爬壁清洗機器人的設計【含Creo三維及4張CAD圖】
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任務書題 目 爬壁清洗機器人的設計題目來源 教師自擬學生姓名 學 號 專業(yè)班級指導教師 職 稱 教 研 室畢業(yè)論文（設計）任務與要求本課題要求學生利用所學理論和專業(yè)知識，設計出一種爬壁清洗機器人的機構。一、畢業(yè)論文應完成的主要任務①調(diào)研，查閱有關文獻資料，清楚爬壁清洗機器人的結(jié)構；②分析爬壁清洗機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；③根據(jù)爬壁清洗機器人的基本原理，對爬壁清洗機器人進行構思；④進行爬壁清洗機器人的機構設計；⑤對爬壁清洗機器人繪制三維圖并驗證方案的可行性；⑥根據(jù)主要任務詳細安排論文進度。二、畢業(yè)論文的基本要求、成果形式及工作量1、論文要求①資料要充分、結(jié)構要完整，論述要清晰；②理論分析與計算正確，數(shù)據(jù)準確可靠；③重要數(shù)據(jù)及應用他人成果必須要有明確出處；④格式要符合我校論文書寫規(guī)范；⑤按時完成畢業(yè)論文各階段工作，不突襲，不抄襲；⑥每周主動和老師溝通論文工作進度，探討設計內(nèi)容；⑦形成論文書面周記、論文初稿和論文終稿。2、成果形式及工作量①一份畢業(yè)論文；②機械設計圖紙（至少零件圖和裝配圖一張 A1 或兩張 A2）；③2500 字的相關外文資料翻譯。畢業(yè)論文（設計）工作進程2017.12.27~2017.1.15 查（借）閱資料，學習相關基礎理論和知識，選擇合理的方案并撰寫開題報告。2018.01.15~2018.01.29 基本機構設計完成2018.1.29~2018.4.15 完整方案設計完成2018.4.15~2018.4.30 撰寫畢業(yè)論文2018.5.1~2018.5.13 論文定稿2018.5.14~2018.5.20 整理資料準備答辯指導教師（簽字） 畢業(yè)論文工作組組長（簽字） 學生（簽字） 畢業(yè)論文（設計）起止時間： XX 年 12 月 27 日 至 XX 年 5 月 25 日 注：本表由指導教師填寫，于每學年第 1 學期 18 周，經(jīng)畢業(yè)論文工作組審批，隨畢業(yè)論文裝訂由學院存檔。開題報告論文（設計）題目 爬壁清洗機器人的設計學生姓名 學號 指導教師一、 研究目的及意義機器人是人類在當今社會的一項偉大發(fā)明，是近代電子技術與傳統(tǒng)的機構相融合的一項產(chǎn)物，是機構學、計算機科學、控制論、傳感技術和信息科學等綜合性學科的高科技產(chǎn)物。它是一種高速運行、重復操作、仿人操作和精密度較高的自動化設備，機器人的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的科學研究和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)生了根本性的變化，而且對當今社會產(chǎn)生深遠的影響。機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當今應用最廣泛、發(fā)展最迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機器人作為高科技領域的一項重要產(chǎn)物，將推動各國經(jīng)濟技術的發(fā)展。隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，一棟棟高層建筑拔地而起，以玻璃面為代表的壁面結(jié)構逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任務。此外，越來越奇特的建筑結(jié)構使清洗的難度越來越大，甚至采用傳統(tǒng)的清洗方法已無能為力。然而，在社會文明高度發(fā)展的今天，人們對生命安全越來越重視，要求停止使用蜘蛛人的呼聲已不絕于耳，因此人們期待新的具有人性化的清洗方式出現(xiàn)。玻璃幕墻作為新型的墻體材料，可將建筑的功能性、節(jié)能屬性以及美學等各種因素有機統(tǒng)一在一起，近年來被廣泛采用。我國玻璃幕墻面積逾三十億平方米，每年新建玻璃幕墻逾千萬平方米，玻璃幕墻清潔服務的市場規(guī)模超過百億。并且，目前國內(nèi)很多城市通過了各種形式的行政管理規(guī)定，對各類不同建筑物外立面清潔提出了明確具體的規(guī)定，并制定了相關懲罰措施，從而極大促進了市場對高空幕墻清潔服務需求的提升。例如：如北京的五星級、四星級飯店的玻璃幕墻按規(guī)定每年至少要清洗 4 次。而北京有五星級飯店 20 余家，四星級飯店 24 家，三星級飯店 126 家，二星級飯店 168 家，作為北京市的窗口北京站，每年重大節(jié)假日都需要清洗，每次清潔費約 20 萬元。上海聯(lián)華大廈、北京天倫王朝飯店幕墻每次的清洗費用約 12 萬元。無疑，這將是一個龐大的潛在市場。而大部分玻璃幕墻采用人工清洗作業(yè)。這種清洗方法是靠升降平臺或吊繩懸掛由工人進行玻璃幕墻的清洗，作業(yè)方式簡單易行，單效率低且成本高，更重要的是高空環(huán)境惡劣易引發(fā)安全事故。隨著控制和機電技術的發(fā)展，壁面清洗機器人應運而生。利用壁面清洗機器人作業(yè)，將人類從繁重、危險的高樓清洗工作中解放出來，并大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率，具有重要的經(jīng)濟意義和廣闊的應用前景。玻璃幕墻爬壁清洗機器人的研制成功，將會實現(xiàn)清洗作業(yè)的自動化，給清洗業(yè)帶來一次新的革命清洗作業(yè)的自動化，給清洗業(yè)帶來一次新的革命。二、國內(nèi)外發(fā)展狀況1.國外發(fā)展趨勢爬壁清洗機器人廣泛應用于維護、檢查、消防、救援、清洗、情報和國防領域等，必將為人類帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。各工業(yè)發(fā)達國家都投入大量人力物力，積極進行其理論和技術研究，如日本、美國、英國、俄羅斯、德國等國相繼研制出一些各具特色的爬壁移動機器人實驗樣機。世界上最早出現(xiàn)的單吸盤爬壁機器人是 1966 年日本大阪府立大學部的西亮教授成功制作的垂直壁面移動機器人的原理樣機，并且于 1975 年制作了以此實用化為目的的第二號樣機。1982年，日本宮崎大學的教授研制出了雙足爬壁機器人，通過兩條腿的交替吸附實現(xiàn)機器人在壁面上的移動，移動時通過腳底的傾斜與圓規(guī)腳開閉的適當組合，可以翻越一定高度的臺階，進而再與腳腕的回轉(zhuǎn)相組合，實現(xiàn)多種壁面環(huán)境下的移動。1986 年美國國際機器人公司研制出了用于清洗摩天大樓的爬壁機器人“SkyWasher”。英國南岸大學從八十年代以來，一直致力于爬壁機器人的研究。1994 年研制出了多足真空吸附式爬壁機器人，該機器人有八條腿，類似巨型蜘蛛，研究者計劃用于搶險營救工作中。1996 年，俄國機械科學家技術研究院研制成功了稱為 WCR RVP-11 型機器人，采用直角坐標型氣缸驅(qū)動。1998 年，又研制成功了 WCR RVP-21 型機器人，能夠在兩個相互垂直的壁面之間跨越行走。1998年，德國 Aalen 商業(yè)技術學院研制成功了一種單履帶多吸盤的爬壁機器人。除了單吸盤式和多吸盤式爬壁機器人，還研制了其他爬壁機器人，比如：磁吸附爬壁機器人、飛行式爬壁機器人、繩索牽引式爬壁機器人、粘著劑吸附式爬壁機器人等。2.國內(nèi)發(fā)展趨勢相對國外，我國研究和開發(fā)機器人始于七十年代初期，國內(nèi)爬壁移動機器人研究起步較晚。1975 年，在北京舉行的日本科技展覽會上，川崎重工業(yè)公司首先在中國展出了工業(yè)機器人，以此為起點，我國掀起了第一個研究機器人的浪潮。上海大學從 1987 年開始在上海市科委和國家 863 的支持下，率先從事爬壁機器人的研究。此后，哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、上海交通大學等單位也相繼開展這方面的研究，目前以取得了階段性的成果。上海大學特種機器人技術應用研究室先后研制了多層框架、多真空吸盤式爬壁機器人系列。哈爾濱工業(yè)大學先后研制了兩種類型的爬壁機器人，一種是單吸盤輪式驅(qū)動爬壁機器人，一種是磁吸附履帶式爬壁機器人。北京航空航天大學機器人研究所研制了壁虎系列爬壁機器人等。三、研究內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容如下：1）爬壁清洗機器人的基本工作原理；2）爬壁清洗機器人的爬壁系統(tǒng)設計，包括吸附系統(tǒng)和移動越障系統(tǒng)等；3）爬壁清洗機器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設計，包括污水處理系統(tǒng)、滾刷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)水循環(huán)回收系統(tǒng)、潔面系統(tǒng)等；4）爬壁清洗機器人的 CAD 圖紙繪制。四、研究方案以及步驟經(jīng)分析、考量，該設計劃分為以下階段：第一階段：1）查閱相關資料，整理出所需的信息；2）明確設計要求，借鑒其他文章研究思路；3）學習相關軟件及算法。第二階段：1）整理分析方案，進行演算操作；2）初步確定方案，并對其可行性、操作性能進行分析并改進；3）對改進后的計算方法演算，確定最終分析方案；4）繪制一份完整的仿真圖。 第三階段：測試并分析實驗數(shù)據(jù)，進行改進并反思總結(jié)。五、論文提綱摘要第一章 緒論1.1 選題背景及意義1.2 爬壁清洗機器人概述1.3 高樓清洗爬壁機器人存在的問題1.4 研究內(nèi)容1.5 本章小結(jié)第二章 爬壁清洗機器人總體方案2.1 設計準則與要求2.2 爬壁清洗機器人行走越障機構設計2.3 爬壁清洗機器人清洗機構設計2.4 本章小結(jié)第三章 爬壁清洗機器人的行走機構的設計3.1 滾刷裝置的設計3.2 清洗液的噴灑和循環(huán)裝置的設計3.3 水泵的選擇3.4 本章小結(jié)第四章 爬壁清洗機器人爬壁越障機構的設計4.1 爬壁清洗機器人驅(qū)動方式4.2 吸附裝置的設計4.3 機器人跨越障礙和路徑規(guī)劃4.4 氣缸運動部分4.5 本章小結(jié)第五章 爬壁清洗機器人的控制部分設計5.1 PLC 的概述5.2 PLC 的 I/O 口分配5.3 PLC 選型5.4 PLC 梯形圖5.5 本章小結(jié)六、進度計劃2017 年 12 月-2018 年 1 月：收集資料，確定設計系統(tǒng)總方案，查詢有關外文資料及閱讀技術文獻，書寫開題報告；2018 年 2 月-2018 年 3 月：清洗機的車體總體結(jié)構方案分析；2018 年 3 月-2018 年 4 月：清洗機總體方案及結(jié)構的確定、詳細設計與計算；2018 年 4 月-2018 年 5 月：清洗機行走機構、吸附機構的設計與計算，清洗機車各個關鍵部件及裝配圖的繪制；2018 年 5 月-2018 年 5 月：編寫畢業(yè)論文，畢業(yè)答辯準備和答辯。七、工作條件1）自學相關軟件和算法；2）查閱相關爬壁清洗機器人的文獻；3）老師的專業(yè)指導；4）利用相關軟件進行仿真模擬。八、參考文獻[1] 吳神麗.新型高樓清洗爬壁機器人的研究與設計[D].成都理工大學，2009.[2] 吳洪興，趙言正，高學山.高樓玻璃幕墻清洗機器人作業(yè)系統(tǒng)的研究[J].哈爾濱理工大學學報,2002,7(4):101-104.[3]宗光華.高層建筑擦窗機器人[J].機器人技術與應用,1998(2):20-20.[4]談士力,譚林勇 ,陳振華,龔振邦.垂直壁面行走機器人系統(tǒng)研制[J].機器人,1996,18(4):232-237.[5]王榮華.爬壁機器人設計及動力性能研究[D] .沈陽工業(yè)大學,2007.指導教師意見及建議（從選題、理論與實證準備、研究（設計）方法、工作安排等方面給出評價，并提出指導意見）：該生對畢業(yè)論文的開題做了比較充分的前期準備，參考了許多文獻，最后確定的課題具有一定的實用價值。本開題報告的論文整體組織邏輯較強，結(jié)構清晰，內(nèi)容詳實，具有一定的研究基礎，能達到預期目標。研究方案和研究步驟合理，同意該生畢業(yè)論文的開題。指導教師簽名： 年 月 日畢業(yè)論文工作組意見及建議準予開題畢業(yè)論文工作組組長簽字：年 月 日注：1.此表由學生填寫后，交指導教師簽署意見，經(jīng)畢業(yè)論文（設計）工作組審批后，才能開題。中期檢查表論文（設計）題目 爬壁清洗機器人的設計學生姓名 學號 指導教師計劃完成時間按照進度安排應完成的任務2017 年 12 月-2018 年 1 月：收集資料，確定設計系統(tǒng)總方案，查詢有關外文資料及閱讀技術文獻，書寫開題報告；2018 年 2 月-2018 年 3 月：清洗機的車體總體結(jié)構方案分析；2018 年 3 月-2018 年 4 月：清洗機總體方案及結(jié)構的確定、詳細設計與計算；實際完成情況查閱資料后了解到本課題的設計重點和注意事項，按時完成了開題報告以及文獻翻譯。已完成清洗機行走和清洗機構設計方案、吸附機構設計方案部分計算已經(jīng)完成，論文部分編寫目前有哪些問題和困難，擬采取的解決方法個別部分的校核和計算，利用計算機實現(xiàn)模擬實驗和計算等，在以后遇到問題時，會及時與老師溝通，商討解決方案。檢查中發(fā)現(xiàn)的問題與建議該生的畢業(yè)設計總體思路清晰，條理明確，資料的收集和調(diào)研豐富，態(tài)度認真嚴謹，進度符合任務書的要求，設計主體部分基本確定，但在清洗機構設計方案、吸附機構設計方案的一些細節(jié)部分還需要完善，整體排版及格式需要進一步調(diào)整。 畢業(yè)論文工作組組長簽名：年 月 日注：1.最后一欄由指導教師填寫。2.此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。指導教師評分表學院：XXX 專業(yè)班級：XXXX 學生姓名：XXXX 學號：XXXX畢業(yè)論文題目 爬壁清洗機器人的設計評 價 項 目（參考） 分值 打分01 工作態(tài)度，工作作風工作態(tài)度 02 畢業(yè)論文完成情況20 16.003 查閱文獻資料能力04 綜合運用知識能力05 研究方案的設計能力06 研究方法和手段的運用能力能力水平07 外文應用能力40 32.008 文題相符程度09 寫作水平10 寫作規(guī)范程度11 篇幅，論文工作量論文質(zhì)量12 論文的理論或?qū)嶋H價值40 32.0綜合評定成績 80.0評價意見該生具有獨立工作能力，論文選題有實際應用價值，分析歸納合理，能夠掌握專業(yè)知識和基礎理論，結(jié)構安排合理，完成了畢業(yè)設計任務書規(guī)定的工作量。能夠利用繪圖軟件進行二維圖和三維圖的繪制，能夠正確翻譯外文文獻，完全符合本科生畢業(yè)答辯條件，同意按期進行答辯。是否同意答辯 同意指導教師（簽名）： 年 月 日注：此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。評閱教師評分表學院：XXXX 專業(yè)班級：XXX 學生姓名： XXXX 學號：XXXX畢業(yè)論文題目 爬壁清洗機器人的設計評 價 項 目（參考） 分值 打分01 查閱文獻資料能力02 綜合運用知識能力03 研究方案的設計能力04 研究方法和手段的運用能力能力水平05 外文應用能力50 37.006 文題相符程度論文質(zhì)量 07 寫作水平50 39.008 寫作規(guī)范程度09 篇幅，論文工作量10 論文的理論或?qū)嶋H價值綜合評定成績 76.0評價意見該生完成了爬壁清洗機器人的設計 。其包含有清洗裝置，吸盤裝置。實現(xiàn)玻璃幕墻的清洗。完成了水泵的選擇，氣缸運動及控制器的設計。但是文中吸附裝置沒有詳細計算，其吸附力是其關鍵所在，并在控制器中使用 PLC來實現(xiàn)機器人的控制，并且只能實現(xiàn)啟動停止的功能 ，機器人的轉(zhuǎn)向控制等沒有實現(xiàn)。論文觀點正確，論據(jù)充分，論證方法正確，論文邏輯結(jié)構合理，敘述語言規(guī)范，流暢，格式規(guī)范，分析方法正確，圖文齊全規(guī)范。同意該生參加答辯。是否同意答辯 同意評閱教師（簽名）： 年 月 日注：此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。成績評定表學生姓名 學號專業(yè) 班級畢業(yè)論文（設計）題目 爬壁清洗機器人的設計答辯小組評語：該同學在畢業(yè)論文寫作過程中，態(tài)度端正，論證嚴謹，論文寫作規(guī)范，能恰當回答與論文有關的問題。答辯小組經(jīng)過充分討論，根據(jù)該生論文質(zhì)量和答辯中的表現(xiàn)，答辯成績建議 84 分，評定論文成績?yōu)椤傲己谩敝笇Ы處煶煽? 80.0×40% =32評閱教師成績 76.0×20% =15.2答辯成績 84.0×40% =33.6畢業(yè)論文總評成績80.8論文等級 良好畢業(yè)論文工作組意見：畢業(yè)論文工作組組長簽名： 年 月 日注：1、總評成績=指導教師成績×40%＋評閱教師成績×20%＋答辯成績×40%。2、論文等級分優(yōu)秀（≥90 分）、良好（80-89 分）、中等（70-79 分）、及格（60-69 分）、不及格（＜60 分）。3、此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。II摘要隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和建筑行業(yè)的興起，摩天大樓如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。世界上最高的大樓是迪拜的哈利法塔，高 828 米，樓層共有 162 層，玻璃幕墻面積達到 14.2 萬平方米。中國修建的最高大樓為上海中心大廈，總高度為 632 米，玻璃幕墻達 14 萬平方米。這些建筑都是科技的結(jié)晶，也是每一個城市的地標性建筑。但是玻璃幕墻在給人們美觀享受的同時，也會帶來一些清潔上的問題。這些高樓外墻的清洗工作是由人工完成，人工清洗耗費時間長，耗資巨大也非常容易出事故，危險性很高。當機器人技術越來越成熟，高層建筑大多采用玻璃做幕墻時，機器人代替人工進行清洗作業(yè)已成為應用趨勢。因此，爬壁清洗機器人具有廣闊的應用前景和良好的社會效益。本論文在機器人本體上安裝清洗裝置，利用吸盤來吸附墻面。驅(qū)動方式采用氣缸來實現(xiàn)吸盤的抬起和落下，通過兩個可以相對轉(zhuǎn)動的吸盤實現(xiàn)移動行走，使玻璃幕墻的清洗過程實現(xiàn)自動化。本文采用 Proe 來完成機器人的三維圖繪制并進行結(jié)構主體參數(shù)設計。最后，通過 PLC 進行爬壁清洗機器人控制部分的設計。關鍵詞：爬壁清洗機器人；Proe；PLCIIIAbstractWith the continuous development of the economy and the rise of the construction industry, skyscrapers have sprung up.The tallest building in the world is Burj Khalifa in Dubai. It is 828 meters high, with 162 floors and 142,000 square meters of glass curtain walls. The tallest building built in China is the Shanghai Center Tower, with a total height of 632 meters and a glass curtain wall of 140,000 square meters. These buildings are the crystallization of science and technology and are landmarks for every city. However, the glass curtain wall will bring about some clean problems while people enjoy it. The cleaning of these high-rise exterior walls is done manually. Manual cleaning takes a long time. It is very costly and accident-prone. The danger is high. When robot technology becomes more and more mature, and high-rise buildings mostly use glass as the curtain wall, robots have become an application trend instead of manual cleaning. Therefore, wall-climbing robots have broad application prospects and good social benefits.In this paper, a cleaning device is installed on the robot body, and a sucker is used to adsorb the wall surface. The driving method adopts a cylinder to realize the lifting and falling of the sucker, and the movable walking is achieved through two suckers that can relatively rotate, so that the cleaning process of the glass curtain wall is automated. This paper uses Proe to complete the three-dimensional drawing of the robot and design the main parameters of the structure. Finally, the design of the control part of the wall-climbing robot is IVperformed through the PLC.Keywords: Wall climbing cleaning robot；Proe； PLC V目錄1 緒論 ................................................................................................................................................11.1 選題背景及意義 .....................................................................................................................11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 .................................................................................................11.2.1 國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 .......................................................................................11.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 .......................................................................................31.3 高樓清洗爬壁機器人存在的問題 .........................................................................................31.4 研究內(nèi)容 .................................................................................................................................41.4.1 爬壁清洗機器人的爬壁系統(tǒng)的設計 .......................................................................41.4.2 爬壁清洗機器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設計 ...................................................................41.4.3 爬壁清洗機器人的控制系統(tǒng)設計 ...........................................................................41.5 本章小結(jié) .................................................................................................................................52 爬壁清洗機器人總體方案 ............................................................................................................62.1 設計準則與要求 .....................................................................................................................62.2 爬壁清洗機器人行走越障機構設計 .....................................................................................62.3 爬壁清洗機器人清洗裝置設計 .............................................................................................72.4 本章小結(jié) .................................................................................................................................83 爬壁清洗機器人清洗機構的設計 ................................................................................................93.1 滾刷裝置的設計 .....................................................................................................................93.2 清洗液的噴灑和循環(huán)裝置設計 ...........................................................................................103.3 水泵的選擇 ...........................................................................................................................123.4 本章小結(jié) ...............................................................................................................................134 爬壁清洗機器人爬壁越障機構的設計 ......................................................................................14VI4.1 爬壁清洗機器人驅(qū)動方式 ...................................................................................................144.2 吸附裝置的設計 ...................................................................................................................144.3 機器人跨越障礙和路徑規(guī)劃 ...............................................................................................164.4 氣缸運動部分 .......................................................................................................................174.5 本章小結(jié) ...............................................................................................................................185 爬壁清洗機器人控制部分設計 ..................................................................................................195.1 PLC 的概述 ...........................................................................................................................195.2 PLC 的 I/O 口分配 ................................................................................................................195.3 PLC 選型 ...............................................................................................................................205.4 PLC 梯形圖 ...........................................................................................................................205.5 本章小結(jié) ...............................................................................................................................21參考文獻 ............................................................................................................................................1致 謝 ................................................................................................................................................2附錄 A 裝配圖和零件圖 ..................................................................................................................3附錄 B 外文翻譯 ..............................................................................................................................711 緒論1.1 選題背景及意義機器人是人類當今社會的一項偉大的發(fā)明之一，它是利用自身機構和電子控制系統(tǒng)來達成人們想要實現(xiàn)的各種功能。機器人集合了控制系統(tǒng)、機械結(jié)構、電子元件、計算機和傳感器技術等綜合性學科的高科技產(chǎn)物。是一種按照設定的指令工作并高速運行的仿人類操作和高精度的自動化機器。自從機器人成功問世以來，不但使我們的制造業(yè)和科學研發(fā)向前邁進了一大步，對人類的生活產(chǎn)生了很深遠的影響。各種各樣的機器人已經(jīng)成為當今社會各行各業(yè)所不能缺少的一份子。機器人的出現(xiàn)使得科學實驗的失誤率降到最低，它還代替人類進行手術，服務與各行各業(yè)，推動了全世界自動化行業(yè)的大力發(fā)展。一個城市的興起，最先體現(xiàn)在一棟棟拔地而起的高樓上，這些高樓大多數(shù)都是采用玻璃作為幕墻。這些玻璃幕墻逐漸演繹成了一道美麗的“城市外衣”，但是對于這些越來越多的高層建筑上的玻璃幕墻，如何清洗卻成為了一個大問題。當越來越多的高樓采用玻璃作為幕墻后，使用傳統(tǒng)的人工清洗方法已經(jīng)遠遠的達不到需求。而且，因為樓層的高度越來越高，人工清洗面臨的風險越來越大，停止使用蜘蛛人的呼聲也越來越急切?，F(xiàn)在急需一個新的高效清洗玻璃幕墻的方法。所以對于爬壁清洗機器人的研究就迫在眉睫了。因為玻璃幕墻這種新型的墻體建材，它可以將建筑的外觀、節(jié)能、采光等屬性結(jié)合在一起，所以近年來成為了高層建筑外墻的首選材料。根據(jù)調(diào)查顯示，我國玻璃幕墻的面積大概有三十億平方米，而且每年還有近千萬平方千米的玻璃幕墻產(chǎn)生，而玻璃幕墻的清潔費用早超過百億元。因為城市發(fā)展的越來越快，所以國內(nèi)多個城市對于幕墻的清潔也進行了規(guī)范。因為每棟樓的玻璃幕墻都不相同，所以對于不同的建筑清潔規(guī)定也不同，但這也不可避免的加大了市場對玻璃幕墻清潔服務的需求。比如：北京五星級、四星級建筑的玻璃幕墻按照政府規(guī)定每季度必須清潔一次。北京的五星級飯店就有 20 多家，四星級飯店也有20 多家，三星級飯店有 100 多家，二星級飯店有 168 家，對于北京火車站，也是由玻璃作為幕墻的，每到重大節(jié)假日都需要人工來進行清潔，而每一次的清潔費用就需要 20 多萬。同樣的上海聯(lián)華大廈、北京天倫王朝飯店這些玻璃幕墻一次的清潔費都超過了 10 萬元。所以說爬壁清洗機器人有很大的潛在市場。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢21.2.1 國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢自從爬壁機器人面世以來，就是各國重點研究的項目，每個國家都投入了大量的資源來進行機器人的研發(fā)，如美國、日本、英國、俄羅斯等國，并且也取得了不錯的成果。日本就是世界上最早研發(fā)成果爬壁機器人的國家，在 1966年的日本大阪府立大學部西亮教授制作了第一個單吸盤爬壁機器人，并且根據(jù)樣機很快研發(fā)出了一系列的爬壁機器人。在 1987 年，日本成功研制除了多足爬壁機器人 Walker 如下圖 1.1，這款機器人將人們對于爬壁機器人的研究向前推進了一大步。1982 年，日本宮崎大學成功研發(fā)出了一種爬壁機器人，這款機器人可以通過腿部頂端的吸盤來貼緊墻面，利用兩條腿的循環(huán)吸附來實現(xiàn)機器人的移動， 在腳底適當?shù)膬A斜一下，然后通過圓規(guī)腳的開合 就能越過一定的障礙物。除了吸盤式爬壁機器人 外日本還研制出履帶式機器人、磁吸附車輪式機 器人等等。圖 1-1 Walker 圖 1-2 履帶式機器人3圖 1-3 Robug 圖 1-4 吸盤吸附機器人美國對于爬壁機器人的研究也有很長的時間，在 1986 年美國國際機器人公司就研發(fā)了一款可以成功清洗玻璃外墻的機器人“SkyWasher”。在這之后，1989 年美國州立威寄托大學也研發(fā)成功了一個機器人系列 ROSTAM 系列，這款機器人上面有傳感器和攝像頭，可以用來探測路面和路障，它有四個吸盤組，可以進行上下左右的移動，在這之后美國所設計的爬壁機器人都是在這款機器人的原型上進行研制的。英國從上世紀 80 年代就開始研發(fā)爬壁清洗機器人。在1994 年終于研制成功了一款多足真空吸附的爬壁清洗機器人，如上圖 1.3。在這個基礎上，英國人又研發(fā)出了 Robug 如圖 1.3，這款機器人有 8 只類似于蜘蛛一樣的足，每個足的根部都有一個吸盤不但可以進行壁面移動還可以從一個壁面移動到另一個壁面，研發(fā)者將款機器人派往搶險救災工作中。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢我國對于爬壁清洗機器人的研究時間要比國外遲很多，在七十年代初期，我國才開始研發(fā)壁面清洗機器人。1975 年，北京舉行的科技交流會上，日本的川崎重工業(yè)公司第一次在中國演示了工業(yè)機器人，此次演示后，我國拉開了機器人研究的序幕。上海大學是第一個由科學研究委員會和國家共同支持研究爬壁機器人的大學。在這之后，北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學等學校都設立了爬壁機器人研究單位。目前都獲得了豐富的設計經(jīng)驗和研究結(jié)果。在經(jīng)過長時間的不懈努力，先后研制了多種類型的爬壁機器人，比如多吸盤輪式驅(qū)動爬壁機器人如下圖（圖 1-7），磁吸附履帶式爬壁機器人如下圖（圖 1-5）。北京航空航天大學機器人研究所設計出的壁虎系列爬壁機器人等，如下圖（圖 1-6）該機器人利用十字型氣缸可以進行快速的平面運動，利用機器人周圍的傳感器來辨別障礙，控制系統(tǒng)有兩種人工控制和全自動控制，該機器人可以靈活地調(diào)轉(zhuǎn)方向、行動迅速，可以越過一定的障礙物。4圖 1-5 磁吸附履帶式爬壁機器人 圖 1-6 十字氣缸型爬壁機器人圖 1-7 履帶吸盤式爬壁清洗機器人1.3 高樓清洗爬壁機器人存在的問題高樓清洗爬壁機器人的研究已有幾十年，但是現(xiàn)在的玻璃幕墻清洗大多數(shù)還是由人工完成，雖然我們研發(fā)了各種各樣的機器人，但是總體來說每一款機器人都存在一些問題：51）吸附能力與玻璃幕墻壁面適應性的矛盾。因為現(xiàn)在的玻璃幕墻并不是采用全玻璃，有的幕墻有縫隙有的幕墻有凸起或凹陷有的幕墻有瓷磚等。就是這種多種多樣的幕墻才使得爬壁機器人的工作難度越來越大，要實現(xiàn)大多數(shù)的幕墻清洗，必須解決密封性、跨越障礙、移動轉(zhuǎn)彎等等技術問題，要不然會使機器人的清洗效率大大降低，2 清洗機構與機器人負重能力的矛盾。清洗玻璃幕墻就需要大量的水，但是機器人的吸附力是有限的，不可能攜帶大量的水進行高空作業(yè)，用水管進行供水也只能解決一定高度的清洗問題，因為隨著高度的增加，水管的自身的重量也會增加，也會導致機器人吸附力不足。所以就需要規(guī)劃一個水自循環(huán)的系統(tǒng)。3）移動技術與機器人靈活性的矛盾。因為我們要設計一個盡可能小型化的機器人，并且需要機器人有一定的負載攜帶能力，還需要機器人高效的移動、轉(zhuǎn)向、跨越障礙等等問題。1.4 研究內(nèi)容近幾年來，隨著高層建筑越來越多，人們對于幕墻清洗機器人的研究也越來越深入，出現(xiàn)了各種各樣的結(jié)構設計，但是真正能應用到現(xiàn)實世界中的結(jié)構設計很少，所以本論文從以下幾個方面進行研究設計。1.4.1 爬壁清洗機器人的爬壁系統(tǒng)的設計爬壁機器人根據(jù)爬壁方式可分為吸盤吸附爬壁機器人、磁吸附爬壁機器人、飛翔式爬壁機器人、繩子牽引式爬壁機器人、粘著劑吸附式爬壁機器人。由于幕墻的多種多樣，就會出現(xiàn)玻璃墻面高低不一的情況，會有一點凸起的瓷磚或者擋板，所以機器人的爬壁系統(tǒng)需要有一定的越障功能。通過對機器人吸盤位置的設計、直徑的計算、吸附方式設計、跨越障礙物高度設計等設計出一種簡單方便的爬壁系統(tǒng)。1.4.2 爬壁清洗機器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設計爬壁清洗機器人清洗作業(yè)系統(tǒng)中有噴霧沖洗、清洗盤刷洗、刮板刮洗、水循環(huán)回收等設計，噴霧裝置既可以沖刷壁面，清洗盤可以大面積清洗，刮板對水回收利用，這套清洗系統(tǒng)能有效的清洗幕墻壁面，并且加大清洗效率。61.4.3 爬壁清洗機器人的控制系統(tǒng)設計本次設計采用的是 PLC 來進行爬壁清洗機器人的控制，因為 PLC 的操作簡單，便于控制，PLC 需要對該款機器人進行吸盤脫離、吸盤吸附、電機正傳、電機反轉(zhuǎn)、清洗順序等控制。1.5 本章小結(jié)本章主要論述了課題的鉆研背景和意義，另外對國內(nèi)外爬壁機器人的發(fā)展歷程、研究成果、和發(fā)展現(xiàn)狀做了簡單的了解。對爬壁清洗機器人未來發(fā)展的預期和對機器人設計內(nèi)容進行了簡單的分析，明確了主要的研究內(nèi)容和研究方向。72 爬壁清洗機器人總體方案2.1 設計準則與要求爬壁清洗機器人的設計是為了代替人工清洗，因為高層建筑距離地面過高，所以為了提高安全性，機器人的總體重量必須控制在一定范圍。因為機器人自身的重量和所攜帶的負載，本身需要有定的剛度。所以采用高強度鋁合金為爬壁清洗機器人的主要支撐架的材料。機器人總設計三維裝配圖如下：圖 2-1 機器人總設計三維裝配圖1-移動吸附裝置 2-刮板 3-噴管 4-接水裝置 5-水箱 6-電機 7-外殼如上圖所示，爬壁清洗機器人由兩部分機構組成，清洗機構和爬壁越障機構。1 是機器人移動吸附裝置，主要用來移動和跨越障礙。2 是清潔系統(tǒng)的刮板，主要作用是清除壁面上殘留水漬。3 是清潔系統(tǒng)中的噴管，主要作用是沖洗壁面。4 是清潔系統(tǒng)中的接水裝置，主要用來收集刮板上清除之后的水漬。5 是水箱，主要作用提供清水。6 是電機，主要作用是帶動清洗盤。7 是機身外殼，主要作用是連接各個部件。2.2 爬壁清洗機器人行走越障機構設計8爬壁清洗機器人的爬壁系統(tǒng)是由兩個固定的吸盤組成，總共有四個吸盤組。兩個吸盤都可以轉(zhuǎn)動，并且轉(zhuǎn)動過程中可以帶動另一個吸盤動，每一個吸盤上面裝有一個氣缸，用來實現(xiàn)吸盤的上下運動，吸盤上面有一個孔，連接的是真空發(fā)生器，用來實現(xiàn)吸盤吸住和分離，采用的是負壓。氣缸上面的固定架有一個齒條，爬壁清洗機器人主體和吸盤的連接軸上有一個電機，電機上有個齒輪，這個齒輪和齒輪條嚙合，通過電機正傳和反轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)從一個吸盤到另一個吸盤的運動，也就是機器人的移動功能。在氣缸的收縮下，吸盤可以跨越一定的高度，這個高度最大值就是氣缸的最大行程，這個也就是機器人的越障功能。移動吸盤的三維設計圖如下圖 2-2 所示。圖 2-2 移動吸盤1-電機 2-離合器 3-氣缸 4-真空發(fā)生器 5-吸盤如上圖所示。1 是電機，主要作用是帶動吸盤做相互運動和在兩個吸盤之間移動。2 是離合器，主要作用是用來對電機軸的分離合嚙合。3 是氣缸，主要用來推動吸盤做上下運動。4 是真空發(fā)生器，主要用來使吸盤產(chǎn)生負壓吸住壁面。5 是吸盤，起吸附作用。2.3 爬壁清洗機器人清洗裝置設計9高層建筑玻璃幕墻上面的污垢基本上都是大氣塵土，沒有特別難以清洗的污漬，清潔系統(tǒng)采用滾刷盤的形式，一次清洗到位，而且可以達到最大清洗面積。機器人前面有噴嘴沖洗、中間有滾刷盤的刷洗、后面還有刮板刮洗，采用這種聯(lián)合清洗方式就可以完全清除幕墻上面的大氣塵土。具體設計如下圖 2-3所示。圖 2-3 清洗系統(tǒng)裝配圖1-噴管 2-刮板 3-接水器 4-水箱 5-外殼 6-電機清洗系統(tǒng)的清洗步驟：先由 1 號噴嘴通過水箱中水泵抽出形成噴霧沖洗玻璃幕墻，可以清除玻璃幕墻上附著力小的污漬，并且還能浸泡玻璃幕墻；然后6 號電機通過主軸帶動 5 號清洗盤進行同步轉(zhuǎn)動，通過清洗盤上的刷子進行進一步清洗，之后由 2 號刮板刮去殘留污漬和水漬，再經(jīng)由 3 號接水裝置通過管道流入水箱。形成水的循環(huán)利用。通過這種聯(lián)合清洗的方式可以完全清楚玻璃幕墻上的大氣塵土。2.4 本章小結(jié)本章確定了爬壁清洗機器人材料的選擇，詳細闡述了機器人的總體結(jié)構、爬壁系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)。對機器人的總體框架進行了構思，對移動越障方案、清洗方案設計、水循環(huán)方案進行了設計。10113 爬壁清洗機器人清洗機構的設計爬壁清洗機器人的清洗機構是圓形的清洗機構，這種清洗機構即可以清洗徹底，而且清洗面積大，并且驅(qū)動方便，只需要一個電機和減速裝置就可以帶動清洗盤清洗。水循環(huán)系統(tǒng)由刮板底下的接水漏斗通過管道伸入水箱中的過濾裝置來完成水循環(huán)，這樣可以節(jié)約用水。因為機器人會向左或者向右移動，所以機器人的左右兩邊都需要放置一個噴管和刮板，需要兩個水泵。沖洗方式是噴霧式灑水，水泵連接一個有多個噴嘴的管道，機器人開始行動，水泵就同步啟動，會將水箱里面的水噴灑到玻璃表面，霧狀噴灑可以有效節(jié)約用水，并且噴灑均勻。3.1 滾刷裝置的設計圖 3-1 滾刷盤1-刷子 2-滾刷盤 3-滾刷盤軸心如上圖 3-1 所示，清洗機構成圓形清洗裝置。清洗面上有多個塑料制作的刷頭，2 號圓形洗盤的直徑為 400mm,上面對應 1 號刷頭的螺紋孔為 15mm。這個刷頭一頭是毛刷，一頭是螺紋式的，直接擰進清洗圓盤上的螺紋孔。毛刷的長度越長，越容易跨過障礙，也不能過長，過長就會使吸盤所承受的拉力增大。12所以毛刷的長度為 80mm。3 號電機軸直徑為 40mm。圓形的清洗裝置可以實現(xiàn)最大面積的清洗區(qū)域，可以有效保證玻璃的清潔度。吸盤吸住墻面，清洗盤就會開始工作。3.2 清洗液的噴灑和循環(huán)裝置設計機器人左右兩邊各有一個刮板，刮板主要是在清洗盤清洗過后刮去上面的水漬，刮板尾部有一個接水裝置，將刮板收集的水漬收集處理，通過過濾流回水箱，這樣可以實現(xiàn)水循環(huán)利用，節(jié)約水資源。刮板設計圖如下圖 3-2 所示。圖 3-2 刮板1-支撐架 2-刮板上圖 3-2 中。1 是支撐架，長度 230mm，主要作用是連接刮板和機器人外殼。2 是刮板，長度 60mm，主要作用是刮去壁面殘留水漬。因為吸附裝置是吸盤吸附墻面，所以墻面上的水漬不能太多，不然會影響吸盤在墻面的吸附，那么就需要一個刮板來去除墻面多余水漬。刮板結(jié)構由兩部分組成，支撐架和刮板。市面上刮板和支撐架的材料類型有鐵、鋁合金和塑料三種。刮板需要對壁面保持一定的壓力，并且還需要一定彈性，所以支撐架的制作材料為塑料。因13為清洗盤為圓形，清洗外殼也是圓形，沒有豎直的平面安防刮板，只能采取類7 形狀的裝置從清洗盤的頂部通過螺絲來固定刮板。這樣設計可以使刮板具備良好的韌性。下圖 3-3 中.1 是噴管，長度 400mm,主要作用噴灑清水或清潔液、沖洗壁面。2 是支架,長度為 330mm,主要作用是連接噴管和機器人外殼。噴管的設計主要是為了沖洗墻面上的浮土和浸潤墻面，刮板的設計為類 7 字型，所以噴管也設計成 7 字型，這樣既可以保持一致，也能更好的固定噴管。只需要在水箱里裝一個小型水泵，通過水泵將水送入 2 噴水管道中，再由 2 噴水管道上的噴嘴噴出形成沖擊力清洗墻面。噴管的設計如下圖所示:圖 3-3 噴管1—噴管支架 2—噴水管道因為機器人是用四個吸盤來固定，每個吸盤所能承受的力大約是機器人總重量的四分之一，機器人攜帶的水箱越大，一次清洗的面積也就越大，相應的每個吸盤所承受的力也就越大，為了達到清洗面積的最大值。就需要對水進行14循環(huán)利用，這樣不僅可以減輕機器人總體重量，也可以讓吸盤在墻面達到最好的吸附效果，還能節(jié)約用水，保護環(huán)境。水循環(huán)示意圖如下圖。圖 3-4 水循環(huán)示意圖如上圖所示，清水從水箱中噴灑沖洗壁面，然后經(jīng)過滾刷盤的刷洗，再由刮板通過漏斗狀接水裝置收集起來，通過污水過濾器進行過濾，然后流回水箱。這樣就實現(xiàn)了水的循環(huán)利用，節(jié)約水資源的同時，也減輕了機器人的負載。3.3 水泵的選擇因為機器人總體尺寸的限制，本次設計的水泵為微型水泵，水泵的選擇需要確定液體在管道中的流動數(shù)，需要知道液體在在管道中流動的雷諾數(shù)。在水管中流動的水流，局部壓力損失很小，需要確定的是壓力損失，根據(jù)雷諾數(shù)公式：（3-1）????=??????上式中：Re—雷諾數(shù)；15V—流體的平均速度,單位 m/s；d—管道的直徑。單位 m;v—流體運動粘度，單位 。??2/??網(wǎng)上查知水泵參數(shù)如下表表 3-1 水泵技術參數(shù)表工作電壓工作電流 功率開口流量 吸程最大輸出壓力體積（最大外形）重量型號(V DC) (A) (W)(L/min) (M)(Bar/M pa) (mm)(kg)12 ≤126.0 ≤126.07 約 1 11.0/1.1 225×103×100HSP11050T24 ≤6.0 ≤144.02.812 ≤10.5 ≤126.0HSP11050 24 ≤6.0 ≤144.0 7 約 1 11.0/1.112 ≤9.5 ≤114.0HSP8050 24 ≤5.6 ≤134.4 5.5 約 1 8.0/0.8255×110×1002.612 ≤7.0 ≤84.0HSP4045 24 ≤4.