王會(huì) 張倩倩

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種能在玻璃上吸附行走的單片機(jī)控制、自主移動(dòng)的清洗機(jī)，簡單介紹了清洗機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，闡述了清洗機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。結(jié)果表明，該清洗機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、便于攜帶以及清洗效果好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：清洗機(jī);機(jī)械結(jié)構(gòu);移動(dòng)結(jié)構(gòu);吸附結(jié)構(gòu);驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）02-0092-02

Design of Tall Building Glass Cleaner

Abstract： In this paper， a single chip microcomputer controlling and autonomous moving cleaning machine was designed which could be used to absorb and walk on glass. The research status of cleaning machine at home and abroad was briefly introduced， and the mechanical structure part of cleaning machine was designed . The cleaning machine has the characteristics of simple structure， easy to control， easy to carry and good cleaning effect.

Keywords： cleaning machine;mechanical structure;mobile structure;adsorption structure;drive system

目前，各個(gè)城市都在為創(chuàng)建衛(wèi)生城市而努力，高層建筑已成為城市面貌的主要部分。如何快速干凈地打掃高層建筑的玻璃，降低清潔工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人工操作的安全事故，是機(jī)械工作者需要重點(diǎn)關(guān)注的研究課題。本設(shè)計(jì)采用的動(dòng)力供給裝置是在機(jī)器的頂部覆蓋太陽能電池板，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能并儲(chǔ)存在鋰電池內(nèi)，為清洗機(jī)工作提供動(dòng)力。此外，清洗機(jī)有外部接口，連續(xù)陰天時(shí)可通過外部電源充電。

1 清洗機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

清洗機(jī)的整體形狀為圓盤形，運(yùn)動(dòng)裝置和吸附裝置是模仿壁虎爬行動(dòng)作設(shè)計(jì)的。壁虎一條腿的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作在一個(gè)周期內(nèi)可分解為支撐階段和擺動(dòng)階段。當(dāng)一條前腿和對側(cè)的后腿處在支撐階段時(shí)，另一對前后腿處在擺動(dòng)階段，往復(fù)一次，完成一個(gè)邁步動(dòng)作。清洗機(jī)采用4個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模仿壁虎的腿，采用強(qiáng)力吸盤模仿壁虎的爪子。強(qiáng)力吸盤采用三吸盤結(jié)構(gòu)形式，以增大吸附力，避免壁面凸凹不平時(shí)，單個(gè)吸盤出現(xiàn)漏氣導(dǎo)致的吸盤吸附力下降和整體承載能力降低，從而提高吸附結(jié)構(gòu)的可靠性。底部的可拆裝細(xì)毛刷、抹布及垃圾收集裝置，會(huì)在清洗機(jī)行走過程中擦拭玻璃上的灰塵和雜質(zhì)，達(dá)到清洗的目的。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

清洗機(jī)的整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。太陽能電池板可將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，為清洗機(jī)提供動(dòng)力。底板上面的右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)V帶傳動(dòng)，并帶動(dòng)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)將垂直面的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗矫娴闹饼X圓柱齒輪傳動(dòng)，然后通過與齒輪同軸的曲柄和連桿驅(qū)動(dòng)右前側(cè)吸盤向前運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過與齒輪同軸的同步帶輪和同步帶將動(dòng)力傳遞給左后側(cè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的吸盤，使其向后運(yùn)動(dòng)。左側(cè)電機(jī)傳遞給直齒圓柱齒輪的轉(zhuǎn)速方向與右側(cè)齒輪相反，因此左前側(cè)吸盤、右后側(cè)吸盤的運(yùn)動(dòng)方向與吸盤、吸盤方向反向。當(dāng)左前側(cè)吸盤和右后側(cè)吸盤處于支撐階段時(shí)，另一對前后吸盤處于擺動(dòng)階段，往復(fù)一次，完成一個(gè)邁步動(dòng)作。底板下面的結(jié)構(gòu)包括可拆裝細(xì)毛刷、抹布及垃圾收集裝置，可在清洗機(jī)行走過程中擦拭玻璃灰塵。

1.3 總體設(shè)計(jì)要求

1.3.1 外觀設(shè)計(jì)。由于人們對機(jī)器外觀的要求越來越高，本機(jī)器在完成預(yù)想功能的前提下，將設(shè)計(jì)時(shí)尚、美觀的外形，以吸引消費(fèi)者眼球[1]。

注：1.太陽能電池板;2.左前側(cè)吸盤;3右前側(cè)吸盤;4.左后側(cè)吸盤;5.右后側(cè)吸盤;6.電機(jī);7.V帶傳動(dòng);8.錐齒輪傳動(dòng);9.直齒齒輪傳動(dòng);10.曲柄;11.連桿;12.同步帶輪;13.同步帶;14.毛刷;15.驅(qū)動(dòng)輪;16.垃圾收集裝置;17.抹布裝置。

1.3.2 材料選擇。由于清洗機(jī)需在玻璃上工作，所選材料必須滿足高強(qiáng)度、低質(zhì)量的要求。本設(shè)計(jì)考慮材料的許用應(yīng)力，保證選擇的材料達(dá)到預(yù)定的安全系數(shù)。因此，材料選用硬質(zhì)塑料。

1.3.3 經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)。本機(jī)器進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足預(yù)想功能的前提下，使機(jī)構(gòu)最簡潔、用料最省，以減少成本、節(jié)約能量。

2 清洗機(jī)清洗機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)清洗機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況和工作狀況，采用可調(diào)速電機(jī)型號(hào)TE 2-90L-6，功率為1.5kW，轉(zhuǎn)速為940r/min，電機(jī)主軸軸徑為24mm，底座孔距為140mm×125mm，中心高值為90mm。

2.1 清潔機(jī)爬行裝置的設(shè)計(jì)

壁虎不但能在光滑的墻壁上行動(dòng)自如，還能在天花板上運(yùn)動(dòng)，其強(qiáng)大吸盤具有重要作用。在一個(gè)周期內(nèi)，壁虎的一個(gè)腳抬起，另一只腳支撐，此周期性運(yùn)動(dòng)達(dá)到了預(yù)定的運(yùn)動(dòng)效果。因此，太陽能機(jī)器運(yùn)動(dòng)方式采用仿生學(xué)壁虎運(yùn)動(dòng)方式，其中吸盤是太陽能清潔機(jī)器的重要組成部分，可使其貼于墻壁和玻璃行走，達(dá)到清潔的目的。

2.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2個(gè)電機(jī)通過V帶傳動(dòng)，帶動(dòng)直齒圓錐齒輪和直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，分別將方向相反的動(dòng)力傳遞給前面2個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄，然后通過同步帶傳動(dòng)，分別將動(dòng)力傳遞給后面2個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄，最后4個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)通過連桿帶動(dòng)4個(gè)滑塊即強(qiáng)力吸盤模仿壁虎的爬行動(dòng)作?；瑝K的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)一致，所以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)無急回特性，應(yīng)設(shè)計(jì)為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。當(dāng)曲柄和連桿2次共線時(shí)，滑塊處于2個(gè)極限位置，二者之間的距離即行程H為2倍的曲柄長。又因?yàn)榍瑝K的行程是每次的步伐距離，可得行程[H=200mm]，曲柄長[R=100mm]?？紤]其他輔助條件，設(shè)[K=LR]，一般[K=2～5]，此處[K=3]，可確定連桿長[L=300mm]。

3 清洗機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)太陽能清潔機(jī)器的整體機(jī)構(gòu)，太陽能電池板的外形設(shè)計(jì)為鍋蓋形，其接收太陽光照的能力增加35%，給清洗機(jī)提供了足夠的動(dòng)力[2]。

清洗機(jī)的控制系統(tǒng)是提高機(jī)器系統(tǒng)整體可靠性和實(shí)用性的關(guān)鍵，主要任務(wù)是通過控制盒完成自動(dòng)作業(yè)和手動(dòng)操作?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)要求應(yīng)滿足系統(tǒng)可靠、結(jié)構(gòu)簡單輕便及便于維護(hù)?？刂葡到y(tǒng)硬件選用AT89S52單片機(jī)、擴(kuò)展的MAX485通信芯片、看門狗電路、脈沖速度檢測電路、收發(fā)緩沖器、按鍵中斷輸入及光耦隔離。為提高清洗機(jī)的自動(dòng)化程度，在控制系統(tǒng)硬件部分增加了傳感器，用于分辨墻面的材料，從而遠(yuǎn)程控制清洗機(jī)的運(yùn)動(dòng)。這里選用德國TURCK公司生產(chǎn)的超聲波傳感器，其特點(diǎn)是有效作用距離大，與被測物的顏色和所在環(huán)境無關(guān)，并具有開關(guān)量和模擬量兩種輸出，有利于控制。

4 結(jié)語

本文對清洗機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，所提設(shè)計(jì)能降低勞動(dòng)者的工作強(qiáng)度和難度，適用于高層建筑的玻璃清洗。同時(shí)，清洗機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶，清洗效果好，市場推廣空間較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐建祥.高樓壁面清洗機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2017.

[2]于今，劉雪飛.一種新型爬壁機(jī)器人研究[J].液壓與氣動(dòng)，2010（10）：52-59.