滑動(dòng)吸附式壁面清潔裝置的設(shè)計(jì)與研究

周 杰，樊 利，丁珠玉，雷 宇

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 北碚 400716;2.西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院，重慶 北碚 400716)

滑動(dòng)吸附式壁面清潔裝置的設(shè)計(jì)與研究

周 杰1，樊 利2，丁珠玉1，雷 宇1

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 北碚 400716;2.西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院，重慶 北碚 400716)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)高樓玻璃幕墻靈活、高效地清潔作業(yè)，設(shè)計(jì)了一種滑動(dòng)吸附式壁面清潔裝置，分析了清潔裝置的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，闡述了清潔裝置各組成部分的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理.試驗(yàn)表明:該滑動(dòng)吸附式壁面清潔裝置可實(shí)現(xiàn)在玻璃幕墻的豎直方向全方位自由移動(dòng)，控制靈活、操作簡(jiǎn)單，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景.

滑動(dòng)吸附;壁面清潔;單片機(jī)控制

壁面清潔裝置是集機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、控制學(xué)和信息科學(xué)等技術(shù)為一體的工程作業(yè)類(lèi)機(jī)器人，它能夠在玻璃幕墻壁面自由滑動(dòng)并對(duì)壁面進(jìn)行清潔作業(yè)，代替人完成危險(xiǎn)的高樓幕墻的清洗工作.由于它具有擦洗效率高、擦洗效果好、智能化高、安全性及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此具有重要的研究意義及實(shí)用價(jià)值.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爬壁機(jī)械裝置的研究主要集中在吸附方式以及移動(dòng)方式兩個(gè)方面.其中，吸附方式主要包括磁吸附、負(fù)壓吸附兩種［1-2］.負(fù)壓吸附方式不受壁面材料限制，在導(dǎo)磁材料及玻璃等平整表面均可自由運(yùn)動(dòng)，且它具有簡(jiǎn)單、方便、易控制、跨越微小障礙等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛使用［3-4］.移動(dòng)方式主要包括履帶式、腿足式、輪式等［5-6］.履帶式接觸面積大，壁面適應(yīng)性強(qiáng)，但系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性較差［7］;足式越障及承載能力強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性好，但移動(dòng)速度較慢［8］;輪式移動(dòng)速度快，易控制，但接觸面積較?。?-10］.考慮到高效的工作速率和靈活操縱性能是機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的方向，因此，本文設(shè)計(jì)了基于滑動(dòng)吸附式工作原理的多吸盤(pán)四輪驅(qū)動(dòng)的玻璃壁面清潔裝置，分析了該裝置防止滑落及傾覆的動(dòng)力學(xué)條件，討論了其硬件電路結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計(jì).該裝置采用輕質(zhì)鋁板作為底盤(pán)，兩個(gè)子吸盤(pán)用于吸附，四輪驅(qū)動(dòng)增加接觸面和驅(qū)動(dòng)力，因此該裝置具有重量輕、體積小、操作方便、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，適于清潔面積較小的玻璃等平面幕墻.

1 壁面清潔裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

四輪驅(qū)動(dòng)雙吸盤(pán)清潔裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示.該裝置質(zhì)量約3 kg，長(zhǎng)×寬×高尺寸為450 mm×250 mm×100 mm.主要由清洗裝置、檢測(cè)傳感器、控制電路板、滑動(dòng)吸盤(pán)、驅(qū)動(dòng)裝置等組成.它依靠吸附力和輪子的摩擦力實(shí)現(xiàn)墻面攀爬，通過(guò)外掛清洗裝置清洗玻璃.

由于清潔裝置在玻璃等光滑表面爬行時(shí)，需要較小的自重、較大的驅(qū)動(dòng)、良好的吸附以及較好的清潔效果，因此本文采用加強(qiáng)鋁質(zhì)薄板作為底盤(pán)架構(gòu)以減輕裝置重量，提高機(jī)器的運(yùn)動(dòng)靈活性.為實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)，本文設(shè)計(jì)四輪驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)主動(dòng)輪，然后通過(guò)同步帶帶動(dòng)同側(cè)的從動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)力較大.同時(shí)，采用4輪驅(qū)動(dòng)的方式，支撐力分布均勻，車(chē)體穩(wěn)定性好.為實(shí)現(xiàn)緊密吸附，吸附裝置采用耐磨耐腐蝕的圓形吸盤(pán).該吸盤(pán)滑動(dòng)摩擦力較小，密封效果好，且滑動(dòng)吸盤(pán)通過(guò)微型離心真空泵在吸盤(pán)密封腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)而緊密吸附在玻璃墻面上.同時(shí)，該吸附裝置采用兩個(gè)子吸盤(pán)的吸附結(jié)構(gòu)(子吸盤(pán)的個(gè)數(shù)可以增加)，每個(gè)子吸盤(pán)由各自的閥門(mén)控制，當(dāng)任意一個(gè)子吸盤(pán)發(fā)生泄漏時(shí)，其閥門(mén)可以及時(shí)地調(diào)整來(lái)控制負(fù)壓值，并能利用吸盤(pán)彈性裙邊的變形來(lái)適應(yīng)壁面的凹凸不平，保證吸盤(pán)與壁面可靠密封.因此，這種多子吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)使得吸盤(pán)在遇見(jiàn)較小的溝槽和凹凸面時(shí)，吸盤(pán)內(nèi)的負(fù)壓也可以維持平衡.為了保證良好的清潔效果，作者通過(guò)固定架在機(jī)器人前端安裝一個(gè)清潔滾刷，滾刷上交替插滿軟硬刷毛，由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)玻璃進(jìn)行清洗.

圖1 清潔裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 壁面清潔裝置的穩(wěn)定性和可靠性分析

清潔裝置在豎直壁面以輪式方式移動(dòng)時(shí)，對(duì)壁面的吸附能力和上下移動(dòng)能力是系統(tǒng)考慮的重要指標(biāo).同時(shí)，防止清潔裝置滑落和傾覆也是必須加以考慮的重要安全因素.為了對(duì)以上的問(wèn)題進(jìn)行討論，本文做了如下假設(shè):①本文研究的清潔裝置為剛體;②清潔裝置的質(zhì)心與其幾何中心重合;③清潔裝置的4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪始終與玻璃墻面接觸且受力均衡;④拖曳負(fù)荷等其他外因的影響由安全系數(shù)Y表示;⑤以玻璃幕墻等平整壁面為清潔對(duì)象，忽略工作面的不規(guī)則.

2.1 滑動(dòng)受力分析

為討論清潔裝置吸附與移動(dòng)問(wèn)題，如圖2所示為壁面清潔裝置在壁面上處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的受力分析圖.要使清潔裝置既能吸附又能移動(dòng)，應(yīng)滿足如下的條件:

1)要使清潔裝置吸附于壁面不致脫離，應(yīng)使吸盤(pán)產(chǎn)生的最大靜摩擦力大于負(fù)載和車(chē)體產(chǎn)生的重力，即:

2)要使清潔裝置自如地向上移動(dòng)，應(yīng)使4只橡皮車(chē)輪產(chǎn)生的牽引力大于負(fù)載車(chē)體的重力和2個(gè)吸盤(pán)產(chǎn)生的動(dòng)摩擦力之和，即:

圖2 理想受力分析圖

其中，若清潔裝置滿足向上移動(dòng)的條件，即向下移動(dòng)也可實(shí)現(xiàn).在公式(1)和(2)中，F(xiàn)為吸盤(pán)產(chǎn)生的吸附力;μ為清潔裝置與壁面之間的靜摩擦系數(shù)，一般取值0.4;Y為考慮了拖曳負(fù)荷等因數(shù)的安全系數(shù)，一般取值2.5;G為負(fù)載和車(chē)體的

其中，P絕對(duì)壓力為微型真空泵的絕對(duì)真空度，取值20 kPa;S吸盤(pán)面積為兩個(gè)吸盤(pán)總的有效面積，約為39 cm2;T為減速比1∶20的電機(jī)輸出的總扭矩10 N·m;D為橡皮輪胎直徑65 mm;μw為橡膠車(chē)輪與玻璃壁面的附著系數(shù)，一般取值0.35;μd為吸盤(pán)壁面之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取值0.2;N1為圖示的兩個(gè)吸盤(pán)所受的壓力之和.

將以上的數(shù)據(jù)代入相應(yīng)公式，求解得吸盤(pán)吸附于壁面的最大吸附力F約為309.6 N，吸盤(pán)產(chǎn)生的最大靜摩擦力Fμ為123.8 N，而負(fù)載和車(chē)體產(chǎn)生的重力YG約為73.5 N，重力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大靜摩擦力，因此清潔裝置能夠吸附于壁面不脫離.由于吸附力F由2個(gè)吸盤(pán)和4個(gè)車(chē)輪共同作用產(chǎn)生，由圖2可以看出:F=N1+2N2+2N3，因此兩個(gè)吸盤(pán)所受的壓力之和N1應(yīng)小于最大吸附力F，即N1≤309.6 N.將N1的取值代入公式(2)，求解得當(dāng) N1≤309.6 N時(shí)，公式(2)的 Ff≥YG+Fd的關(guān)系始終成立，說(shuō)明系統(tǒng)滿足向上移動(dòng)的條件.同時(shí)，若清潔裝置滿足向上移動(dòng)的條件，即向下移動(dòng)也可實(shí)現(xiàn).因此，本系統(tǒng)既能吸附又能移動(dòng).

2.2 傾覆分析

根據(jù)前面的假設(shè)條件，如圖2所示的壁面清潔裝置在壁面上不傾覆的條件是:∑M≥0.即:重力，約為29.4 N;Ff為橡皮車(chē)輪產(chǎn)生的牽引力;Fd為吸盤(pán)的動(dòng)摩擦力.

將吸附力F、牽引力Ff、動(dòng)摩擦力Fd的計(jì)算公式代入公式(1)和(2)可以求解系統(tǒng)，即滿足吸附條件和上下移動(dòng)條件.

由于清潔裝置吸附在壁面上時(shí)，4個(gè)車(chē)輪與墻面均有接觸，即吸附力N2≥0，因此進(jìn)一步推導(dǎo)公式(7)，可得清潔裝置不發(fā)生傾覆的條件為:(8)式中，L為清潔裝置的重心與壁面間的距離，約為50 mm;l2為車(chē)輪到清潔裝置重心的垂直距離，約為150 mm.將相應(yīng)的數(shù)據(jù)代入公式(8)，可得當(dāng)N1≤285.1 N時(shí)，清潔裝置在清潔墻面不會(huì)發(fā)生傾覆.

綜上所述，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，要使清潔裝置能夠可靠地在玻璃壁面移動(dòng)和吸附，同時(shí)滿足不發(fā)生滑動(dòng)及傾覆事故的條件，即要求吸盤(pán)所受的壓力N1≤285.1 N.由于本系統(tǒng)采用雙吸盤(pán)的真空吸附方式，當(dāng)吸盤(pán)腔在壁面上移動(dòng)時(shí)，由于泄漏進(jìn)入負(fù)壓腔內(nèi)的氣體與真空泵從負(fù)壓腔內(nèi)抽出的氣體總量相等，負(fù)壓腔內(nèi)總能形成負(fù)壓平衡，因此系統(tǒng)可以通過(guò)真空泵來(lái)調(diào)節(jié)壓力分配，使吸盤(pán)所受的壓力小于285.1 N.

3 硬件電路與設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路的結(jié)構(gòu)分析

如圖3所示為滑動(dòng)吸附式壁面清潔裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖.主要由主控制模塊、傳感器模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線通信模塊組成［11］.系統(tǒng)采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MC9SXS128單片機(jī)作為微控制處理器;大功率鋰電池和DC-DC直流升壓電路組成電源部分;IR2147和IRF3205組成電機(jī)的直流橋式驅(qū)動(dòng)電路;ZIGBEE模塊的CC2530實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信.

圖3 硬件電路組成框圖

3.2 主控制模塊單元電路設(shè)計(jì)

主控制模塊最小系統(tǒng)如圖4所示，包括:電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘發(fā)生電路、BDM接口電路和傳感器信號(hào)采集電路.由于控制芯片XS128所需工作電壓VCC為5 V，因此，電源部分采用能最大輸出3 A電流的LM2596-5V芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換;為提高時(shí)鐘的信號(hào)質(zhì)量以及穩(wěn)定性，使用16 MHz的有源晶振產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘;AD轉(zhuǎn)換參考電壓VRH由VCC直接經(jīng)電阻MR3(0Ω)提供;VDD為內(nèi)核濾波電路，由MC14、MC15組成;VDDF為內(nèi)部Flash濾波電路，由MC16、MC17組成.

圖4 主控制模塊最小系統(tǒng)圖

3.3 驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示.在該電路中畫(huà)出了壁面清潔裝置中2個(gè)直流電機(jī)的控制電路，電機(jī)額定電壓為12 V，最大額定電流10 A，額定功率12 W.電機(jī)控制信號(hào)由PWM口輸出0～5 V的直流電平控制信號(hào).其中，PWM01、PWM23控制執(zhí)行電機(jī)M1，經(jīng)U2前置驅(qū)動(dòng)后，由后置橋式驅(qū)動(dòng)電路Q1～Q4輸出電機(jī)控制信號(hào)，控制執(zhí)行電機(jī) M1的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向;PWM45、PWM67控制執(zhí)行電機(jī)M2，經(jīng)U3前置驅(qū)動(dòng)后，由后置橋式驅(qū)動(dòng)電路Q5～Q8輸出電機(jī)控制信號(hào)，控制執(zhí)行電機(jī)M2的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向.

圖5 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

4 軟件程序的設(shè)計(jì)

軟件控制程序是壁面清潔裝置的控制核心，負(fù)責(zé)該清潔裝置各種動(dòng)作執(zhí)行的指揮，主要完成:前端檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、控制執(zhí)行3個(gè)任務(wù).其中，前端檢測(cè)任務(wù)是控制、協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的正常工作;數(shù)據(jù)處理任務(wù)是對(duì)各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)融合;控制執(zhí)行任務(wù)是實(shí)時(shí)發(fā)出控制指令，控制裝置完成相應(yīng)的功能［12］.

圖6 軟件架構(gòu)圖

5 結(jié)語(yǔ)

滑動(dòng)吸附式壁面清潔裝置能對(duì)玻璃幕墻、光滑墻面等進(jìn)行清洗作業(yè)，具有體積小、反應(yīng)靈敏、運(yùn)行效率高、成本低的特點(diǎn).通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室戶外玻璃幕墻的清洗實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)壁面清潔裝置的穩(wěn)定性和可靠性分析，當(dāng)吸盤(pán)在壁面上移動(dòng)時(shí)，允許一定的泄漏量，負(fù)壓腔內(nèi)的氣體進(jìn)入量與真空泵從負(fù)壓腔內(nèi)抽出的氣體總量相平衡，在裝有兩個(gè)直徑為50 mm吸盤(pán)的條件下，可通過(guò)小于10 mm的間隙.

2)清潔裝置調(diào)速控制以1～5 m/min爬行速度前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)較為適宜;清洗機(jī)構(gòu)滾輪轉(zhuǎn)速50～100 r/min時(shí)清洗效果最佳，按清潔裝置移動(dòng)速度和清潔面直徑進(jìn)行計(jì)算，單位清洗面積可達(dá)到40～80 m2/h.

3)采用三維傾角傳感器感知行走狀態(tài)，通過(guò)程序控制，在發(fā)生故障時(shí)啟動(dòng)安置在頂樓的安全保護(hù)機(jī)構(gòu)防止裝置跌落，提高工作過(guò)程中裝置的安全性.

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(責(zé)任編輯 吳 強(qiáng))

Design and research of a wall cleaning device based on sliding absorption

ZHOU Jie1，F(xiàn)AN Li2，DING Zhuyu1，LEIYu1

(1.College of Engineering and Technology，Southwest University，BeibeiChongqing 400716，China;
2.College of Electronic and Information Engineering，Southwest University，BeibeiChongqing 400716，China)

In order to clean glass curtain wall of high building flexibly and efficiently，this paper designs a novel wall cleaning device with sliding absorption.In this paper，the author analyzes the steering kinematics and dynamicsmodel of cleaning device，expounds the design structure and working principle of each part of cleaning device.The tests indicate that the sliding absorption wall cleaning device can realize omnibearing freemovement in the vertical direction of glass curtain wall，ithas the characteristics of flexible control，simple operation，high economy and practicability，and the system has good market application prospect.

sliding adsorption;wall cleaning;single chip microcomputer control

TP274

A

1673-8004(2014)05-0089-05

20140-03-03

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)目(201210635120);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(XDJK2011C063).

周杰(1991-)，男，重慶合川人，主要從事車(chē)輛工程方面的研究.

丁珠玉(1980-)，男，重慶墊江人，副教授，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)方面的研究.