爬壁清洗机器人设计说明书

摘要随着经济的不断发展和建筑行业的兴起，摩天大楼如雨后春笋般涌现出来。世界上最高的大楼是迪拜的哈利法塔，高828米，楼层共有162层，玻璃幕墙面积达到14.2万平方米。中国修建的最高大楼为上海中心大厦，总高度为632米，玻璃幕墙达14万平方米。这些建筑都是科技的结晶，也是每一个城市的地标性建筑。但是玻璃幕墙在给人们美观享受的同时，也会带来一些清洁上的问题。这些高楼外墙的清洗工作是由人工完成，人工清洗耗费时间长，耗资巨大也非常容易出事故，危险性很高。当机器人技术越来越成熟，高层建筑大多采用玻璃做幕墙时，机器人代替人工进行清洗作业已成为应用趋势。因此，爬壁清洗机器人具有广阔的应用前景和良好的社会效益。本论文在机器人本体上安装清洗装置，利用吸盘来吸附墙面。驱动方式采用气缸来实现吸盘的抬起和落下，通过两个可以相对转动的吸盘实现移动行走，使玻璃幕墙的清洗过程实现自动化。本文采用Proe来完成机器人的三维图绘制并进行结构主体参数设计。最后，通过PLC进行爬壁清洗机器人控制部分的设计。关键词：爬壁清洗机器人；Proe；PLCAbstract With the continuous development of the economy and the rise of the construction industry, skyscrapers have sprung up.The tallest building in the world is Burj Khalifa in Dubai. It is 828 meters high, with 162 floors and 142,000 square meters of glass curtain walls. The tallest building built in China is the Shanghai Center Tower, with a total height of 632 meters and a glass curtain wall of 140,000 square meters. These buildings are the crystallization of science and technology and are landmarks for every city. However, the glass curtain wall will bring about some clean problems while people enjoy it. The cleaning of these high-rise exterior walls is done manually. Manual cleaning takes a long time. It is very costly and accident-prone. The danger is high. When robot technology becomes more and more mature, and high-rise buildings mostly use glass as the curtain wall, robots have become an application trend instead of manual cleaning. Therefore, wall-climbing robots have broad application prospects and good social benefits.In this paper, a cleaning device is installed on the robot body, and a sucker is used to adsorb the wall surface. The driving method adopts a cylinder to realize the lifting and falling of the sucker, and the movable walking is achieved through two suckers that can relatively rotate, so that the cleaning process of the glass curtain wall is automated. This paper uses Proe to complete the three-dimensional drawing of the robot and design the main parameters of the structure. Finally, the design of the control part of the wall-climbing robot is performed through the PLC.Keywords: Wall climbing cleaning robot；Proe； PLC 目录1 绪论11.1 选题背景及意义11.2国内外研究现状与发展趋势11.2.1国外研究现状与发展趋势11.2.2国内研究现状与发展趋势31.3高楼清洗爬壁机器人存在的问题41.4 研究内容41.4.1爬壁清洗机器人的爬壁系统的设计41.4.2爬壁清洗机器人的清洗作业系统设计41.4.3爬壁清洗机器人的控制系统设计51.5本章小结52 爬壁清洗机器人总体方案62.1 设计准则与要求62.2爬壁清洗机器人行走越障机构设计62.3 爬壁清洗机器人清洗装置设计72.4 本章小结83 爬壁清洗机器人清洗机构的设计93.1滚刷装置的设计93.2清洗液的喷洒和循环装置设计103.3水泵的选择123.4本章小结134 爬壁清洗机器人爬壁越障机构的设计144.1爬壁清洗机器人驱动方式144.2吸附装置的设计144.3机器人跨越障碍和路径规划164.4气缸运动部分184.5本章小结185 爬壁清洗机器人控制部分设计205.1 PLC的概述205.2 PLC的I/O口分配215.3 PLC选型205.4 PLC梯形图225.5本章小结22参考文献24致 谢25附录A 装配图和零件图I附录B 外文翻译VV1 绪论1.1 选题背景及意义机器人是人类当今社会的一项伟大的发明之一，它是利用自身机构和电子控制系统来达成人们想要实现的各种功能。机器人集合了控制系统、机械结构、电子元件、计算机和传感器技术等综合性学科的高科技产物。是一种按照设定的指令工作并高速运行的仿人类操作和高精度的自动化机器。自从机器人成功问世以来，不但使我们的制造业和科学研发向前迈进了一大步，对人类的生活产生了很深远的影响。各种各样的机器人已经成为当今社会各行各业所不能缺少的一份子。机器人的出现使得科学实验的失误率降到最低，它还代替人类进行手术，服务与各行各业，推动了全世界自动化行业的大力发展。一个城市的兴起，最先体现在一栋栋拔地而起的高楼上，这些高楼大多数都是采用玻璃作为幕墙。这些玻璃幕墙逐渐演绎成了一道美丽的“城市外衣”，但是对于这些越来越多的高层建筑上的玻璃幕墙，如何清洗却成为了一个大问题。当越来越多的高楼采用玻璃作为幕墙后，使用传统的人工清洗方法已经远远的达不到需求。而且，因为楼层的高度越来越高，人工清洗面临的风险越来越大，停止使用蜘蛛人的呼声也越来越急切。现在急需一个新的高效清洗玻璃幕墙的方法。所以对于爬壁清洗机器人的研究就迫在眉睫了。因为玻璃幕墙这种新型的墙体建材，它可以将建筑的外观、节能、采光等属性结合在一起，所以近年来成为了高层建筑外墙的首选材料。根据调查显示，我国玻璃幕墙的面积大概有三十亿平方米，而且每年还有近千万平方千米的玻璃幕墙产生，而玻璃幕墙的清洁费用早超过百亿元。因为城市发展的越来越快，所以国内多个城市对于幕墙的清洁也进行了规范。因为每栋楼的玻璃幕墙都不相同，所以对于不同的建筑清洁规定也不同，但这也不可避免的加大了市场对玻璃幕墙清洁服务的需求。比如：北京五星级、四星级建筑的玻璃幕墙按照政府规定每季度必须清洁一次。北京的五星级饭店就有20多家，四星级饭店也有20多家，三星级饭店有100多家，二星级饭店有168家，对于北京火车站，也是由玻璃作为幕墙的，每到重大节假日都需要人工来进行清洁，而每一次的清洁费用就需要20多万。同样的上海联华大厦、北京天伦王朝饭店这些玻璃幕墙一次的清洁费都超过了10万元。所以说爬壁清洗机器人有很大的潜在市场。1.2国内外研究现状与发展趋势1.2.1国外研究现状与发展趋势自从爬壁机器人面世以来，就是各国重点研究的项目，每个国家都投入了大量的资源来进行机器人的研发，如美国、日本、英国、俄罗斯等国，并且也取得了不错的成果。日本就是世界上最早研发成果爬壁机器人的国家，在1966年的日本大阪府立大学部西亮教授制作了第一个单吸盘爬壁机器人，并且根据样机很快研发出了一系列的爬壁机器人。在1987年，日本成功研制除了多足爬壁机器人Walker如下图1.1，这款机器人将人们对于爬壁机器人的研究向前推进了一大步。1982年，日本宫崎大学成功研发出了一种爬壁机器人，这款机器人可以通过腿部顶端的吸盘来贴紧墙面，利用两条腿的循环吸附来实现机器人的移动，在脚底适当的倾斜一下，然后通过圆规脚的开合就能越过一定的障碍物。除了吸盘式爬壁机器人外日本还研制出履带式机器人、磁吸附车轮式机器人等等。 图1-1 Walker 图1-2 履带式机器人 图1-3 Robug 图1-4 吸盘吸附机器人美国对于爬壁机器人的研究也有很长的时间，在1986年美国国际机器人公司就研发了一款可以成功清洗玻璃外墙的机器人“SkyWasher”。在这之后，1989年美国州立威寄托大学也研发成功了一个机器人系列ROSTAM系列，这款机器人上面有传感器和摄像头，可以用来探测路面和路障，它有四个吸盘组，可以进行上下左右的移动，在这之后美国所设计的爬壁机器人都是在这款机器人的原型上进行研制的。英国从上世纪80年代就开始研发爬壁清洗机器人。在1994年终于研制成功了一款多足真空吸附的爬壁清洗机器人，如上图1.3。在这个基础上，英国人又研发出了Robug如图1.3，这款机器人有8只类似于蜘蛛一样的足，每个足的根部都有一个吸盘不但可以进行壁面移动还可以从一个壁面移动到另一个壁面，研发者将款机器人派往抢险救灾工作中。1.2.2国内研究现状与发展趋势我国对于爬壁清洗机器人的研究时间要比国外迟很多，在七十年代初期，我国才开始研发壁面清洗机器人。1975年，北京举行的科技交流会上，日本的川崎重工业公司第一次在中国演示了工业机器人，此次演示后，我国拉开了机器人研究的序幕。上海大学是第一个由科学研究委员会和国家共同支持研究爬壁机器人的大学。在这之后，北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等学校都设立了爬壁机器人研究单位。目前都获得了丰富的设计经验和研究结果。在经过长时间的不懈努力，先后研制了多种类型的爬壁机器人，比如多吸盘轮式驱动爬壁机器人如下图（图1-7），磁吸附履带式爬壁机器人如下图（图1-5）。北京航空航天大学机器人研究所设计出的壁虎系列爬壁机器人等，如下图（图1-6）该机器人利用十字型气缸可以进行快速的平面运动，利用机器人周围的传感器来辨别障碍，控制系统有两种人工控制和全自动控制，该机器人可以灵活地调转方向、行动迅速，可以越过一定的障碍物。 图1-5 磁吸附履带式爬壁机器人 图1-6 十字气缸型爬壁机器人图1-7 履带吸盘式爬壁清洗机器人1.3高楼清洗爬壁机器人存在的问题高楼清洗爬壁机器人的研究已有几十年，但是现在的玻璃幕墙清洗大多数还是由人工完成，虽然我们研发了各种各样的机器人，但是总体来说每一款机器人都存在一些问题：1）吸附能力与玻璃幕墙壁面适应性的矛盾。因为现在的玻璃幕墙并不是采用全玻璃，有的幕墙有缝隙有的幕墙有凸起或凹陷有的幕墙有瓷砖等。就是这种多种多样的幕墙才使得爬壁机器人的工作难度越来越大，要实现大多数的幕墙清洗，必须解决密封性、跨越障碍、移动转弯等等技术问题，要不然会使机器人的清洗效率大大降低，2清洗机构与机器人负重能力的矛盾。清洗玻璃幕墙就需要大量的水，但是机器人的吸附力是有限的，不可能携带大量的水进行高空作业，用水管进行供水也只能解决一定高度的清洗问题，因为随着高度的增加，水管的自身的重量也会增加，也会导致机器人吸附力不足。所以就需要规划一个水自循环的系统。3）移动技术与机器人灵活性的矛盾。因为我们要设计一个尽可能小型化的机器人，并且需要机器人有一定的负载携带能力，还需要机器人高效的移动、转向、跨越障碍等等问题。1.4 研究内容近几年来，随着高层建筑越来越多，人们对于幕墙清洗机器人的研究也越来越深入，出现了各种各样的结构设计，但是真正能应用到现实世界中的结构设计很少，所以本论文从以下几个方面进行研究设计。1.4.1爬壁清洗机器人的爬壁系统的设计爬壁机器人根据爬壁方式可分为吸盘吸附爬壁机器人、磁吸附爬壁机器人、飞翔式爬壁机器人、绳子牵引式爬壁机器人、粘着剂吸附式爬壁机器人。由于幕墙的多种多样，就会出现玻璃墙面高低不一的情况，会有一点凸起的瓷砖或者挡板，所以机器人的爬壁系统需要有一定的越障功能。通过对机器人吸盘位置的设计、直径的计算、吸附方式设计、跨越障碍物高度设计等设计出一种简单方便的爬壁系统。1.4.2爬壁清洗机器人的清洗作业系统设计爬壁清洗机器人清洗作业系统中有喷雾冲洗、清洗盘刷洗、刮板刮洗、水循环回收等设计，喷雾装置既可以冲刷壁面，清洗盘可以大面积清洗，刮板对水回收利用，这套清洗系统能有效的清洗幕墙壁面，并且加大清洗效率。1.4.3爬壁清洗机器人的控制系统设计本次设计采用的是PLC来进行爬壁清洗机器人的控制，因为PLC的操作简单，便于控制，PLC需要对该款机器人进行吸盘脱离、吸盘吸附、电机正传、电机反转、清洗顺序等控制。1.5本章小结本章主要论述了课题的钻研背景和意义，另外对国内外爬壁机器人的发展历程、研究成果、和发展现状做了简单的了解。对爬壁清洗机器人未来发展的预期和对机器人设计内容进行了简单的分析，明确了主要的研究内容和研究方向。2 爬壁清洗机器人总体方案2.1 设计准则与要求爬壁清洗机器人的设计是为了代替人工清洗，因为高层建筑距离地面过高，所以为了提高安全性，机器人的总体重量必须控制在一定范围。因为机器人自身的重量和所携带的负载，本身需要有定的刚度。所以采用高强度铝合金为爬壁清洗机器人的主要支撑架的材料。机器人总设计三维装配图如下：图2-1 机器人总设计三维装配图1-移动吸附装置 2-刮板 3-喷管 4-接水装置 5-水箱 6-电机 7-外壳如上图所示，爬壁清洗机器人由两部分机构组成，清洗机构和爬壁越障机构。1是机器人移动吸附装置，主要用来移动和跨越障碍。2是清洁系统的刮板，主要作用是清除壁面上残留水渍。3是清洁系统中的喷管，主要作用是冲洗壁面。4是清洁系统中的接水装置，主要用来收集刮板上清除之后的水渍。5是水箱，主要作用提供清水。6是电机，主要作用是带动清洗盘。7是机身外壳，主要作用是连接各个部件。2.2爬壁清洗机器人行走越障机构设计爬壁清洗机器人的爬壁系统是由两个固定的吸盘组成，总共有四个吸盘组。两个吸盘都可以转动，并且转动过程中可以带动另一个吸盘动，每一个吸盘上面装有一个气缸，用来实现吸盘的上下运动，吸盘上面有一个孔，连接的是真空发生器，用来实现吸盘吸住和分离，采用的是负压。气缸上面的固定架有一个齿条，爬壁清洗机器人主体和吸盘的连接轴上有一个电机，电机上有个齿轮，这个齿轮和齿轮条啮合，通过电机正传和反转，可以实现从一个吸盘到另一个吸盘的运动，也就是机器人的移动功能。在气缸的收缩下，吸盘可以跨越一定的高度，这个高度最大值就是气缸的最大行程，这个也就是机器人的越障功能。移动吸盘的三维设计图如下图2-2所示。图2-2移动吸盘1-电机 2-离合器 3-气缸 4-真空发生器 5-吸盘如上图所示。1是电机，主要作用是带动吸盘做相互运动和在两个吸盘之间移动。2是离合器，主要作用是用来对电机轴的分离合啮合。3是气缸，主要用来推动吸盘做上下运动。4是真空发生器，主要用来使吸盘产生负压吸住壁面。5是吸盘，起吸附作用。2.3 爬壁清洗机器人清洗装置设计高层建筑玻璃幕墙上面的污垢基本上都是大气尘土，没有特别难以清洗的污渍，清洁系统采用滚刷盘的形式，一次清洗到位，而且可以达到最大清洗面积。机器人前面有喷嘴冲洗、中间有滚刷盘的刷洗、后面还有刮板刮洗，采用这种联合清洗方式就可以完全清除幕墙上面的大气尘土。具体设计如下图2-3所示。图2-3 清洗系统装配图1-喷管 2-刮板 3-接水器 4-水箱 5-外壳 6-电机清洗系统的清洗步骤：先由1号喷嘴通过水箱中水泵抽出形成喷雾冲洗玻璃幕墙，可以清除玻璃幕墙上附着力小的污渍，并且还能浸泡玻璃幕墙；然后6号电机通过主轴带动5号清洗盘进行同步转动，通过清洗盘上的刷子进行进一步清洗，之后由2号刮板刮去残留污渍和水渍，再经由3号接水装置通过管道流入水箱。形成水的循环利用。通过这种联合清洗的方式可以完全清楚玻璃幕墙上的大气尘土。2.4 本章小结本章确定了爬壁清洗机器人材料的选择，详细阐述了机器人的总体结构、爬壁系统、清洗系统。对机器人的总体框架进行了构思，对移动越障方案、清洗方案设计、水循环方案进行了设计。3 爬壁清洗机器人清洗机构的设计爬壁清洗机器人的清洗机构是圆形的清洗机构，这种清洗机构即可以清洗彻底，而且清洗面积大，并且驱动方便，只需要一个电机和减速装置就可以带动清洗盘清洗。水循环系统由刮板底下的接水漏斗通过管道伸入水箱中的过滤装置来完成水循环，这样可以节约用水。因为机器人会向左或者向右移动，所以机器人的左右两边都需要放置一个喷管和刮板，需要两个水泵。冲洗方式是喷雾式洒水，水泵连接一个有多个喷嘴的管道，机器人开始行动，水泵就同步启动，会将水箱里面的水喷洒到玻璃表面，雾状喷洒可以有效节约用水，并且喷洒均匀。3.1滚刷装置的设计图3-1 滚刷盘1-刷子 2-滚刷盘 3-滚刷盘轴心如上图3-1所示，清洗机构成圆形清洗装置。清洗面上有多个塑料制作的刷头，2号圆形洗盘的直径为400mm,上面对应1号刷头的螺纹孔为15mm。这个刷头一头是毛刷，一头是螺纹式的，直接拧进清洗圆盘上的螺纹孔。毛刷的长度越长，越容易跨过障碍，也不能过长，过长就会使吸盘所承受的拉力增大。所以毛刷的长度为80mm。3号电机轴直径为40mm。圆形的清洗装置可以实现最大面积的清洗区域，可以有效保证玻璃的清洁度。吸盘吸住墙面，清洗盘就会开始工作。3.2清洗液的喷洒和循环装置设计机器人左右两边各有一个刮板，刮板主要是在清洗盘清洗过后刮去上面的水渍，刮板尾部有一个接水装置，将刮板收集的水渍收集处理，通过过滤流回水箱，这样可以实现水循环利用，节约水资源。刮板设计图如下图3-2所示。图3-2 刮板1-支撑架 2-刮板上图3-2中。1是支撑架，长度230mm，主要作用是连接刮板和机器人外壳。2是刮板，长度60mm，主要作用是刮去壁面残留水渍。因为吸附装置是吸盘吸附墙面，所以墙面上的水渍不能太多，不然会影响吸盘在墙面的吸附，那么就需要一个刮板来去除墙面多余水渍。刮板结构由两部分组成，支撑架和刮板。市面上刮板和支撑架的材料类型有铁、铝合金和塑料三种。刮板需要对壁面保持一定的压力，并且还需要一定弹性，所以支撑架的制作材料为塑料。因为清洗盘为圆形，清洗外壳也是圆形，没有竖直的平面安防刮板，只能采取类7形状的装置从清洗盘的顶部通过螺丝来固定刮板。这样设计可以使刮板具备良好的韧性。下图3-3中.1是喷管，长度400mm,主要作用喷洒清水或清洁液、冲洗壁面。2是支架,长度为330mm,主要作用是连接喷管和机器人外壳。喷管的设计主要是为了冲洗墙面上的浮土和浸润墙面，刮板的设计为类7字型，所以喷管也设计成7字型，这样既可以保持一致，也能更好的固定喷管。只需要在水箱里装一个小型水泵，通过水泵将水送入2喷水管道中，再由2喷水管道上的喷嘴喷出形成冲击力清洗墙面。喷管的设计如下图所示:图3-3喷管1喷管支架 2喷水管道因为机器人是用四个吸盘来固定，每个吸盘所能承受的力大约是机器人总重量的四分之一，机器人携带的水箱越大，一次清洗的面积也就越大，相应的每个吸盘所承受的力也就越大，为了达到清洗面积的最大值。就需要对水进行循环利用，这样不仅可以减轻机器人总体重量，也可以让吸盘在墙面达到最好的吸附效果，还能节约用水，保护环境。水循环示意图如下图。图3-4 水循环示意图如上图所示，清水从水箱中喷洒冲洗壁面，然后经过滚刷盘的刷洗，再由刮板通过漏斗状接水装置收集起来，通过污水过滤器进行过滤，然后流回水箱。这样就实现了水的循环利用，节约水资源的同时，也减轻了机器人的负载。3.3水泵的选择因为机器人总体尺寸的限制，本次设计的水泵为微型水泵，水泵的选择需要确定液体在管道中的流动数，需要知道液体在在管道中流动的雷诺数。在水管中流动的水流，局部压力损失很小，需要确定的是压力损失，根据雷诺数公式： Re=Vdv （3-1）上式中：Re雷诺数；V流体的平均速度,单位m/s；d管道的直径。单位m;v流体运动粘度，单位m2/s。网上查知水泵参数如下表表3-1水泵技术参数表型号工作电压工作电流功率开口流量吸程最大输出压力体积（最大外形）重量(V DC)(A)(W)(L/min)(M)(Bar/M pa)(mm)(kg)HSP11050T12126.0126.07约111.0/1.12251031002.8246.0144.0HSP110501210.5126.07约111.0/1.12551101002.6246.0144.0HSP8050129.5114.05.5约18.0/0.8245.6134.4HSP4045127.084.04.5约14.1/0.41961101002.2244.096.0根据表3.1中参数和实际需求选择水泵型号为HSP8050，该款水泵工作电压24V，工作电流5.6A，功率134.4W，开口流量5.5，吸程约为1，最大输出压力8.0，重量2.6KG。水泵性能参数如下图：图3-6 HSP8050的Q-H曲线由图3-6可知，在开口流量为5.5时，该水泵扬程为15米，按照雷诺数公式可得： Re=0.13151.00510-6=1.94106 （32）由机械手册得知，当Re=1.94106时，该管道的沿程能量损失为0.0045米，基本可以忽略不计。所以型号为HSP8050的微型水泵满足条件。3.4本章小结本章内主要介绍了爬壁清洗机器人的清洗系统的设计方案，对清洗系统各个部件的详细设计，还有对水循环方式进行了设计，选择水泵的样式也做了说明。4 爬壁清洗机器人爬壁越障机构的设计在爬壁清洗机器人中，机器人的爬壁和越障的非常重要，一个完善的设计方案，不但可以使机器人快速行走、可靠爬行，还可以实现跨越障碍，灵活转弯等功能。4.1爬壁清洗机器人驱动方式我们常见的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种方式。液压驱动因为是由油管相互接在一起的，它可以随意的放置传动机构。液压驱动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小也是一大优点，而且可以大范围的实现无极调速，传递运动均匀平稳，负载变化速度也比较稳定。但是也因为液体传动，系统中也存在漏油的缺点，因为液压油对温度特别敏感，所以液压传动也受温度影响较大。气压传动是以大气作为介质，取之不竭用之不尽。用过之后可以直接排放，不用考虑尾气处理等问题。气压传动用时较小，响应时间段，而且维修也简单。并且气体的粘度很小，只有液压油的万分之一，所以气体流动阻力也小，便于向气缸中供气。但是由于空气的可压缩性很大，气压传动的速度稳定性一般，对那些要求快速高精度的系统有较大影响，而且气压传动系统的噪声很大，尤其是排出气体时，必须要加消音器，降低噪音。电机驱动的优势是精度高，节省能源，调速方便，能改善环保水平，但推力较小，大推力时的成本很高。综上所述，选择气压驱动方式作为爬壁清洗机器人的主要驱动方式。4.2吸附装置的设计爬壁清洗机器人中移动系统是最重要的。爬壁清洗机器人的移动系统是由四个相同的吸盘组构成的，每个吸盘组中有两个吸盘，这两个吸盘都可以和另一个吸盘进行相对运动，由PLC来控制电机的转动来控制吸盘转动的角度。如果左右移动，吸盘转动的角度就是180或-180，如果上下移动就是90或者-90。因为吸盘主要依靠吸力来克服机器人的重力，所以给每个吸盘配备了一个真空发生器，由这个真空发生器来保证吸盘具备足够的吸力。每个吸盘上面还会有一个气缸，这个气缸会使吸盘进行垂直于壁面的运动，这样机器人就会具备一定的越障能力，跨越障碍的高度取决于气缸的行程。气缸上面有一个离合器，离合器的作用就是分开使吸盘的自转和齿轮的转动所分开。离合器上面就是齿轮，齿轮轴是由一个小型步进电机带动的，当吸盘做相对运动的时候，离合器啮合，齿轮不转。当离合器分开的时候，吸盘不转，齿轮转动带动机器人做移动。爬壁清洗机器人的吸盘组三维设计图如下图4-1所示。图4-1 吸盘组三维图1-电机 2-离合器 3，8-气缸 4，6-真空发生器 5-吸盘爬壁清洗机器人的移动主要就是靠上图中的电机带动齿轮的正传反转，正传会使机器人从右边的吸盘移动到左边的吸盘，反转会使机器人从左边的吸盘移动到右边的吸盘。具体的移动过程为：5、6号吸盘吸住墙面1号电机正传，从6号吸盘移动到5号吸盘，7号真空发生器关闭，6号吸盘松开壁面，8号气缸收缩,1号电机正转180，8号气缸伸出，7号发生器开启，6号吸盘吸住壁面，1号电机反转从5号吸盘移动到6号吸盘，4号真空发生器关闭，5号吸盘松开壁面，3号气缸收缩，1号电机反转180，3号气缸伸出，4号真空发生器打开，5号吸盘吸住壁面这样重复动作。下图4-2是爬壁清洗机器人的齿轮齿条三维设计图。图4-2 轮齿条的设计1-齿条 2-齿轮4.3机器人跨越障碍和路径规划爬壁清洗机器人气缸的最大行程为95mm，吸盘上面的刷子长度为80mm，所以机器人跨越障碍的理论最大高度为80mm，实际上，为了机器人的安全，机器人跨越障碍的最大高度必须不超过刷子的80%，也就是64mm。因为现在的玻璃幕墙一般都是长方形，所以机器人的路径规划为弓字形路径，这样的轨迹简单，而且没有遗漏，还可以避开大多数障碍物，能使机器人尽可能的节约能量。机器人从玻璃幕墙上的角落开始平行行走，走到最右边的时候向下走一个身位的距离，然后往左走，走到最左边的时候，再向下走，走一个身位的距离，再向右走，重复这样。爬壁清洗机器人移动过程示意图如下图4-3所示。图4-3 爬壁清洗机器人移动过程示意图吸盘直径的选取。真空吸盘的种类有很多，硅橡胶类的吸盘可以在高温下长时间的工作，硅橡胶做成的吸盘很是适合于吸住玻璃幕墙做成的平面，吸盘的选材用聚氨酯，因为它比较耐用。而且用真空吸盘抓取平面是经济实惠的一种方式。另外，在生产真空吸盘的过程中，因为吸盘需要具备耐油性，那么我们就可以使用聚氨酯、丁腈橡胶或则含乙烯基的聚合物等材料来制作吸盘。我们为了避免被吸盘的表面划伤，最好的选择就是由丁腈橡胶或硅橡胶制作而成的带有波纹管的吸盘。因为这种吸盘具备很大的扯断力，是真空装备的执行器之一。吸盘直径公式 DM9.8S1000np （4-1）式中： M承受质量S吸盘吸附系数，垂直吸附S=8;P真空压力（Kpa）;n吸盘个数吸盘的参数如下表所示：表41 吸盘参数型号电压负载电流功率流量真空度（绝对压力）负压体积（最大包容尺寸）重量（大约值）三种单位换算V DCAWL/minK pammHgmbarK Pa（mm）（g）VCH1028242.048281076100209781152600对于标准大气压1017601013根据表41所示的数据代入得： D509.881000690=48mm （4-2）因为吸盘在工作过程中会产生形变，所以吸盘的吸附面积要比吸盘直径小一点，吸附面积因为吸盘制作的材质、形状、橡胶等不同而有所区别。因此，我在计算吸盘直径时需要留出一定的余量,吸盘计算中的安全系数中也包括了其中的变形部分。吸附面积： A=3.14D24100 （4-3）上式中：A吸附面积（cm2）;D吸盘直径（mm）。将吸盘直径代入上式4-3中得： Amin=3.144824100=18.08cm2 （4-4）吸盘的外径就是吸盘的直径，但是吸盘工作时因为真空抽取形成负压，吸盘的吸附面积也会比吸盘原本的直径小，变小后的吸盘吸附面积称之为吸盘的有效吸附面积，而这时吸盘的直径称之为有效吸盘直径。因为吸盘的制作方式、吸附面的摩擦系数、材料本身以及真空压力的不同，有效吸盘直径也会不同，一般情况下吸盘的有效吸附直径都会比吸盘原本直径小。当吸盘直径D=50mm： A有效=3.14502410090%=17.66cm2Amin （4-5）所以直径为D=50mm的吸盘符合要求。4.4气缸运动部分 爬壁清洗机器人的移动方式大体上可以分为三类，履带式、车轮式和脚步行式，履带式机器人对墙面的适应能力强，但是体积太大，而且不容易转弯。车轮式移动方式是由很多带有吸盘的轮子组成，每个轮子都有电机来驱动，优点是移动速度快，便于控制，但是摩擦力小。脚步式移动是由多个脚的反复吸附与脱落进行移动，带负载能力强，吸附力强，挪动速度较慢。综合考虑，选择了一种新的脚步式移动和电机驱动相结合的方式来进行移动。4.5本章小结本章通过对机器人工作环境和工作方式的研究，设计机器人的移动方案和跨越障碍方案。选择了气动方式进行驱动，利用吸盘组来实现机器人的上下左右运动，利用吸盘组的相对运动实现机器人的掉头转向，并对机器人的移动过程进行了总结，对机器人路径进行了最优规划。吸盘的选择做了计算。5 爬壁清洗机器人控制部分设计5.1 PLC的概述PLC控制系统，Programmable Logic Controller，是一种可以用编写的程序来进行控制的系统，它是为工业生产所设计的一种将数字信息改为控制信息的电子装备。在20世纪70年代生产出来的PLC就可完成顺序控制功能， 20世纪70年代末至80年代初，可编程控制器的处置速率大进步，增加了很多提别的功效，使得可编程控制器不但可以进行逻辑节制，而且可以对模拟量进行定制。20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程控制器也得到迅猛发展，其功能越来越强。国际电工委员会（IEC）在1987年2月公布了PLC的尺度草案（第三稿），草案对PLC作了以下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操纵的电子原件，专为了控制操作。它采取可编程序的存储器方式，用来在其内部存储执行步骤控制、计时、计数和算术运算等指令，并经由数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的装置或运动过程。PLC有很多的优点，比如通用性强、性能稳定、模块化结构、编程简单、系统易于设计、容易安装、维护简单等。PLC的类别有：按输入/输出点数分：小型机（小型的PLC I/O总点数在256点以下，用户程序存储容量在4KB左右。）、中型机（中型PLC I/O总点数在2562048点之间，用户程序存储容量在8KB左右）、大型机（大型PLC I/O总点数在2048点以上，用户程序存储容量在16KB以上。）。5.2 PLC选型根据设计系统所需要的I/O口个数，选用三菱FX1N-24MR-001。FX1N有很多的优点，I/O点最多可扩展128，对于一些需要特殊需求的控制系统它也可以增设，还可以继续给系统加入扩展板。他有非常好的通信功能，对于一些在体积、特殊功能或者对通信方面要求较高的系统，这款PLC可以起到很好的控制作用。它还有其他很多重要功能，比如内置24V电源，可以作为其他电子设备的电源来使用。还有时钟和计时功能，而且时钟指令操作简单，对于设备维护，计时功能可以根据时长来确定何时维护。它可以设计一个八位数的密码来保护程序不被泄漏。还有远程维护功能、在线程序编程功能、持续扫描功能等等。5.3 PLC的I/O口分配由爬壁清洗机器人运动过程分析可知，输入端口的操作控制和输出端口的执行操作，详情见下表。表51 PLC输入与输出控制端口端口操作控制端口执行操作X00001号吸盘吸住Y00001号吸盘吸住X00011号吸盘放开Y00011号吸盘放开X00022号吸盘吸住Y00022号吸盘吸住X00032号吸盘放开Y00032号吸盘放开X00041号气缸抬起Y00041号气缸抬起X00051号气缸放下Y00051号气缸放下X00062号气缸抬起Y00062号气缸抬起X00072号气缸放下Y00072号气缸放下X0008清洗盘电机打开Y0008清洗盘电机打开X0009喷头打开Y0009喷头打开X0010吸盘电机正转（90）Y0010吸盘电机正转（90）X0011吸盘电机反转（90）Y0011吸盘电机反转（90）X0012吸盘电机正传（12）Y0012吸盘电机正传（12）X0013吸盘电机反转（21）Y0013吸盘电机反转（21）X0014吸盘电机正传（180）Y0014吸盘电机正传（180）X0015吸盘电机反转（180）Y0015吸盘电机反转（180）X00161号真空发生器打开Y00161号真空发生器打开X00171号真空发生器关闭Y00171号真空发生器关闭X00182号真空发生器打开Y00182号真空发生器打开X00192号真空发生器关闭Y00192号真空发生器关闭X0020停止5.4 PLC控制框图根据所选择的PLC性能和爬壁机器人的移动步骤可以设计PLC框图如下图5-1所示。图5-1 机器人控制系统框图因为本论文设计的机器人是全自动行走，所以必须设计机器人过载保护，以防止机器人因为过载而掉落。图5-2 机器人过载保护5.5本章小结本章对PLC进行了简单的介绍，对于本论文所选的三菱FX1N-24MR-001特点进行了详细的介绍，对于I/O口进行了分配，对机器人控制系统原理图和过载保护进行了设计。结论通过一学期的毕业设计，使我发挥出了所学知识，针对现阶段我国对高层建筑人工清洗费时费力、效率低的清洗弊端，在国内外清洗机器人的研究基础上，设计了一种利用电气驱动来进行移动和清洗的爬壁机器人。并得到了以下结论。1）爬壁机器人清洁系统的设计。本论文设计的是一个自带水循环利用的清洁系统，水循环为：水从水箱中微型水泵到喷洒水管、刮板集水再通过管道流入过滤流回水箱。2）爬壁机器人爬壁越障系统的设计。本论文设计的吸盘组利用吸盘来吸附壁面，固定机器人、吸盘组的相互移动来进行平面移动，利用气缸的伸缩跨越障碍物，能适应大多数的高空幕墙。为了节约能源，机器人需要用最短的路线来达到最优的清洗面积。本论文设计了“弓”字型移动路径，从上到下清洗。本论文采用三菱FX1N-24MR-001对机器人进行吸盘吸附、电机正反转、清洁系统顺序吸附的控制。21爬壁清洗机器人的设计参考文献1 吴神丽.新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计D.成都理工大学，2009.2 吴洪兴，赵言正，高学山.高楼玻璃幕墙清洗机器人作业系统的研究J.哈尔滨理工大学学报,2002,7(4).3 宗光华.高层建筑擦窗机器人J.机器人技术与应用,1998(2).4 谈士力,沈林勇,陈振华,龚振邦.垂直壁面行走机器人系统研制J.机器人,1996,18(4).5 王荣华.爬壁机器人设计及动力性能研究D.沈阳工业大学,2007.6 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理（第八版）M.高等教育出版社，2013.7 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计（第九版）M.高等教育出版社，2013.8 张运刚，宋小春，郭武强.从入门到精通西门子S7300/400PLC技术与应用M.北京：人民邮电出版社，2007.9 闫军涛。壁面清洗机器人的运动控制系统设计D.重庆大学，2007.10 徐小云.六组移动式微型仿生机器人的研究J.机器人，2002,5.11 陈敏华.机器人机构的优化综合J.机械设计,2003,20(4).12 陈沛富.高楼玻璃幕墙清洗机器人设计研究D.重庆：重庆大学，2006.13 郭秀丽.新型载体高楼壁面清洗机器人D.天津：天津大学，2005.14 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For the sake of beauty and lighting, many high-rise buildings have adopted glass curtain walls, which has brought about the problem of cleaning the glass windows (ceilings, walls). It is a heavy and dangerous job to clean the windows of tall buildings and is currently in the country. There are two main methods used. One is to lift the glass window and wall manually by lifters or hanging baskets; the other is to align the window wiper with the track and sling system installed on the roof. Windows are automatically scrubbed. For example, the Shinjuku Center Tower, which is 219.5 meters high in Tokyo, Japan, uses this method to clean 54 high-rise windows.Adopting the second method requires that the window cleaning system be taken into account at the beginning of the building design, and it cannot adapt to the wall surface or window surface of the ladder shape, which limits the use of this method. Therefore, the first method is still widely used glass scrubbing of high-rise buildings. In recent years, high-rise glass windows have mushroomed in China. As the building design is still not standard, most of the high-rise buildings in China are still cleaned by baskets, such as the Beijing-Guangzhou Building. Manually cleaning high-rise buildings is not only inefficient, but also very cumbersome and costly to operate. Modern railway terminal buildings also face this problem. Railway passenger station is the window of transportation. The railway passenger station is the window of transportation. It is one of the symbols of the spiritual civilization of the environmental health department. The railway department urgently needs to clean the window and mechanize and automate it. In view of this situation, in 1996 the Robot Research Institute of Beijing University of Aeronautics and Astronautics and the Beijing Railway Research Institute of the Ministry of Railways jointly developed a practical high-rise building window cleaning robot prototype for the Beijing West Railway Station glass roof (about 3,000 square meters).The robot is driven by full air pressure and consists of two parts: the robot body and the ground support vehicle.The robot body (hereinafter referred to as the robot) is the subject that crawls along the glass wall and completes the scrubbing action. He is lightweight (only 25 kg), can walk and scrub dexterously according to the actual environment, and has extremely high reliability. He has the following main features:1. The “Ten” frame type structure is adopted, and there are two rodless cylinders with a cross shape of “10”. The robot can move along the X or Y direction on the glass surface. The combination of such structural components and drive components has the advantages of simplified structure and reduced weight.2. There are four Z-guiding cylinders at the top of the X and Y directio