徐東 楊鳴凱 齊文 陳戈 西南交通大學(xué)

豎直玻璃幕墻清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)

徐東 楊鳴凱 齊文 陳戈 西南交通大學(xué)

本文介紹了一種多吸盤組交替吸附工作、本體框架式移動(dòng)并附帶高效清洗裝置的壁面清潔機(jī)器人系統(tǒng)，具體闡述了各組成部分的結(jié)構(gòu)和工作原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)爬壁清洗機(jī)器人在玻璃壁面上的行走適應(yīng)情況以及壁面清洗效果進(jìn)行了探究。該爬壁清洗機(jī)器人具有體積小、重量輕、控制方便、清洗效果好等優(yōu)點(diǎn)，有較強(qiáng)的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

真空吸附;爬壁機(jī)器人;清洗

引言

目前玻璃幕墻作為高樓外防護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象越來(lái)越普遍，為了保證玻璃外觀的整潔美麗，就需要定期對(duì)玻璃表面進(jìn)行清洗，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(tái)或吊繩懸掛由人進(jìn)行玻璃幕墻的清洗，作業(yè)方式簡(jiǎn)單易行，但效率低且成本高，更重要的是高空環(huán)境條件惡劣易引發(fā)安全事故。隨著控制和機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，壁面清洗機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。利用壁面清洗機(jī)器人作業(yè)將大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，具有相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景。玻璃幕墻爬壁清洗機(jī)器人的研制成功，將會(huì)實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)的自動(dòng)化，給清洗業(yè)帶來(lái)一次新的革命。

1、機(jī)體總體方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高空自動(dòng)清洗作業(yè)，機(jī)器人首先必須具有在壁面上吸附和移動(dòng)功能，此外還應(yīng)該有相應(yīng)的清洗作業(yè)功能、控制功能、污水回收功能以及高壓氣體、水等的供應(yīng)功能。所以壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)包括機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、供應(yīng)保障系統(tǒng)四大部分。

1）機(jī)器人本體主要包括吸附和移動(dòng)兩大部分

吸附部分，通過(guò)空壓機(jī)產(chǎn)生高壓氣體，由真空發(fā)生器產(chǎn)生真空負(fù)壓，使機(jī)器人本體安全可靠地吸附在工作壁面上。

移動(dòng)部分，通過(guò)兩個(gè)雙作用氣缸的伸縮分別實(shí)現(xiàn)橫向與縱向的移動(dòng)。

2）控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過(guò)單片機(jī)控制機(jī)器人在壁面上的作業(yè)。它主要由電源、單片機(jī)、繼電器構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)遵循可靠、小型、輕量、便于維護(hù)的原則，直接安裝在機(jī)器人本體上。

3）清洗系統(tǒng)的主要任務(wù)是清洗壁面，同時(shí)還要做到廢水的回收。主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程是噴淋壁面、滾刷清洗、雨刷收集污水，然后污水通過(guò)回水管道回收，從而達(dá)到清洗壁面和廢水回收的目的。

4）供應(yīng)保障系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)氣、水等的供應(yīng)。主要由空壓機(jī)、水泵等組成。它們由專門的管路送至機(jī)器人本體，保證機(jī)器人正常作業(yè)。

在總結(jié)和借鑒國(guó)內(nèi)外各種壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)和清洗裝置的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種多吸盤組交替吸附工作、本體框架式移動(dòng)并附帶高效清洗裝置的壁面清潔機(jī)器人系統(tǒng)，并制作了實(shí)物。

爬壁清洗機(jī)器人整體設(shè)計(jì)參數(shù)：

機(jī)器人總長(zhǎng)為800mm，總寬為700mm，總高為230mm?？傊亓繛?8KG，行程175mm。

2 爬壁清洗機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 爬壁清洗機(jī)器人行走部分基本結(jié)構(gòu)及工作原理

機(jī)器人采用兩個(gè)伸縮氣缸呈十字形交叉型，分別固定到中間連接板，行走時(shí)進(jìn)行上下和左右移動(dòng)，該機(jī)器人利用四個(gè)吸盤組產(chǎn)生的吸力緊貼玻璃。機(jī)器人的尾部連接清洗裝置，清洗裝置由滾刷和雨刷組成，滾刷由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行清洗工作。雨刷安裝在清洗裝置底部的四周，使清洗裝置貼住玻璃時(shí)密閉不漏水，同時(shí)也有一定的清洗作用。

圖1 爬壁清洗機(jī)器人行走部分

爬壁清洗機(jī)器人行走工作原理

機(jī)器人的行走部分中氣缸a和氣缸b由中間連接板連接，使其構(gòu)成一個(gè)整體，完成十字交叉行走，吸盤組2和吸盤組3一起動(dòng)作，吸盤組1和吸盤組4一起動(dòng)作，分別連接在兩個(gè)氣缸的兩邊，每組吸盤由三個(gè)吸盤組成，每組吸盤均帶有雙作用氣缸，在機(jī)器人行走時(shí)使吸盤組抬起或落下，以達(dá)到緊貼玻璃或越障的功能。

機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸盤組2，3吸附，吸盤組1，4在起升氣缸作用下抬起，并觸碰到行程開關(guān)，使氣缸a收縮，從而帶動(dòng)中部連接板及氣缸b向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)氣缸a活塞桿觸碰到行程開關(guān)時(shí)，吸盤組1，4的起升氣缸伸出，同時(shí)觸碰到行程開關(guān)，開始延時(shí)，兩吸盤組吸附后緊貼在玻璃上，延時(shí)結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉吸盤2，3的供氣管，同時(shí)使吸盤2，3的起升氣缸抬起，并觸碰到行程開關(guān)，氣缸a伸出，帶動(dòng)中部連接板及氣缸b向上運(yùn)動(dòng)。此過(guò)程為機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期，向其余三個(gè)方向的行走原理同向上行走一樣。

2.2 爬壁清洗機(jī)器人清洗部分基本結(jié)構(gòu)及工作原理

帶清洗部分的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：

圖2

1.清洗部分與中間連接板的連接桿2.清洗部分連接板3.起升氣缸 4.清洗密封裝置 5.電機(jī)

爬壁清洗機(jī)器人清洗部分工作原理：

機(jī)器人清洗玻璃時(shí)，滾刷由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)以達(dá)到清洗玻璃的目的。清洗裝置內(nèi)連有噴水管和污水回收管，水泵啟動(dòng)，噴嘴向壁面噴水，清洗電機(jī)帶動(dòng)滾刷開始清洗壁面。當(dāng)前方遇到障礙物時(shí)，水泵停止供水，清洗裝置在雙作用氣缸的作用下抬起，以達(dá)到越障的功能。清洗密封裝置由角鋁制作成構(gòu)架，四周貼裝修用塑料板，密封裝置四周安裝雨刷。雙作用氣缸有兩個(gè)作用，第一，遇障時(shí)抬起清洗裝置，第二，清洗時(shí)使清洗裝置貼住玻璃并提供一定的預(yù)緊力，使雨刷緊貼玻璃壁面，防止清洗裝置漏水。

2.3 機(jī)器人控制模塊和檢測(cè)模塊

考慮到城市的玻璃墻面比較高，機(jī)器人采用無(wú)線遙控。有兩種控制模式，第一種是手動(dòng)模式，在該模式下，機(jī)器人每移動(dòng)一步都需要遙控器發(fā)出指令。第二種模式是自動(dòng)模式，在該模式下，操作者可以預(yù)先設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)器人可以在預(yù)先設(shè)定的軌跡上自動(dòng)清洗。同時(shí)，在上述任何一種模式下，為了防止意外，遙控器隨時(shí)可以控制機(jī)器人緊急停車。

為了幫助操作人員更好地確定玻璃墻面的清潔程度，機(jī)器人的頭部和尾部分別安裝了一個(gè)攝像頭，畫面可以通過(guò)無(wú)線模塊傳輸?shù)降孛娴娘@示器上顯示出來(lái)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及前景分析

根據(jù)爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路，我們首先運(yùn)用了軟件建立了機(jī)器人的三維模型，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果存在一定差異。最后在實(shí)驗(yàn)室按照1:1進(jìn)行了機(jī)器人的制作。完成制作后，對(duì)爬壁清洗機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，對(duì)機(jī)器人在玻璃壁面上的行走適應(yīng)情況和壁面清洗效果進(jìn)行了探究與驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)行進(jìn)速度、吸附力冗余量、單位時(shí)間內(nèi)清洗有效面積以及越障高度等進(jìn)行了測(cè)量與計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該爬壁清洗機(jī)器人在豎直玻璃壁面上行走穩(wěn)定，吸附力仍有較大冗余，清洗效果好，并具備一定的越障能力，對(duì)壁面具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

相信隨著人們對(duì)高空清洗研究的深入和機(jī)器人高空作業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，爬壁清洗機(jī)器人作為高空人工清洗作業(yè)的替代，必將具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的實(shí)用價(jià)值。

[1] 王巍，曹彤. 一種輕型玻璃幕墻清洗機(jī)器人模型的研究[B]. 液壓與氣動(dòng).2006；01：17-19

[2] 胡啟寶. 多吸盤式玻璃幕墻清洗機(jī)器人本體設(shè)計(jì). 上海交通大學(xué)碩士論文. 2007

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.108

徐東，男，1990-07-24，西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，研究方向：工程機(jī)械驅(qū)動(dòng)與控制。