外窗玻璃清洗机器人设计开题报告

广东技术师范学院天河学院本科毕业设计开题报告题 目：外窗玻璃清洗机器人设计 系 别： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年 月 日- 10 -本科毕业设计开题报告系别专业班级姓名学号联系方式题目外窗玻璃清洗机器人设计一、选题背景在现代都市中，高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。在建筑业，由于玻璃的采光性好，保温防潮性能好，彩色玻璃实用美观，高层建筑的外壁越来越多地采用玻璃幕墙结构，但是为了保证建筑外观的整洁美丽，时间一长，就需要对壁面进行清洗，以美化市容市貌。许多开放性城市都规定，每年应对高楼清洗若干次。 目前高层建筑玻璃幕墙的清洗方法主要有两种，一种是靠升降平台或吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗，虽简便易行，但劳动强度大，工作效率又低，属于高空极限作业对人身安全及玻璃壁面都有很大的威胁性。另一种是用安装在楼顶的轨道及吊索系统将擦窗机对准窗户进行自动擦洗。这种方式初次投资成本较高(高达数百万元)，而且要求在建筑物设计之初就要考虑擦窗系统，因而限制了其使用，因此急需一种能代替人而又有一定灵活性和适用性的自动机器来完成这项工作，而且玻璃幕墙一般面积较大，大多处于几十米甚至上百米的高处，且周围无可攀援的支架，这就使得玻璃幕墙的清洗成为一项繁重、危险、耗资的工作。如果用人去清洗，不仅花费高，而且安全难以保证。特别是目前一些国家和地区已经通过立法对包括擦窗作业在内的人工高空攀爬进行了限制，人们不得不寻找其它解决办法。 高层建筑清洗机器人正是在这种背景下应运而生。它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。因此，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作二、课题设计2.1课题的内容本次毕业设计的任务是设一款外窗玻璃清洗机器人，由地面的真空泵提供负压和电源。吸附于玻璃顶棚，连接远程控制装置，控制其运动。设计简单实用。该机器人的设计内容如下：外窗玻璃清洗机器人最主要的要求是能够在玻璃吸附行走，所以首先在确定的总体结构的基础上设计吸附装置，即爪子与真空发生装置，运用了一种机械传动结构实现机器人稀奇排气的控制；然后设计传动减速装置，选择合适的电机后，采用蜗轮蜗杆装置，选择联轴器和轴承等传动装置；由于能力有限，所以本次设计只要求机器人能够在玻璃顶棚，实现基本的吸附、移动、转弯、吸尘、半自动避障，不研究智能自动运动工作。2.2课题的目的机器人技术的创新和发展，使机器人在各个领域中得到广泛的应用，而外窗玻璃清洗机器人技术的日趋成熟，为解决高楼顶棚清洁作业提供了一种新的思路。于是作为极限作业机器人之一的外窗玻璃清洗机器人应运而生，它的出现使实现高楼玻璃顶棚清洗作业的自动化成为了可能。在现实生活中，外窗玻璃清洗机器人机器人没能得到广泛的应用，主要因为它们存在清洁效果差、结构复杂、体积和重量大、成本高等不利因素。我们设计的遥控式爬壁清洁机器人较好地解决了以上问题。它结构简单，体积小，重量轻，且采用半湿擦，能达到预期的清洁效果。我们综合运用遥控技术和机械技术，利用现在已研究较为成熟的爬壁原理，并在此基础上，主要对机器人的清洁机构、前进机构、换向机构等进行创新设计和创新组合，以较为有效地实现高楼玻璃幕墙的清洁作业。2.3课题的意义机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度高的自动化设备。所以该气动清洗机器人系统包括机械结构、运动规划、传感器系统、驱动系统、控制系统等几部分。 由于我们所开发的清洗机器人工作场所的特殊性，本课题在机器人结构上的设计思想是:在保证机器人功能的前提下，力求结构简单、可靠性高、运行稳定。因为爬壁机器人在行进过程中需要克服自身重力，所以较轻的机器人本体结构是一个需要着重考虑的设计因素。增加机器结构的灵活性，导致的结果是机械结构变得复杂，需要使用到的机械元器件增多，重量必然增加，同时控制的复杂性也增加。 外窗玻璃清洗机器人是一种爬行机器人，因此，它必须具备两大功能：吸附和移动功能。2.4 文献综述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。气动技术有以下优点:(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。三、课题研究现状3.1国外研究现状发达国家对外窗玻璃清洗机器人的研制起步早、投资大、发展快,这些国家农业规模化、多样化、精确化和设施农业的快速发展,有效地促进了外窗玻璃清洗机器人与其他智能化农业机械的发展。自20世纪80年代开始,发达国家根据本国实际,纷纷开始外窗玻璃清洗机器人的研发,并相继研制出了嫁接机器人、扦插机器人、移栽机器人和采摘机器人等多种农业生产机器人。如澳大利亚的剪羊毛机器人,荷兰的挤奶机器人,法国的耕地和分拣机器人,日本和韩国的插秧机器人,丹麦的农田除草机器人,西班牙的采摘柑橘机器人,英国的采蘑菇机器人等。总体看来,在外窗玻璃清洗机器人的研发方面,日本居世界领先地位,现已研制出番茄、黄瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收获的多种可用于农业生产的机器人。但是由于农业生产环境、作业对象及使用者等与工业生产领域截然不同,发达国家已研发成功的外窗玻璃清洗机器人目前尚未实现商品化生产和大面积普及。进入21世纪,农业劳动力不断向其他产业转移,农业劳动力结构性短缺和日趋老龄化渐已成为全球性问题。设施农业、精确农业和高新技术的快速发展,特别是人工作业成本的不断攀升,为外窗玻璃清洗机器人的进一步发展提供了新的动力和可能。如果蔬的采摘不仅季节性强、劳动量大,而且作业费用高, 人工收获的费用通常占全程生产费用的50%左右,因此采摘机器人在日本、美国、荷兰等国家已有初步使用。法国研制的分拣机器人能在潮湿肮脏的环境里工作，把大个番茄和小粒樱桃加以区别，然后分别装运开来。它还可用来分拣不同大小的土豆，并且不会碰坏它们。德国科学家正在创建一个全自动化的，以解决农业工人日趋减少的问题。在这个，耕地、播种、浇水、施肥、喷药、收获全部由机器人来操作。科学家利用全球定位系统和经过专门改造的电子传感器，让犁地机器人从一块农田转到另一块农田，确保机器人之间不互相碰撞，并避开树木和电线杆之类的障碍物。机器人不仅能进行农作，而且能对农作物的生长情况进行监控，还能及时提供农作物生长状况、气候及农时等数据进行分析，并计算出所需的肥料和药剂的确切用量。另外，机器人还可提出种植何种作物效益最佳的建议。第一部外窗玻璃清洗机器人样品已经制成，预计在不久的将来，自动化将成为现实。3.2国内研究现状驱动、传感、控制等硬软件技术的发展极大地推动了外窗玻璃清洗机器人技术的发展,实际应用的需求也对外窗玻璃清洗机器人的发展提出了挑战,外窗玻璃清洗机器人的发展趋势归结起来主要有以下几方面。(1)新型吸附技术的发展。吸附技术决定了机器人的应用范围，目前应用比较成熟的吸附技术主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很大的局限性,在很多情况下难以满足实际应用的要求。因此,开发和研究新型吸附技术是当前外窗玻璃清洗机器人领域的一个重要方向，其中，仿壁虎脚掌仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展趋势。(2)清洗机器人的任务由单一化向多功能化方向发展。过去所研制的外窗玻璃清洗机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业,作业任务往往只局限于单一的任务。而目前人们则希望外窗玻璃清洗机器人能够装备多种工具,在不同的场合进行工作，实现一机多用的功能。这样可以减小人类使用机器人的成本，有利于外窗玻璃清洗机器人的发展。(3)小型化、微型化是当前外窗玻璃清洗机器人发展的趋势。在满足功能要求的前提下,体积小、质量轻的机器人可较小能耗,具有较高灵活性,可以承载更多的负荷，有利于实现外窗玻璃清洗机器人的多功能性，并且在某些特殊场合也需要机器人具有小的体积。各种微型驱动元件、控制元件及能源供应方式的发展,以及在纳米材料方面取得的进步，为小型化、微型化奠定了基础。(4)由带缆作业向无缆化方向发展。带缆作业极大地限制了机器人的作业空间,所以,为了提高机器人的灵活性和扩大工作空间,无缆化成为现在和未来外窗玻璃清洗机器人的发展趋势。(5)由简单远距离遥控向智能化方向发展。与人工智能相结合,使机器人在封闭环境中能够具有一定的自主决策能力,完成任务,并具有自我保护能力,是移动机器人发展的重要方向,也是玻璃顶棚吸尘移动机器人的重要发展方向。(6)可重构是机器人适应能力的一项重要指标。为了使机器人能够应用于不同场合,根据任务需求,在不需要重新设计系统条件下,充分利用已有的机器人系统,应使机器人具有可重构性,即具有模块化结构。根据任务需求,可以把需要的模块直接连接起来组成新的机器人。此可以大大降低机器人的制造成本。四、课题设计方案4.1设计方案选型与分析机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度高的自动化设备。所以该气动清洗机器人系统包括机械结构、运动规划、传感器系统、驱动系统、控制系统等几部分。 由于我们所开发的清洗机器人工作场所的特殊性，本课题在机器人结构上的设计思想是:在保证机器人功能的前提下，力求结构简单、可靠性高、运行稳定。因为爬壁机器人在行进过程中需要克服自身重力，所以较轻的机器人本体结构是一个需要着重考虑的设计因素。增加机器结构的灵活性，导致的结果是机械结构变得复杂，需要使用到的机械元器件增多，重量必然增加，同时控制的复杂性也增加。 外窗玻璃清洗机器人是一种爬行机器人，因此，它必须具备两大功能：吸附和移动功能。4.2方案的确定1）吸附装置；我们利用目前已经较为成熟的负压吸附原理，把底部吸盘安装在前后轮之间略靠近后轮的位置，以保证其在跨越沟坑时仍然具有足够的吸附力。但吸盘在保证其密封性的同时，与壁面的摩擦力又很小，类似与一只碗在桌面滑动。2）吸尘清洁装置；利用常用的吸尘器技术，在机器人前部安装在机器人左右轮之间以保障机器人所进过的地方都能进行清洁打扫。3）移动系统；清洗爬壁机器人按照移动方式可分为车轮式、履带式和脚步行式。履带式由电机驱动两个无轨道履带，对玻璃顶棚适应性强，但体积较大，不宜转弯；脚步行式是通过多个脚的反复吸附与脱落进行移动，带载能力强，但移动困难，移动速度慢；车轮式移动速度较快，着地面积小，便于控制但是对于吸附力不够。爪式机器人所以，在这次设计过程中，选择了车轮式机器人。4）控制系统；将机器人所有的动作经过PLC输出传动，传感器的输入信号，控制盒的控制信号，报警输出信号，都经过PLC集中管理统一运行。控制系统主要包括PLC，控制盒，传感器，传动轮等电气元件组成。机器人的控制我们采用了类似于遥控玩具汽车的控制原理，运用遥控板实现对机器人作业时所需的前进、后退、前左、前右、后左、后右六个方位的动作，通过电路设计远程控制实现。清洁机器人由移动系统、吸附装置、清洁装置、控制系统、等部分组成。4.3方案的特点及创新本文设计的外窗玻璃清洗机器人采用四爪式小车形状结构，结构简单；采用真空吸盘吸附方式，吸盘连接地面空压机，利用吸盘来完成吸附动作，利用机械结构完成机器人真空吸盘的吸附与排气控制，避免在每个真空吸盘配备传感器的需要，降低了控制难度；采用四爪驱动，四个电机驱动四个手爪，四爪利用螺纹传动，使传动螺母相连的手爪臂围绕销轴摆动，再配合吸盘，完成机器人的行走，采用地面供电，地面提供负压的方式；机器人可以在水平面或者垂直表面直线行走。五、预期结果第1周 调 研；查找相关资料第2周 调 研；文献阅读；对外文资料进行翻译第3周 文献阅读；初拟设计方案；书写开题报告第4周 开题报告审查；完成翻译；开题报告答辩第5周 学习相关软件（AutoCAD、PRO/E） 总体机构设计；理论分析计算第6周 总体机构设计；理论分析计算；结构设计计算；绘 制 草 图第7周 结构设计计算；绘 制 草 图第10周 完成工作量的6070，即完成结构设计，包括3张A0图纸的装配图、零件图；六、设计主要步骤1、 搜集了国内外外窗玻璃清洗机器人发展相关资料的基础上，了解了外窗玻璃清洗机器人的研究现状；2、 外窗玻璃清洗机器人机械结构原理及方案分析；3、 外窗玻璃清洗机器人机械运动分析及设计计算，主要包括：外窗玻璃清洗机器人机构参数的选择、机器人自由度的计算选择；4、 外窗玻璃清洗机器人末端采摘手抓的机械结构设计及分析；5、 绘制外窗玻璃清洗机器人装配图及主要零部件CAD图纸。七、进度计划序号任务名称开始时间结束时间1选题2查阅中、外文献资料，外文资料翻译，确定系统设计方案3开题4进行毕业设计5中期检查6上交毕业设计正稿打印版及电子材料，毕业设计及设计说明书光盘，完成毕业答辩ppt7毕业答辩八、参考文献1 简洁，张铁山电动清扫车清扫作业装置的设计与研究J 专用汽车，2012，（7）：85-872 杨首森遥控轨路两用物料转运小车的研制与应用J制造业自动化，2009，（10）：174-1763 张桂丰电机驱动清扫装置的环保型清扫车总体设计J福建农机，2008，（3）：65-674 潘公宇清扫车清扫装置的性能研究J筑路机械与施工机械化，1997，14（1）：12-135 A. Hazzab，I.K.Bousserhane，M.Zerbo，et a1Real Time Implementation of Fuzzy Gain Scheduling of PI Controller for Induction Motor Machine ControlJNeural Processing Letters，2006，24（3）：203-2156 Zhiyu Wang，Yizao LiuMulti-channel Infrared Remote Control System Based on AT89S52JLecture Notes in Electrical Engineering，2012，127：163-1677 K.Sri Gowri，T.Brahmananda Reddy，Ch. Sai BabuDirect torque control of induction motor based on advanced discontinuous PWM algorithm for reduced current rippleJElectrical Engineering，2010，92（7-8）：245-2558 张友德，赵志英，涂时亮单片微型机原理、应用与实验M上海：复旦大学出版社，20069 符磊，王久华电工技术与电子技术基础M北京：清华大学出版社，200510 潘新民，王燕芳微型计算机控制技术M北京：高等教育出版社，200111 陈进，许建凤，杨志兵伺服电机的直接数字控制J控制工程，2003，10（2）：179-181.12 郝碧霞步进电机的微型计算机控制J山西焦煤科技，2007，（5）：28-30指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日教研室审核意见： 教研室主任签名： 年 月 日备注：本开题报告须装入学生的毕业设计（论文）档案袋存档。