摘 要：【目的】在清理陽光屋時(shí)，存在高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、清潔效率低和清潔裝置限制等問題，這些因素導(dǎo)致了陽光屋表面存在清潔難題。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)了一種新型陽光屋吸盤式清潔裝置。【方法】在對吸盤式清潔裝置工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立其三維結(jié)構(gòu)模型。該裝置集成了吸附系統(tǒng)、視覺監(jiān)視系統(tǒng)、行進(jìn)系統(tǒng)和中控系統(tǒng)等多個(gè)模塊，能夠自動規(guī)劃行進(jìn)路線并進(jìn)行智能避障，以實(shí)現(xiàn)高效、安全清潔作業(yè)。利用SolidWorks軟件對底盤進(jìn)行了應(yīng)力和位移的有限元分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和結(jié)構(gòu)的安全性?！窘Y(jié)果】分析結(jié)果顯示，底盤所承受的最大應(yīng)力為2.973e+07 N/m2，低于材料的抗拉強(qiáng)度7.3e+07 N/m2。此外，底盤的最大位移量為2.928 mm，處于合理范圍內(nèi)。因此，該設(shè)計(jì)滿足使用標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范?！窘Y(jié)論】本設(shè)計(jì)在節(jié)能環(huán)保、自動化操作等方面具有顯著的創(chuàng)新性，為智能清潔裝置的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了重要的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：陽光屋清潔裝置；吸盤式設(shè)計(jì)；有限元分析；智能避障

中圖分類號：TH137.5" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）24-0049-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.24.010

Design of Suction Cup Cleaning Device in Sunshine House

Abstract： [Purposes] When cleaning the sunshine house， there are some problems such as the risk of working at high altitude， low cleaning efficiency and limited cleaning devices， which lead to the cleaning problem of the sunny house surface. In order to solve these problems， this paper designs a new type of suction cup cleaning device for sunshine house. [Methods] Based on the analysis of the working principle of the suction cup cleaning device， a three-dimensional structural model was established. The device integrates several modules such as adsorption system， visual monitoring system， traveling system and central control system， and can automatically plan the traveling route and intelligently avoid obstacles， thus realizing efficient and safe cleaning operation.The finite element analysis of the stress and displacement of the chassis is carried out by SolidWorks software to verify the rationality of the design and the safety of the structure. [Findings] The analysis results show that the maximum stress of the chassis is 2.973e+07 N/m2， which is lower than the tensile strength of the material of 7.3e+07 N/m2. In addition， the maximum displacement of the chassis is 2.928 mm， which is within a reasonable range. Therefore， these results show that the chassis design meets the use standards and design specifications. [Conclusions] This design is innovative in energy saving， environmental protection and automatic operation， which provides an important reference for the design and development of intelligent cleaning devices.

Keywords： sunshine house cleaning device; suction cup design; finite element analysis; intelligent obstacle avoidance

0 引言

傳統(tǒng)陽光屋清潔作業(yè)通常依賴人力，存在人力成本高、工作效率低、安全隱患大和耗水量大等問題，已無法滿足人們對陽光屋外表面高效、安全清潔的要求。隨著我國老齡化人口比例的不斷增加，勞動力成本逐漸增高，市場迫切需要一種清潔效率高、智能化、易維護(hù)的陽光屋外表面清潔裝置。盧紅煜等［1］設(shè)計(jì)了一種自動翻越式玻璃幕墻清潔機(jī)器人，利用負(fù)壓吸附技術(shù)將機(jī)器牢牢吸附在玻璃表面上，提高了清潔機(jī)器人的安全性，具有較好的應(yīng)用前景。聶佩晗等［2］對爬壁機(jī)器人行進(jìn)方式與壁面過渡能力進(jìn)行研究，有效地解決了爬壁機(jī)器人的移動問題，提高了移動速率。邢智慧［3］設(shè)計(jì)了一種履帶式機(jī)器人底盤，實(shí)現(xiàn)了在不同地形上的穩(wěn)定行進(jìn)。宋大雷等［4］設(shè)計(jì)了一款具有目標(biāo)導(dǎo)航避障功能的清潔機(jī)器人，保障了機(jī)器人的運(yùn)行安全，提高了清潔效率。這些研究為玻璃結(jié)構(gòu)的污漬清理工作提供了參考。

為了提高陽光屋外壁等玻璃表面的清潔效率，本研究設(shè)計(jì)了一款吸盤式清潔裝置，用于清理陽光屋外壁等玻璃表面的異物。該裝置底部配備高強(qiáng)度負(fù)壓吸附器，可安全吸附在陽光屋表面上。此外，裝置配備視覺監(jiān)視系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下，裝置能規(guī)劃行進(jìn)路線，并在異常情況發(fā)生時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，有效降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路及工作原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

陽光屋吸盤式清潔裝置是一種智能化產(chǎn)品，用于清潔陽光屋外壁等玻璃表面。它由吸附模塊、行進(jìn)模塊、清潔模塊、視覺監(jiān)視模塊和中控模塊等5個(gè)模塊組成。裝置的三維模型如圖1所示。裝置通過H橋電路實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)移動［5］，利用紅外傳感器獲取環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌叵到y(tǒng)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)整電機(jī)狀態(tài)，并在操作界面顯示軌跡信息，方便使用者規(guī)劃高效的清潔路徑［6］。該裝置利用負(fù)壓吸附技術(shù)，牢固地吸附在玻璃表面，配合底部的可拆卸清潔布，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、環(huán)保的清潔目標(biāo)。

1.2 工作原理

該清潔裝置的中控系統(tǒng)在收到開始指令后，給吸附器系統(tǒng)發(fā)送信號，使吸附器工作，在清潔裝置下部產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域，使裝置吸附在陽光屋表面。吸附完成后，吸附系統(tǒng)給中控系統(tǒng)發(fā)送信號，中控系統(tǒng)接收信號后控制行進(jìn)系統(tǒng)和視覺監(jiān)視系統(tǒng)同步工作。完成清潔任務(wù)后，行進(jìn)系統(tǒng)和視覺監(jiān)視系統(tǒng)給中控系統(tǒng)發(fā)送結(jié)束信息。裝置作業(yè)流程如圖2所示。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 吸附器裝置設(shè)計(jì)

陽光屋吸盤式清潔裝置的吸附器主要由離心風(fēng)機(jī)、負(fù)壓腔和導(dǎo)管等組成，位于清潔裝置底部。吸附器工作時(shí)，離心風(fēng)機(jī)高速運(yùn)作，將負(fù)壓腔內(nèi)的氣體排出導(dǎo)管，使負(fù)壓腔內(nèi)的氣壓小于大氣壓，形成負(fù)壓區(qū)域，以使清潔裝置牢牢吸附在玻璃表面上［7］。同時(shí)，吸附器可以改變負(fù)壓大小，控制吸附緊密程度，以適應(yīng)不同清潔場景。

2.2 移動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清潔裝置的移動結(jié)構(gòu)主要由兩條履帶和兩組電機(jī)構(gòu)成。通過控制兩側(cè)電機(jī)上的電壓大小和正負(fù)極，來控制清潔裝置的移動速率與轉(zhuǎn)向［8］。該裝置采用H橋電路控制電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)移動。左側(cè)兩個(gè)電機(jī)和右側(cè)兩個(gè)電機(jī)各為一組。電機(jī)的控制邏輯真值見表1。

由表1可知，電機(jī)在兩個(gè)輸入端口輸入不同電平時(shí)才能正常工作；輸入相同電平時(shí)，電機(jī)靜止不動。要使清潔裝置前進(jìn)，需將兩組電機(jī)同時(shí)置于正轉(zhuǎn)狀態(tài)；倒退時(shí)，則置于反轉(zhuǎn)狀態(tài)；轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)使一組電機(jī)正轉(zhuǎn)，另一組電機(jī)反轉(zhuǎn)。例如，向左轉(zhuǎn)向時(shí)，左側(cè)電機(jī)應(yīng)反轉(zhuǎn)而右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，并保持相同轉(zhuǎn)速。

履帶選用對玻璃有較大摩擦系數(shù)的橡膠材料。在電機(jī)相同扭力作用下，橡膠履帶與玻璃產(chǎn)生更大的摩擦力，使清潔裝置移動更加靈敏。

2.3 視覺監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陽光屋吸盤式清潔裝置配備成熟的視覺監(jiān)視系統(tǒng)［9］。在清潔作業(yè)啟動前，該裝置首先對周圍環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)勘察，并將收集到的環(huán)境信息傳輸至中央控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)根據(jù)這些信息規(guī)劃出清潔作業(yè)的行進(jìn)路線。裝置的側(cè)面裝有測距傳感器，用于探測周圍障礙物。當(dāng)傳感器檢測到障礙物的反射信號時(shí)，會將這些信號傳送至中央控制系統(tǒng)。系統(tǒng)隨即處理這些信號，并調(diào)整電機(jī)的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)有效避障。此外，裝置底盤上的壓力傳感器與測距傳感器協(xié)同工作，確保清潔裝置不會從陽光屋的外壁跌落或發(fā)生碰撞。

在執(zhí)行陽光屋外表面清潔任務(wù)時(shí)，清潔裝置使用視覺傳感器沿預(yù)定路徑進(jìn)行拍攝，并生成圖像。深度學(xué)習(xí)模塊對這些圖像進(jìn)行分析，以識別污漬。一旦檢測到污漬，該裝置將運(yùn)用灰度化和高斯濾波技術(shù)對圖像進(jìn)行預(yù)處理，隨后采用Roberts算子進(jìn)行邊緣檢測，從而確定污漬的輪廓和位置［10］。初步路徑清潔完成后，該裝置將針對這些記錄的污漬區(qū)域執(zhí)行二次清潔，以進(jìn)一步提升清潔效果。該系統(tǒng)提高了裝置的可操作性，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

2.4 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底盤具有保護(hù)清潔裝置，并固定吸附器與履帶的作用。底盤采用高耐候性低密度材料，以保障作業(yè)安全性及使用壽命，其三維建模如圖3所示。底盤在4個(gè)拐角處布置有4個(gè)防跌落壓力傳感器［11］。4個(gè)傳感器同時(shí)接觸玻璃表面，清潔裝置可正常前行。當(dāng)任一傳感器接收不到反射信號，清潔裝置便觸發(fā)避障功能，進(jìn)行轉(zhuǎn)向及后退操作，有效防止跌落風(fēng)險(xiǎn)，保障作業(yè)安全性。

2.5 清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陽光屋吸盤式清潔裝置的清潔系統(tǒng)由清潔抹布和水箱構(gòu)成。清潔抹布位于裝置底部，使用時(shí)固定在對應(yīng)位置，清潔任務(wù)完成后可以拆下進(jìn)行清理。清潔抹布可以根據(jù)需要更換不同材質(zhì)，以適應(yīng)不同的清潔任務(wù)，保證清潔效率。水箱安裝在清潔裝置的底盤上，可向其中加入清水或清潔劑。工作期間，水箱中的液體流向清潔抹布，保持其濕潤。

3 主要部件有限元分析

為了降低自身重力影響，陽光屋清潔裝置底盤厚度降至15 mm。承受吸附器負(fù)壓吸力時(shí)，可能會產(chǎn)生較大變形，因此有必要對底盤進(jìn)行應(yīng)力分析，以保證作業(yè)時(shí)的安全性。本研究使用SolidWorks軟件對底盤進(jìn)行有限元分析［12］。

3.1 選取材料

底盤選用丙烯酸材料，其張力強(qiáng)度為7.3e+07 N/m2，彈性模量為3e+09 N/m2，泊松比為0.35，質(zhì)量密度為1.2e+03 kg/m3。該材料具有較好的耐候性、耐用性及良好的防水性。

3.2 約束條件

約束條件主要為清潔裝置自身對底盤的正壓力和吸附器工作時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓力。在垂直于底盤方向施加400 N的力。

3.3 靜力學(xué)分析

經(jīng)過計(jì)算可以得到底盤的應(yīng)力分析與位移分析如圖4所示。

由圖4（a）可知，底盤中心最大應(yīng)力為2.973e+07 N/m2，低于丙烯酸張力強(qiáng)度為7.3e+07 N/m2。由圖4（b）可知，底盤最大位移在吸附器位置達(dá)到2.928 mm，且位移變化在合理范圍內(nèi)。因此，所設(shè)計(jì)的底盤強(qiáng)度符合使用標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 結(jié)語

本研究在分析陽光屋清潔裝置工作原理的基礎(chǔ)上，建立了其三維結(jié)構(gòu)模型。并利用SolidWorks軟件對清潔裝置主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，以檢驗(yàn)底盤安全性和可靠性。計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)理論結(jié)果對比顯示，該裝置設(shè)計(jì)合理，滿足作業(yè)要求。陽光屋吸盤式清潔裝置在不傷害玻璃表面的同時(shí)，能安全高效地清潔陽光屋外壁污漬，可有效節(jié)約人力和物力，提高清潔效率，具有一定的科技含量和市場應(yīng)用前景。

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