【正文】 吸附的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，并盡量利用新型能源材料的開發(fā)和無線通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的自動(dòng)控制，盡可能是機(jī)器人更加智能化、通用化、使其成為一條產(chǎn)業(yè)鏈。 高層建筑外墻清洗機(jī)課題提出考慮到以上高樓爬壁清洗機(jī)器人所包含的那么多問題，我們所設(shè)計(jì)的清洗機(jī)構(gòu)不僅僅要滿足壁面的清洗工作，還要思考一下水源，清洗的刷子，清洗專用液以及相關(guān)氣動(dòng)裝置。清洗機(jī)構(gòu)與機(jī)器人負(fù)重的矛盾?？刂萍夹g(shù)與可靠性同樣存在著矛盾。吸附能力難以滿足各種工作面的要求，在現(xiàn)實(shí)的清洗過程中，建筑物外墻壁可能是各種各樣的材料，材料甚至非常復(fù)雜，不僅僅是一個(gè)兩個(gè)材料物質(zhì)，而且結(jié)構(gòu)上也不是那么簡單，或有溝縫，或有凸起，或有凹陷；那么我們必須解決類似于跨越，密封，移動(dòng)等許多技術(shù)難題，否則極大的影響避免清洗機(jī)器人的效率。其次，該機(jī)器人要適用于復(fù)雜墻面，如爬樓梯，一個(gè)墻壁上有多個(gè)窗戶的壁面清洗，但是，這樣會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)，控制，運(yùn)動(dòng)方式等其他因素提出更高的要求，必須要求設(shè)計(jì)時(shí)能夠提出更加更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)理念?？偟脑瓌t為：盡可能低的重量，盡可能低的造價(jià)，盡可能高的可靠性，適應(yīng)性要比較高，滿足于各種墻面，當(dāng)然，較高的清洗效率也是不可缺少的因素。與其它相比，它采用了多個(gè)轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)。該機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動(dòng)密封負(fù)壓吸附裝置，能實(shí)現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。 1996年起，北航在國家“863”計(jì)劃的資助下，先后研制了“擦玻璃的機(jī)器人（靈巧款）”、“天空潔寶”、“吊籃式擦窗機(jī)器人”，前三種為十字機(jī)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人。該類機(jī)器人還設(shè)有卷揚(yáng)機(jī)，地面支援小車。哈工大研發(fā)過多款爬壁機(jī)器人。前者是那種質(zhì)量非常大而且還缺少至關(guān)重要的清洗系統(tǒng)。在二十時(shí)期七十年代中期，日本相關(guān)企業(yè)來到中國進(jìn)行科技展覽會(huì)，川崎公司在中國第一次展出了工業(yè)機(jī)器人，從此，我國開始了機(jī)器人研制的相關(guān)研究。還有，德意志共和國、西班牙王國、大不列顛及北愛爾蘭聯(lián)合王國、即將舉辦世界杯和奧運(yùn)會(huì)的巴西、位于馬六甲海峽附近的新加坡、深陷戰(zhàn)火的以色列、奧地利、澳大利亞、加拿大等國家相繼進(jìn)行了研究。美國航空航天宇航局下屬的機(jī)器人公司，在上個(gè)世紀(jì)研制了爬壁機(jī)器人“Sky Washer”（用于清洗摩天大樓），它重大約四十斤，該機(jī)器人利用兩組框架（L型）進(jìn)行相對(duì)滑動(dòng)，交替吸附來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。在那些要清洗的相關(guān)建筑物上，我們放在了上面一輛跟隨及其運(yùn)動(dòng)的小車，這輛小車不緊急今年能夠起到定位的作用，而且還能對(duì)裝置起到安全保護(hù)的作用。該機(jī)器人可橫向、可縱向，隨心所欲完成清洗任務(wù)。但是，一般建筑在設(shè)計(jì)之初不會(huì)將擦窗系統(tǒng)考慮其中，使該機(jī)構(gòu)適用性大大降低。與我們一衣帶水的鄰國——日本，他們的機(jī)器人公司之一——BE公司研制過一款軌道已經(jīng)固定好的的專門用于擦玻璃的機(jī)器人，依據(jù)安裝在樓頂?shù)能壍篮拖嚓P(guān)的提升系統(tǒng)，清洗機(jī)可以準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)窗戶。這一款清洗機(jī)器裝置安裝在四輪驅(qū)動(dòng)的汽車相關(guān)底盤上，清洗刷較長，定位精度高。這個(gè)龐大的機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)是個(gè)多關(guān)節(jié)巨型伸縮臂，能夠在距離33米的地方完成工作。因此，需要一個(gè)能夠代替人力完成清洗任務(wù)的機(jī)器人。由于玻璃具有采光性好、保溫性好、防潮性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于彩色玻璃美觀大方，所以越來越多的高層建筑選擇了用玻璃幕墻。1 緒論 高層玻璃幕墻清洗機(jī)器人研發(fā)意義 隨著人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市高層建筑越來越多。摩天大樓逐漸成為生活中常見的一景。 目前，我國大部分玻璃幕墻的清洗都需要依靠“蜘蛛人”來完成，但是，這種高空作業(yè)有一定的危險(xiǎn)性。 高層玻璃幕墻清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀及分析德國相關(guān)公司委托制作的“SKYWAH”是這個(gè)星球上第一個(gè)能夠成功制作出來的清洗機(jī)器人。所有的軸采用抗拉鋼材并采用液壓驅(qū)動(dòng)，所以結(jié)構(gòu)重量較輕。該機(jī)器人可以在人的監(jiān)視下完成清洗工作，動(dòng)作靈活。該設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度相對(duì)較高。 德國瑪歌堡的費(fèi)勞恩霍費(fèi)爾相關(guān)的研究所是德意志共和國主要的生產(chǎn)和自動(dòng)化中心，它們?cè)谶^去的這些年，曾經(jīng)較為成功地研究了一系列清洗機(jī)器人。德國佛拉貨福爾研究所研制了一種名為SIRIUSC的清洗機(jī)器人。機(jī)器人坐豎直運(yùn)動(dòng)，左右移動(dòng)依靠小車來完成。每組框架有三個(gè)“腳掌”（每個(gè)“腳掌”有兩個(gè)吸盤）。 國內(nèi)玻璃幕墻清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀或許因?yàn)闅v史上的種種原因，我國在相關(guān)產(chǎn)業(yè)方面起步較晚，但是發(fā)展迅速。上海大學(xué)自1988年起，先后進(jìn)行了玻璃窗清洗機(jī)器人以及球形爬壁機(jī)器人的研究。后者采用腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，足端為真空吸盤。輪式負(fù)壓機(jī)器人的堡壘已經(jīng)被其輕松攻破。柔性設(shè)計(jì)的密封款式，雖然它對(duì)壁面的適應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他機(jī)構(gòu)，但越障能力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于其他裝置。而進(jìn)入新千年而研發(fā)的雙車體機(jī)器人，但重量小得多，僅為40斤。香港大學(xué)和內(nèi)地大學(xué)合作研發(fā)的CLEANBOTI采用北京航空航天大學(xué)的原型，CLEANBOTII則是采用了仿照坦克的原型。 高層建筑外墻清洗機(jī)發(fā)展趨勢(shì)由于清洗工作需要在墻壁上這種極其特殊的環(huán)境下進(jìn)行，所以清洗爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)要求是相當(dāng)苛刻的。我們從清洗機(jī)的工作環(huán)境不難看出，發(fā)展方向可能有下面幾個(gè)：首先，要適用于玻璃幕墻清洗，由于其工作條件所限制，導(dǎo)致它必須能夠盡可能地做到結(jié)構(gòu)簡單，方便控制。 高層建筑外墻清洗機(jī)現(xiàn)存問題國內(nèi)外關(guān)于高層爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究已經(jīng)有數(shù)十年的進(jìn)程，同時(shí)，在各種各樣的機(jī)器人中，也存在著一些或個(gè)性或共性的問題。移動(dòng)的技術(shù)性和靈活性相互矛盾，在實(shí)際的清洗過程中，我們發(fā)現(xiàn)既要保證結(jié)構(gòu)的小型化和較高的效率，還需要在具有一定負(fù)載的前提下能夠自由的上下的移動(dòng)，具有較強(qiáng)的越障能力。控制需要電源線和通訊線，但是這些存在大大影響了機(jī)器人的靈活性和控制機(jī)器人的工作完整性，而如果去掉機(jī)器人電源線和通訊線的話，又會(huì)對(duì)自己的控制造成不良影響。設(shè)計(jì)的安全性，清洗機(jī)構(gòu)和污水再利用，我們能夠識(shí)別清洗質(zhì)量，但是如果機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，過高的增添成本，反而會(huì)造成一種得不償失。所以我們要努力地在設(shè)計(jì)的靈活性和功能的合理性中間找到一個(gè)點(diǎn)。2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)根據(jù)清洗機(jī)器人清洗作業(yè)的要求，在完成一列玻璃的清洗后，需要進(jìn)行提升，因此清洗機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該包括機(jī)器人清洗部分、吸附部分、提升部分、驅(qū)動(dòng)部分和控制系統(tǒng)四大部分。只有受了力墻面清晰的才算干凈，同時(shí)若墻面有障礙物，塑料毛有一定的彈性來完成退讓相關(guān)障礙物，盤刷與聯(lián)刷體可通過螺栓來裝配銜接的。滾刷的內(nèi)層筒壁為尼龍，在上面穿制豬鬃，在筒的兩側(cè)安裝上軸的端部，起到支撐作用并且和V帶相聯(lián)接。設(shè)計(jì)參數(shù)為:滾刷寬度刷毛長度鬃毛螺旋穿制可以方便引流，采用一軟一硬的豬鬃對(duì)稱滾筒中心人字形纏繞。則有如下關(guān)系：式中： 滾刷穿制直徑（mm）； 鬃毛螺旋導(dǎo)程（mm）。滾刷邊緣與鬃毛束的距離t為：5mm的間隙既能對(duì)清洗液完成引流，還能有效地完成清洗壁面的工作。為保證清洗機(jī)正常運(yùn)動(dòng)，需使?jié)L刷轉(zhuǎn)速和移動(dòng)速度相匹配，使玻璃和滾刷之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而減少磨損。取k=5：下面對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩和功率需求進(jìn)行計(jì)算：1）滾刷所需力矩為：式中：滾刷鬃毛與壁面摩擦因數(shù)N 壁面與滾刷間作用力R 滾刷半徑根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，—，取=；N的結(jié)果與鬃毛變形量有關(guān)，當(dāng)變形量為5mm時(shí)，F(xiàn)=177。F=177。m2） 盤刷所需力矩為：式中：刷毛與壁面摩擦因數(shù)（）盤刷半徑所需總轉(zhuǎn)矩為3） 所需功率的計(jì)算根據(jù)刷洗力矩，我們選擇Y28026電機(jī)，相關(guān)參數(shù)如下：額定功率550W轉(zhuǎn)速900r/min平鍵420力矩1）彈簧的種類：圓柱螺旋壓縮彈簧。彈簧自由高度極限負(fù)載彈簧高度彈簧旋向左旋右旋均可錐齒輪選用直齒錐齒輪，我們?cè)O(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)：名稱系數(shù)齒形角20176。周交角90176。小齒輪大端分度圓直徑，小齒輪齒數(shù)為則齒數(shù)：節(jié)錐角為：錐距為：，則齒寬：故取b=24mm。下面進(jìn)行載荷系數(shù)的確定：式中：使用系數(shù),取動(dòng)載荷系數(shù)，取齒向載荷分布系數(shù),取計(jì)算結(jié)果為：下面校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度：1）確定許用應(yīng)力 該齒輪副接觸疲勞極限為：那么許用應(yīng)力為：式中：壽命系數(shù),由已知條件取安全系數(shù),取2）彈性系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知：3）節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知：4) 小齒輪所需大端分度圓直徑： 5）驗(yàn)算速度平均直徑： 平均線速度：確定模數(shù)m: 由以上可知，滿足要求。根據(jù)工作要求，小齒輪轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比，在齒輪傳動(dòng)的過程中，可以允許有4%的誤差，預(yù)計(jì)這齒輪的使用壽命預(yù)期壽命五年，每年按180天計(jì)算。齒輪相關(guān)參數(shù)為：小齒輪大齒輪材料40Cr調(diào)質(zhì)45鋼調(diào)質(zhì)硬度260HBS230HBS初選齒數(shù)32取=129齒數(shù)比（100%=%4%，允許）齒寬系數(shù)根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,d=初估小齒輪直徑齒寬齒輪圓周速度