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畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
設(shè) 計(jì) 題 目: 高樓清洗機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
院 系 名 稱: 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級(jí): 機(jī)械設(shè)計(jì)08-12班
學(xué) 生 姓 名: 金鵬
導(dǎo) 師 姓 名: 國(guó)紹文
開(kāi) 題 時(shí) 間: 2012年3月16號(hào)
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
1. 課題研究的目的和意義
隨著城市現(xiàn)代化得發(fā)展和人口的日益增加，為了節(jié)省土地資源，高層建筑越來(lái)越多，各式各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)景。在建筑業(yè)中，由于玻璃的采光性好，保溫、防潮，而且采用彩色玻璃使用美觀，高層建筑的外觀越來(lái)越多的采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)沒(méi)有玻璃覆蓋的地方也多采用瓷磚覆蓋以增加建筑的美感，但也衍生出繁重的幕墻清洗任務(wù)。
我國(guó)大多數(shù)高層建筑清洗工作還是由傳統(tǒng)的人力完成，這種高空極限作業(yè)相當(dāng)危險(xiǎn)，如遇強(qiáng)空氣流，對(duì)人身安全及玻璃面都有很大的威脅。因此需要一種能代替人工完成高層建筑清洗任務(wù)又有一定靈活性和適應(yīng)性的自動(dòng)機(jī)器來(lái)取代人工作業(yè)。
高層外墻清洗機(jī)正是在這種背景下應(yīng)用而生，它可在垂直壁面及屋頂移動(dòng)進(jìn)行物體表面的清洗。它的出現(xiàn)及進(jìn)一步研究將極大降低建筑外墻的清洗成本改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，并帶來(lái)相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
2．文獻(xiàn)綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）
工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在機(jī)器人領(lǐng)域中大量投入使用，如汽車、冶金等行業(yè)。然而，隨著人們生活水平的提高，在機(jī)器人領(lǐng)域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)。
服務(wù)機(jī)器人主要涉及清洗、運(yùn)送、監(jiān)視、檢查和探測(cè)等類型的工作，為人類提供和完成服務(wù)。其中，清洗是服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用最廣的領(lǐng)域之一。而高樓林立的今天，更需要爬壁清洗機(jī)器人的技術(shù)可以得到不斷改進(jìn)和提高。
2.1國(guó)外壁面清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀
第一個(gè)成功制造出來(lái)的清洗機(jī)器人是德國(guó)漢薩斯航空公司委托制作的“SKYWAH”（清洗巨人），如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)作用距離為33米的多關(guān)節(jié)巨型伸縮臂，有11個(gè)自由度，6個(gè)主軸，3個(gè)腕關(guān)節(jié)及兩個(gè)自適應(yīng)軸，總共12個(gè)可編程序軸。余的運(yùn)動(dòng)鏈系使得它可以做各復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，而其結(jié)構(gòu)不會(huì)有任何變化。所有軸均由液壓驅(qū)動(dòng)并采用抗拉鋼材，因而其結(jié)構(gòu)重量輕。清洗刷長(zhǎng)1.2m，定位精度為50mm,滾刷與飛機(jī)外形精確匹配。該機(jī)器人安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)汽車地盤(pán)上，可以從四個(gè)位置出發(fā)，機(jī)器人在人的監(jiān)視下按照預(yù)定的模式運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)飛機(jī)幾乎所有表面的清洗工作。其特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，適合于各種規(guī)格的飛機(jī)。
日本BE公司成功研制的一種固定軌道式自動(dòng)擦窗機(jī)器人，機(jī)器人靠安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跹b系統(tǒng)使擦窗機(jī)對(duì)準(zhǔn)窗戶，沿固定安裝在建筑物表面的導(dǎo)槽垂直上下移動(dòng)進(jìn)行清洗，清洗機(jī)構(gòu)帶有多個(gè)旋盤(pán)刷。該設(shè)備的自動(dòng)化程度的效率都很高，但價(jià)格也很昂貴。另外，要求在建筑物設(shè)計(jì)之初就將擦窗系統(tǒng)考慮進(jìn)去，鋪設(shè)軌道，這大大限制了該機(jī)器人的使用范圍及效率。
圖1 圖2
德國(guó)馬格堡的弗勞恩霍費(fèi)爾自動(dòng)控制與操作研究所（IPA）是德國(guó)主要的生產(chǎn)及自動(dòng)化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自動(dòng)系統(tǒng)。圖2所示是其中之一，對(duì)柏林新建火車站的巨大玻璃隧道進(jìn)行了自動(dòng)清洗。該機(jī)器人懸掛在水平的橫向軌道上，可沿軌道左右移動(dòng)，同時(shí)橫向軌道可以沿垂直導(dǎo)槽上下移動(dòng)，從而完成對(duì)整塊玻璃的清洗。
德國(guó)的Fraunhofer研究所研制了一種名為SIRIUSC壁面清洗機(jī)器人。該機(jī)器人作業(yè)時(shí)在機(jī)器人上方的建筑物頂部有一個(gè)隨動(dòng)小車，該小車除了起一個(gè)安全作用外，還是機(jī)器人位移的定位裝置，機(jī)器人只能做上下運(yùn)動(dòng)，左右運(yùn)動(dòng)靠隨動(dòng)小車牽引實(shí)現(xiàn)。爬行機(jī)構(gòu)是基于兩隊(duì)線性模塊上，每個(gè)模塊裝有幾個(gè)真空吸盤(pán)，每對(duì)模塊有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
美國(guó)國(guó)際機(jī)器人公司研制了用于清洗摩天大樓的爬壁機(jī)器人“Sky Washer”,它重19.95kg，約0.9×0.9m，該機(jī)器人的移動(dòng)由兩組L型框架相對(duì)滑動(dòng)，交替吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)，每組框架有三只腳掌，每只腳掌上有兩只真空吸盤(pán)，吸盤(pán)相對(duì)于壁面可以作直線運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人允許橫向移動(dòng)，并可跨越一定高度的障礙。同時(shí)配備有洗滌液和擦抹系統(tǒng)，以完成擦窗工作，作業(yè)能力為每天4645㎡，并可越5cm高、25cm寬的障礙。
除此以外，加拿大、德國(guó)、西班牙、以色列、新加坡、奧地利、俄羅斯、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家相繼開(kāi)展了壁面清洗機(jī)器人的研究。
2.2國(guó)內(nèi)壁面清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究雖然起步晚，但發(fā)展比較迅速。我國(guó)研究和發(fā)展機(jī)器人始于七十年代初。1975年在北京舉辦的日本科技展覽會(huì)上，川崎重工公司首先在中國(guó)展出了工業(yè)機(jī)器人，以此為起點(diǎn)，我國(guó)掀起了第一個(gè)研制機(jī)器人的浪潮。上海大學(xué)從1987年開(kāi)始在上海市科委和國(guó)家“863”的支持下，率先從事爬壁機(jī)器人的研究，此后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也相繼在幕墻清洗、高空檢查、鍋爐水冷壁檢測(cè)、大橋拉索涂裝和維護(hù)等領(lǐng)域開(kāi)展研究。
自1988年以來(lái)，上海大學(xué)先后研制了玻璃窗清洗機(jī)器人和球形爬壁機(jī)器人。前者采用多層框架式機(jī)構(gòu)，真空吸盤(pán)吸附，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但重量大，且沒(méi)有裝備清洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，足端為帶有裙邊的鉸接式真空吸盤(pán)，設(shè)計(jì)者從滿足穩(wěn)定性和控制復(fù)雜程度的綜合，考慮到吸盤(pán)穩(wěn)定性較差，安全性不是很好。此外，他們還在清洗裝備和工藝做了較為深入的研究，并根據(jù)玻璃幕墻障礙的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種全方位越障機(jī)構(gòu)，大幅度提高了機(jī)器人的越障能力。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)也是國(guó)內(nèi)壁面移動(dòng)機(jī)器人研究較早的單位，在國(guó)家“863”智能機(jī)器人的支持下，已經(jīng)先后開(kāi)發(fā)出兩個(gè)系列共5個(gè)品種的爬壁機(jī)器人。較早完成的是輪式負(fù)壓吸附壁面爬行遙控檢查機(jī)器人，如圖3所示。該機(jī)器人采用雙輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主體下部是一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)輪的滑動(dòng)密封式負(fù)壓吸盤(pán)。清洗機(jī)構(gòu)置于尾部，同時(shí)還設(shè)有卷?yè)P(yáng)機(jī)，地面支援小車等附屬設(shè)施。由于密封裝置采用柔性設(shè)計(jì)，對(duì)壁面的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運(yùn)動(dòng)，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差。
圖3 圖4
北京航空航天大學(xué)自1996年以來(lái)，在國(guó)家“863”計(jì)劃的大力資助下，先后研制成功了WASHMAN、CLEANBOTⅠ、SKYCLEAN、“靈巧型擦窗機(jī)器人”、“吊籃式擦窗機(jī)器人”、 “藍(lán)天潔寶”等系列幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)。前三種均為全自動(dòng)清洗機(jī)器人，采用十字構(gòu)型，為自主步行移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和功能統(tǒng)一。其中CLEANBOT-Ⅰ的縱橫氣缸之間有一能做微小角度轉(zhuǎn)動(dòng)的腰關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的調(diào)整，如圖4所示。之后北航又推出藍(lán)天潔士Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型擦窗機(jī)器人。
2000年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機(jī)器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機(jī)器人，但重量小的多，僅有20kg。該機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動(dòng)密封負(fù)壓吸附裝置的履帶式驅(qū)動(dòng)的雙車體結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。2001年研制開(kāi)發(fā)的“吊籃式擦窗機(jī)器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進(jìn)行作業(yè)。“藍(lán)天潔寶”屬于被動(dòng)清洗機(jī)器人，使用大面積負(fù)壓吸盤(pán)吸附，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
香港大學(xué)和內(nèi)地大學(xué)合作，研制了一系列高樓清洗爬壁機(jī)器人。Cleanbot-Ⅰ采用北航機(jī)器人原型，Cleanbot-Ⅱ采用了一種仿坦克的爬壁機(jī)器人原型設(shè)計(jì)。該機(jī)器人采用多個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)組成的吸附機(jī)構(gòu)和單鏈條爬行及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可以在玻璃幕墻和船殼等墻面上連續(xù)爬行，并有一定的越障能力。
2.3高層建筑外墻清洗機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
由于清洗工作環(huán)境及任務(wù)的特殊性，清洗爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)要求相當(dāng)苛刻。其總的設(shè)計(jì)原則是：減輕重量，降低造價(jià)，安全可靠，能適應(yīng)多種建筑物表面，且要有足夠高的清洗效率。
從清洗機(jī)的工作環(huán)境來(lái)看，其主機(jī)可能有兩個(gè)發(fā)展方向：
其一：適用于平整瓷磚和玻璃幕墻清洗，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，屬小型輕量化。
其二：適用于復(fù)雜墻面，如階梯墻面，壁面多窗戶的壁面清洗，它的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作、控制都很復(fù)雜。
其三：以壁面機(jī)器人為載體，配以專用的清洗機(jī)構(gòu)，可以適應(yīng)不同壁面機(jī)構(gòu)。
3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題
3.1 設(shè)計(jì)基本內(nèi)容
1) 清洗爬壁機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
（1）方案概述
（2）方案選擇
（3）對(duì)整體方案的改進(jìn)設(shè)計(jì)
2) 清洗機(jī)器人的清洗系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
（1） 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
（2） 滾刷設(shè)計(jì)
（3） 清洗噴水裝置設(shè)計(jì)
3) 清洗機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
（1） 驅(qū)動(dòng)方式方案
（2） 移動(dòng)方式方案
（3） 吸附方式方案
（4） 各方案參數(shù)確定
（5） 性能分析
4) 清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
（1）單片機(jī)控制方案
（2）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
（3）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.2 擬待解決問(wèn)題
1. 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)：各參數(shù)的計(jì)算，校核。
2. 清洗方案：滾刷轉(zhuǎn)速、噴水量及回收水裝置的參數(shù)計(jì)算
3. 吸附系統(tǒng)的各參數(shù)計(jì)算，校核及可行性。
4. 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4. 技術(shù)路線或研究方法
1． 參閱相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)資料，擬確定各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)高樓清洗機(jī)的機(jī)電傳動(dòng)及清洗功能。
2． 要從各種方案中選擇合適的方案，分析出各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合優(yōu)化各種設(shè)計(jì)方案，確定最后設(shè)計(jì)方案。如圖5所示
3．完成清洗機(jī)各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、校核計(jì)算，確定各機(jī)構(gòu)主要零件結(jié)構(gòu)尺寸并畫(huà)出草圖
4．完成總裝配圖，零件圖，部件圖設(shè)計(jì)和說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)。
機(jī)器人本體
吸附部分
推進(jìn)部分
清潔部分
控制部分
安全保護(hù)部分
風(fēng)壓懸吊吸附
履足
沖洗、滾筒刷洗、盤(pán)洗聯(lián)合作用
單片機(jī)控制
繩索牽引保護(hù)
圖 5
5. 進(jìn)度安排
2月27日~3月16日：查找和閱讀參考資料，熟悉課題，撰寫(xiě)完成開(kāi)題報(bào)告。
3月17日~4月10日：機(jī)電系統(tǒng)總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
4月11日~4月30日：機(jī)械系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。
5月1日~5月20日：控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。
5月21日~5月31日：導(dǎo)師審核圖紙和說(shuō)明書(shū)。
6月1日~6月15日：修改圖紙和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備答辯。
6. 主要參考文獻(xiàn)
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