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1、海南大學 畢業(yè)論文（設計） 題 目：高空玻璃幕墻的清潔機器人設計 學 號：20150581310208 姓 名：程瑜 年 級：2015級 學 院：機電工程學院 系 別：機械系 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導教師：袁磊 完成日期： 年 月 日 2 .清潔機器人的總體方案 清潔機器人由機器人本體、移動用的底板、纜繩及供電線、輔助移動 體等部分組成，其中機器人本體包括移動裝置、吸附裝置、清潔裝置三個 部分，整體結構如圖2-1所示。 夾持器 Y/////////////////A 機器人主體 纜繩 輔助移動體 圖2-1清潔機器人整

2、體示意圖 2.1清潔機器人的總體結構 以現(xiàn)有的技術來看，清潔機器人的設計一共分為三個方面的設計，艮K 運動裝置、吸附裝置、清潔裝置。本文中將運動裝置分為了兩個部分，分 別為移動裝置和換向裝置。移動裝置：使機器人運動，使之到達需要清理 的地方；換向裝置：使機器人在碰到障礙或者運動到極限時改變運動方向 來達到繼續(xù)運動的目的；吸附裝置：保證機器人能安全停留在玻璃幕墻上； 清潔裝置：完成清理工作。整體方案如圖2-2。 圖2-2整體方案示意圖 清潔機器人的工作原理： （1） 移動裝置：通過傳動系統(tǒng)，使機器人能夠在設計的地板上進行平 行移動。 （2） 控制裝置：通過單片機，設

3、置運行時間，到達時間之后使電動機 發(fā)生反轉。 （3） 吸附裝置：通過夾持器夾住纜繩的孔。 （4） 清潔裝置：清潔劑軟化污垢，通過刷頭與玻璃幕墻之間的摩擦清 理污垢。 本文主要在運動裝置和吸附裝置上進行改進。希望所設計的清潔機器 人能夠更加適應能夠開窗的玻璃幕墻并旦能夠不依賴于自身的電池，通過 電纜繩供電，增加機器人的使用時間。 2.2清潔機器人的選型 主要是對移動方式、吸附方式和清洗方式這三個部分進行選型。 2.2.1移動方式的選型 按移動方式一般分為輪式、履帶式和腳足式。 考慮到本文所設計的機器人是在玻璃幕墻上工作，而玻璃這種材質具 有光滑、平坦等特點，同時設計需要

4、機器人能夠快速的移動以達到清理的 高效性，再結合表2-1中的適用場合與優(yōu)缺點，所以本文選擇輪式作為移 動方式 表2-1移動方式的適用場合與優(yōu)缺點 移動方式 適用場合 優(yōu)點 缺點 輪式 平坦地形 能高速移動 易打滑、不平穩(wěn)、 無法處理復雜地形 履帶式 松軟地形 與地面接觸面積 大，較平穩(wěn) 無法在高低落差較 大的地形上移動 腳足式 復雜地形 能跨越障礙 速度低、重心不穩(wěn)、 易翻、不穩(wěn)定 2.2.2吸附方式的選型 表2-2吸附方式的適用場合與優(yōu)缺點⑼ 吸附方式 適用場合 優(yōu)點 缺點 磁力 吸附 永磁體 導磁面 產(chǎn)生的吸附力大

5、 只能應用在導磁面 電磁鐵 仿生 吸附 干吸附 光滑壁面 新型吸附原理、應用 前景大、無吸附噪音 對壁面的要求比較高、穩(wěn) 定性能不好、離現(xiàn)實應用 還有待改進 濕吸附 毛刺 粗糙壁面 負壓 吸附 真空泵 光滑壁面 產(chǎn)生的吸附力大、噪 音小 壁面要求嚴格、移動速度 較慢 外接負壓源 所有類型 的壁面 產(chǎn)生的吸附力大 作業(yè)范圍小 文丘里器 產(chǎn)生的吸附力大 作業(yè)過程中噪音大 旋風模擬 對運動機構的要求低 產(chǎn)生的吸附力小、噪音大 離心風機 產(chǎn)生的吸附力適中 產(chǎn)生噪音適中，速度較快 按吸附方式一般可分為磁力吸附、仿生吸附、負壓吸附

6、"氣 通過表2-2可以看出不同的吸附方式適應于不同的表面，有些方式適 用于玻璃幕墻這種光滑的表面，但是這些方式或多或少有著自己的缺點， 例如：對壁面的要求比較高、穩(wěn)定性能不好、作業(yè)范圍小等問題。 除此之外，設計師們從傳統(tǒng)的三大吸附方式（磁力吸附、仿生吸附、 負壓吸附）中獲得靈感，設計出各種各樣的吸附方式，如六足吸附、纜繩 式、電磁式 因為本文中設計的是玻璃幕墻的清潔機器人，所以壁面己經(jīng)確定為很 普通的光滑的玻璃，所以不能選擇對壁面要求高的方式，然后因為對幕墻 的清理都是以層為單位來清理的，所以作業(yè)范圍也不能太小，同時清理的 速度也不能過慢。所以現(xiàn)在提供的選擇是負壓吸附與

7、纜繩式吸附，相較于 傳統(tǒng)的負壓吸附，纜繩式吸附通過纜繩與夾持器將機器人與壁面連接在一 起，這樣在讓機器人安全工作的前提下還能通過纜繩中的電線來給機器人 供電，故而在本文中，選擇纜繩式作為吸附方式。 2.2.3物理清洗方式的選型 常見的物理清洗方式通常分為：超聲波清洗、激光清洗、高壓水射流 清洗、機械力清洗。 本文所設計的清潔機器人需要控制自身重量的同時，還需要考慮投入 市場之后的成本問題，故而在清洗方式上應選擇成本更低、設備更簡單輕 便的類型，同時還要適用于玻璃幕墻的清洗。而如表2-3數(shù)據(jù)所示，機械 力清洗在滿足這些條件，所以在木文中選擇機械力清洗作為物理清洗方式。 表

8、2-3清洗方式的適用場合與優(yōu)缺點mi 清洗方式 適用場合 優(yōu)點 缺點 超聲波清洗 適用于工業(yè)、機械、 金屬、電鍍、表面 處理、工業(yè)零部件、 機電設備類、建筑 物等領域的清洗 去污能力強、速度 快 噪音較大、需與清 洗液組合使用 激光清洗 汽車制造、半導體 晶圓片清洗、精密 零件加工制造、軍 事裝備清洗、建筑 物外墻清洗、文物 保護、電路板清洗 等 無需化學藥劑和清 洗液，無污染，效 率高 對激光頻率和能量 大小控制要求較高 高壓水射流清洗 各類管道、容器;船 舶、鋼材、鑄件表 面;各種大型工業(yè) 設備表面、各種大 型建筑物表面、路

9、 面清洗等 環(huán)保，清洗效率高， 易于實現(xiàn)機械化， 成本低 能源利用 率低，耗水量大 機械力清洗 飛機和船舶表面、 路面、幕墻等傳統(tǒng) 清洗領域 成本低，設備簡單 輕便 移動范圍有限  3 .高空玻璃幕墻的清潔機器人的總體結構設計 3.1清潔機器人需要的參數(shù)要求 本文主要考慮高空玻璃幕墻的清洗，這些建筑大多都擁有至少30m的 高度，因為所設想的工作環(huán)境為能開窗的玻璃幕墻，如圖2-1,所以選用纜 繩式的吸附方式，機器人的單次工作面積不用太大，通過多次更換以達到 清潔所有玻璃幕墻的目的。本文旨在設計一款能適用在開窗玻璃幕墻的清 潔機器人，它需要能夠靈活移動，

10、根據(jù)設置的參數(shù)進行清潔，并且擁有較 圖3-1開窗的玻璃幕墻 對以上的要求進行分析，可以得出本文中所設計的清潔機器人的參數(shù) 為： （1） 自身的質量不能過大，應在15kg以內； （2） 考慮到清洗范圍應適量，所以機器人的清洗范圍應在0.5m~lm, 正常工作運行速度不小于（）.lm/s"l； （3） 機器人在垂直方向上的移動有兩種方式，一種為手動控制，此時 的速度取決與使用者的想法，另一種則通過機器控制。但是本文旨在設計 能滿足使用者需求的清潔機器人，故而選用前者。 3.2清潔機器人吸附系統(tǒng)的設計 本文中設計的吸附裝置為纜繩式，它適用于有頂部區(qū)域的大樓或是玻 璃幕墻能

11、開窗的區(qū)域。清潔機器人通過纜繩在豎直方向上移動，其示意圖如圖3-2所示，2纜繩由4個輔助移動體牢牢固定在玻璃幕墻外側，并且可 以移動輔助移動體來控制清理的位置，同樣機器人也通過夾持器固定在纜 繩上。與其他吸附方式相比，纜繩式更需要注意纜繩的結構和連接方式而 不是壁面本身，這也就是說它能適應各種壁面，但同時受纜繩本身的影響， 它必須有一個固定的位置，這也就局限其不能在不能開窗的幕墻上使用， 同時纜繩的長度也不能太長。纜繩部分由纜繩和連桿式夾持器組成。 圖3-2吸附裝置的結構簡圖 面向幕墻的主視圖方向上的控制示意圖如圖3-3,該方式可通過使用者 來控制開關夾持器的頻率，這種設

12、計不僅能讓使用者自己控制清洗的時間, 也能讓使用者自己控制哪塊區(qū)域需要清洗，哪塊區(qū)域不需要清洗，增加了 工作效率的同時還節(jié)約了能源。 特別設計了連桿式的夾持器，夾持器由連桿部分和夾持部分組成如圖 3-4組成。連桿部分由兩根長桿、兩根短桿和4個插銷組成，其中長桿為中 空結構，使得控制夾子開關的鋼絲能夠通過長桿的中空部分來達到控制的 目的，短桿則用來控制夾持器所能張開的最大角度。夾持部分由兩個完全 一樣的彎鉤形部分組成，夾持部分的抓緊爪可以張合來達到在纜繩上移動 與停留的目的，夾持部分的機架部分與鋼絲連接，用來控制抓緊爪的張合。 在豎直方向上的移動距離可以通過控制孔與孔之間的距離

13、、控制夾子 拉伸的最大角度、控制夾持器長桿本身的長度3種方式來調整。 (a)連桿部分 (b)夾持部分 圖3-4夾持器示意圖［⑶ 纜繩部分由左右兩個完全一樣的纜繩組成，其中的小圓柱孔與夾持器 配合用來固定清洗機構的同時，也能控制機構下落的速度。夾緊時如上圖 3-4,兩個夾子分別夾住編號為1和5的孔如圖3-5,設計手柄1同時控制 上面的1號夾子松緊，手柄2同時控制下面的2號夾子的松緊，又設計了 固定長度的固定桿，所以夾子張開的最大長度為孔1到孔5的距離 固纜繩上的移動由手柄1和2控制，在此刻狀態(tài)，松開手柄1,夾子1 打開并下落，在孔4處因為夾子2的阻擋，停在孔4位置并夾緊

14、手柄1和 夾子1,然后松開手柄2,夾子2打開并下落，固定桿打開最大角度，夾子 2在孔8處停止，夾緊手柄2和夾子2,完成1個運動周期。 因為本文要計算出各種臨界值，所以此時為夾持器的連桿部分張開的 最大值，此時的一次性位移最大量為93.75mm。 圖3-5纜繩上孔的位置 3.3清潔機器人運動系統(tǒng)的設計 3.3.1運動選型 運動方面選用齒輪齒條傳動，這樣能夠更加精準的控制清潔機器人在 水平方向上的移動距離，這樣就能讓清潔機器人每次都能正好碰到兩側設 置的碰撞桿，完成換向操作，同時采用硬質塑料作底板，進一步減輕機器 人的重量。采用了4個從動輪組成的并聯(lián)機構，讓機器人在

15、移動時更加穩(wěn) 定。 運動原理見圖3-6,電動機逆時針旋轉帶動主動輪1也做逆時針旋轉運 動，此時主動輪1與從動輪2嚙合，帶動從動輪2作順時針轉動，給整個 機器人一個向左運動的動力，其他從動輪均作順時針轉動。等機器人運動 到最右端時，因為碰撞桿的作用使得電動機向左移動同時單片機發(fā)生作用 使得電動機反轉，即電動機順時針轉動，此時主動輪1與從動輪3嚙合， 帶動從動輪3作逆時針轉動，給整個機器人一個向左運動的動力，其他從 動輪均作逆時針轉動，等到機器人到達最左端時重復上述運動，完成一次 水平運動周期。 圖3-6齒輪1、2嚙合示意圖 3.3.2電動機的計算與選型 在計算提

16、供機器人運動達到設計速度能量的電動機時，不僅需要考慮 摩擦力作阻力的情況，還要考慮遇到大風時的情況。接下來計算機器人既 受到摩擦又受到允許工作的最大風力時穩(wěn)定工作所需要的電動機的功率， 根據(jù)公式： Pxn = FxV + Fmax (3-1) n = Hi x nlx ns (3-2) F = Ring (3-3) Fmax = S X S最大投影'⑷ (3-4) 式中P為設計所需的功率，q為設計機構的總效率，化為滾動軸承(每 對)的效率，*為齒輪間的傳動效率，聽為齒輪聯(lián)軸器的效率，P為滾動摩 擦系數(shù)，Pmax^最大風載荷，3/c為風載荷標準值。根據(jù)相關文獻與查表可 以得

17、知：滾動軸承(每對)的效率為0.98,齒輪間的傳動效率為0.95,齒 輪聯(lián)軸器的效率為0.99, 45號鋼與45號鋼之間的滾動摩擦系數(shù)為0.15,移 動速度為0.1m/s,機器人的最大質量為15kg,海口地區(qū)10年的風載荷標準 值為0.45kN/n?,所設計機器人的最大投影取過式 (3-1)(3-2)(3-3)(3-4)可以計算出電動機的功率約為9w,根據(jù)計算結果，本文 決定選擇型號為DS-25RS370的電動機，該電動機的參數(shù)如表3-1所示。 摘要 隨著城市的發(fā)展，各式各樣的建筑層出不窮，玻璃幕墻也應運而生。 它帶給人們新潮時尚的同時，也帶來了難以清潔的污垢。安全永遠是我們

18、 所最需要考慮的因素，以現(xiàn)有的清潔模式，大多數(shù)公司選擇使用人工的“蜘 蛛人”模式，即由升降臺或者吊籃載著清潔人員進行工作⑴。但是這種工 作模式有著很嚴重的安全問題，同時人工也無法保證速度和清理效果，并 且隨著清潔層數(shù)的增加，工人的費用與清潔的難度也隨之增加。 為了解決這樣一個人工難的困境，科學家們想到利用機器人來代替人 工。技術的發(fā)展，使得一些機器人己經(jīng)能夠登上社會的大舞臺。但同時， 在現(xiàn)有的技術下，清潔機器人還是不能完全取代“蜘蛛人”占據(jù)全部的幕 墻清潔市場，因為它存在著不能靈活處理問題、不能在所有的墻面進行清 潔等等問題。 本文通過對現(xiàn)有玻璃幕墻清潔機器人進行分析，以及

19、在對國內外的相 關文獻現(xiàn)狀分析、總結下，對高空玻璃幕墻清潔機器人進行了相關的設計： （1） 在吸附方式上選擇了有別于傳統(tǒng)吸附方式的纜繩式，這使得機器 人能夠通過纜繩中的直流電線補充電能，而不是依靠在機器人體內安裝蓄 電池來充電。 （2） 在清理方式上選擇刷頭式，通過刷頭的旋轉加上機器人的移動來 更好地達到清理的目的。 （3） 在移動方式上選擇齒輪齒條傳動，這就能讓機器人能夠更加精確 高效地移動。 最后在PRO/E上進行建模，描繪出其整體結構，設計與優(yōu)化了關鍵部 件，最后構建了較為理想的模型。 關鍵詞：纜繩式；刷頭；輪式；自動化控制；改進 表3-1 DS-25RS370

20、型電動機參數(shù) 型號 電壓（v） 功率（w） 重量（kg） 轉速（r/min） 輸出力矩（N?m） DS-25RS370 24 10 0.3 30 1.6 33.3齒輪的相關計算 （一）選取齒輪類型、精度等級、材料并假設可能的齒數(shù) ① 根據(jù)設計所需，選擇直齒輪 ② 清潔機器人屬于一般機械，速度不高，故而選擇7級精度 ③ 根據(jù)附件1選擇相關材料：小齒輪材料選擇40Cr,熱處理方式為調 質處理，齒面硬度取為280HBS；大齒輪材料選擇45號鋼，熱處理方式為 調質處理，齒面硬度取為240HBS。 假設所設計的小齒輪的齒數(shù)：* = 20,則大齒輪的齒數(shù)為Z2

21、= ux Z[ = 1.5 x 20 = 30 （二）齒面接觸強度計算 公式為：dlt > 2.32了蕓號?（器）2 ①確定公式中的各項數(shù)值： （1） 試選載荷系數(shù)Kt = 1.3 （2） 根據(jù)附件2的數(shù)據(jù)選擇齒寬系數(shù)?d = 0.5 （3） 小齒輪轉矩&的計算 ,P ￡ 10一2 = 9.55 x 106 X —= 9.55 x 106 x —— = 3183.3/V ? mm 1 Th 30 （4） 根據(jù)附件3的數(shù)據(jù)選擇彈性影響系數(shù)％ = 189.8VM （5）根據(jù)附件4的數(shù)據(jù)，按齒面硬度查得接觸疲勞極限 °Hiimi = 600Mpa aHiim2 = 550M

22、Pa （6）應力循環(huán)次數(shù)的計算: Ni = GOnJLh = 60 x 30 x 2 x (12 x 300 x 10) = 1.296 x 108 1.296 x IO8 L5 =8.64 x 107 (7) 根據(jù)附件5的數(shù)據(jù)查得接觸疲勞壽命系數(shù) Khni = °?95 Khn2 = 1 (8) 接觸疲勞許用應力的計算，取失效率為1%,安全系數(shù)S = 1 600 X 0.95 [bQi = ； = MPa = 590MPCZ -r 550 X 1 [aH]2 = j = —-—MPa = SSOMPa ②計算 (1) 試計算出小齒輪

23、分度圓直徑d",帶入［。帛中較小值 du > 2.32 KtL u±l =2.32 x 1.3 X 3183.3 2.5 05 X L5X 189.8 550 2 =27.37mm 計算圓周速度V 〃 x 27.37 x 30 v = = = 0.043m/s 60 x 1000 60 x 1000 / (3) (4) 計算齒寬 b = (pddti = 0.5 x 27.37mm = 13.685mm 計算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) mt = — = ^^-mm = 1.3685mm 20 齒高h = 2.25mt

24、 = 2.25 x 1.3685mm = 3.079mm 則？ = 11685 = 444 h 3.079 (5) 計算載荷系數(shù) (a) 根據(jù)附件6的數(shù)據(jù)查得使用系數(shù)匕=1 (b) 已知v = 0.043m/s, 7級精度，根據(jù)圖3-13可以得出動載荷系數(shù) Kv = 1.05 (c) 根據(jù)附件7的數(shù)據(jù)查得，對直齒輪，齒間載荷分配系數(shù)KHa = Kfci =] （d）由= 4.44,根據(jù)表11的數(shù)據(jù)查得接觸疲勞強度計算用的齒向載 tl 荷分布系數(shù)臨# = 1.122,根據(jù)表12的數(shù)據(jù)查得彎曲強度計算用的齒向載 荷分布系數(shù)Kfa = 1.09 故載荷系數(shù)K = KAKv

25、KHpKHa = 1 x 1.05 x 1.122 x 1 = 1.1781 ￥=2737 x 1.1781 ———mm = 26.49mm （6）校正分度圓直徑 3 由—dtl （7）計算模數(shù) 模數(shù)m =言滂mm = L32mm （三）按齒根彎曲疲勞強度計算 齒根彎曲疲勞強度設計式m2 如 ①確定公式中的各項數(shù)值: （1） 根據(jù)附件8的數(shù)據(jù)查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限aFlim.= 500MPa,大齒輪的彎曲疲勞強度極限。叫相=380MPa （2） 根據(jù)附件9的數(shù)據(jù)查得彎曲疲勞壽命系數(shù)Kfn1 = 0.95 Kfn2 = 0.98 （3） 計算彎曲疲勞許用應力

26、。F，取彎曲疲勞安全系數(shù)s = 1.4 ^Plirnl^FNl 500 X 0.95 ［如］1 = " ； Ni =—— _MPa = 339.29MFQ r i ^Flim2^FN2 380 X 0.98 ［（7f］2 = = — MPa = 266MPa S 1.4 （4） 計算載荷系數(shù) K = KAKvKFpKFa = 1 x 1.05 x 1.09 x 1 = 1.1445 (5) (6) 根據(jù)附件10的數(shù)據(jù)查得齒形系數(shù)Xal = 2.52 Sa2 = 2.34 根據(jù)附件11的數(shù)據(jù)查得修正系數(shù)％qi = 1.48 &2 = 1-88 計算比較大、小齒輪的甲咨

27、 YFalYSal 2.52 x 1.48 -=0.0109 339.29 ［由1  YFa2YSa2 2.34 x 1.88 ；】=—總—=0.0165 266 ②設計計算 大齒輪的號斜值比較大 x 0.0165mm = 0.844mm （四）結果分析： 由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù) （即采用前者不會發(fā)生彎曲疲勞失效）O而齒面接觸疲勞強度主要決定于齒 輪的直徑，因此可在直徑不變的情況下，增加齒數(shù)，降低模數(shù)。采用由彎 曲疲勞強度計算得出的模數(shù)0.844并圓整為標準值按接觸強度算 得的分度圓直徑由=26.49mm,算出小齒輪齒數(shù)

28、:Z】=奪=芋"8。大 齒輪齒數(shù)：Z2 = uZi = 1.5 x 28 = 42。這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了 齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并使結構緊湊，避免浪 費。 （5）幾何尺寸計算： ①分度圓直徑di = mZ1 = 1 x 28mm = 28mm, d2 = mZ2 = 1 x 42mm = 42mm ② 中心距a =（W）=（28+42）— ^mm 2 2 ③ 齒寬b = 枷婦=x 28mm = 14mm 3.3.4運動原理與路線 確定了機器人的吸附與運動系統(tǒng)，設計出機器人的清理運動路線如圖 3-7。機器人按照123456的順序移動，開始工

29、作時處于a點，開始工作， 機器人沿水平方向向右移動到al點，完成半個清理周期，然后沿原來的路 線返回到a點，機器人向下豎直移動到b點，完成一個清理周期，然后重 復上述兩端水平運動到達bl點再返回b點，再向下運動到c點，完成兩個 清理周期。 a 1 ' a1 3 2 — I b b1 6 5 — I c 1 圖3-7運動路線 3.4清潔機器人換向裝置的設計 換向裝置采用機械加單片機的形式。設置碰撞桿，其中主動輪是可以 移動的，通過電動機的移動來控制機構轉動的方向，此時機構在最左端如 圖3-8a,電動機I逆時針轉動并在左板上桿的作用下移動到其能移動的最 右端

30、如圖3-8b,電動機上的主動輪I號與從動輪2號連接如圖3-8c,使得 機構向右移動，當機器人完成半次清理，到達運行最遠處時右板上桿會使 電動機向左移動如圖3-8d同時單片機使電動機反轉作順時針轉動，此時主 動輪1號與從動輪3號連接如圖，使得整個機構向左移動，實現(xiàn)運動的換 向。當機構再次移動到最左端時，左板上的桿會再次將電動機移動到最右 端同時單片機再次使電動機反轉作逆時針轉動，完成一個周期并開始下一 個周期。由此來控制整個機器人的換向。（如圖3-8abcd） （a）機構在最左端時電動機的狀態(tài) （b）電動機移動到最右端 (c)齒輪1與2連接 圖3-8換向機構運動過程 (

31、d)機構在最右端的狀態(tài) 本文選擇采用設置碰撞桿加單片機的換向裝置而不直接使用單片機換 向，這是因為當電動機帶動齒輪高速轉動時，突然反向可能會損壞齒輪， 減少機器人的使用壽命，而設置碰撞桿，可以使齒輪有一個從轉動到停止 到再轉動的過程，減少齒輪的磨損，增加機器人的壽命。 在此處設置了一個防滑扣的設計。圖3-9ab為電動機的防滑扣。這使 得供機器人移動的電動機能夠穩(wěn)定的在板子上工作，同時因為有防滑扣的 存在，在清潔機器人移動到左右兩側并碰到碰撞桿使，能夠讓電動機在小 槽中移動，不偏離它的方向。 (a)電動機簡圖

32、器人清潔系統(tǒng)的設計 清潔系統(tǒng)由凸輪式旋轉刷頭、清潔試劑與電動機組成。 3.5.1清潔工作原理 首先，使用清洗液將待清洗玻璃幕墻潤濕，在機械力和清洗液的綜合作 用下將污物分離;其次，經(jīng)清洗液的沖洗和玻璃幕墻壁面上殘留液滴的去除,實現(xiàn)玻璃幕墻的潔凈I成。刷頭緊貼著玻璃幕墻作旋轉運動的同時在機器人 的移動下作水平移動. 3.5.2清潔部分刷頭的設計 刷洗方式町分為滾筒刷洗式、渦旋刷洗式、移動刷洗式3種。滾筒刷 洗式和移動刷洗式機械結構較為復雜，并且尺寸以及重量不適合小型清洗 機器人3】，故而本文旋轉渦旋刷洗式。 清洗方式為普通的刷頭式，由刷頭、清潔液出口和干燥布組成。清潔 液

33、以固定速率流入刷頭，刷頭由電動機帶動旋轉進行清潔，最后隨著機器 人的左右移動帶動機器人兩端的干燥布將清洗部分的水漬清理干凈。這種 清潔方式適用于普通的光滑平面，面對不規(guī)則平面和不光滑平面可以將清 洗方式變?yōu)樾D式。 特意設置的刷頭連桿結構如圖3-1(),使得刷頭能夠適應有不大于20° 斜度的玻璃幕墻。在刷頭旁邊能夠噴出清潔試劑來輔助刷頭。 整個清潔的運動過程是刷頭的平移加上刷頭自身的轉動，這種方式在 一定程度上有著比滾筒式I⑺的清潔方式如圖3-11更大的清潔力度，因為刷 頭是對面進行清理而滾筒式是對線進行清理。同時因為刷頭與清潔機器人 的運動裝置各擁有一個發(fā)動機，也就是說

34、機器人的換向不會影響刷頭的換 向，刷頭會一直沿著一個方向旋轉，這樣也能更大程度的保護玻璃幕墻， 減少玻璃幕墻被刷頭上因清理而殘留的臟東西磨花的風險。要使刷頭能夠 完全刷滿整個玻璃幕墻，刷頭的直徑應大于等于機器人豎直方向上的最大 位移量，為防止因風吹等不可控因素造成機器人無法清理整個壁面，所以刷頭的直徑應略大于豎直方向上的最大位移量，故在本文中，刷頭的直徑 取 100mm。 圖3-11滾筒式清理方式 因為考慮到清潔機器人自身的質量不能太大，所以本文并未在清潔機 器人的主體部分設置污水回收裝置，所以在不損傷玻璃幕墻的同時，刷頭 應盡量選擇較硬的材質，這樣容易將幕墻上比較頑固

35、的污漬清理下來而不 過分依賴于清潔試劑。 3.5.3清潔部分電動機的選擇要求 因為在本文的設計中將清潔所需的電動機和運動所需的電動機分開來, 所以在電動機的選擇上有這不同的要求。本文通過控制輔助移動體處夾持 器與玻璃幕墻之間的距離來控制刷頭與玻璃幕墻之間的作用力的大小。為 了不損壞玻璃幕墻，本文中取刷頭與玻璃幕墻之間的作用力為15N,己知 “ =0.4,機器人的最大重量為15kg,故根據(jù)公式可以得出fmax = 6No由 此推斷出電動機的輸出力矩為0.6N?m,故而在滿足電動機的輸出力矩大于 0.6 N-m的前提R盡量選擇較小較輕的電動機。因為刷頭所需的電動機不 需要它移動

36、，只需要它能固定在一個位置，所以設計出來的固定件如圖3-12 所示。這樣就能固定電動機減少電動機的移動。 圖3-12電動機的固定板 3.6清潔機器人單片機的控制方式 根據(jù)本文設計，使用單片機加碰撞桿的設計來使得機器人完成換向的 指令，單片機的控制方式如圖3-130通過設置單片機來保證機器人能夠獨 立完成清理工作。 圖3-13單片機控制方式 此設計簡化了控制部分，減少了機器人的制造成本，同時纜繩設計和 能自由更換清潔方式的設計也能讓機器人適應于更多的場合。同時單片機 本來就有簡單、便宜的優(yōu)點，更能進一步節(jié)省設計成本與使用成本。 3.7本章小結 幕墻清潔機器人

37、由清洗裝置、吸附裝置、移動裝置和控制裝置四個部 分組成，但是控制裝置并不是必須的部分，機器人可以通過設計合理的機 構來實現(xiàn)運動的換向和移動以達到控制的作用。在本文中，采用的設計是： 清洗方式一一刷頭式、吸附裝置一一纜繩式、移動裝置一一輪式、控制裝 置——人工加機械加單片機。 4.結論 4.1研究的結論 隨著國內智能清潔機器人市場的發(fā)展，相比國外成熟的市場，國內市 場前景更廣闊，而且在關鍵技術上，國內企業(yè)也在快速趕上。通過分析智能 清潔機器人發(fā)展，為相關企業(yè)做技術研發(fā)方向提供服務，對于提高我國智能 清潔機器人生產(chǎn)企業(yè)的技術水平，以及提升我國在國際智能清潔機器人市 場的競爭

38、力有著積極的意義"阡在有市場需求的今天，去改進去研發(fā)能適應 市場的清潔機器人是我們的目標。這個目標并不容易實現(xiàn)，但我們仍需努 力。 根據(jù)設想，設計出一款能適用于小型清理的高空幕墻清潔機器人，它 能在有開窗的建筑或是上面有空地的建筑上使用。在整個設計過程中，對 清潔機器人的吸附、清洗、移動系統(tǒng)進行了仔細認真的分析與研究，根據(jù) 清潔機器人所工作的高空玻璃幕墻這個工作環(huán)境得出設計出的清潔機器人 的種種參數(shù)，并為了使其適應所假設的使用環(huán)境，做出大量的設想，在種 種設想中得出最合適的方案。在得出設想之后，運用CAD和PRO/E軟件 對設計進行繪制，最后得出的結論如下： （1） 吸附方

39、式選用的是纜繩式，通過控制機器人兩端的夾子來控制機 器人豎直方向上的移動，水平方向上的移動則是通過電動機帶動齒輪齒條 傳動，齒輪轉動的同時帶動整個清潔機器人水平方向上移動。 （2） 另外安裝了第二個電動機，由電動機帶動刷頭進行清理工作，機 器人移動的同時，容器中的清洗試劑會在慣性的作用下從刷頭兩側的孔洞 被甩到需要清理的玻璃幕墻上。 （3） 整個過程中，因為4個輔助移動體控制纜繩與玻璃幕墻之間的距 離的作用，使得機器人始終受一個偏向玻璃幕墻的力，這也就讓刷頭能一 直緊貼著玻璃幕墻工作，而刷頭上的球型關節(jié)能使之適應有斜度的玻璃幕 墻。 Abstract With the

40、development of the city, a variety of buildings emerge in an endless stream. Therefore the glass curtain wall emerges as the times require. It not only brings people new fashion, but also brings dirt which is hard to clean. Safety is always the most important factor we need to consider. With the

41、 existing cleaning model, most companies choose to use the artificial "spider man" mode, that is, the lifter or the basket carries the cleaning staff to work. But this working mode has serious safety problems. Meanwhile, it can't ensure the cleaning speed and effect. As the number of cleaning lay

42、ers increases, the cost of workers and the difficulty of cleaning increase as well. In order to solve such an artificial dilemma, scientists have thought of using robots instead of labor. The development of technology has enabled some robots to be on the big stage of society. However, under the

43、existing technology, the cleaning robot can't completely replace the "spider man" to occupy the entire curtain wall cleaning market, because it has the problems of not being able to handle the problem ilexibly, not cleaning all the walls etc. This article analyzes the existing glass curtain wall

44、 cleaning robots, and analyzes and summarizes the relevant literatures at home and abroad. Design related to high-altitude glass curtain wall cleaning robot: (1) In the adsorption mode, a cable type different from the traditional adsorption mode is selected, which enables the robot to replenish

45、electric energy through the direct current in the cable instead of charging by installing a battery in the robot body. (2) Select the brush head type in the cleaning method, and achieve the purpose of cleaning by the rotation of the brush head and the movement of the robot;. (3) Selecting the

46、rack and pinion drive in the mobile mode allows the robot to move more accurately and efficiently. (4) 而換向系統(tǒng)則是使用的機械加單片機的方式，在機器人到達兩端 時，兩端的碰撞桿會擠壓移動所需的電動機，使電動機發(fā)生位置的同時， 單片機會使電動機反轉，從動輪與主動輪也發(fā)生改變，從而達到機械換向 的目的。 4.2改進 雖然高空玻璃幕墻的清潔機器人能夠提供更好的服務，但是由于此機 械為初次設計，在很多方面都有很有不足，有很多的問題需要進一步的討 論研究并改進，主要有： (1)

47、受纜繩的影響，機器人不能脫離纜繩的長度與范圍進行清理，能 不能改進吸附方式，使之在具有纜繩安全并可傳遞電能的同時也能脫離纜 繩的束縛，進行更加自由的清理。 (2) 本文中清理污漬使用的是物理的刷頭加上化學的試劑，是否有更 加高效并且自然的方式來清理這些垃圾。 (3) 怎么樣才能讓機器人適應更多的清潔環(huán)境，例如不規(guī)則的玻璃幕 墻或是有孤度的玻璃幕墻。 這些問題有的可以通過更改清洗工具、清洗方式；提高清潔劑的濃度、 種類來實現(xiàn)，而有些只能寄希望于科技的進-步改進了。 致謝 在老師和同學的幫助下，在幾個月的努力下，在指導老師袁磊老師的 親切關懷和悉心指導下完成了這篇論文高空玻璃

48、幕墻的清潔機器人的設計, 老師以淵博的知識，風趣的談吐，啟發(fā)著我的思維，讓我找到一個又一個 設想的方案。在我遇到困難的時候也要感謝我的導師和朋友，是他們幫助 我，讓我克服種種困難，堅定自己的內心，讓我能從論文中獲得難得的寧 靜。 參考文獻 |1]唐雯珍.玻璃幕墻清潔機器人機械系統(tǒng)設計及作業(yè)過程研究[D].東南大學,2017. [2] 徐殿國，王衛(wèi)，楊宏.日本壁面移動機器人技術發(fā)展概況及我們的幾點建議[J]. 機器人，1989(04):53-58. [3] Raj VishaaL Raghavan P, Rajesh R. Design of Dual Purpose Clea

49、ning Robot [J].Proccdia Computer Science,2018,133:518-525. [4] Nazim Mir-Nasiri, Hudyjaya Siswoyo J, Md. Hazrat Ali. Portable Aulonomou sWindow Cleaning Robot[J].Procedia Computer Science,2018,133:197-204. [5] 劉凌.玻璃幕墻清洗機器人攀爬部分結構研究[J].機械設計與制造工程,2018,47 (01):46-49. 16]劉軍，張實，康世林.六足攀爬清潔機器人的結構設計[J]

50、.機械工程師,2016(09): 54-55. [7]李爽，范振廣,蔣碧含.越障式爬壁清洗機器人[J].中國科技信息,2017(11):49-50. 18]唐雯珍，錢瑞明.一種玻璃幕墻清潔機器人的設計[J].機械設計與制造工程,2017, 46(01):45-48. [9] 李華澤.玻璃幕墻清洗機器人的簡要設計[J].機電技術,2015(04):38-40. [10] 陳博.幕墻清洗機器人的應用與發(fā)展[J].門窗,2008(09): 18-21. UU劉星.高層玻璃幕墻清洗機器人設計與分析[D].山東科技大學,2017:14 [121趙啟超.玻璃幕墻清洗機器人的設計與研究[D]

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52、的設計[J]. 微計算機信息，2008, 24(14):95-97. [18]褥銅，趙晨.智能清潔機器人國內外發(fā)展狀況淺析|J].中國設備工程,2018(04): 146-147. 附件 附件I常用齒輪材料及其力學性能 [ ?>0-|常用齒輪材輯及算力學性修 炫處理萬法 強度極限 MKftK "，/MP由 塊度 齒芯部 (HBS) 齒面 HI250 250 170-241 HT300 300 —-“ -? —— 187 -255 Hi'35O 350 197 -269 Q 1*500 -5 500

53、 147-241 QT600 _2 ?；? 600 229-302 ZC3I0 -570 580 320 156 -217 ZG34O-64O 650 ■? 350 IW-229 45 58。 290 J62 -217 ZG340 - 640 ■■ ■ 700 380 241 -269 45 650 360 217 -255 30CrMnS? 35SiMn 1 100 1 900 310-360 750 450 217-269 38SiMnM。 700 550 217-269 40Cr

54、700 500 241 ~286 45 謝質后表面沸火 217-255 40 - 50 HRC 40Cr ■ , 241 -286 48 -55 KKC 20Cr 潘碳后粹火 650 400 300 58 -62 HRC 20(；rMnTi ■ ] 1 100 850 !2Cr2N?4 1 100 850 *——■ , — 320 20Cr2Ni4 1 200 1 100 350 35CrAiA 調質后忽化(氤化層牛 6A0. 3 .0. 5 mm) 950 7S0 255 -321 >850

55、 HV MCrMoAlA 1 000 850 夾布w膠 100 25-35 住:40Cr tK4lll 40MaB A 40MnVB ?代札 200、ZOCrIUTi IMMJB 2OMn2B tf20MnVB?f代此， 附件2齒寬系數(shù) * 10-7圖柱齒輪的齒竟系敷如 裝置狀況j的支痕相對于小齒輪作對林布冒|兩支承相時f小齒輪件不對爵布時 小齒輪作域新布？t ""0.9-1.4(1.2~1.9) | 0.7-1.15(1.1-165) [ 0.4-0.6 住〔①大、小少他作為硬齒面時，4-4 &皆為收齒*?戒仗大街愴為軟齒面酎.市取&中偏匕限的 AM.

56、 ②成號內的Jftfft用于人字坂輪，此時&為人字齒花的忌寰廈? ?金廈切削機床的齒輪傳如源傳il的功床不大時.如仃小到。2. ④布金K齒輪可歇帽=0.S-L2- 附件3彈性影響系數(shù) 附件4接觸疲勞極限 ?00 200 "— HBS 雄墨傳跳 黑色可1R鑄佚 (■)慎峽材料的 200 HBS 600 /ME ML-MQ HBS 正大處踱的陸構供 正大姓理的骨01 ?止大灶岸的球蜘"蜘心 俗金鑰調版 ?*** 合舍傳銷,成 (d)?H?ttWW 的。K>S

57、 附件6使用系數(shù) 10-2 所列的 4 UU'JSV 原動機 多iff內處機 工作機器 就荷狀態(tài) 蒸汽機、燃氣輪 機液所裝置 電動機、均勻運 轉的蒸汽機、 燃y輪機 2。.2使用系m 均勻平檢 發(fā)電機、均勻仞送的帶式輸 送機或板式感送機'螺能輸送 機、較質升降機.包裝機、帆 床近稔機何、通覘機、均勾密 度材料握拌機等 1.00 I. 10 1.25

58、 附件7齒間載荷分配系數(shù) 衰10-3齒何載荷分配系致X-、Kj >100 N/mm < 100 NZmm 精度警級U組 5 6 7 8 S城或更低 硬 ft . ? X齒輪 1.0 1. 1 1.2 ■ 1.2 斜齒輪 K、 J 10 、' 1-2 1.4 ^L4 fi 亢齒輪 …隹.一 .0 1.1 >L2 斜齒輪 J 1.0 u, 1.4 >1.4 At①如大，小拗輪崎度等fll不間時，?■???. ② ，!■.為齒網(wǎng)株觸破為營衣計算

59、的荷分???? A,.為度計算的 ③ 也可用于萩雋俊和球！I曾快悔輪的汁算? 附件8彎曲疲勞強度極限 an 色可 tRHn. 阪憑被 正大處理的畛?! (a)Wtt材料的外? (b)正大燉取倒的。.】■ 200 ?咐就 —* **** 忠:第心一 (g5 的 S 附件9彎曲疲勞壽命系數(shù) 圖10-22彎曲疲勞壽命系數(shù)&”（* \ ＞恨時根據(jù)經(jīng)驗在網(wǎng)紋區(qū)內取值） 1 一調質鋼；球愚鑄鐵（珠光體.貝氏體）；球光體可彼鑄怏；2—滲碳淬火的津碳鋼； 全少廓火焰或感應沛火的鋼，球限務帙；3—澎氮的滲氤鋼；球牌鑄帙（帙素體）： 求蟋軼;結構鋼；4一

60、笥碳共滲的源成鋼.滲碳鋼 附件10齒形系數(shù) 附件II修正系數(shù) ]0 15 20 30 50 100 400 Zv aa =20°. ht/mn =1.0, h(/mn = 1. 25 , p{/mn =0. 38 圖10 - 18外齒?輪應力修正系數(shù)九 Finally the high-altitude glass curtain wall cleaning robots are designed and modeled on Pro/E. Its overall structure, design and optimization of key components

61、, and finally built an ideal model. Key words: cable; brush; wheeled; automation control; improve hi 目錄 摘要 I Abstract II 1. 緒論 1 1.1研究意義 1 1.2國內外玻璃幕墻清潔機器人的研究現(xiàn)狀 1 1.3本課題研究現(xiàn)狀趨勢和意義 3 1.4研究內容和研究方法 4 1.4.1研究內容 4 1.4.2研究方法 4 2. 清潔機器人的總體方案 5 2.1清潔機器人的總體結構 5 2.2清潔機器人的選型 6 2.2.1移動方式的選型 6 2.

62、2.2吸附方式的選型 7 2.2.3物理清洗方式的選型 8 3. 高空玻璃幕墻的清潔機器人的總體結構設計 10 3.1清潔機器人需要的參數(shù)要求 10 3.2清潔機器人吸附系統(tǒng)的設計 10 3.3清潔機器人運動系統(tǒng)的設計 13 3.3.1運動選型 13 3.3.2電動機的計算與選型 14 3.3.3齒輪的相關計算 15 3.3.4運動原理與路線 18 3.4清潔機器人換向裝置的設計 19 3.5清潔機器人清潔系統(tǒng)的設計 20 3.5.1清潔工作原理 20 3.5.2清潔部分刷頭的設計 21 3.5.3清潔部分電動機的選擇要求 22 3.6清潔機器人單片機的設計 23

63、 3.7本章小結 23 4. 結論 24 4.1研究的結論 24 4.2改進 25 致謝 26 參考文獻 27 1 .緒論 1.1研究意義 高空玻璃幕墻作為城市的形象，越來越廣泛的出現(xiàn)在了人們視野中。 人們在注意其擋風、遮陽等功能的同時也越發(fā)在意其衍生出來的美感，是 否干凈整潔就成了判定這座大樓是否能去的一個選擇因素。 根據(jù)2017年的數(shù)據(jù)顯示，中國大約有25億平米的幕墻，每年新建幕 墻約為9(X)0萬平方米，到2019年,我國的幕墻數(shù)量可能會達到27億平米， 若以3元/I平米的單價，一年一次的頻率進行清理，則國內幕墻清洗的規(guī) 模約在81億元。再加上不同地區(qū)不同

64、要求，以及每年新增幕墻數(shù)量，這個 規(guī)模只會越來越大。 而現(xiàn)在的問題在于，傳統(tǒng)的“蜘蛛人”模式并不能適應現(xiàn)在幕墻的發(fā) 展速度，越來越高的幕墻將會產(chǎn)生極大的安全問題和隱患，同時在高空作 業(yè)時的精神緊繃也會使作業(yè)的“蜘蛛人”無法實現(xiàn)自己在平地或是低空時 的清潔速度，這不僅會造成工作時間的延長，也會增加額外的清潔成本。 因此，本文設計了一款高空玻璃幕墻的清潔機器人用來完成高空的玻 璃幕墻的清潔工作。它能在保證安全的前提下進行作業(yè)，以相對均勻的速 度完成工作。這不僅僅能更好的幫助人們預估出情節(jié)完成所需要的時間， 還能同時增加機器人數(shù)量來加快清理的速度。本方案具有結構簡單、控制 方便、

65、操作容易等特點。 1.2國內外玻璃幕墻清潔機器人的研究現(xiàn)狀 (DEI本在上世紀60年代就率先開展了壁面移動清潔機器人的研究， 更是在1996年就由大阪府立大學工學部的講師西高研制出了第一臺機器人 樣機，它使用風扇進氣一側產(chǎn)生的低壓空氣來產(chǎn)生負壓從而達到吸附作用。 在1975年，日本又制作了單吸盤模式的二號樣機，到1978年，一臺名為 Walker⑵的單吸盤式清潔機器人橫空出世如圖l-lo在日本進行清潔機器人的同時，其它國家也開始了屬于自己的研究，例如：兩用清潔機器人⑶如 圖l-2(abc)、便攜式自主窗戶清潔機器人⑷如圖1-3。有的甚至已經(jīng)開始投 入市場，例如科沃斯公司研制的

66、窗寶擦窗機器人如圖1-4。 圖1-1 Walker機器人 圖1-2兩用清潔機器人 圖1-3便攜式清潔機器人 圖1-4窗寶機器人 (2)相對于外國，我國的清潔機器人研發(fā)起步可謂是很晚的，但在發(fā) 展勁頭上，我國卻有著后來居上的態(tài)勢。田靜眉提出了真空吸附式壁面清 洗機器人的構型設計基本原則⑸，之后各種形勢的清潔機器人層出不窮， 例如：模塊化雙腔體負壓爬壁機器人、六足攀爬清洗機器人⑹如圖1-5、平 行四邊形雙車越障清潔機器人⑺如圖1-6.纜繩式機器人。同樣也有著推出 到市場的例子，如蘇州藍天潔士公司的三種型的清洗機器人㈤如圖1-7。但 這些都不能完全替代現(xiàn)在人工的“蜘蛛人”模式，清洗機器人仍有很大的 發(fā)展空間。 圖1-5六足攀爬清洗機器人 圖1-6平行四邊形雙車越障清潔機器人 圖1-7藍天潔士 1.3本課題研究現(xiàn)狀趨勢和意義 建筑作為城市的形象，必會在第一時間為人們所關注，而作為皮膚的 幕墻的干凈與否則直接決定了這個城市給他人的印象的好壞。隨著建筑層 數(shù)的增加，以純人工來清潔高空幕墻的可能性變得越來越小，為了解決這