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高楼玻璃幕墙清洁机器人结构设计论文

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  关键词:高楼玻璃幕墙,清洁机器人,3D打印,STM32

  0引言

高楼玻璃幕墙清洁机器人结构设计论文

  随着城市化的建设,市中高楼数量增多的同时高楼高度也在增长,出现越来越多超过100 m以上的超高层建筑。随之带来的是高楼玻璃幕墙清洁的问题,现有的清洁方案是花高工资聘请“蜘蛛人”通过人工的方式对玻璃幕墙进行清洗,仅仅靠一根保险绳与作业绳让自己悬挂在几十米甚至上百米的高空上,因此该工作对人的身体素质具有一定的要求以及该工作具有危险性。在对玻璃幕墙进行清洗的同时还会受到天气的影响,当出现风力4级以上或下雨、下雪等天气问题时需要暂停作业,并且作业温度在35℃以上或0℃以下都对清洁作业造成影响。伴随着机器人技术的发展[1],有越来越多的研究人员开始对高空幕墙清洁进行机器换人的研究分析[2],并设计出清洁机器人[3-4]实现高空幕墙的清洗。现有的高楼玻璃幕墙清洁机器人具有体积较大[5]、无法实现曲面或者小面积清洁[6]、操作不灵活[7]等问题,所以研究设计出一款体积小能针对高楼玻璃幕墙曲面等复杂作业面进行清洁的机器人尤为必要。

  本文设计的清洁机器人能取代人工“蜘蛛人”对高楼玻璃幕墙进行清洁,清洁效率提高的同时降低了高空清洁的成本,能避免因清洁高空幕墙出现的安全事故。本文运用SolidWorks对清洁机器人结构进行几何建模,分别对腿部、机身等结构利用有限元分析运动轨迹,3D打印的方式制造出实物模型。利用实物模型与舵机进行行走功能的验证。现有的高空爬壁机器人主要有真空吸附[8]、磁力吸附[9]、刚毛吸附[10],基于清洁工作面材质一般为玻璃或者非金属材质[11],选用真空吸附使得机器的适用范围更广。前期计算出需要施加的吸附力,选用相应的真空泵实现机器在垂直面上的吸附与行走。编写相应的程序利用STM32控制舵机与真空泵工作实现按预定轨迹行走,控制清洁机构实现清洁功能。本研究设计的高楼玻璃幕墙清洁机器人具有体积小,操作灵活,清洁效果好等优点,具有实际推广运用的价值[12]。

  1清洁机器人结构设计

  机械结构设计是高楼玻璃幕墙清洁机器人的关键技术之一[13],包括机器人的框架结构、关节驱动、清洁方式等实现机器人在高空自由移动的主要能力。同时,对于不同的高空环境,机器人还需要进行机械结构的优化升级,从而适应多样化的清洁环境。在设计高楼玻璃幕墙清洁机器人时,参考爬行昆虫蜘蛛的外形结构图1(a)[14],运用仿生学的方法仿生出具有3个自由度的机器人腿部结构以及整机结构,如图1(b)所示清洁机器人包括有舵机控制转动的腿部机构[15]、腿部机构上的真空泵、由上下端盖组成的中心部分,中心部分下面连着清洁装置,中心内部结构装有控制清洁机器人的芯片。

  考虑到本机器人负载小,清洁机器人腿部以及清洁装置通过如图2所示底板结构相连。底板结构通过3D打印技术成形[16],方便针对不同的清洁需求以及行走方式改变底板结构。在底板四周设计有矩形挡板,挡板与上端盖相连,挡板同时起到保护机器人内部芯片等结构。底板4个对角线方向分别与腿部结构相连,底板通过设计成外伸结构方式,避免两腿部结构之间的活动干涉,让每个腿部结构的运动空间最大化。同时利用3D打印技术使底板结构一体成形,并且对底板放置芯片等地方进行卡位式[17]设计,减少装配时间与零件数量,做到进一步轻量化。为了保证清洁机器人在高空幕墙清洗过程中的安全性,在机器人底板处留有一个孔用来捆绑安全绳[18]。

  在与机身相连的部分如图3所示,采用第一舵机实现左右两边刚性连接件相连,控制舵机转动的同时实现腿部整体在水平方向上的摆动,从而让整机在水平方向上能进行移动。图中设计了第二舵机,第二舵机与左右两边刚性连接件相连,控制舵机的转动实现腿部整体在垂直方向上的摆动,让腿部能抬高从而控制真空吸盘与工作表面的距离。选用的第一舵机、第二舵机、第三舵机应满足反应转速为53~62 r/min,工作扭矩为13 kg/cm,插头适用类型为JR、FUTABA通用,死区设定为4μs。考虑到高清洁机器人的工作温度范围,选取的舵机应满足温度范围为-30~60℃。高楼玻璃幕墙清洁机器人的腿部不需要进行整周旋转至只需满足180°旋转即可。结合本装置的控制模块舵机电压可选取为3~7.2 V,工作电流为100 mA。为了增加运动关节的整体寿命,齿轮材质选取金属齿轮,电机选用空心杯电机,轴承选用双滚珠轴承。因此在本设计中选用舵机MG996R[19],基于舵机MG996R尺寸45 mm×40.5 mm×20 mm设计相应的保护舵机外壳结构。如图3所示箭头1、2、3为舵机安装处,如图4实物图中的白色方形处。

  为了更好地提高楼玻璃幕墙清洁机器人的灵活性以及适应不同曲度的工作表面,设计出如图3所示的第三舵机,第三舵机与左右两边刚性连接件相连,调节第三舵机的转角能控制整机与工作表面的距离,有利于调节清洁机器人清洁装置与工作表面之间的距离。当需要清洁工作时调节第三舵机顺时针转动使整机与工作表面靠近,当不需要工作时调节第三舵机逆时针转动使整机与工作表面远离。当遇到需要跨越障碍时可以调节第三舵机转角实现越障。清洁机器人需要执行行走功能时,清洁机器人其中一个腿部结构中的第二舵机转动抬高腿部结构使得图3中对应该腿部结构的真空吸盘远离工作面。当需要跨越较大障碍物时第三舵机配合工作,从而更好地实现行走。

  清洁机器人底部装有清洁装置,清洁装置由电机与滚刷组成,利用电机带动滚刷转动实现清洁功能。滚刷可以根据清洁的对象、使用的环境更换成尼龙刷、铜丝刷、钢丝刷、塑料刷等。控制电机的转速以及正反转针对不同的清洁对象进行清洁。基于清洁要求,清洁电机选用直条双轴减少马达,质量为28.6 g。电机电压为6 V。

  在清洁过程中通过控制腿部所有第一舵机转动,整机的扭转使得滚刷在平面方向上实现角度的变化,有利于对特殊位置清洁的同时增大清洁效果。控制第二舵机的转动有利于控制清洁装置与工作面的接触压力,接触压力越大越有利于清洁污垢。控制清洁装置对角线两第三舵机的转动,使得整机在对角线方向移动,有利于清洁死角位置。

  图3中设计有吸盘,通过控制真空泵的工作实现吸盘的吸附。为了更好地在工作中保护真空泵,设计匹配相应真空泵外形尺寸的外壳,防止在工作中溅起的液体或固体撞击到真空泵[20],提高真空泵的使用寿命。当需要移动腿部结构时,真空泵不工作,吸盘失去吸附力。清洁机器人在倒挂行走时,3只腿上的第一、第二、第三舵机不工作,真空泵工作使得3只腿固定在工作面上。剩下的一只腿的真空泵停止工作,使得真空吸盘缺乏真空力,使得第二舵机如顺时针转动让整个腿部往上抬高。第三舵机根据需要可以顺时针旋转使得真空泵远离工作表面,避开障碍。清洁机器人在垂直方向行走时,可以使其中的两只腿固定不动,由其他两只腿进行移动,提高清洁机器人的移动效率。

  当腿部结构移动到位置时真空泵工作,吸盘获得吸附力,使得整机能吸附在壁面上。为了防止因清洁装置受到壁面的反作用力让整个机构失去吸附力,在清洁装置工作时增大真空泵的工作电流,从而增大吸附力。本研究在计算吸附力时根据机构的最大工作极限,在整机倒挂工作面上时整个清洁机器人的重力为所需的吸附力,同时考虑到清洁时产生的反作用力以及其他风等外力的作用,吸附力为重力的两倍。因此本装置可以根据不同的整机质量匹配相应的真空泵以及真空吸盘。根据本设计的真空吸盘以及整机质量选用额定直流电压为6 V,电流为150 mA,压力范围为400~650 mmhg+,质量为60 g的真空泵。依据真空泵长58 mm、直径为24 mm的几何结构设计出相应的外壳结构。为了减少真空管路的长度,在如图3中真空吸盘上方处设计相应的圆柱体包裹真空泵,有利于防止工作环境和在清洁作业过程中砂石以及固体异物对真空泵的冲击。

  2控制设计

  控制设计包括主控模块、驱动模块和电源模块。

  2.1主控模块

  在本设计采用STM32作为控制板,控制板分别控制清洁机器人每只脚上的3个舵机、4个真空泵及清洗电机。提前根据清洗需求对清洗机器人进行编程处理,从而让清洗机器人在制定区域对指定清洁对象进行清洗。

  2.2供电模块

  对清洗机器人供能上提供两种方案选择,分别是内置电池与通过安全绳捆绑电线的方案。内置电池方案为选择7.4 V的锂电池为清洗机器人提供电源。该方案的优点在于对封闭空间如管道内或半封闭空间如水槽等作业对象时,机器可以在程序的操控下自主清洁,无需再捆绑安全绳。在采取内置式电池方案时,清洗机器人的清洁有效时长会受到清洗面积大小与清洗程度的限制。选择通过安全绳捆绑电线的方案,清洁机器人的清洁有效时长不会受到限制。但安全绳的长度会限制清洁机器人的清洁最长距离。

  3实物制作和测试验证分析

  本文设计的高楼玻璃幕墙清洁机器人基于三维模型通过3D打印的方式加工出来如图4所示,图中黑色圆盘为真空吸盘,真空吸盘上面连接真空管路。蓝色部分为高楼玻璃幕墙清洁机器人的电池装置与底部底部相连。最下面与桌面接触的地方为滚刷,通过调节第二与第三舵机可以控制滚刷与接触面的工作距离。在机身内部装有STM32芯片并编写相应的控制程序,芯片与舵机、真空泵相连,利用芯片实现对整机运动的控制。

  图5所示为高楼玻璃幕墙清洁机器人工作过程,红色线为安全绳,从图上可以看出高楼玻璃幕墙清洁机器人在玻璃面和金属面上均可以吸附住。高楼玻璃幕墙清洁机器人的四脚位置可以在高度不同的位置上,根据实际的行走以及清洁需要移动第一舵机控制脚的位置,通过配合第二与第三舵机和真空泵工作控制脚的吸附,对整机进行移动。高楼玻璃幕墙清洁机器人每一只脚上有3个自由度,可以在非平面物体上移动,不仅仅局限于图5的平面工作表面。

  4结束语

  本文设计了一种适合应用于高楼玻璃幕墙清洁的机器人,目的在于取代人工高空玻璃幕墙清洗作业,减少人为清洁作业的危险性。利用舵机控制腿部的移动,真空泵控制腿部吸盘处的真空力,实现高楼玻璃幕墙清洁机器人在非水平面上的停留与移动。在高楼玻璃幕墙清洁机器人底板装有清洁装置,通过电极控制清洁刷的工作实现清洁工作面的目的。通过对STM32芯片编程控制机器的工作实现对机器人腿部的第一、第二、第三舵机和真空泵与清洁刷等执行装置的操控。在设计方案中兼顾了有无安全绳方案,提高高空清洁作业的安全性。高楼玻璃幕墙清洁机器人分别有内置电池或通过安全绳连接电源的方案,根据不同的作业环境、距离、时间选择不同的方案。

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