小型壁面清洁机器人

1小型壁面清洁机器人高安柱刘金程包为刚陈熠余江机电工程学院指导教师：曲建俊一、课题研究目的清洗爬壁机器人的使用将大大改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有一定的社会、经济意义和广阔的应用前景。而目前用于这方面的设备上没有得到很好的解决，尤其在载体方式方面，世界上有很多国家都要开展了这方面的研究工作。本项目开展了新型载体方式的清洗爬壁机器人的研究，本课题的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命，也为爬壁机器人载体方式提供了一种新的方式。二、课题背景传统的壁面清洁机器人，吸附方式多为负压吸附、真空吸附和磁吸附。磁吸附方式，其适用范围窄，一般不能实现无缆化。而真空吸附和负压吸附，如果吸附表面有一定的障碍或不平整，其吸附效果会大大降低。壁面清洁机器人的研究开始向更广泛的多学科交叉发展。其涉及更多的学科领域，包括建筑学、机械学、电子学、吸附技术、控制技术等。随着应用领域不断扩大，要求轻量化、小型化和清洁高效化。因此，家用或准家用擦窗机器人越来越受到重视，并呈现出很好的发展前景。高层建筑清洗业也会得到蓬勃发展。建筑物的清洗自动化和现代化成为发展的必然，机器人技术在此领域的应用逐步会得到体现。高性能、高可靠的机器人产会随着自动化技术、传感器技术和无线遥控技术的迅速发展逐步应用于各种场合，不久的将来，人类将从繁重的体力劳动和高危险性作业中解脱出来。三、课题研究主要内容本课题主要研究对象是具有清洁功能的爬壁机器人。其中，对清洗机器人的共性问题—附着技术、清洗技术进行了较为深入的研究。本文的主要研究内容如下：第一、对壁面清洁机器人吸附技术进行了研究与创新。在总结以前的壁面清洁机器人吸附技术的基础上，引入全新的基于正压吸附原理的吸附技术，将正压原理与负压原理相结合，使其壁面适应性强，越障更加容易实现。第二、对壁面清洁机器人清洗问题进行了研究。将其清洗方式定位为干擦与湿擦相结合的方式。干擦即清理灰尘的功能，同时离心风叶不断的抽空气，使其通过过滤网，又起到滤尘的作用。湿擦即有水擦洗，有污水回水装置。并带有湿刷抬起装置，可将湿刷抬起，单独进行干擦。第三、对壁面清洁机器人移动方式进行了研究。采用四轮驱动，两侧单独驱动，可灵活前进、后退及转弯。第四、对壁面清洁机器人的整体构型及设计原则进行了研究。在保证要求强度及要求指标的前提下，合理设计其构型，力求用最简单、最可靠且重量最轻的构型来达到规定要求。第五、对壁面清洁机器人的控制进行了研究。采用无线遥控技术，发射机发射信号，接收机接收信号，进行相应动作。四、结论（一）创新点本设计采用正负压结合的吸附方式。螺旋桨通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨叶扭角向后推空气产生的反作用力共同作用，产生指向壁面的正压力；内部离心风叶，高速旋转，将内腔中空气沿径向导出，使腔内外形成一定压差，在外表面上产生指向壁面的负压力。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。2螺旋桨和离心风叶共同旋转，正、负压吸附有机结合，共同作用于机器人本体，产生足够大的摩擦力来克服自身重力，使机器人吸附在壁面上。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，采用滚刷清洁，效率及清洗效果较其他类清洗方式更好。2.本设计采用四轮推进方式,其控制及运动灵活,操作方式,宜于操作。3.本设计配备干擦和湿擦两种功能，适应面广。并设计有吸水刷抬起机构，人性化设计，只需用手抬起，即可单独执行吸灰功能。4.本设计采用遥控方式控制其前进、后退和转弯，操作灵活，人机交互性好；而且可遥控控制螺旋桨及离心风叶的转速，进而灵活地调节其吸附力，以适应不同的场合。5.本设计综合运用机械、电控等领域的技术，具备机、电相结合的特点，符合现代机械行业发展趋势。本项目在继承传统吸附方式的同时，引入正压吸附，这不仅丰富了壁面机器人的吸附技术，弥补吸附方式的不足，同时也对吸附技术朝更深层次领域发展起到了推进作用，为正压吸附领域的研究奠定了一定基础。（三）项目总结本项目的目的在于提供一种基于正负压吸附原理的，结构简单，具有一定壁面适应能力的，可以遥控的小型壁面清洁机器人。一个实用的壁面清洁机器，要能良好的吸附于接近垂直的壁面；要有良好的移动方式，以便于高效率作业；要有良好的清洁方式，以便于达到彻底清洁的目的。1.功能要求（1）可以牢固地吸附于壁面上；（2）可以在有一定曲率半径或有一定障碍的壁面行走；（3）可以灵活的前进、后退和转向；（4）可以达到高效率清洁的目的。2.基本参数如下（1）基本尺寸：长400mm×宽410mm×高200mm；（2）整体重量：6千克；（3）工作壁面：玻璃壁面和墙面；（4）载体方式：正、负压吸附原理相结合；（5）移动方式：四轮驱动；（6）移动速度：10m/min，可调速；（7）控制方式：遥控；（8）越障能力：可跨越15mm以下的障碍。3.具体实现方案本项目从整体上来说，分为五部分，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3图1机器人本体正视图图2机器人本体后视图各部分的实施方式与关键点如下：（1）吸附部分吸附技术是本项目的关键技术。此处采用正压吸附原理和负压吸附原理相结合的吸附方式。正压吸附，即通过在机体外表面安装螺旋桨，通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨扭角向后推空气产生的反作用力共同作用，产生指向壁面的正压力，通过螺旋桨传递到电机，进而传递车体，使车轮与壁面产生摩擦力来克服重力，以达到吸附的目的。而且正压吸附能降低机器人对作业表面属性的依赖程度。图3螺旋桨正压吸附原理示意图图4螺旋桨实物关于螺旋桨产生的正压静拉力大小可由下式计算：23310835.2KRPMDPT式中：T为静拉力，单位为克；P为螺旋桨的桨距，单位为英寸；D为螺旋桨的直径，单位为英寸；KRPM为螺旋桨的转速，单位为千转/分钟。表1各型号桨静拉力计算编号参数桨距P（英寸）直径D（英寸）转速KRP（r/min）静拉力T(g)161380002391.7281380003189.0361480002987.2481480003982.9581580004898.9上面表1列举了几种不同参数的螺旋桨所产生的静拉力的数值。由此可以看出，只要选好一定参数的桨，使其达到某种转速时，即可达到所要求的静拉力。负压吸附，即内部安装有离心风叶，高速旋转，将内腔中空气沿径向导出，使腔内外形成一定压差，4在外表面上产生指向壁面的负压力，同样也使车轮与壁面产生摩擦力来克服重力，达到吸附目的。负压吸附技术是利用真空原理进行吸附的，采用离心式风机作为真空发生源，真空度通常在2kpa～15kpa之间，因此称为负压吸附。图5负压吸附原理示意图图6离心叶片实物图7机器人附着模型简图关于离心风机产生的负压力大小可由下式计算：ApT'式中：'T为负压力，单位为牛顿；p为内压腔的压差，即真空度，单位为帕斯卡;A为有效作用面积，单位为平方米。设定可达到真空度p为3kpa,有效作用面积为340mm340mm,则计算得'T为231.2N。本项目将两种吸附方式相结合，电动机固定在内腔中，带动螺旋桨和离心风叶旋转，正、负压原理有机结合，共同作用于机器人本体，产生足够大的摩擦力来克服自身重力，使机器人本体吸附在壁面上。而且共同作用，将会降低滑落、翻倒的可能性，使吸附效果达到最佳状态。机器人的附着模型如图7，计算如下：0sin21GFFY0cos2121GPPNNZ0)(sin45.0222201LNPGhLM式中：G表示机器人的重力（N）；1P表示1O的等效附着力（N）；2P表示2O的等效附着力（N）；51N表示1O点的反力（N）；2N表示2O点的反力（N）；1F表示1O点的驱动力（N）；2F表示2O点的驱动力（N）；表示壁面与水平面的夹角；表示ODO1，由机器人的结构确定。表2电机相关参数编号马达型号电压范围KV值(rpm/v)电调(A)电池(节)/桨XYH-W-023OK-C4250-A6v-18v60060LiPoX4表1中电机的外型尺寸为￠42.5X50（mm），出轴为￠5.0X20.0(mm)，重量为195g。图8主电机图9无刷电子调速器配合电机选用无刷电子调速器，其特征及技术参数如下所示。特征:无刷电子调速器主要特性和功能如下：●电调功能设定简单,操作方便。●油门行程会自动设定，线性极好，具有平滑细腻的手感●安全通电功能，接通电源时无论遥控器的油门摇杆在任何位置均不会立即启动电机，防止电机突然旋转伤人。●防堵转设计，电机出现堵转时自动切断电源避免电调损坏。●调制频率(PWM):8KHZ●超温保护110℃。●遥控信号丢失3秒后自动关断。●可以连接编程卡，容易地设定电调的各种参数。●具有两种设置模式以满足不同磁铁极数电机的要求。a：软模式适合普通电机（2，4，6极）提供最大效率b：硬模式适合6极或更多极数电机提供最高转速和电流技术参数:产品名称：HiModel60A无刷电子调速器厂家编号：FLY-60A重量:35g尺寸:22×18×5mm标准电流:60A6最大电流:70A(10秒)BEC输出:无(需另配UBEC)输入:2-6节锂电池,或6-16节镍氢电池图10机器人本体剖视图综上所述：正压力与负压力共同作用，产生拉力为约为280N，取橡胶车轮与墙面的摩擦系数为0.3，则可使重量为8.4Kg的车体吸附于壁面。即项目所设定机器人本体重量满足要求。（2）推进部分这里采用四轮驱动。机器人本体左、右侧单独驱动，四轮皆可产生有用的摩擦力来克服重力。当两侧速度相同时，可实现直线前进与后退。当两侧速度不同时，可实现转弯。前后车轮装配图如图所示。其中车轮表面要求齿状挂胶处理，以增加其表面与壁面的摩擦力。图11主动轮装配图7图12从动轮装配图车轮电机配制有CSKJ无级电子调速器，可制电机速度大小及方向，其产品特性及参数如下。特征:CSKJ比例遥控双向带刹无级电子调速器采用微处理器为控制芯片，智能化处理信号，利用软件优化，提高了抗干扰能力。刹车功能。打油门是刹车，回中，再反打油门即可倒车。前进——刹车——回中——后退。运转平滑性。出功率为PWM调制，调制频率为3KHz，极大地提高了马达从低速到高速的运转平滑性，特别是低速时，马达的运转线性非常平滑。低内阻输出。精心挑选的低内阻大功率场效应管，确保动力澎湃。技术参数:体积：45mmx35mmx23mm重量：55g持续电流：前75A后75A瞬间峰值电流：150A内阻：4毫欧-即0.004欧工作电压：5V~17VBEC:5V/1A图13CSKJ比例遥控双向带刹无级电子调速器（3）清洁部分机器人本体内部配有干擦和湿擦双清洁结构。干刷旋转时，将壁面的灰尘扫起，同时离心风叶又起到抽气吸尘的作用，将灰尘吸起通过过滤网将其过滤收集。湿擦为有水清洗，湿刷和海绵材料制作，带水擦洗，污水沿壁面流下，流经吸水辊子将水收集，并与挤水辊子相挤，将污水挤出，回收到污水收集箱。当壁面只需要扫灰而不需要带水清洗时，可将湿刷停转，将吸水辊子沿槽抬起，在结构上设计有卡槽，将吸水辊子移动到卡槽内，并用弹簧卡住固定，此时只进行干擦洗。8图14机器人内部结构视图图15抬起机构局部视图湿刷电机选用德国冯哈勃Faulhaber空心杯减速电机2342L012，电机通过联轴器连接有蜗轮蜗杆减速器减速，通过齿轮传动将动力传递至湿刷。电机参数如下。图16德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012工作电压:12V空载转速：8100RPM（转每分钟）减速后速：120RPM（转每分钟）直径：30mm电机长度：42mm总共长度：85mm出轴直径：6mm出轴长度：35mm输出功率：17W空载电流：75mA堵转电流：1400mA减速箱型号：日本定制（全金属精密行星减速箱）减速比：64：1（4）控制部分9本机器人采用遥控控制。操作人员可在地面进行操作。根据实际壁面的情况来调节螺旋桨和风叶动力