【文章內(nèi)容簡介】 體。 相對 體積小、質(zhì)量輕的機器人不僅 工作時 能耗較小， 而且更加的靈活 ，并且在某些特殊場合 得工作 也 只有小型 機器人 可以勝任 [12]。 現(xiàn)在各種微型驅(qū)動元件、控制元件及 新型 能源供應(yīng)方式的發(fā)展，為小型化、微型化 提供了技術(shù)支持 。 所以 ，壁面移動機器人的小型化和微型化是 機器人 未來發(fā) 展 的 一個非常重中國地質(zhì)大學江城學院畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 5 要的趨勢。當前為了適應(yīng)爬壁機器人小型化、微型化的 發(fā)展 趨勢 ，許多科研單位都在對 新型 的 爬壁 機器人吸附方式 展開相關(guān) 研究 [13]。 小結(jié) 本章介紹了課題研究的現(xiàn)實意義以及重要性，分析了國內(nèi)外壁面移動機器人吸附機構(gòu)的分類、特點及當下研究狀況，并按照吸附方式的的不同對各種吸附方式進行比較。根據(jù)目前研究的方向和科技發(fā)展的方向，對未來吸附機構(gòu)所可能采用的吸附方式提出構(gòu)想。 中國地質(zhì)大學江城學院畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 6 第二章 玻璃清潔機器人總體 規(guī)劃 吸附機構(gòu) 玻璃清潔機器人的吸附機構(gòu)由機器人腔體、自 鎖絞桿、自絞鎖固定板、橡膠墊片、軸流風機、軸流風機槳葉，上安全防護罩和下安全防護罩組成。這樣設(shè)計的要求一是使機器人整體重心更加貼近于玻璃幕墻表面；二是滿足市場上現(xiàn)有的軸流風機的規(guī)格尺寸，及保證了設(shè)備的裝配空間同時還要減省了機器人腔體的材料，從而減輕機器人的整體重量 [14]。 在機器氣人腔體上安全防護罩裝配連接上，由于需要承載的自由防護罩自身的重量，所以沒有采用螺紋連接，而是采用傳統(tǒng)而簡單的鎖卡模式。在腔體上預(yù)留所鎖卡鍵然后在安全防護罩上預(yù)留與之相應(yīng)的鍵槽，如下圖 （ a） 和圖 （ b） 。 （ a） 預(yù)留的鎖卡鍵 （ b）預(yù)留的鍵槽 圖 鎖卡鍵與鍵槽示意圖 圖 機器人腔體與安全防護罩結(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、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)中國地質(zhì)大學江城學院畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 7 保的制造原料 [15]。安全防護罩設(shè)計成孔狀會對風道產(chǎn)生較大的阻礙，設(shè)計成柵狀是一為了保證風道的暢通，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 中國地質(zhì)大學江城學院畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 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)標準，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)向同時起到平中國地質(zhì)大學江城學院畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 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。 中國地質(zhì)大學江城學院畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 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 。 中國地質(zhì)大學江城學院畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 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。采用風機抽風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。氣體在離心式通風機的通風機葉輪帶動下，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；氣體在軸流式通風機的腔體內(nèi)部，沿軸線的方向流動；氣體在混流式通風機的通風機葉輪中帶動下，氣體的流動方向介于離心式和軸流式通風機之間，也被稱為斜流式。 離心式通風機的特點是比轉(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格，對空氣泄露敏感。當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。 軸流式通風機的特點是比轉(zhuǎn)數(shù)高 (通常在 ns=~90) ，全壓低，風機內(nèi)氣體流量大，被應(yīng)用于流量大而風壓要求不高的場合。并且由于軸流式風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：風機推力、負壓的產(chǎn)生以及推力和負壓的復(fù)合推力。 中國地質(zhì)大學江城學院畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 12 吸附方式的實現(xiàn) 風機推力 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?？倝菏浅?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