玻璃清洁机器人结构设计--壁面清洗机器人说明书

玻璃清洁机器人结构设计摘 要本文首先对玻璃清洁机器人这个课题的来源、目的及意义进行了阐述，简单介绍了国内外玻璃清洁机器人的发展情况，对玻璃清洁机器人的几种不同的移动方式及吸附方式进行了比较，最后采用了多吸盘的框架式结构，具有结构简单、操作方便等优点。接着对玻璃清洁机器人的总体方案进行了设计，设计了行走机构以及转向机构，通过平动气缸与腿部气缸来实现机器人的移动，并且通过对玻璃吸附可靠性的分析选择了吸盘、吸盘支座及快拧接头等部件，还对其它的气动元件进行了选型，并且绘制了气压系统图。关键词：玻璃清洁机器人; 多吸盘的框架式结构; 行走机构; 转向机构;ABSTRACTThis paper on the glass cleaning robot source, purpose and significance of the topic, introduces the development situation of glass cleaning robots at home and abroad, several different mobile ways of glass cleaning robot and adsorption methods were compared, and finally adopted more suction cup frame type structure, has the advantages of simple structure, convenient operation. Then for glass cleaning robot design, the overall scheme of the walking mechanism and steering mechanism design, through the translation of cylinder and the leg cylinder to realize the movement of the robot, and through the analysis of the surface adsorption reliability choose chuck, chuck support and quick screw connector components, such as also for other pneumatic components selection, and map the pneumatic system. Keywords: glass cleaning robot; Suction cup frame type structure; Walking agencies; Steering mechanism; 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 爬壁机器人11.2 课题的目的与意义21.3 国内外玻璃清洁机器人的研究现状21.4 课题主要内容及技术参数41.5 本章小结42 玻璃清洁机器人的方案确认52.1 玻璃清洁机器人的组成52.2 玻璃清洁机器人的方案确认62.3 本章小结63 玻璃清洁机器人的总体设计73.1 行走机构的设计73.1.1 平动气缸的设计与校核73.1.2腿部气缸的设计与校核123.3 转向机构的设计143.2.1 步进电机的选型143.2.2 蜗轮蜗杆的设计与校核153.3 吸附装置的选取183.3.1 吸附可靠性分析183.3.2 吸附装置的选取203.4 玻璃清洁机器人的框架以及吸盘安装板的设计223.4.1 下框架的设计223.4.2 上框架的设计233.4.3 中间旋转板的设计243.4.4 吸盘安装板的设计243.5 控制阀及其它气动元件的选取253.5.1气源处理组件的选取253.5.2 方向控制阀的选取253.5.3 单向节流阀的选取263.5.4 真空安全阀的选取273.5.5 分气块的选取273.5.6 气电压力转换器的选取273.5.7 真空发生器的选取283.6气动原理图的设计283.7 本章小结29结论29参考文献30致 谢31III1 绪论1.1 爬壁机器人捷克的剧作家卡雷尔凯培尔最先提出了机器人这个词语，体现出了人类想要创造出一种能够模仿人的行动的机器，从而能代替人类去进行不同的工作的一种长久的愿望。国际ISO组织把机器人定义为一种自动的、位置可以控制的、具有编程功能的多功能机械手，然而我国的蒋新松院士则建议把机器人定义为一种拟人功能的机械电子装置。机器人是一种涉及到电子学、机械工程、控制理论、人工智能、仿生学、力学等多种学科相互交叉以及计算机技术、传感器技术、控制技术、电子技术、驱动技术等多种技术相互融合的复杂系统，也是一种边缘科学。机器人技术水平的高低在某种意义上能够体现出一个国家工业生产能力与科技水平的综合能力，随着科学技术的迅速发展以及人类生产和生活需求的不断增长，机器人技术被广泛应用到人类生活中的方方面面，它已经成为了高技术领域内具有代表性的研究目标，并且为社会带来了巨大的经济效益。机器人技术的出现以及发展不但从根本上改变了传统的工业生产，对人类的社会生活也产生了深远的影响。玻璃爬行机器人是从极限作业机器人中产生出的一个分支，它主要在玻璃或者高空中移动的同时进行作业，由于在现代社会中有许多作业场合对人的身体有比较大的伤害，甚至不适合人类亲身投入其中，这种情况下玻璃爬行机器人便可以代替人类去完成这些危险工作，因此爬壁机器人的重要性越来越得到人类的认可。目前国内外的许多现场作业中已经投入了相当数量的玻璃爬行机器人，其主要集中在以下几个行业：（1）核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚以及焊缝探伤等（2）石化工业：对圆形大罐或者球形罐的内外玻璃进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐等（3）建筑行业：用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并且对瓷砖和玻璃玻璃进行清洗等（4）消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作等（5）造船行业：用于喷涂船体或轮船内壁等（6）电力行业：用于对电站锅炉水冷壁管壁厚度进行测量等本文所设计的玻璃清洁机器人属于玻璃爬行机器人在建筑行业中的运用，主要用于对建筑物玻璃以及光滑外壁的清洗。1.2 课题的目的与意义清洗工人搭乘吊篮、升降平台或者直接腰系绳索，进行高空擦洗。虽然简便易行，但劳动强度大，工作效率低，稍有不慎还就会出现坠落事故，造成伤亡，人工作业的效率也很低。随着人类社会的不断进步，科学技术的日益发展，人们对生活质量和工作环境的要求越来越高，为了提高清洗效率并且把清洗工人从恶劣的工作环境中解脱出来，有待开发一种自动清洗作业系统。玻璃清洁机器人是一种实用性很强的装置。自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术的研究受到了人们广泛的关注，但是大都只是进行了一些实验性质的研究，其相关的理论分析还不成熟，结构设计虽然百花齐放，但真正能用于实际工作的却很少。作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工具具有简单、重复的特点，比较适合机器人的自主工作，玻璃清洁机器人是以清洗高层建筑为目的的玻璃移动机器人，它的出现将会极大地降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，同时提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的经济效益和社会效益。因此，玻璃清洁机器人具有良好的应用前景。1.3 国内外玻璃清洁机器人的研究现状在我们国家从七十年代的初期开始研究以及开发机器人，1975年，川崎重工业公司在北京举办的日本科技展览会上展出了Unimate-2000型的搬运机器人，从此在我国便掀起了第一个机器人的研究浪潮，许多单位都开始了对机器人的研制。哈尔滨工业大学的机器人研究所研发设计了我国的第一台爬壁式遥控检查机器人，它主要用来对核废料储罐的安全情况进行检查，该机器人的特点为用了一种称为“全方位轮”的新结构轮子作为行走的机构，这是瑞典的MECANUM公司的全新的技术。哈尔滨工业大学从1988年起研发制造了两种玻璃爬行机器人，1996年研发成功的多功能履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人是针对石油企业的储油和储水钢罐定期喷砂除锈、喷漆防腐及涂层厚度等进行检测工作而研发制作的；哈尔滨工业大学所研发制造的另外一种机器人是一种单吸盘的轮式爬壁机器人，该机器人为真空吸附式，并且采用了全方位的车轮结构，在机器人本体的方向位置不改变的状况下可以沿着任意的直线方向进行运动，这种机器人本体重量为20千克，能够负载15千克，移动速度为0-2米/分钟，控制系统采用了微机控制与遥控。北京航空航天大学从1996年开始先后研发制造了WHSHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、灵巧型擦窗机器人、吊篮式擦窗机器人以及蓝天洁宝等等一系列的清洗机器人，前三种玻璃清洁机器人都是全气动式的自主步行移动清洗机器人，采用了十字框架结构，机器人上所有的部件都是由气缸来驱动的，十字框架结构由两个无杆气缸组成，这样的玻璃清洁机器人有着结构紧凑的特点。机器人在可以伸缩的腿部上装有真空吸盘，能够通过腿部交替的吸附以及气缸的运动在玻璃幕墙或玻璃上进行横向或者纵向的运动以及实现越障功能。CLEANBOT和SKYCLEANER这两种清洗机器人在两个主要气缸之间设置了腰关节，在机器人发生偏斜的时候能够通过纠偏运动让机器人回到正常运动的状态，SKYCLEANER机器人的腿部与吸盘采用了微动铰链连接，可以克服玻璃面上的二度折角变化。灵巧型擦窗机器人重量只有20kg，尺寸为0.4m0.8m0.2m（宽长高）。吊篮式擦窗机器人通过模拟人类的手擦窗的动作来进行清洗作业，蓝天洁宝是一种被动式的清洗机器人，它具有结构简单、工作效率高等特点。北京清华大学的机器人与自动化实验室研发制作出名为TH-ClimberI的大型油罐的自动检测系统，该系统是以磁吸附式玻璃爬行机器人作为载体的，在磁吸附式玻璃爬行机器人的左右两边各自装了两个带轮，两个带轮以前后分布，分别与安装了永磁块的履带进行啮合，从而组成了机器人的移动机构。这种机器人采用了以两个后轮为主驱动轮的驱动方式，由一台直流伺服电机通过谐波减速器来带动后轮。在磁吸附式玻璃爬行机器人的面对玻璃的一边安装了涡流检测组件，这种组件通过直流电机与同步带机构来带动涡流探头在垂直于机器人运动路线的方向上来回地进行移动，通过继电器及行程开关来实现机器人的转向。这种机器人能够自动纠正运动路线上的偏差并且识别出机器人当前所在的位置，是一种拥有一定智能的爬壁机器人。上海大学的特种机器人技术应用研究室研发制造了多真空吸盘的多层框架式玻璃爬行机器人，这种机器人拥有三层框架，上下两个框架都能够与中间框架进行相对的直线运动，中间框架则可以带动上框架一起与下框架作相对的旋转运动，在上下两个框架上分别安装了四个真空吸盘，可以通过上下框架的吸盘的交替吸附实现机器人在玻璃上的移动，该机器人的最大移动速度为7m/min，机器人本体重量为50kg，负载能力为55kg，能够越过高为60mm的高度，控制系统采用了无线射频的遥控操作。浙江工业大学的机电学院正在自行研发一种以气动柔性驱动器为基础的小型多吸盘式玻璃爬行机器人，这种玻璃爬行机器人采用真空吸附，可以实现在平地或玻璃上进行直线或弯曲的爬行。该机器人的结构主要由驱动装置、吸附装置以及提升装置构成。吸附装置包括五个吸盘以及相同数量的真空发生器，运动时保持三个以上的吸盘同时进行吸附。香港城市大学研制了一种十字架构的全气动式爬壁机器人，这种玻璃爬行机器人由玻璃爬行机器人本体、供应小车、空压机以及控制器组成，本体长度为1220mm，宽为1340mm，高度为370mm，机器人本体重量为30kg。该机器人的本体由两个垂直正交的气缸所组成，通过两个垂直正交的气缸的伸缩来实现机器人在各个方向上的移动，这种机器人还有一个由摆动气缸所组成的腰关节，用来校正方向上的误差。在机器人的水平和垂直气缸的端部安装有4个垂直于玻璃的气缸作为机器人的腿部，通过机器人的4条退的伸缩来完成机器人的越障动作。机器人的清洗装置安装在水平气缸的两侧，清洗装置能够通过水平气缸的伸缩运动来实现对左右方向的清洗工作。机器人的每条腿上都安装有4个吸盘，机器人通过这些吸盘对玻璃进行吸附，从而保证机器人不会滑落。机器人可以通过由一个CCD摄像机和两个激光二极管所组成的视觉系统来测量其本体与窗户的相对位置，视觉系统还具有识别工作表面的卫生情况以及确定要清洗的位置的功能。这种机器人由于采用了十字架构以及真空吸附，并且采用气压来进行驱动，因此结构简单，灵活性好，但是存在着清洗的盲区，以及整体的刚性比较差等缺点。图1-1十字型架构的全气动式爬壁机器人1.4 课题主要内容及技术参数课题主要内容：（1）完成移动机构设计和相关计算，真空吸附、气压驱动的框架式结构的设计，清洗作业装置的设计；（2）气动系统的设计；1.5 本章小结本章对课题的来源、目的与意义进行了介绍，对国内外玻璃清洁机器人的研究现状进行了分析，并且列出了本课题的主要内容和技术参数。2 玻璃清洁机器人的方案确认2.1 玻璃清洁机器人的组成一个完整的玻璃清洁机器人应该包含有本体以及控制两个部分，其中本体结构又包括移动部分、吸附部分和清洗装置。移动部分包括了玻璃清洁机器人的行走与转向，通过气缸来控制机器人的行走，步进电机与蜗轮蜗杆则控制机器人的转向；吸附部分由机器人腿部的吸盘组成，通过吸盘组来保证玻璃清洁机器人在玻璃上吸附的可靠性；清洗装置包括了三相电机与圆盘刷，通过电机带动圆盘刷转动来起到清洗的目的。控制部分则采用了可编程控制器，也就是PLC来对整个机器人的动作进行控制，以便达到控制简单可靠的目的。玻璃爬行机器人的主要功能分为移动及吸附功能，由于存在多种不同的移动方式与吸附方式，因此要对这些移动和吸附方式进行分析比较，从而选择出最适合本课题的结构。表2-1 玻璃移动机器人的各种移动方式比较移动方式优点缺点车轮式移动速度快，行走控制简单着地面积小，维持吸附力较困难履带式对玻璃适应能力强，着地面积大体积大，结构复杂，转弯比较困难，重量较大脚步式对玻璃适应能力、越障能力和带载能力均较强移动速度慢，动作有间歇性，结构复杂，控制难度大框架式结构简单，刚性较好，控制方便，越障能力和带载能力均较强移动速度慢，有间歇性表2-2 玻璃移动机器人的各种吸附方式比较吸附方式优点缺点单吸盘真空吸附式容易实现小型化、轻量化且结构简单、容易控制要求玻璃有一定的平滑度，越障能力低，不适应复杂玻璃环境，遇到裂缝或凹凸面负压难维持多吸盘真空吸附式吸盘尺寸小，密封性较好，吸附稳定可靠，越障能力和带载能力较强吸盘的增多会带来结构的复杂化，控制的难度也增加续表2-2吸附方式优点缺点永磁体磁吸附式能产生较大的吸附力，不受玻璃凹凸或裂缝的限制，不消耗电能，不受断电的影响只能在导磁玻璃上爬行，步行时磁体与玻璃脱离需要较大的力电磁体磁吸附式能产生较大的吸附力，不受玻璃凹凸或裂缝的影响，控制比较方便只能在导磁玻璃上爬行，维持吸附力需要耗能，电磁体本身重量很大推力吸附式无泄漏问题，对玻璃形状、材料适应能力强负载小，难以控制，噪音很大，体积大效率低2.2 玻璃清洁机器人的方案确认参照上表中对玻璃清洁机器人的几种移动方式与吸附方式的分析比较，这里采用了多吸盘框架式结构的玻璃清洁机器人。框架式结构比起其它几种结构有着结构简单、刚性较好、控制方便、越障能力与带载能力较强等优点。由于磁吸附式对玻璃的材料有特殊要求，而推力吸附式又有着负载小、难控制、体积大等缺点，又因为多吸盘有着尺寸小、密封性好、吸附稳定可靠、越障能力和带载能力较强等优点，因此这里采用了真空吸附式的多吸盘结构来实现吸附功能。2.3 本章小结本章通过综合比较几种常用的移动方式和吸附方式，最终选用吸盘作为运吸附方式。3 玻璃清洁机器人的总体设计3.1 行走机构的设计机器人的行走机构主要由1个平动气缸与6个腿部气缸来共同实现机器人的行走功能，机器人由两个外形相似的框架组成，每个框架上安装有三个提升气缸，每个提升气缸上则安装有一组吸盘组，两个框架中间还有一块中间旋转板，中间旋转板上装有一个平动气缸与两个导轨。当机器人要开始移动时，上框架的提升气缸的吸盘脱离吸附，提升气缸缩回，然后中间旋转板上的平动气缸伸出，带动上框架沿着导轨的方向移动，气缸完全伸出后，上框架的提升气缸伸出，气缸上的吸盘吸附住玻璃，然后下框架的提升气缸上的吸盘脱离吸附，提升气缸缩回，中间旋转板上的平动气缸缩回，带动下框架移动，平动气缸完全缩回，下框架的提升气缸伸出，气缸上的吸盘吸附住玻璃，这样就完成了一次行走过程。图3-1 玻璃清洁机器人的平动示意图3.1.1 平动气缸的设计与校核平动气缸主要用来实现玻璃清洁机器人的前后移动，它安装在上下框架间的中间旋转板上，由于机器人水平运动时气缸的活塞杆会承受比较大的径向力，因此在平动气缸的两边分别安装有一个与气缸的活塞杆平行的导轨。图3-2 平动气缸与导轨的位置关系图（1）平动气缸的受力分析机器人运动时平动气缸有三种受力状态，分别是垂直向上爬行时，垂直向下爬行时与水平爬行时。1）垂直向上爬行时：当机器人垂直向上爬行时，平动气缸有两种受力情况，一种是下框架吸附时气缸带动上框架向上伸出，这时平动气缸受到轴向的压力F。图3-3 垂直上爬下框架吸附时平动气缸受力图图3-3中F为平动气缸受到的轴向压力。 （3-1）垂直向上爬时的另外一种受力情况是上框架吸附时平动气缸带动下框架向上运动，这时气缸的活塞杆承受拉力F。图3-4 垂直上爬上框架吸附时平动气缸受力图图3-4中F为平动气缸的活塞杆所承受的拉力。 （3-2）2）垂直向下爬行时：玻璃清洁机器人在垂直向下爬行时，平动气缸也有两种不同的受力情况。一种是下框架吸附时平动气缸带动上框架向下运动，这时平动气缸的活塞杆受到拉力F。图3-5 垂直下爬下框架吸附时平动气缸受力图图3-5中F为平动气缸的活塞杆受到的拉力。垂直向下爬行时的另外一种受力情况是上框架吸附时平动气缸带动下框架向下运动，这时气缸的活塞杆受到压力F。图3-6 垂直下爬上框架吸附时平动气缸受力图图3-6中F为平动气缸的活塞杆受到的压力。3）水平运动时：玻璃清洁机器人水平运动时，气缸也处于水平状态，这时气缸的伸缩只要克服径向的摩擦力，由于导轨和气缸的活塞杆都是光滑的，可以认为气缸的活塞杆不受拉力和压力，由径向力产生的弯矩由两边的导轨来承受，这样可以起到保护气缸的作用。（2）平动气缸的选型根据以上所作的受力分析来看，平动气缸承受的最大拉力与最大压力都为245N，因此选用双作用单活塞杆气缸，气缸需要满足以下式子： （3-3）式子中的D为活塞的直径，d为活塞杆的直径，F为气缸承受的最大压力，P为工作压力，这里取为6bar。经过选型这里选择德国Festo公司的DNG-40-250-PPV-A型气缸作为平动气缸，型号中的40表示活塞直径为40mm，250则表示行程为250mm。气缸的两端有可调缓冲器，该气缸在6bar工作压力下的理论推力为753N，理论返回力为633N，比计算所得的最大压力和最大拉力都大。气缸重量为1790g，气接口为G1/4，活塞杆上的螺纹为M121.25。（3）平动气缸的校核平动气缸在玻璃清洁机器人的运动过程中有两种受力状态：受轴向的拉、压力和受到径向的弯矩。轴向的拉、压力大约是机器人重量的一半，气缸的活塞杆完全可以承受，因此需要校核平动气缸所受到的径向弯矩。机器人在水平移动时平动气缸的活塞杆受到径向力，为了提高抗弯强度，在平动气缸的两边分别设计了导轨和滑块，用来分担平动气缸承受到的大部分弯矩。图3-7 平动气缸弯矩校核计算图如上图所示，（a）图为平动气缸缩回时的受力图，（b）图为平动气缸伸出时的受力图，从图中可以看出平动气缸没有受到扭矩的作用，因此只需要对弯矩进行校核。首先对（a）图的状态列出力和力矩方程，以作用力N的作用线上的某一点为基准，可得： （3-4） （3-5）由式（3-5）可得：然后对（b）图的状态列出力和力矩方程，以O点位基准，可得： （3-6）由式（3-4）可得：代入式（3-6）可得： （3-7）机器人总重为35kg，G为机器人重量的一半左右，因此G可以取18N，F=0.1818=32.4N，即平动气缸的活塞杆所受的最大力为32.4N，由选定气缸的行程为250mm可在图3-8中查得所能承受的最大侧向力为45N，因此该气缸满足抗弯条件，可以使用。图3-8 Festo气缸侧向力与行程关系图3.1.2腿部气缸的设计与校核（1）腿部气缸的受力分析本课题设计的玻璃清洁机器人在上下框架上分别装有三个提升气缸，移动时主要作伸出时吸附于玻璃以及缩回时脱离吸附这两个动作，伸出和缩回时基本不承受任何的轴向力，但是承受一定的径向力。气缸伸出时径向力较大，等于机器人的总重，从参数列表中得出机器人总重为35kg，这个重量由机器人的提升气缸承受；缩回时的径向力由吸盘、吸盘支座及吸盘安装板所产生，由于这些部件的重量很轻，因此径向力较小。（2）腿部气缸的选型腿部气缸基本上不承受轴向的力，因此从行程和尽量轻的原则上来选型。本课题的腿部气缸选择了德国Festo公司的DNC-40-50-PPV-A型气缸，型号中的40代表活塞的直径为40mm，50代表气缸的行程为50mm，气缸两端有可调缓冲器，气缸重量为1025g，气接口为G1/4，活塞杆的螺纹为M121.25，通过该螺纹实现气缸与吸盘安装板的连接。图3-9 腿部气缸、吸盘与吸盘安装板的安装示意图（3）腿部气缸的校核通过上面的受力分析可以知道，腿部气缸在伸出时承受机器人的总重，这时腿部气缸主要承受弯矩，而在缩回时则主要承受吸盘、吸盘支座和吸盘安装板等部件的重力所产生的弯矩和扭矩，要分别对弯矩和扭矩进行校核。1）弯矩校核：分析腿部气缸伸出和缩回时的弯矩大小可以得知气缸伸出时受到的弯矩要远远大于缩回时受到的弯矩，因此这里针对气缸伸出时的弯矩进行校核。根据所选气缸的型号可以得知腿部气缸的行程为50mm，查图2-8得气缸可以承受的最大侧向力为140N，当三个气缸同时作用时能承受的最大侧向力则为1403=420N。玻璃清洁机器人的总重为35kg，完全可以满足弯矩条件。2）扭矩校核：由于气缸只在活塞杆缩回时才可能受到扭矩的作用，若受到扭矩的作用，该扭矩由吸盘、吸盘支架与吸盘安装板产生。活塞杆伸出时，至少有三个气缸呈正三角形分布吸附，因此气缸没有受到扭矩的作用，这里要校核扭矩只需要对气缸活塞杆伸出时的情况进行分析。图3-10 腿部气缸力臂图如图3-10所示，MN为一条铅垂线，图中的三个圆代表了三个吸盘，它们呈正三角形分布，O点代表气缸的轴心，A、B、C三点代表把吸盘假象为一个质点的位置，角为吸盘组顺时针转过的角度，r1、r2、r3为三个吸盘的力臂，假设每个吸盘以及吸盘支架的重量为G，正三角形ABC的边长为a。则可得： （3-8） （3-9） （3-10）由式（3-8）、（3-9）、（3-10）可得： （3-11）由上式可以看出中心点O受到的扭矩为0，因此气缸的活塞杆所受的扭矩为0，所选气缸可以使用。3.3 转向机构的设计本课题设计的玻璃清洁机器人拥有转向的功能，转向机构由一个步进电机和一对蜗轮蜗杆的减速机构组成。一开始机器人的六个腿部气缸都处于吸附状态，当开始转动时，上框架脱离吸附，气缸缩回，步进电机带动蜗轮蜗杆转动，蜗轮再带动中间旋转板和上框架一起转动，转动完毕后上框架的气缸伸出吸附，这样安装在中间旋转板上的平动气缸与导轨也转动了相同的角度，机器人便完成了一次转动。图3-11 步进电机与蜗轮蜗杆安装示意图3.2.1 步进电机的选型本设计中的玻璃清洁机器人是一个关于转轴的中心对称的结构，机器人在玻璃进行工作时受到的转动力矩很小（只有摩擦产生的力矩），基本上可以忽略不计，在步进电机的选型上本设计选用了无锡三拓电气有限公司所生产的57BYG3504型三相混合式步进电机，主要参数如下表：表3-3 步进电机参数列表型号步距角相数驱动电压（V）相电流（A）保持转矩（Nm）空载起动频率（步/秒）空载运行频率（千步/秒）转动惯量（Kgcm2）相电感（mH）重量（Kg）57BYG35040.633631.11600200.46-1.13.2.2 蜗轮蜗杆的设计与校核玻璃清洁机器人的动力源为三相混合式步进电机，其中蜗杆与电动机直联，蜗轮通过蜗轮轴与中间旋转板固接。（1）蜗杆的选型GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI蜗杆）。（2）蜗杆副的材料玻璃清洁机器人中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZcuSn10P1，采用金属模铸造。（3）蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸取中心距a=50mm，传动比i=82，模数m=1mm。蜗杆的参数与尺寸：头数，模数m=1mm，轴向齿距为： （3-12）轴向齿厚为： （3-13）分度圆直径，直径系数为： （3-14）分度圆导程角为： （3-15）取齿顶高系数，径向间隙系数，则齿顶圆直径为： （3-16）齿根圆直径为： （3-17）蜗轮的参数与尺寸：齿数，模数m=1mm，分度圆直径为： （3-18）变位系数为： （3-19）蜗轮喉圆直径为： （3-20）蜗轮齿根圆直径为： （3-21）蜗轮咽喉母圆半径为： （3-22）（4）校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度由蜗杆头数，传动比i=82，可以算出蜗轮齿数。则蜗轮的当量齿数为： （3-23）根据蜗轮变位系数和当量齿数，查得齿形系数，螺旋角影响系数为： （3-24）根据蜗轮的材料和制造方法，查得蜗轮的基本许用弯曲应力为：蜗轮的寿命系数为： （3-25）蜗轮的许用弯曲应力为： （3-26）蜗轮的齿根弯曲应力为： （3-27）可见，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。3.3 吸附装置的选取3.3.1 吸附可靠性分析玻璃清洁机器人要可靠稳定地吸附在玻璃上需要克服两个力：重力和倾覆力矩。克服重力的作用是要使玻璃清洁机器人在重力的作用下不会滑落，克服倾覆力矩的作用是使玻璃清洁机器人不会再倾覆力矩的作用下脱离吸附。综合分析本设计中的玻璃清洁机器人的结构及运动特点可以得出，上框架的气缸缩回、下框架的气缸吸附并且一个腿部气缸在上、两个腿部气缸在下处于同一水平线上时最容易跌落，因此对这种状态下的机器人的受力情况进行分析。图3-12 玻璃清洁机器人的受力分析图上图中F为吸盘组的真空吸附力，N为玻璃对吸盘组的法向推力，G为玻璃清洁机器人的总重力，f为吸盘组受到的摩擦力，为上面一组吸盘的几何中心与后面两组吸盘的几何中心的连线的垂直距离，为玻璃清洁机器人以及负载的等效中心与玻璃的距离。玻璃清洁机器人能够可靠吸附玻璃的条件是重力要比最大静摩擦力小，根据摩擦力的特性，在一般的工作情况下，最大静摩擦力比滑动摩擦力大，为了防止玻璃清洁机器人从玻璃上滑落，必须要满足以下式子： （3-28）上式中f为下框架所有吸盘组的总滑动摩擦力，为吸盘对于玻璃的滑动摩擦系数。分析垂直于玻璃方向与平行于玻璃方向的受力情况，可以列出以下两个力的平衡方程： （3-29） （3-30）上面一组吸盘的几何中心到下面两组吸盘的几何中心的连线的距离为 （3-31）上式中r为三个吸盘组所在的圆的半径。考虑到真空吸附力、玻璃对吸盘的法向推力和重力可以列出以下力矩方程： （3-32）为了使计算更加简单，这里假设每个吸盘组的真空度是相同的，这样每个吸盘组受到的真空吸附力也是相同的，玻璃对下面两组吸盘的法向推力也是相同的，这样可以得出，代入式（3-32）可得： （3-33）把式（3-33）代入式（3-29）得： （3-34）吸盘要克服倾覆力矩保持不脱落要满足的条件。结合上述式子可以得出： （3-35） （3-36） （3-37）上面三个式子为玻璃清洁机器人在玻璃上工作的可靠吸附条件，式（3-35）、（3-36）为玻璃清洁机器人不会倾覆的条件，式（3-37）为玻璃清洁机器人在重力的作用下不会下滑的条件。3.3.2 吸附装置的选取（1）吸盘等吸附装置的选取本设计中玻璃清洁机器人的所有气动元件都是德国Festo公司的产品，吸盘与建筑玻璃的摩擦系数也是根据Festo公司所提供的数据选取。本设计中选择的吸盘材料为丁腈橡胶，考虑到玻璃清洁机器人的工作表面为瓷砖或玻璃，相比瓷砖玻璃的摩擦系数更小，因此出于安全考虑这里采用玻璃的摩擦系数，其值为0.5，由于清洗时玻璃表面会变得湿润，因此摩擦系数将会降低10%40%，为了使机器人的吸附更加安全可靠，这里取摩擦系数会降低的最大值40%，可求得摩擦系数为： （3-38）从所给的玻璃清洁机器人的技术参数可以得知机器人的本体重量为20kg，负载能力为15kg，因此总重G=35kg。从绘制的装配图中可以量得三个吸盘组所在的圆的半径为r=572mm，上面一组吸盘的几何中心与后面两组吸盘的几何中心的连线的垂直距离，将这些参数代入式（3-35）可得F=448N，代入式（3-36）可得，代入式（3-37）可得F=1166.7N。式（3-36）是一个验证条件，在选取吸盘的计算中可以不考虑，但是在选取吸盘后要用这个式子来验证。从三个式子的计算结果可以得出对于玻璃清洁机器人的吸附可靠性影响最大的是式（3-37），即机器人在重力作用下的下滑力，因此选取吸盘时以式（3-37）为依据。从式（3-37）可以看出所有处于吸附状态的吸盘要保证机器人在重力的作用下不下滑所要产生的真空吸附力为1166.7N，这个真空吸附力由三个吸盘组共9个吸盘来分担，每个吸盘要分担129.6N的力。由下式可以选取吸盘的直径： （3-39）上式中F为单个吸盘的吸附能力，p为吸盘的真空度，根据实际情况取-0.08MP，为吸盘的实际面积，为吸盘的有效面积，一般取吸盘实际面积的80%，为安全系数，选取为2。由这些参数可以得到吸盘的实际直径为： （3-40）从计算结果可以选择吸盘的直径为80mm，从Festo公司给的吸盘参数可以看出直径80mm的吸盘在-0.07MP下的脱离力为309.7N，结合式子（3-36）可以得出：只要有四个吸盘同时吸附并且最上面的吸盘组至少有一个吸盘吸附时玻璃清洁机器人就不会从玻璃脱离从而导致滑落或倾覆。本设计中选取了Festo公司的ESS-80-SN型的真空吸盘及ESH-HA-5-G型的支座，吸盘型号中的ESH代表该型号的整套吸盘，80代表吸盘的直径为80mm，SN代表材料为丁腈橡胶的普通圆形吸盘，另外为了气管便于安装，为每一个吸盘配了一个快拧接头，安装在吸盘支座的上面，快拧接头的型号为QSR-G1/8-6,这种快拧接头的优点是质量轻、便于安装、气管固定牢靠、即便在腿部气缸的伸缩所产生的较大的张力之下也可以正常地工作。图3-13 吸盘、吸盘支座与快拧接头的结构图（2）吸盘的布局根据计算可得每组吸盘由三个单独的吸盘组成，吸盘组的排列一般有两种形式：正三角形与直线形。无论采用哪种排列方式，根据力的合成原理总可以把三个吸盘的吸附力合成为一个作用在几何中心的、方向与三个吸盘各自的吸附力方向相同的、力的大小等于三个吸盘的力的大小总和的合成力，并且不附加任何的力矩，因此采取任何一种排列方式都对玻璃清洁机器人整体的抵抗倾覆的能力没有大的影响，但是考虑到吸盘组排列的紧凑性与吸附的稳定性，这里就采用了三角形的排列形式。图3-14 吸盘的两种排列形式3.4 玻璃清洁机器人的框架以及吸盘安装板的设计本设计中玻璃清洁机器人的框架及吸盘的安装板等都是由自己设计的，为了减轻机器人的重量以及满足强度的要求，材料都选用铝合金，铝合金的密度为，比钢铁的密度要小得多，强度也满足需要。3.4.1 下框架的设计下框架上安装有3个腿部气缸，蜗轮蜗杆被安装在下框架的下部，蜗轮轴通过下框架中心的孔与中间旋转板固接，在机器人转向时下框架负责吸附玻璃，以保持机器人转向时的稳定。下框架采用铝合金材料，板的厚度为5mm，设计时要满足结构简单质量轻的条件，还要满足强度的要求，整块板采用了铸造工艺，成型后再进行切削加工。图3-15 下框架的结构图3.4.2 上框架的设计上框架的结构与下框架相似，由于上框架与下框架有一定的垂直距离，为了保持腿部气缸在同一个平面上工作，在上框架上设计了一个凸出的平台，腿部气缸安装在平台上，这样就可以使上下框架上安装的腿部气缸没有垂直距离差。上框架通过双耳环与安装在中间旋转板上的平动气缸连接，另外在上框架上安装有两个滑块，与中间旋转板上的导轨配合，通过平动气缸的伸出带动上框架向前运动来实现机器人的前进，转向时蜗轮通过与中间旋转板固接的轴带动中间旋转板转动，中间旋转板则通过平动气缸与导轨来带动上框架一起转动。图3-16 上框架的结构图3.4.3 中间旋转板的设计在上下两框架的中间设计了一块中间旋转板，中间旋转板通过一根垂直的轴与下框架连接，当蜗轮蜗杆工作时可以相对下框架进行转动，从而实现机器人的转向功能。中间旋转板还通过平动气缸的双耳环与两个导轨滑块与上框架连接，中间旋转板与上框架可以相对滑动，但是无法相对转动。同时在中间旋转板上开有两个圆形孔，能起到减轻重量的作用。图3-17 中间旋转板的结构图3.4.4 吸盘安装板的设计吸盘安装板是用来连接腿部气缸与吸盘支座的自制板，为了避免吸盘的变形对玻璃清洁机器人的工作的影响，三个吸盘的间隔设定为10mm，在吸盘安装板中心的周围有五个用来减轻重量的减重孔，吸盘安装板的厚度为5mm。图3-18 吸盘安装板的结构图3.5 控制阀及其它气动元件的选取3.5.1气源处理组件的选取由于在气压传动中，作为动力源的压缩空气中会夹带水分、油污或灰尘，这样会影响到气动元件的可靠性和使用寿命，因此气路中要有过滤净化的装置，另外气动元件的调压与润滑等都需要安装不同的装置。本设计中的气源处理组件选用了Festo公司生产的FRCS-1/8-D-7-MINI-A型的气源处理组件。图3-19 气源处理组件的符号图如图3-19所示，口1为进气口，口2为出气口，气源处理组件中从左到右为空气过滤器、减压阀、压力表、油雾器。空气过滤器的作用是过滤空气和分离水，能够过滤大于40m的污垢与灰尘，分离出的水可以自动排除；减压阀的作用是减压和稳定压力；压力表的作用是观察工作时的压力；油雾器的作用是使润滑油雾化，从而注入到空气流当中，随着空气流进入需要润滑的部位，从而能够对气动元件进行润滑。这种气源处理组件的气接口为G1/8，重量为760g，一般安装在气源的出口位置。3.5.2 方向控制阀的选取本设计中一共使用了7个气缸，其中有6个腿部气缸和一个平动气缸，6个腿部气缸分别装在上下框架上，每个框架上安装的3个腿部气缸的工作状态是一致的，因此上下框架上的气缸各自使用一个方向控制阀来控制，还有一个方向控制阀用来控制平动气缸。本设计中选用了Festo公司生产的用于标准应用场合的紧凑型方向控制阀CPE10-M1BH-5J-QS-6,这种方向控制阀的流量大、体积小并且功耗低，是一种双电控的内先导式两位五通电磁阀。图3-20 方向控制阀的符号图如图3-20所示，气接口1、2、4为快插接头，可以接外径6mm的气管，3、5为M7的排气口，82、84为M3，控制气路的排气口。这种方向控制阀由先导阀和主阀组成，先导阀为电磁阀，主阀为气动阀，压力空气通过主阀的进气口1进入先导阀，因此为内先导型。先导阀左侧通电时在左位工作，压力空气从口1经过先导阀进入主阀的左腔，推动主阀的阀芯换向，从而使主阀也在左位工作，右位工作时的情况与左位相似。主阀阀芯的工作状态就是整个方向控制阀的工作状态，这种方向控制阀有手动和电控两种不同的控制方式。3.5.3 单向节流阀的选取气动元件具有速度快和流量大的特点，因此在气缸的气接口处安装单向节流阀，单向节流阀由单向阀和节流阀所组成，用来控制双作用气缸的排气流量。这里选取Festo公司生产的GRLA-1/4-QS-6-RS-B型单向节流阀，这种节流阀自带快接插头，可以连接外径为6mm的气管。图3-21 单向节流阀的符号图如图3-21所示，进气时压缩空气从口1进入，从口2排出；排气时压缩空气从口2进入，从口1排出，单向阀关闭，压缩空气经过节流阀节流以后排出，在进气口与排气口形成压力差，该压力差就是单向节流阀为气动执行元件所提供的背压，能够使活塞保持在空气缓冲之间，可以帮助气缸平稳地运行并且减少了冲击。3.5.4 真空安全阀的选取由于每个框架上的吸盘共用一个真空发生器，如果有一个吸盘遇到墙壁裂缝就会造成所有吸盘都无法达到真空状态，因此本设计采用了真空安全阀。真空安全阀用在多个吸盘并行安装的情况，如果有一个或者多个吸盘失效的话，真空安全阀会关闭失效的吸盘，这样其它吸盘就能达到真空的状态，从而保证机器人能安全地吸附在玻璃上。本设计中选用了Festo公司生产的ISV-M5型真空安全阀，这种阀的进气口为M5内螺纹，出气口为M5外螺纹。图3-22 真空安全阀的符号图3.5.5 分气块的选取本设计中每个真空发生器要负责9个吸盘的真空状态，在真空发生器与真空安全阀之间有一个真空开关，因此分气块至少需要10个出气口。本设计中选取了Festo公司生产的FR-12-M5型分气块，该分气块有两个G1/8的进气口和12个M5的出气口。3.5.6 气电压力转换器的选取玻璃清洁机器人在工作时需要一个真空的建立时间，在真空建立时间内另外一组吸盘不能脱离吸附，当吸盘的真空度达到要求时另外一组吸盘才能脱离吸附，因此需要一个气电压力转换器来把压力信号转化为电信号，从而检测吸盘的真空度是否达到要求。本设计中选取了Festo公司生产的PEN-M5型气电压力转换器，这种气电压力转换器是一种常开型差压开关，压力是可以调节的。当吸盘的真空度达到要求时，气电压力转换器闭合并且输出电信号，通知控制器执行玻璃清洁机器人的下一个动作。图3-23 气电压力转换器的符号图3.5.7 真空发生器的选取玻璃清洁机器人一共有18个吸盘，分别安装在上下两个框架上，由于每个框架上吸盘的脱离和吸附时同步的，因此每个框架都采用一个真空发生器来使吸盘达到真空状态。本设计中选用Festo公司生产的VAD-ME-1/4型真空发生器。图3-24 真空发生器的符号图如图3-24所示，口1为G1/8的进气口，口2为G1/4的真空发生口，真空发生器的左边是带手动功能的电磁阀，中间位真空发生器，右边为消声器。气体从口1进入再从口3流出，将扩散腔2中的气体抽走，使2形成真空。真空发生器具有结构简单、安装方便、成本低和真空产生快等优点。3.6气动原理图的设计除了上述选取的气动元件之外，气路中要有一个气源，气源需要能够连续地工作，并且可以提供最高为8bar的工作压力，气源还应该尽量结构简单、重量轻，以便于运输。根据实际的工作环境，以及出于减轻负载的考虑，气源以及空气处理组件放置在楼顶，通过一根外径为8mm的PUN-81.25-BL型气管把压缩空气输送给玻璃清洁机器人的本体。图3-25 玻璃清洁机器人的气压系统图3.7 本章小结本章对玻璃清洁机器人的本体结构进行了系统的分析，对行走机构以及转向机构进行了设计计算，通过分析玻璃清洁机器人的吸附可靠性对吸盘、吸盘支座及快拧接头进行了计算和选型，也对一些自制件进行了材料的选择和结构的设计，最后对其它的气动元件进行了选型，并且绘制了玻璃清洁机器人的气压系统图。结论本文首先阐述了玻璃清洁机器人这个课题的来源、目的及意义，由于玻璃清洁机器人的本体为玻璃爬行机器人，因此对国内外的玻璃爬行机器人的发展情况进行了简单的介绍。在对本课题的玻璃清洁机器人的机械结构进行设计时，首先分析比较了几种不同的移动方式及吸附方式，最后确定了采用多吸盘的框架式结构，该结构具有结构简单、刚性好、控制方便、吸附稳定可靠及越障能力较好等优点。机器人的本体机构包括行走机构以及转向机构，行走机构由六个腿部提升气缸及一个平动气缸组成，机器人的上下两个框架上分别装有三个腿部气缸，每个腿部气缸上有一组吸盘，通过两个框架上的吸盘的交替吸附以及平动气缸的伸缩来实现机器人的移动；转向机构由一个步进电机和一对蜗轮蜗杆组成，转动时步进电机带动蜗杆转动，再带动蜗轮转动，通过蜗轮轴来带动中间旋转板及下框架相对上框架进行转动，从而实现机器人的转向。另外还对机器人的吸附可靠性进行了分析，并通过分析结果选择了吸盘、吸盘支座及快拧接头的型号。接着对其它的气动元件进行了选型，并且绘制了气压系统图。除了对机械部分进行了设计之外，本文还对玻璃清洁机器人的控制系统进行了选择和设计。玻璃清洁机器人作为机器人中的一个分支越来越受到人们的重视，随着科技的日益发展，玻璃清洁机器人的发展前景也会变得更广阔。参考文献1 王鹏玻璃自动清洗机器人关键技术研究上海：上海大学，2004-02-012 代智勇爬壁机器人模型设计、实验及研究上海：上海水产大学，2004-013 赵兴飞气驱爬壁机器人理论与实验研究重庆：重庆大学，2004-054 张越国内外玻璃移动式机器人的发展概况唐山工程技术学院学报，1994(1)5 刘淑霞玻璃清洁机器人控制技术的研究哈尔滨：哈尔滨工业大学6 肖立，佟仕忠，丁启敏，吴俊生爬壁机器人的现状与发展辽宁：辽宁石油化工大学信息工程学院7 徐殿国，王卫等日本玻璃移动机器人技术发展概况及我们的几点建议机器人1989-03，(4)：53-588 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