【正文】 ............. 44 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 1 頁 共 46 頁 1 引言 課題研究的背景 在繁華的市中心區(qū)域，高層建筑越來越多，樣式多樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)景。隨著玻璃制作工藝技術(shù)的不斷革新，玻璃的強(qiáng)度不斷提高，并且玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實用美觀，建筑師在設(shè)計時高層建筑的外壁越來越多地采用鋼化玻璃制作玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。但是由于玻璃沒有自我清潔的能力，時間一長，空氣中懸浮顆粒就會吸附于玻璃外墻上，為了保證建筑外觀的整潔美觀，就需要對墻壁進(jìn)行清洗，以美化城市市容市貌。 玻璃幕墻難于清洗 ,清洗成本高昂 ,清洗工作量大并且清洗工人工作環(huán)境危 險等難題。因此 ,面對市場對于清洗玻璃建筑的巨大需求 , 市場上目前投入使用的少量玻璃清潔機(jī)器人 ,技術(shù)上仍然存在許多的問題 ,例如 :避障時機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑過大 ,機(jī)器人無法清洗機(jī)器人邊緣經(jīng)過的玻璃墻面 ,機(jī)器人輪子傳動軸徑向力過大等問題 ,因此開發(fā)一款用于自動清洗玻璃幕墻的滿足市場需求的實用玻璃清潔機(jī)器人已經(jīng)成為科研人員工作的重點。 目前高層建筑的玻璃幕墻清洗工作主要由專門的清潔公司來完成，清潔公司的清潔方法中最主要的有兩種：一種方式是使用安裝在高樓樓頂?shù)膶Ｓ密壍阑虻跛飨到y(tǒng)將清潔機(jī)器對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動擦洗。這種清洗方式初 次投資成本較高，而且要求建筑物設(shè)計之初就必須考慮到擦窗系統(tǒng)的安裝，所以限制了它的使用范圍。另一種方式是使用升降平臺或者吊籃裝載清潔工進(jìn)行高樓玻璃幕墻的清洗，雖然簡便易行，但清潔工人的勞動強(qiáng)度大，工作效率又比較低，屬于高空危險作業(yè)，對工人的人身安全及高樓玻璃幕墻壁面都有很大的威脅，并且中國的經(jīng)濟(jì)正處在轉(zhuǎn)型期，現(xiàn)在和可以預(yù)見的未來清潔工人的用工成本將不斷的上升。所以迫切需要一種能代替人而且又有一定靈活性和適用性的全自動機(jī)器裝置來完成這項工作，而且高樓的玻璃幕墻一般情況下面積較大，大多數(shù)處于幾十米甚至位于上百米的 高處，而且周圍又無可攀援的支架，這就使得對玻璃幕墻的清洗成為一項繁重、高危險、耗資的工作。如果讓人去清洗玻璃壁面，不僅花費高，而且安全難以得到保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進(jìn)行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。 美日韓及歐洲各國還有最近的中國都相繼 推 出了各自的 玻璃 清潔機(jī)器人，這項技術(shù)也在日益走向成熟，但卻并未為大多數(shù)人了解，許多相關(guān)的技術(shù)在外人看來還是遙不可及的，在網(wǎng)絡(luò)及出版物中相關(guān)的文章少之又少，這就需要對這一新型的技術(shù)進(jìn)行一些說明。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 2 頁 共 46 頁 課 題研究的意義 高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人是 移動 機(jī)器人的一個分支。它是基于壁面移動機(jī)器人技術(shù)，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實用機(jī)器人，其工作在垂直危險的玻璃壁面，能夠克服重力的作用，攜帶清洗設(shè)備，是面向現(xiàn)代高層建筑玻璃外墻表面保潔、清洗服務(wù)的極限作業(yè)機(jī)器人，它可以將人們從危險的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，不僅可以避免事故的發(fā)生，而且能夠美化城市環(huán)境，造福人類，具有十分廣闊的應(yīng)用前景 。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б?、?jīng)濟(jì)效益。因此，國內(nèi) 外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項研究工作。 玻璃清潔機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和目前具有的技術(shù)水平 玻璃清潔機(jī)器人屬于壁面移動機(jī)器人的其中一種，它的移動承載體的相關(guān)技術(shù)在壁面移動的相關(guān)技術(shù)中具有共性的一面。對現(xiàn)有的壁面移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行詳細(xì)的分析，對本次的設(shè)計玻璃清潔機(jī)器人移動載體具有很好的參考意義。 機(jī)器人如果能夠在壁面上自由地移動 ,并且進(jìn)行作業(yè) ,必須具備三大機(jī)能 :吸附功能、轉(zhuǎn)向避障功能和移動功能。因此 ,壁面機(jī)器人主要是按吸附機(jī)能和移動機(jī)能來進(jìn)行分類的。 壁面機(jī)器人按照移動方式可以分為車輪式、履帶式和足 式三類。 不同的吸附方案和移動方案的組合最終構(gòu)成了各種各樣的壁面機(jī)器人 ,例如 :履帶式吸附壁面機(jī)器人 ,輪式吸盤壁面機(jī)器人等。 目前國內(nèi)的清潔機(jī)器人的研究起步較晚，但發(fā)展比較迅速。國外清潔機(jī)器人的運用起源早、技術(shù)成熟，有許多非常成熟的經(jīng)驗值得我們借鑒。 2 玻璃清潔機(jī)器人總體運動方案規(guī)劃 本次設(shè)計任務(wù)主要求是設(shè)計的機(jī)器人機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)在玻璃上行走、自動轉(zhuǎn)向避障功能和自動清潔功能。分析可知這次任務(wù)可以分為三個模塊，即行走、轉(zhuǎn)向、清洗。我們將對他們分別各自的特點作全面的分析，并從中選擇最適合實際需求的方案運用于設(shè)計 過程中。 玻璃清潔機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案設(shè)計 所有的機(jī)器人都有一類共同的組成部分，即車輪、履帶、腿足等用于推動車體在地面上進(jìn)行移動的裝置。配置這些車輪、履帶或者腿足使其發(fā)揮應(yīng)有的功能稱為移動系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 3 頁 共 46 頁 不同的移動機(jī)器人由于其用途不同，其工作環(huán)境、整體結(jié)構(gòu)都不盡相同，為 了達(dá)到讓機(jī)器人平穩(wěn)而準(zhǔn)確地運動這一目的，必須選擇一種合適的行走機(jī)構(gòu)。目前，常用的行走機(jī)構(gòu)有 3種 :足式行走機(jī)構(gòu)、履帶式走行機(jī)構(gòu)和輪式走行機(jī)構(gòu)。 足式行走機(jī)構(gòu) 步行移動方式模仿人類或動物的行走原，用腿腳走路。它不僅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面行走，甚至可以跨越障礙、上下臺階，對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，智能程度相對較高，具有輪式機(jī)器人無法達(dá)到的機(jī)動性，具有獨特的優(yōu)越性能。 但對設(shè)計和制作者來說，步行機(jī)器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點在于各腿之間的協(xié)調(diào)控制、機(jī)身姿態(tài)控制、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向控 制、動力的有效傳遞和走行機(jī)構(gòu)機(jī)理。足式機(jī)器人的種類很多，一般可以分為兩足機(jī)器人和多足機(jī)器人，如圖 2 22所示。 圖 21 兩足機(jī)器人 圖 22 多足機(jī)器人 一般將有兩條腿機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人叫做兩足步行機(jī)器人，兩足步行機(jī)器人基本上是近似或 模仿人的下肢機(jī)構(gòu)形態(tài)而制成；三足以上的機(jī)器人稱為多足機(jī)器人，主要研究模仿四足和六足動物的各種步態(tài)而制成，具有復(fù)雜的步態(tài)。 步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，由于其運動學(xué)及動力學(xué)模型復(fù)雜，控制難度較大。從移動的范圍來講，車輪形及履帶形的移動機(jī)構(gòu)，無論它有多么復(fù)雜都只能在二維平面內(nèi)移動，雖然能夠應(yīng)付一定的坡度和 凹 凸表面，但是車體與移動機(jī)構(gòu)始終保持著固定的位置關(guān)系。而步行機(jī)器人的移動卻有著很大的不同，它可以在保持身體姿態(tài)不變的前提下，能前后左右移動又能沿著樓梯拾級而上，從這一點來看步行機(jī)器人的移動是三維空間移動。另外 ，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。正因如此，步行移動方式在機(jī)構(gòu)和控制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上還不成熟，不適用于對靈活性和可靠性要求較高的場合中。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 4 頁 共 46 頁 履帶式行走機(jī)構(gòu) 為了提高車輪對松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能力，履帶式行走機(jī)構(gòu)被廣泛采用。履帶方式又叫循環(huán)軌道方式，其最大的特征是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與路面接觸，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)，因此就可以在各種路面上行走。圖 23所示為履帶式行走機(jī)器人。 機(jī)器人采用履帶式行走方式有以下優(yōu)點： （ 1）由于沖角的作用，能登上較高的臺階 （ 2）履帶有較強(qiáng)的驅(qū)動力，適合在階梯上移動 （ 3）能夠原地旋轉(zhuǎn)，所以適合在狹窄的屋內(nèi)移動 (4）因重心低而穩(wěn)定性較好 圖 23 履帶式機(jī)器人 履帶式行走機(jī)構(gòu)廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。履帶式走行機(jī)構(gòu)的不足之處是轉(zhuǎn)彎不如車輪式靈活。在要改變方向時，要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動系統(tǒng)減速或制動來實現(xiàn)轉(zhuǎn) 向，或者反向驅(qū)動實現(xiàn)車體的原地自轉(zhuǎn)。但這都會使履帶與路面產(chǎn)生相對橫向滑動，不但加大了機(jī)器人主體的能耗，還有可能損壞路面，如果運用于玻璃清洗機(jī)器人，在工作過程中會刮花玻璃，影響墻壁美觀。 輪式行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 輪式走行機(jī)構(gòu)由滾動代替滑動摩擦，主要特點是效率高，適合在平坦的路面上移動，定位，而且重量較輕，制作簡單，本次設(shè)計機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)將使用輪式，因此在這里重點進(jìn)行講解，比較它們各自的優(yōu)缺點，從中選出合適的方案進(jìn)行規(guī)劃、分析，逐步進(jìn)行修改及優(yōu)化。 絕大多數(shù)輪式機(jī)構(gòu)都是非完整運動約束驅(qū)動 系統(tǒng)，輪式移動方式的分類有很多種，按照輪子的數(shù)目劃分有三輪、四輪、五輪。目前機(jī)器人中最常用的是三輪或四輪移動方式，在某些特殊應(yīng)用情況下也有五輪以上的機(jī)器人，但這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制都很復(fù)雜。以下分別介紹常用輪式移動機(jī)器人走行系統(tǒng)。 ⑴ 三輪移動方式 典型三輪移動機(jī)器人通常采用一個中心前輪和兩個后輪的布置方式，車體配置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但穩(wěn)定性稍差，遇到?jīng)_撞或地面不平時容易傾倒。在這種移動方式下，應(yīng)該將各種元器件放在機(jī)器人的下層，確保機(jī)器人的重心處于比較低的位置，以彌補(bǔ)此結(jié)構(gòu)本身存在的穩(wěn) 定性差的問題。 ① 共軸驅(qū)動行走機(jī)構(gòu) 最常見的非完整運動約束機(jī)器人系統(tǒng)是共軸驅(qū)動系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 24所示。它們的最基本形式是兩個電機(jī)分別驅(qū)動左后、右后兩個主動輪，這樣的機(jī)構(gòu)使機(jī)器人能夠?qū)?桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 5 頁 共 46 頁 現(xiàn)以自身為圓心的旋轉(zhuǎn)運動。在機(jī)器人底盤的前方安裝一個從動輪的前輪系統(tǒng)，用于對本體進(jìn)行支撐。因為兩個后輪共用一個軸，而在實際應(yīng)用中兩個車輪的對應(yīng)不一定非常精確。在實際的應(yīng)用中，通常的做法是將底盤設(shè)計成梯形，使機(jī)器人轉(zhuǎn)向具有較好的靈活性和穩(wěn)定性。 圖 24 共軸驅(qū)動行走機(jī)構(gòu) 實際的應(yīng)用中，因為只有 3個車輪，該機(jī)器人在行走時易發(fā)生傾覆，所以在很多復(fù)雜條件下，它是不能正常完成任務(wù)的。 ② 全方位移動機(jī)構(gòu) 全方位移動機(jī)構(gòu)是一種比較特殊的車輪，如圖 25 所示， 3個主輪互相之間成 600 圖 25 全方位移動機(jī)構(gòu) 夾角，軸線與中線重合。之所以選擇 3個萬向輪正三角組合，是因為正三角形組合方式有它獨特的優(yōu)勢。因為三點確定一個平面，無論怎樣， 3個點總是在同一平面上，即無論什么情況， 3 個多向輪都必然著地，不會出現(xiàn)某個輪懸空的情況，這是四輪或更多輪的行走機(jī)構(gòu)無法做到的。但是該機(jī)構(gòu)所使用的輪子較特殊，制作復(fù)雜不適于實際的廣泛運用。 ⑵ 四輪移動方 式 ① 四輪驅(qū)動方式 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 6 頁 共 46 頁 該驅(qū)動方式是通過前部轉(zhuǎn)向輪的朝向確定行走方向，如圖 26 所示。這種方式非常適合于戶外應(yīng)用，特別是在崎嶇地形，然而這樣的機(jī)器人比傳統(tǒng)的差速驅(qū)動方式的機(jī)器人制作起來復(fù)雜一些。 圖 26 四輪驅(qū)動方 1 內(nèi)側(cè)的輪子將沿著一個比外側(cè)的輪 子軌跡更小的圓周進(jìn)行運動，那么就可以得到更好的轉(zhuǎn)向精度和更大的牽引力，這種技術(shù)叫做阿克曼轉(zhuǎn)向。因為這種轉(zhuǎn)向方式可以使輪胎產(chǎn)生更大的牽引力，具有更小的摩擦損耗，所以大部分汽車都采用這種轉(zhuǎn)向方式。因為該驅(qū)動轉(zhuǎn)向方式轉(zhuǎn)向半徑在所有方案中最大，所以這種轉(zhuǎn)向技術(shù)在機(jī)器人上的應(yīng)用并不多。 ② 四輪驅(qū)動方式 2 如圖 27所示為移動機(jī)器人領(lǐng)域常見的一種四輪移動方式。前輪是兩個萬向輪，后 圖 27 四輪驅(qū)動方式 2 輪是兩個獨立的驅(qū)動輪。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是遇到?jīng)_撞或地面不平時穩(wěn)定性好，缺點是機(jī)器人的行走過程只有三個輪著地，因此在行走時必須保證兩個驅(qū)動輪著地，否則會影響機(jī)器人行走的定位精度。 ③ 四輪移動方式 3 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 7 頁 共 46 頁 如圖 28所示，前后輪為萬向輪，左右輪為驅(qū)動輪，其自轉(zhuǎn)重心在車體中間， 圖 28 四輪驅(qū)動方式 3 便于在狹窄場所改變行走方向。但前后輔助的萬向輪有時不能同時著地支撐，在高速啟動和制動時會產(chǎn)生俯仰和前沖，或者在加速度很大時不走直線。應(yīng)盡量將機(jī)器人重心配置在兩個驅(qū)動輪連線的附近，以減少慣性的影響。 清洗機(jī)構(gòu) 玻璃清潔機(jī)器人由于是在墻壁玻璃上行走，重量和體積均有很大的限制，所以在選擇清洗機(jī)構(gòu)時需要考慮這兩方面。 方案一：曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 圖 29 曲柄滑塊清潔機(jī)構(gòu) 如圖 29 所示， 該機(jī)構(gòu)所需要的零件簡單 ,加工方便 ,成本低 ,但是連桿所占的空間較大 ,使得機(jī)器人的總體尺寸無法滿足任務(wù)要，而且會降低機(jī)器人的靈活性。要實現(xiàn)往復(fù)的清洗功能 ,軸的力矩傳遞需要轉(zhuǎn)向 ,使用錐齒輪傳遞效率低，加工難度大，成本高。 方案二 :滾筒式清洗機(jī)構(gòu) 滾筒清洗機(jī)構(gòu)是通過滾筒的旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)清洗玻璃墻壁的功能，機(jī)構(gòu)本身的構(gòu)件不需要除本身尺寸以外的運動空間，使得機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時，滾筒的旋轉(zhuǎn)是用正齒輪傳動，加工難度小，成本低，傳動效率高 ,如圖 210 所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 8 頁 共 46 頁