压机器人的堡垒已经被其
5、轻松攻破。该类机器人还设有卷扬机，地面支援小车。柔性设计的密封款式，虽然它对壁面的适应能力远远高于其他机构，但越障能力却远远差于其他装置。1996年起，北航在国家“863”计划的资助下，先后研制了“擦玻璃的机器人（灵巧款）”、“天空洁宝”、“吊篮式擦窗机器人”，前三种为十字机构移动机器人。而进入新千年而研发的双车体机器人，但重量小得多，仅为40斤。该机器人本体结构采用具有滑动密封负压吸附装置，能实现越障和曲面转换功能。大学和地大学合作研发的CLEANBOT-I采用航空航天大学的原型，CLEANBOT-II则是采用了仿照坦克的原型。与其它相比，它采用了多个转盘的设计。1.3高层建筑外墙清洗机发展
6、趋势由于清洗工作需要在墙壁上这种极其特殊的环境下进行，所以清洗爬壁机器人的总体设计要相当苛刻的。总的原则为：尽可能低的重量，尽可能低的造价，尽可能高的可靠性，适应性要比较高，满足于各种墙面，当然，较高的清洗效率也是不可缺少的因素。我们从清洗机的工作环境不难看出，发展方向可能有下面几个：首先，要适用于玻璃幕墙清洗，由于其工作条件所限制，导致它必须能够尽可能地做到结构简单，方便控制。其次，该机器人要适用于复杂墙面，如爬楼梯，一个墙壁上有多个窗户的壁面清洗，但是，这样会对其结构，控制，运动方式等其他因素提出更高的要求，必须要求设计时能够提出更加更为复杂的设计理念。1.4高层建筑外墙清洗机现存问题国外
7、关于高层爬壁清洗机器人的设计与研究已经有数十年的进程，同时，在各种各样的机器人中，也存在着一些或个性或共性的问题。吸附能力难以满足各种工作面的要求，在现实的清洗过程中，建筑物外墙壁可能是各种各样的材料，材料甚至非常复杂，不仅仅是一个两个材料物质，而且结构上也不是那么简单，或有沟缝，或有凸起，或有凹陷；那么我们必须解决类似于跨越，密封，移动等许多技术难题，否则极大的影响避免清洗机器人的效率。移动的技术性和灵活性相互矛盾，在实际的清洗过程中，我们发现既要保证结构的小型化和较高的效率，还需要在具有一定负载的前提下能够自由的上下的移动，具有较强的越障能力。控制技术与可靠性同样存在着矛盾。控制需要电源线
8、和通讯线，但是这些存在大大影响了机器人的灵活性和控制机器人的工作完整性，而如果去掉机器人电源线和通讯线的话，又会对自己的控制造成不良影响。清洗机构与机器人负重的矛盾。设计的安全性，清洗机构和污水再利用，我们能够识别清洗质量，但是如果机构设计不合理，过高的增添成本，反而会造成一种得不偿失。1.5高层建筑外墙清洗机课题提出考虑到以上高楼爬壁清洗机器人所包含的那么多问题，我们所设计的清洗机构不仅仅要满足壁面的清洗工作，还要思考一下水源，清洗的刷子，清洗专用液以与相关气动装置。所以我们要努力地在设计的灵活性和功能的合理性中间找到一个点。在移动的过程中，为了要克服重力并且灵活移动，我要尽可能采用轻质材料
9、，尽可能地采取一种方便控制和吸附的移动机构，并尽量利用新型能源材料的开发和无线通讯技术来实现对机器人的自动控制，尽可能是机器人更加智能化、通用化、使其成为一条产业链。2 机械部分设计2.1设计任务根据清洗机器人清洗作业的要求，在完成一列玻璃的清洗后，需要进行提升，因此清洗机器人系统应该包括机器人清洗部分、吸附部分、提升部分、驱动部分和控制系统四大部分。2.2清洗系统部分设计2.2.1盘刷设计盘刷具有弹性和刚度，可保证能够承载一定的压紧力来清洗墙面。只有受了力墙面清晰的才算干净，同时若墙面有障碍物，塑料毛有一定的弹性来完成退让相关障碍物，盘刷与联刷体可通过螺栓来装配衔接的。刷子半径214mm；有
10、毛半径208mm；刷毛长度50mm。2.2.2滚刷设计滚刷的层筒壁为尼龙，在上面穿制猪鬃，在筒的两侧安装上轴的端部，起到支撑作用并且和V带相联接。滚刷需要通过障碍物需要依靠鬃毛的变形，所以长度不宜过小，根据实际经验，选择60mmm为佳。设计参数为:滚刷宽度刷毛长度鬃毛螺旋穿制可以方便引流，采用一软一硬的猪鬃对称滚筒中心人字形缠绕。选择螺旋升角为15，则有如下关系：式中：- 滚刷穿制直径（mm）；- 鬃毛螺旋导程（mm）。鬃毛根据自然膨胀效应会成倒圆锥，由经验可知，那么一个尖端的实际直径为：式中：- 鬃毛的长度（mm）；- 鬃毛穿制孔直径(mm)。滚刷边缘与鬃毛束的距离t为：5mm的间隙既能对清
11、洗液完成引流，还能有效地完成清洗壁面的工作。实际穿制滚刷时，选取导程42mm，圈数为：滚刷转速直接影响到清洗速度和效果。为保证清洗机正常运动，需使滚刷转速和移动速度相匹配，使玻璃和滚刷之间产生相对滑动，从而减少磨损。清洗机正常运动速度3m/min，估算转速为：式中：n- 滚刷转速（r/min）；v- 清洗机移动速度（m/s）；k- 刷洗系数；R- 滚刷半径（m）。取k=5：2.2.3电机的选用下面对驱动力矩和功率需求进行计算：1）滚刷所需力矩为：式中：滚刷鬃毛与壁面摩擦因数N- 壁面与滚刷间作用力R- 滚刷半径根据相关经验，在0.450.68之间变化，取=0.5；N的结果与鬃毛变形量有关，当变
12、形量为5mm时，F=50.250.23N；当变形量为10mm时。F=139.640.11N。故取N=140N=0.51400.085=6Nm2） 盘刷所需力矩为：式中：-刷毛与壁面摩擦因数（取0.15）-盘刷半径所需总转矩为3） 所需功率的计算根据刷洗力矩，我们选择Y2-802-6电机，相关参数如下：额定功率550W转速900r/min平键420力矩2.2.3盘刷弹簧的选用1）弹簧的种类：圆柱螺旋压缩弹簧;2) 弹簧的材料：碳素弹簧钢；3）弹簧的设计计算弹簧的工作圈数（根据机械设计手册第三卷）：弹簧丝直径（根据机械设计手册第三卷）：，允许极限负荷下的单圈变形：单圈刚度：弹簧节距：最大工作载荷：
13、极限工作载荷：弹簧每圈展开长度：计算数据如下：名称公式数据（mm）弹簧中径16.5弹簧径13弹簧间隙1.7弹簧总展开长度260螺旋角7弹簧自由高度34.75极限负载弹簧高度26.1弹簧旋向左旋右旋均可2.2.4锥齿轮的设计计算和相关校核锥齿轮选用直齿锥齿轮，我们设计的相关参数：名称系数齿形角20齿顶高系数=1顶隙系数=0.2螺旋角=0周交角90根据机械设计手册（第五版）第三卷表14-3-5，选择大端端面模数。小齿轮大端分度圆直径，小齿轮齿数为则齿数：节锥角为：锥距为：齿宽系数取0.3，则齿宽：故取b=24mm。齿顶高：齿高：齿根圆：大端齿顶圆直径：齿根角：齿顶角：顶锥角：根锥角：冠顶距：确定传
14、动的精度等级初选平均切线速度参考机械设计手册，可以得出传动等级为8级。下面进行载荷系数的确定：式中：-使用系数,取-动载荷系数，取-齿向载荷分布系数,取计算结果为：下面校核齿面接触疲劳强度：1）确定许用应力 该齿轮副接触疲劳极限为：那么许用应力为：式中：-寿命系数,由已知条件取-安全系数,取2）弹性系数，由机械设计手册可知：3）节点区域系数，由机械设计手册可知：4) 小齿轮所需大端分度圆直径： 5）验算速度平均直径： 平均线速度：确定模数m: 由以上可知，满足要求。下面进行齿根抗弯疲劳强度计算：确定许用弯曲应力1) 寿命系数2) 安全系数3) 尺寸系数4) 极限应力,5ff取5) 许用弯曲应力齿形系数, 1) 分锥角 2) 当量齿数:3) 由机械设计手册，取,4) 应力修正系数由机械设计手册，取，5) 校核齿根抗弯疲劳强度由机械设计手册三式联立求得由以上容可知，满足要求。2.2.5直齿轮副的设计计算和相关校核根据工作要求，小齿轮转速传动比，在齿轮传动的过程中，可以允许有4%的误差，预计这齿轮的使用寿命预期寿命五年，每年按180天计算。工作有轻微冲击，齿轮对称布置。齿轮相关参数为：
