一種新型跨障礙擦窗機(jī)器人

文/王亞男 劉智峰 劉宸宇 胡任宇 王江匯

跨障礙擦窗機(jī)器人，以自動化的工作特點(diǎn)，解決了窗戶清理工作中的安全問題，以簡單的操作，使本機(jī)器人在工作的過程中，方法簡單，實(shí)用，且以機(jī)器人跨障礙擦窗，讓機(jī)器人在替代人工工作的同時(shí)，有著明確的方向性。

1 擦窗機(jī)器人設(shè)計(jì)背景

玻璃窗是現(xiàn)代房屋中離不開的建筑材料，玻璃的清理工作，是人們生活中常見的問題，高樓的建立，使玻璃窗的清洗工作，變得越來越不方便，而玻璃窗的潔凈，不僅為我們提供良好的生活環(huán)境，也使我們的保持良好的心情。這種生活，使人們需要一種安全而又實(shí)用的設(shè)備，清理玻璃窗戶上的灰塵和臟物，擦窗機(jī)器人的設(shè)計(jì)就是在這種背景下產(chǎn)生，給窗戶的清理工作，帶來方便、安全的辦法，給人們的生活帶來方便。

2 擦窗機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)要求

窗戶因有窗框，使擦窗機(jī)器人在工作時(shí)，需要跨越障礙，也使機(jī)器人在設(shè)計(jì)中，有著跨障礙、擦窗、自動化的功能要求。因此，擦窗機(jī)器人的設(shè)計(jì)，需要以不同的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的功能，使機(jī)器人能很好的完成所設(shè)定的工作，并在設(shè)計(jì)中，要考慮機(jī)器人擦窗時(shí)，移動過程中的穩(wěn)定性和有效性。本文在設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跨障礙擦窗工作，將機(jī)器的分為不同的機(jī)構(gòu)，以真空吸附真空盤，使機(jī)器人在移動中，進(jìn)行窗戶的清理工作。

2.2 研究步驟

新型跨障礙擦窗機(jī)器人的研究，分為以下幾個上步驟：

（1）機(jī)器人跨障礙擦窗的工作形式；

（2）機(jī)器人完成跨障礙擦窗工作需要的材料；

（3）完成設(shè)計(jì)工作。

擦窗機(jī)器人整體上分為螺母和支架機(jī)構(gòu)，清潔機(jī)構(gòu)，滑動機(jī)構(gòu)，底板內(nèi)帶動裝置，驅(qū)動輪、密封區(qū)等幾個部分，研究的過程中，根據(jù)擦窗機(jī)器人行動的需要，對不同機(jī)構(gòu)部分，從自動化、清理窗戶，跨越障礙等角度進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，以完成擦窗機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

3 擦窗機(jī)器人和選擇

3.1 真空吸盤設(shè)計(jì)

在機(jī)器人的吸盤設(shè)計(jì)中，選用真空吸盤，是以真空吸盤中產(chǎn)生的負(fù)壓，讓機(jī)器人吸附在玻璃上。同時(shí)，真空吸盤具有造價(jià)便宜，品種眾多的特點(diǎn)，運(yùn)用在擦窗機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，能使擦窗機(jī)器人很好的吸附在玻璃上。

真空吸盤的設(shè)計(jì)，在擦窗機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)中，是比較重要的環(huán)節(jié)，它涉及到機(jī)器人工作的過程中，能很好的吸附能力，又不影響機(jī)器人的移動。真空吸盤，在材料上，有橡膠和硅膠，兩種不同材料的品種，本文設(shè)計(jì)中，選用橡膠和硅膠材料的混合吸盤，使機(jī)器人以硅膠的特點(diǎn)，能在粗糙的平面上移動，能很好的跨障礙，又能保持橡膠耐高溫的特點(diǎn)。

擦窗機(jī)器人有著體積小，重量輕的特點(diǎn)，在擦窗機(jī)器人的吸盤機(jī)構(gòu)中，由氣咀蓋、連接管、抽氣泵部分組成，并將真空吸盤的氣咀蓋，通過連接管與抽氣泵連接在一起，通過抽氣泵的工作，使真空吸盤產(chǎn)生負(fù)壓，起到吸盤的作用。

3.2 真空泵選擇

真空泵的工作原理有兩種，一種是通過機(jī)械的方法，進(jìn)行空氣抽出，第二種方法是通過物理和化學(xué)的方法，進(jìn)行真空泵的抽氣，以形成吸盤的真空狀態(tài)。真空泵根據(jù)抽氣形式不同，有氣體傳輸泵和氣體捕集泵。在本文闡述的擦窗機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，真空機(jī)構(gòu)是由十個吸盤和十個真空泵組成，為使吸附機(jī)構(gòu)簡單，在真空泵的選擇上，選用氣體捕集泵，將真空泵中真空發(fā)生器的出氣筒，與吸盤連接管連接，使機(jī)器人在移動的過程中，通過真空泵完成氣缸中的氣體捕集，讓吸盤形成真空，使吸盤在移動后，以真空狀態(tài)，吸附在玻璃上，以此反復(fù)，形成機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。

4 移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇

4.1 履帶設(shè)計(jì)

擦窗機(jī)器人的吸盤，在進(jìn)行越障移動中，都會遇到一些凹凸不平的障礙，這些障礙影響著吸盤的吸附能力，在這種情況下，為不影響機(jī)器人的運(yùn)動，在運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，以履帶設(shè)計(jì)的形式，將每個吸盤連接在一起。機(jī)器人在擦窗的工作中，是以垂直的形式吸附在玻璃上，為考慮機(jī)器人整體的重量，履帶設(shè)計(jì)中，要考慮履帶的輕便，并在設(shè)計(jì)中，使履帶在主動輪的帶動下，以柔性鏈環(huán)的托帶，在誘導(dǎo)輪的作用下，以履帶將每個吸盤連接起來，使機(jī)器人以平穩(wěn)狀態(tài)，沿著履帶移動的方向，進(jìn)行越障移動。

4.2 驅(qū)動電機(jī)選擇

機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)，在驅(qū)動的形式上，有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動，電壓驅(qū)動三種。本文設(shè)計(jì)中，選擇普通直流氣壓電機(jī)，為減輕機(jī)器人的重量，以小型減速電機(jī)和氣壓驅(qū)動元件，使?jié)L動導(dǎo)軌的驅(qū)動，帶到機(jī)器人，并以滾動導(dǎo)軌循環(huán)形式，以電機(jī)的直接驅(qū)動形式，帶動連接吸盤的連軸和履帶，完成機(jī)器人工作過程的移動。

氣壓驅(qū)動電機(jī)，在空氣壓縮中，利用了空氣黏度小的特點(diǎn)，以通過驅(qū)動電機(jī)，使真空泵在工作中，完成真空操作。氣壓驅(qū)動電機(jī)的常用壓力為0.4-0.6MPa，能滿足機(jī)器人工作的需要，但氣壓電機(jī)，在工作時(shí)，其穩(wěn)定性比較差，對機(jī)器人的速度無法很好的控制，因氣壓驅(qū)動電機(jī)的不穩(wěn)定時(shí)，使機(jī)器人的移動位置的準(zhǔn)確性不太好。而對于重量輕，體積小的擦窗機(jī)器人，氣壓驅(qū)動電機(jī)有著安全、環(huán)保特點(diǎn)，機(jī)器人的擦窗工作，對于速度和位置的穩(wěn)定性，沒有一定的要求，適合氣壓電機(jī)的工作特點(diǎn)。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 清潔液噴灑裝置

機(jī)器人的清潔裝置，包括機(jī)器人底板里的微型水泵、微型水箱，以及清潔工作中的水槽、刮帶和用于清潔窗戶的清潔布，以及清潔液噴灑裝置。清潔液噴灑裝置的工作方式，是在機(jī)器人工作時(shí)，在電機(jī)的驅(qū)動下，利用空氣壓力，以間斷的方式，隨著機(jī)器人的移動，使清潔液噴灑裝置向玻璃進(jìn)行清潔液的噴灑，并利用機(jī)器人移動中產(chǎn)生的摩擦力，使清潔在刮條的作用下，通過清潔布和刮條與玻璃的摩擦，進(jìn)行清理工作。

5.2 清潔布設(shè)計(jì)

清潔布是擦窗機(jī)器人工作時(shí)的重要工具，在清理窗戶的玻璃時(shí)，以清潔布與玻璃的緊貼，以機(jī)器人的移動，帶動清潔布的移動，利用清潔布與玻璃之間產(chǎn)生的摩擦力，進(jìn)行清理工作。清潔布的設(shè)計(jì)，與機(jī)器人其他部位的設(shè)計(jì)有著密切的聯(lián)系，首先是利用機(jī)器人的輪足，以輪式的模式，以真空泵使吸盤吸附在玻璃上，使機(jī)器人移動的節(jié)奏與清潔布工作的節(jié)奏一致。

6 路徑規(guī)劃及控制系統(tǒng)

擦窗機(jī)器人在驅(qū)動形式上，是以輪式運(yùn)動的模式，通過機(jī)器人底板上的滾輪，進(jìn)行移動，也形成了擦窗機(jī)器人的路徑特點(diǎn)。機(jī)器人的路徑規(guī)劃，可以將擦窗機(jī)器人設(shè)置于三維座標(biāo)中去描述，在描述中，以窗戶的水平線為座標(biāo)的X軸，以水平的垂直方向?yàn)閅軸，以同時(shí)垂直于X、Y軸的方向?yàn)閆軸，根據(jù)機(jī)器人清潔工作的特點(diǎn)，機(jī)器人在移動時(shí)，停止工作，在停止移動時(shí)，進(jìn)行工作，因此，在機(jī)器人的路徑設(shè)計(jì)中，將機(jī)器人設(shè)置為工作狀態(tài)和不工作狀態(tài)兩種形式，使這兩形式，在三維座標(biāo)中，形成黑白不同的點(diǎn)，并以黑點(diǎn)表示工作，白點(diǎn)表示不工作，以黑白點(diǎn)相連的軌跡線，成為機(jī)器人的路徑規(guī)劃。

機(jī)器人在控制系統(tǒng)中，通過對機(jī)器人的車輪進(jìn)行制動，以控制機(jī)器人的先去，從機(jī)器人運(yùn)動時(shí)的靜力學(xué)分析，取機(jī)器人工作時(shí)某一點(diǎn)為分析點(diǎn)，以機(jī)器人不滑落和斜倒時(shí)的那一點(diǎn)為臨界點(diǎn)，根據(jù)力學(xué)的原理，機(jī)器人在臨界點(diǎn)上的受力情況，在三難座標(biāo)中，每個方向的合力矩都應(yīng)為零。

又因?yàn)闄C(jī)器人中每一個真空吸盤相同，可視為每個真空吸盤上的吸力相等，以及每個真空吸盤的有效吸附面積相等，在這種狀態(tài)下，根據(jù)靜態(tài)力學(xué)原理，機(jī)器人在臨界點(diǎn)的摩擦力應(yīng)大于零，而機(jī)器人整個控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，便是根據(jù)機(jī)器人真空吸盤力度，摩擦系數(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

7 結(jié)束語

跨障礙擦窗機(jī)器人的設(shè)計(jì)，在完成清理工作的過程中，移動的路徑，是以橫向和縱向運(yùn)動的形式，并借以機(jī)器人移動時(shí)的摩擦力，完成清洗工作。因窗戶有高出玻璃的框架，機(jī)器人跨越障礙時(shí)，在技術(shù)上有一定的要求，設(shè)計(jì)中，以真空泵連通真空吸盤，形成機(jī)器人的運(yùn)動裝置，完成機(jī)器人工作的吸附和清理工作。