基于Solid works的履带式机器人设计.pdf

年第 期基于S o l i dw o r k s的履带式机器人设计刘智豪,周瑜哲,高瑞涛,汪金豪,党司凡(陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院,陕西 西安 )摘要:现如今城市进程发展迅速,高层建筑不断增加,高楼幕墙的清洗问题随之而来,传统的人工清洗危险系数高、清洗成本大、清洗效率低.针对这些问题,本文介绍一款履带式幕墙清洗机器人,使用S o l i dW o r k s 软件建立起了履带式幕墙清洗机器人的驱动单元、抽水及蓄水单元、吸附单元、清洗单元、卷扬机单元、设备主体几部分的三维模型,可实现幕墙清洗机器人的移动、吸附、清洗三大功能.本设计以高楼幕墙清洁为前提,布局设计合理,功能齐全,材料经济轻便、运行安全稳定,是一款高效可靠的幕墙清洗机器人.关键词:履带;吸附式;清洗机器人;卷扬机;S o l i dW o r k s中图分类号:TH 文献标识码:A文章编号:X()D e s i g no fC r a w l e rT y p eR o b o tB a s e do nS o l i dW o r k sL i uZ h i h a o,Z h o uY u z h e,G a oR u i t a o,W a n gJ i n h a o,D a n gS i f a n(S c h o o l o f I n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n g S h a a n x i I n s t i t u t eo fD e f e n s e I n d u s t r ya n dT e c h n o l o g y,S h a a n x iX i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:N o w a d a y s,t h eu r b a np r o c e s si sd e v e l o p i n gr a p i d l y,h i g h r i s eb u i l d i n g sa r ei n c r e a s i n g,a n dt h ec l e a n i n gp r o b l e mo fh i g h r i s ec u r t a i nw a l l sf o l l o w s,a n dt h et r a d i t i o n a lm a n u a lc l e a n i n gh a sah i g hr i s kf a c t o r,h i g hc l e a n i n gc o s t a n d l o wc l e a n i n ge f f i c i e n c y I nv i e wo f t h e s ep r o b l e m s,t h i sp a p e r i n t r o d u c e s ac r a w l e r c u r t a i nw a l l c l e a n i n g r o b o t,a n du s e sS o l i dW o r k s s o f t w a r e t oe s t a b l i s ha t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l o f t h ed r i v eu n i t,p u m p i n ga n ds t o r a g eu n i t,a d s o r p t i o nu n i t,c l e a n i n gu n i t,h o i s tu n i ta n de q u i p m e n tb o d yo f t h ec r a w l e rc u r t a i nw a l l c l e a n i n gr o b o t,w h i c hc a nr e a l i z e t h e t h r e e f u n c t i o n so fm o v i n g,a d s o r p t i o na n dc l e a n i n go f t h ec u r t a i nw a l lc l e a n i n gr o b o t T h i sd e s i g n i sb a s e do n t h ep r e m i s eo f c l e a nc u r t a i nw a l l o f h i g h r i s eb u i l d i n g s,r e a s o n a b l e l a y o u td e s i g n,c o m p l e t e f u n c t i o n s,e c o n o m i c a l a n d l i g h tm a t e r i a l s,s a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o n K e yw o r d s:C r a w l e r;A d s o r p t i o nt y p e;C l e a n i n gr o b o t s;W i n d l a s s;S o l i dW o r k s基金项目:陕西国防工业职业技术学院 年度科研项目(G f y )作者简介:刘智豪()男,硕士,陕西西安人,陕西国防工业职业技术学院,助教,研究方向为机械结构创新设计.引言现如今高层建筑普遍使用建筑玻璃幕墙来替代墙壁材料,用于清洗玻璃幕墙的方式主要是清洁人员借助升降平台吊篮装置完成清洁工作,这种清洁方式的优点是操作简单、容易实现,但是劳动强度高、效率低,且属于高空作业,存在很大的安全隐患 .针对当前玻璃幕墙清洗现状,我国各大专业院校技术人员进行了系统深入分析研究.肖文武提出并设计了一款采用柔性吸盘实现吸附的交替移动腿式玻璃幕墙清洁机器人,采用吸盘组抗倾覆实验,结合A d a m s软件对优化前后三种吸附工况进行平稳性仿真分析,验证了吸附工况模型简化的合理性.贺利乐等人设计了一种双轮驱动多吸盘玻璃幕墙清洗机器人的爬行机构,建立了机器人的动力学模型,分析了机器人吸附力和驱动轮驱动力矩其仿真结果验证了动力学模型的正确性,同时验证了机器人具有在平滑壁面上稳定移动的能力.两人的研究证实了机器人可以在幕墙稳定吸附移动的可行性.闫好萱等人针对高空玻璃幕墙清洗现状,提出了一种仿生蜘蛛爬壁机器人结构.采用一足多吸技术,使用气缸控制清洗滚筒伸缩,实现清洗机器人在异形玻璃幕墙的应用.吴俊飞等人设计了一种自攀爬式玻璃幕墙清洗机器人,从夹紧单元、移动单元、清洗单元等方面对自攀爬式玻璃幕墙清洗机器人的结构进行了介绍,并进行了仿真分析.经过不断深入研究,幕墙清洗机器人的吸附方式和移动方式有了很大的提升,设备的工作效率也大大提高,但随之机器成本也在增加.通过以上产品的研究分析,高楼幕墙清洗机器人目前主要围绕设备的高空吸附、墙体移动、清洗方式、和工作效率等几方面问题进行研究,但高楼幕墙清洗设备成本过高、环境适应性能低、功能不齐全等问题仍为突出 .因此,针对目前人工清洗壁面的低效性以及现如今高层建筑壁面清洗机器人的对壁面环境适应性能低等问题,展开了对高层建筑壁面清洗机器人结构设计研究分析,以提高清洗机器人的稳定性、实用性以及工作效率.幕墙清洗机器人结构设计设计的幕墙清洗机器人由驱动单元、抽水及蓄水单元、吸附单元、清洗单元、卷扬机单元、设备主体几部分组成,通过S o l i dW o r k s三维软件各单元进行模型设计并完成总装配.如图所示为幕墙清洗机器人结构设计图.设备运动流程:首先,打开电源电机开始工作,两侧履带开始转动将设备移动至初始清洗位置,楼顶供水设备开始向机器人提供水,抽水泵抽取清洁液喷涂在玻璃幕墙上,滚刷桶旋转清洗玻璃幕墙,喷淋管喷洒水至玻璃幕墙,传动轴带动刮板除去污水储存到机器人下方水箱,至此一列玻璃幕墙清洗完成,开始清洗下一列玻璃幕墙,至清洗内燃机与配件w w w n r j p j c n完成后关闭电源结束整个幕墙清洗过程.如图所示为整机运动流程图.驱动单元抽水及蓄水单元吸附单元清洗单元图幕墙清洗机器人结构设计图图整机运动流程图 驱 动 单 元设计驱动单元负责整机在高楼幕墙的运行.驱动单元由履带、电动机、传动轴、带 轮、齿 形 轮六部分组成.电动机提供动力使齿形轮旋转带动带轮进行移 动,传 动 轴 带动另 一 侧 履 带 运动,玻 璃 幕 墙 上 运动,由 电 机 带 动 履带运动.如图所示 为 驱 动 单 元 模型,使 用 电 机 作 为动力 输 出 单 元,采用中置皮带轮将动力传送至后传动轴,成为后驱,在行进过程中带动前传动轴.使用链轮传动,并且两侧中间分别加以带轮此来减少动力损耗,有减小机器震动和平衡受力的作用,与两根传动轴所连接的齿形轮作为主输出,带动履带向前运动.履带电动机传动轴带轮齿形轮图驱动单元 抽水及蓄水单元设计抽水及蓄水单元负责整机的污水存储.抽水及蓄水单元由水箱、抽水泵、喷水器三部分组成.水箱用来存储清洗后的污水,抽水泵可以从楼顶抽取清水利用软管传送到喷水器,喷水器喷出清水清洗幕墙,设计有接水板用以回收清洗后的产生的清洗液.除此之外,在抽水及蓄水单元内还安装有蓄电池与电源开关,可以在使用过程中进行蓄电池供电与居民供电切换,如遇特殊情况,居民供电断电时,可立即转换为蓄电池供电,以防止因断电出现的掉落风险.如图所示为抽水及蓄水单元.水箱 抽水泵 喷水器图抽水及蓄水单元 吸附单元设计吸附单元负责整体机器在幕墙上的固定.吸附单元由负压真空吸盘和机架两部分组成.负压真空吸盘内腔具有较高的真空度,从而使机器固定在幕墙玻璃上,机架作为整个机器的框架具有良好的承重能力.如图所示为吸附单元.负压真空吸盘 机架图吸附单元 清洗单元清洗单元负责幕墙的清洁作业.清洗单元由传动齿轮、滚刷,移动导轨和刮板四部分组成.采用常见的喷水、滚刷、刮板的流程作业,这种工作方式具有较强的去污效果,工作可靠性高.喷水器喷出水后由传动齿轮带动滚筒刷清洗幕墙玻璃,清洗完成后移动导轨可以前后移动带动刮板刮去残留污水然后储存到水箱,如图所示为清洗单元.根据实际情况、对清洗单元的滚刷设计参数确定,包括滚刷的尺寸、重量、转速、材料等.如表所示为滚刷详细设计参数.表滚刷设计参数尺寸(长直径)/mm质量(k g)转速(r/m i n)毛刷材料 P A 卷扬机单元卷扬机单元负责清洗机器人整机水平、竖直方向的移动作业.整体由工字钢滑轨、底座、卷绳轮、滚轮、伺服电机几部分组成.清洗机器人通过钢丝绳与卷扬机连接,通过不同方向的电机运动实现水平、竖直方向的运动.如图所示为卷扬机单元设计图.结合实现情况,对卷扬机的最大承重、单点速度、可连续工作时间、电机电压、电机功率范围进行确定,如表所示为卷扬机具体参数.年第 期 传动齿轮 滚筒刷 移动导轨 刮板图清洗单元 工字钢滑轨 底座 卷绳轮 钢丝绳 滚轮 梅花联轴器 电机连接座 伺服电机图卷扬机设计图表卷扬机具体参数最大承重(k g)单吊速度(m/m i n)电机电压(V)电机功率(W)连续工作(h)k g 运动流程:接通电源,旋转控制手柄打开制动器,手柄将控制信号传送给电机,齿轮箱转动,从而带动钢丝绳滚筒转动,通过钢丝绳的收放可实现清洗机器人竖直方向运动;与此同时卷扬机可通过工字钢滑轨左右移动,实现整机的水平方向移动.如图所示为卷扬机运动流程图.传动齿轮 滚筒刷 移动导轨 刮板图卷扬机运动流程图 设备车体设计设备主体包括驱动轮和机器人框架本体,安装有 V直流电机与驱动装置,在框架本体上的所有电路需要通过安装在框架上的驱动板控制.由无线遥控器接收发射的信号,作用于电机驱动板,驱动板上并联的整流器通过将 V的电流信号转为可控的电流作用反馈于直流电机,实现了电机对整个直流电机回路的精确控制,进而最终实现了可用于机器人的精确运动及控制.通过对各单元的机械结构设计,最终得到了一款集移动、清洗和吸附于一体的机械式幕墙清洗设备.如图所示为履带式幕墙清洗机器人整体三维模型.(a)图履带式幕墙清洗机器人整体三维模型总结本文介绍了一款履带式高楼幕墙清洗机器人,并对清洗机器人的驱动单元、抽水及蓄水单元、吸附单元、清洗单元、卷扬机、设备主体等几部分的机械结构进行设计,并应用S o l i dW o r k s软件建立了清洗机器人三维模型,从而实现清洗机器人在高楼幕墙表面的吸附、清洗、移动三大功能.其中在抽水及蓄水单元内安装有蓄电池与电源开关的设计,可以实现蓄电池供电与居民供电切换,在居民供电断电时,可立即转换为蓄电池供电,以防止因断电出现的掉落风险,极大的增加了使用的安全性.综上,所设计的幕墙清洗机器人结构简单,操作便捷,简洁高效,适用性强,后期维护成本低,极大的减少了人工清洗带 来 的 危 险 性 和 高 额 成 本,可 以 产 生 较 大 的 社 会效益.参考文献:李华泽玻璃幕墙清洗机器人的简要设计J机电技术,():付家林,王文东,陈海涛,贾华坡高层玻璃幕墙自动清洗装置设计J科学技术创新,():赵启超玻璃幕墙清洗机器人的设计与研究D哈尔(b)滨工业大学,肖文武玻璃幕墙清洁机器人结构设计与平稳性研究D重庆大学,贺利乐,黄天柱,刘小罗玻璃幕墙清洗机器人爬行机构动 力 学 分 析 J机 械 设 计 与 制 造,():闫好萱,曹一帆,冯博泉,李玮乾异形玻璃幕墙清洗机器人设 计 研 究J科 技 创 新 与 应 用,():吴俊飞,韩云飞,李国栋,徐珂自攀爬式玻璃幕墙清洗机器人的设计J机械制造,():黄旭工业机器人用伺服电机驱动控制系统研究D山东大学,韩云飞玻璃幕墙清洗机器人的设计与研究D青岛科技大学,王溪源高层建筑壁面 清 洗 机 器 人 的 设 计 与 研 究D沈阳航空航天大学,