玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）分類號(hào) 密級(jí) U D C 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)姓 名： 廖祖勝 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 25201102 學(xué) 號(hào)： 2520110218 指導(dǎo)教師： 劉麗明 助教 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論文外文題目： 玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 論文主題詞： 玻璃清潔機(jī)器人 復(fù)合吸附方式 螺旋槳式軸流風(fēng)機(jī) 外文主題詞： lass-wall cleaning robot Combined suction

2、method Propeller type axial flow fan 論文答辯日期： 答辯委員會(huì)主席： 評(píng)閱教師： 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文

3、）II摘摘 要要玻璃幕墻清潔機(jī)器人是具有特定功能的壁面移動(dòng)機(jī)器人，是特種機(jī)器人的一個(gè)分支。它不僅可以用于高層建筑外表面幕墻的清洗，還可用于特殊環(huán)境或者特殊設(shè)備的表面清洗以及檢查。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)象研發(fā)具有明確功能的實(shí)用型機(jī)器人。其主要工作在高層建筑的玻璃幕墻表面，克服重力對(duì)自身的作用，攜帶清洗作業(yè)設(shè)備對(duì)建筑物玻璃幕墻表面進(jìn)行清洗，從而將人們從危險(xiǎn)的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，不僅可以避免發(fā)生意外事故，而且可以提高清洗效率、節(jié)約成本，具有可觀的市場(chǎng)前景。本文將在分析玻璃清潔機(jī)器人常見的吸附方式，以及國內(nèi)外對(duì)玻璃清潔機(jī)器人所開發(fā)的新型吸附方式后，提出采用螺旋槳式軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)

4、生負(fù)壓作為作為吸附方式的經(jīng)濟(jì)適用型吸附機(jī)構(gòu)。在對(duì)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，提出模塊化的組裝結(jié)構(gòu)。在這基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，然后應(yīng)用相關(guān)理論和設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證吸附機(jī)構(gòu)。最后利用 Pro/ENGINEER 創(chuàng)建出所設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型以及機(jī)器人整體模型。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：玻璃清潔機(jī)器人 復(fù)合吸附方式 螺旋槳式軸流風(fēng)機(jī)中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IIIAbstractGlass-curtain-wall-cleaning robot is a wall climbing robot with

5、 special functions, with is a branch of special robot. It not only can be used for cleaning the outer surface of the curtain wall of high-rise buildings, can also be used for surface cleaning and checking of special circumstances and special objects. It is a practical robot based on technology of th

6、e wall-climbing robot and having a clear function for specific research and development of the robot. Its main function is to overcome the effects of gravity on their own with cleaning equipment for cleaning in the glass-curtain wall-cleaning surface of high-rise buildings so that it can free people

7、 from dangers of aerial working environment, thus avoiding accidents, improving the efficiency of cleaning and saving costs. It has a considerable market prospect. In this paper, analysis of glass cleaning robots popular method of adsorption, as well as adsorption to glass cleaning robots developed

8、by the new approach, using propeller-type axial-flow fan to create negative pressure as the economic application of adsorption mechanism of adsorption.Describes the overall design of the robot, presented modular assembling structures. On this basis, the adsorption mechanism and the design of the rob

9、ot, and then apply the relevant theory and design structure design of software for design and components, verify the adsorption mechanism. Final application of Pro/engineer to design the robot building solid model.Key words: Glass-wall cleaning robot; Combined suction method; Propeller type axial fl

10、ow fan中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IV目目 錄錄第一章第一章 引言引言1.1 課題研究的背景及意義.11.2 國內(nèi)外對(duì)玻璃清潔機(jī)器人吸附方式的研究概況.11.3 吸附方式的發(fā)展趨勢(shì).31.3.1 吸附方式將更多地采用仿生技術(shù).41.3.2 向適應(yīng)微小型化機(jī)器人發(fā)展.41.4 小結(jié).5第二章第二章 玻璃清潔機(jī)器人總體規(guī)劃玻璃清潔機(jī)器人總體規(guī)劃2.1 吸附機(jī)構(gòu).62.2 清潔結(jié)構(gòu).82.3 行走機(jī)構(gòu).82.4 水電供應(yīng)系統(tǒng).92.5 小結(jié).10第三章第三章 吸附機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸附機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 吸附原理.113.2 吸附方式的實(shí)現(xiàn).123.2.1

11、 風(fēng)機(jī)推力.123.2.2 負(fù)壓的產(chǎn)生.143.3.3 真空腔的負(fù)壓與葉片推力可合成.153.3 小結(jié).17第四章第四章 模型建設(shè)與仿真驗(yàn)證模型建設(shè)與仿真驗(yàn)證4.1 GAMBIT 幾何造型建模圖 .184.2 仿真驗(yàn)證.194.3 詳細(xì)結(jié)構(gòu)方案.224.4 小結(jié).23結(jié)束語結(jié)束語.2424致致 謝謝.2525參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).2626附錄附錄.2727中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1第一章第一章 引言引言1.1 課題研究的背景及意義課題研究的背景及意義玻璃清潔機(jī)器人是擁有特殊功能的壁面移動(dòng)機(jī)器人，是可以在垂直和傾斜的玻璃表面上進(jìn)行清洗作業(yè)的特種機(jī)器人1

12、。作為一種可在高空極限環(huán)境下工作的自動(dòng)化機(jī)械裝置，它的發(fā)展現(xiàn)在越來越受到人們的關(guān)注。而吸附裝置是玻璃清潔機(jī)器人包括移動(dòng)裝置、清潔裝置、控制裝置在內(nèi)的核心裝置，玻璃清潔機(jī)器人性能的優(yōu)異直接取決于機(jī)器人吸附裝置性能的優(yōu)異。玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的研究，有兩個(gè)問題必須要妥善處理好：一是如何穩(wěn)當(dāng)?shù)匚接诓ＡП砻?；二是使機(jī)器人吸附在玻璃表面的同時(shí)又不影響機(jī)器人在玻璃表面上移動(dòng)。玻璃清潔機(jī)器人要想具備有良好的移動(dòng)能力就得損失一定的吸附能力，但是當(dāng)吸附裝置提供的吸附力過強(qiáng)又會(huì)給機(jī)器人在玻璃表面的移動(dòng)帶來困難，所以機(jī)器人在玻璃表面上的吸附與移動(dòng)這是個(gè)自身矛盾的問題。就是優(yōu)化吸附和移動(dòng)的關(guān)系，既要求吸附裝置的研

13、究設(shè)計(jì)方案在保證玻璃清潔機(jī)器人吸附裝置為機(jī)器人提供足夠的吸附力的同時(shí)，又不影響機(jī)器人在玻璃表面面的移動(dòng)能力2。因此國內(nèi)外的許多科研機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)壁面移動(dòng)機(jī)器人時(shí)，都在對(duì)這問題展開相關(guān)的探討和研究。1.2 國內(nèi)外對(duì)玻璃清潔機(jī)器人吸附方式的研究概況國內(nèi)外對(duì)玻璃清潔機(jī)器人吸附方式的研究概況通過按吸附方式的不同，可將玻璃幕墻清潔機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)分為三種，即磁吸附、真空吸附和推力吸附3。其中磁吸附按提供吸附力材質(zhì)的不同，可分為電磁體和永磁體兩種。對(duì)壁面的平整程度都沒有要求，不僅機(jī)器人的有效載荷遠(yuǎn)勝于真空吸附和推力吸附，而且在作業(yè)過程中不存在真空漏氣的問題，但要求機(jī)器人工作時(shí)所吸附的壁面必須是導(dǎo)磁材料，這一點(diǎn)

14、使得采用磁吸附作為吸附方式的機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境收到嚴(yán)重地限制；真空吸附按吸盤個(gè)數(shù)又分為單吸盤和多吸盤兩種，真空吸附雖然不受壁面材料限制但對(duì)吸盤的密封性能卻要求較高，在附著面不平整時(shí)吸盤容易漏氣，使密封性能下降從而造成吸附力下降，使得機(jī)器人的實(shí)際承載能力降低；推力吸附方式整合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，有一定的吸附力而且對(duì)壁面的平整程度沒有要求，但是由于要求風(fēng)機(jī)排風(fēng)量很大所以整體重量會(huì)很重。各種方式優(yōu)缺點(diǎn)如下表 1.14。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2表表 1.11.1 玻璃清潔機(jī)器人吸附方式的比較玻璃清潔機(jī)器人吸附方式的比較吸附方式缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)永磁吸附移動(dòng)時(shí)需要機(jī)器人

15、主體跟吸附表面分離不需要外部施加能量，安全性高磁吸附電磁吸附要外部施加能量，電磁鐵重量大，機(jī)器人笨重容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主體與壁面的離合，吸附力強(qiáng)單吸盤吸附吸盤的泄露量一旦超過極限，本體將失去吸附能力允許有一定的泄露量，允許壁面有凹凸真空吸附多吸盤吸附對(duì)壁面要求高，壁面有凹凸或裂縫時(shí)將會(huì)有泄露吸盤尺寸小，機(jī)器人更加靈活推力吸附風(fēng)機(jī)噪聲大啊，機(jī)器人重量大，體積大對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，不存在泄露問題圖 1.1 是清華大學(xué)采用電磁體吸附方式研制的用于儲(chǔ)罐表面檢測(cè)的磁吸附機(jī)器人TH-Climber-I 5，行走方式為履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在儲(chǔ)罐表面行走檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，它具有較高的運(yùn)動(dòng)速率、具有很好穩(wěn)定性和定位精度，其運(yùn)動(dòng)

16、速率最大可達(dá) 8m/min ，可以跨越10mm 以上的焊縫和表面凸起障礙，角度誤差也可控制在 0.2 度以內(nèi)。圖 1.2 為加拿大戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué)研制的壁面移動(dòng)機(jī)器人6，它的吸附裝置使用永磁體吸附履帶。使用永磁體方式使機(jī)器人吸附于儲(chǔ)罐表面，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶帶動(dòng)機(jī)器人在儲(chǔ)罐表面移動(dòng)檢測(cè)。 圖圖 1.11.1 清華大學(xué)磁吸附清華大學(xué)磁吸附 圖圖 1.21.2 戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué)的戴爾豪斯大學(xué)和香港中文大學(xué)的機(jī)器人機(jī)器人 TH-Climber-ITH-Climber-I 永磁體吸附履帶壁面移動(dòng)機(jī)器人永磁體吸附履帶壁面移動(dòng)機(jī)器人77圖 1.3 是年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的 CLR-II

17、型壁面清洗壁面移動(dòng)機(jī)器人8，它的吸附機(jī)構(gòu)采用的就是單吸盤真空吸附，清洗裝置懸掛于機(jī)器人下方。機(jī)器人有效載荷為 5kg，爬行速率最快為 10m/min，每次爬行高度是最高 100m，操控方式是有線遙控及 PLC 線路控制，行走方式采用雙輪式無級(jí)調(diào)速，機(jī)器自身攜帶有高壓水槍、旋轉(zhuǎn)刷從而在清洗作業(yè)時(shí)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主清洗作業(yè)。由于它是專為建筑物外表面瓷磚壁面的清洗而設(shè)計(jì)制造的,所以目前已有成品并投入生產(chǎn)應(yīng)用。圖 1.4 是在 1990-1993 日本東京工業(yè)大學(xué)間研究設(shè)計(jì)的 NINJA9，第一代型號(hào)為 NINJIA-I,自 1994 年開始，NINJA-II 在 NINJIA-I 的基中國地質(zhì)大學(xué)江城

18、學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3礎(chǔ)上不斷的改善升級(jí)，可用于高樓壁面的檢查等。NINJIA-I 和 NINJA-II 的主要技術(shù)參考是相同，吸附裝置也都采用的多吸盤真空吸附。 圖圖 1.31.3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的 CLR-IICLR-II 圖圖 1.41.4 日本東京工業(yè)大學(xué)研制的日本東京工業(yè)大學(xué)研制的 NINJIANINJIA1990 年西亮教授研制的爬壁機(jī)器人的吸附裝置采用的是推力吸附，如圖 1.5 為理論設(shè)計(jì)圖。在吸附原理上它借鑒直升機(jī)原理，使用螺旋槳產(chǎn)生的高速氣流推動(dòng)機(jī)器人在墻壁表面移動(dòng)的同時(shí)貼合墻壁表面。螺旋槳的軸線與壁面大約成 200

19、夾角，如此高速氣流產(chǎn)生的推力在水平方向始終有分力指向壁面，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的吸附吸附在建筑表面上：在豎直方向也有向上的分力，使機(jī)器人可以緊貼壁面移動(dòng)，且使機(jī)器人具有一定的越障能力。掌舵機(jī)構(gòu)控制機(jī)器人的移動(dòng)方向和傾斜角度，由于使用柴油機(jī)，所以不需要帶電源線，使用起來很方便。圖 1.6 為實(shí)物圖。 圖圖 1.51.5 螺旋槳式推力吸附壁面螺旋槳式推力吸附壁面 圖圖 1.61.6 螺旋槳式推力吸附壁面螺旋槳式推力吸附壁面移動(dòng)機(jī)器人理論設(shè)計(jì)圖移動(dòng)機(jī)器人理論設(shè)計(jì)圖 移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物圖移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物圖1.3 吸附方式的發(fā)展趨勢(shì)吸附方式的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)過上文分析闡述，并且結(jié)合當(dāng)下機(jī)器人技術(shù)和科技前沿發(fā)展的總體趨勢(shì)

20、，我認(rèn)為中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4玻璃清潔機(jī)器人作為具有特殊功能的壁面移動(dòng)機(jī)器人，那么它吸附機(jī)構(gòu)的也該順應(yīng)壁面移動(dòng)機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)發(fā)展的如下趨勢(shì)。1.3.1 吸附方式將更多地采用仿生技術(shù)吸附方式將更多地采用仿生技術(shù)在目前現(xiàn)有技術(shù)的的支持下真空吸附方式和磁吸附方式發(fā)展得相對(duì)成熟，并伴隨著各種成熟產(chǎn)品相繼投入市場(chǎng)，所以這些技術(shù)目前得到適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，但他們的缺點(diǎn)卻不利于該技術(shù)進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用。如果采用仿生技術(shù)，如仿生壁虎的干吸附、仿生蝸牛的濕吸附等，能夠適應(yīng)各種材質(zhì)壁面，而且無噪音，無污染。盡管當(dāng)前采用仿生技術(shù)的吸附裝置吸附能力還比較差，但隨著 MEMS

21、 加工技術(shù)（微型加工技術(shù)） 、3D 打印技術(shù)以及新材料技術(shù)的發(fā)展，相信吸附性能將會(huì)有顯著的提升1011。當(dāng)前，西方發(fā)達(dá)國家都很注重對(duì)壁虎腳掌仿生材料技術(shù)的研究，我國南京航空航天大學(xué)也已經(jīng)對(duì)該科研方向展開有關(guān)方面的研究。如圖 1.7 為仿壁虎機(jī)器人。圖圖 1.71.7 模仿壁虎的機(jī)器人模仿壁虎的機(jī)器人1.3.2 向適應(yīng)微小型化機(jī)器人發(fā)展向適應(yīng)微小型化機(jī)器人發(fā)展微型機(jī)器人在未來發(fā)展中將是人們開發(fā)的一種高端科技。仿生微型機(jī)器人能夠利用其體型小的優(yōu)點(diǎn)，可以用于特殊環(huán)境檢測(cè)作業(yè)。由其發(fā)展的生物醫(yī)療機(jī)器人還可以進(jìn)入人體內(nèi)部進(jìn)行檢查和實(shí)施相關(guān)治療而不傷害人體。相對(duì)體積小、質(zhì)量輕的機(jī)器人不僅工作時(shí)能耗較小，而

22、且更加的靈活，并且在某些特殊場(chǎng)合得工作也只有小型機(jī)器人可以勝任12?，F(xiàn)在各種微型驅(qū)動(dòng)元件、控制元件及新型能源供應(yīng)方式的發(fā)展，為小型化、微型化中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5提供了技術(shù)支持。所以，壁面移動(dòng)機(jī)器人的小型化和微型化是機(jī)器人未來發(fā)展的一個(gè)非常重要的趨勢(shì)。當(dāng)前為了適應(yīng)爬壁機(jī)器人小型化、微型化的發(fā)展趨勢(shì)，許多科研單位都在對(duì)新型的爬壁機(jī)器人吸附方式展開相關(guān)研究13。1.4 小結(jié)小結(jié)本章介紹了課題研究的現(xiàn)實(shí)意義以及重要性，分析了國內(nèi)外壁面移動(dòng)機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的分類、特點(diǎn)及當(dāng)下研究狀況，并按照吸附方式的的不同對(duì)各種吸附方式進(jìn)行比較。根據(jù)目前研究的方向和科技

23、發(fā)展的方向，對(duì)未來吸附機(jī)構(gòu)所可能采用的吸附方式提出構(gòu)想。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6第二章第二章 玻璃清潔機(jī)器人總體規(guī)劃玻璃清潔機(jī)器人總體規(guī)劃2.1 吸附機(jī)構(gòu)吸附機(jī)構(gòu)玻璃清潔機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)由機(jī)器人腔體、自鎖絞桿、自絞鎖固定板、橡膠墊片、軸流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)槳葉，上安全防護(hù)罩和下安全防護(hù)罩組成。這樣設(shè)計(jì)的要求一是使機(jī)器人整體重心更加貼近于玻璃幕墻表面；二是滿足市場(chǎng)上現(xiàn)有的軸流風(fēng)機(jī)的規(guī)格尺寸，及保證了設(shè)備的裝配空間同時(shí)還要減省了機(jī)器人腔體的材料，從而減輕機(jī)器人的整體重量14。在機(jī)器氣人腔體上安全防護(hù)罩裝配連接上，由于需要承載的自由防護(hù)罩自身的重量，所以

24、沒有采用螺紋連接，而是采用傳統(tǒng)而簡(jiǎn)單的鎖卡模式。在腔體上預(yù)留所鎖卡鍵然后在安全防護(hù)罩上預(yù)留與之相應(yīng)的鍵槽，如下圖 2.1（a） 和圖 2.1（b） 。 （a）預(yù)留的鎖卡鍵預(yù)留的鎖卡鍵 （b b）預(yù)留的鍵槽）預(yù)留的鍵槽圖圖 2.12.1 鎖卡鍵與鍵槽示意圖鎖卡鍵與鍵槽示意圖圖圖 2.22.2 機(jī)器人腔體與安全防護(hù)罩結(jié)合機(jī)器人腔體與安全防護(hù)罩結(jié)合中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7機(jī)器人的腔體將采用在工程塑料制作。工程塑料擁有優(yōu)秀的綜合性能，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中具有剛性大，機(jī)械強(qiáng)度高，電絕緣性好等特點(diǎn)，并且能夠在較苛刻的化學(xué)、物理環(huán)境中回收再利用，而且在有些工程項(xiàng)目中

25、可替代金屬作為工程結(jié)構(gòu)材料使用，是一種理想而且環(huán)保的制造原料15。安全防護(hù)罩設(shè)計(jì)成孔狀會(huì)對(duì)風(fēng)道產(chǎn)生較大的阻礙，設(shè)計(jì)成柵狀是一為了保證風(fēng)道的暢通，二是與網(wǎng)狀相比柵狀更加節(jié)省材料。安全防護(hù)罩由于在機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)中除自身外不承載其他機(jī)構(gòu)，所以防護(hù)罩采用常見的耐沖擊硬膠耐沖擊性聚苯乙烯制作。自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配在一起，作為軸流風(fēng)機(jī)與機(jī)器人腔體的連接裝置，不僅要求自鎖絞桿和自絞鎖固定板自身連接穩(wěn)固，而在部件制作的材料的選擇上要求剛性大，蠕變小，機(jī)械強(qiáng)度高。而由于機(jī)器人在重量上有要求限制，所以自鎖絞桿采用航空鋁材料，自絞鎖固定板采用常見的耐沖擊硬膠耐沖擊性聚苯乙烯制作。木質(zhì)家具兩構(gòu)件連接時(shí)常采用一種

26、凹凸處理的接合方式，這在我國傳統(tǒng)實(shí)木家制作過程中稱這一工藝結(jié)構(gòu)為榫卯結(jié)構(gòu)。凸出的那部分叫榫；凹進(jìn)那部分叫卯。在機(jī)器人自鎖絞桿和自絞鎖固定板的設(shè)計(jì)中，借鑒了古老而又科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。如下圖 2.3（a） 所示為兩根自鎖絞桿連接示意圖，其中桿 2 限制了桿 1，使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)也不能；桿 2 本身可以轉(zhuǎn)動(dòng)也可以移動(dòng)。當(dāng)兩根自鎖絞桿裝配到自絞鎖固定板后，如下圖 2.3（b） 所示，在桿 2 的位置上用銷使其定位，從而限制桿 2 的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配如下圖 2.4 。 （a a）自鎖絞桿連接）自鎖絞桿連接 （b b）自鎖絞桿在自絞鎖固定板內(nèi)部）自鎖絞桿在自絞鎖固定板內(nèi)部中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)

27、院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8圖圖 2.32.3 自鎖絞桿示意圖自鎖絞桿示意圖圖圖 2.42.4 自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配自鎖絞桿和自絞鎖固定板裝配由于軸流電機(jī)市場(chǎng)上有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以根據(jù)實(shí)際需求選擇 YWF2S-250 型軸流電機(jī)。YWF2S-250 型軸流電機(jī)額定電壓 220 V ，轉(zhuǎn)速 2400 rpm ，風(fēng)量 1400 m3/h 。軸流電機(jī)槳葉采用耐沖擊性聚苯乙烯制作，葉片長(zhǎng)度根據(jù)機(jī)器人腔體直徑在做調(diào)整。2.2 清潔結(jié)構(gòu)清潔結(jié)構(gòu)玻璃清潔機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)外掛于機(jī)器人腔體后輪處，采用外部供水。首先沖洗玻璃表面，然后小型電機(jī)通過帶傳動(dòng)，帶動(dòng)粘有高密度聚乙烯條的輥筒滾動(dòng)

28、清潔玻璃表面。其組成部件由行走輪、供水管、套蓋、輥筒組成，如下圖 2.5 。圖圖 2.52.5 玻璃清潔機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)玻璃清潔機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)1 1 行走輪行走輪 2 2 供水管供水管 3 3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4 4 輥筒輥筒 5 5 套蓋套蓋2.3 行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)清潔機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)由左右兩邊的轉(zhuǎn)向輪和尾部的從動(dòng)輪組成，轉(zhuǎn)向輪在驅(qū)動(dòng)電中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)請(qǐng)進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向，如下圖 2.6 。從動(dòng)輪是萬向輪，方便轉(zhuǎn)向同時(shí)起到平衡支撐機(jī)器人作用，如下圖 2.7 。行走機(jī)構(gòu)個(gè)零件也可采用耐沖擊硬膠耐沖擊性聚苯乙烯制作，行走輪則采

29、用密度小的泡沫橡膠制作。圖圖 2.62.6 行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向裝置行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向裝置1 1 轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向輪 2 2 轉(zhuǎn)向輪支架轉(zhuǎn)向輪支架 3 3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖圖 2.72.7 行走機(jī)構(gòu)從動(dòng)裝置行走機(jī)構(gòu)從動(dòng)裝置1 1 從動(dòng)輪從動(dòng)輪 2 2 從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向桿從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向桿 3 3 從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向桿支架從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向桿支架2.4 水電供應(yīng)系統(tǒng)水電供應(yīng)系統(tǒng)玻璃清潔機(jī)器人為了減輕本身的重量，所以將采用外部提供清潔劑，既清潔所用的水由外部管道直接提供給清潔機(jī)構(gòu)。在為了減輕重量的同時(shí)提高工作時(shí)效，所有電機(jī)的電源采用外接，機(jī)器人本身將不攜帶電池。這樣在機(jī)器人工作時(shí)既節(jié)省能量，也可以減輕機(jī)器氣人的重量。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)

30、計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）102.5 小結(jié)小結(jié)玻璃清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)按照模塊化的設(shè)計(jì)理念，從而在結(jié)構(gòu)上追求簡(jiǎn)潔，方便清洗機(jī)器人是拆卸與組裝。同時(shí)機(jī)器所有機(jī)構(gòu)和零件的制作材料都采用密度輕而且復(fù)合設(shè)計(jì)使用強(qiáng)度的材質(zhì)，這樣可以為電機(jī)提供更多的選擇空間。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11第三章第三章 吸附機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸附機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 吸附原理吸附原理要保證玻璃清潔機(jī)器人在玻璃表面安全穩(wěn)定地吸附，就必須在氣路殼體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)真空負(fù)壓，這就需要有一個(gè)負(fù)壓產(chǎn)生裝置。采用風(fēng)機(jī)抽風(fēng)使得機(jī)器人氣路殼體內(nèi)產(chǎn)生真空負(fù)壓，這里要求該裝置重量輕、體積小、

31、噪音小、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單而且安裝方便、排風(fēng)量大、能夠迅速建立真空負(fù)壓，即要求瞬時(shí)響應(yīng)的時(shí)間非常短。目前使用的通風(fēng)機(jī)按氣流的運(yùn)動(dòng)方向大致有三類，即為離心式、軸流式和混流式。氣體在離心式通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)機(jī)葉輪帶動(dòng)下，是沿離心方向 (即沿半徑方向) 流動(dòng)的，所以也被稱之為徑流式；氣體在軸流式通風(fēng)機(jī)的腔體內(nèi)部，沿軸線的方向流動(dòng)；氣體在混流式通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)機(jī)葉輪中帶動(dòng)下，氣體的流動(dòng)方向介于離心式和軸流式通風(fēng)機(jī)之間，也被稱為斜流式。離心式通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是比轉(zhuǎn)數(shù)低(通常在 ns=2.014.5) ,全壓高，流量小，被應(yīng)用于需要提高壓力而流量小的場(chǎng)合。因?yàn)槠淞髁啃?，所以?duì)裝置的密封性要求嚴(yán)格，對(duì)空氣泄露敏感。當(dāng)壁面與吸盤之間

32、存在間隙時(shí)，隨著吸盤與壁面間隙的擴(kuò)大，吸盤內(nèi)負(fù)壓將會(huì)急劇下降。這對(duì)機(jī)器人在不足夠平整的壁面工作極為不利。同時(shí)，為了保證密封性而在吸盤邊緣設(shè)計(jì)的各種密封墊在機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生阻力而且自身由于摩擦也會(huì)產(chǎn)生磨損的問題。因此，這種吸附方式對(duì)于通用建筑表面的清潔機(jī)器人來說并不是非常理想的。軸流式通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是比轉(zhuǎn)數(shù)高(通常在 ns=14.590) ，全壓低，風(fēng)機(jī)內(nèi)氣體流量大，被應(yīng)用于流量大而風(fēng)壓要求不高的場(chǎng)合。并且由于軸流式風(fēng)機(jī)獨(dú)特的翼型葉片形狀，還可以產(chǎn)生一定的反推力。這樣產(chǎn)生的復(fù)合推力可以被我們所利用?；炝魇酵L(fēng)機(jī)整體機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，而且空氣的流向也復(fù)雜，應(yīng)用起來較為困難，所以一般不采用。在本文

33、中玻璃清潔機(jī)器人的負(fù)壓及反推力產(chǎn)生裝置需要流量大，但對(duì)全壓要求不高，故采用軸流風(fēng)機(jī)。基于復(fù)合吸附方式的玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)基本上由兩部分組成，風(fēng)扇產(chǎn)生的推力和空氣流場(chǎng)產(chǎn)生的負(fù)壓。這兩部分都包括若干個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，在這些參數(shù)共同作用下，決定了機(jī)器人的吸附效果。為了清晰的說明玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的吸附原理，本文接下來的部分依照以下三個(gè)部分分別論述：風(fēng)機(jī)推力、負(fù)壓的產(chǎn)生以及推力和負(fù)壓的復(fù)合推力。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）123.2 吸附方式的實(shí)現(xiàn)吸附方式的實(shí)現(xiàn)3.2.1 風(fēng)機(jī)推力風(fēng)機(jī)推力與其他利用反推作用力的壁面移動(dòng)機(jī)器人類似，本文的吸附方式壁面機(jī)器人同

34、樣是利用螺旋槳的推力將機(jī)器人緊壓向壁面。與其他利用反推作用力的壁面移動(dòng)機(jī)器人的區(qū)別在于，其他利用反推作用力的機(jī)器人螺旋槳轉(zhuǎn)軸與墻面成一個(gè)傾角，這樣推力的一部分可以平衡機(jī)器人本體的重力，同時(shí)推力垂直于墻面的分量用于產(chǎn)生墻面與機(jī)器人行走輪之間的摩擦力。這個(gè)方案使平衡重力的推力達(dá)到最大效率，但是這要求螺旋槳轉(zhuǎn)軸與墻面的夾角必須精確控制，否則平衡被打破機(jī)器人就會(huì)傾覆。本文的吸附方式中，螺旋槳推力垂直指向墻面，這樣就避免了對(duì)推力夾角的復(fù)雜控制。由于復(fù)合吸附方式中的推力沒有得到最高效的利用，我們更需要盡可能尋求增大推力值的途徑。為論述如何增大螺旋槳推力，首先討論的是螺旋槳產(chǎn)生推力的原理。軸流風(fēng)機(jī)中的槳葉與

35、飛行器的螺旋槳類似，槳葉單一處豎截面形狀如下圖 3.1 所示。電機(jī)帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，空氣以下圖的中方式流過槳葉翼面。由于翼面上下線性長(zhǎng)度不同但同時(shí)到達(dá)后緣的關(guān)系，所以翼面上下氣流速度則不同。圖圖 3.13.1 槳葉對(duì)氣流的影響槳葉對(duì)氣流的影響由于自然界中的流體都遵守流體三大守恒定律，從而我們能夠了解流速、壓強(qiáng)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)在流流體流動(dòng)過程中相互影響的變化規(guī)律。即得到伯努利理想氣體方程，氣體總壓=靜壓與動(dòng)壓的和?？倝菏浅?shù)，而動(dòng)壓隨流速變化，在數(shù)值上等于空氣密度乘速度的平方的一半。葉片表面的彎曲度使得一側(cè)表面的空氣流速更快從而動(dòng)壓更大，由于總壓不變這一側(cè)表面的靜壓就小了。兩側(cè)翼面的靜壓不同產(chǎn)生壓力差，從

36、而產(chǎn)生了推力。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13圖圖 3.23.2 葉柵受力分析圖葉柵受力分析圖在軸流風(fēng)扇理論中，在確定半徑處對(duì)槳葉作環(huán)形剖視，可以得到一組葉柵。如圖 2.2 所示。下標(biāo)“1”和“2”分別表示葉柵 (AB，A1B2 ) 氣體入口處和出口處的各個(gè)參數(shù)，下標(biāo)“a”表示向量沿葉片轉(zhuǎn)軸方向的分量，w 向量是氣體相對(duì)葉片的速度，u 向量是葉片的速度,c 向量是氣體的絕對(duì)速度，x 向量是氣體的圓周速度。現(xiàn)在討論葉柵上的軸向力，葉柵軸向力的和就是系統(tǒng)的總推力取 ABB1A1A 研究，根據(jù)動(dòng)動(dòng)量定理，在軸向有方程： 方程（1）+(2 1)= (2 1)

37、其中 Fa 為葉片對(duì)氣體的作用力 (N)P2為 A1B1 處氣體靜壓(Pa),P1為 AB 處氣體靜壓(Pa),S 為葉柵面積(m2 ),m 為單位時(shí)間流過葉柵面積的氣體質(zhì)量(kg)。因?yàn)榈退倭鲃?dòng)時(shí)認(rèn)為氣體密度不變，根據(jù)質(zhì)量守恒有： 方程（2）1= 2根據(jù)伯努利理想氣體方程，有： 方程（3）1+221= 2+222式中 為氣體密度設(shè) Ra 為氣體對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的作用力，則： 方程（4）= 中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14由方程（1）（4）得： 方程（5）= (1+ 2)其中 和 S 是不變的，于是 Ra 正比于葉片速度和出入口處氣流圓周速度(下圖 2.3

38、)和之積。圖圖 3.33.3 氣流圓周速度氣流圓周速度這個(gè)結(jié)論對(duì)于尋求軸流電機(jī)產(chǎn)生最大推力很重要。它表明，螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，其產(chǎn)生的推力就會(huì)越大。這時(shí)候，如果入口氣流的圓周速度具有與螺旋槳角速度相反的方向，而同時(shí)出口氣流圓周速度方向與螺旋槳角速度相同，螺旋槳就可以產(chǎn)生最大的推力。圓周速度與葉片外形有關(guān)，一方面為了追求更大的圓周速度，我們可以選擇具有更大迎角的螺旋槳葉片形狀，但是這樣選擇的同時(shí)空氣對(duì)螺旋槳的阻力矩也會(huì)因此變大，這就需要我們?cè)诟叩膱A周速度和效率之間做出權(quán)衡的選擇。另一方面，我們可以在氣體入口和 (或) 出口處增加一些導(dǎo)葉得到我們希望的旋轉(zhuǎn)氣流，但這會(huì)使得機(jī)器人的體積和重量增加。我們

39、也可以通過提高槳葉角速度來獲得更大的推力，但是同時(shí)阻力轉(zhuǎn)矩也會(huì)因此增大，這就需要驅(qū)動(dòng)槳葉的電機(jī)消耗更大的功率。為了減輕機(jī)器人整體重量和提高機(jī)器人工作時(shí)間，獨(dú)立的機(jī)器人系統(tǒng)可以外接電源線的供電系統(tǒng)，避免攜帶的電池產(chǎn)生的重量和工作時(shí)限上的限制3.2.2 負(fù)壓的產(chǎn)生負(fù)壓的產(chǎn)生由上文可知根據(jù)伯努利原理，當(dāng)氣流流過翼面時(shí)螺旋槳出口面與入口面的氣體靜壓將有一個(gè)壓差。如果出口連通大氣，出口氣壓等于大氣壓，則入口端氣壓將低于大氣壓。同時(shí)，當(dāng)入口端氣流被外殼包裹時(shí)殼壁內(nèi)外存在相通的氣壓差，氣壓差使得外殼受到額外的氣體靜壓力。調(diào)整外殼的角度，可以使得外殼受到氣壓的合力指向來流方向。如下中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

40、（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15圖 3.4 中所示，圖中（b）中的 Fp 就是我們需要的負(fù)壓吸附力。 （a)a) 傳統(tǒng)軸流風(fēng)扇傳統(tǒng)軸流風(fēng)扇 （b)b)改進(jìn)的軸流風(fēng)扇改進(jìn)的軸流風(fēng)扇圖圖 3.43.4 軸流風(fēng)機(jī)氣體函道外殼軸流風(fēng)機(jī)氣體函道外殼這里需要強(qiáng)調(diào)，上文提出的產(chǎn)生負(fù)壓的方法與傳統(tǒng)的使用真空泵或者離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓的方法是不同的。真空泵和離心風(fēng)機(jī)是將負(fù)壓腔內(nèi)氣體排出產(chǎn)生高負(fù)壓，本文的方法則是利用氣體流速提高時(shí)動(dòng)壓上升而時(shí)靜壓下降的原理。此方法帶來的優(yōu)點(diǎn)是由于此方法空氣流量很大，于是吸盤在一定能范圍內(nèi)對(duì)流量變化不敏感，這意味著機(jī)器人吸盤和墻面之間可以有一個(gè)相對(duì)交大的間隙，從而提升機(jī)

41、器人的越障能力。這對(duì)于提升玻璃清潔機(jī)器人在復(fù)雜的玻璃表面的適應(yīng)能力有很大的好處。3.3.3 真空腔的負(fù)壓與葉片推力可合成真空腔的負(fù)壓與葉片推力可合成現(xiàn)在，我們考慮如下圖 3.5 所示的復(fù)合吸附吸盤，推力和負(fù)壓在機(jī)器人工作時(shí)同時(shí)產(chǎn)生作用。當(dāng)軸流電機(jī)功率一定時(shí)，這兩方面的作用最恰當(dāng)組合使得機(jī)器人獲得最大的吸附推力。最佳工作方式需要考慮到的因素很多，如吸附腔外殼的形狀和尺寸、吸盤與墻面間隙的高度、腔內(nèi)流場(chǎng)等等。為了簡(jiǎn)化對(duì)這個(gè)問題的討論研究，我們首先分析吸盤與壁面間隙是在機(jī)器人工作時(shí)產(chǎn)生的影響。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16圖圖 3.53.5 Pro/eP

42、ro/e 建立的復(fù)合吸附吸盤外形建立的復(fù)合吸附吸盤外形1616當(dāng)機(jī)器人工作在圖 2.6(a) 狀態(tài)，即間隙為 0 時(shí)，螺旋槳工作在類似真空泵的工作狀態(tài)。此時(shí)螺旋槳使負(fù)壓腔內(nèi)氣體排出而產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)螺旋槳啟動(dòng)后不久會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，氣體停止排出。盡管與圖中 (b) (c)狀態(tài)相比 (a) 狀態(tài)可以獲得最大的負(fù)壓，但由于工作原理的不同，但它無法達(dá)到真空泵或離心風(fēng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)的負(fù)壓。不僅如此，這時(shí)阻力提高功率上升，并且由于流量極小，螺旋槳只能獲得非常小的推力。（a a） 高負(fù)壓，低推力高負(fù)壓，低推力 (b)(b) 中負(fù)壓，中推力中負(fù)壓，中推力 (c)(c) 低負(fù)壓，高推力低負(fù)壓，高推力圖圖 3.63.6 間

43、隙不同產(chǎn)生的三種工作狀態(tài)間隙不同產(chǎn)生的三種工作狀態(tài)當(dāng)機(jī)器人工作在圖中(c) 狀態(tài)時(shí)，軸流電機(jī)效率最高，這時(shí)工作狀態(tài)與軸流風(fēng)機(jī)類似。同時(shí)在這種情況下負(fù)壓腔基本直接連通大氣，只有在距離螺旋槳很近的區(qū)域才有負(fù)壓作用，所以這時(shí)吸盤負(fù)壓腔不能產(chǎn)生足夠的負(fù)壓吸附。盡管狀態(tài)(c) 能夠產(chǎn)生最大的推力作用，但它不能達(dá)到最佳的吸附效果。當(dāng)機(jī)器人工作在狀態(tài)(b) 時(shí)，通道內(nèi)保持有一定量的氣流，這時(shí)推力仍然可以近似的由方程(5) 估算。這時(shí)氣流經(jīng)過吸盤壁面間隙流入負(fù)壓腔時(shí)受到阻礙，腔內(nèi)氣體不是直接與大氣相連，于是在腔體內(nèi)外得以產(chǎn)生壓差。盡管狀態(tài)(b) 消耗了比狀態(tài)(c) 更大的功率，但它可以獲得推力和負(fù)壓的最佳組合

44、。另一個(gè)問題是負(fù)壓腔外殼的半徑。如果負(fù)壓腔外殼半徑過小，負(fù)壓就難以得到充分的利用，如果半徑過大，導(dǎo)致機(jī)器人的尺寸和重量又會(huì)變大，負(fù)壓增大產(chǎn)生的吸附力增加但是卻得不償失。所以這需要研究求得最優(yōu)選擇。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過一定值之后，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速仍然會(huì)使負(fù)壓和推力得到提高，但效率卻會(huì)降低。過大的吸附力反而會(huì)增大機(jī)器人與玻璃表面的摩擦力，阻礙機(jī)器人在玻璃表面的移動(dòng)作業(yè)。綜上所述，當(dāng)軸流電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，吸附力大小主要由螺旋槳葉面迎角和吸盤尺寸決定。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）173.3 小結(jié)小結(jié)本章首先對(duì)壁面移動(dòng)機(jī)器人的真空吸附方式進(jìn)行了分析，然后提出了根據(jù)真空吸附

45、方式改進(jìn)的復(fù)合吸附方式。對(duì)新型吸附方式的吸附原理進(jìn)行了分析推導(dǎo)，確定了新型吸附方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在理論上驗(yàn)證了新型吸附方式的可行性。第四章第四章 模型建設(shè)與仿真驗(yàn)證模型建設(shè)與仿真驗(yàn)證GAMBIT 是一款可以幫助工程人員建立并網(wǎng)格化計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)軟件包。FLUENT 是一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件包，可以用它對(duì)真空腔內(nèi)的空氣進(jìn)行流體的仿真和計(jì)算。它提供了多種流體模型以供用戶仿真計(jì)算使用，如可壓縮流體、不可壓縮流體、粘性流體、非粘性流體等。本文中對(duì)負(fù)壓腔腔體的模型建設(shè)和網(wǎng)格劃分采用 GAMBIT，負(fù)壓腔內(nèi)流場(chǎng)的仿真則是使用 FLUENT 完成的。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢

46、業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）184.1 GAMBIT 幾何造型建模圖幾何造型建模圖GAMBIT 采用模塊化建立的模型，建立如下圖 4.1 所示真空腔體的模型。第一層圓柱直徑 376mm ，高度 15mm ；第二層圓臺(tái)底層直徑 376mm ，上層直徑 250mm ，圓臺(tái)高 28mm ；上層圓柱直徑 250mm ，高 54mm 。采用上述數(shù)據(jù)是為了保證軸流電機(jī)螺旋槳葉可以安裝到位的同時(shí)減輕真空腔材料從而的重量。圖圖 4.14.1 真空腔體框圖真空腔體框圖如下圖是先用 GAMBIT 建立正空腔體的三維模型，對(duì)上文中所述的圓臺(tái)和上層圓柱部分移動(dòng)后使用命令 Volume , Uni

47、te Real Volumes 將原先創(chuàng)建的三個(gè)各自獨(dú)立部分合并成一個(gè)整體。合并后如圖 4.2 。然后在將模型導(dǎo)入 FLUENT 前選擇如圖 4.3 所示的通風(fēng)口面為 Sources(起始面) ，對(duì)進(jìn)行模擬的流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的預(yù)處理。劃分結(jié)果如圖4.4 。圖圖 4.24.2 建立的真空腔體模型建立的真空腔體模型中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19圖圖 4.34.3 網(wǎng)格劃分前設(shè)置網(wǎng)格劃分前設(shè)置圖圖 4.44.4 仿真前幾何造型和網(wǎng)格劃分仿真前幾何造型和網(wǎng)格劃分如上圖 4.4 對(duì)模型網(wǎng)格劃分結(jié)果所示，在命令操作欄中 Faceting Type 下綠色條左邊

48、越多說明網(wǎng)格劃分越優(yōu)越，根據(jù)上圖顯示檢驗(yàn)的結(jié)果，將合格的網(wǎng)格導(dǎo) 入 FLUENT 后模擬仿真。4.2 仿真驗(yàn)證仿真驗(yàn)證由于軸流電機(jī)第二章確定使用 YWF2S-250 型，所以可以應(yīng)用 FLUENT 對(duì)轉(zhuǎn)速確定下不同吸盤與壁面間隙以及不同吸盤直徑條件下，吸附裝置產(chǎn)生的吸附力效果進(jìn)行了仿真計(jì)算。依照本課題的條件，在 FLUENT 中做了如下設(shè)定如下參數(shù)solver： “steady state”solving approach： “segregated”algorithm： “implicit”type of flow： “K-Epsilon”material： “air”當(dāng)轉(zhuǎn)速為 2400rpm

49、 吸盤直徑為 316 mm 時(shí)，如圖 4.5 中所示，圖（a) 顯示了間隙高度 0mm 時(shí)氣體流速分布,圖（b) 和圖（c) 分別顯示了間隙高度是 25mm 和 50mm 時(shí)真空吸盤內(nèi)氣體靜壓分布情況。觀察圖（a) ，當(dāng)間隙取 0mm 時(shí)，系統(tǒng)在間隙處與外界沒有中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20氣體交換，而在螺旋槳處有反向氣流產(chǎn)生，這時(shí)將產(chǎn)生噪音并且將會(huì)提高電機(jī)的功耗。表 2.1 顯示了摘自 FLUNT 的仿真數(shù)據(jù)，可以看到負(fù)壓值在 0 間隙時(shí)取得最大(-350KPa )值，間隙取 50mm 時(shí)則最小(-150KPa )值，這兩種情況下，負(fù)壓和推力分別

50、占各自情況下的主導(dǎo)作用，但兩者都沒有取得最大的吸附合力。而當(dāng)間隙取 25mm 時(shí)，系統(tǒng)獲得了最大的吸附力 20.4N ，這時(shí)的負(fù)壓和推力兩者作用得到了較好的匹配。（a a）間隙高度）間隙高度 0mm0mm 時(shí)氣體流速分布圖時(shí)氣體流速分布圖（b b）間隙高度）間隙高度 25mm25mm 時(shí)靜壓分布圖時(shí)靜壓分布圖 (c)(c) 間隙高度間隙高度 50mm50mm 時(shí)靜壓分布圖時(shí)靜壓分布圖圖圖 4.54.5 吸盤直徑吸盤直徑 316mm316mm 時(shí)不同間隙高度腔內(nèi)靜壓仿真時(shí)不同間隙高度腔內(nèi)靜壓仿真中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21表表 2.1 間隙不同時(shí)吸

51、附力對(duì)比間隙不同時(shí)吸附力對(duì)比間隙高度（mm）最大靜壓（Kpa）間隙處氣體流速（m/s）復(fù)合吸附力（N）0-3507.525-31522.720.450-15019.812.8當(dāng)轉(zhuǎn)速為 2400rpm，間隙高度為 25mm 時(shí)，直徑分別為 376mm 和 436mm 的負(fù)壓腔內(nèi)靜壓分布圖如如圖 4.6 所示。由表 2.2 可以看出，隨著吸盤直徑增大，復(fù)合吸附力也在變大。然而，對(duì)比上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸盤直徑由 316mm 增大至 376mm 時(shí)，吸附力顯著增大由 19.7N 增至 29.8N 增幅 51.27% ：但是當(dāng)吸盤直徑由 376mm 增大至 436mm 時(shí)吸附力增加的幅度卻不是那么明顯，

52、增幅只有 9.06%，而這時(shí)機(jī)器人會(huì)因?yàn)槲P尺寸增大而增加很多重量。所以，適當(dāng)選擇吸附力與重量之比就要依據(jù)吸盤的大小決定，這在具體設(shè)計(jì)中是很必要的。(a)(a) 直徑直徑 376mm376mm 時(shí)靜壓分布圖時(shí)靜壓分布圖(b)(b) 直徑直徑 436mm436mm 時(shí)靜壓分布圖時(shí)靜壓分布圖圖圖 4.64.6 間隙高度為間隙高度為 25mm25mm 時(shí)不同吸盤直徑腔內(nèi)靜壓仿真時(shí)不同吸盤直徑腔內(nèi)靜壓仿真中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22表表 2.2 吸盤直徑不同時(shí)吸附力對(duì)比吸盤直徑不同時(shí)吸附力對(duì)比吸盤直徑（mm）最大靜壓（KPa）間隙處氣體流速（m/s）復(fù)合

53、吸附力（N）316-34221.319.7376-33820.729.8436-21618.832.54.3 詳細(xì)結(jié)構(gòu)方案詳細(xì)結(jié)構(gòu)方案根據(jù)前文分析，本文提出提出玻璃清潔機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)以及機(jī)器人合吸附吸盤設(shè)計(jì)方案如圖 4.7 和 4.8 ：圖圖 4.74.7 玻璃清潔機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)示意圖玻璃清潔機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)示意圖圖圖 4.84.8 復(fù)合吸附吸盤設(shè)計(jì)方案分解示意圖復(fù)合吸附吸盤設(shè)計(jì)方案分解示意圖1 1 機(jī)器人腔體機(jī)器人腔體 2 2 從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向桿從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向桿 3 3 從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向桿支架從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向桿支架 4 4 自鎖絞桿自鎖絞桿 5 5 右轉(zhuǎn)向輪支架右轉(zhuǎn)向輪支架 6 6 上上安全防護(hù)罩安全防護(hù)罩 7

54、7 自絞鎖固定板自絞鎖固定板 8 8 橡膠墊片橡膠墊片 9 9 軸流電機(jī)槳葉軸流電機(jī)槳葉 1010 軸流電機(jī)軸流電機(jī) 1111 下安全防護(hù)下安全防護(hù)罩罩 1212 轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向輪 1313 左轉(zhuǎn)向輪支架左轉(zhuǎn)向輪支架 1414 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23吸盤的外殼殼體采用輕質(zhì)材料制成，上部是帶有軸流電機(jī)、螺旋槳以及自鎖固定裝置的圓柱形通風(fēng)道，是下部圓錐形負(fù)壓腔吸盤。風(fēng)道進(jìn)口以及出口都設(shè)有安全防護(hù)罩，在保證氣流通暢的同時(shí)防止意外情況發(fā)生時(shí)異物飛濺傷人。吸盤兩側(cè)是兩個(gè)相互獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)，該系統(tǒng)由支架、電機(jī)、輪子構(gòu)成，在直線行走同時(shí)相互獨(dú)

55、立可完成轉(zhuǎn)向。另有一萬向輪從動(dòng)，與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪一起支撐殼體，保持吸盤與壁面之間的間隙。為使吸盤內(nèi)流場(chǎng)盡可能不受額外干擾，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪全部安裝在吸盤殼體外側(cè)，并盡量貼近玻璃表面。4.4 小結(jié)小結(jié)本章節(jié)利用 GAMBIT 和 FLUENT 軟件建模、網(wǎng)格劃分與模擬仿真、分析的功能，對(duì)上一章節(jié)中提出的新型吸附方式的效果進(jìn)行了軟件仿真，驗(yàn)證了前文的理論分析可操作性。最后利用三維設(shè)計(jì)軟件 Pro/Engineer 生成更為生動(dòng)的復(fù)合吸吸附機(jī)構(gòu)數(shù)字。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24結(jié)束語結(jié)束語機(jī)器人的研發(fā)結(jié)合了機(jī)械、電子、控制、人工智能計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，

56、代表著當(dāng)今研究的前沿學(xué)科，在某種程度上代表著一個(gè)國家的科研實(shí)力。玻璃清潔機(jī)器人吸附裝置的研制，有助于完善機(jī)器人性能，提高高危環(huán)境工作的安全性和有效性。最終有助于玻璃清潔機(jī)器人市場(chǎng)普及。減小工作人員危險(xiǎn)和工作強(qiáng)度，降低成本，有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。本文核心就是玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)方面展開了闡述論證，主要研究工作和結(jié)論如下:1）玻璃清潔機(jī)器人因?yàn)槠渌邆涞奶厥舛謱?shí)用的功能，所以在眾多壁面移動(dòng)機(jī)器人格外的受人關(guān)注。本文中先對(duì)國內(nèi)、外壁面機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并按照吸附方式的不同將壁面移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行分類比較，并分析玻璃清潔機(jī)器人可以選用的吸附方式。描述了基于復(fù)合吸附原理的玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)以及

57、實(shí)現(xiàn)方案。該吸附機(jī)構(gòu)采用源于真空吸附技術(shù)的一種單吸盤吸附方式，方案同時(shí)結(jié)合了螺旋槳反推力的作用。吸盤與壁面之間有一個(gè)相對(duì)較大的間隙，這提升了機(jī)器人的越障能力使機(jī)器人對(duì)復(fù)雜的玻璃慕表面具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。2）文中玻璃清潔機(jī)器人采用的吸附方式具有創(chuàng)新性，為今后的深入研究打下了一定的基礎(chǔ)。目前對(duì)該復(fù)合吸附方式的研究還比較有限，有些問題還有待進(jìn)一步研究。玻璃清潔機(jī)器人螺旋槳槳葉外形、真空吸盤與壁面間隙大小，吸盤負(fù)壓腔形狀尺寸等都會(huì)對(duì)機(jī)器人最終的吸附效果產(chǎn)生影響，這些都需要根據(jù)機(jī)器人具體的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行一定的調(diào)整。對(duì)于文中復(fù)合吸附方式的研究，下一步的研究重點(diǎn)應(yīng)在改進(jìn)真空腔內(nèi)流場(chǎng)控制方面，例如改進(jìn)吸盤負(fù)壓腔形

58、狀、改進(jìn)螺旋槳槳葉外形以及排列方式等從而在降低功耗、提高效率和減少噪音方有所提高。中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25致致 謝謝本文是在我的指導(dǎo)老師師劉麗明老師的指導(dǎo)下完成的，劉老師在課題進(jìn)展的各個(gè)階段都對(duì)我進(jìn)行我耐心而又認(rèn)真的教導(dǎo)。在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)完成時(shí)，感覺自己最美好的大學(xué)時(shí)光就要結(jié)束了，我很想向我的我的父母、母校、我的老師以及我的大學(xué)同學(xué)們表達(dá)我最衷心的謝意。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成我首先要向?qū)W院表達(dá)誠摯的謝意，是學(xué)院給我提供優(yōu)異的學(xué)習(xí)環(huán)境，使我學(xué)習(xí)到了許多專業(yè)知識(shí)，學(xué)?！懊鞯麓髳?，創(chuàng)新篤行”的校訓(xùn)也使我深受教育。指導(dǎo)老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、為人誠懇、學(xué)識(shí)淵博，為我提

59、供了一種良好的精神氣氛。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中每次困難，我都會(huì)尋求老師的幫助。老師每次也都會(huì)抽空來幫我解決，然后給出有價(jià)值的解決辦法。而且在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從選題、查閱資料和論文提綱的確定，到中期論文的修改、后期論文格式調(diào)整等各個(gè)環(huán)節(jié)中，老師都給予了我悉心的指導(dǎo)。我從老師身上學(xué)到了很多解決問題的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)方法，這些學(xué)到的東西在畢業(yè)論文上給予了我許多的幫助，在此，我向我的導(dǎo)師劉麗明老師表示崇高的敬意和真摯的謝意！在論文撰寫過程中，寢室的各位同學(xué)們?cè)谏钌辖o予的幫助，是他們給大家創(chuàng)造一個(gè)安靜地環(huán)境。同時(shí)感謝武漢全通自動(dòng)化設(shè)備有限公司的詹漢懷師傅在材料選擇和人生的認(rèn)識(shí)上給予的指導(dǎo)，真誠地感謝詹老

60、師和和同學(xué)們的指導(dǎo)和幫助。最后，深深地感謝我的父母，尤其是我的母親在我寒假在家撰寫論文過程期間給予的理解和關(guān)懷！中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）26參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 李曙生.具有輪換移動(dòng)機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人研究J.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2002, 2(3):14-182 國家 863 計(jì)劃智能機(jī)器人主題專家組.邁向新世紀(jì)的中國機(jī)器人國家863計(jì)劃智能機(jī)器人主題回顧與展望M.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2011.2.3 潘雷.趙言正.錢志源.付莊.曹其新.具有雙負(fù)壓吸盤的爬壁機(jī)器人吸附特性J.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào).2005.39(6)4 劉淑霞.趙言正,王炎.高

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