畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-擦玻璃機(jī)器人設(shè)計(jì)

畢業(yè)論文玻璃清洗機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)全套圖紙加V信153893706或扣3346389411系部名稱：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：職稱：二○XX年六月TheGraduationDesignDesignofAdsorptionMechanismforGlassCleaningRobotCandidate：Specialty：Class：Supervisor：Shenyanginstituteoftechnology2019-06沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)1緒論1.1引言在現(xiàn)代都市中，高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)景。在建筑業(yè)，由于玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實(shí)用美觀，高層建筑的外壁越來越多地采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，但是為了保證建筑外觀的整潔美麗，時(shí)間一長，就需要對壁面進(jìn)行清洗，以美化市容市貌。許多開放性城市都規(guī)定，每年應(yīng)對高樓清洗若干次。1.2研究的目的和意義目前高層建筑玻璃幕墻的清洗方法主要有兩種，一種是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃幕墻的清洗，雖簡便易行，但勞動強(qiáng)度大，工作效率又低，屬于高空極限作業(yè)對人身安全及玻璃壁面都有很大的威脅性。另一種是用安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機(jī)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動擦洗。這種方式初次投資成本較高(高達(dá)數(shù)百萬元)，而且要求在建筑物設(shè)計(jì)之初就要考慮擦窗系統(tǒng)，因而限制了其使用，因此急需一種能代替人而又有一定靈活性和適用性的自動機(jī)器來完成這項(xiàng)工作，而且玻璃幕墻一般面積較大，大多處于幾十米甚至上百米的高處，且周圍無可攀援的支架，這就使得玻璃幕墻的清洗成為一項(xiàng)繁重、危險(xiǎn)、耗資的工作。如果用人去清洗，不僅花費(fèi)高，而且安全難以保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進(jìn)行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。高層建筑清洗機(jī)器人正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б妗⒔?jīng)濟(jì)效益。因此，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項(xiàng)研究工作。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀通過按吸附方式的不同，可將玻璃幕墻清潔機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)分為三種，即磁吸附、真空吸附和推力吸附[3]。其中磁吸附按提供吸附力材質(zhì)的不同，可分為電磁體和永磁體兩種。對壁面的平整程度都沒有要求，不僅機(jī)器人的有效載荷遠(yuǎn)勝于真空吸附和推力吸附，而且在作業(yè)過程中不存在真空漏氣的問題，但要求機(jī)器人工作時(shí)所吸附的壁面必須是導(dǎo)磁材料，這一點(diǎn)使得采用磁吸附作為吸附方式的機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境收到嚴(yán)重地限制；真空吸附按吸盤個(gè)數(shù)又分為單吸盤和多吸盤兩種，真空吸附雖然不受壁面材料限制但對吸盤的密封性能卻要求較高，在附著面不平整時(shí)吸盤容易漏氣，使密封性能下降從而造成吸附力下降，使得機(jī)器人的實(shí)際承載能力降低；推力吸附方式整合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，有一定的吸附力而且對壁面的平整程度沒有要求，但是由于要求風(fēng)機(jī)排風(fēng)量很大所以整體重量會很重。各種方式優(yōu)缺點(diǎn)如下表1.1[4]。表1.1玻璃清潔機(jī)器人吸附方式的比較吸附方式缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)磁吸附永磁吸附移動時(shí)需要機(jī)器人主體跟吸附表面分離不需要外部施加能量，安全性高電磁吸附要外部施加能量，電磁鐵重量大，機(jī)器人笨重容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主體與壁面的離合，吸附力強(qiáng)真空吸附單吸盤吸附吸盤的泄露量一旦超過極限，本體將失去吸附能力允許有一定的泄露量，允許壁面有凹凸多吸盤吸附對壁面要求高，壁面有凹凸或裂縫時(shí)將會有泄露吸盤尺寸小，機(jī)器人更加靈活推力吸附風(fēng)機(jī)噪聲大啊，機(jī)器人重量大，體積大對壁面適應(yīng)性強(qiáng)，不存在泄露問題圖1.1是清華大學(xué)采用電磁體吸附方式研制的用于儲罐表面檢測的磁吸附機(jī)器人TH-Climber-I[5]，行走方式為履帶驅(qū)動機(jī)器人在儲罐表面行走檢測。實(shí)驗(yàn)表明，它具有較高的運(yùn)動速率、具有很好穩(wěn)定性和定位精度，其運(yùn)動速率最大可達(dá)8m/min，可以跨越10mm以上的焊縫和表面凸起障礙，角度誤差也可控制在0.2度以內(nèi)。圖1.2為加拿大戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué)研制的壁面移動機(jī)器人[6]，它的吸附裝置使用永磁體吸附履帶。使用永磁體方式使機(jī)器人吸附于儲罐表面，然后電機(jī)驅(qū)動履帶帶動機(jī)器人在儲罐表面移動檢測。圖1.1清華大學(xué)磁吸附圖1.2戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué)的機(jī)器人TH-Climber-I永磁體吸附履帶壁面移動機(jī)器人[7]圖1.3是年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的CLR-II型壁面清洗壁面移動機(jī)器人[8]，它的吸附機(jī)構(gòu)采用的就是單吸盤真空吸附，清洗裝置懸掛于機(jī)器人下方。機(jī)器人有效載荷為5kg，爬行速率最快為10m/min，每次爬行高度是最高100m，操控方式是有線遙控及PLC線路控制，行走方式采用雙輪式無級調(diào)速，機(jī)器自身攜帶有高壓水槍、旋轉(zhuǎn)刷從而在清洗作業(yè)時(shí)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主清洗作業(yè)。由于它是專為建筑物外表面瓷磚壁面的清洗而設(shè)計(jì)制造的,所以目前已有成品并投入生產(chǎn)應(yīng)用。圖1.4是在1990-1993日本東京工業(yè)大學(xué)間研究設(shè)計(jì)的NINJA[9]，第一代型號為NINJIA-I,自1994年開始，NINJA-II在NINJIA-I的基礎(chǔ)上不斷的改善升級，可用于高樓壁面的檢查等。NINJIA-I和NINJA-II的主要技術(shù)參考是相同，吸附裝置也都采用的多吸盤真空吸附。圖1.3哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的CLR-II圖1.4日本東京工業(yè)大學(xué)研制的NINJIA1990年西亮教授研制的爬壁機(jī)器人的吸附裝置采用的是推力吸附，如圖1.5為理論設(shè)計(jì)圖。在吸附原理上它借鑒直升機(jī)原理，使用螺旋槳產(chǎn)生的高速氣流推動機(jī)器人在墻壁表面移動的同時(shí)貼合墻壁表面。螺旋槳的軸線與壁面大約成200°夾角，如此高速氣流產(chǎn)生的推力在水平方向始終有分力指向壁面，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的吸附吸附在建筑表面上：在豎直方向也有向上的分力，使機(jī)器人可以緊貼壁面移動，且使機(jī)器人具有一定的越障能力。掌舵機(jī)構(gòu)控制機(jī)器人的移動方向和傾斜角度，由于使用柴油機(jī)，所以不需要帶電源線，使用起來很方便。圖1.6為實(shí)物圖。圖1.5螺旋槳式推力吸附壁面圖1.6螺旋槳式推力吸附壁面移動機(jī)器人理論設(shè)計(jì)圖移動機(jī)器人實(shí)物圖1.4本文研究的內(nèi)容和方法目前已有幾種真空吸附清洗機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動爬行、供水和擦洗的功能，但它們幾乎都存在三個(gè)共同的問題：①水、電、氣分路控制：供水清洗、爬行驅(qū)動和真空吸附三個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，需要水泵來供給清洗用水，需要?dú)獗脕韺?shí)現(xiàn)抽真空吸附，需要活塞缸或電動機(jī)來驅(qū)動機(jī)器人爬行，增加了機(jī)器人的附屬設(shè)施和制造成本；②直行與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動分別驅(qū)動：采用兩套機(jī)構(gòu)來分別驅(qū)動機(jī)器人的直行和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，驅(qū)動裝置復(fù)雜、笨重，需要外接驅(qū)動電源，降低了可靠性和安全性；③接觸式清洗：采用擦布和滾刷組成的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)直接磨擦玻璃進(jìn)行清洗，這種方式容易擦傷高檔玻璃的表面保護(hù)層，還需要清潔劑，污染環(huán)境，更主要的是擦拭所需的下壓力正好與機(jī)器人的吸附力方向相反，很難保證機(jī)器人穩(wěn)定吸附的同時(shí)又有足夠的擦拭壓力。

針對這些問題，我們設(shè)計(jì)了一種水射流抽氣式清洗機(jī)器人，其創(chuàng)新性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：①新原理：利用水射流原理，以水為唯一的動力源實(shí)現(xiàn)了吸附、爬行和清洗三種功能，系統(tǒng)更緊湊、輕巧；②新結(jié)構(gòu)：采用兩個(gè)活塞缸實(shí)現(xiàn)了直行和轉(zhuǎn)彎兩個(gè)運(yùn)動，機(jī)構(gòu)更簡單、可靠；③新理念：采用超聲波非接觸式去污，既無壓力、又不加洗滌劑，體現(xiàn)了簡潔、環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。與以往的真空吸附清洗機(jī)器人相比，本作品的技術(shù)創(chuàng)新性與成本優(yōu)勢明顯，市場競爭力更強(qiáng)。2總體方案設(shè)計(jì)2.1工作原理水射流抽氣式清洗機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖1中實(shí)線箭頭表示水流方向,水流從進(jìn)水口流入,在水射流抽氣元件進(jìn)水口處把水流分成兩股:一股通入到水射流抽氣元件用于產(chǎn)生負(fù)壓,為真空吸盤抽氣,抽氣過程中氣體流向如虛箭頭所示,真空吸盤中的空氣流經(jīng)電磁閥進(jìn)入到水射流抽氣元件的抽氣口,當(dāng)電磁閥開啟,氣路接通,真空吸盤抽氣吸附;當(dāng)電磁閥關(guān)閉,氣路切斷,真空吸盤放氣松開。另一股水流通入到水壓驅(qū)動機(jī)構(gòu),水壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)與真空吸盤相連接,水壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)的動作與真空吸盤的吸、放動作相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器人在清洗壁面上行走。通入到水射流抽氣元件用于產(chǎn)生負(fù)壓的水流與通入到水壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動清洗機(jī)器人的水流,在完成各自功能后又在水射流抽氣元件出水口處被并成一股一起流入清洗機(jī)構(gòu),為壁面清洗提供用水。水射流式清洗機(jī)器人，巧妙地把供水，供能，抽氣整合為一體。利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)射器時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓來控制吸盤，機(jī)器人可以抽真空吸附在玻璃上。這樣就不像現(xiàn)已有的機(jī)器人那樣，需要帶上一個(gè)大大的氣泵。再利用水流經(jīng)射流發(fā)射器產(chǎn)生的被壓來推動活塞桿，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行驅(qū)動。為此，我們在結(jié)構(gòu)上采用了2組帶活塞桿吸盤互相運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的一直往前爬行運(yùn)動，而避免只有一個(gè)活塞吸盤能實(shí)現(xiàn)的往復(fù)運(yùn)動。在再整體結(jié)構(gòu)上帶上2個(gè)拖把，隨著機(jī)器人的移動而移動來擦洗玻璃。結(jié)構(gòu)如圖1這種結(jié)構(gòu)的該機(jī)器人，總體來說，具有如下特點(diǎn)：①本作品的主要特點(diǎn)是以水流作為唯一的外部動力源實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器人的吸附、爬行、清洗三大功能，水既是清洗劑，又是吸附和爬行的動力源。與現(xiàn)有的清洗機(jī)器人相比，本作品扔掉了氣泵、電動機(jī)和復(fù)雜的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，且無需外接動力電源，其結(jié)構(gòu)更簡單，體量更輕便，運(yùn)行更安全，是一種只需接上自來水就能自動清洗玻璃的新型環(huán)保機(jī)器人。

②本作品利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)生器時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的抽真空吸附，區(qū)別于以往采用專門氣泵來抽真空吸附的清洗機(jī)器人；

③本作品利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)生器時(shí)產(chǎn)生背壓來推動活塞桿，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行驅(qū)動，區(qū)別于以往采用專門的電動機(jī)動力源來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的清洗機(jī)器人；

④本作品利用兩組活塞驅(qū)動和吸盤的交叉控制來實(shí)現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎兩種運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的二自由度爬行驅(qū)動；

⑤本作品利用刷子和滾筒直接擦拭玻璃。圖1外形圖2.2外形尺寸選擇因吸盤帶有活塞桿，我們把吸盤設(shè)計(jì)成盤狀，可以直接采購相應(yīng)的型號吸盤，為減輕整體重量，盡量把它設(shè)計(jì)簡單，輕巧，受力面積相對厚度盡量大，使負(fù)壓大，重量輕，保證機(jī)器人牢牢吸附在玻璃上。則所選尺寸如下：R=25mm高H=40mm，壁厚h=10mm；設(shè)計(jì)行程為s=50mm其它尺寸選擇：活塞厚d=30mm，桿截面取矩形，長l=30mm，寬b=15mm兩個(gè)拖把直接連接在吸盤的外壁上，體積與整體結(jié)構(gòu)相配合，重量輕。3吸附機(jī)構(gòu)3.1吸附方式3.1.1吸附方式選擇爬壁機(jī)器人最主要的一個(gè)特點(diǎn)是機(jī)器人可以克服重力作用，在一點(diǎn)傾斜度，垂直或倒立的壁面上具有靜止及移動的能力。目前爬壁機(jī)器人吸附方式主要包裹磁吸附，負(fù)壓吸附，螺旋槳推壓等，今年來又出來現(xiàn)了膠吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蝸牛的濕吸附，類攀巖抓持吸附，該類吸附方式只適合在導(dǎo)磁面上吸附；低真空度負(fù)壓吸附采用風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)將負(fù)壓腔內(nèi)的空氣抽出產(chǎn)生負(fù)壓來吸附，具有一定的壁面適應(yīng)能力，但存在噪音大，體積大的缺點(diǎn)；高真空度負(fù)壓吸附方式則由真空泵在真空吸盤內(nèi)產(chǎn)生一定得真空度，其具有噪音小，易于小型化集成的優(yōu)點(diǎn)，但對壁面的光潔度及透氣性有較高的要求；螺旋槳推壓靠合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力將機(jī)器人貼附在壁面上，但也存在噪音大的缺點(diǎn)。由于負(fù)壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負(fù)壓真空吸附的爬壁機(jī)器人具有壁面適應(yīng)能力強(qiáng)和運(yùn)動速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此目前負(fù)壓吸附在爬壁機(jī)器人中得到廣泛的應(yīng)用。真空泵式要帶一個(gè)大大的氣泵，且設(shè)計(jì)要求需要清潔水擦玻璃，固采用水射流式抽氣吸附。這種方案前面已經(jīng)提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盤里后，經(jīng)射流器力射流泵提供的動力，再把水經(jīng)噴頭往外噴，把里面的空氣帶走，噴完后，吸盤內(nèi)外形成負(fù)壓，把吸盤吸住。水主要是往掃把中心噴，避免水噴在吸盤的路徑上影響機(jī)器人的吸附和運(yùn)動，而且，機(jī)器人的拖把也固定在中心，噴完水后，水正好配合運(yùn)動過程中的擦洗功能。3.1.2吸盤結(jié)構(gòu)簡圖由于吸盤也是機(jī)器人運(yùn)動時(shí)類是于液壓缸機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：它是圓形形吸盤，工作時(shí)最多只有一半用來射流噴水產(chǎn)生吸附，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附功能。圖2吸盤結(jié)構(gòu)簡圖3.1.3機(jī)器人控制原理圖機(jī)器人的吸附與運(yùn)動機(jī)構(gòu)都要水的參與，工作過程如下：1：2YA通電，工作腔1沖水，滿后，2YA斷電，與此同時(shí)，1腔里的水經(jīng)射流發(fā)射器噴出，帶走里面的空氣，形成負(fù)壓，使得吸盤A吸附在玻璃上。2：此時(shí)，4YA通電，3腔進(jìn)水，滿后，1YA通電，使2腔進(jìn)水，推動活塞桿a向前移動，拉動吸盤B往前移動，活塞至中間位置后，壓下行程開關(guān)。3：此時(shí)，1YA，4YA斷電，3腔再次水滿，3腔水經(jīng)水射流發(fā)射器噴水，產(chǎn)生負(fù)壓，吸住吸盤B.4：此時(shí)，2YA通電，1腔進(jìn)滿水后，3YA通電，使4腔進(jìn)水，推動活塞桿b前進(jìn)，使其推動吸盤A前進(jìn)，活塞桿至中間位置后壓下行程開關(guān)，2YA，3YA斷電，此時(shí)1再次充滿水，再射流，如此循環(huán)下去，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行運(yùn)動。圖3機(jī)器人控制原理圖直線運(yùn)動簡圖3.2吸附力分析3.2.1材料選擇要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附和運(yùn)動，在吸附力面積有限，而又有水的自身重力的情況下，保證機(jī)器人不掉下了，就必須要求材料輕。而要保證來自水的驅(qū)動而不變形或破裂，就要求這種材料滿足機(jī)器人所必須的強(qiáng)度和硬度。因此，選擇一種工程塑料來作為機(jī)器人的整體材料。今選擇聚酰胺PA（又稱尼龍或綿綸），根據(jù)機(jī)械工程材料表9-2，選擇PA-66,它的抗拉強(qiáng)度為57~83MP，抗壓強(qiáng)度為90~120MP，抗彎強(qiáng)度為60~110MP，密度為1.14~1.15。這種材料可用于汽車，機(jī)械等零部件。3.2.2吸附力計(jì)算要保證機(jī)器人不沿壁下滑，則FminG（G=G+G)要保證機(jī)器人不會掉下，就必須在最小的吸附力作用下時(shí)，機(jī)器人還不會掉下，因此：當(dāng)Amin=0.05×0.08=0.004mFmin=Pc×0.004假設(shè)Pc=P0時(shí)，即腔里完全真空。Fmin=Pc×0.004=P0×0.004=400N=0.2，F(xiàn)min=400×0.2=80N此時(shí)，G=gv=3×1.0×10×0.05×0.08×0.03=0.36N3.2.3系統(tǒng)抗傾覆計(jì)算機(jī)器人結(jié)構(gòu)材料的密度小，整體體積不是很大，所以重量小，加上水后所產(chǎn)生的總重力也遠(yuǎn)小于摩擦力。該機(jī)器人，不僅要求在結(jié)構(gòu)上采用盡量簡單的結(jié)構(gòu)來減輕機(jī)器人的本體量，同時(shí)機(jī)器人還有一個(gè)重要的基本功能就是運(yùn)動。因此怎樣保證機(jī)器人的運(yùn)動過程中的動態(tài)負(fù)載能力和平衡，這對于機(jī)器人本體的安全運(yùn)行非常的重要。機(jī)器人在壁面上移動時(shí),都是通過兩個(gè)類是活塞缸的洗盤提供的吸力來維持機(jī)器人在壁面移動時(shí)力的平衡。結(jié)合這一簡單結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，機(jī)器人在運(yùn)動時(shí)，其力的示意圖如圖4所示:其中F代表機(jī)器人在壁面行走時(shí)由一個(gè)吸盤提供的最小吸力，G代表機(jī)器人的本體重力，N代表位于壁面下端的一個(gè)吸盤在移動過程中墻壁對它的支持力。由圖4知，系統(tǒng)最容易以A點(diǎn)為中心發(fā)生傾覆，因此，以A點(diǎn)為中心，建立系統(tǒng)的力矩方程，使機(jī)器人能穩(wěn)定可靠的在壁面上行走和工作，就必須滿足式3的要求:（1）式中:為真空吸盤產(chǎn)生的力矩，為系統(tǒng)重力力矩。圖4由式1知，為了使機(jī)器人能在玻璃壁面可靠吸附、安全作業(yè)，就應(yīng)該增加吸盤的吸力，同時(shí)增加其力臂Ll。另外，在減輕機(jī)器人本體重量的同時(shí)，應(yīng)該減小其作用力臂L2。這也是我們進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時(shí)所遵循的一個(gè)重要原則。而本設(shè)計(jì)的機(jī)器人由于吸附力F大于重力G很多，且L1>L2,機(jī)器人有很好的抗顛覆能力，保證機(jī)器人不會因?yàn)榉D(zhuǎn)而掉下。3.3其他機(jī)構(gòu)的選擇3.3.1射流器選擇由于機(jī)器人采用水射流式吸附方式，故必須選用射流器噴水，把吸盤里的空氣帶走，產(chǎn)生負(fù)壓，使機(jī)器人緊靠在玻璃上。由于1秒的時(shí)間里要把吸盤里的水噴完。它的主要部分是由帶噴頭的射流泵組成，外形有兩出水口，經(jīng)這兩出水口，使射流出的水往兩邊流，用于擦洗玻璃。如圖3所示,水射流抽氣元件由噴嘴和文丘里管兩部分組成。水流通過水射流抽氣元件時(shí),水射流抽氣元件內(nèi)部噴嘴相當(dāng)于一個(gè)節(jié)流口,根據(jù)流體力學(xué)原理,由于噴嘴的節(jié)流作用,水射流抽氣元件進(jìn)水口處液體壓力升高,在該處將高壓水流引入水壓驅(qū)動機(jī)構(gòu),可以為清洗機(jī)器人在清洗壁面行走提供動力。根據(jù)水壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)活塞缸的輸入壓力,按小孔流量方程可知水射流抽氣原件的流量圖3水射流抽氣元件其中q———水射流抽氣原件的流量Cd———流量系數(shù)A0———噴嘴口橫截面面積Δp———水射流抽氣原件進(jìn)水口壓力ρ水———水的密度d———噴嘴直徑根據(jù)公式(2)計(jì)算得到的活塞缸的輸入壓力為p=3.0×105Pa,令Δp=p=3.0×105Pa,取Cd=0.61,A0=0.353×106,ρ水=1000kg/m3,可計(jì)算出水射流抽氣原件所需流量為q=0.32L/min。此外,水射流在文丘里管縮口處產(chǎn)生負(fù)壓,利用該負(fù)壓通過水射流抽氣元件抽氣口為清洗機(jī)器人的真空吸盤抽氣,實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器人在所清洗壁面的吸附。令通過收縮口處的水射流速度流速為v,則根據(jù)流體力學(xué)中的文丘里原理,抽氣口處的負(fù)壓與水射流速流速的關(guān)系如下:(5)其中v為通過收縮口處的水射流速度。v可由公式(4)計(jì)算出的流量折算得到:按水射流抽氣原件所需流量為q=0.32L/min,收縮口直徑d=0.45mm,計(jì)算出收縮口處的水射流速度為v=14m/s,進(jìn)一步計(jì)算得到水射流效應(yīng)在抽氣口產(chǎn)生的負(fù)壓pv=0.98×105Pa,將該負(fù)壓連接到真空吸盤上,可保證吸盤具有足夠的真空度。3.3.2水泵和水管的選擇設(shè)定推動活塞桿的速度是u=5mm/s它所需流量Q=0.005X0.08X0.03=0.000012m/s=0.72升/分兩管同時(shí)進(jìn)水時(shí)流量Q=2X7.2=1.44升/分今選用水泵參數(shù)如下表所示：型號最大流量最高揚(yáng)程進(jìn)出口內(nèi)徑工作電流A工作電壓V最大輸出壓力ASP55262.6L/min55米進(jìn)6出10<=2.2120.55MP由于元件有6mm和8mm的通徑或者內(nèi)徑。選用內(nèi)徑為6mm外徑為8mm的硅膠水管及其內(nèi)徑為8mm外徑為10mm的硅膠水管。3.3.3密封機(jī)構(gòu)由于玻璃平面有一定程度的凸凹不平，機(jī)器人在移動過程中就必須實(shí)現(xiàn)吸盤的可靠性密封，這就要求密閉機(jī)構(gòu)要有一定的防泄漏能力，為此，設(shè)計(jì)一種密閉結(jié)構(gòu)安裝在矩形吸盤的四周，它由鋁片和橡膠片組成。如圖6圖6密封裝置簡圖不但吸盤與玻璃壁之間要有密封機(jī)構(gòu)，活塞與吸盤之間也要有密封，選用型密封圈，因?yàn)樗哂辛己玫拿芊庑阅埽透邏?，壽命長，通過調(diào)節(jié)壓緊力，可獲得最佳的密封效果。主要用與活塞桿的往復(fù)運(yùn)動密封。

4水壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)分析4.1.1驅(qū)動方式80年代以來，自動化、省力化的主要方式有：機(jī)械方式、電氣方式、電子方式、液壓方式和氣動方式等。這些方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及其最適合的使用范圍。實(shí)際應(yīng)用中必須對各種技術(shù)進(jìn)行比較，揚(yáng)長避短，選出最適合的方式或幾種方式的恰當(dāng)組合，以使系統(tǒng)更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更安全、更簡單。表1各種傳動與控制方式的比較機(jī)械方式電氣方式電子方式液壓方式氣動方式驅(qū)動力不太大不太大小大稍大驅(qū)動速度小大大小大受負(fù)載影響幾乎沒有幾乎沒有幾乎沒有較小大維護(hù)簡單有技術(shù)要求技術(shù)要求高簡單簡單遠(yuǎn)程操作難很好很好較良好良好綜合表1的比較，且由于機(jī)械驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量重，與前面吸附方式不合適，所以排除。吸附機(jī)構(gòu)沒用氣缸，所以驅(qū)動方式也不采用。為了與前面的水射流式吸附方式匹配，我們用液壓方式驅(qū)動，只是把所用的油改成水。這種特殊的驅(qū)動方式結(jié)合了液壓驅(qū)動原理和水的功能，使水既是清洗劑，又是動力源。水壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)的原理如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)爬行、轉(zhuǎn)彎兩種運(yùn)動。爬行運(yùn)動:在爬行過程中,對角2個(gè)吸盤A、B吸緊玻璃固定,吸盤C、D松開,連桿CD在力F的作用下向上下平移,從而實(shí)現(xiàn)一步向上爬行。同理,在下一步,對角2個(gè)吸盤C、D吸緊玻璃固定,吸盤A、B松開,連桿1在活塞推力的作用下向上下平移,從而帶動連桿AB向上下擺動。如此往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)爬行功能。轉(zhuǎn)彎運(yùn)動:在轉(zhuǎn)彎過程中,對角2個(gè)吸盤A、B吸緊玻璃固定,吸盤C、D松開,連桿CD在力F的作用下向左右平移,從而實(shí)現(xiàn)一步向左右爬行。在下一步,對角2個(gè)吸盤C、D吸緊玻璃固定,吸盤A、B松開,連桿1在活塞推力的作用下向上下平移,從而帶動連桿AB向上下擺動。如此往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)爬行功能。兩個(gè)動作交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。4.2驅(qū)動力分析要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附和運(yùn)動，在吸附力面積有限，而又有水的自身重力的情況下，保證機(jī)器人不掉下了和能夠驅(qū)動它，就必須要求材料輕。而要保證來自水的驅(qū)動而不變形或破裂，就要求這種材料滿足機(jī)器人所必須的強(qiáng)度和硬度。因此，選擇一種工程塑料來作為機(jī)器人的整體材料。今選擇聚酰胺PA（又稱尼龍或錦綸），根據(jù)機(jī)械工程材料表9-2，選擇PA-66，它的抗拉強(qiáng)度為57——83MP，抗壓強(qiáng)度為90——120MP，抗彎強(qiáng)度為60——110MP，密度為1.14——1.15g.cm-3.這種材料可用于汽車，機(jī)械等零部件。設(shè)定推動活塞桿的速度是u=5mm/s它所需流量Q=0.005*0.08*0.03=0.000012m3/s=0.72升/分兩管同時(shí)進(jìn)水時(shí)流量Q=2*0.72=1.44升/分今選用水泵參數(shù)如表3所示：表3型號最大流量L/min最高揚(yáng)程M進(jìn)出口內(nèi)徑mm工作電流A工作電壓V最大輸出壓力ASP55262.655進(jìn)

Φ6出Φ10≤2.2120.55MP要驅(qū)動機(jī)器人，所需要的驅(qū)動力必須要克服總重力加摩擦力即F驅(qū)≥G總+F摩其中G總=G水+G殼+G其它因推動活塞運(yùn)動時(shí)，另一個(gè)吸盤已經(jīng)失效，所以要牽引運(yùn)動的吸盤的吸附力不大，摩擦力也就不大。此時(shí)，G估計(jì)外殼質(zhì)量每千克螺栓質(zhì)量為46kg，則7個(gè)為322g由于射流器選用小型的，質(zhì)量小，估計(jì)1000g。則m總=800+322+1000=2122gG總=2.122×10+0.24=21.46N由于需要克服的總重力和摩擦力不大，用液壓方式的水來驅(qū)動遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。由于元件有6mm和8mm的通徑或者內(nèi)徑。選用內(nèi)徑為6mm外徑為8mm的硅膠水管及其內(nèi)徑為8mm外徑為10mm的硅膠水管。

4總結(jié)目前高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，而國外已經(jīng)開始投入具體實(shí)際應(yīng)用。我國在這方面的研究大多只是應(yīng)用在試驗(yàn)室階段，并沒有具體作為產(chǎn)品推廣。如我們平時(shí)所看到的新聞也只是介紹有一款機(jī)器人可以用來擦玻璃，但它還是處于試驗(yàn)運(yùn)行階段，并沒廣泛推廣，而國內(nèi)目前絕大多數(shù)高層建筑仍采用吊籃+人工完成清洗工作，。因此，國內(nèi)清洗機(jī)器人有十分廣闊的應(yīng)用前景，盡快研制出一種能真正投入實(shí)際應(yīng)用的清洗機(jī)器人就顯得十分必要。本文針對國內(nèi)高樓玻璃幕墻的清洗現(xiàn)狀，結(jié)合高樓玻璃幕墻清洗作業(yè)的具體工作環(huán)境，開發(fā)設(shè)計(jì)出了一種專用于高樓玻璃幕墻清洗的水射流式清洗機(jī)器人，該清洗機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)新穎、安全可靠、重量輕、效率高的特點(diǎn)。本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作并得出了結(jié)論:1，設(shè)計(jì)出了一個(gè)完整的水射流式清洗機(jī)器