水射流抽气式清洗机器人_刘季霖

水射流抽气式清洗机器人

刘季霖1,童章谦1,付婧媛2,林显克3,邹　俊1,顾大强3

W a t e r F l u i d i c C l e a n i n g-r o b o t

L I UJ i-l i n1,T O N GZ h a n g-q i a n1,F UJ i n g-y u a n2,L I NX i a n-k e3,Z O UJ u n1,G UD a-q i a n g3

(1.浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州　310027;2.浙江大学建筑系,浙江杭州　310027;

3.浙江大学机械系,浙江杭州　310027)

摘　要:该文介绍了一种水射流抽气式清洗机器人,该机器人以清洗用水作为唯一的动力源,利用水射流所产生的负压特性实现机器人在清洗壁面上的吸附,利用水压驱动的活塞附以连杆机构实现机器人的直行、转弯等爬行动作,并利用水浸式超声波去污原理实现壁面的清洗。所研制的机器人具有质量轻、可靠性高、供能方式简单等优点。初步的现场试验证实了水射流抽气式清洗的实用性和可靠性,该机器人已获得2008年全国第三届大学生机械创新设计大赛一等奖。

关键词:机器人;清洗;射流;超声波

中图分类号:T H137;T H138　文献标识码:B　文章编号:1000-4858(2009)10-0042-04

1　前言

对大量林立的高楼进行定期外墙清洗非常有必要。目前,这项富有挑战性的任务主要由清洗工人(俗称“蜘蛛人”)搭乘吊缆进行高空作业来完成。显然,这样的工作具有相当的危险性,“蜘蛛人”坠亡的事件时有发生。此外,人工擦洗的方式效率较低,往往擦洗一幢高楼需要数天甚至数十天。如果由机器人代替“蜘蛛人”完成高楼外墙的清洗,将把人从恶劣甚至危险的劳动环境中解脱出来,并使工作效率得以大大提高,具有很好的社会、经济效益。为此,国内外多家研究机构竞相开展高楼外墙清洗机器人的研究工作。

目前已有几种真空吸附清洗机器人能够实现自动爬行、供水和擦洗的功能,但它们几乎都存在3个共同的问题[1～7]:①水、电、气分路控制:供水清洗、爬行驱动和真空吸附3个系统相互独立,需要水泵供给清洗用水,气泵产生吸附所需的真空,气缸或电机驱动机器人爬行,致使机器人整体机构复杂,增加了清洗机器人的附属设施和制造成本;②使用多个活塞缸或电机驱动真空吸盘移动,实现爬行装置在光滑壁面上的直行、转弯和静止,整体机构复杂、笨重,而过重的质量不利于机器人在光滑壁面上的吸附,复杂的机构也增加了爬行装置制造成本,降低了整个装置的可靠性;③接触式清洗:用擦布、滚刷组成的复杂机械结构直接磨擦玻璃进行清洗,这种方式必须对擦布施加一个垂直于玻璃面的作用力,而该力所产生的反作用力与清洗机器人吸盘吸附在玻璃面的吸附力相反,从而抵消了一部分吸附力,增加了机器人在玻璃面吸附的不可靠性。另外,用擦布直接磨擦玻璃的清洗方式,也容易擦伤高档玻璃的表面保护层。

针对这些问题,我们设计了一种水射流抽气式清洗机器人,其具有以下特点:①以水流作为唯一外部动力源,实现清洗机器人的抽气、驱动、清洗3大功能;

②使用一个以水流作为驱动力的活塞缸,附以轻便的连杆机构,便实现了机器人在光滑壁面上的直行、转弯和静止等动作;③采用水浸式超声波对壁面进行非接触式清洗。以上特点使得该机器人尤为适用于城市中高楼外墙的清洗。

2　水射流抽气式清洗机器人方案

2.1　整机介绍

　收稿日期:2009-04-03

　作者简介:刘季霖(1986—),男,浙江舟山人,硕士,主要从事流量检测、机器人研究等方面的工作。

水射流抽气式清洗机器人整体结构如图1所示,图1中实线箭头表示水流方向,水流从进水口流入,在水射流抽气元件进水口处把水流分成两股:一股通入到水射流抽气元件用于产生负压,为真空吸盘抽气,抽气过程中气体流向如虚箭头所示,真空吸盘中的空气

图1　整体结构图

流经电磁阀进入到水射流抽气元件的抽气口,当电磁阀开启,气路接通,真空吸盘抽气吸附;当电磁阀关闭,气路切断,真空吸盘放气松开。另一股水流通入到水压驱动机构,水压驱动机构与真空吸盘相连接,水压驱动机构的动作与真空吸盘的吸、放动作相结合,实现清洗机器人在清洗壁面上行走。通入到水射流抽气元件用于产生负压的水流与通入到水压驱动机构用于驱动清洗机器人的水流,在完成各自功能后又在水射流抽气元件出水口处被并成一股一起流入清洗机构,为壁面清洗提供用水。

2.2　水压驱动机构

水压驱动机构的原理如图2所示,可实现爬行、转弯两种运动。

图2　水压驱动机构原理图

爬行运动:在爬行过程中,对角2个吸盘A、B吸紧玻璃固定,吸盘C、D松开,连杆1在力F的作用下向右平移,从而带动连杆2、3向上摆动,实现一步向上爬行。同理,在下一步,对角2个吸盘C、D吸紧玻璃固定,吸盘A、B松开,连杆1在活塞推力的作用下向左平移,从而带动连杆2、3向上摆动。如此往复运动实现爬行功能。

转弯运动:在转弯过程中,A、C这2个吸盘固定, B、D2个吸盘松开,连杆1向左平移,推动连杆3向右摆,从而实现机构向左转弯。向右转弯则采用反向操作。

机构力学分析及结构参数选取方法如下:

(1)受力分析:由图2所示的机构,根据力矩平衡可得:

F(L1+L2)=G h,h=1

2

L A C c o s(1)

其中　F———活塞杆推力

L1、L2———吸盘A、C中心到连杆1之间的距离G———整机重量

h———重力作用线到吸盘A中心的距离(近似

认为整个机构在运动过程中重力作用

线始终竖直通过连杆2的中点) L A C———连杆2的长度

———连杆2运动时与水平线所成的夹角为了在保证强度的前提下使机构质量尽量轻,采用铝作为机构的材料,整个机构质量为700g,故而G =7N,取摆角φ在±15°之间,取L2+L1=117m m,L A C =180m m。代入公式(1)得F=10N,取安全系数n=

1.5,故而推动连杆1的力需要15N。

(2)活塞缸输入压力计算:选用直径D p为10 m m,行程为30m m的缸作为水压驱动机构的驱动活塞缸,根据推动连杆所需要的力,计算出活塞缸的入压力,计算方法如下:

F=1

4

πD2p·p(2)

其中　D p———活塞缸直径

p———活塞缸输入压力

可得p=2×105P a,考虑摩擦等因素,取p=3×105P a。

(3)摩擦力校核　摩擦力与重力的平衡关系可按下式计算:

f=p v·1

2

πd2S(3)

其中　f———已吸住的两个吸盘与玻璃之间的摩擦力

d S———真空吸盘的直径

p v———真空吸盘负压

取吸盘与玻璃之间的摩擦系数μ=0.1,d s=50 m m,由后续计算知p v=0.98×105P a,得f=38.4N。

已知机构重力为G=7N,磨擦力远大于重力,机