玻璃幕墻清潔機器人的結構設計

劉 晗，劉元昊，陳育羽，柴 瑞

(哈爾濱理工大學榮成學院，山東 威海 264300)

0 引言

在我國經濟迅猛發(fā)展與城市不斷擴大的今天，城市中的高樓大廈鱗次櫛比，玻璃幕墻作為一種新穎的高端建筑墻體，是如今高層建筑的寵兒。玻璃幕墻的廣泛應用也催生了清潔困難這一顯著問題，傳統(tǒng)的人工清潔不僅費時費力而且有很大的危險性，本文設計的清潔機器人可以有效降低危險性和人工成本。

1 清潔機器人的結構設計與分析

1.1 清潔機器人結構

玻璃幕墻清潔機器人外觀與內部結構如圖1所示，它主要由底輪清潔裝置、減速齒輪機構、驅動電機、封閉式內腔、離心葉輪組成，通過負壓原理實現(xiàn)吸附運動，雙底輪加裝擦布實現(xiàn)清潔功能與轉向功能。

圖1 機器人外觀與內部結構

機器人若要完成清潔任務，則需滿足以下條件：

(1) 吸附條件：真空負壓產生的摩擦力要大于機器人的自身重力。

(2) 驅動條件：電機產生的驅動力要大于機器人自身重力、清潔布料與玻璃面接觸時所產生的滑動摩擦力之和[1]。

1.2 清潔機器人工作原理

清潔機器人的具體工作過程如下：以機器人兩側驅動電機作為動力源，電機啟動后通過減速機構帶動底輪轉動，控制機器人的轉動與走向，氣體由底輪吸入進入封閉內腔，位于機器人中部的電機帶動離心葉輪旋轉產生離心力將密閉腔內的空氣排出機器人殼外產生吸附力實現(xiàn)機器人的吸附功能，由兩側驅動電機的正向與反向旋轉驅動底輪清潔裝置的正轉與反轉，在底輪清潔吸附裝置上套有清潔擦布，在機器人整體的運動過程中清潔擦布與工作接觸面之間產生摩擦力，實現(xiàn)機器人的清潔功能。

1.3 機器人的蝸輪蝸桿+齒輪減速機構

在機器人吸附幕墻行走進行清潔作業(yè)時，需要作為動力源的電動機提供較大的轉矩和較低的轉速，而機器人中使用的電機轉速較高，需要經過減速裝置進行減速處理，以達到機器人工作所需的轉速和轉矩，實現(xiàn)正反向運動及運動速度的轉換。本文設計的機器人采用的是蝸輪蝸桿傳動+行星減速機構，蝸輪蝸桿傳動如圖2所示，減速裝置內部的行星輪系結構如圖3所示。

圖2 電機與減速裝置之間的蝸輪蝸桿傳動 圖3 減速裝置內部的行星輪系結構

1.4 內部密封內腔設計

機器人采取內、外腔設計，外腔用于元器件排線，內腔用于渦輪電機向外吸氣，使機器人內部形成真空，通過負壓來吸附在需要清潔的玻璃幕墻上；電機減速機構也安置在內腔中。機器人封閉內腔整體剖切視圖如圖4所示。

圖4 機器人封閉內腔剖面圖 圖5 離心葉輪

1.5 離心葉輪裝置

機器人的吸附機構由如圖5所示的圓形背板以及安裝在渦輪電機上向前突出的多個角度間隔開的葉片組成。其工作原理是：圓盤高速旋轉，內腔的空氣在葉片的帶動下向大氣排出，形成約5 000 Pa的負壓差，讓機器人的底盤在負壓的作用下與玻璃之間產生摩擦力，使機器人在自身的重力作用下也能穩(wěn)定行走。

2 機器人整體力學分析與計算

2.1 力學平衡分析

利用負壓原理在玻璃上實現(xiàn)吸附功能的擦玻璃機器人，其機身能否穩(wěn)定吸附在玻璃上，取決于其所受力是否平衡[2]。本文設計的機器人是通過離心葉輪旋轉產生的負壓將機器人壓在工作表面上來實現(xiàn)吸附功能。當機器人靜止吸附在工作表面時，其受力情況如圖6所示。機器人需滿足如下吸附條件：

圖6 機器人作業(yè)時的受力分析

f1=μ0N≥G.

(1)

其中：f1為機器人與工作面之間接觸產生的摩擦力；μ0為機器人與工作表面間的平均摩擦因數；N為離心葉輪工作產生的負壓給予機器人的正壓力；G為機器人的自重。正壓力N由下式計算：

N=(p0-p1)S1.

(2)

其中：p0為標準大氣壓；p1為機器人的封閉內腔的空氣壓力；S1為機器人底輪與工作表面之間的接觸面積。由式(1)和式(2)聯(lián)立可得出：

(3)

若期望機器人在工作表面自如行走則需滿足式(3)所列出的基本負壓條件。

2.2 運動參數分析

機器人若想實現(xiàn)正常的清潔工作，不僅需要穩(wěn)固地吸附在工作表面，而且還需要在穩(wěn)固吸附的基礎之上能夠正常地向各個方向運動，即在滿足固定的吸附條件之外還應該滿足合理的驅動條件。當機器人沿工作表面豎直向上運動時，應滿足如下條件：

(4)

其中：F為驅動電機經過減速裝置減速后輸出的驅動力；f2為在機器人運動過程中產生的摩擦力，其方向與機器人的運動方向相反，大小為機器人與工作表面之間的摩擦因數與負壓產生的壓力的乘積。

摩擦力的大小主要取決于負壓條件帶給機器人的壓力，壓力的大小由大氣壓強與機器人封閉內腔的壓強差值決定。設想機器人工作環(huán)境處在標準大氣壓下，則摩擦力的大小主要由封閉內腔的壓力大小決定，若在理想條件下封閉內腔完全封閉不會產生漏氣，則機器人運動過程中滿足以下條件即可：

F>G+μ0N=G+(p0-p1)S1.

(5)

若將封閉內腔會產生漏氣考慮在內，機器人需要滿足下列條件才能在工作表面自如運動：

F>G+μ0N=G+μ0(p0-p1-Δp)S1.

(6)

其中：Δp為封閉內腔由于漏氣引起的壓降。

式(6)為機器人正常工作運動中需滿足的驅動條件，即驅動電機輸出的轉矩越大，則機器人正常工作的概率越高，由驅動引起的故障也會減少。

圖7為機器人正吸附在大型3D打印機的側面玻璃進行清潔工作。

圖7 機器人進行清潔工作

3 結語

本文設計的清潔機器人通過負壓吸附的原理可以實現(xiàn)玻璃吸附與正常清潔工作的運動，采用PLA材料打印的機器人整體結構可以承受離心葉輪產生的負壓。此結構的機器人尚無法清潔玻璃直角轉彎處的灰塵與污漬，因此對其結構還需作進一步的優(yōu)化與完善。