爬壁幕墙清洗机器人设计说明书
江西省第二届大学生机械创新设计大赛
暨第三届全国大学生机械创新设计大赛
江西赛区选拔赛
设计说明书
INSTRUCTION OF DESIGN
作品名称“小蜘蛛”幕墙攀爬清洗机
参赛队伍陈明登谢信韦冯江涛
刘连杰郭晓欢
指导老师李国臣吴文通
参赛单位井冈山大学
2008年4月18日
目录
摘要 (i)
小蜘蛛幕墙攀爬清洗机设计说明书............................ 错误！未定义书签。作品内容简介 (4)
1 研制背景及意义.......................................... 错误！未定义书签。
2 主要功能和性能指标 (2)
3 设计方案 (3)
3.1 机械机构 (3)
3.2 控制机构 (3)
4 理论设计计算 (4)
4.1 真空吸附力计算 (4)
4.2 幕墙清洗机器人附着的力学分析 (5)
5机构设计与工作原理 (7)
5.1攀爬机构........................................... 错误！未定义书签。
5.2清洗机构 (8)
5.3铰接连杆支撑机构................................... 错误！未定义书签。
5.4换气机构........................................... 错误！未定义书签。6创新点及应用 (10)
7作品实物工作图.......................................... 错误！未定义书签。8应用前景................................................ 错误！未定义书签。参考文献.................................................. 错误！未定义书签。
摘要：
“小蜘蛛”幕墙攀爬清洗机是基于昆虫攀爬动作的仿生原理制作而成。在国内外现有的壁面移动机器人研究成果的基础上，结合高空作业的特点，在对幕墙清洗机器人的共性问题—附着技术、爬行技术、清洗技术进行分析的基础上。模拟昆虫交错攀爬的动作，设计了自攀爬机构，实现了吸附机构、清洗机构和攀爬机构的有机结合。
“小蜘蛛”幕墙攀爬清洗机主要包括攀爬运动机构、吸附机构、清洗机构和控制系统等四部分组成，机械结构设计中灵活运用了四杆机构、曲柄滑块机构、齿轮机构、离合器和控制机构等，结构丰富，其创新点主要体现在：1）仿昆虫攀爬动作，采用丝杠传输机构与连杆铰接支架的升降机构，实现清洗设备的腿足式交错移动。
2）仿人工清洗习惯动作，采用曲柄滑块机构，实现玻璃幕墙的往复式擦洗。
3）采用连杆铰接支架的升降控制吸附机构控制阀门的开启与关闭，通过单片机控制，实现机构移动、换气机构与清洗机构的有机结合。
本产品可广泛用于高楼大厦的幕墙清洗，设备结构简单、灵巧便捷，实现了幕墙清洗的自动化，将人类从原始的高强度的高空作业中解脱出来。试验表明，此型清洗机器人清洗效果明显，操作方便，对同类设备的设计有很好的参考价值。
关键词：幕墙清洗玻璃幕墙机器人负压吸附
“小蜘蛛”幕墙攀爬清洗机设计说明书
设计者：陈明登，谢信韦，冯江涛，刘连杰，郭晓欢
（井冈山大学工学院，江西吉安343009）
作品内容简介
“小蜘蛛”幕墙攀爬清洗机是基于昆虫攀爬动作的仿生原理制作而成。其主要特点是在模拟昆虫交错攀爬动作的基础上，根据高楼幕墙清洗的特点，在对幕墙清洗机器人的共性问题—附着技术、爬行技术、清洗技术进行分析的基础上。设计了结构简单、灵活便捷的自攀爬清洗机器人。
“小蜘蛛”幕墙攀爬清洗机主要包括攀爬运动机构、吸附机构、清洗机构和控制系统等四部分组成，机械结构设计中灵活运用了四杆机构、曲柄滑块机构、齿轮机构、离合器和控制机构等，机械结构丰富，其创新点主要体现在：1）仿昆虫攀爬动作，采用丝杠传输机构与连杆铰接支架的升降机构，实现清洗设备的腿足式交错移动。
2）仿人工清洗习惯动作，采用曲柄滑块机构，实现玻璃幕墙的往复式擦洗。
3）采用连杆铰接支架的升降控制吸附机构控制阀门的开启与关闭，通过单片机控制，实现机构移动、换气机构与清洗机构的有机结合。
本产品可广泛用于高楼大厦的幕墙清洗，实现了幕墙清洗的自动化，将人类从原始的高强度的高空作业中解脱出来。试验表明，此型清洗机器人清洗效果明显，操作方便，对同类设备的设计有很好的参考价值。
联系人：李国臣，联系电话：138********，E-mail：guochen_li@https://www.360docs.net/doc/7a15389306.html,
1 研制背景及意义
随着城市现代化的发展，特别是高层建筑的兴起，以玻璃幕墙为代表的幕墙结构逐步演绎成华丽的“城市外衣”，就在实现它的功能和实效的同时又衍生出了下一个问题—繁重的幕墙清洗任务，并且许多国家已对建筑幕墙的清洗要求做出了明确规定。此外，越来越奇特的建筑结构使清洗的难度成倍增加，甚至采用传统的清洗方法己无能为力。然而，在社会文明高度发展的今天，对生命的关爱
达到了前所未有的高度，要求停止使用蜘蛛人的呼声不绝于耳。因此人们期待新的具有人性化的清洗方式出现。
目前大多是用人工清洗，若是低些的幕墙的还好，但现在几十、几百米的幕墙水随处可见，那么幕墙的清洗问题变成了令人们头疼的一件事了。而传统的吊篮人工操作清理的方式既危险和枯燥，劳动强度又高。为了弥补现实生活中存在的这一缺陷；为了在清洗工作自动化上能贡献我们的一点力量与能力；也为了更好的在生活中实现清洗作业的节能操作；同时，还为了实现高新技术的绿色、环保，造福我们的子孙后代。
20世纪90年代以来，随着电子技术的飞速发展和自动化装备的不断成熟，日本的研究人员率先将目光投向自动化的清洗方式，由此幕墙清洗机器人应运而生。目前幕墙清洗机器人技术及其理论的研究已成为热点，国内外许多科研单位都在进行相关方面的研究并取得可喜成果。但是，研究工作仍然处在样机的研制和实验阶段，而幕墙清洗机器人的关键技术与理论则有待于进一步深入研究。本文的研究目的就是要在幕墙清洗机器人的结构创新上做一些新的探索。
2 主要功能和性能指标
经试验，幕墙清洗机可以达到攀爬清洗的效果。其主要功能和指标如下：
（1）采用负压达-0.085KPa的真空泵和几何尺寸为60mm的圆形洗盘，每个洗盘的吸附力达12KG，攀爬机构上装有4个洗盘，最大吸附力可达48KG；
（2）采用电机型号为M0146，功率达25W，采用螺纹丝杠传递动力，可实现支撑机构和清洗机构的交替移动；
（3）通过曲柄滑块机构带动清洗器，清洗器包括清洗液喷头和刮擦器，喷头的喷洗压力和根据所配备的水泵控制压力，可适应不同清洗场合；
（4）通过遥控器和单片机控制机构，实验清洗机器的远程作业，遥控器的发射功率为30mW，可控距离达500米；
（5）整个机器结构紧凑，长500mm，宽200mm，高170mm，清洗宽度为200mm，清洗速度为1m/分钟，作业效率为12m2/小时。
3 设计方案
3.1 机械结构
采用铰接连杆支架、螺纹传动、齿轮机构、离合机构和曲柄滑块机构实现整个机构的移动和清洗操作。其运动机构简图如图1所示：
图1 机构运动简图
1 支撑架
2 电机
3 丝杠
4 擦洗支撑机构
5 电机
6 绞接支架 7丝杠
8擦洗支撑机构用吸盘 9支撑架用吸盘 10 齿轮 11 圆盘（曲柄）
12 连杆和滑块 13 清洗器 14 清洗液喷头
运动过程简述：
1）电机2运动，带动丝杠3转动，实现擦洗支撑机构4沿支撑架1的滑道向前运动；同时，擦洗支撑机构4带动擦洗机构13，实现移动擦洗。
2）当4 擦洗支撑机构由A点运动到B点，控制机构作用，电机2停止；电机5运动，并带动丝杠7转动，丝杠7的转动带动绞接支架6的收拢，同时，擦洗支撑机构4的吸盘开始吸附，而支撑架1的吸盘停止吸附。4固定支撑，而1变为移动支架。
3）电机2反转，丝杠3带动支撑架1沿滑道向前运动，擦洗支撑机构4转变为固定支撑机构；当支撑架1的A端到擦洗支撑机构4时，停止运动。
4）重复布骤1。
3.2 控制结构
在擦洗支撑机构4和支架1上安装行程开关，实现电动机1和5的停转和正、反转，同时加装气体控制阀，实现吸盘8和9的交替吸附。其控制过程示意图如2所示：
图2 控制过程
控制过程简述：
1）单片机读取遥控器无线信号，控制电机的正反转，实现爬行。
2）单片机读取无线电信号，根据读取的信号，经判断，转入不同的子程序，控制两个电机的先后工作顺序和正反情况。
4 理论设计计算
4.1 真空吸附力计算
图3 真空吸附系统
新型壁面清洗机器人采用真空吸附方式，单吸盘双风机吸附结构，吸盘由橡胶和钢板支架构成，吸附机构依靠风机的高速旋转将空气由吸盘腔内抽出，在吸盘
腔内产生负压，依靠吸盘的内外压差将清洗机器人吸附在工作壁面上，吸附力可由下式求出，即
A P P F c a )(-= （1）
式中：Pa 为大气压强，Pc 为吸盘腔内的压强，A 为吸盘有效密封面积。 吸盘腔内的压力值可通过吸附机构的气流量平衡式推导，即
m Q Q Q +=21 （2）
式中：Q1为工作风机的抽气量；Q2为辅助风机的泄漏量；Qm 必为密封气囊与壁面间的缝隙泄漏量。
)ln(61
23r r P Q m μρ
πδ?= （3） 式中：μ为动力粘度；σ为密封气囊与壁面间的缝隙高度；ρ为空气质量密度；△P 为吸盘腔内外压差；r l ，r 2为密封气囊在有效密封宽度下的内外径。
4.2幕墙清洗机器人附着的力学分析
虽然幕墙清洗机器人上与壁面接触的清洗头、附着装置和驱动装置具有局部柔性，但总体看来，局部柔性对整个幕墙清洗机器人受力状况影响较小，同时为了简化问题分析，在建立力学模型前，做以下合理假设。
(1) 刚体假设即认为幕墙清洗机器人总是刚体。
(2) 对称假设即认为幕墙清洗机器人在水平方向所受的力总是对称的。 由上述假设，幕墙清洗机器人的受力状况可简化为平面力系。设幕墙清洗机器人以速度v 向上沿幕墙做匀速直线运动，其受力情况(为简化分析，忽略了阻力的作用)，如图4所示。O1点为机器人的翻倒支撑点，由刚体假设，该点即机器人与壁面接触的最低点当发生翻倒失效时，机器人绕该点发生翻倒。其平衡条件如下：
?????===∑∑∑0001
O M Z Y （4） 将图中各参数带入得：
?????=-==--==-=∑∑∑0sin 0cos 0sin 1
M hG M G P N Z G F Y O ααα （5） 式中(G-机器人的重力（N ）；P-等效附着力（N ）；N-幕墙对机器人的等效反力（N ）；F-机器人的驱动力（N ），F=μN ，（μ为摩擦系数）；M-P 、N 向重心O 简化时，所得对O1点的附着力矩（Nm ），M =f(P ，N)，f （*）由机器人的结构参数确定；α-壁面与水平面的夹角。
解上述方程组即可求得平衡状态下，机器人的各力学参数。同时也可以此对机器人的附着状态做出判断。
在图示的坐标系中，机器人的重力可分解为Y 轴和z 轴两个方向分量，平衡状态下，重力的Y 分量由驱动力来平衡，而重力产生的翻倒力矩由附着力矩M 来平衡。然而，考虑到外力干扰和惯性力等因素，实际的驱动力比上式求得的要大得多，因此，驱动力F 介于0—Fmax 之间。Fmax 由机器人驱动装置与幕墙面之间的最大静摩擦力确定，其大小与介质摩擦系数和作用于驱动装置的附着力有关。同样实际可能产生的附着力矩比上式求得的值要大得多，并在一定范围内随外力的变化而变化，即附着力矩M 介于0—Mmax 之间。Mmax 为最大附着力矩，其大小由附着力和机器人的结构尺寸和附着方式决定。可见，机器人的附着状态与参数Fmax 和Mmax 存在直接关系，实际值与最大值之差越大则抗干扰能力越强，机器人附着的稳定性也越好。
图4 受力分析
5 机构设计与工作原理
本作品主要由攀爬机构、1你机构曲柄滑块机构、铰接连杆支撑机构、吸附机构五个部分组成。工作原理为：通电后，电动机转动带动螺纹传动机构运转，带动丝杆传动的同时，铰接交叉结构采取伸展方式来促使吸盘在换气结构辅助的情况下，从而达到行走的目的；丝杆传动也提供曲柄滑块结构运行的动力，进而与滑块结构相连接的清洗装置将对玻璃进行清洗。同时此装置中加入了单片机自动控制装置，从而完全实现了操作自动化。各部分结构的功能具体阐述如下：
5.1 攀爬机构
图5 攀爬机构
电机正转和反转，结合支撑架和清洗机构支架的交替吸附，即交替作为滑动机构的支撑，实现机构整体的交替前行。
5.2 清洗机构
如图6所示，传动电机的动力经一对锥齿轮将动力传递给圆盘（曲柄），并由曲柄滑块机构带动清洗器沿机器的运动轨迹来回擦洗。因齿轮机构内嵌入超越离合器，使清洗运动配合清洗机构支架的前进，而当清洗机构支架静止时，清洗机构不会随着随着齿轮的转动而转动。
丝杠 支撑架
清洗机构支架
电机
图6 清洗机构
5.3 铰接连杆支撑机构
图7 绞接连杆支撑机构
电机正转和反转，带动绞接支架沿铰接点转动，结合支撑架和清洗机构支架的交替吸附，实现整体移动机构的交换支撑。
5.4 换气机构
丝杠
清洗机构支架
电机
铰接支架
清洗毛刷 滑块
曲柄
超越离合器
图8 吸附机构
真空泵产生的负压，经2位3通阀，与吸盘相通，实现吸盘的吸附功能。阀杆控制开关与绞接连杆支撑机构同步运动，并控制两个2位3通阀，每个阀门分别控制支撑架和清洗机构支架的4个吸盘，从而实现各支撑机构的交替吸附。
6 创新点及应用
由于幕墙清洗高空作业的危险性，本产品所设计根据安全稳定性、以及结构和操控简单性的原则，主要创新点体现如下几个方面：
1）仿昆虫攀爬动作，采用丝杠传输机构与连杆铰接支架的升降机构，实现清洗设备的腿足式交错移动。
2）仿人工清洗习惯动作，采用曲柄滑块机构，实现玻璃幕墙的往复式擦洗。
3）采用连杆铰接支架的升降控制吸附机构控制阀门的开启与关闭，通过单片机控制，实现机构移动、换气机构与清洗机构的有机结合。
阀杆控制开关 吸盘
2位3通阀
真空泵
7 作品实物工作图
（a）“小蜘蛛”幕墙攀爬清洗机的正视外观图案
（b）攀爬玻璃-后视
（c）攀爬玻璃-侧视
（d）攀爬玻璃-正视
图10 实物工作图
8 应用前景
鳞次栉比的摩天大楼已成为现代城市的主要特征，由于幕墙装饰采光好、美观，越来越多的高楼采用幕墙装饰。由于传统人工清洗的劳动强度大，且危险程度高，设计简单实用的幕墙清洗机必将有广阔的发展前途和巨大的社会效益。据有关部门统计，目前全国已建造了数百万平方米的大型玻璃幕墙。按规定五星级饭店的玻璃幕墙每年至少要清洗4次，而全球每年的幕墙清洗产值高达6亿美元，如此巨大的市场为幕墙清洗机器人发展奠定了基础。但是我们也应该看到，由于清洗机器人需要在不同的工作环境中进行工作，要满足诸多用户的不同需求，就目前阶段而言，高楼清洗机器人的稳定性和设备的适应性等
问题函待完善，此外，作为一种全新的清洗概念和作业方式，它必然还要经历一个传统方式的退出和人们对新事物的接受、认同过程。不管起步多么艰难，清洗机器人正在逐步的切入市场，现在我们已经看到了曙光，相信不久的将来，清洗机器人将取代人力成为清洗行业的主力军，也必将吹响服务型机器人大批进入市场的号角！
参考文献
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[2] 胡庆伟主编. 幕墙安装工程质量竣工资料实例. 同济大学出版社，2006.4
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[4] 赵关康，张国民主编. 工程力学简明教程. 机械工业出版，1999.2
[5] 陈立主编. 机械设计基础.高等教育出版社，2006.6
[6] 张厚祥，宗光华. 全气动擦窗机器人的实现. 液压与气动，2001(11)：5-8
[7] 谈士力，王建成，苏建良等. 球形壁面爬行机器人研制[J]. 机器人，2002，24(6)：517-520
[8] 潘沛霖，廖国水. 单吸盘真空吸附式爬壁机器人密封性能的分析[J]. 机器人，1996，18(4)：217-220
[9]邵浩，赵言正，王炎. 用于玻璃幕墙清洗作业的爬壁机器人系统[J]，制造业自动化，2002.1（6）：16-20