【文章內(nèi)容簡介】 全防護罩結(jié)合 機器人的腔體將采用在 工程塑料 制作。 工程塑料 擁有 優(yōu) 秀 的綜合性能， 在現(xiàn)實應(yīng)用中具有 剛性大，機械強度高，電 絕緣性 好 等特點 ， 并且能夠 在較苛刻的化學(xué)、物理環(huán)境中 回收再利用，而且在有些工程項目中 可替代金屬作為工程結(jié)構(gòu)材料使用 ，是一種理想而且環(huán)7 保的制造原料 [15]。安全防護罩設(shè)計成孔狀會對風(fēng)道產(chǎn)生較大的阻礙，設(shè)計成柵狀是一為了保證風(fēng)道的暢通，二是與網(wǎng)狀相比柵狀更加節(jié)省材料。安全防護罩由于在機器人整體機構(gòu)中除自身外不承載其他機構(gòu)，所以防護罩采用常見的耐沖擊硬膠 耐沖擊性聚苯乙烯 制作。 自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配在一起，作為軸流風(fēng)機與機器人腔體的連接裝置，不僅要求自鎖絞桿和自絞鎖固定板自身連接穩(wěn)固，而在部件制作的材料的選擇上要求 剛性大，蠕變小，機械強度高 。而由于機器人在重量上有要求限制，所以自鎖絞桿采用航空鋁材料，自絞鎖固定板采用常見 的耐沖擊硬膠 耐沖擊性聚苯乙烯 制作。 木質(zhì)家具兩構(gòu)件連接時常采用一種 凹凸處理的接合方式 ，這在 我國傳統(tǒng) 實木家 制作過程中稱這一工藝結(jié)構(gòu)為 榫卯結(jié)構(gòu) 。凸出 的那 部分叫榫；凹進 那 部分叫卯。 在機器人自鎖絞桿和自絞鎖固定板的設(shè)計中，借鑒了古老而又科學(xué)的設(shè)計方法。 如下圖 （ a） 所示為兩根自鎖絞桿連接示意圖，其中桿 2 限制了桿 1，使其不能轉(zhuǎn)動也不能；桿 2本身可以轉(zhuǎn)動也可以移動。當(dāng)兩根自鎖絞桿裝 配到自絞鎖固定板后，如下圖 （ b） 所示，在桿 2 的位置上用銷使其定位，從而限制桿 2 的移動與轉(zhuǎn)動。自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配如下圖 。 （ a）自鎖絞桿連接 （ b）自鎖絞桿在自絞鎖固定板內(nèi)部 圖 自鎖絞桿示意圖 8 圖 自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配 由于軸流電機市場上有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以根據(jù)實際需求選擇 YWF2S250 型軸流電機。YWF2S250 型軸流電機額定電壓 220 V ，轉(zhuǎn)速 2400 rpm ，風(fēng)量 1400 m3/h 。軸流電機槳葉采用 耐沖擊 性聚苯乙烯 制作，葉片長度根據(jù)機器人腔體直徑在做調(diào)整。 清潔結(jié)構(gòu) 玻璃清潔機器人清洗機構(gòu)外掛于機器人腔體后輪處，采用外部供水。首先沖洗玻璃表面，然后小型電機通過帶傳動，帶動粘有 高密度聚乙烯 條的輥筒滾動清潔玻璃表面。其組成部件由行走輪、供水管、套蓋、輥筒組成，如下圖 。 圖 玻璃清潔機器人清洗機構(gòu) 1 行走輪 2 供水管 3 驅(qū)動電機 4 輥筒 5 套蓋 行走機構(gòu) 清潔機器人的行走機構(gòu)由左右兩邊的轉(zhuǎn)向輪和尾部的從動輪組成，轉(zhuǎn)向輪在驅(qū)動電機的驅(qū)動下實現(xiàn)請進、后退以及轉(zhuǎn)向，如 下圖 。從動輪是萬向輪，方便轉(zhuǎn)向同時起到平9 衡支撐機器人作用，如下圖 。行走機構(gòu)個零件也可采用耐沖擊硬膠 耐沖擊性聚苯乙烯制作，行走輪則采用密度小的泡沫橡膠制作。 圖 行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向裝置 1 轉(zhuǎn)向輪 2 轉(zhuǎn)向輪支架 3 驅(qū)動電機 圖 行走機構(gòu)從動裝置 1 從動輪 2 從動輪轉(zhuǎn)向桿 3 從動輪轉(zhuǎn)向桿支架 水電供應(yīng)系統(tǒng) 玻璃清潔機器人為了減輕本身的重量， 所以將 采用外部提供清潔劑，既清潔所用的水由外部管道直接提供給清潔機構(gòu)。在為了減輕重量的同時提高工作時效，所有電機的電源采用外接，機器人本身將不攜帶電池。這樣在機器人工作時既節(jié)省能量，也可以減輕機器氣人的重量。 10 小結(jié) 玻璃清潔機器人 的 總體設(shè)計按照模塊化的設(shè)計 理念，從而在結(jié)構(gòu)上追求簡潔，方便清洗機器人是拆卸與組裝。同時機器所有機構(gòu)和零件的制作材料都采用密度輕而且復(fù)合設(shè)計使用強度的材質(zhì)，這樣可以為電機提供更多的選擇空間 。 11 第三章 吸附機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 吸附原理 要保證玻璃清潔機器人在玻璃表面安全穩(wěn)定地吸附，就必須在氣路殼體內(nèi)產(chǎn)生一個真空負壓，這就需要有一個負壓產(chǎn)生裝置。采用 風(fēng)機抽風(fēng)使得機器人氣路殼體內(nèi)產(chǎn)生真空負壓，這里要求該裝置重量輕、體積小、噪音小、機構(gòu)簡單而且安裝方便、排風(fēng)量大、能夠迅速建立真空負壓，即要求瞬時響應(yīng)的時間非常短。 目前使用的通風(fēng)機按氣流的運動方向大致有三類，即為離心式、軸流式和混流式。氣體在離心式通風(fēng)機的通風(fēng)機葉輪帶動下，是沿離心方向 (即沿半徑方向 ) 流動的，所以也被稱之為徑流式；氣體在軸流式通風(fēng)機的腔體內(nèi)部，沿軸線的方向流動；氣體在混流式通風(fēng)機的通風(fēng)機葉輪中帶動下，氣體的流動方向介于離心式和軸流式通風(fēng)機之間，也被稱為斜流式。 離心式通風(fēng)機的特點是比轉(zhuǎn)數(shù) 低 (通常在 ns=~) ,全壓高，流量小，被應(yīng)用于需要提高壓力而流量小的場合。因為其流量小，所以對裝置的密封性要求嚴(yán)格，對空氣泄露敏感。當(dāng)壁面與吸盤之間存在間隙時，隨著吸盤與壁面間隙的擴大，吸盤內(nèi)負壓將會急劇下降。這對機器人在不足夠平整的壁面工作極為不利。同時，為了保證密封性而在吸盤邊緣設(shè)計的各種密封墊在機器人移動時，不僅會產(chǎn)生阻力而且自身由于摩擦也會產(chǎn)生磨損的問題。因此，這種吸附方式對于通用建筑表面的清潔機器人來說并不是非常理想的。 軸流式通風(fēng)機的特點是比轉(zhuǎn)數(shù)高 (通常在 ns=~90) ，全壓低，風(fēng)機內(nèi)氣體流量大，被應(yīng)用于流量大而風(fēng)壓要求不高的場合。并且由于軸流式風(fēng)機獨特的翼型葉片形狀，還可以產(chǎn)生一定的反推力。這樣產(chǎn)生的復(fù)合推力可以被我們所利用。 混流式通風(fēng)機整體機構(gòu)比較復(fù)雜，而且空氣的流向也復(fù)雜，應(yīng)用起來較為困難，所以一般不采用。在本文中玻璃清潔機器人的負壓及反推力產(chǎn)生裝置需要流量大，但對全壓要求不高，故采用軸流風(fēng)機。 基于復(fù)合吸附方式的玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)基本上由兩部分組成，風(fēng)扇產(chǎn)生的推力和空氣流場產(chǎn)生的負壓。這兩部分都包括若干個設(shè)計參數(shù)，在這些參數(shù)共同作用下，決定了機器人的吸附效果 。 為了清晰的說明玻璃清潔機器人吸附機構(gòu)的吸附原理，本文接下來的部分依照以下三個部分分別論述：風(fēng)機推力、負壓的產(chǎn)生以及推力和負壓的復(fù)合推力。 12 吸附方式的實現(xiàn) 風(fēng)機推力 與其他利用反推作用力的壁面移動機器人類似，本文的吸附方式壁面機器人同樣是利用螺旋槳的推力將機器人緊壓向壁面。與其他利用反推作用力的壁面移動機器人的區(qū)別在于，其他利用反推作用力的機器人螺旋槳轉(zhuǎn)軸與墻面成一個傾角， 這樣推力的一部分可以平衡機器人本體的重力，同時推力垂直于墻面的分量用于產(chǎn)生墻面與機器人行走輪之間的摩擦力。這個方案使平衡重力的推力達到最大效率，但是這要求螺旋槳轉(zhuǎn)軸與墻面的夾角必須精確控制，否則平衡被打破機器人就會傾覆。本文的吸附方式中，螺旋槳推力垂直指向墻面，這樣就避免了對推力夾角的復(fù)雜控制。由于復(fù)合吸附方式中的推力沒有得到最高效的利用，我們更需要盡可能尋求增大推力值的途徑。為論述如何增大螺旋槳推力，首先討論的是螺旋槳產(chǎn)生推力的原理。 軸流風(fēng)機中的槳葉與飛行器的螺旋槳類似，槳葉單一處豎截面形狀如下圖 所示。電機帶動槳葉旋轉(zhuǎn)，空氣以下圖的中方式流過槳葉翼面。由于翼面上下線性長度不同但同時到達后緣的關(guān)系，所以翼面上下氣流速度則不同。 圖 槳葉對氣流的影響 由于自然界中的流體都遵守流體三大守恒定律，從而我們能夠了解流速、壓強等運動參數(shù)在流 流體流 動過程中相互影響的變化規(guī)律。即得到伯努利理想氣體方程，氣體總壓 =靜壓與動壓的和。總壓是常數(shù)，而動壓隨流速變化，在數(shù)值上等于空氣密度乘速度的平方的一半。葉片表面的彎曲度使得一側(cè)表面的空氣流速更快從而動壓更大，由于總壓不變這一側(cè)表面的靜壓就小了。兩側(cè)翼面的靜壓 不同產(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生了推力。 13 圖 葉柵受力分析圖 在軸流風(fēng)扇理論中，在確定半徑處對槳葉作環(huán)形剖視，可以得到一組葉柵。如圖 所示。下標(biāo)“ 1”和“ 2”分別表示葉柵 (AB， A1B2 ) 氣體入口處和出口處的各個參數(shù)，下標(biāo)“ a”表示向量沿葉片轉(zhuǎn)軸方向的分量， w 向量是氣體相對葉片的速度， u 向量 是葉片的速度 ,c 向量是氣體的絕對速度， x 向量是氣體的圓周速度?，F(xiàn)在討論葉柵上的軸向力，葉柵軸向力的和就是系統(tǒng)的總推力取 ABB1A1A 研究，根據(jù)動動量定理，在軸向有方程： 方 程（ 1） 其中 Fa 為葉片對氣體的作用力 (N) P2為 A1B1 處氣體靜壓 (Pa), P1為 AB 處氣體靜壓 (Pa), Δ S 為葉柵面積 (m2 ), Δ m 為單位時間流過葉柵面積的氣體質(zhì)量 (kg)。 因為低速流動時認為氣體密度不變，根據(jù)質(zhì)量守恒有： 方程（ 2） 根據(jù)伯努利理想氣體方程，有： 方程（ 3） 式中 ρ 為氣體密度 設(shè) Ra為氣體對風(fēng)機葉片的作用力，則： 14 方程（ 4） 由方程（ 1） ~（ 4）得： 方程（ 5） 其中ρ和Δ S 是不變的，于是 Ra 正比于葉片速度和出入口處氣流圓周速度 (下圖 )和之積。 圖 氣流圓周速度 這個結(jié)論對于尋求軸流電機產(chǎn)生最大推力很重要。它表明，螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，其產(chǎn)生的推力就會越大。這時候，如果入口氣流的圓周速度具有與螺旋槳角速度相反的方向，而同時出口氣流圓周速度方向與螺旋槳角速度相同，螺旋槳就可以產(chǎn)生最大的推力。圓周速度與葉片外形有關(guān)，一方面為了追求更大的圓周速度，我們可以選擇具有更大迎角的螺旋槳葉片 形狀，但是這樣選擇的同時空氣對螺旋槳的阻力矩也會因此變大，這就需要我們在更高的圓周速度和效率之間做出權(quán)衡的選擇。另一方面，我們可以在氣體入口和 (或 ) 出口處增加一些導(dǎo)葉得到我們希望的旋轉(zhuǎn)氣流，但這會使得機器人的體積和重量增加。我們也可以通過提高槳葉角速度來獲得更大的推力，但是同時阻力轉(zhuǎn)矩也會因此增大，這就需要驅(qū)動槳葉的電機消耗更大的功率。為了減輕機器人整體重量和提高機器人工作時間，獨立的機器人系