遥控式爬壁清洁机器人说明书

2.4 清洁装置的设计 ......................................................................................................12
2.4.1 清洁盘的设计 .........................................................................................................13 2.4.2 动力传动的设计 ....................................................................................................14
参考文献 ................................................................................................................................19
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遥控式爬壁清洁机器人说明书
1 研究背景及意义 ..........................................................................................................2 2 设计方案 ............................................................................................................................3
2.5 控制系统的设计 ......................................................................................................14
2.5.1 无线电遥控设备的工作原理 .............................................................................14 2.5.2 机器人移动、换向控制的实现电路 ................................................................15 2.5.3 机器人越障控制的实现电路 .............................................................................17
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安装在前后轮之间略靠近后轮的位置。吸盘的结构则设计成两室吸附，以保证其 在跨越沟坑时仍然具有足够的吸附力。但吸盘在保证其密封性的同时，与壁面的 摩擦力又很小，类似与一只碗在桌面滑动。 机器人的控制我们采用了类似于遥控玩具汽车的控制原理，运用遥控板实 现对机器人作业时所需的前进、后退、前左、前右、后左、后右六个方位的动作。 而越障时清洁盘和吸盘的提起则通过电路设计自动实现。 清洁机器人由主体板、移动系统、吸附装置、清洁装置、控制系统、安全 辅助装置六个部分组成。下面分别就各个部分进行设计分析：
2.1 主体板的设计 .............................................................................................................5 2.2 移动系统的设计 ........................................................................................................6
2.1 主体板的设计
主体板的主要功能为固定和连接其它四个功能装置，是机器人的主体部分， 其大小决定了机器人的整体结构尺寸。考虑到机器人的结构紧凑问题，我们取主 体板的长为 400mm，宽为 120mm，厚为 5mm。 主体板上的布局如图 4 所示
驱动电机定位孔 后清洁刷定位 销孔 开关安装位 齿轮安装孔 导气孔 微型抽气 泵定位孔 转向电机 安装位 驱动电机搁板 电源箱定位孔 电源箱安装位
摘 要： 阐述了研制用于高楼玻璃幕墙或瓷砖墙面擦洗作业的遥控式爬壁清洁机 器人过程中所涉及的各单元技术及其集成。该爬壁机器人由主体板、移动系统、 换向机构、吸附装置、清洁装置、控制系统和安全辅助装置六部分组成。 关键词：爬壁清洁机器人 遥控 换向机构 清洁盘 越障
1 研究背景及意义
随着近几年来城市化进程的不断加快，城市大规模基础项目改造的不断开 展，高层建筑日趋增多，如何高效、安全地进行高楼玻璃幕墙或瓷砖墙面清洁作 业的问题逐渐被人们提上日程。高楼玻璃幕墙清洗是一项量大面广的作业，目前 国内外基本上还停留在人工清洗阶段。这种作业方式不仅效率低，而且存在着很 大的安全隐患。 机器人技术的创新和发展，使机器人在各个领域中得到广泛的应用，而爬壁 机器人技术的日趋成熟，为解决高楼墙面清洁作业提供了一种新的思路。于是作 为极限作业机器人之一的爬壁清洁机器人应运而生， 它的出现使实现高楼玻璃幕 墙清洗作业的自动化成为了可能。 目前，爬壁清洁机器人的研制与开发已经有了一定的成果。下面就目前的爬 墙清洁机器人进行分析： 清洁方式：基本上采用湿洗，清洁机器人在爬行时，边喷雾边刷洗和用刮板 刮。我们认为这种清洗方式固然可以达到很高的清洗效率，但在水干了之后，难 免会留下污垢，这样清洁效果就难以保证了。 体积重量： 目前的这类清洁机器人体积和重量都很大， 如哈尔滨工业大学研 制的爬墙清洁机器人堪称小型轻量化，重达 23.2kg。 爬行方式： 目前主要有轮式， 履带式， 足式三种。 轮式的越障能力相对较差， 虽然目前有人把轮式的设计成如下图 1 所示的结构， 使它的越障能力有一定的提 高， 但它却容易在障碍比较窄的地方卡死； 履带式的只适用清洁金属表面的锈斑， 因为它是靠磁力吸附在壁面上的，一般用于轮船等以钢铁为壁的地方；足式的越 障能力比较强，灵活性也比较好，但机构比较复杂，控制也比较麻烦（如图 2） 。 控制方式：基本上以遥控为主。
2.6 安全辅助装置的设计 ...........................................................................................18
3 创新点与实用性能指标......................................................................................18
换向机构
导气孔
前清洁刷 定位销孔
图 4 主体板结构及布局
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2.2 移动系统的设计
2.2.1 驱动电机 综合考虑机器人各组成部分的重量、清洁效率等性能指标，我们估计机器 人的总重量为 2.5 千克，移动速度为 0.4 米每秒，因此根据公式 P F V 10W ， 可计算得到前进所需功率至少为 10 瓦。加上清洁所需的功率大概为 4w，再考虑 摩檫损失等因素，我们选择功率大小为 15w 的直流 24v 电机作为驱动电机（已 在市场上订购） 。该电机自带减速器和制动机构，转速大小为 60r/min。 2.2.2 车轮 驱动电机直接驱动后轮转动，前轮则依靠主体板推动作用实现其前进功能。 车轮直径 100 毫米，宽 30 毫米，内芯的材料为硬质塑料，外皮为一种高分子材 料处理后的橡胶，其与玻璃的摩擦系数约为 0.6（下面有实验数据论证） 。车轮结 构如图 5 所示：
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图1
图2
在现实生活中，爬墙清洁机器人没能得到广泛的应用，主要因为它们存在清 洁效果差、结构复杂、体积和重量大、成本高等不利因素。 我们设计的遥控式爬壁清洁机器人较好地解决了以上问题。它结构简单，体 积小，重量轻，且采用半湿擦，能达到预期的清洁效果。我们综合运用遥控技术 和机械技术，利用现在已研究较为成熟的爬壁原理，并在此基础上，主要对机器 人的清洁机构、前进机构、换向机构等进行创新设计和创新组合，以较为有效地 实现高楼玻璃幕墙的清洁作业。
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2.3 吸附装置的设计 ......................................................................................................10
2.3.1 微型抽气泵 .............................................................................................................10 2.3.2 吸盘的设计 ............................................................................................................. 11 2.3.3 导管及弹簧 ............................................................................................................. 11
2.2.1 驱动电机 ....................................................................................................................6 2.2.2 车轮 .............................................................................................................................6 2.2.3 换向机构 ....................................................................................................................8
3.1 创新性 ...........................................................................................................................18 3.2 实用性能指标 ...........................................................................................................18
2 设计方案
我们设计的遥控式清洁机器人重约 2.5kg，整体尺寸约为 64mm×12mm× 20mm。 图 3 是我们设计的遥控式爬墙清洁机器人的整体原理图。
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图3
整体原理图
如图所示，清洁机器人的头尾两端各安装有实现擦洗作业的一对清洁盘， 清洁盘由上端的齿轮和下端的清洁擦（硬刷、软刷）两部分组成，通过齿轮的啮 合实现清洁盘平行墙壁的旋转工作， 其旋转动力由驱动电机通过蜗轮蜗杆传动传 到中间的带轮，再由中间带轮通过皮带传动传给清洁盘。清洁方式上我们选择了 半湿擦方式来保证清洁效果，前清洁盘采用硬擦，后清洁盘采用软擦，所到之处 均可得到硬软两次擦洗，以达到预期的清洁效果。清洁盘头尾布局的好处就是可 以把机器人本身爬行的痕迹也清洁干净。 紧靠清洁盘的为机器人的移动机构。这里我们选用轮式的爬行方式，为保 证越障能力和机构简单化，同时解决以往的轮式爬行方式容易卡死的缺陷，我们 摒弃了目前爬壁清洁机器人普遍采用的全方位移动机构， 而是加大了车轮的直径 以达到所需的越障能力，灵活地运用齿轮传动的特点，创新性地引进了结构简单 的换向机构以实现车轮的转向。简单地说，是驱动电机驱动后轮转动，由后轮与 壁面的摩擦力提供向上动力，前轮只是控制方向。 对于吸附装置，我们利用目前已经较为成熟的负压吸附原理，把四个吸盘