玻璃清洁机器人吸附机构设计

中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）分类号 密级 U D C 中国地质大学江城学院毕业论文（设计）玻璃清洁机器人吸附机构设计玻璃清洁机器人吸附机构设计姓 名： 廖祖胜 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 25201102 学 号： 2520110218 指导教师： 刘丽明 助教 中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）论文外文题目： 玻璃清洁机器人吸附机构设计 论文主题词： 玻璃清洁机器人 复合吸附方式 螺旋桨式轴流风机 外文主题词： lass-wall cleaning robot Combined suction method Propeller type axial flow fan 论文答辩日期： 答辩委员会主席： 评阅教师： 中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）I原创性声明原创性声明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）II摘摘 要要玻璃幕墙清洁机器人是具有特定功能的壁面移动机器人，是特种机器人的一个分支。它不仅可以用于高层建筑外表面幕墙的清洗，还可用于特殊环境或者特殊设备的表面清洗以及检查。它是基于壁面移动机器人技术，并针对具体的作业对象研发具有明确功能的实用型机器人。其主要工作在高层建筑的玻璃幕墙表面，克服重力对自身的作用，携带清洗作业设备对建筑物玻璃幕墙表面进行清洗，从而将人们从危险的高空作业环境中解脱出来，不仅可以避免发生意外事故，而且可以提高清洗效率、节约成本，具有可观的市场前景。本文将在分析玻璃清洁机器人常见的吸附方式，以及国内外对玻璃清洁机器人所开发的新型吸附方式后，提出采用螺旋桨式轴流风机产生负压作为作为吸附方式的经济适用型吸附机构。在对机器人整体设计方案进行介绍，提出模块化的组装结构。在这基础上，对机器人的吸附机构进行设计分析，然后应用相关理论和设计软件进行参数设计和部件的结构设计，验证吸附机构。最后利用 Pro/ENGINEER 创建出所设计的玻璃清洁机器人吸附机构三维实体模型以及机器人整体模型。 关键词：关键词：玻璃清洁机器人 复合吸附方式 螺旋桨式轴流风机中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）IIIAbstractGlass-curtain-wall-cleaning robot is a wall climbing robot with special functions, with is a branch of special robot. It not only can be used for cleaning the outer surface of the curtain wall of high-rise buildings, can also be used for surface cleaning and checking of special circumstances and special objects. It is a practical robot based on technology of the wall-climbing robot and having a clear function for specific research and development of the robot. Its main function is to overcome the effects of gravity on their own with cleaning equipment for cleaning in the glass-curtain wall-cleaning surface of high-rise buildings so that it can free people from dangers of aerial working environment, thus avoiding accidents, improving the efficiency of cleaning and saving costs. It has a considerable market prospect. In this paper, analysis of glass cleaning robots popular method of adsorption, as well as adsorption to glass cleaning robots developed by the new approach, using propeller-type axial-flow fan to create negative pressure as the economic application of adsorption mechanism of adsorption.Describes the overall design of the robot, presented modular assembling structures. On this basis, the adsorption mechanism and the design of the robot, and then apply the relevant theory and design structure design of software for design and components, verify the adsorption mechanism. Final application of Pro/engineer to design the robot building solid model.Key words: Glass-wall cleaning robot; Combined suction method; Propeller type axial flow fan中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）IV目目 录录第一章第一章 引言引言1.1 课题研究的背景及意义.11.2 国内外对玻璃清洁机器人吸附方式的研究概况.11.3 吸附方式的发展趋势.31.3.1 吸附方式将更多地采用仿生技术.41.3.2 向适应微小型化机器人发展.41.4 小结.5第二章第二章 玻璃清洁机器人总体规划玻璃清洁机器人总体规划2.1 吸附机构.62.2 清洁结构.82.3 行走机构.82.4 水电供应系统.92.5 小结.10第三章第三章 吸附机构结构设计吸附机构结构设计3.1 吸附原理.113.2 吸附方式的实现.123.2.1 风机推力.123.2.2 负压的产生.143.3.3 真空腔的负压与叶片推力可合成.153.3 小结.17第四章第四章 模型建设与仿真验证模型建设与仿真验证4.1 GAMBIT 几何造型建模图 .184.2 仿真验证.194.3 详细结构方案.224.4 小结.23结束语结束语.2424致致 谢谢.2525参考文献参考文献.2626附录附录.2727中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）1第一章第一章 引言引言1.1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义玻璃清洁机器人是拥有特殊功能的壁面移动机器人，是可以在垂直和倾斜的玻璃表面上进行清洗作业的特种机器人1。作为一种可在高空极限环境下工作的自动化机械装置，它的发展现在越来越受到人们的关注。而吸附装置是玻璃清洁机器人包括移动装置、清洁装置、控制装置在内的核心装置，玻璃清洁机器人性能的优异直接取决于机器人吸附装置性能的优异。玻璃清洁机器人吸附机构的研究，有两个问题必须要妥善处理好：一是如何稳当地吸附于玻璃表面；二是使机器人吸附在玻璃表面的同时又不影响机器人在玻璃表面上移动。玻璃清洁机器人要想具备有良好的移动能力就得损失一定的吸附能力，但是当吸附装置提供的吸附力过强又会给机器人在玻璃表面的移动带来困难，所以机器人在玻璃表面上的吸附与移动这是个自身矛盾的问题。就是优化吸附和移动的关系，既要求吸附装置的研究设计方案在保证玻璃清洁机器人吸附装置为机器人提供足够的吸附力的同时，又不影响机器人在玻璃表面面的移动能力2。因此国内外的许多科研机构在设计壁面移动机器人时，都在对这问题展开相关的探讨和研究。1.2 国内外对玻璃清洁机器人吸附方式的研究概况国内外对玻璃清洁机器人吸附方式的研究概况通过按吸附方式的不同，可将玻璃幕墙清洁机器人的吸附机构分为三种，即磁吸附、真空吸附和推力吸附3。其中磁吸附按提供吸附力材质的不同，可分为电磁体和永磁体两种。对壁面的平整程度都没有要求，不仅机器人的有效载荷远胜于真空吸附和推力吸附，而且在作业过程中不存在真空漏气的问题，但要求机器人工作时所吸附的壁面必须是导磁材料，这一点使得采用磁吸附作为吸附方式的机器人的应用环境收到严重地限制；真空吸附按吸盘个数又分为单吸盘和多吸盘两种，真空吸附虽然不受壁面材料限制但对吸盘的密封性能却要求较高，在附着面不平整时吸盘容易漏气，使密封性能下降从而造成吸附力下降，使得机器人的实际承载能力降低；推力吸附方式整合了前两者的优点，有一定的吸附力而且对壁面的平整程度没有要求，但是由于要求风机排风量很大所以整体重量会很重。各种方式优缺点如下表 1.14。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）2表表 1.11.1 玻璃清洁机器人吸附方式的比较玻璃清洁机器人吸附方式的比较吸附方式缺点优点永磁吸附移动时需要机器人主体跟吸附表面分离不需要外部施加能量，安全性高磁吸附电磁吸附要外部施加能量，电磁铁重量大，机器人笨重容易实现机器人主体与壁面的离合，吸附力强单吸盘吸附吸盘的泄露量一旦超过极限，本体将失去吸附能力允许有一定的泄露量，允许壁面有凹凸真空吸附多吸盘吸附对壁面要求高，壁面有凹凸或裂缝时将会有泄露吸盘尺寸小，机器人更加灵活推力吸附风机噪声大啊，机器人重量大，体积大对壁面适应性强，不存在泄露问题图 1.1 是清华大学采用电磁体吸附方式研制的用于储罐表面检测的磁吸附机器人TH-Climber-I 5，行走方式为履带驱动机器人在储罐表面行走检测。实验表明，它具有较高的运动速率、具有很好稳定性和定位精度，其运动速率最大可达 8m/min ，可以跨越10mm 以上的焊缝和表面凸起障碍，角度误差也可控制在 0.2 度以内。图 1.2 为加拿大戴尔豪斯大学和香港中文大学研制的壁面移动机器人6，它的吸附装置使用永磁体吸附履带。使用永磁体方式使机器人吸附于储罐表面，然后电机驱动履带带动机器人在储罐表面移动检测。 图图 1.11.1 清华大学磁吸附清华大学磁吸附 图图 1.21.2 戴尔豪斯大学和香港中文大学的戴尔豪斯大学和香港中文大学的机器人机器人 TH-Climber-ITH-Climber-I 永磁体吸附履带壁面移动机器人永磁体吸附履带壁面移动机器人77图 1.3 是年哈尔滨工业大学研制的 CLR-II 型壁面清洗壁面移动机器人8，它的吸附机构采用的就是单吸盘真空吸附，清洗装置悬挂于机器人下方。机器人有效载荷为 5kg，爬行速率最快为 10m/min，每次爬行高度是最高 100m，操控方式是有线遥控及 PLC 线路控制，行走方式采用双轮式无级调速，机器自身携带有高压水枪、旋转刷从而在清洗作业时可实现机器人自主清洗作业。由于它是专为建筑物外表面瓷砖壁面的清洗而设计制造的,所以目前已有成品并投入生产应用。图 1.4 是在 1990-1993 日本东京工业大学间研究设计的 NINJA9，第一代型号为 NINJIA-I,自 1994 年开始，NINJA-II 在 NINJIA-I 的基中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）3础上不断的改善升级，可用于高楼壁面的检查等。NINJIA-I 和 NINJA-II 的主要技术参考是相同，吸附装置也都采用的多吸盘真空吸附。 图图 1.31.3 哈尔滨工业大学研制的哈尔滨工业大学研制的 CLR-IICLR-II 图图 1.41.4 日本东京工业大学研制的日本东京工业大学研制的 NINJIANINJIA1990 年西亮教授研制的爬壁机器人的吸附装置采用的是推力吸附，如图 1.5 为理论设计图。在吸附原理上它借鉴直升机原理，使用螺旋桨产生的高速气流推动机器人在墙壁表面移动的同时贴合墙壁表面。螺旋桨的轴线与壁面大约成 200夹角，如此高速气流产生的推力在水平方向始终有分力指向壁面，从而实现了机器人的吸附吸附在建筑表面上：在竖直方向也有向上的分力，使机器人可以紧贴壁面移动，且使机器人具有一定的越障能力。掌舵机构控制机器人的移动方向和倾斜角度，由于使用柴油机，所以不需要带电源线，使用起来很方便。图 1.6 为实物图。 图图 1.51.5 螺旋桨式推力吸附壁面螺旋桨式推力吸附壁面 图图 1.61.6 螺旋桨式推力吸附壁面螺旋桨式推力吸附壁面移动机器人理论设计图移动机器人理论设计图 移动机器人实物图移动机器人实物图1.3 吸附方式的发展趋势吸附方式的发展趋势经过上文分析阐述，并且结合当下机器人技术和科技前沿发展的总体趋势，我认为中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）4玻璃清洁机器人作为具有特殊功能的壁面移动机器人，那么它吸附机构的也该顺应壁面移动机器人吸附机构发展的如下趋势。1.3.1 吸附方式将更多地采用仿生技术吸附方式将更多地采用仿生技术在目前现有技术的的支持下真空吸附方式和磁吸附方式发展得相对成熟，并伴随着各种成熟产品相继投入市场，所以这些技术目前得到适当的应用，但他们的缺点却不利于该技术进一步的推广与应用。如果采用仿生技术，如仿生壁虎的干吸附、仿生蜗牛的湿吸附等，能够适应各种材质壁面，而且无噪音，无污染。尽管当前采用仿生技术的吸附装置吸附能力还比较差，但随着 MEMS 加工技术（微型加工技术） 、3D 打印技术以及新材料技术的发展，相信吸附性能将会有显著的提升1011。当前，西方发达国家都很注重对壁虎脚掌仿生材料技术的研究，我国南京航空航天大学也已经对该科研方向展开有关方面的研究。如图 1.7 为仿壁虎机器人。图图 1.71.7 模仿壁虎的机器人模仿壁虎的机器人1.3.2 向适应微小型化机器人发展向适应微小型化机器人发展微型机器人在未来发展中将是人们开发的一种高端科技。仿生微型机器人能够利用其体型小的优点，可以用于特殊环境检测作业。由其发展的生物医疗机器人还可以进入人体内部进行检查和实施相关治疗而不伤害人体。相对体积小、质量轻的机器人不仅工作时能耗较小，而且更加的灵活，并且在某些特殊场合得工作也只有小型机器人可以胜任12。现在各种微型驱动元件、控制元件及新型能源供应方式的发展，为小型化、微型化中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）5提供了技术支持。所以，壁面移动机器人的小型化和微型化是机器人未来发展的一个非常重要的趋势。当前为了适应爬壁机器人小型化、微型化的发展趋势，许多科研单位都在对新型的爬壁机器人吸附方式展开相关研究13。1.4 小结小结本章介绍了课题研究的现实意义以及重要性，分析了国内外壁面移动机器人吸附机构的分类、特点及当下研究状况，并按照吸附方式的的不同对各种吸附方式进行比较。根据目前研究的方向和科技发展的方向，对未来吸附机构所可能采用的吸附方式提出构想。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）6第二章第二章 玻璃清洁机器人总体规划玻璃清洁机器人总体规划2.1 吸附机构吸附机构玻璃清洁机器人的吸附机构由机器人腔体、自锁绞杆、自绞锁固定板、橡胶垫片、轴流风机、轴流风机桨叶，上安全防护罩和下安全防护罩组成。这样设计的要求一是使机器人整体重心更加贴近于玻璃幕墙表面；二是满足市场上现有的轴流风机的规格尺寸，及保证了设备的装配空间同时还要减省了机器人腔体的材料，从而减轻机器人的整体重量14。在机器气人腔体上安全防护罩装配连接上，由于需要承载的自由防护罩自身的重量，所以没有采用螺纹连接，而是采用传统而简单的锁卡模式。在腔体上预留所锁卡键然后在安全防护罩上预留与之相应的键槽，如下图 2.1（a） 和图 2.1（b） 。 （a）预留的锁卡键预留的锁卡键 （b b）预留的键槽）预留的键槽图图 2.12.1 锁卡键与键槽示意图锁卡键与键槽示意图图图 2.22.2 机器人腔体与安全防护罩结合机器人腔体与安全防护罩结合中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）7机器人的腔体将采用在工程塑料制作。工程塑料拥有优秀的综合性能，在现实应用中具有刚性大，机械强度高，电绝缘性好等特点，并且能够在较苛刻的化学、物理环境中回收再利用，而且在有些工程项目中可替代金属作为工程结构材料使用，是一种理想而且环保的制造原料15。安全防护罩设计成孔状会对风道产生较大的阻碍，设计成栅状是一为了保证风道的畅通，二是与网状相比栅状更加节省材料。安全防护罩由于在机器人整体机构中除自身外不承载其他机构，所以防护罩采用常见的耐冲击硬胶耐冲击性聚苯乙烯制作。自锁绞杆和自绞锁固定板装配在一起，作为轴流风机与机器人腔体的连接装置，不仅要求自锁绞杆和自绞锁固定板自身连接稳固，而在部件制作的材料的选择上要求刚性大，蠕变小，机械强度高。而由于机器人在重量上有要求限制，所以自锁绞杆采用航空铝材料，自绞锁固定板采用常见的耐冲击硬胶耐冲击性聚苯乙烯制作。木质家具两构件连接时常采用一种凹凸处理的接合方式，这在我国传统实木家制作过程中称这一工艺结构为榫卯结构。凸出的那部分叫榫；凹进那部分叫卯。在机器人自锁绞杆和自绞锁固定板的设计中，借鉴了古老而又科学的设计方法。如下图 2.3（a） 所示为两根自锁绞杆连接示意图，其中杆 2 限制了杆 1，使其不能转动也不能；杆 2 本身可以转动也可以移动。当两根自锁绞杆装配到自绞锁固定板后，如下图 2.3（b） 所示，在杆 2 的位置上用销使其定位，从而限制杆 2 的移动与转动。自锁绞杆和自绞锁固定板装配如下图 2.4 。 （a a）自锁绞杆连接）自锁绞杆连接 （b b）自锁绞杆在自绞锁固定板内部）自锁绞杆在自绞锁固定板内部中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）8图图 2.32.3 自锁绞杆示意图自锁绞杆示意图图图 2.42.4 自锁绞杆和自绞锁固定板装配自锁绞杆和自绞锁固定板装配由于轴流电机市场上有行业标准，所以根据实际需求选择 YWF2S-250 型轴流电机。YWF2S-250 型轴流电机额定电压 220 V ，转速 2400 rpm ，风量 1400 m3/h 。轴流电机桨叶采用耐冲击性聚苯乙烯制作，叶片长度根据机器人腔体直径在做调整。2.2 清洁结构清洁结构玻璃清洁机器人清洗机构外挂于机器人腔体后轮处，采用外部供水。首先冲洗玻璃表面，然后小型电机通过带传动，带动粘有高密度聚乙烯条的辊筒滚动清洁玻璃表面。其组成部件由行走轮、供水管、套盖、辊筒组成，如下图 2.5 。图图 2.52.5 玻璃清洁机器人清洗机构玻璃清洁机器人清洗机构1 1 行走轮行走轮 2 2 供水管供水管 3 3 驱动电机驱动电机 4 4 辊筒辊筒 5 5 套盖套盖2.3 行走机构行走机构清洁机器人的行走机构由左右两边的转向轮和尾部的从动轮组成，转向轮在驱动电中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）9机的驱动下实现请进、后退以及转向，如下图 2.6 。从动轮是万向轮，方便转向同时起到平衡支撑机器人作用，如下图 2.7 。行走机构个零件也可采用耐冲击硬胶耐冲击性聚苯乙烯制作，行走轮则采用密度小的泡沫橡胶制作。图图 2.62.6 行走机构转向装置行走机构转向装置1 1 转向轮转向轮 2 2 转向轮支架转向轮支架 3 3 驱动电机驱动电机图图 2.72.7 行走机构从动装置行走机构从动装置1 1 从动轮从动轮 2 2 从动轮转向杆从动轮转向杆 3 3 从动轮转向杆支架从动轮转向杆支架2.4 水电供应系统水电供应系统玻璃清洁机器人为了减轻本身的重量，所以将采用外部提供清洁剂，既清洁所用的水由外部管道直接提供给清洁机构。在为了减轻重量的同时提高工作时效，所有电机的电源采用外接，机器人本身将不携带电池。这样在机器人工作时既节省能量，也可以减轻机器气人的重量。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）102.5 小结小结玻璃清洁机器人的总体设计按照模块化的设计理念，从而在结构上追求简洁，方便清洗机器人是拆卸与组装。同时机器所有机构和零件的制作材料都采用密度轻而且复合设计使用强度的材质，这样可以为电机提供更多的选择空间。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）11第三章第三章 吸附机构结构设计吸附机构结构设计3.1 吸附原理吸附原理要保证玻璃清洁机器人在玻璃表面安全稳定地吸附，就必须在气路壳体内产生一个真空负压，这就需要有一个负压产生装置。采用风机抽风使得机器人气路壳体内产生真空负压，这里要求该装置重量轻、体积小、噪音小、机构简单而且安装方便、排风量大、能够迅速建立真空负压，即要求瞬时响应的时间非常短。目前使用的通风机按气流的运动方向大致有三类，即为离心式、轴流式和混流式。气体在离心式通风机的通风机叶轮带动下，是沿离心方向 (即沿半径方向) 流动的，所以也被称之为径流式；气体在轴流式通风机的腔体内部，沿轴线的方向流动；气体在混流式通风机的通风机叶轮中带动下，气体的流动方向介于离心式和轴流式通风机之间，也被称为斜流式。离心式通风机的特点是比转数低(通常在 ns=2.014.5) ,全压高，流量小，被应用于需要提高压力而流量小的场合。因为其流量小，所以对装置的密封性要求严格，对空气泄露敏感。当壁面与吸盘之间存在间隙时，随着吸盘与壁面间隙的扩大，吸盘内负压将会急剧下降。这对机器人在不足够平整的壁面工作极为不利。同时，为了保证密封性而在吸盘边缘设计的各种密封垫在机器人移动时，不仅会产生阻力而且自身由于摩擦也会产生磨损的问题。因此，这种吸附方式对于通用建筑表面的清洁机器人来说并不是非常理想的。轴流式通风机的特点是比转数高(通常在 ns=14.590) ，全压低，风机内气体流量大，被应用于流量大而风压要求不高的场合。并且由于轴流式风机独特的翼型叶片形状，还可以产生一定的反推力。这样产生的复合推力可以被我们所利用。混流式通风机整体机构比较复杂，而且空气的流向也复杂，应用起来较为困难，所以一般不采用。在本文中玻璃清洁机器人的负压及反推力产生装置需要流量大，但对全压要求不高，故采用轴流风机。基于复合吸附方式的玻璃清洁机器人吸附机构基本上由两部分组成，风扇产生的推力和空气流场产生的负压。这两部分都包括若干个设计参数，在这些参数共同作用下，决定了机器人的吸附效果。为了清晰的说明玻璃清洁机器人吸附机构的吸附原理，本文接下来的部分依照以下三个部分分别论述：风机推力、负压的产生以及推力和负压的复合推力。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）123.2 吸附方式的实现吸附方式的实现3.2.1 风机推力风机推力与其他利用反推作用力的壁面移动机器人类似，本文的吸附方式壁面机器人同样是利用螺旋桨的推力将机器人紧压向壁面。与其他利用反推作用力的壁面移动机器人的区别在于，其他利用反推作用力的机器人螺旋桨转轴与墙面成一个倾角，这样推力的一部分可以平衡机器人本体的重力，同时推力垂直于墙面的分量用于产生墙面与机器人行走轮之间的摩擦力。这个方案使平衡重力的推力达到最大效率，但是这要求螺旋桨转轴与墙面的夹角必须精确控制，否则平衡被打破机器人就会倾覆。本文的吸附方式中，螺旋桨推力垂直指向墙面，这样就避免了对推力夹角的复杂控制。由于复合吸附方式中的推力没有得到最高效的利用，我们更需要尽可能寻求增大推力值的途径。为论述如何增大螺旋桨推力，首先讨论的是螺旋桨产生推力的原理。轴流风机中的桨叶与飞行器的螺旋桨类似，桨叶单一处竖截面形状如下图 3.1 所示。电机带动桨叶旋转，空气以下图的中方式流过桨叶翼面。由于翼面上下线性长度不同但同时到达后缘的关系，所以翼面上下气流速度则不同。图图 3.13.1 桨叶对气流的影响桨叶对气流的影响由于自然界中的流体都遵守流体三大守恒定律，从而我们能够了解流速、压强等运动参数在流流体流动过程中相互影响的变化规律。即得到伯努利理想气体方程，气体总压=静压与动压的和。总压是常数，而动压随流速变化，在数值上等于空气密度乘速度的平方的一半。叶片表面的弯曲度使得一侧表面的空气流速更快从而动压更大，由于总压不变这一侧表面的静压就小了。两侧翼面的静压不同产生压力差，从而产生了推力。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）13图图 3.23.2 叶栅受力分析图叶栅受力分析图在轴流风扇理论中，在确定半径处对桨叶作环形剖视，可以得到一组叶栅。如图 2.2 所示。下标“1”和“2”分别表示叶栅 (AB，A1B2 ) 气体入口处和出口处的各个参数，下标“a”表示向量沿叶片转轴方向的分量，w 向量是气体相对叶片的速度，u 向量是叶片的速度,c 向量是气体的绝对速度，x 向量是气体的圆周速度。现在讨论叶栅上的轴向力，叶栅轴向力的和就是系统的总推力取 ABB1A1A 研究，根据动动量定理，在轴向有方程： 方程（1）+(2 1)= (2 1)其中 Fa 为叶片对气体的作用力 (N)P2为 A1B1 处气体静压(Pa),P1为 AB 处气体静压(Pa),S 为叶栅面积(m2 ),m 为单位时间流过叶栅面积的气体质量(kg)。因为低速流动时认为气体密度不变，根据质量守恒有： 方程（2）1= 2根据伯努利理想气体方程，有： 方程（3）1+221= 2+222式中 为气体密度设 Ra 为气体对风机叶片的作用力，则： 方程（4）= 中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）14由方程（1）（4）得： 方程（5）= (1+ 2)其中 和 S 是不变的，于是 Ra 正比于叶片速度和出入口处气流圆周速度(下图 2.3)和之积。图图 3.33.3 气流圆周速度气流圆周速度这个结论对于寻求轴流电机产生最大推力很重要。它表明，螺旋桨转速越高，其产生的推力就会越大。这时候，如果入口气流的圆周速度具有与螺旋桨角速度相反的方向，而同时出口气流圆周速度方向与螺旋桨角速度相同，螺旋桨就可以产生最大的推力。圆周速度与叶片外形有关，一方面为了追求更大的圆周速度，我们可以选择具有更大迎角的螺旋桨叶片形状，但是这样选择的同时空气对螺旋桨的阻力矩也会因此变大，这就需要我们在更高的圆周速度和效率之间做出权衡的选择。另一方面，我们可以在气体入口和 (或) 出口处增加一些导叶得到我们希望的旋转气流，但这会使得机器人的体积和重量增加。我们也可以通过提高桨叶角速度来获得更大的推力，但是同时阻力转矩也会因此增大，这就需要驱动桨叶的电机消耗更大的功率。为了减轻机器人整体重量和提高机器人工作时间，独立的机器人系统可以外接电源线的供电系统，避免携带的电池产生的重量和工作时限上的限制3.2.2 负压的产生负压的产生由上文可知根据伯努利原理，当气流流过翼面时螺旋桨出口面与入口面的气体静压将有一个压差。如果出口连通大气，出口气压等于大气压，则入口端气压将低于大气压。同时，当入口端气流被外壳包裹时壳壁内外存在相通的气压差，气压差使得外壳受到额外的气体静压力。调整外壳的角度，可以使得外壳受到气压的合力指向来流方向。如下中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）15图 3.4 中所示，图中（b）中的 Fp 就是我们需要的负压吸附力。 （a)a) 传统轴流风扇传统轴流风扇 （b)b)改进的轴流风扇改进的轴流风扇图图 3.43.4 轴流风机气体函道外壳轴流风机气体函道外壳这里需要强调，上文提出的产生负压的方法与传统的使用真空泵或者离心风机产生负压的方法是不同的。真空泵和离心风机是将负压腔内气体排出产生高负压，本文的方法则是利用气体流速提高时动压上升而时静压下降的原理。此方法带来的优点是由于此方法空气流量很大，于是吸盘在一定能范围内对流量变化不敏感，这意味着机器人吸盘和墙面之间可以有一个相对交大的间隙，从而提升机器人的越障能力。这对于提升玻璃清洁机器人在复杂的玻璃表面的适应能力有很大的好处。3.3.3 真空腔的负压与叶片推力可合成真空腔的负压与叶片推力可合成现在，我们考虑如下图 3.5 所示的复合吸附吸盘，推力和负压在机器人工作时同时产生作用。当轴流电机功率一定时，这两方面的作用最恰当组合使得机器人获得最大的吸附推力。最佳工作方式需要考虑到的因素很多，如吸附腔外壳的形状和尺寸、吸盘与墙面间隙的高度、腔内流场等等。为了简化对这个问题的讨论研究，我们首先分析吸盘与壁面间隙是在机器人工作时产生的影响。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）16图图 3.53.5 Pro/ePro/e 建立的复合吸附吸盘外形建立的复合吸附吸盘外形1616当机器人工作在图 2.6(a) 状态，即间隙为 0 时，螺旋桨工作在类似真空泵的工作状态。此时螺旋桨使负压腔内气体排出而产生负压，当螺旋桨启动后不久会达到动态平衡，气体停止排出。尽管与图中 (b) (c)状态相比 (a) 状态可以获得最大的负压，但由于工作原理的不同，但它无法达到真空泵或离心风机能实现的负压。不仅如此，这时阻力提高功率上升，并且由于流量极小，螺旋桨只能获得非常小的推力。（a a） 高负压，低推力高负压，低推力 (b)(b) 中负压，中推力中负压，中推力 (c)(c) 低负压，高推力低负压，高推力图图 3.63.6 间隙不同产生的三种工作状态间隙不同产生的三种工作状态当机器人工作在图中(c) 状态时，轴流电机效率最高，这时工作状态与轴流风机类似。同时在这种情况下负压腔基本直接连通大气，只有在距离螺旋桨很近的区域才有负压作用，所以这时吸盘负压腔不能产生足够的负压吸附。尽管状态(c) 能够产生最大的推力作用，但它不能达到最佳的吸附效果。当机器人工作在状态(b) 时，通道内保持有一定量的气流，这时推力仍然可以近似的由方程(5) 估算。这时气流经过吸盘壁面间隙流入负压腔时受到阻碍，腔内气体不是直接与大气相连，于是在腔体内外得以产生压差。尽管状态(b) 消耗了比状态(c) 更大的功率，但它可以获得推力和负压的最佳组合。另一个问题是负压腔外壳的半径。如果负压腔外壳半径过小，负压就难以得到充分的利用，如果半径过大，导致机器人的尺寸和重量又会变大，负压增大产生的吸附力增加但是却得不偿失。所以这需要研究求得最优选择。当电机转速超过一定值之后，继续提高转速仍然会使负压和推力得到提高，但效率却会降低。过大的吸附力反而会增大机器人与玻璃表面的摩擦力，阻碍机器人在玻璃表面的移动作业。综上所述，当轴流电机转速一定时，吸附力大小主要由螺旋桨叶面迎角和吸盘尺寸决定。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）173.3 小结小结本章首先对壁面移动机器人的真空吸附方式进行了分析，然后提出了根据真空吸附方式改进的复合吸附方式。对新型吸附方式的吸附原理进行了分析推导，确定了新型吸附方式的结构设计，在理论上验证了新型吸附方式的可行性。第四章第四章 模型建设与仿真验证模型建设与仿真验证GAMBIT 是一款可以帮助工程人员建立并网格化计算流体力学（CFD）模型和其它科学应用而设计的一个软件包。FLUENT 是一个流体动力学计算软件包，可以用它对真空腔内的空气进行流体的仿真和计算。它提供了多种流体模型以供用户仿真计算使用，如可压缩流体、不可压缩流体、粘性流体、非粘性流体等。本文中对负压腔腔体的模型建设和网格划分采用 GAMBIT，负压腔内流场的仿真则是使用 FLUENT 完成的。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）184.1 GAMBIT 几何造型建模图几何造型建模图GAMBIT 采用模块化建立的模型，建立如下图 4.1 所示真空腔体的模型。第一层圆柱直径 376mm ，高度 15mm ；第二层圆台底层直径 376mm ，上层直径 250mm ，圆台高 28mm ；上层圆柱直径 250mm ，高 54mm 。采用上述数据是为了保证轴流电机螺旋桨叶可以安装到位的同时减轻真空腔材料从而的重量。图图 4.14.1 真空腔体框图真空腔体框图如下图是先用 GAMBIT 建立正空腔体的三维模型，对上文中所述的圆台和上层圆柱部分移动后使用命令 Volume , Unite Real Volumes 将原先创建的三个各自独立部分合并成一个整体。合并后如图 4.2 。然后在将模型导入 FLUENT 前选择如图 4.3 所示的通风口面为 Sources(起始面) ，对进行模拟的流场进行网格划分的预处理。划分结果如图4.4 。图图 4.24.2 建立的真空腔体模型建立的真空腔体模型中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）19图图 4.34.3 网格划分前设置网格划分前设置图图 4.44.4 仿真前几何造型和网格划分仿真前几何造型和网格划分如上图 4.4 对模型网格划分结果所示，在命令操作栏中 Faceting Type 下绿色条左边越多说明网格划分越优越，根据上图显示检验的结果，将合格的网格导 入 FLUENT 后模拟仿真。4.2 仿真验证仿真验证由于轴流电机第二章确定使用 YWF2S-250 型，所以可以应用 FLUENT 对转速确定下不同吸盘与壁面间隙以及不同吸盘直径条件下，吸附装置产生的吸附力效果进行了仿真计算。依照本课题的条件，在 FLUENT 中做了如下设定如下参数solver： “steady state”solving approach： “segregated”algorithm： “implicit”type of flow： “K-Epsilon”material： “air”当转速为 2400rpm 吸盘直径为 316 mm 时，如图 4.5 中所示，图（a) 显示了间隙高度 0mm 时气体流速分布,图（b) 和图（c) 分别显示了间隙高度是 25mm 和 50mm 时真空吸盘内气体静压分布情况。观察图（a) ，当间隙取 0mm 时，系统在间隙处与外界没有中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）20气体交换，而在螺旋桨处有反向气流产生，这时将产生噪音并且将会提高电机的功耗。表 2.1 显示了摘自 FLUNT 的仿真数据，可以看到负压值在 0 间隙时取得最大(-350KPa )值，间隙取 50mm 时则最小(-150KPa )值，这两种情况下，负压和推力分别占各自情况下的主导作用，但两者都没有取得最大的吸附合力。而当间隙取 25mm 时，系统获得了最大的吸附力 20.4N ，这时的负压和推力两者作用得到了较好的匹配。（a a）间隙高度）间隙高度 0mm0mm 时气体流速分布图时气体流速分布图（b b）间隙高度）间隙高度 25mm25mm 时静压分布图时静压分布图 (c)(c) 间隙高度间隙高度 50mm50mm 时静压分布图时静压分布图图图 4.54.5 吸盘直径吸盘直径 316mm316mm 时不同间隙高度腔内静压仿真时不同间隙高度腔内静压仿真中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）21表表 2.1 间隙不同时吸附力对比间隙不同时吸附力对比间隙高度（mm）最大静压（Kpa）间隙处气体流速（m/s）复合吸附力（N）0-3507.525-31522.720.450-15019.812.8当转速为 2400rpm，间隙高度为 25mm 时，直径分别为 376mm 和 436mm 的负压腔内静压分布图如如图 4.6 所示。由表 2.2 可以看出，随着吸盘直径增大，复合吸附力也在变大。然而，对比上述结果可以发现当吸盘直径由 316mm 增大至 376mm 时，吸附力显著增大由 19.7N 增至 29.8N 增幅 51.27% ：但是当吸盘直径由 376mm 增大至 436mm 时吸附力增加的幅度却不是那么明显，增幅只有 9.06%，而这时机器人会因为吸盘尺寸增大而增加很多重量。所以，适当选择吸附力与重量之比就要依据吸盘的大小决定，这在具体设计中是很必要的。(a)(a) 直径直径 376mm376mm 时静压分布图时静压分布图(b)(b) 直径直径 436mm436mm 时静压分布图时静压分布图图图 4.64.6 间隙高度为间隙高度为 25mm25mm 时不同吸盘直径腔内静压仿真时不同吸盘直径腔内静压仿真中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）22表表 2.2 吸盘直径不同时吸附力对比吸盘直径不同时吸附力对比吸盘直径（mm）最大静压（KPa）间隙处气体流速（m/s）复合吸附力（N）316-34221.319.7376-33820.729.8436-21618.832.54.3 详细结构方案详细结构方案根据前文分析，本文提出提出玻璃清洁机器人的整体结构以及机器人合吸附吸盘设计方案如图 4.7 和 4.8 ：图图 4.74.7 玻璃清洁机器人整体机构示意图玻璃清洁机器人整体机构示意图图图 4.84.8 复合吸附吸盘设计方案分解示意图复合吸附吸盘设计方案分解示意图1 1 机器人腔体机器人腔体 2 2 从动轮转向杆从动轮转向杆 3 3 从动轮转向杆支架从动轮转向杆支架 4 4 自锁绞杆自锁绞杆 5 5 右转向轮支架右转向轮支架 6 6 上上安全防护罩安全防护罩 7 7 自绞锁固定板自绞锁固定板 8 8 橡胶垫片橡胶垫片 9 9 轴流电机桨叶轴流电机桨叶 1010 轴流电机轴流电机 1111 下安全防护下安全防护罩罩 1212 转向轮转向轮 1313 左转向轮支架左转向轮支架 1414 驱动电机驱动电机中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）23吸盘的外壳壳体采用轻质材料制成，上部是带有轴流电机、螺旋桨以及自锁固定装置的圆柱形通风道，是下部圆锥形负压腔吸盘。风道进口以及出口都设有安全防护罩，在保证气流通畅的同时防止意外情况发生时异物飞溅伤人。吸盘两侧是两个相互独立驱动轮系统，该系统由支架、电机、轮子构成，在直线行走同时相互独立可完成转向。另有一万向轮从动，与两个驱动轮一起支撑壳体，保持吸盘与壁面之间的间隙。为使吸盘内流场尽可能不受额外干扰，驱动轮和从动轮全部安装在吸盘壳体外侧，并尽量贴近玻璃表面。4.4 小结小结本章节利用 GAMBIT 和 FLUENT 软件建模、网格划分与模拟仿真、分析的功能，对上一章节中提出的新型吸附方式的效果进行了软件仿真，验证了前文的理论分析可操作性。最后利用三维设计软件 Pro/Engineer 生成更为生动的复合吸吸附机构数字。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）24结束语结束语机器人的研发结合了机械、电子、控制、人工智能计算机等多学科领域的知识，代表着当今研究的前沿学科，在某种程度上代表着一个国家的科研实力。玻璃清洁机器人吸附装置的研制，有助于完善机器人性能，提高高危环境工作的安全性和有效性。最终有助于玻璃清洁机器人市场普及。减小工作人员危险和工作强度，降低成本，有着很大的现实意义。本文核心就是玻璃清洁机器人吸附机构方面展开了阐述论证，主要研究工作和结论如下:1）玻璃清洁机器人因为其所具备的特殊而又实用的功能，所以在众多壁面移动机器人格外的受人关注。本文中先对国内、外壁面机器人的发展现状进行研究，并按照吸附方式的不同将壁面移动机器人进行分类比较，并分析玻璃清洁机器人可以选用的吸附方式。描述了基于复合吸附原理的玻璃清洁机器人吸附机构以及实现方案。该吸附机构采用源于真空吸附技术的一种单吸盘吸附方式，方案同时结合了螺旋桨反推力的作用。吸盘与壁面之间有一个相对较大的间隙，这提升了机器人的越障能力使机器人对复杂的玻璃慕表面具有更强的适应性。2）文中玻璃清洁机器人采用的吸附方式具有创新性，为今后的深入研究打下了一定的基础。目前对该复合吸附方式的研究还比较有限，有些问题还有待进一步研究。玻璃清洁机器人螺旋桨桨叶外形、真空吸盘与壁面间隙大小，吸盘负压腔形状尺寸等都会对机器人最终的吸附效果产生影响，这些都需要根据机器人具体的应用场合进行一定的调整。对于文中复合吸附方式的研究，下一步的研究重点应在改进真空腔内流场控制方面，例如改进吸盘负压腔形状、改进螺旋桨桨叶外形以及排列方式等从而在降低功耗、提高效率和减少噪音方有所提高。中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）25致致 谢谢本文是在我的指导老师师刘丽明老师的指导下完成的，刘老师在课题进展的各个阶段都对我进行我耐心而又认真的教导。在我的毕业设计完成时，感觉自己最美好的大学时光就要结束了，我很想向我的我的父母、母校、我的老师以及我的大学同学们表达我最衷心的谢意。本毕业设计的完成我首先要向学院表达诚挚的谢意，是学院给我提供优异的学习环境，使我学习到了许多专业知识，学校“明德大爱，创新笃行”的校训也使我深受教育。指导老师治学严谨、为人诚恳、学识渊博，为我提供了一种良好的精神气氛。在做毕业设计的过程中每次困难，我都会寻求老师的帮助。老师每次也都会抽空来帮我解决，然后给出有价值的解决办法。而且在做毕业设计的每个阶段，从选题、查阅资料和论文提纲的确定，到中期论文的修改、后期论文格式调整等各个环节中，老师都给予了我悉心的指导。我从老师身上学到了很多解决问题的经验和学习方法，这些学到的东西在毕业论文上给予了我许多的帮助，在此，我向我的导师刘丽明老师表示崇高的敬意和真挚的谢意！在论文撰写过程中，寝室的各位同学们在生活上给予的帮助，是他们给大家创造一个安静地环境。同时感谢武汉全通自动化设备有限公司的詹汉怀师傅在材料选择和人生的认识上给予的指导，真诚地感谢詹老师和和同学们的指导和帮助。最后，深深地感谢我的父母，尤其是我的母亲在我寒假在家撰写论文过程期间给予的理解和关怀！中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）26参考文献参考文献 1 李曙生.具有轮换移动机构的爬壁机器人研究J.泰州职业技术学院学报.2002, 2(3):14-182 国家 863 计划智能机器人主题专家组.迈向新世纪的中国机器人国家863计划智能机器人主题回顾与展望M.沈阳:辽宁科学技术出版社,2011.2.3 潘雷.赵言正.钱志源.付庄.曹其新.具有双负压吸盘的爬壁机器人吸附特性J.上海交通大学学报.2005.39(6)4 刘淑霞.赵言正,王炎.高楼壁面清洗机器人及相关技术的研究J.自动化博览.1999:22-26.5 肖立.佟仕忠.丁启敏.等.爬壁机器人的现状与发展J.自动化博览.2005.22(1):80-83.6 RAFAEL ARACIL, ROQUE J SALTARN, OSCAR REINOSO.A Climbing Parallel Robot A Robot to Climb Along Tubular and Metallic StructuresJ. IEEE Robotics & Automation Magazin , 2006, 13:16-227 Love P.Kalra, Jason Gu, Max Meng.A Wall Climbing Robot for Oil Tank InspectionC. International Conference on Robotics and Biomimetics.Kunming, China.20068 杨宏,劭浩.刘淑良.王炎.壁面清洗机器人控制系统的研制J.机器人ROBOT.1998.20(4):7-109 日本机器人学会编著.宗光华等译.机器人技术手册M.科学出版社.201010 张秀丽,郑浩峻.陈恳,等.机器人仿生学研究综述J.机器人.2012,24(2):185-19211 吉爱红.戴振东.周来水.仿生机器人的研究进展J.机器人.2005,27(3):280-28512 许宏岩.付宜利.王树国.等.仿生机器人的研究J.机器人.2004,26(3):276-28813 王俊玲.磁性爬壁喷涂机器人J.机电产品市场.2002.(1 /2):2714 肖立.佟仕忠.丁启敏,吴俊生.爬壁机器人的现状与发展J.自动化博览.2008,22(1):76-7915 刘世平,李喜秋,赵轶.基于Pro/Engineer的三维设计与制造M.华中科技大学出版社,200716 周延武,宗光华.Cleanbot-I.擦窗机器人的智能化技术J.机器人ROBOT.2002.24(1):6-11.中国地质大学江城学院毕业设计（论文）中国地质大学江城学院毕业设计（论文）27附录附录