高層建筑玻璃清洗機的結構設計

王會 張倩倩

摘 要：本文設計了一種能在玻璃上吸附行走的單片機控制、自主移動的清洗機，簡單介紹了清洗機的國內外研究現狀，闡述了清洗機的機械結構部分。結果表明，該清洗機具有結構簡單、容易控制、便于攜帶以及清洗效果好的特點。

關鍵詞：清洗機;機械結構;移動結構;吸附結構;驅動系統

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）02-0092-02

Design of Tall Building Glass Cleaner

Abstract： In this paper， a single chip microcomputer controlling and autonomous moving cleaning machine was designed which could be used to absorb and walk on glass. The research status of cleaning machine at home and abroad was briefly introduced， and the mechanical structure part of cleaning machine was designed . The cleaning machine has the characteristics of simple structure， easy to control， easy to carry and good cleaning effect.

Keywords： cleaning machine;mechanical structure;mobile structure;adsorption structure;drive system

目前，各個城市都在為創建衛生城市而努力，高層建筑已成為城市面貌的主要部分。如何快速干凈地打掃高層建筑的玻璃，降低清潔工人的勞動強度，避免人工操作的安全事故，是機械工作者需要重點關注的研究課題。本設計采用的動力供給裝置是在機器的頂部覆蓋太陽能電池板，將太陽能轉換成電能并儲存在鋰電池內，為清洗機工作提供動力。此外，清洗機有外部接口，連續陰天時可通過外部電源充電。

1 清洗機總體方案設計

1.1 設計思路

清洗機的整體形狀為圓盤形，運動裝置和吸附裝置是模仿壁虎爬行動作設計的。壁虎一條腿的運動動作在一個周期內可分解為支撐階段和擺動階段。當一條前腿和對側的后腿處在支撐階段時，另一對前后腿處在擺動階段，往復一次，完成一個邁步動作。清洗機采用4個曲柄滑塊機構模仿壁虎的腿，采用強力吸盤模仿壁虎的爪子。強力吸盤采用三吸盤結構形式，以增大吸附力，避免壁面凸凹不平時，單個吸盤出現漏氣導致的吸盤吸附力下降和整體承載能力降低，從而提高吸附結構的可靠性。底部的可拆裝細毛刷、抹布及垃圾收集裝置，會在清洗機行走過程中擦拭玻璃上的灰塵和雜質，達到清洗的目的。

1.2 總體設計方案

清洗機的整體設計圖如圖1所示。太陽能電池板可將太陽能轉換成電能，為清洗機提供動力。底板上面的右側電機轉動，帶動V帶傳動，并帶動直齒圓錐齒輪傳動。轉動將垂直面的轉動轉變為水平面的直齒圓柱齒輪傳動，然后通過與齒輪同軸的曲柄和連桿驅動右前側吸盤向前運動。同時，通過與齒輪同軸的同步帶輪和同步帶將動力傳遞給左后側曲柄滑塊機構的吸盤，使其向后運動。左側電機傳遞給直齒圓柱齒輪的轉速方向與右側齒輪相反，因此左前側吸盤、右后側吸盤的運動方向與吸盤、吸盤方向反向。當左前側吸盤和右后側吸盤處于支撐階段時，另一對前后吸盤處于擺動階段，往復一次，完成一個邁步動作。底板下面的結構包括可拆裝細毛刷、抹布及垃圾收集裝置，可在清洗機行走過程中擦拭玻璃灰塵。

1.3 總體設計要求

1.3.1 外觀設計。由于人們對機器外觀的要求越來越高，本機器在完成預想功能的前提下，將設計時尚、美觀的外形，以吸引消費者眼球[1]。

注：1.太陽能電池板;2.左前側吸盤;3右前側吸盤;4.左后側吸盤;5.右后側吸盤;6.電機;7.V帶傳動;8.錐齒輪傳動;9.直齒齒輪傳動;10.曲柄;11.連桿;12.同步帶輪;13.同步帶;14.毛刷;15.驅動輪;16.垃圾收集裝置;17.抹布裝置。

1.3.2 材料選擇。由于清洗機需在玻璃上工作，所選材料必須滿足高強度、低質量的要求。本設計考慮材料的許用應力，保證選擇的材料達到預定的安全系數。因此，材料選用硬質塑料。

1.3.3 經濟性設計。本機器進行反復試驗及優化設計，在滿足預想功能的前提下，使機構最簡潔、用料最省，以減少成本、節約能量。

2 清洗機清洗機械結構設計

根據清洗機的運動情況和工作狀況，采用可調速電機型號TE 2-90L-6，功率為1.5kW，轉速為940r/min，電機主軸軸徑為24mm，底座孔距為140mm×125mm，中心高值為90mm。

2.1 清潔機爬行裝置的設計

壁虎不但能在光滑的墻壁上行動自如，還能在天花板上運動，其強大吸盤具有重要作用。在一個周期內，壁虎的一個腳抬起，另一只腳支撐，此周期性運動達到了預定的運動效果。因此，太陽能機器運動方式采用仿生學壁虎運動方式，其中吸盤是太陽能清潔機器的重要組成部分，可使其貼于墻壁和玻璃行走，達到清潔的目的。

2.2 曲柄滑塊機構的設計

2個電機通過V帶傳動，帶動直齒圓錐齒輪和直齒圓柱齒輪傳動，分別將方向相反的動力傳遞給前面2個曲柄滑塊機構的曲柄，然后通過同步帶傳動，分別將動力傳遞給后面2個曲柄滑塊機構的曲柄，最后4個曲柄滑塊機構通過連桿帶動4個滑塊即強力吸盤模仿壁虎的爬行動作。滑塊的往復運動速度應一致，所以曲柄滑塊機構無急回特性，應設計為對心曲柄滑塊機構。當曲柄和連桿2次共線時，滑塊處于2個極限位置，二者之間的距離即行程H為2倍的曲柄長。又因為曲柄滑塊的行程是每次的步伐距離，可得行程[H=200mm]，曲柄長[R=100mm]。考慮其他輔助條件，設[K=LR]，一般[K=2～5]，此處[K=3]，可確定連桿長[L=300mm]。

3 清洗機控制系統的設計

根據太陽能清潔機器的整體機構，太陽能電池板的外形設計為鍋蓋形，其接收太陽光照的能力增加35%，給清洗機提供了足夠的動力[2]。

清洗機的控制系統是提高機器系統整體可靠性和實用性的關鍵，主要任務是通過控制盒完成自動作業和手動操作。控制系統的設計要求應滿足系統可靠、結構簡單輕便及便于維護。控制系統硬件選用AT89S52單片機、擴展的MAX485通信芯片、看門狗電路、脈沖速度檢測電路、收發緩沖器、按鍵中斷輸入及光耦隔離。為提高清洗機的自動化程度，在控制系統硬件部分增加了傳感器，用于分辨墻面的材料，從而遠程控制清洗機的運動。這里選用德國TURCK公司生產的超聲波傳感器，其特點是有效作用距離大，與被測物的顏色和所在環境無關，并具有開關量和模擬量兩種輸出，有利于控制。

4 結語

本文對清洗機的機械結構部分進行了詳細設計，所提設計能降低勞動者的工作強度和難度，適用于高層建筑的玻璃清洗。同時，清洗機的機械結構簡單，便于攜帶，清洗效果好，市場推廣空間較大。

參考文獻：

[1]唐建祥.高樓壁面清洗機器人的研究與設計[D].邯鄲：河北工程大學，2017.

[2]于今，劉雪飛.一種新型爬壁機器人研究[J].液壓與氣動，2010（10）：52-59.