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重庆外墙清洗高层外墙清洗机器人的设计
来源: | 作者:cqwqqx | 发布时间: 2018-10-13 | 87 次浏览 | 分享到:
  随着我国城市化的快速发展,更多的高层建筑拔地而起,而糟糕的空气质量使得高层外墙披上了褴褛的外衣,严重影响了居民的生活质量与城市形象。一些公司不得不花高薪雇用“蜘蛛侠”从事外墙清洗这一高危工作。然而,越来越多的外墙清洗工作与少数愿意从事“蜘蛛侠”这种高危工作的人员之间形成了矛盾。随着机器人技术的发展,爬墙机器人已经成为机器人自动化技术领域的一门重要技术,如果将自动化清洗技术与爬墙机器人技术相结合,由高层外墙清洗机器人替代“蜘蛛侠”从事这一高危工作,将改善找不到“蜘蛛侠”清洗外墙这一问题,因此,优化外墙清洗机器人的机械机构设计,改善机器人的控制器功能,具有重要的现实意义[3]。我国在这方面的研究还很少,这里为解决这一矛盾提供了方法。
  1 重庆外墙清洗机器人的结构设计
  机器人整体结构主要包括:爬墙行走机构和机器手机构。为提高外墙清洗机器人机械系统的控制性能,要求机械传动部件的转动惯量小、阻尼比合理、刚度大,并满足体积小、质量轻、高速、低噪音和高可靠性等要求[4]。由此可见,合理设计驱动方式和机械传动是保证整个机器人伺服控制性能的基本要求。
  1.1 现有爬墙机器人行走机构分析
  高层外墙清洗机器人尚处在研究阶段,它的行走机构是爬墙机器人。现有的爬墙机器人按腕足分为5足[5]、6 足[6]和多足[7-8],按吸附原理分为磁吸式、吸气式和吸盘式。磁吸式用于金属结构外墙,靠履带式磁铁行走,金属外墙不多见,不作为研究重点。吸气式机器人腹部大部分身体接触墙面,依靠气泵将腹部空气抽走形成负气压,当背部大气压大于腹部大气压时,机器人被压在墙上,而这样导致的结果是排气电机不停地高速排气,行进中机器人与墙面之间的摩擦力大、动作慢,致命弱点是不能跨越各式墙角和不平墙面。吸盘式机器人是仿生机器人,其足部吸盘接触墙面,根据是否自备气泵又分自备气泵机器人和远程导管机器人。自备气泵机器人气泵质量大、负载能力差、行动慢、效率低;远程导管机器人质量轻、移动快速,但受到管线长度限制行动区域小,且容易缠绕。行走机构对比分析见表1,通过对墙面光洁度、墙面材质、是否自备气泵(或风机)、跨越障碍性能、作业面积和行走速度等方面进行分析,电磁吸盘式行走机构有明显的优势。
  1.2 机器人的爬墙行走机构设计
  这里设计的机器人的行走机构主要包括吸盘和旋转关节,根据外层高墙的清洗要求,外层清洗机器人主要采用四腿仿生机构,此结构具有结构紧凑、稳定性好、承载能力大等特点。机器人有4条腿,每条腿由3个自由度的机械机构组成。电磁吸盘结构设计见图2,每条腿有3个自由度,分别由两个伺服电机和一个电磁吸盘组成。电磁吸盘为电磁系统和吸盘相结合,它不需要自备气泵,也不需要远程导气管。其特点是机器人在爬墙移动时质量轻、吸盘吸气和排气快捷,行进时机器人的4条腿交替接触墙面。足部接触墙面时,电磁铁断电,复位弹簧复原,推动衔铁,衔铁通过连杆拉动活塞向上运动,活塞上部和外壳上部分别有分排气孔和排气孔,避免了压缩空气阻滞活塞向上运动,提高了效率。连杆拉动形成活塞内部瞬间真空,活塞内部瞬间真空先使内侧密封裙边迅速压紧墙面,连杆的体积小于活塞的体积,使得外侧裙边动作慢于内侧密封裙边压紧墙面,并且对内侧密封裙边形成密封保护。吸盘内多活塞设计,避免了机器人足部踩在墙缝漏气抓墙不牢的危险。抬足时,电磁铁机构通电,吸盘及时分离墙面,不会摩擦墙面从而行动快捷。腿部采用四肢机构,其特点是机器人足部吸盘在吸附墙面时,其中两足静止,另外两足运动,始终能保证机器人有两足吸盘与墙面相连,且吸盘受力方向与水平面保持垂直,提高机器人的负载能力,可减少因机器人重力较大,造成机器人下滑错位、跌落等伤害。
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