高楼外壁清洗机器人机构设计

高楼外壁清洗机器人机构设计学生：黄龙平班级：机械11106班指导老师：吕志鹏根据清洗爬壁机器人清洗作业的要求,机器人首先必须具备清洗作业功能和控制功能,此外清洗爬壁机器人还必须在高层建筑物表面进行吸附和移动,因此清洗爬壁机器人系统应包括三大部分。•1.清洗系统•2.爬壁系统•3控制系统（本论文不作研究）清洗系统思路：高层建筑壁面的污垢主要是大气尘垢,清洗系统是清洗爬壁机器人的重要组成部分之一,考虑清洗爬壁机器人代替人工进行有效率的清洗工作,清洗爬壁机器人在工作时不能对工作表面如玻璃造成划痕和腐蚀,也不能留有大块的水渍和斑点,且对环境无污染,效率要高,且易于实现自动化，因此本课题采用机械力清洗作用方式,即冲洗、刷洗、刮洗联合作用方式。整体清洗作业步骤如图2-2所示。•高压水冲洗壁面,便于除去壁面上附着力较小的污垢并浸润壁面;电机通过同步传动齿形带带动滚刷旋转,通过滚刷刷洗,便于除去附着力较大的污垢。利用水或其他清洁剂浸润污垢,通过滚刷和刮板施加机械力达到清洗目的。刮板可以刮净和回收残留在壁面的液滴,通过污水管进入污水箱。•水是循环使用,有利于增加清洗爬壁机器人的效率,右侧的滚刷用适量的循环水洗刷,对污垢进行浸润,左侧的滚刷始终用清水进行冲洗,可以去掉残留的污垢。针对壁面的不同污染程度,冲洗时高压水中可以添加不同的清洗剂,以利于下一步的清洗作业。设计方案整个清洗作业系统包括滚刷系统、喷水系统、水循环回收系统和洁面系统,清洗爬壁机器人的清洗系统三维实体模型如图3-31,4—滚刷2—电动机3—同步齿形带5—水箱图3-3清洗爬壁机器人的清洗系统123451.传动系统传动方案采用同步传动齿形带传动,如图3-1所示。同步传动齿形带具有精确的传动比、传动效率高、节能、无润滑油污染、缓和载荷冲击、运动平稳、无噪声等优点,而且过载时,带轮跳齿,具有一定的过载保护能力。运转时,带的凸齿与带轮齿梢相啮合,来传递运动和动力图3-1同步传动齿形带1—电动机2—同步传动带3—滚刷转动轴4—滚刷转动轴图3-2滚刷传动结构图2.水循环回收装置无回收的清洗对水资源浪费较大,对环境也会造成破坏,清洗后形成的污水会再次污染壁面,降低了清洗效率,因此水循环系统是清洗爬壁机器人不可缺少的装置。清洗爬壁机器人进行清洗工作时采用自带水箱以及水循环回收系统可以减少由于水管从顶楼供水造成的沿程损耗,也可解决由清洗整个工程中由底部供水水泵功率不能满足的问题。1,7—水泵2,6—污水收集器3,4—滚刷5—负压发生器8—粗滤网9—精滤网10—清洗液11—水箱图3-6水循环装置结构图2.1水泵的选择采用水泵可以将水箱内的水通过管道传送到两个滚刷下方。右侧滚刷起到浸润壁面和喷刷的主要作用,左侧滚刷主要起到二次洁面的作用。在这里考虑使用磁力传动离心泵,简称微型磁力泵,它利用永磁体的磁力泵传动实现扭矩的无接触传递的一种新型泵,具有全密封、无泄露、耐腐蚀之类的特点图3-8MP-6RZ水泵外形结构图3.清洁装置清洗喷水装置采用标准金属扇形喷雾喷嘴,其特点是能产生高冲击力的液柱或扇形喷雾,喷流角度为0°-110°,这种喷嘴产生的喷雾分布均匀,液滴大小为小到中等。1—滚刷2,3,4—喷嘴5—建筑物壁面图3-10喷嘴安装位置图清洗洁面装置在清洗机器人清洗建筑物壁面时,滚刷会使壁面留有水渍,不仅使机器人在移动中出现打滑现象,而且影响了机器人的清洗工作效率。在滚刷左右两侧分别安装刮水板,刮水板与壁面存在一定的压力,且能通过一定的变形越过窗框,在下侧安装接水板,材料选用弹性高和耐磨性好的橡胶板。其结构图如图3-11所示。1—刮条座2—滚刷3—刮水板4—建筑物壁面图3-11滚刷结构上的刮水板爬壁系统•机器人移动吸附系统是清洗爬壁机器人的核心部分,由移动系统和吸附系统组成,在机器人工作过程中携带机器人的清洗系统,吸附在建筑物壁面上,实现对建筑物壁面清洗的功能。•机器人主体部分由可以相互平移的两个呈十字型框架构成,其中任意一个框架可以相对另一个进行平移,每个框架成组配置可独立控制的腿足结构。腿足结构具有一个主动直动关节。随着腿部的交替吸附和框架主体的相对运动,机器人实现壁面自由移动的功能。框架式结构主要依赖于本体自由度与腿足自由度的结构,各部分结构简单,满足灵活性和机动性的要求。•清洗壁面机器人移动吸附系统机构三维实体模型如图2-4和图2-5所示1,2—十字框架3—X向气缸4—Y向气缸图3-4机器人移动吸附系统三维模型主视图1,3,5—Z向气缸2,4,6—吸盘组图3-5机器人移动吸附系统三维模型侧视图1.清洗爬壁机器人的移动方式•清洗爬壁机器人按照移动方式可分为车轮式、履带式和脚步行式。•综合考虑,移动部分主要设计成十字交叉直线移动方式,可以实现全方位移动,且结构简单,重量轻,刚性好,便于控制。十字移动机构十字框架结构使机器人整体结构紧凑,可以保证机器人的整体刚度,在移动吸附过程中,使机器人可以自由移动。1,2—十字框架3—X向气缸4—Y向气缸图4-1机器人移动系统主视图2.清洗爬壁机器人的驱动方式•常用的三种驱动方式为液压驱动、气压驱动和电动机驱动。•气压驱动是最简单的,在工业上应用很广。其中不少气动系统的应用可归为机器人。气动执行元件既有直线气缸,也有旋转气动马达。优点是操作简单、易于编程,在所有机器人中重量最轻,成本也最低,可以实现模块化,维修管理容易,无污染,传动介质空气来源于大气,可在高温、粉尘等恶劣环境中工作,防爆防燃。清洗爬壁机器人的驱动方式1）X向气缸和Y向气缸根据机器人的移动特性,在这里X向和Y向气缸选用双作用无杆气缸,此种气缸运动通过可移动外部滑块的磁偶合力锁传递,这意味着不需要任何活塞杆,行程长,安装空间比双作用有杆气缸要节省,气缸内腔与外部滑块密封之间不用机械连接,避免泄露损失。2）Z向气缸根据机器人设计,共有四条腿,因此需要四个Z向气缸,分别与十字交叉型框架和吸盘组连接。Z向气缸主要实现两个动作——伸出和收缩。图4-14双作用无杆气缸三维实体模型图4-15DNC-40-50-PPV-A双作用气缸三维实体模型3.清洗爬壁机器人的吸附方式爬壁机器人吸附可分为三类,即真空吸附、磁吸附和推力吸附。其优缺点如表所示。多吸盘真空吸附综合考虑,吸附方式选用框架式结构下的多吸盘组真空吸附。具体原因如下:1)由于机器人自动清洗系统的建筑物壁面装饰材料多样,如玻璃、瓷砖和涂11料等,一般为非导磁材质,因此采用真空吸盘。2)考虑到越障能力的高要求和稳定性,因此采用吸盘组结构。1—真空发生器2—分配阀3—真空安全阀4—吸盘图4-6吸盘组的真空系统4.机器人的工作路径规划•机器人的运动分解为纵向移动和横向的清洗运动,运动方式符合优化清洗规划方法要求,效率高并且可以避免二次污染。•为了提高机器人的清洗效率,进行路径规划时要求整个过程中动作最少,单位擦洗面积最大,保证机器人的主运动方向与路径的规划方向相同。避免建筑物壁面二次污染,因此将机器人运动路径设计为自上而下。行走步骤图机器人的行走流程图如图4-19所示,其中●表示吸盘吸附建筑物表面,○表示吸盘脱离建筑物表面。机器人行走步骤图平面视角X,Y气缸交替作用使机器人可以自由的移动侧面视角Z向两对气缸交替伸缩，配合吸盘组的交替吸附可以保证机器始终吸附在壁面重复右图所示动作可以实现机器人的上下，或者是左右的运动。管路安装图