李德源，陳馬鑫，李 川

(東莞理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，廣東 東莞 523000)

0 引 言

隨著城市化的腳步，高層建筑的數(shù)量和層數(shù)在迅速上升，外墻清潔的需求也隨之增加。目前的外墻清潔工作大多由清潔工人來完成，然而清潔高層建筑外墻對于工人而言是危險而繁重的工作；此外，對于保潔公司，雇傭清潔工人的成本也在不斷上升。可以說，自動化清潔機器人代替人工作業(yè)是必然趨勢[1]。

目前國內(nèi)外針對應(yīng)用于外墻清潔的爬墻機器人已有許多研究，在行進方式上有輪式、足式、履帶式等，吸附壁面的方式有真空吸附、負壓吸附、黏附等，部分機型已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的準確率和清潔效率，并且已有少量的樣機投入試驗性應(yīng)用。但是在外墻清潔機器人的市場化普及上，目前大部分方案依然受到造價、功耗、安全性等因素的制約[2]。

針對上述問題，筆者設(shè)計了一種外墻清潔小車，該小車利用螺旋槳產(chǎn)生負壓，吸附于墻面，并用底部的旋轉(zhuǎn)毛刷清潔墻面。相比于其他爬墻機器人，這種小車在較為高效地完成清潔工作的同時，也兼具結(jié)構(gòu)簡單、運營和維護成本低廉的優(yōu)點。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 外 殼

清潔小車的主要部分是一個空心六面體如圖1所示。底面和四個側(cè)面構(gòu)成小車的箱型底盤，箱內(nèi)安裝控制電路、電機等，箱底安裝清潔裝置和傳感器；頂蓋主要安裝負壓吸附裝置，并與底盤通過螺栓連接如圖2所示。小車前后各有一個自上而下貫穿的圓柱形通道(如圖3)，用以收束負壓裝置產(chǎn)生氣流。

圖2 結(jié)構(gòu)

圖3 氣流通道 圖4 部分表面透明化及注釋

高樓外墻清潔的工作環(huán)境十分惡劣，存在大量飛揚的灰塵和沙礫，以及不可預(yù)期的降雨天氣，這些因素會顯著加快電子元件等的損耗，甚至報廢[3]。針對以上問題，文中設(shè)計的清潔小車采用全封閉外殼，通過在底盤和頂蓋的連接縫隙以及各開孔處安裝軟膠墊片，能夠有效隔離外界環(huán)境和內(nèi)部，避免電子元件等收到外界環(huán)境干擾，延長使用壽命。

由于實驗室加工條件有限，為方便更改設(shè)計，試驗所用小車的箱型底盤由五塊亞克力板拼接而成，在實際使用中，底盤可整體由PVC材料注塑制作。

1.2 行進部分

根據(jù)查找到的文獻，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直壁面移動的行進方案主要有如下幾種：多關(guān)節(jié)足式(每個足有4個或以上自由度)、少關(guān)節(jié)足式(每個足有2～3個自由度)、輪式、履帶式等[4]?？紤]到盡可能減輕重量、降低功耗，采用四輪式底盤，作為清潔小車的行進部分。

車輪的輪胎采用軟橡膠材料，并帶有顆粒狀突起如圖5(a)，具有較大的摩擦因數(shù)，同時在移動過程中對外墻造成的損傷較小。經(jīng)測定，橡膠輪胎不同壁面材料的動摩擦因數(shù)μk大約為0.39～0.52，靜摩擦因數(shù)μs大約為0.71～0.92。

在完成壁面清潔作業(yè)的過程中，為確保清潔效果，小車的行進速率應(yīng)盡可能低，故選用如圖5(b)所示的減速電機來拖動車輪，該電機采用四級齒輪減速，減速比為1:64。

圖5 車輪材料入減速電機

1.3 負壓吸附裝置

清潔小車的負壓吸附裝置由無刷電機驅(qū)動的一對螺旋槳組成，螺旋槳旋轉(zhuǎn)切割氣流，產(chǎn)生向下(向小車底部)的推力Fn，即為小車與墻面之間的正壓力。由于車輪與墻面屬于滾動摩擦，一般不存在相對滑動，故計算時可近似為靜摩擦。小車的受力分析如下：

圖6 受力分析

兩個螺旋槳產(chǎn)生的推力可由如下公式估算：

Fn=D×P×L×n2×C×2

(1)

式中：D為螺旋槳旋轉(zhuǎn)直徑，m；P為螺距，m；L為槳葉寬度，m；n為轉(zhuǎn)速，r/s；C為經(jīng)驗系數(shù)，通常取2.5。

小車與墻面的摩擦力計算公式如下：

Ff=Fn×μs

(2)

經(jīng)稱量，小車的總質(zhì)量為1.1 kg，根據(jù)牛頓第二定律，可求得小車所受重力G為11 N，為可知所需摩擦力至少為11 N。

選用8060的通用螺旋槳和kv2450Ⅱ的無刷電機，得到如表1數(shù)據(jù)。

表1 槳葉參數(shù)表

把表內(nèi)數(shù)據(jù)代入式(1)，得螺旋槳產(chǎn)生推力為Fn=15.17 N。

小車與墻壁之間的正壓力為15.17 N，代入式(2)，得兩者之間的摩擦力為10.77～13.96 N，由式：

(3)

可知該負壓吸附裝置可適應(yīng)92.8%的壁面。

1.4 清潔裝置

清潔裝置由旋轉(zhuǎn)毛刷和拖動馬達組成如圖7(a)所示，安裝在小車的底部見圖7(b)。毛刷的旋轉(zhuǎn)直徑大致為145 mm，如圖安裝的兩組毛刷約能清潔同時清潔寬度為290 mm的區(qū)域。

圖7 清潔裝置組成安裝圖

此外，選用的毛刷為市面上常見的掃地機器人所用的清潔毛刷，增加清潔裝置的可互換性。

2 ANSYS有限元分析

為了減輕重量，小車外殼的厚度被壓縮至3 mm，在承受螺旋槳推力時極有可能產(chǎn)生過大的變形，有必要對裝置進行應(yīng)變分析，以校核其剛度。本文選用ANSYS軟件的WORKBENCH模塊對清潔小車的外殼進行有限元分析。結(jié)果如圖8所示。

圖8 變形量分析結(jié)果

可以看到，模型大部分的應(yīng)變在0.369%以下，但螺旋槳支架處出現(xiàn)了較大的應(yīng)變，大部分為2.57%到4.04%，最大可達到5.14%。較大的應(yīng)變?nèi)菀讓?dǎo)致螺旋槳工作時徑向竄動，使得產(chǎn)生的推力下降，有掉落的風險。針對以上問題，對模型做了修改，在支架下表面增加了加強筋如圖9(a)所示，再重新進行有限元分析，結(jié)果如圖9(b)所示。

圖9 修改模型及變形量分析結(jié)果

改進后，危險截面處的應(yīng)變有了很大下降，可以看到螺旋槳支架上大部分位置的應(yīng)變在0.812%以下，最大應(yīng)變降至2.83%。

3 實驗驗證

為了驗證該清潔小車的清潔效果，本項目團隊制作了一臺樣機如圖10所示，用以測試相關(guān)參數(shù)。選用玻璃板作為清潔對象，把水和紅色粉末混合，均勻涂抹在玻璃表面，然后曬干，模擬灰塵沾染的效果，然后用清潔小車去清潔。經(jīng)多次實驗，清潔小車能夠平穩(wěn)吸附于墻面，對模擬灰塵有較好的清潔效果。

圖10 樣機

清潔小車工作電壓為11.1V，測定總功耗約為112.8 W，平均速率約為0.13 m/s，結(jié)合上文毛刷的清潔寬度290 mm，小車的清潔效率可以達到0.037 7 m2/s，折合135.72 m2/h。

4 結(jié) 語

主要完成了一種基于負壓吸附的高層建筑外墻清潔小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過公式計算和ANSYS有限元分析，對各部分進行優(yōu)化設(shè)計。該小車具有相對較高的清潔效率和較好的清潔效果，同時盡可能簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低功耗，從而達到降低制造和維護成本的目的，為外墻清潔機器人的市場化做出了貢獻。