【正文】 nalysis. This article from the travel mechanism of glass in glass wall cleaning robot, steering and automatic obstacle avoidance mechanism， automatic cleaning mechanism three modules in detail elaborated the working principle and realization method of the robot system. Glass cleaning robots working principle is to use two pairs of gear drives the torque on the machine, is passed on to the drive shaft to drive the two rear wheels turning, to realize robot walking on the glass wall of freedom. The robot39。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(shí)用美觀，建筑師在設(shè)計(jì)時(shí)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)。 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(xiǎn)等難題。 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(duì)準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動(dòng)擦洗。另一種方式是使用升降平臺(tái)或者吊籃裝載清潔工進(jìn)行高樓玻璃幕墻的清洗，雖然簡(jiǎn)便易行，但清潔工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率又比較低，屬于高空危險(xiǎn)作業(yè)，對(duì)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。如果讓人去清洗玻璃壁面，不僅花費(fèi)高，而且安全難以得到保證。 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(xiàng)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(duì)這一新型的技術(shù)進(jìn)行一些說明。它是基于壁面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，并針對(duì)具體的作業(yè)對(duì)象，具有明確功能的實(shí)用機(jī)器人，其工作在垂直危險(xiǎn)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(xiǎn)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 。因此，國內(nèi) 外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項(xiàng)研究工作。對(duì)現(xiàn)有的壁面移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，對(duì)本次的設(shè)計(jì)玻璃清潔機(jī)器人移動(dòng)載體具有很好的參考意義。因此 ,壁面機(jī)器人主要是按吸附機(jī)能和移動(dòng)機(jī)能來進(jìn)行分類的。 不同的吸附方案和移動(dòng)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。國外清潔機(jī)器人的運(yùn)用起源早、技術(shù)成熟，有許多非常成熟的經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒。分析可知這次任務(wù)可以分為三個(gè)模塊，即行走、轉(zhuǎn)向、清洗。 玻璃清潔機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 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(dòng)車體在地面上進(jìn)行移動(dòng)的裝置。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書用紙 第 3 頁 共 46 頁 不同的移動(dòng)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(yùn)動(dòng)這一目的，必須選擇一種合適的行走機(jī)構(gòu)。 足式行走機(jī)構(gòu) 步行移動(dòng)方式模仿人類或動(dòng)物的行走原，用腿腳走路。 但對(duì)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(dòng)力的有效傳遞和走行機(jī)構(gòu)機(jī)理。 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(dòng)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(dòng)物的各種步態(tài)而制成，具有復(fù)雜的步態(tài)。從移動(dòng)的范圍來講，車輪形及履帶形的移動(dòng)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(dòng)，雖然能夠應(yīng)付一定的坡度和 凹 凸表面，但是車體與移動(dòng)機(jī)構(gòu)始終保持著固定的位置關(guān)系。另外 ，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實(shí)現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(duì)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。圖 23所示為履帶式行走機(jī)器人。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。但這都會(huì)使履帶與路面產(chǎn)生相對(duì)橫向滑動(dòng)，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(yùn)用于玻璃清洗機(jī)器人，在工作過程中會(huì)刮花玻璃，影響墻壁美觀。 絕大多數(shù)輪式機(jī)構(gòu)都是非完整運(yùn)動(dòng)約束驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)，輪式移動(dòng)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。以下分別介紹常用輪式移動(dòng)機(jī)器人走行系統(tǒng)。在這種移動(dòng)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。它們的最基本形式是兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左后、右后兩個(gè)主動(dòng)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(jì)（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(yùn)動(dòng)。因?yàn)閮蓚€(gè)后輪共用一個(gè)軸，而在實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)車輪的對(duì)應(yīng)不一定非常精確。 圖 24 共軸驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu) 實(shí)際的應(yīng)用中，因?yàn)橹挥?3個(gè)車輪，該機(jī)器人在行走時(shí)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。之所以選擇 3個(gè)萬向輪正三角組合，是因?yàn)檎切谓M合方式有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(shí)際的廣泛運(yùn)用。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(dòng)方式的機(jī)器人制作起來復(fù)雜一些。因?yàn)檫@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。 ② 四輪驅(qū)動(dòng)方式 2 如圖 27所示為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域常見的一種四輪移動(dòng)方式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是遇到?jīng)_撞或地面不平時(shí)穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是機(jī)器人的行走過程只有三個(gè)輪著地，因此在行走時(shí)必須保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪著地，否則會(huì)影響機(jī)器人行走的定位精度。但前后輔助的萬向輪有時(shí)不能同時(shí)著地支撐，在高速啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生俯仰和前沖，或者在加速度很大時(shí)不走直線。 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(shí)需要考慮這兩方面。要實(shí)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。同時(shí)，滾筒的旋轉(zhuǎn)是用正齒輪傳動(dòng)，加工難度小，成本低，傳動(dòng)效率高 ,如圖 210 所示。兩種方案如下所述，比較兩者優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)用的要求，最終確定選用方案一。 缺點(diǎn)：直接使用 齒輪帶動(dòng)后車軸，兩后車輪轉(zhuǎn)速始 終相同，在車體過彎時(shí)動(dòng)力傳遞效率有所降低。 缺點(diǎn)：錐齒輪傳動(dòng)效率低，由于錐齒輪軸與后輪車軸垂直，會(huì)增加整個(gè)機(jī)器人長(zhǎng)度方向的尺寸，清洗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)必須再次傳動(dòng)換向，不利于清洗機(jī)構(gòu)的安裝。 最終選用的總體方案 經(jīng)過反復(fù)對(duì)以上方案進(jìn)行論證，逐步進(jìn)行修 改及優(yōu)化，最終本次設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人方案使用的是輪式行走機(jī)構(gòu)、嵌入式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置、滾筒式清洗機(jī)構(gòu)、真空吸盤式或磁吸附式。并且前輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用嵌入式安裝方式，電機(jī)被置于前輪輪轂中，對(duì)電機(jī)尺寸的要求較高 ,最終確定的總體方案如圖 213 所示。因此機(jī)器人的設(shè)計(jì)和計(jì) 算我們將分步、分塊進(jìn)行。 表 31 三種電機(jī)的主要特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與工作原理、控制方式 電機(jī)類型 主要特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)與工作原理 控制方式 直流伺服電機(jī) 接通直流電即可工作，控制簡(jiǎn)單；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、 重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時(shí)維護(hù)和更換電刷，使用壽命短、 噪聲大。通過電刷和換 向 器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式 ,兩者也成正比。 按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電電刷和換向器構(gòu)成。 異步電機(jī)常采用電壓控制。 步進(jìn)電機(jī) 直接用數(shù)字信號(hào)控制，與計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單，沒有電刷，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)。 按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以分為 :永磁式， 反應(yīng)式和混合式。 永磁式是單向勵(lì)磁， 精度高，但易失步，反應(yīng)式；是雙向勵(lì)磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低； 混合式是單 雙向勵(lì)磁 ,分辨率高 , 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是利用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)一個(gè)正轉(zhuǎn)、一個(gè)反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向的。因?yàn)檐囍睆綖?0mm,則每個(gè)前輪所需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： T=Fd=10N = （ 31） 所以玻璃清潔機(jī)器人選用“森創(chuàng)”步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為： A15KS545(W)G10，詳細(xì)參數(shù)如下表 32 所示。通過比較以上電機(jī)的特性、工作原理、控制方式及清潔機(jī)器人的移動(dòng)性能要求、受力性情況、傳動(dòng)特點(diǎn)，最終選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 圖 31 機(jī)器人受力簡(jiǎn)圖 機(jī)器人所受的最大牽引力： F 牽 = G + Ff F 牽 在墻壁上行走需要的最大牽引力 Ff機(jī)器人在墻壁上受到的摩擦阻力： Ff=u F 吸 （ 32） u為摩 擦因數(shù)，一般玻璃與橡膠取 則玻璃清潔機(jī)器人需要的最大牽引力為 : F 牽 =G + Ff =20N+ 100N=40N （ 33） 設(shè)定機(jī)器人在墻上行走的速度為 :V=1m/s 則機(jī)器人在墻壁上運(yùn)動(dòng)的功率為： P= F 牽 輪子的直徑為 d=70mm,轉(zhuǎn)一圈機(jī)器人移動(dòng)的距離為： S=π d= = （ 41） 所以，輪子的最大轉(zhuǎn)速為： n=1500/4=375r/min=（ 42） 則清潔機(jī)器人的最大行走速度為： V=S n= =（ 43） 從面前的計(jì)算我們已知機(jī)器人所受的摩擦力為： Ff=20N 則可知電機(jī)在機(jī)器人豎直向上時(shí)其轉(zhuǎn)矩并不滿足條件，所以必須在機(jī)器人豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)減少磁吸附力，即可滿足運(yùn)動(dòng)條件。 （ 45） 前輪為轉(zhuǎn)向輪，本次設(shè)計(jì)使用的是嵌入式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，它的原理是電機(jī)固定不動(dòng)，由電機(jī)機(jī)芯驅(qū)動(dòng)法蘭盤和前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)與輪子之間安裝有軸承和大、小套筒，以此保證它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。相對(duì)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案而方，該裝置具有顯著優(yōu)點(diǎn)，包括： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書用紙 第 13 頁 共 46 頁 圖 42 前輪爆炸圖 ⑴ 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，同步輸出，無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，避免了傳動(dòng)帶來的累計(jì)轉(zhuǎn)角誤差，定位準(zhǔn)確。 ⑶ 嵌入式結(jié)構(gòu)使電機(jī)和連接結(jié)構(gòu)嵌入車輪，體積縮小、同樣的體積上可以選擇功率更大的電機(jī)，使用此裝置的機(jī)器人轉(zhuǎn)向速度快、力量大。 ⑸ 該裝置采取模塊化設(shè)計(jì)，各元件連接好后成獨(dú)立模塊，接上機(jī)器人車體即實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能，移植性很強(qiáng)。 表 41 車輪相關(guān)參數(shù) 參數(shù) 數(shù)據(jù) /mm 參數(shù) 數(shù)據(jù) /mm 車輪最大外徑 70 腹板厚度 2 輪心孔直徑 4 腹板大孔直徑 10 車輪寬度 20 腹板小孔直徑 5 后輪驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在前面選電機(jī)部分，我們選擇的是直流電機(jī)作為后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速一般都較高，不能直接連接到車輪軸上，需要用減速箱來降速，同時(shí)提高了轉(zhuǎn)距。 齒輪傳動(dòng)：工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；易于維護(hù)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高； 結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度使用范圍很廣。 根據(jù)本設(shè)計(jì)中機(jī)器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效率高噪音小等條件，我們采用兩 級(jí)齒輪傳動(dòng)，減速比為 4:1。既提高了精度又減輕了重量。中間軸上安裝有大小兩個(gè)齒輪，它們的齒數(shù)比為 2： 1。減速機(jī)構(gòu)如圖 44 所示。） a．選擇齒輪齒數(shù)、材料及精度等級(jí) ⑴ 玻璃清潔機(jī)器人為精密機(jī)器，要求運(yùn)動(dòng)精度高，故選用 5 級(jí)精度?？紤]到清潔機(jī)器人傳遞的功率不大，所以齒輪采用軟齒面。大齒輪選用 45鋼，調(diào)質(zhì)，齒面硬度 240HBS，二者材料硬度相差為 40HBS。 1)/ φ du（ ZE/ [σ H]) 2]1/3 (45) I、 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ⑴ 試選載荷系數(shù) Kt= ⑵ 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。mm （ 46） ⑶ 由機(jī)械設(shè)計(jì) 20